الیاف بی بافت

مقدمه:

محصولات بیبافت درسالهای اخیر به طور چشمگیری افزایش پیداکرده است.درحال حاضر تولید سالیانه جهانی بیش از2/1 میلیون تن میباشدو تولید محصولات سالیانه بیبافت در ژاپن تقریبا نزدیک به 16/0 میلیون تن درسال 1989 رسید.

کاربردمحصولات بیبافت دامنه وسیعی رادربرمیگیرد که این دامنه ازکشاورزی مهندسی راه وساخت وساز واتومبیل سازی ومواد صنعتی تا محصولات پزشکی وبهداشتی راشامل میشود همچنین فرایندها زیادی بری ساخت انها وجوددارد.که این فرایندهاشامل فرایندهای بیبافتی صفحه های خشک ومرطوب  ریسندگی زنجیره است دمشی وذوبی ریسندگی جهشی میباشد.

هرمرحله از ساخت که منحصر به تولید محصولات بی بافت میشود ویژگی خاص خودراداردومحصول به صورت های متفاوتی استفاده میشود مخصوصا براساس همان ویژگی که ساخته شده است.فرایند درهم بافتن درمعنای دقیق کلمه (به معنایی که دراینجابه کاررفته) روش ساختی است که 3 مرحله دریک عملکردپیچیده دربرمیگیرد;ریسیدن مذاب پلیمر قابل ارتجاع جمع اوری رشته های مداوم برروی کمربند توده ای درحال حرکت برای تشکیل شبکه واتصال تارهادرشبکه برای تولید محصولات بی بافت میباشد.ازانجائیکه این فرایند باروری بالایی دارد ومحصولات بی بافت باحداکثرامکانات مکانیکی راتولید میکند.نقشه هایی برای گسترش امکانات تولیدی برای این فرایند هرساله درصنعت محصولات بیبافتی گزارش میشود.همچنین فرایندهای ریسندگی دمشی –ذوبی وریسندگی دمشی میتواننددرمعنای وسیعتر وازه بصورت فرایندهای ریسندگی زنجیره ای نامیده شوندزیرااین فرایندها تنهایک مرحله ازدرهم بافته شدن تا مرحله تثبیت رادربرمیگیرندهمانطور که درفرایند ریسندگی زنجیره ای  دربالاشرح داده شد.گرچه فرایندهای ریسندگی دمشی ذوبی وریسندگی جهشی ازفرایندریسندگی زنجیره ای دراصل مرحله به هم بافته شدن باهم متفاوت میباشندامادران پلیمرهابرای ساختن تارهانازک میشوند. بدین معناکه ویزگی ها وشکل تارها که درهرمرحله ساخته میشوند باهم متفاوت هستند وبه طورکلی اینکه محصولات بیبافتی هرفرایند ازنظر ویژگیهایشان به طور کلی باهم متفاوت میباشند.

فرایندریسندگی جهشی به طور ویزه ای درمرحله به هم بافته شدن متفاوت بادوفرایند دیگر میباشد.

درفرایند های ریسندگی زنجیره ای دمشی-ذوبی پلیمر مذاب ازقالب دراورده به صورت تارهاوفیبرهای پیوسته به هم بافته شده وبنابراین این مرحله ازبافتن راریسندگی ذوبی میگوئیم .ازسوی دیگراین مرحله بافته شدن درفرایند ریسندگی جهشی بافته شدن مذاب نیست. درفرایند ریسندگی جهشی تارها ازمحلول پلیمرباریک حلال ارگانیک که دارای نقطه جوش پایین میباشدونسبت به پلیمر غیرفعال وپلیمررادرهوای اتاق حل نمیکند امادردما وفشاربالاحل میکندبدست می اید ترکیبی ازپلیمروحلال باگرم کردن برای بدست اوردن یک محلول منجربه تولیددماوفشاربالامیشود.

محلول به دست امده ازمیان یک روزنه کوچک درهوایی بادمای اتاق شعله ورمیشود تاتارهارابه وجوداورد بنابراین  این یک نمونه ازدرهم تنیدگی خشک میباشد.درفرایندهای ریسندگی زنجیره ای ودمشی –ذوبی وهمچنین دریکدرهم تنیدگی خشک معمولی یانرمال تنهایک تارازهر روزنه منتشرمیشود.گرچه که ریسندگی جهشی متفاوت است امامحلول پلیمرراقادرمیسازدتاتارهای بیشتری راازیک سوراخ یاروزنه به وجود اورد.این تارها شبه تارنامیده میشوند وساختار3بعدی راشکل میدهند.این بخش به بررسی روش های ریسندگی ذوبی به ویزه فرایندهای ریسندگی زنجیره ای ودمشی-ذوبی میپردازد

فرایندریسندگی زنجیره ای:

 فرایندریسندگی زنجیره ای اولین بارتوسط fnoPuDدرسال 1959 تجاری شددرواقع زمانی که این شرکت شروع به فروش الیاف های بی بافت زنجیره ای TEPتحت عنوان تجاری ymeeRکرد.شکل 1-4 ارائه نموداری ازفرایندریسندگی زنجیره ای است که به طوررایج توسطبسیاری ازتولیدکنندگان استفاده میشدواین نمودارتارها راکه متوسط منافذ هوایی بازپس گرفته میشودنشان میدهد.امااین تارها میتوانندبه جای منافذ هوایی ازلوله هابازپس گرفته شوند.دونوع غده تارسازوجودداردکه در تجارت هم استفاده میشود: یکی غده دایره ای ودیگری غده مستعطیلی. شکل 2-4 مثالهایی ازدستگاه ریسندگی که دارای حق اختراع ثبت شده هستندرانشان میدهد.نکته بسیارمهم درتولیدمحصولات بی بافت بازکردن ونظم دادن تارها بصورت شبکه هایی ازتارهای منسجم است.

ترکیب معینی ازغده تارسازوهمچنین ابزاری برای بازپس گرفتن تارها تابه دست اوردن یک شبکه ای ازتارهای منسجم وجودندارد.تولیدکنندگان تکنولوژیهای زیادی رابرای پیشرفت وبهبودگشایش مناسب تاروبرای ساخت وتولیدشبکه هایی ازتارهاباشکلی به ظاهرمنسجم کسب کرده اند:پخش کننده های هوایی که درمنافذی درمنافذهوایی قراردارند.الکتریسیته ساکن که توسط سایش برروی صفحات فلزی ایجادمیشود وهاله که دراثرعبورتارهاازمیان ان شارژ میشودبعنوان مثال ابزارهای افقی را خالی میکندهرتاری که پلیمرهارا میسازدمیتوانددرفرایندریسندگی زنجیره ای وبرای ساخت ساختارهای زنجیره ای استفاده میشود.

دراین میان پلیمرهاشامل پلی اتیلن ترفتالات یاTEP پلی فنیلها پلی فنیل سولفید SPP پلی بوتیلن ترفتالات TBP وپلی امیدهامیباشدسرعت رسیدن معمولا3000 تا 6000 متردردقیقه میباشد.همچنین انتخاب پلیمرهابه کاربردمحدودانها بستگی دارد.درموردترکیبات پلیمرهاباهم همچنین مذاب شدن بانیازهای متفاوت والیاف بی بافت باعملکردبالا بستگی دارد.

بعنوان مثال بافت زنجیره ای akitinu تحت عنوان نام تجاری sevElE وجود دارد که دارای استحکام  ولطافت ونرمی خاصی میباشد.این بافت زنجیره ای از TEPوپلی اتیلن EP ساخته میشود وموجب استفاده ازویژگی های خاص این دومولفه می شود:استحکام بالای TEP ونرمی ولطافتEP.

sevElE تارهای دومولفه  ای مداومی راشامل میشود که یک مولفه هسته ای ساخته شده ازTEP ویک مولفه غلافی متشکل از EPمیباشد. برخی ازتولیدکنندگان درحال ساخت ورقه های جدیدی ازتارهای dednobnups متشکل ازپلیمرهای متفاوت میباشند. یکی ازاین محصولات TIFLE شرکت akitinu میباشد.که اولین باردربهارسال1991 عمومیت یافت که شامل ورقه ای ازدونوع تارزنجیره ای میباشد.

که یک طرف ورقه تارTEP وdednobnus وسمت دیگران sevElE میباشد که شامل تارهای دومولفه ای باهسته ی TEPوغلاف EP میباشد واین پلیمرها درهرطرف دمای ذوب متفاوتی دارند بنابراین TlFLE قابلیت اجرارادرترکیب بادیگرموادافزایش می دهد وتولیدترکیبات رادرمقایسه بانیازهای چندکارالیاف بی بافت تسهیل میکند الیاف بی بافت وجوددارندکه تارهای بسیارنازکی که باریکی انهابه 5/0 دینایر(واحداندازه گیری الیاف)ویاکمترمیرسد این الیاف بی بافت ازشبکه تارهای که ازتارهای چند مولفه ای تشکیل  شده اند مانندنمونه دریایی جزیره است ویا ازنوع جداپذیری که ازدونوع پلیمرمخلوط نشدنی تشکیل میشوند ,تولید میشوند این الیاف بیبافت متشکل ازتارهای بسیارنازک یاتوسط تارهای چندمولفه ای جدا پذیربه شکل الیاف بیبافت خام بعد از تثبیت شبکه تارهاتشکیل میشود براثرتقسیم تارهاوتثبیت شبکه تارها به طورهمزمان تولید میشوند.

روش تقسیم که درنوع دریایی جزیره ای استفاده میشود ,حذف پلیمردریایی درحلال است.بعدازاین تجزیه بخش جزیره ای برای تولیدتارهای فوق العاده باریک باقی میمانند این روش فرایندبسیار پیچیده ای است زیرانیازبه حذف قسمت دریایی دارد اماامروزه این روش تارهای نازکتری راتولیدمیکند. این روش ابتدا توسطyaroTکشف شد محققان درازمایشگاه اکامتو اخیرا فیبرTEP باریکی به نازکی 00009/0 دینایر وضخامت 1/0 میکرومتر دست یافته اند انهامدعی هستند که قادربه تولید نازکترین فیبر دردنیاهستند شکل3-4 تارهای چندمولفه ای ازنوع دریایی- جزیره ای رانشان میدهد. روش تقسیم درموردنوع تقسیم پذیر جدایی دوپلیمری است که تاررابااستفاده از نیروی مکانیکی  فعالیت حرارتی ویا اکثرتولیدشده ای که باتحت فشارقراردادن اب به وجود می اید.روش تقطیع باتحت فشارقراردادن اب منجربه تقطیع و گیرانداختن تارها به طور هم زمان میشود وهمچنین شبکه تاررابه شکل محصول محدودمتشکل ازتارهای فوق العاده باریک تثبیت میکند.

این روشی ارزشمنداست.شکل 4-4 تارهای چندمولفه ای ازنوع قابل تقطیع رانشان میدهد در میان تارهای dednobnupsپلی الفین ,پلی پروفلین یابه اختصارpp کاربردگسترده تری دارد همچنین تارdednobnups,EP تولید میشوداما درحال حاضرتولید ان بسیاراندک است درمیان صمغEPچگالی پایین وخطی پلی اتیلن یابه اختصارEPDLL قابلیت پیچش خوبی دارد .EPDLLبه راحتی میتواند باسرعت بالایی بالغ بر 3500 متربردقیقه باابزارقراردادی وتوسط روش های قراردادی ازتارذوبی به تارتبدیل شود .این موضوع تارزنجیره ای متشکل ازتارهایی بانازکی 3-2 دینایر تولید میکند قابلیت کشش تارزنجیره ای EPDLLنسبت به تارزنجیره ای PPپایین تراست اما این موضوع فرمی استثنایی غیرقابل دسترسی راتوسطPP نشان میدهد.سرعت پیچش بیشتر میتواند بااستفاده ازترکیبی ازچگالی های پایین پلی اتیلن EPDLوPP بدست می اید درنمونه های اشکار مجموعه ای ازترکیبات تشکیل شده ازEPDL دارای چگالی 9096 ودمای ذوب 4/103 وشاخص ذوب 70 میباشد وPPدارای چگالی 9022/0 گرم درسانتی مترمکعب ودمای ذوب 164 درجه سانتی گرادونرخ جریان ذوب 7/8 وارزشQ 8/8 میباشد (نسبت وزن به تعدادمیانگین وزن مولکولی است.)

شکل 5-4 که نتایج به دست امده از کاربردوسیله پیچش قراردادی رانشان میدهد,سرعت پیچش مذاب حداکثری در260 درجه سانتی گراد ازترکیب متفاوت EPDLوPP راشرح میدهد . تارهایی که به روش مذاب ریسیده میشوند ازیک صفحه نخ ریس که دارای 70 سوراخ حول یک محوردایره ای ,باسرعت جریان پلیمری هرمنفذ 90/0 استفاده میکند وتوسط یک لوله بازگردانیده میشوند.EPDL ترکیب شده بامقدارکمی از PPسرعت ریسندگی راافزایش میدهد تجزیه وتحلیل تارهای ناشی از ریسندگی مذاب ازترکیبات باسرعت بالا نشان دادکه PPپراکنده شده در EPDLشکلی ازقطرات درتارها تقریبا نزدیک به 5 میکرو مترازنظرقطر وتقریبا 7 میکرومتر درطول راتشکیل میدهد .باوربراین است که قطرات کوچک PPدرEPDL میزان تبلورسازی EPDLراافزایش میدهد ومتعاقباترکیب پلیمرها میتواندباسرعت بیشتر از EPDL ترکیب نشده ,بصورت مذاب بافته شوند. ازسوی دیگرترکیب PPبامقدارکمی ازEPDL درمقایسه باPPترکیب نشده سرعت پیچش راکاهش میدهد.همچنین اعتقادبراین است کهEPDL موجوددرPP مانع ازتبلورPP میشود ودرنتیجه این ترکیب سرعت پیچش (ریسیدن)را به طور چشمگیری تغییر میدهد.

این نمونه یک نمونه جالب ازپیچش مذاب ترکیبات پلیمری است.

5-4 سرعت شکست تار درزمان ترکیب EPDL درحال رشتن PP

مقدار PP سرعت ریسندگی را افزیش میدهد.بررسی الیافی که ازترکیباتی درسرعت های بالاتری به طورمذاب تابیده شده اند نشان میدهد که PP پراکنده شده در EPDL درالیاف به شکل قطرات ریز درمی اید که اکثرادرحدود mM5درقطرmM 7 درطول میباشد این باور وجود دارد که قطرات ریز PPدر EPDL میزان بلوره شدن EPDL راافزایش میدهد ودرنتیجه پلیمرهای مخلوط میتواننددرسرعتهای بالاتری از EPDL ترکیب نشده به طورمذاب بافته شود.

ازسوی دیگر,PP درحال ترکیب بامقادیرکمی EPDL سرعت ریسندگی را کاهش میدهد که مرتبط باPPترکیب نشده است, همچنین معتقدندکه EPDL

موجوددر PP  مانع بلورشدن PP میشود وبنابراین ترکیب به طرز زیان اوری سرعت ریسندگی راتحت تاثیر قرار میدهد این امتیاز(اختراع)یک نمونه جالبی از ریسندگی ترکیبات پلیمری به روش ذوبی میباشد.

3-4 فرایند دمشی ذوبی (دمیدن موادذوب شده)

فرایند دمشی ذوبی درسال 1951 توسط ازمایشگاهای تحقیقاتی نیروی دریایی امریکا درتلاش برای پیشبرد الیاف میکروارگانیکی کمترازmM1درقطراغازشد.محققان به دنبال تولید الیافی بودند که باید برای صافی های میکرودینایری استفاده میشدند تاعناصردیواکتیوی رادرفضای بالایی جمع اوری میکنند. این تحقیق اولیه وکارپیشرونده درزمینه ی فرایندهای دمشی ذوبی توسط یکی ازعضای خاندان الکسون ادامه یافت دراواسط دهه ی 1960 الکسون به طور موفقیت امیزی اولین واحددمشی ذوبی را برای تولیدشبکه های میکرودینایری دراوایل دهه ی 1970 به ثبت رساند.شکل 6-4 نمایش الگوواری از فرایند دمشی ذوبی میباشد ساختارقلاویزی که درفراینددمشی ذوبی استفاده میشودبه طورکامل باکلایزی که معمولادرفرایند های نخ تابی استفاده میشود متفاوت است. درفرایند های دمشی ذوبی فاصله ی قلاویز تاناقل بسیاراندک است به طورمثال 20 تا 50 سانتی متر که درمقایسه با 100 تا 200 سانتی متر درفرایند نخ ریسی زنجیره ای بسیارکم است .این فرایندی ست که دران گازباسرعت بسیاربه پلیمر, ذوب شده دمیده میشود تا الیاف نازکی تولید گردد .قلاویزدارای ردیفی ازسوراخ های کوچک به ضخامت کمتراز mM 1 میباشد که به فاصله mM 5/0 ازهم جداهستند وباهم هم مرکز میباشند .قلاویز همچنین درامتداد سوراخ های کوچک دارای منافذی میباشد که گازی باحررت بیش از 300 درجه سانتی گراد ازانها دمیده میشود .به سوی پلیمر ترموپلاستیکی که ازهرسوراخ بیرون زده است.

شکل 7-4 قلاویز دمشی ذوبی رانشان میدهدکه توسط الکسون طراحی شده ست .معمول گاز حرارت داده شده هواست ,بسیاری ازپلیمرهای مختلف درفرایند دمشی ذوبی استفاده شده ند.

که رایج ترین انها PPمیباشد ما EPDL پلی امیدها پلی استیلن پلی ارتان ها و TBP وSBP نیز وجود دارند .فراینددمشی ذوبی مقداربسیارزیادی ازگزگرم شده رابرای بدست اوردن صافی های میکرودینایری به مصرف میرساند میزان گازمصرفی به پلیمرها وزن مولکولی پلیمرو میزان جریان پلیمردورهرسوراخ بستگی دارد این فرایندبه طور معمول برحسب وزن بیشتراز40 تا50 برابرمیزان جریان پلیمر استفاده میکند وگاهی اوقات تا100 برابربیشتر نیزمیباشد.

بنابراین فرایند های دمشی ذوبی مستلزم میزان زیادی انرزی است, فشارگازالیاف رادرسرعتی بسیاربالا نازک میکند به طسورمثال هنگامی که الیاف نازک باضخامت mM 3 بادرجه جریان (سرازیری)2/0 درهرسوراخ بااستفاده از PP باچگالی 990/0 گرم بردقیقه تولیدمیشود , سرعت ریسندگی برای رسیدن به حد 31000 متربردقیقه محاسبه میشود. ضروری است که ازحرارت ومصرف گازکاسته شود تاالیافی نازک با انرزی کمتری تولیدشود. به این معناکه این موضوع ازلحاظ انرزی مقرون وبه صرفه میباشد که یک پلیمررابادمای ذوب پایین استفاده کرد وبایک شخص بالای جریان پلیمر ویاهردوی انها  یعنی دمای پایین ذوب وشاخص بالای جریان. اگرچه باید الیاف ویزگی هی موردنیاز برای  استفاده کاربردی ومفیدباشد ,این موضوع سبب ایجادمحدودیت درانتخاب میگردد.

شمبومطالعه ای دررابطه بامصرف انرزی درفراینددمشی ذوبی PP راگزارش داده است که میتوان انرابه صورت زیرخلاصه کرد :1-نازک سازی الیاف به طورکلی به انرزی حرکتی گزوابسته است 2-بیشترانرزی حرکتی گاز به هدرمیرودبدون اینکه به طورموثری مورداستفاده قرار گیرد هنگامیکه الیاف درشت حتی باوجودینکه مقدارقابل توجهی ذخیره شده فراهم شده است 3- اماتوزیع ضخامتی باید درحالت ایده ال کنترل شودتابه صورت تکی پخش شوند .هنگامیکه یک پلیمرنازک میشودتا به شکل یک تاریارشته دراید انرزی حرکتی رشته E میتواند به شرح زیر بیان شود :⁴d²∏³M8=²VM 2/1 =E

به طوری که M درجه سرازیری پلیمر وdضخامت نخ است شمبو انرزی حرکتی رشته رابرای توزیع های متفاوت رشته باهمان ضخامت میانگین رشته بااستفاده ازمعادله ی بالا محاسبه کرده است .این مقایسه هابه شرح زیراست

1:308:2770=₃E: ₂E:₁ E

که دران₁E میزان انرزی برای توزیع تک کنشی است باضخامت رشته mM 1 ,₂ E انرزی برای توزیع دوکیفیتی ازیک ترکیب 50:50 است (باتعدادرشته mM 3 ,mM 17 )

انرزی برای توزیع دوکیفیتی ازیک ترکیب:500 :50 وmM1 mM19 است ازانجایی که توزیع واقعی رشته به سادگی که داده هانشان میدهد نیست ,این داده های خیالی بالاصرفاتقریبی هستند.

بااین وجوداین داده هابیانگراین موضوع اند که یک توزیع تک پخشی نیازمند انرزی کمترمیباشد نسبت به یک توزیع چندپراکنشی (پخشی)باهمان ضخامت میانگین رشته.این نقطه ضعف بزرگیست درنگهداری انرزی برای تولیدلیاف نازکتری ازانچه که برای استفاده های کاربردی موردنیازاست ,میتوان براحتی وبدون انجام معادلات پیچیده ای به این مطلب پی برد.ازمعادله ی زیر(⁴d²∏²P)³M8=E

که انرزی Eزمانیافزیش میابد که dدرمقدارثابت M کاهش یابد.ضرورتداردکهدرجهسرازیریگازوپلیمررادرهرسوراخ یکسان کنیم تایک توزیع تک پراکنشی به دست اید.یک قلاویزدوباره طراحی شده دمشی –ذوبی توسط ینپون کودوشی انجام گرفت تاتحویل(رهاسازی) گازوپلیمر یکنواختی ایجادشود این قلاویزبرای گازگرم شده طراحی شده است تا 8/0 شکنج دمیده شود.شکل 8-4 یک قلاویزاصلاح شده ی دمشی ذوبی ست وشماره ی 26 درمثال همان شکنج (لابرنیت)میباشد.

همانگونه که درمبحث فرایندهای ریسندگی شر ح داده شدلایه لایه شدن الیاف دمشی ذوبی بادیگرموادبرای توسعه ی خصوصیات بی بافت به کارگرفته میشود.یک نمونه ان لایه لایه کردن الیاف دمشی ذوبی با الیاف ریسیده شده میباشد.شکل 9-4 نشان میدهد که که فرایند S-M-S درحل تولیدیک سیستم سه لایه ازیک نخ دمیده ذوبی میباشد که بین رشته ی ریسیده شده تحت فشار قرارگرفته است.

سایرقلاویزهای دمشی ذوبی دراین اختراع ثبت شده , گنجانده شده است که شامل قلاویزی است که به طورهمزمان قادربه رشتن به صورت دمشی ذوبی ورشتن به صورت ریسندگی زنجیره ای محدود میباشد ونیزقلاویزی که قادربه رشتن به صورت هسته –پوششی ویا رشته ی دوجزئی ساید بای ساید میباشد.

نتیجه گیری:

روش های اصلی ریسیدن مذاب برای الیاف بی بافت شرح داده شده است میتوان گفت زپن درتکنولوزی ریسندگی ذوبی دردنیاسرامد است.محققان وتولیدکنندگان به ساخت تولیداتی با کارایی بهتر از طریق ارتقای تکنولوژی های جدید در تلفیق با پلیمر ها و فرآورده ها ادامه خواهند داد.