НЕТКАНЫЙ ИГЛОПРОБИВНОЙ МАТЕРИАЛ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
NEEDLE-PUNCHED FABRIC AND METHOD OF ITS PRODUCTION

Изобретение относится к технологии производства нетканых материалов и может служить основой для производства строительных, отделочных и других подобных материалов.
Известно, что производство нетканых материалов, представляющих собой полотна и изделия, изготовляемые из волокон, нитей или других видов материалов без применения прядения и ткачества, по сравнению с традиционными способами производства, например, текстильной продукции отличается простотой технологии, повышенной производительностью оборудования, многочисленным ассортиментом полотен. Нетканые материалы с разнообразными эксплуатационными свойствами, изготовленные в условиях автоматизированных производств, обладают широким спектром функциональных возможностей, которые обеспечиваются как за счет использования разнообразного сырья, так и способов получения нетканых материалов [Озеров Б.В., Гусев В.Е. Проектирование производства нетканых материалов. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1984, 400 с.; Бершев Е.Н. и др. Технология производства нетканых материалов. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982, 352 с.; Петрова И.Н., Андропов В.Ф. Ассортимент, свойства и применение нетканых материалов. М.: Легпромбытиздат, 1991, 208 с.; Бершев Е.Н. и др. Физико-химические и комбинированные способы производства нетканых материалов. М.: Легпромбытиздат, 1993, 353 с.].
Однако независимо от назначения нетканого материала любой материал в своем сегменте должен обладать комплексом хороших физико-химических свойств.
Для получения наиболее лучшего комплекса физико-химических и потребительских свойств нетканого материала в соответствующем сегменте необходимо правильно выбрать структуру материала и способ формирования желаемой структуры. При этом структуру волокнистого слоя (холста), как правило, характеризуют толщина прочеса и холста, число сложений прочеса, неровность прочеса и холста, доля волокон в смеси, материал волокна, расположение волокон (коэффициент распрямленности и протяженности, угол ориентации), длина волокна, диаметр волокна, распределение волокон по толщине, наличие или отсутствие каркасного слоя, его структура, плотность проколов, глубина проколов, наличие связующего и адгезионных связей.
Способы могут включать, например, такие действия, как подготовка и смешивание волокна, замасливание, чесание, формирование волокнистого слоя, иглопрокалывание, каландрирование, термоусадка, и могут характеризоваться эффективностью разрыхления сырья, эффективностью трепания, составом эмульсии и связующего, коэффициентом неравномерности распределения волокна, скоростью прочеса, линейной скоростью движения холста, температурой термической обработки и т.п.
Известен армодренажный композитный геотекстильный материал, содержащий матрицу из нетканого фильтрующего материала и армирующие элементы [см. описание к патенту РФ №2103439, М. кл. Е01С 5/20, 11/16, опубл. 27.01.1998 г.]. В материале в качестве армирующих элементов использованы полосы из однонаправленного ровингового стекложгута, предварительно пропитанные термопластовым клеем, размещенные на матрице вдоль нее с постоянным шагом, равным 20-50 мм, и скрепленные с матрицей по всей поверхности под действием температуры и давления.
Предполагается, что материал обладает хорошими эксплуатационными свойствами вследствие упрочнения стекложгутом, и может быть также использован при возведении сооружений, связанных с возведением разного рода насыпей, и может в некоторых случаях исключить возведение традиционных бетонных, железобетонных, каменных и других противообвальных сооружений.
Однако изготовить подобным образом холст достаточной прочности, предназначенный для производства битумно-полимерных материалов, невозможно, поскольку термопластическое скрепление обратимо и будет разрушено в процессе производства битумно-полимерного материала.
2
Наиболее близким к заявляемому решению по назначению, технической сущности и достигаемому результату при использовании является нетканый иглопробивной материал, содержащий нетканое полотно из синтетических волокон, упрочняющие нити и связующее, при этом упрочняющие нити выполнены из стекловолокна и равномерно расположены вдоль нетканого полотна [см. описание к патенту США №5118550, М. кл. B05D 1/14, от 02.06.1992 г.]. Нетканое полотно содержит два слоя из непрерывных синтетических нитей, полученных из расплава смеси полибутилена и терефталата в пропорции 87%/13% соответственно с линейной плотностью 7 дтекс и поверхностной плотностью полотна 100 г/м.
2
2
Линейная плотность упрочняющих стеклянных нитей диаметром 9 мкм составляет 2,8-272 текс, они равномерно расположены на расстоянии от 2 до 30 мм и могут быть связаны с нетканым полотном либо нагреванием, либо иглопробиванием, либо и нагреванием, и иглопробиванием. Иглопробивание выполнено с плотностью 50 пр/см на глубину 12 мм. Нетканый иглопробивной материал имеет поверхностную плотность 107 г/м при 20°С, предел прочности 320 Н и относительное удлинение 2,2%, при 180°С соответственно 200 Н и 2,2%.
Описанный выше нетканый иглопробивной материал предназначен для использования в качестве герметизирующего слоя, первичного или вторичного коврового покрытия, для упрочнения крыши покрытой черепицей, для битуминизации и т.п.
Недостатком описанного выше материала является высокая стоимость вследствие сложности технологического процесса, связанного с получением непрерывных нитей холста из расплава, технологическая сложность и, как следствие, стоимость производства, связанная с необходимостью использовать устройство для получения двух слоев непрерывных синтетических нитей, полученных из расплава. Кроме того, прочностные свойства двухслойного материала, образованного бесконечными нитями, полученными из расплава, не удовлетворяют требованиям современного битумно-полимерного производства, что снижает функциональные возможности нетканого материала.
2
Известен способ получения нетканого материала, включающий получение волокнистого холста, его иглопробивание, термопрессование на горячих каландрах [см. описание к патенту РФ №2182613, М. кл. D04H 1/48, опубл. 20.05.2002 г.]. Холст получают на валичной чесальной машине, при этом для получения холста используют бикомпонентные волокна с линейной плотностью 0,64 текс, с температурой плавления сердечника 110°С и оболочки 180°С, при температуре термообработки 90-110°С в течение 1-2 мин, плотность прокалывания составляет 35-50 пр/см и глубина до 2 мм.
Полученный таким способом материал обладает поверхностной плотностью
2
3
3
2
100-150 г/м, толщиной 0,29-0,56 мм, объемной плотностью 0,205-0,424 г/см, воздухопроницаемостью 67,359-133,164 дм/см·с, пылеулавливающей способностью 0,565-0,583. Однако производительность способа низкая, не более 3-5 м/мин, а поверхностная плотность материала неоднородна вследствие нестабильности технологического процесса.
Известен также способ получения нетканого иглопробивного материала, включающий формирование волокнистого холста, иглопрокалывание и тепловую прокатку на каландре [см. описание к патенту РФ №2246565, М. кл. В04Н 1/48, опубл. 20.02.2005 г.]. При этом тепловую обработку иглопробивного материала проводят при температуре валка 130-220°С с предпочтительной скоростью прокатки на каландре 3-5 м/мин.
2
2
В результате осуществления способа получают нетканый иглопробивной материал, выполненный из волокнистого холста, полученного из полиэфирного волокна линейной плотности 0,17-2,0 текс или смеси бикомпонентных волокон, характеризующийся плотностью иглопрокалывания 50-250 пр/см и поверхностной плотностью 400 г/м.
Предлагаемый способ позволяет получить прочность нетканого материала до
160-180 Н по длине и до 53-65 Н по ширине при жесткости 6,0-6,7 сН по длине и 3,3-3,8 сН по ширине.
Как и в предыдущем случае, способ имеет низкую производительность 3-5 м/мин, которая определяется скоростью прокатки материала на каландре.
2
2
Известен также способ производства нетканого полотна с поверхностной плотностью 100 г/м и шириной 2 м, при котором полотно получают путем экструзии полимерных нитей толщиной 7 дтекс, полученное полимерное полотно, упрочненное стеклянными нитями, подвергают иглопробиванию, создавая 50 пр/см при глубине 12 мм. После иглопробивания полотно обрабатывают на каландре по S-образному пути при температуре 235°С и давлении 25 daN/см со скоростью 13 м/мин, которая обеспечивает контакт между двумя роликами в течение 15 сек [см. описание к патенту США №5118550, М. кл. В05D 1/14, от 02.06.1992 г.].
2
В результате получают нетканый иглопробивной материал с поверхностной плотностью 107 г/м, с пределом прочности 18,0 daN и относительным удлинением 2,2% при 20°С, а также соответственно 5,2 daN и 2,2% при 180°С.
Способ обеспечивает производительность 13 м/мин, однако он технологически очень сложный, поскольку предполагает получение непрерывных нитей холста непосредственно из расплава полимера. Любое отклонение от заданного режима получения нитей из расплава приводит к неравномерностям распределения волокна, к нарушению однородности поверхностной плотности.
Наиболее близким к заявляемому решению по назначению, технической сущности и достигаемому результату при использовании является способ получения нетканого материала, включающий рыхление, эмульсирование смеси, формирование холста на чесальных машинах, пропитку холста связующим, сушку, термообработку и охлаждение [см. описание к патенту РФ №2057217, М. кл. D04H 1/64, опубл. 27.03.1996 г.]. Способ предусматривает смешивание волокна, вылежку после эмульсирования и обработку холста водным раствором состава, содержащего неионогенное поверхностно-активное вещество, кремнийорганическое соединение или их смесь и дубящее вещество. Обработку указанным составом либо совмещают с эмульсированием, либо проводят после формирования холста.
Предлагаемый способ позволяет получить прочность нетканого материала до
160-180 Н по длине и до 53-65 Н по ширине при жесткости 6,0-6,7 сН по длине и 3,3-3,8 сН по ширине.
Однако способ не обеспечивает однородности механических свойств материала вдоль полотна, что ограничивает его функциональные возможности.
Поэтому целью заявляемых технических решений являются повышение однородности нетканого материала, расширение функциональных возможностей нетканого иглопробивного материала и снижение стоимости.
Поставленная цель достигается тем, что в известном нетканом иглопробивном материале, содержащем нетканое полотно из синтетических волокон, упрочняющие нити и связующее, при этом упрочняющие нити выполнены из стекловолокна и равномерно расположены вдоль нетканого полотна, согласно изобретению нетканое полотно выполнено из двух внутренних продольных прочесов и двух наружных поперечных прочесов, скрепленных иглопробиванием, при этом между слоем продольных внутренних и одним наружным поперечным прочесом равномерно расположены упрочняющие нити из стекловолокна.
Согласно изобретению связующее в сухом материале составляет 15-17%.
Согласно изобретению в качестве связующего использован латекс акрилостирольный.
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе изготовления нетканого иглопробивного материала, включающем рыхление, кардочесание, эмульсирование смеси, формирование прочесов на чесальных машинах, иглопробивание, каландрирование, термофиксацию, пропитку холста связующим, сушку и охлаждение, согласно изобретению после рыхления и кардочесания вначале формируют холст из двух продольных прочесов, на который равномерно укладывают упрочняющие нити, и накрывают его с двух сторон поперечными непрерывными прочесами, обрабатывают на иглопробивных машинах, затем выравнивают материал путем натяжения, каландрируют с последующей термофиксацией и пропиткой связующим, после чего материал сушат и обрабатывают на холодном каландре.
Согласно изобретению эмульсирование осуществляют составом лиманол в количестве 0,15-0,16 мас.% от массы волокна путем распыления.
Согласно изобретению иглопробивание осуществляют не менее чем в два этапа - предварительный и основной.
Согласно изобретению в качестве упрочняющих нитей используют стекловолокно.
Согласно изобретению адгезионное соединение волокон осуществляют на каландрах при температуре 212-220°С и времени контакта 15-20 сек.
Согласно изобретению выравнивание осуществляют при натяжении 900-1100 Н/м.
Согласно изобретению термофиксацию осуществляют при температуре 218-230°С в течение 14-22 сек.
Согласно изобретению в качестве связующего используют латекс акрилостирольный.
Согласно изобретению окончательную сушку выполняют в два этапа при температурах 140-210°С в течение 60-90 сек.
Высокие прочностные и другие механические характеристики полученного материала обеспечивают указанные выше параметры технологического процесса.
Как видно из описания сущности заявляемых решений, они отличаются от прототипов и, следовательно, являются новыми.
Решения также обладают изобретательским уровнем. В основу изобретения поставлена задача улучшения нетканого иглопробивного материала. Вследствие выполнения нетканого полотна из двух внутренних продольных прочесов и двух наружных поперечных прочесов, связанных иглопрокалыванием, при этом между слоем продольных внутренних и одним наружным поперечным прочесом равномерно расположены упрочняющие нити из стекловолокна, обеспечивается новый технический результат, заключающийся в том, что стабилизируется поверхностная плотность, повышается удельная разрывная нагрузка. За счет этого, с одной стороны, повышается однородность нетканого материала, расширяются функциональные возможности материала в определенном сегменте продукции, а с другой стороны, появляется возможность существенно ускорить процесс производства битумно-полимерных материалов при сохранении стабильной геометрии продукции, что снижает стоимость материала в целом.
Известен двухслойный материал из синтетических волокон, скрепленных иглопрокалыванием [см. описание к а.с. СССР №646000, М. кл. D04H 1/46, опубл. 05.02.1979 г.]. Каждый слой этого материала содержит неусадочные волокна с длиной резки от 60 до 90 мм и усадочные волокна с длиной резки от 80 до 100 мм, линейной плотностью 1,00-1,67 текс и гигроскопичностью до 4%, причем направление ориентации одного слоя перпендикулярно направлению ориентации волокон другого слоя. Материал также характеризуется тем, что каждый слой содержит неусадочных волокон в количестве 7-80%, а усадочных (не вытянутых) - от 20 до 30%.
Однако описанный выше материал не обладает техническими характеристиками, предъявляемыми к материалам для производства полимерно-битумных кровельных мембран, вследствие высокого содержания усадочных волокон.
Предлагаемый материал принципиально отличается от известного тем, что образован из взаимно перпендикулярных прочесов с вытянутыми, но сохраняющими завитки волокнами, скрепленными с упрочняющими нитями полимерными волокнами нетканого полотна, полученными иглопробиванием. Продольные относительно нетканого полотна упрочняющие нити из стекловолокна расположены под одним из наружных поперечных прочесов, что придает нетканому материалу более высокие механические свойства в сравнении с материалами с наружным расположением упрочняющих нитей. Наружные слои поперечных прочесов представляют собой плоскую бесконечную «гармошку».
Предлагаемый способ также обладает изобретательским уровнем. В основу изобретения поставлена также задача улучшения способа изготовления нетканого иглопробивного материала. Вследствие того что после рыхления и кардочесания формируют холст из двух продольных прочесов, на которые равномерно укладывают упрочняющие нити, и накрывают его с двух сторон поперечными непрерывными прочесами, обрабатывают на иглопробивных машинах, затем выравнивают материал путем натяжения, каландрируют с последующей термофиксацией и пропиткой связующим, после чего материал сушат и обрабатывают на холодном каландре, обеспечивается новый технический результат, который заключается в том, что стабилизируется поверхностная плотность, повышается удельная разрывная нагрузка нетканого иглопробивного материала. За счет этого, с одной стороны, повышается однородность нетканого материала, расширяются функциональные возможности материала в определенном сегменте продукции, а с другой стороны, появляется возможность существенно ускорить процесс производства битумно-полимерных материалов при сохранении стабильной геометрии продукции, что снижает стоимость материала в целом.
В литературе рассмотрена возможность формирования волокнистых холстов с продольно-поперечной ориентацией волокон [см. Бершев Е.Н. и др. Технология производства нетканых материалов. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982, с.86], когда на прочес с продольной ориентацией волокон, выработанный несколькими чесальными машинами, предполагается нанесение прочеса с поперечной ориентацией волокон. При этом предполагается, что волокнистые холсты с продольно-поперечной ориентацией волокон должны отличаться высокой прочностью при растяжении в продольном и поперечном направлениях, стабильностью размеров и эластичностью, и, однако, указывается, что для изготовления таких холстов необходима сложная расстановка оборудования и имеются определенные трудности при обслуживании цепочки машин [см. там же].
Известна также возможность производства иглопробивных нетканых материалов, включающая приготовление смеси волокон, образование волокнистого холста, иглопрокалывание, пропитку связующим, сушку и термообработку. Отмечено также, что иногда для обеспечения необходимой прочности иглопробивного материала применяют каркасный материал в виде тканого полотна, сетки, пленки и др., который располагают под волокнистым холстом или в середине холста [см. там же, стр.270-271].
Предлагаемый способ принципиально отличается от известных способов тем, что реализует поперечные прочесы в виде бесконечной плоской «гармошки», предлагает новую последовательность известных приемов получения нетканого материала, дополненную такими операциями, как: «…вначале формируют холст из двух продольных прочесов, на него равномерно укладывают упрочняющие нити и накрывают его с двух сторон поперечными непрерывными прочесами, обрабатывают его на иглопробивных машинах, затем выравнивают материал путем натяжения, каландрируют с последующей термофиксацией и пропиткой связующим, после чего материал сушат и обрабатывают на холодном каландре». Сочетание таких операций, как «…выравнивание материала путем натяжения…», «... соединение волокон путем адгезии…», «…термофиксация…» и «…обработка на холодном каландре…», обеспечивает не только ускоренный темп производства, но и такие свойства готового продукта, как повышенная однородность распределения волокна и однородность поверхностной плотности, что, в свою очередь, определяет повышенную прочность, сопротивляемость усадке и др.
Предлагаемые технические решения промышленно применимы и использованы при промышленном производстве нетканого иглопробивного материала марок РУНО 140 RF, РУНО 150 RF, РУНО 160 RF, РУНО 170 RF, РУНО 180 RF, РУНО 200 RF, РУНО 250 RF.
Фиг.1 - схема расположения прочесов.
Фиг.2 - схема укладки поперечных прочесов.
Фиг.3 - структура нетканого иглопробивного материала.
Нетканый иглопробивной материал (фиг.1-3) содержит два прочеса 1 вдоль материала и два непрерывных поперечных прочеса 2, схема укладки которых показана на фиг.2. Прочесы выполнены из волокон длиной 76-80 мм и линейной плотностью 4,1-4,8 дтекс, сохраняют 3-5 завитков 3. Упрочняющие нити 4 выполнены из стекловолокна с линейной плотностью 68-75 текс. Нити 4 стекловолокна расположены на расстоянии 7-10 мм (фиг.3) при ширине материла 1,01-3,05 м. В качестве связующего использован латекс акрилостирольный, содержание которого в сухом материале составляет 15-17%. Параметры и свойства иглопробивного материала представлены в таблицах 1 и 3.
Таблица 1
Пример 1
Пример 2
Пример 3
Пример 4
Число прочесов
4
4
4
4
Материал волокна
полиэстер
полиэстер
полиэстер
полиэстер
Длина волокна, мм
75-80
75-80
75-80
75-80
Плотность укладки армирующих нитей, 1/см<sup>2</sup>
1
1
1
1
Связующее, %
15-17% в сухом материале
15-17% в сухом материале
15-17% в сухом материале
15-17% в сухом материале
Плотность проколов, 1/см<sup>2</sup>
130-160
130-160
130-160
130-160
Глубина проколов, мм
От 9 до 12
От 9 до 12
От 9 до 12
От 9 до 12
Толщина материала, мм
0,7
0,8
0,9
1
3
3
Способ получения нетканого материала осуществляют следующим образом. Вначале смешивают волокнистое сырье, если предполагается изготавливать прочес из смеси волокон. Смешивание и разрыхление осуществляют на трепальных машинах до получения однородной массы плотностью 14-20 кг/м. Затем осуществляют эмульсирование смеси, для чего предварительно готовят раствор, состоящий из смеси антистатика 6-8% и воды остальное. В качестве антистатика используют лиманол в количестве 0,15-0,16 мас.% от массы волокна. Смесь для эмульсирования в виде распыла наносят на волокно в трубопроводах. После добавления в смесь волокон раствора для эмульсирования осуществляют рыхление до получения однородной массы плотностью 14-20 кг/м. Обработанное таким образом сырье представляет собой волокнистую массу, состоящую из различных по размеру клочков волокон. Клочки волокон различных видов недостаточно равномерно распределены в смеси, а отдельные волокна перепутаны между собой. Для получения из неоднородной массы продукта высокого качества в виде волокнистого прочеса волокнистую массу обрабатывают на чесальных машинах для разъединения спутанных клочков и пучков на отдельные волокна, выделения сорных примесей, частичного распрямления и ориентации волокон в одном направлении. Прочес служит исходной структурой для формирования холста, снимаемого со съемного барабана чесальной машины. Их укладывают друг на друга с заданным числом сложений с помощью механических транспортеров преобразователей прочесов. Таким образом, происходит формирование холста из 4 прочесов. Между одним поперечным прочесом и продольными подают упрочняющие стекловолоконные нити марки ЕС9 68 Z20 Т6С Н8 S12 Е4. Затем прочесы уплотняют на первой иглопробивной машине, создавая механические связи в холсте. После уплотнения холст поступает на вторую иглопробивную машину, на которой создают дополнительные механические связи как между волокнами прочесов, так и между волокнами прочесов и стекловолоконными нитями. Сформированный окончательно холст выравнивают путем натяжения с нагрузкой 900-1100 Н/м и осуществляют адгезионное соединение волокон, для чего обрабатывают на каландрах при температуре 212-220°С и скорости движения холста 14-19 м/мин. При этом время контакта волокон с каландром не превышает 15-20 сек. После обработки на каландрах волокна термофиксируют (в камере ТЕРМОБОНДЕРА) с помощью горячего воздуха при температуре 218-230°С в течение 14-22 сек. После обработки на каландрах выполняют пропитку холста связующим. В качестве связующего используют, например, акрилостирольный латекс Acronal S 888 S в количестве 15-17 мас.%.
Заканчивают процесс получения нетканого иглопробивного материала сушкой при температуре 140-210°С в течение 60-90 сек, дополнительной термообработкой и охлаждением. Охлаждение осуществляют, пропуская материал между полыми валами холодного каландра, температура которого находится в пределах 8-20°С. Эту операцию выполняют для предотвращения слипания материала при формировании рулонов готовой продукции. Примеры осуществления способа приведены в таблице 2.
Таблица 2
Пример 1140 г/м<sup>2</sup>
Пример 2170 г/м<sup>2</sup>
Плотность сырья после эмульсирования, перед кардочесанием, кг/м<sup>3</sup>
14-20
14-20
Плотность прокалывания на первом этапе, 1/см<sup>2</sup>
30-50
30-50
Плотность прокалывания на втором этапе, 1/см<sup>2</sup>
90-110
90-110
Нагрузка при натяжении, Н/м
800-900
900-1100
Скорость обработки на каландре, м/мин
14-19
14-19
Температура обработки на каландре, °С
210-220
210-220
Время контакта холста с каландром, сек
15-20
15-20
Температура термофиксации холста, °С
218-230
218-230
Продолжительность термофиксациихолста, мин
0,2-0,3
0,2-0,3
Температура сушки после пропитки связующим, °С
140-210
140-210
Продолжительность сушки, мин
1-1,5
1-1,5
Таблица 3
Пример 1
Пример 2
Пример 3
Пример 4
Поверхностная плотность материала, г/м<sup>2</sup>
140
150
160
170
Разрывная нагрузка по длине, Н
490
520
560
620
Разрывная нагрузка по ширине, Н
270
280
300
330
Разрывное удлинение по длине, ±10%
21
21
22
22
Разрывное удлинение по ширине, ±10%
28
28
29
29
Толщина материала, мм, ±8%
0,8
0,8
0,9
1,0
Как видно из описания технической сущности материала и примеров его осуществления, а также из характеристики свойств материала, предлагаемое техническое решение позволяет получить материал, который обладает на 30-40% более высокими прочностными свойствами, чем известные зарубежные аналоги, и, следовательно, более широкими функциональными возможностями.
Как видно из описания сущности способа и примера его осуществления, он не имеет технологически сложных операций, обладает достаточно высокой производительностью и обеспечивает получение нетканого иглопробивного материала с улучшенными техническими свойствами для данного сегмента, а именно битуминизированных строительных, отделочных и других подобных материалов.