Производство бикомпонентного волокна

ПРОИЗВОДСТВО БИКОМПОНЕНТНОГО  ВОЛОКНА

 

Нетканый материал, изготовляемый  по технологии айрлайд (далее по тексту - айрлайд-материал), известен в России давно. Эту уникальную неткань долгое время ввозили из-за границы, она  служила и служит незаменимой  впитывающей основой практически  для всех гигиенических изделий.

Дорогостоящим и незаменимым сырьем для айрлайд-материала является бикомпонентное штапельное волокно. В 2004 году руководство компании  приняло  решение о создании собственной  производственной базы по выпуску волокон. В декабре 2005 года технологическая  линия, поставленная немецкой компанией Neumag/Saurer, выпустила первое волокно. В апреле 2006 года компания произвела  первый качественный айрлайд-материал c бикомпонентным волокном собственного производства.

Айрлайд-материал: сырьевая структура

Трехлетняя практика продвижения  и популяризации айрлайд-материала  показала, что не все хорошо представляют себе техпроцесс получения и спектр возможностей данной технологии, поэтому  хотелось бы осветить этот вопрос возможно подробнее.

Айрлайд-материал представляет из себя термоскрепленное нетканое полотно, состоящее  из натуральных волокон и добавок. Основное сырье для производства такой неткани - натуральная целлюлоза  из хвойных пород древесины, бикомпонентное штапельное волокно и так называемый суперабсорбент.

Айрлайд-материал изготовляется трех основных типов, которые отличаются друг от друга как по сырьевому  составу, так и по назначению.

Тип первый: неткань, состоящая только из бикомпонентного волокна. Представляет собой очень прочный на разрыв материал, пропускающий жидкости и  воздух. Основные назначения такого материала - фильтрация и использование в  качестве упаковки.

Тип второй: материал, состоящий из целлюлозы и бикомпонентного  волокна. В зависимости от содержания в материале скрепляющего агента - бикомпонентного волокна - может  быть получен различной прочности  на разрыв. Основное назначение такого материала - гигиеническая продукция: влажные салфетки, ежедневные прокладки, перевязочный материал и оберточный материал для продуктов питания.

Тип третий: материал, состоящий из целлюлозы, бикомпонентного волокна  и содержащий суперабсорбент. Впитываемость  такого материала значительно выше, чем у типа 1 и типа 2. Назначение - прокладочный материал в транспортную тару и влаговпитывающие вкладыши под  замороженные пищевые продукты животного  и растительного происхождения, а также гигиеническая продукция - прокладки для критических дней, впитывающие простыни для больных, подгузники.

Рассмотрим каждый сырьевой компонент  айрлайд-материала в отдельности.

Бикомпонентное штапельное волокно 

Оно (рис. 1) определяет механические характеристики материала. В айрлайд-процессе используется штапельное (т.е. нарезанное на короткие отрезки - штапели) волокно максимальным диаметром до 10 микрометров (~ 1,7...2,2 децитекс), длиной 3...6 мм. Волокно имеет структуру ядро-оболочка, ядро выполнено из полиэтилентерефталата, оболочка - из полиэтилена. В процессе формования полотна нетканого материала бикомпонентные волокна перемешиваются с  волокнами целлюлозы, далее волокнистая смеска разогревается до температуры ~ 180°C. Полиэтиленовая оболочка волокон расплавляется, волокна приклеивается к целлюлозе и друг к другу. После охлаждения до комнатной температуры нетканое полотно становится прочным на разрыв.

Целлюлоза

 

В начале XX века специалисты компании Кимберли Кларк обнаружили, что вата из древесной целлюлозы впитывает  лучше, чем хлопковая. Современные  исследования доказывают: целлюлоза  может впитывать и удерживать до 20% воды (сверх первоначального  веса) без изменения своих органолептических  характеристик. Это свойство предопределило использование целлюлозной ваты в средствах гигиены и везде, где необходимо быстро и эффективно впитать и удержать влагу. Для  изготовления айрлайд-материала используется натуральная целлюлоза из древесины  хвойных пород (рис. 2). Целлюлоза  поступает в рулонах или листах. Для формования волокнистой смески она разволокняется на специальных  молотковых мельницах.

Суперабсорбент

 

Между тем,  ряд применений айрлайд-материала  (влаговпитывающие вкладыши под продукты, водопоглощающие оплетки кабелей, средства женской гигиены и др.) требует, чтобы материал обладал  значительно большей впитываемостью, чем может позволить целлюлозная  вата. Для решения данной задачи в нетканый материал вводятся гранулы  суперабсорбента, который представляет собой сшитый полиакрилат натрия (рис. 3). Это вещество способно впитывать  и удерживать воду и водосодержащие жидкости в количестве, в несколько  десятков раз превышающем его  собственный вес. Современные суперабсорбенты - это безопасные в физиологическом  плане вещества, с минимальным  уровнем миграции компонентов в  окружающие материалы.

Необходимо уточнить, что содержание бикомпонентного волокна в неткани  не может быть ниже 15%, для обеспечения  необходимой прочности полотна  на разрыв при дальнейшей переработке. Количество суперабсорбента также  должно быть оптимальным, поскольку  при впитывании гранулы увеличиваются  в размерах и могут выделяться из материала, что нежелательно.

В настоящий момент доступен материал со следующими характеристиками:

- минимальный удельный вес 15 г/м2 (без целлюлозы), от 30 г/м2 - с целлюлозой, максимальный удельный вес 350 г/м2 (с целлюлозой и суперабсорбентом);

- разброс поверхностной плотности  составляет 5-10 % для различных материалов;

- разброс по толщине до ±  10 %;

- толщина от 0,1 (15 г/ м2 - тип 1) до 5 мм (350 г/ м2 - тип 3);

- Впитываемость - до 23 граммов воды  на грамм материала.

 

Айрлайд-материал соответствует ТУ 8390-001-13429727-2003, сертифицирован согласно российским нормам, есть санитарно-эпидемиологические заключения, материал допущен  для  контакта с пищевыми продуктами.

Производство бикомпонентного  волокна - основного сырья для  айрлайд-материала

Считается, что технология производства волокон из расплавов полимеров  хорошо отработана более 20 лет назад. Однако при изготовлении волокна  для использования в смесках  с натуральными волокнами (например, целлюлозой) необходимо учитывать очень  много факторов.

Во-первых, существуют разные типы сечений  волокна: круглое, концентрическое  ядро/оболочка, круглое эксцентрическое  ядро/оболочка, круглое бок о бок, полое бок о бок и так  далее.

Во-вторых, соотношение количества полимера ядра и полимера оболочки может изменяться в зависимости  от назначения волокна (к примеру, волокно  типа ядро-оболочка может быть изготовлено  с соотношением веса ядра к весу оболочки как 30/70 так и 50/50).

В-третьих, длина и толщина волокна  должны быть таковы, чтобы,  с одной  стороны, хорошо смешиваться с целлюлозными волокнами, а с другой - быть достаточно механически прочными, для обеспечения  достаточной прочности на разрыв нетканого материала.

В-четвертых, температура плавления  оболочки не должна быть слишком высокой, поскольку целлюлоза при температуре  выше +170°С начинает утрачивать свою способность  впитывать воду.

В-пятых, оболочка волокна должна быть мягкой после расплавления и охлаждения, не должна испытывать значительной термодеструкции, не должна выделять вещества, способные  мигрировать в окружающую среду  и оказывать токсическое действие.

Практически все производители  бикомпонентного волокна для  айрлайд-процесса при выборе материала  оболочки остановили свой выбор на полиэтилене. Этот полимер хорошо изучен в токсикологическом и дерматологическом  плане. Его температура плавления  лежит в необходимом диапазоне.  Кроме того, волокно, изготовленное  на его основе, является чрезвычайно  мягким и приятным на ощупь.

Различают непрерывную (прядение и  вытяжка волокна совмещены) и  раздельную (прядение и вытяжка выполнены  в виде отдельных процессов) технологии производства синтетического волокна.

 

Прядение волокна

Сырьем для химического волокна  служит гранулированный полиэтилен и полиэтилентерефталат (либо полипропилен). Для каждого полимера бикомпонентного  волокна (полиэтилен-полиэтилентерефталат либо полиэтилен-полипропилен) установлено  по одному экструдеру, которые расплавляют, дозируют и перемешивают расплав  полимера (рис. 5). Расплавленный полимер  в условиях регулируемой температуры  подается по трубопроводам расплава к прядильной балке.

В прядильной балке расположены  фильеры (стальные пакеты с множеством маленьких калиброванных отверстий). Подача расплава полимера на каждую фильеру  выполняется двумя прядильными  насосами (по одному насосу на каждый полимер). Расплав проходит через фильерные  комплекты, где фильтруется, и после  прохождении через отверстия  фильер, превращается в волокна. Свежесформованные волокна проходят через камеры охлаждающего воздуха. Поток холодного воздуха обдувает волокна и вызывает затвердевание полимера.

Выйдя из камер охлаждающего воздуха, жгуты волокон с каждой фильеры  касаются приводного вала, который  равномерно наносит на волокна замасливатель. Далее волокна с каждой фильеры  собираются в единый жгут. Сформованный жгут укладывается в тазы с помощью  стационарного укладчика.

Вытяжка волокна

Чтобы волокно приобрело необходимую  прочность на разрыв, его подвергают ориентационному вытягиванию (рис. 6). Тазы с только что спряденным волокном устанавливают на шпулярник. Из тазов  жгуты направляются шпулярником  к валкам направляющего устройства, которое обеспечивает постоянное натяжение  волокон перед поступлением в  обогреваемую погружную ванну.

Вытяжка достигается на обогреваемых стальных валах вытяжных станов. В  зависимости от полимеров, из которых  изготовлено волокно, жгут протягивается  через камеру с горячим воздухом, камеру с паром или камеру с  горячей водой.

Затем жгут проходит через запарную камеру, в которой нагревается, и  передается в гофрировочную машину. При гофрировании на волокнах образуются извитки, и по своим механическим свойствам оно начинает напоминать натуральное волокно.

После гофрировки жгут равномерно сушится  и термофиксируется в сушильной  камере, и затем подается на резательную  машину, где режется на штапели  требуемой длины. Резательная машина размещается над кип-прессом, волокно  падает в кип-пресс под собственным  весом, пресс упаковывает волокно  в кипы.

Айрлайд-материал - новые свойства и возможности применения

Каким образом мы можем менять свойства айрлайд-материала, изменяя свойства бикомпонентного волокна?

Прежде всего, можно изменять гидрофобность/гидрофильность (смачивается водой или не смачивается). Если целлюлоза - гидрофильный материал (хорошо смачивается водой), то полимерные волокна - практически всегда гидрофобные (водой не смачиваются), что не лучшим образом сказывается на динамике впитывания и удержания жидкости айрлайд-материалом.

Применяя различные замасливающие (текстильно-вспомогательные) вещества, мы можем получать бикомпонентные волокна  с нормальной или перманентной (улучшенной) гидрофильностью, либо гидрофобные  волокна.

Благодаря возможности объемно  окрашивать штапельное волокно в  различные цвета, мы можем предложить клиентам окрашенный айрлайд-материал и цветные конечные изделия - салфетки, влаговпитывающие вкладыши и прочее. Введенный в волокно и смешанный  с полимером оболочки волокна  краситель обеспечивает устойчивую окраску, миграция красителя в окружающие материалы практически отсутствует  (материал не «линяет»).

Успехи ведущих производителей в области полимерных добавок  сделали возможным  изготовлять  штапельное волокно, имеющее бактериостатическую  активность. Это технологическое  новшество трудно переоценить - волокна  и нетканый материал, подавляющие  развитие микроорганизмов,  с успехом могут применяться и в упаковке, и в средствах гигиены, и в медицине.

Модификация полимера, из которого выполняется  оболочка волокна, введение добавок, улучшающих адгезию, изменяющих поверхностные  свойства волокна, позволяет проектировать  айрлайд-материал для различных  применений (рис. 7).

Поскольку волокно можно вносить  отдельно в каждый из трех слоев  айрлайд-материала, возможно использование  различных по свойствам волокон. Например, используя гидрофильные волокна  на первом и втором слое и гидрофобные  на последнем, можно получить материал, который будет хорошо впитывать  влагу лишь с одной стороны.

Ряд производителей суперабсорбента  предлагает это вещество не в виде гранул, а в виде волокон (так называемые SAF - super absorbent fibers). В настоящее время  получены опытные образцы айрлайд-материала, которые отличаются отсутствием  миграции суперабсорбента в окружающую среду при увлажнении и сдавливании  материала.