Лекция 1
Нетканые материалы
К нетканым материалам относятся текстильные изделия, изготавливаемые из натуральных и химических волокон или нитей, соединяемых между собой без применения ткацкого станка. Началом эпохи нетканых материалов считаются 1930-е гг. Первые образцы нетканых материалов были созданы в Европе. Это были полотна из вискозных волокон, скрепленных между собой химическими связующими. Несколько позже были освоены и другие способы получения нетканых материалов, различающиеся как по виду сырья, так и по способу скрепления. Интерес к нетканым полотнам возник мгновенно. Выяснилось, что формирование текстильных полотен нетрадиционными способами и возможность использования в них всех известных видов волокон как индивидуально, так и в самых разных сочетаниях (зачастую невозможных при классических способах получения тканей и трикотажа) наряду со свойствами, присущими тканым изделиям, придают им совершенно новые качества. Разнообразные, порой уникальные свойства нетканых материалов позволили применять их в самых разных областях от медицины до строительства зданий, сооружений, автострад. Само собой разумеется, что одновременно стало разрабатываться и оборудование для их производства. Пионером здесь выступила Франция. В 1936 г. французская фирма A.Thibeau & Сie создала первую кардочесальную машину для производства вискозных комплексных нитей, служащих основой для нетканых полотен, упрочненных специальными смолами. Спрос на новый вид текстиля рос такими темпами, что машиностроители не успевали за разработчиками новых видов и способов производства нетканых изделий. Это заставило многие фирмы наряду с разработкой специального оборудования модернизировать уже имеющееся с учетом требований к нетканым материалам и особенностей технологических процессов их производства. Надо отметить, что Франция по сей день остается ведущим производителем оборудования для выпуска нетканых материалов. Французским машиностроителям принадлежит 37%, а по отдельным позициям доля этой страны достигает 60% мирового рынка специального оборудования. Сегодня нетканые материалы являются одним из важнейших и наиболее перспективных видов текстильной продукции. Объемы их производства во всем мире растут более быстрыми темпами, чем объемы производства в традиционных областях текстильной индустрии и при этом сохраняют устойчивую тенденцию к дальнейшему росту. Так, за последние 10 лет, выпуск нетканых материалов в мире вырос более чем в 2 раза. Это обусловлено тем, что цикл производства нетканых материалов от получения волокнистого сырья до выпуска готовых изделий в несколько раз короче технологии выработки классических видов текстиля и не требует масштабных денежных средств, а широчайшая гамма подчас уникальных свойств позволяет применять их в самых разных сферах человеческой деятельности. Приведем хрестоматийный пример, который позволяет сопоставить эффективность производства тканей и нетканых материалов. Нетканое полотно типа байки в 1,5 раза дешевле тканого полотна, а производительность труда при его получении в 3 раза выше. Средняя производительность ткацкого станка — 5 п.м/ч, а у некоторых современных линий для выработки нетканых полотен — более 300 п.м/ч. Немаловажным фактором, определяющим более низкую себестоимость нетканых полотен по сравнению с тканью и трикотажем, является возможность использования для их получения коротких (2-10 мм), непригодных для прядения волокон, а также отходов прядильного производства.
Создание высокопроизводительных технологий получения нетканых материалов с одновременным приданием специальных свойств и постоянная востребованность их в самых разных сферах экономики также способствует быстрому развитию отрасли. В настоящее время выпускаются нетканые материалы как одноразового, так и многоразового использования. Они могут сочетать в себе эластичность, мягкость и прочность; служить как дренажные, мембранные и фильтровальные материалы. Им можно придать свойства водонепроницаемости (или, наоборот, повышенной впитывающей способности), негорючести, бактериостатичности и др.
Производство нетканых материалов в мире. До недавнего времени производство нетканых полотен было сосредоточено в основном в США, Западной Европе и Японии. В конце XX в. этот список пополнился странами Азии, причем развитие производства в них идет намного более быстрыми темпами. Если прирост выпуска продукции в промышленно развитых странах составляет в среднем 5-7%, то в странах Азии — 10%, а в странах Среднего Востока этот показатель достигает 16%. В начале XXI века около 90% мирового производства нетканых материалов обеспечивают 17 стран.
На мировом рынке доли основных производителей нетканых материалов распределяются следующим образом: на США приходится 36%, на Европу — 34%, на Азию — 21%. Особенно динамично развивается производство нетканых материалов в Китае, где объем их выпуска достигает 50% уровня стран ЕС и составляет не менее 1 млн. т. Такие высокие темпы роста достигнуты, прежде всего, благодаря высокопроизводительному оборудованию, ввозимому в Китай из Западной Европы.
СНГ. Рынок нетканых материалов. Начало широкого производства нетканых материалов в СССР приходится на 1960-1970-е голы. Первые нетканые материалы производились валяльно-войлочным, вязально-прошивным и клеевым способом. Предназначались они главным образом для швейной промышленности и применялись при изготовлении изделий бытового назначения. Помимо отечественного оборудования, советские предприятия использовали и более передовые, и производительные машины (в основном для механических способов производства), созданные в странах социалистического лагеря: «Малимо», «Маливатт», «Малиполь» (ГДР), «Арахне» (Чехословакия), «Бефама» (ПНР), «Аралине» (СССР-Чехословакия). На 1980-е и начало 1990-х гг. приходится расцвет отрасли. Общий объем выпуска нетканых материалов к 1990 г. составлял около 1315 млн. м2. Рекордный объем производства статистики зафиксировали в 1995 г. —3000 млн. м2.
Однако столь резкий подъем производства был не от хорошей жизни: с 1970-х гг. из-за дефицита хлопчатобумажных тканей тканые текстильные полотна, применяемые для технических целей, приходилось заменять неткаными материалами. В это время их ассортимент значительно расширился за счет использования химических волокон, внедрения новых способов их формирования, а области применения уже включали автомобилестроение, геотекстиль, медицину, пищевую промышленность. Производство нетканых материалов осуществлялось уже не в условиях текстильных предприятий, а на вновь построенных по всей территории СССР специализированных фабриках (Бориславской, Сыктывкарской, Кзыл-Ординской, Туймазинской, Кишиневской, Масиской и др.) с объемом выпуска по 100 млн. м2 в год каждая. Нетканые полотна на этих предприятиях производились клеевым способом. Фабрики-новостройки были оснащены импортным оборудованием ведущих западноевропейских фирм, таких как «Брюкнер», «Хергет», «Кюстерс», «Асслен» и др.
С распадом СССР произошел резкий спад производства: выпуск нетканых материалов сократился почти в 15 раз. Однако этот этап длился сравнительно недолго. После обвала рубля в августе 1998 г. в связи с резким взлетом цен на импортные нетканые материалы спрос на отечественную продукцию снова возрос. Объем производства нетканых полотен в СНГ к 2004 г. составил около 230 млн. м2, т. е. примерно 1/6 часть от объема производства в 1980-1990 гг. Доля технических нетканых полотен в общем объеме выпуска составляет 80%. При этом первое место занимают нетканые материалы, используемые в качестве основы под полимерные покрытия (линолеум, столовую клеенку, мягкую кровлю, обои, протирочные материалы, прокладочные полотна для швейной промышленности). На втором месте — геотекстиль и агротекстиль. Третье место занимают тепло- и звукоизоляционные материалы для автомобилей, трубопроводов, промышленных сооружений и жилых зданий. Доля фильтровальных, медицинских, санитарно-гигиенических изделий в сумме не превышает 20%. Выпуск нетканых изделий медицинского назначения, широко используемых в зарубежной лечебной практике и вытеснивших традиционные бинты и вату, до сих пор чрезвычайно мал. Пока в России работает лишь одна специализированная линия по производству одноразового медицинского белья и комплектов из трехслойного полотна. Нетканые полотна выпускают около 70 российских предприятий, однако крупными производителями можно считать только четыре. Остальные мощности распределены по менее крупным предприятиям и отдельным производствам. В среднем на долю каждого предприятия приходится 1-3,5% от общего объема выпуска нетканых полотен. Несмотря на то, что каждое отдельно взятое предприятие выпускает достаточно широкий ассортимент нетканых изделий, способы производства по-прежнему немногочисленны. Наибольшее распространение получило термоскрепление. Этим способом производят сегодня около 50% всех выпускаемых полотен. 37% материалов производится механическими и комбинированными способами, 10% приходится на клеевой способ. Предполагается, что из-за низкого качества российского волокнистого сырья и полимерных связующих, доля этой технологии в последующие годы будет снижаться. В сырьевой базе российского производства нетканых материалов, как и во всем мире, происходит постепенное вытеснение натуральных волокон химическими. Сегодня объем ежегодно потребляемых волокон в отрасли составляет около 38 тыс. т, из них примерно 2/3 приходится на химические волокна. Аналитики считают, что в ближайшее время этот показатель увеличится, как минимум, в 5 раз, а доля химических волокон и нитей в общем балансе составит не менее 85%.
Такой рост потребности в химических волокнах объясняется растущим спросом на нетканые материалы нового поколения с полифункциональными свойствами (фильтровальные, санитарно-гигиенические, медицинские и др.), для производства которых необходимы химические волокна самого разнообразного ассортимента от сверхтонких (менее 0,1 текс) до волокон высоких линейных плотностей, бикомпонентных, силиконизированных, негорючих, высокоизвитых и др. Необходимо отметить, что отсутствие качественного сырья долгое время являлось тормозом для развития отрасли. Выход из этого положения российские предприятия видят в организации собственного производства необходимых волокон. Это позволило предприятиям преодолеть дефицит сырья, снизить себестоимость продукции. В основном же российские предприятия работают на импортном сырье. Из технологий нового поколения отечественные производители начали осваивать способ «Си-Арлайд» (воздушной раскладки), который позволяет получать высокосорбционные материалы для изделий санитарно-гигиенического назначения, а также протирочные салфетки.
Лекция 2
Технологии производства нетканых материалов
Для изготовления нетканых материалов используются натуральные и химические волокна, их смеси, отходы текстильного производства и вторичные волокна и нити. Только некоторые нетканые материалы вырабатываются из пряжи, но без процесса ткачества.
Производство нетканых материалов включает приготовление волокнистого холста (либо другой волокнистой основы нетканых материалов типа системы нитей и т. д.), его скрепление и отделку.
Технология нетканого холстоформования.
К числу технологий производства нетканых материалов относятся сухое холстоформование, аэродинамическое, влажное холстоформование и производство спанбонда. На сегодняшний день основной технологией холстоформования является сухое холстоформование, включающее:
- термоскрепление холстов
- иглопробивание,
- спанлейс
- химическое соединение (латексное скрепление) материалов.
Сухое холстоформование осуществляется, преимущественно, прочесыванием как способом производства формованного полотна, и изготовленные таким способом полотна соединяются термическим, механическим, химическим способом или спутыванием, как спанлейс. Сухое холстоформование включает также различное расположение волокон: параллельное, случайное, расчесанное, перекрестное или аэродинамическое (аэродинамическое размещение длинного волокна из прочесанных волокон). Прочесывание представляет собой технологию холстоформования, при котором отделяются небольшие ворсинки в отдельные волокна для того, чтобы начать процесс параллельного упорядочивания для получения волокон в виде цельного полотна. Прочесанные нетканые полотна производятся из целого ряда волокон, включая вискозное волокно и полиэфир с диапазоном длины волокна от 1,2 до 20 см.
Аэродинамическое холстоформование (аэроформование) представляет собой метод формования полотна за счет смешивания волокон с воздухом для образования однородной смеси воздуха и волокна, которую затем наносят на движущуюся воздухопроницаемую ленту или проволоку. Таким образом, полотна могут создаваться с использованием латексного аэродинамического скрепления (LBAL), термоскрепления (TBAL), или же сочетания и того, и другого (MBAL), или же соединения при высоком давлении (HBAL), например, гидроспутывания.
Нетканые материалы (в основном, изготавливаемые с помощью сухого, влажного или аэродинамического холстоформования) можно скреплять с помощью следующих основных технологий скрепления: иглопробивание, вязально-прошивное скрепление, термоскрепление или скрепление с пропиткой смолой, спанлейс (гидроспутывание) и химическое (латексное) скрепление (рис. 1).
Иглопробивание представляет собой технологию, при которой создаются иглопробивные нетканые материалы за счет механической ориентации и переплетения волокон из формованного из расплава или прочесанного полотна. Такое механическое перепутывание достигается с помощью тысяч иголок, которые многократно пробивают полотно в обоих направлениях. Здесь могут использоваться как натуральные, так и синтетические волокна.
Изготовление вязально-прошивных материалов основано на механическом провязывании петлями волокнистого холста (холстопровязанные материалы), нитей (нитепровязанные материалы) или каркасного материала с образованием на лицевой стороне ворсовых петель (каркаснопровязанные материалы).
Спанлейс также является технологией скрепления нетканого полотна. Полотно может быть изготовлено с помощью технологий влажного, сухого или аэродинамического холстоформования (воздушный спанлейс в последнем случае), а в последнее время начали использовать и технологию спанбонд. Технология спанлейс (создание гидроспутывания или гидравлического иглопробивания) включает спутывание в нетканое полотно свободно располагающихся волокон на пористой ленте или формование проволоки для создания структуры листа с помощью воздействия на волокна многочисленными рядами струй воды под высоким давлением.
Преимуществом технологии спанлейс являются эстетические свойства мягкого полотна, умеренная прочность и хорошее влагопоглощение. В Северной Америке и в Европе основными конечными рынками для материалов, изготовленных с помощью технологии спанлейс, являются медицинские применения, такие как одежда для хирургов и сопутствующие предметы одежды, изделия для операционной, губки, повязки и медицинские обтирочные материалы. Сухие салфетки всегда были важным рынком для материалов спанлейс, но повсеместно расширяющийся мировой рынок салфеток с предварительным увлажнением, стал в настоящее время основным конечным рынком, особенно, в Европе. Последней разработкой является материал Evolon от Feudenberg, созданный с применением технологии формования из расплава и спанлейс. Полотно создается из сформованных из расплава биокомпонентных волокон из РЕТ/РА, которые затем подвергаются гидроспутыванию с помощью интенсивного воздействия большими объемами воды, которая расщепляет сегментированные биокомпонентные волокна на микроволокна и скрепляет их в прочную мягкую и износостойкую ткань. На развивающихся рынках Китая, Южной Америки и Восточной Европы были добавлены значительные производственные мощности. Основными компаниями-производителями нетканых материалов на основе спанлейс являются: DuPont, Orlandi, Jacob Holm и Spuntech.
Термоскрепление осуществляется с помощью каландрирования (простого или по определенной модели), горячего воздуха, инфракрасного нагревания или ультразвукового скрепления. Самым крупным рынком для прочесанного полипропилена с термоскреплением являлся рынок покрытий, но здесь произошел переход от прочесанных термоскрепленных материалов к полипропиленовым материалам, сформованным из расплава. Химическое скрепление включает: сплошное насыщение связующим компонентом, пропитку пеной связующего компонента, пропитку с использованием растворителя и нанесение печати (шаблонное скрепление).
Скрепление полотна с помощью химического вещества является наиболее распространенным методом скрепления. Химический связующий компонент наносится на полотно, затем отверждается. Наиболее часто использующимся связующим компонентом является латекс, поскольку он экономичен, его легко наносить, и он очень эффективен. Для нанесения связующего компонента используется несколько методов, включающих: скрепление с насыщением, скрепление с распылением, скрепление с нанесением печати, а также скрепление с пропиткой пеной.
При производстве промышленных обтирочных материалов больше используются нетканые материалы с химическим скреплением, чем при производстве потребительских, но здесь объем производства уступает спанлейсу, который стал за последние пять лет шире использоваться для производства таких применений. На третьем месте находятся ткани из короткого волокна, изготовленные аэродинамическим методом. В области производства бытовых обтирочных материалов доли нетканых материалов с химическим скреплением и изготовленных на основе спанлейс практически одинаковы. К числу прочих применений для химически скрепленных нетканых материалов относятся строительные и кровельные материалы, медицинские и упаковочные применения.
Основными преимуществами изготовления нетканых материалов являются:
- сокращение производственного цикла со значительным уменьшением числа технологических переходов;
- высокая производительность оборудования, во много раз превышающая производительность ткацкого и трикотажного оборудования;
- сокращение производственных площадей;
- экономия высококачественного сырья из натуральных и химических волокон, благодаря широкому использованию промышленных отходов и вторичного сырья;
- расширение ассортимента текстильных изделий;
- эффективная замена ассортимента тканей неткаными полотнами.
Рис.1. Получение нетканого материала
С повышением требований, предъявляемых к нетканым материалам, основной выбор пал на химические волокна. В настоящее время для изготовления нетканых материалов в больших количествах используют хлопковые, вискозные, ацетатные, полиамидные и шерстяные волокна. Синтетические волокна используют во все возрастающем объеме для выработки новых материалов специального назначения.
Расширение объема производств нетканых материалов базируется на разработанных нормах рационального потребления. Установлено, что рациональная норма потребления нетканых материалов на душу населения составляет 14,7 м2 в год, из них на бытовые изделия приходится 7,1 м2 и на технические – 7,6 м2.