Вступ до виробництва та застосування розплавлених нетканих матеріалів

Процес виробництва нетканого полотна методом плавленого продування полягає у використанні швидкого гарячого повітря для розтягування тонкої струменя полімерного розплаву, що витікає з отвору матриці, утворюючи таким чином надтонкі волокна, які конденсуються на сітчастому екрані або валку і завдяки власним зв’язкам перетворюються на неткане полотно.

Порівняння волокон методу плавленого продування та волокон методу спін-бонд:

• Довжина волокон: спін-бонд — це ниткоподібне волокно, метод плавленого продування — коротке волокно.
• Міцність волокон: міцність волокон спін-бонд > міцність волокон методу плавленого продування.
• Тонкість волокон: волокна методу плавленого продування тонші, ніж волокна методу спін-бонд.

Апарати для плавленого продування поділяються на горизонтальні та вертикальні залежно від способу розміщення.

1. Технологічний процес та обладнання

Процес плавленого продування

 Підготовка полімеру → вихід розплаву → дозувальний насос → збірка матриці для плавленого продування → розтягування струменя розплаву → охолодження → приймальне пристрій

Обладнання, що входить до складу Лінія виробництва нетканого полотна методом плавленого продування з поліпропілену

Основне обладнання: подавач, шнековий екструдер, дозувальний насос, збірка матриці для плавленого продування, компресор повітря, нагрівач повітря, приймальний пристрій, намотувальний пристрій. Для виробництва поліестеру та інших сировинних матеріалів також потрібен пристрій для сушіння гранул.

Допоміжне обладнання: печь для очищення матриці, пристрій для електростатичного нанесення та розпилювальний пристрій тощо.

1. Подавач

Встановлюється на бункері екструдера. Функція подавача — всмоктувати пластикові пластини в бункер шнекового екструдера. Зазвичай має автоматичну функцію. Кількість подачі за одиницю часу можна налаштувати відповідно до продуктивності всієї лінії.

2. Шнековий екструдер

3. Дозувальний насос

4. Збірка матриці для плавленого продування

Збірка матриці є найкритичнішою частиною обладнання для плавленого продування, головним чином включаючи:

1. Система розподілу полімерного розплаву
2. Система матриці

Система розподілу полімерного розплаву

Система розподілу полімерного розплаву забезпечує однорідний потік полімерного розплаву вздовж матриці для плавленого продування та однаковий час перебування, що гарантує більш однорідні властивості нетканого полотна методом плавленого продування по ширині.

Система матриці

Система матриці складається з кільця для формування волокон, газової пластини, нагрівальних та теплоізоляційних елементів тощо.

Однорідність продуктів методу плавленого продування тісно пов'язана з матрицею. Загалом точність обробки матриці для плавленого продування висока, тому вартість виготовлення матриці дорожча.

5. Нагрівач повітря

Процес плавленого продування потребує великої кількості гарячого повітря. Стиснуте повітря, що виходить з компресора, осушується та фільтрується, потім направляється до нагрівача повітря для нагрівання, а потім подається до збірки матриці для плавленого продування. Нагрівач повітря є напівзакритим резервуаром, і водночас він повинен протистояти окисленню гарячого повітря, тому матеріал має бути нержавіючою сталлю.

6. Приймальний пристрій

Основні типи приймальних пристроїв для процесу плавленого продування: валковий тип, плоский екранний тип

Тривимірне формування (шаблон): пристрій для виготовлення фільтруючих елементів

Використовується тривимірний приймальний пристрій, що поділяється на періодичний та безперервний прийом.

Періодичний приймальний пристрій

Приймальний пристрій рухається вперед-назад, і волокна намотуються на шаблон кількома шарами; змінюється відстань прийому для виготовлення фільтруючого елемента з градієнтом щільності;

Змінюється розмір шаблону для виготовлення фільтруючих елементів з різним внутрішнім діаметром. Після виготовлення кожного фільтруючого елемента необхідно замінити шаблон, тому ефективність виробництва низька.

Безперервний приймальний пристрій

Приймальний шаблон має форму консольної балки, і є ведучий вал для випуску трубчастого фільтруючого елемента. Головний кінець ведучого валу має різьблення, і трубчастий фільтруючий елемент витягується з приймального шаблону та транспортується до системи різання.

При виготовленні фільтруючих елементів з градієнтом щільності слід встановити кілька матриць з різною відстанню прийому.

7. Допоміжне обладнання

Основним допоміжним обладнанням лінії виробництва методом плавленого продування є печь для очищення матриці. Після деякого часу використання матриці для плавленого продування може виникнути закупорка отворів. У цей час матрицю для плавленого продування необхідно замінити.

Замінену матрицю для плавленого продування необхідно обпалити, щоб видалити залишки полімеру та домішок у матриці. Шнеки та кільця для формування волокон зазвичай обпалюють, щоб видалити залишки полімеру та домішок.

2. Сировинні матеріали, що використовуються в методі плавленого продування

У теорії всі термопластичні (розплавлення при високій температурі, застигання при низькій температурі) полімерні гранули можна використовувати в процесі плавленого продування. Поліпропілен є одним з найпоширеніших матеріалів для гранул у технології плавленого продування. Крім того, поширені полімерні гранули для технології плавленого продування включають поліестер, поліамід, поліетилен, політетрафторетилен, полістирол, PBT, EMA, EVA тощо.

Тип полімеру визначає його температуру плавлення та реологічні властивості. Для кожного полімерного сировинного матеріалу існує відповідний процес плавленого продування, наприклад, температура нагрівання, співвідношення довжини до діаметра шнека, форма шнека, процес сушіння сировини тощо, що мають певні відмінності.

Полімерні сировинні матеріали олефінового типу (наприклад, поліпропілен) мають високу степінь полімеризації, тому температура нагрівання вища за температуру плавлення на 100 ℃ або більше, що дозволяє провести плавлене продування без проблем, тоді як температура нагрівання поліестеру трохи вища за температуру плавлення, що дозволяє провести плавлене продування. Олефінові сировинні матеріали зазвичай не потребують сушіння. Поліестер обов’язково треба сушити.

Молекулярна маса та розподіл молекулярної маси полімерних сировинних матеріалів є найважливішими факторами, що впливають на процес плавленого продування та властивості нетканого полотна методом плавленого продування.

Щодо процесу плавленого продування, загалом вважається, що низька молекулярна маса та вузький розподіл молекулярної маси полімерних сировинних матеріалів сприяють однорідності полотна методом плавленого продування. Чим нижча молекулярна маса полімеру, тим вищий індекс плавлення (MFI, індекс плавлення, що означає вагу розплаву, який витікає за 10 хвилин при певному тиску та температурі), і чим нижча в’язкість розплаву, тим більше він підходить для процесу плавленого продування, оскільки має слабший ефект розтягування.

3. Будова та властивості нетканого полотна методом плавленого продування

Однією з особливостей нетканого полотна методом плавленого продування є маленька тонкість волокон, зазвичай менша за 10 мкм, а більшість волокон має тонкість від 1 до 4 мкм.

Різні сили на всій лінії прядіння від сопла матриці для плавленого продування до приймального пристрою неможливо збалансувати (вплив коливань розтягувальної сили високотемпературного та високошвидкісного повітря, швидкості та температури охолоджувального повітря тощо), що призводить до різного розміру тонкості волокон методу плавленого продування.

Однорідність діаметра волокон у нетканому полотні методом спін-бонд значно краща, ніж у волокнах методу плавленого продування, оскільки в процесі спін-бонд умови прядіння стабільні, а умови розтягування та охолодження не змінюються.

Кристалічність та орієнтація волокон методу плавленого продування менші, ніж у методі спін-бонд. Тому міцність волокон методу плавленого продування слабша, а міцність полотна також слабша. Міцність декількох волокон з поліпропілену така:

Через слабку міцність волокон методу плавленого продування практичне застосування нетканого полотна методом плавленого продування зумовлене переважно характеристиками його надтонких волокон.

4. Застосування нетканого полотна методом плавленого продування

Наразі неткане полотно методом плавленого продування використовується переважно для:

1 фільтруючий матеріал

Фільтрація — це розділення твердих часток, розсіяних у газі або рідині.

Механізм фільтрації: ситове осідання, електростатичне осідання, дифузійне осідання тощо.

Чи частки більші за пори фільтруючого матеріалу, що підлягають просіюванню?

Дослідження показали, що фільтрувальні матеріали з розміром пор від десяти до десятків мікронів можуть затримувати пил розміром до 1 мкм. Для покращення ефекту седиментації сита необхідно зменшити розмір пор фільтрувального матеріалу, тобто зменшити тонкість волокон і збільшити щільність матеріалу.

Неткані матеріали методом розплавленого дуття мають переваги: тонкі волокна, багато пор і маленький розмір пор.

застосування:

Фільтрація газів: медичні маски, фільтрувальні матеріали для внутрішніх кондиціонерів.

Фільтрація рідин: фільтрація напоїв, фільтрація води.

Для покращення фільтрувального ефекту можна зменшити тонкість волокон і збільшити щільність фільтрувального матеріалу, але це призведе до значного зростання опору фільтрації.

Тому неткані матеріали методом розплавленого дуття слід заряджати електростатично, і їх фільтрувальний ефект можна покращити за допомогою електростатичного ефекту, тобто обробки електретом.

Оброблене електретом неткане полотно методом розплавленого дуття має довговічне статичне електричне поле і може за допомогою електростатичного ефекту затримувати дрібний пил, тому воно має переваги високої фільтрувальної ефективності та низького опору фільтрації.

Поліпропілен має високий питомий опір (7×1010 Ом·см) і велику здатність до ін'єкції заряду. Він є ідеальним матеріалом для виготовлення електретних волокон. Експерименти показують, що після 1440 годин зберігання обробленого електретом поліпропіленового нетканого полотна методом розплавленого дуття в природному стані його фільтрувальна ефективність залишається незмінною.

Вплив обробки електретом на фільтрувальну ефективність і опір нетканого полотна методом розплавленого дуття

Можна побачити, що опір фільтрації нетканого полотна методом розплавленого дуття не змінився після обробки електретом, але фільтрувальна ефективність значно покращилася, що неможливо досягти іншими нетканими матеріалами.

2. Медичні та охоронні матеріали

Медична маска: композитний матеріал (SMS), що складається з спін-бонд-матеріалу на внутрішньому та зовнішньому шарах і матеріалу методом розплавленого дуття посередині.

3. Матеріали для охорони навколишнього середовища (маслоабсорбуючі матеріали)

Неткане полотно методом розплавленого дуття з поліпропілену є хорошим маслоабсорбуючим матеріалом завдяки своїм матеріальним властивостям і структурі мікрофібри. Воно широко використовується у розвинених країнах, таких як Європа, Америка, Японія тощо, наприклад, при розливах нафти в морі, розливах нафти з заводського обладнання та очищенні стічних вод.

Неткане полотно методом розплавленого дуття з поліпропілену має гідрофобні та ліпофільні властивості, стійке до сильних кислот і лугів, а також меншу щільність, ніж вода. Після абсорбції нафти воно може довго плавати на воді без деформації і може бути перероблене та зберігається довго. Неткані полотна методом розплавленого дуття з поліпропілену виготовляють у вигляді маслоабсорбуючих шнурів, маслоабсорбуючих ланцюгів, маслоабсорбуючих подушок тощо. Маслоабсорбція може досягати 10–50 разів від його ваги.

4. Матеріали для одягу (теплоутримуючі матеріали)

Теплоізоляційні матеріали повинні мати гарні теплоізоляційні властивості і можуть використовуватися довго без зміни своїх теплоізоляційних властивостей.

Експерименти показують, що структура волоконного решітки є одним з основних факторів, що впливають на теплопередачу теплоізоляційних матеріалів.

У композитного теплоізоляційного матеріалу методом розплавленого дуття його товщина мало впливає на повітропроникність, тоді як повітропроникність пластівців з поліестерного волокна швидко зростає зі зменшенням товщини. Тому композитний теплоізоляційний матеріал методом розплавленого дуття має високу вітровідповідальність.

5. Сепаратор для акумуляторів

Мембранний матеріал є важливою складовою акумулятора і часто розміщується між позитивним і негативним електродами. Основна функція — ізолювати позитивний і негативний електроди, забезпечуючи проходження діелектрика.

Матеріал з поліпропілену має чудову стійкість до кислот і лугів. Мембранний матеріал методом розплавленого дуття з поліпропілену має характеристики малого розміру пор, великої пористості, малого опору та різноманітних варіантів продукції.