ВЫСОКОПРОЧНОЕ ЛЕГКОЕ НЕТКАНОЕ ПОЛОТНО ИЗ ФИЛЬЕРНОГО НЕТКАНОГО МАТЕРИАЛА, СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ
HIGH-STRENGTH LIGHT NONWOVEN FABRIC FROM SPUNBONDED WEB, METHOD OF ITS PRODUCTION AND ITS APPLICATION

Изобретение относится к высокопрочному легкому нетканому полотну из фильерного нетканого материала, который содержит по меньшей мере один слой формованных из расплава синтетических нитей, упрочненных водяными струями высокой энергии. Кроме того, изобретение относится к способу получения такого нетканого полотна и к его применению.
Задачей изобретения является предоставить высокопрочное, легкое нетканое полотно из фильерного нетканого материала, которое не только имеет высокую прочность, но отличается также очень высоким начальным модулем. Высокий начальный модуль снижает склонность к начальной вытяжке и обусловленной этим усадке в ширину на обычных промышленных стадиях обработки.
Эта задача решена нетканым полотном из фильерного нетканого материала с отличительными признаками пункта 1 формулы изобретения. Способ получения нетканого полотна по изобретению из фильерного нетканого материала описан в пункте 12, предпочтительное применение изобретения описано в пункте 16. Предпочтительные варианты реализации изобретения описаны в зависимых пунктах.
Согласно изобретению у высокопрочного легкого нетканого полотна из фильерного нетканого материала, который содержит по меньшей мере один слой формованных из расплава синтетических нитей, упрочненных водяными струями высокой энергии, предусматривается, что он содержит термоактивируемое связующее, которое нанесено на слой формованных из расплава нитей в виде по меньшей мере одного тонкого слоя.
При переплетении нитей водяными струями высокой энергии по сечению нетканого полотна возникает очень много слабых когезионных связей. Каждая из этих связей, основанная только на межфазном сцеплении, сама по себе очень слабая, во всяком случае, слабее, чем прочность соединенных таким образом нитей. Если достаточно высокая сила, обусловленная этапом промышленной обработки, действует на упрочненный таким образом фильерный нетканый материал, то эти слабые когезионные связи, образованные упрочнением водяными струями, испытывают чрезмерную нагрузку и разрыхляются по отдельности без повреждений формирующихся нитей. Только если нагрузка распределяется на достаточно широкую область и все неповрежденные несущие нити выравниваются в направлении действия нагрузки, в ход идет суммарная прочность отдельных слабых связей и нетканое полотно все еще имеет высокую прочность.
Начальная упругость проявляется на диаграмме "нагрузка-удлинение" как низкий начальный модуль. При практическом применении при соответствующей нагрузке возникает продольная деформация, связанная с соответствующей усадкой в ширину. Это ухудшает или порой совершенно препятствует применению таких упрочненных водяными струями фильерных нетканых материалов.
Таким образом, повышение начального модуля представляется первостепенной технической задачей.
Неожиданно оказалось, что благодаря нанесению по меньшей мере одного тонкого слоя связующего на слой формованных из расплава синтетических нитей в комбинации с последующим упрочнением водяными струями, сушкой и активированием связующего, в дополнение к связям, образованным водяными струями, возникают еще связи (или точки переплетения) между нитями фильерного нетканого материала. Таким образом, возникает своеобразная комбинация очень большого числа слабых когезионных связей и намного меньшего числа намного более сильных адгезионных связей.
Это большое число тонких нитей фильерного нетканого материала, связанных друг с другом вышеупомянутыми дополнительными точками переплетения, способствует тому, что нетканое полотно имеет высокое значение модуля и достаточную для дальнейшей переработки стабильность размеров. У нетканого полотна по изобретению при последующей обработке не требуется никаких дополнительных мер для стабилизации размеров, как, например, контроль натяжения. Предполагается, что этот эффект объясняется, наряду с прочим, тем, что часть связующего заносится водяными струями высокой энергии и в более глубокие слои слоя нетканого полотна и образуют там точки переплетений.
Нетканое полотно по изобретению может быть образовано из одного или нескольких слоев фильерного нетканого материала и связующего. Могут также предусматриваться другие дополнительные слои (покрытия), если они подходят для соответствующего применения.
В качестве связующего подходят, в частности, легкоплавкие термопластичные полимеры, причем предпочтительны такие термопластичные полимеры, температура плавления которых в достаточной степени ниже, чем температура плавления нитей фильерного нетканого материала. Предпочтительно, температура плавления должна быть по меньшей мере на 10°C, особенно предпочтительно по меньшей мере на 20°C ниже температуры плавления нитей фильерного нетканого материала, чтобы они не повреждались при термоактивировании.
Легкоплавкие термопластичные полимеры предпочтительно имеют также широкую область размягчения. Это имеет то преимущество, что использующийся в качестве связующего термопластичный полимер может быть активирован уже при более низкой температуре, чем его эффективная температура плавления. С технологической точки зрения не требуется, чтобы связующее обязательно расплавлялось полностью, напротив, хватает, чтобы оно достаточно размягчилось и таким путем прилипало к образующимся нитям. Таким образом, на стадии активирования можно регулировать степень связывания между нитями фильерного нетканого материала и связующим.
Легкоплавкий термопластичный полимер состоит предпочтительно по существу из полиолефина, в частности, полиэтилена, сополимера с существенной долей полиэтилена, из полипропилена, сополимера с существенной долей полипропилена, из сложного сополиэфира, в частности, полипропилентерефталата и/или полибутилентерефталата, из полиамида и/или сополиамида. При выборе подходящих легкоплавких полимеров должны учитываться требования последующего конкретного применения.
Весовая доля легкоплавкого полимера в расчете на полный вес нетканого материала предпочтительно больше или равна 7%. Если доля термоклея слишком низкая, то повышение начального модуля слишком незначительно и, возможно, недостаточно для будущего применения.
Предпочтительно, весовая доля составляет от 9 до 15 вес.%. При превышении 15 вес.% более сильным может оказаться отрицательное влияние слишком большого числа сильных адгезионных связей на сопротивление разрастанию трещин.
Правда, само использование пониженного содержания термоклея ниже 7% выгодно, в частности, для определенных слоев применения и поэтому должно охватываться настоящим изобретением.
Легкоплавкий полимер может находиться, например, в виде волокон или фибрилл. В качестве волокон могут применяться, в частности, бикомпонентные волокна, причем легкоплавкий компонент представляет собой термоактивируемое связующее.
Настоящее изобретение позволяет использовать фильерный нетканый материал с пониженным титром нитей. При этом уже при низкой поверхностной плотности достигается хорошая прочность и достаточное покрытие. Титр волокон составляет предпочтительно от 0,7 до 6 дтекс. Волокна с титром от 1 до 4 дтекс имеют особое преимущество в том, что они одновременно обеспечивают хорошее покрытие поверхности при средних плотностях и достаточную суммарную прочность.
Нетканое полотно по изобретению предпочтительно содержит нити из полиэфира, в частности, полиэтилентерефталата, и/или из полиолефина, в частности полипропилена. Эти материалы особенно подходят, так как они производятся из массового сырья, которое доступно всюду в достаточном количестве и при удовлетворительном качестве. Как полиэфир, так и полипропилен широко известны в производстве волокнистых и нетканых материалов за их практичность.
Чтобы удовлетворить особым требованиям, предъявляемым к техническим нетканым полотнам, как, например, высокий начальный модуль, и/или жесткость, и/или стойкость к УФ, и/или стойкость к действию щелочей, в качестве полимера бикомпонентного волокна можно помимо ПЭТФ (полиэтиленетерефталата) использовать также ПЭНФ (полиэтиленнафталат), и/или сополимеры, и/или смеси ПЭТФ и ПЭНФ.
В сравнении с ПЭТФ ПЭНФ отличается более высокой температурой плавления (около +18°C) и более высокой температурой стеклования (около +45°C).
Соответствующий способ получения нетканого полотна по изобретению включает этапы, на которых:
a) укладывают по меньшей мере один слой синтетических нитей посредством фильерного способа формования;
b) наносят по меньшей мере один тонкий слой термоактивируемого связующего;
c) распределяют связующее и упрочняют нити фильерного нетканого материала с помощью водяных струй высокого давления, обладающих высокой энергией;
d) осуществляют сушку;
e) осуществляют термообработку для активирования связующего.
Получение фильерных нетканых материалов, т.е. формование синтетических нитей из различных полимеров, в том числе также из полипропилена или полиэфира, а также его укладка на основу с получением неориентированного нетканого полотна соответствует уровню техники. Промышленные установки шириной 5 м и более можно приобрести у нескольких фирм. Эти установки могут располагать одной или несколькими системами прядения (прядильными балками) и могут устанавливаться на желаемую производительность. Системы гидропереплетения для упрочнения водяными струями также соответствуют уровню техники. Такие установки большой ширины также могут поставляться несколькими производителями. Это же справедливо для сушилок и мотальных машин.
Термоактивируемое связующее можно наносить различными способами, например, путем нанесения порошка, а также в виде дисперсии. Однако предпочтительно связующее наносят в виде волокон или фибрилл способом формования дутьем из расплава (технология «мелтблаун») или аэродинамическим способом укладки. Эти способы также известны и неоднократно описаны в литературе.
Способ формования дутьем из расплава и аэродинамический способ укладки имеют особое преимущество в том, что они могут произвольно комбинироваться с прядильными системами для нитей фильерного нетканого материала.
2
2
Упрочнение водяными струями должно, как известно из документа DE 19821848 C2, проводиться так, чтобы достигалась удельная прочность в продольном направлении предпочтительно 4,3 Н/5см на г/м массы единицы поверхности, а также начальный модуль в продольном направлении, измеренный как натяжение при удлинении 5%, по меньшей мере 0,45 Н/5см на г/м массы единицы поверхности. Этим гарантируется достаточная прочность фильерного нетканого материала, а также достаточно хорошее распределение связующего в слое фильерного нетканого материала.
Под активированием в контексте изобретения следует понимать создание точек переплетения с помощью связующего, например, через наплавку или припаивание легкоплавкого полимера, использующегося как связующее. И сушка, и термообработка для активирования проводятся при температурах, которые настолько низкие, чтобы надежно исключить повреждение нитей фильерного нетканого материала, например, из-за наплавления или припаивания. По технико-экономическим причинам сушка и термоактивирование связующего проводятся предпочтительно на едином технологическом этапе.
Для сушки и активирования легкоплавкого полимера можно применять различные виды сушилок, такие как шпан-рамы, конвейерные сушилки или сушилки для поверхностной сушки, однако предпочтительно подходит барабанная сушилка. Температура сушки в конечной фазе должна устанавливаться примерно равной температуре плавления легкоплавкого полимера и оптимизироваться в зависимости от результатов. При этом следует особо учитывать весь ход плавления связующего. Для связующего, которое имеет выраженный широкий интервал размягчения, нет нужды настраиваться на физическую температуру плавления. Более того, достаточно попытаться оптимизировать эффект связывания уже в области размягчения. Этим можно избежать нежелательных побочных явлений, таких как прилипание компонентов связующего к деталям машины и чрезмерное упрочнение.
Нетканое полотно согласно изобретению, благодаря его хорошей прочности и высокому начальному модулю, подходит для применения в области техники, в частности, как подложка, упрочняющий или армирующий материал.
Далее изобретение подробнее поясняется на примерах осуществления.
Пример осуществления 1
Опытная установка для получения фильерных нетканых материалов имела ширину 1200 мм. Она состояла из фильеры, которая проходила по всей ширине установки, двух лежащих против друг друга и расположенных параллельно фильере продувочных стенок, расположенной далее выпускной щели, которая в нижней части расширялась до диффузора и образовывала камеру формирования нетканого материала. Сформованные нити образовывали на приемной ленте, вытягиваемой снизу в области формования нетканого материала, равномерное плоское образование - фильерный нетканый материал. Его прессовали между двумя валками и сматывали.
Предварительно упрочненный фильерный нетканый материал разматывали на опытной установке для упрочнения водяными струями. С помощью системы аэродинамической укладки на поверхность наносили тонкий слой коротких связующих волокон и затем двухслойное плоское образование обрабатывали множеством водяных струй высокой энергии, чтобы тем самым переплести (гидропереплетение) и упрочнить. Одновременно связующее распределялось по плоскому образованию. Затем упрочненный композиционный нетканый материал сушили в барабанной сушилке, причем в концевой зоне сушилки температуру устанавливали так, чтобы активировались связующие волокна и образовывали дополнительные связи.
2
2
В этом опыте фильерный нетканый материал получен из полипропилена. Применялась фильера, которая по вышеуказанной ширине имела 5479 прядильных отверстий. В качестве сырья применялся полипропиленовый гранулят фирмы «Exxon Mobile» (Achieve PP3155) с индексом текучести расплава 36. Температура прядения составляла 272°C. Выпускная щель имела ширину 25 мм. Титр нити, определенный по диаметру фильерного нетканого материала, составлял 2,1 дтекс. Производительность была установлена на 46 м/мин. Полученный в результате фильерный нетканый материал имел поверхностную плотность 70 г/м. На установке упрочнения водой сначала с помощью устройства формования нетканого материала в потоке воздуха наносили слой 16 г/м очень коротких бикомпонентных волокон конфигурации ядро-оболочка, у которых середина состояла из полипропилена, а оболочка из полиэтилена. Весовое отношение компонентов составляло 50/50%. Затем фильерный нетканый материал подвергали упрочнению водяными струями. Упрочнение проводили с помощью 6 балок, которые действовали по очереди с обеих сторон. Прикладываемое каждый раз давление воды устанавливалось следующим образом:
Номер балки
1
2
3
4
5
6
Давление воды (бар)
20
50
50
50
150
150
При упрочнении водяными струями короткие волокна в основном проникали внутрь фильерного нетканого материала, так что никакого чисто поверхностного слоя не образовывалось.
2
Затем обработанный водяными струями фильерный нетканый материал сушили в барабанной сушилке. При этом в последней зоне устанавливали температуру воздуха 123°C, так что полиэтилен легко расплавлялся и образовывал термические связи. Упрочненный таким образом фильерный нетканый материал имел при плотности 86 г/м следующие механические характеристики:
Максимальное растягивающее усилие [Н/5см]
Максимальное удлинение при растяжении [%]
Усилие при удлинении 5% [Н/5см]
Усилие при удлинении 10% [Н/5см]
В длину
512
85
56
93
Поперек
86
105
6,0
11,9
2
2
Удельная прочность в продольном направлении составляла 5,95 Н/5см на г/м, а удельный начальный модуль при удлинении 5% составлял 0,65 Н/5см на г/м.
Пример осуществления 2
2
На такой же опытной установке, какая описана в примере 1, использовали полиэфирный гранулят. Он имел характеристическую вязкость IV=0,67. Его тщательно сушили, чтобы остаточное содержание влаги было ниже 0,01% и пряли при температуре 285°C. При этом, как и в примере 1, использовали фильеру с 5479 отверстиями по ширине 1200 мм. Расход полимера составлял 320 кг/ч. Нити в фильерном нетканом материале имели установленный оптически титр 2 дтекс и очень низкую усадку. Скорость установки устанавливалась на 61 м/мин, так что предварительно упрочненный фильерный нетканый материал имел плотность 72 г/м.
2
Этот материал направляли на такую же установку упрочнения водяными струями. На поверхность предварительного упрочненного фильерного нетканого материала укладывали слой 16 г/м таких же бикомпонентных коротких волокон (ПП/ПЭ 50/50). Затем композиционный нетканый материал проводился через упрочнение водяными струями с 6 балками, которые регулировались следующим образом:
Номер балки
1
2
3
4
5
6
Давление воды (бар)
20
50
80
80
200
200
При упрочнении водяными струями короткие связующие волокна в основном проникали внутрь фильерного нетканого материала, так что никакого чисто поверхностного слоя не образовывалось.
2
Затем обработанный водяными струями фильерный нетканый материал сушили в барабанной сушилке. При этом устанавливали температуру воздуха в последней зоне 123°C, так что полиэтилен легко расплавлялся и образовывал термические связи. Упрочненный таким образом фильерный нетканый материал имел при плотности 87 г/м следующие механические характеристики:
Максимальное растягивающее усилие [Н/5см]
Максимальное удлинение при растяжении [%]
Усилие при удлинении 5% [Н/5см]
Усилие при удлинении 10% [Н/5см]
В длину
530
88
59
96
Поперек
93
100
6,1
12,6
2
2
Удельная прочность в продольном направлении составляла 6,09 Н/5см на г/м, а удельный начальный модуль при удлинении 5% составляет 0,68 Н/5см на г/м.