پیوند حرارتی بی بافتها:

مواد اولیه، روش‌ها و کاربردها

Thermal Bonding of Nonwoven: Raw Materials, Methods and Applications

پیوند حرارتی چیست؟
پیوند حرارتی عبارتست از:چسبیدن الیاف ترموپلاستیک به یکدیگر یا به الیاف دیگر به وسیله ترموپلاستیک ها. الیاف اتصال ترموپلاستیک را می توان در حین تولید الیاف اضافه کرد. فعال سازی حرارتی با استفاده از هوای گرم (ترموفیوژن) یا یک کالندر (ترموباندینگ) به دست می آید. بی بافتها را می توان تا حدی به روش اولتراسونیک به هم متصل کرد. در تمام فرآیندها، بی بافتها با استفاده از یک کالندر فشرده می شوند. وزن معمول منطقه زیر 100 گرم بر متر مربع است. هنگامی که از یک غلتک اماده  استفاده می شود، بر روی  محصول بی بافت نشان واثری باقی می ماند. پیوند حرارتی ،فرایندی  اقتصادی، سازگار با محیط زیست است و می توان به یک بازیابی 100 درصدی رسید. در تکنیک پیوند حرارتی معمولاً از غلتک های کالندر داغ برای اتصال شیت الیاف  استفاده می شود.
پیوند حرارتی با همان میزان مواد چند لایه[multi-layer] با روشهای  پلیمرریزی[polymerlaid]، ترریزی [wet-laid]و خشک ریزی [dry-laid]موفقیت امیز است . مفهوم پایه ای  پیوند حرارتی  را رید در سال 1942 معرفی کرد.
پارچه های بی بافت  با اعمال انرژی حرارتی یا گرمایی به عنصر ترموپلاست موجود در وب فیبری تولید می شود و پلیمر بدلیل نیروی  کشش سطحی و خاصیت مویینگی  برای ایجاد پیوند به تعداد لازم در مناطق متقاطع الیاف جریان می یابد. پیوند عمدتاً به دو روش  ایجاد می شود: پیوند از طریق هوا و با کالندر. در اتصال از طریق هوا، شبکه فیبری در یک محفظه هوای گرم (فر) برای تشکیل پیوندها در موقعیت های متقاطع الیاف عبور داده می شود. کالندر شامل عبور شبکه (وب) فیبری از میان یک جفت غلتک گرم است که فشار و دمای بالایی را به منظور ذوب الیاف ترموپلاستیک دارند.
پیوند حرارتی یک فناوری پیوند پرکاربرد در صنعت منسوجات بی بافت است، به ویژه در تولید اسپان باند[spunbond]، ذوب ریزی ، ایرلی[airlay] و تر ریزی [meltblown]، همانند نکنولوژی های تشکیل وب کاردینگ. تلاش قابل‌توجهی برای بهینه‌سازی فرآیندهای ایجاد وب ، فرآیندهای پیوند و خواص الیاف تغذیه انجام شده تا  به خواص نهایی مطلوب و در عین حال کاهش هزینه‌های ساخت برسیم.

پیشرفت مواد اولیه جدید، نوآوری‌های چیدمان بهتر وب و سرعت تولید بالاتر، پیوند حرارتی را به فرآیندی معقول برای تولید منسوجات یکبارمصرف ودایمی  تبدیل کرده است.
سه نوع عمده اتصال در منسوجات وجود دارد:
• پیوند شیمیایی
• پیوند حرارتی
• پیوند مکانیکی

اصل پیوند حرارتی:
پیوند حرارتی نیاز به یک جزء ترموپلاستیک دارد که می تواند به شکل الیاف هوموفیل، پودر، فیلم، وب ، مذاب داغ یا به عنوان یک غلاف به عنوان بخشی از یک فیبر دو جزئی وجود داشته باشد. در عمل، حرارت اعمال می شود تا زمانی که جزء ترموپلاستیک به شکل مذاب یا ویسکوز دراید. پلیمر با خاصیت کشش سطحی و مویینگی  به محل های برخورد الیاف -منطقه تشکیل پیوند- جریان می‌یابد. این مناطق  پیوند با خنک کردن بعدی ثابت می شوند. در این حالت، هیچ واکنش شیمیایی بین پیونددهنده [binder] و فیبر پایه در محل‌های پیوند صورت نمی‌گیرد. هنگامی که بایندرها ذوب می شوند و به داخل و اطراف نقاط برخورد الیاف یا  در شکاف های سطحی الیاف جریان می یابند، با سرد شدن بعدی یک چسب یا پیوند مکانیکی تشکیل می شود. چنین پیوند چسبی یک پیوند فیزیکی و شیمیایی در سطح مشترک دو ماده غیر مشابه است. در اینجا یک پیوند مکانیکی در نتیجه انقباض حرارتی ماده پیوند ایجاد می‌شود که در حالت مایع نقاط برخورد الیاف  را محصور می‌کند. در مقابل اگر در ارتباط الیاف و ماده پیوند دهنده هر دو جزء نرم یا ذوب شوند، نفوذ بین مولکول‌ها و نفوذ متقابل مولکول‌ها در سطح مشترک رخ می دهد  و ممکن است بایندرحذف شود. این امر زمانی رخ می دهد که پلیمرهای سازگار با پارامترهای حلالیت وجود داشته باشند. پیوندهایی که از این طریق تشکیل می شوند را می توان پیوندهای منسجم نامید.

مواد اولیه پیوند حرارتی:
پارچه های چسب حرارتی [Thermally bonded fabrics] از مواد کاملاً ترموپلاستیک و یا از ترکیبات حاوی الیافی  تولید می شوند که تمایلی برای  نرم شدن یا جریان یافتن در هنگام گرم شدن از خود نشان نمی دهند. جزء غیر اتصال دهنده به عنوان  الیاف پایه نامیده شود . از نظر تجاری، انواع مختلفی از الیاف پایه استفاده می شود. جزء بایندر (اتصال دهنده)بسته به خصوصیات فیزیکی لازم در محصول به طور معمول از 5 تا 50 درصد وزن را تشکیل می دهد.

1. انواع الیاف پایه:
الیاف پایه در تعیین خواص فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی اصلی پارچه نقش دارد. الیاف پایه  بر ویژگی های رنگرزی، مقاومت در برابر شعله، خواص کششی و سایشی، مقاومت هیدرولیتیکی، زیست تخریب پذیری و بسیاری از خواص دیگر پارچه تأثیر می گذارد. الیاف پایه رایج شامل الیاف طبیعی (الیاف سلولزی بازسازی شده، الیاف گیاهی و پروتئینی مانند پشم)، الیاف مصنوعی (پلی استر، پلی پروپیلن، اکریلیک، نایلون، آرامید و بسیاری دیگر)، الیاف معدنی (به عنوان مثال، شیشه و سیلیس) و الیاف فلزی است . گاهی اوقات فیبر پایه (الیاف حامل) هسته یک فیبر دو جزئی است که جزء غلاف قسمت اتصال دهنده است.

2. مواد چسباننده(بایندر):
اجزای بایندر به اشکال مختلفی از جمله فیبر یا فیلامنت (همگن یا دو جزئی؛ الیاف غلاف/هسته یا از نوع ساید بای ساید الیاف مذاب باند)، پودر، فیلم، وب  زود گداز[low melt] و ذوب داغ[hot melts] تولید می شوند. شکل فیزیکی چسب بر توزیع آن در سراسر ماتریس فیبر تأثیر می گذارد که تأثیر قابل توجهی بر خواص پارچه دارد. مقدار چسب نیز نقش مهمی در تعیین خواص پارچه بی بافت  دارد. اگر محتوای چسب بیش از 50٪ از کل ترکیب باشد، پارچه مانند یک پلاستیک تقویت شده عمل می کند. با محتوای چسب 10 درصد، پارچه  حاصله ساختاری حجیم، متخلخل و انعطاف پذیر با استحکام نسبتاً کم پیدا می کند . برای به حداقل رساندن هزینه های انرژی، مطلوب است که الیاف بایندر دارای سرعت ذوب بالا، شیرینکیج کم و محدوده نقطه ذوب محدود باشند.

3. الیاف بایندر دو جزئی:
الیاف و فیلامنت های  دو جزئی که  بویژه در آسیا به انها الیاف مزدوج نیز گفته می شود، از حداقل دو جزء پلیمری مختلف تشکیل شده اند. آنها سالها به صورت تجاری در دسترس بوده اند. یکی از قدیمی ترین انها الیاف سایدبای ساید  به نام Cantrece بود که توسط DuPont در اواسط دهه 1960 و به دنبال آن Monsanto's Monvel ساخته شد که یک الیاف دو جزئی خود چین خورده بود که در صنعت جوراب بافی در دهه 1970 استفاده می شد. هیچ یک از این الیاف به دلیل فرآیندهای پیچیده و گران تولید، از نظر تجاری موفق نبودند. بعداً در سال 1986، تجهیزات ریسندگی الیاف دو جزئی موفق تجاری توسط Neumag، تولید کننده ماشین آلات الیاف مصنوعی توسعه یافت. استفاده از الیاف دو جزئی در اوایل دهه 1990 تا حدودی به دلیل نیاز به یکنواختی کلی پیوند پارچه های بی بافت ، که بخصوص در پارچه های سنگین پیوند ان رضلیت بخش نبود ، به طور چشمگیری شتاب گرفت. اخیراً بازار الیاف دو جزئی توسط ژاپن و کره بسیار توسعه یافته است.

الیاف دو جزئی را بر اساس ساختمان سطح مقطع انها  به:  ساید بای ساید، هسته غلاف[sheath-core]، جزیره در دریا [island in the sea]یا segmented pie شده طبقه بندی می کنند. در این بین دو نوع  ساید بای ساید و هسته غلاف به روش پیوند حرارتی مرتبط اند.

روش های اتصال حرارتی:
• چسباندن کالندر
• اتصال از طریق هوا
• باندینگ پودری
• پیوند اولتراسونیک
• پیوند تابشی گرما و غیره

1. چسباندن کالندر:
وب از بین دو غلتک بزرگ گرم شده (کالندر) که تحت فشار عمل می کند، می گذرد، الیاف  فشرده می شود و گرما به الیاف هدایت می شود و باعث نرم شدن و ذوب شدن آنها می شود. اگر وب از نظر جرم در واحد سطح خیلی سنگین نباشد، گرمایش بسیار سریع است و فرآیند را می توان با سرعت خطی بالا (بیش از 350 متر در دقیقه) انجام داد. طراحی غلتک های کالندر برای این منظور بسیار پیشرفت کرده وممکن است بیش از 5 متر عرض داشته باشند و می توان آنها را گرم کرد تا تغییرات دمایی کمتر از 1 درجه سانتیگراد در سراسر غلتک ها ایجاد شود. همچنین سیستم هایی برای اطمینان از اعمال فشار یکنواخت در سراسر غلتک ها ایجاد شده  چون  غلتک هایی با این عرض تمایل به انحراف دارند. معمولاً حداقل یک غلتک حکاکی شده [engraved roller]در سیستم‌های باندینگ کالندری استفاده می‌شود، زیرا پیوند سطحی حاصل از استفاده از دو غلتک ساده پارچه‌هایی را تولید می‌کند که برای استفاده عملی بسیار سفت و غیرقابل نفوذ هستند.
غلتک‌های کالندر برای اتصال نقطه‌ای با الگویی حکاکی شده‌اند که درجه تماس بین غلتک‌ها را تقریباً به 5 تا 25 درصد از سطح کل محدود می‌کند تا نفوذپذیری و انعطاف‌پذیری پارچه حفظ شود. اندازه، شکل و هندسه الگو نه تنها بر ظاهر پارچه به دست آمده، بلکه بر خواص فیزیکی آن نیز تأثیر می گذارد. اتصال حرارتی عمدتاً به نقاط برجسته یا برجسته روی غلتک‌ها یعنی  جایی که تار را لمس و فشرده می‌کنند محدود می شود و بقیه را عملاً بدون پیوند باقی می‌گذارد. پارچه هایی که به این روش ساخته می شوند به دلیل نواحی غیر چسبنده انعطاف پذیر و نسبتاً نرم هستند. در عین حال، پارچه ها ،  به خصوص پارچه های spunlaid استحکام قابل قبولی پیدا می کنند . این پارچه ها کاربردهای زیادی دارند، به عنوان مثال، به عنوان لایی موکت های تافته ، در ژئوسنتتیک، در محیط های فیلتراسیون، در لباس های محافظ و یکبار مصرف، به عنوان لایی  و به عنوان مواد پوششی بهداشتی. یکی دیگر از کاربردهای کالندری ، ذوب الیاف تنها در یک طرف پارچه در فرآیندی به نام "پوسته کردن"[ skinning] سطح برای افزایش پایداری مکانیکی است. این کار را می توان همچنین با عبور پارچه از بین مجموعه ای از غلتک های کالندر ساده انجام داد که تنها یکی از آنها تا دمای نزدیک به نقطه ذوب پلیمر گرم می شود.

انواع باندینگ کالندری:
سه نوع اصلی باندینگ کالندری وجود دارد.
•  پیوند ناحیه
•  پیوند نقطه ای
•  نقش برجسته

2پیوند از طریق هوا:
اتصال حرارتی از طریق هوا شامل بکارگیری هوای گرم بر روی  سطح پارچه بی بافت است. وب توسط یک نوار نقاله با قابلیت عبور هوا به شکل تسمه خطی یا درام استوانه ای از درون یک کوره هوای گرم عبور می کند . هدف گرمادهی سریع وب تا نقطه ذوب الیاف با دمش هوای داغ از طریق وب است به گونه ای که همه الیاف به شکل یکنواخت گرم شوند. دمای هوا، سرعت هوادهی  و زمان ماندن وب در کوره همگی بر استحکام باند ایجاد شده در پارچه در حین عملیات  اتصال حرارتی تأثیر می‌گذارند.
در برخی از خطوط تولید ، یک سطح سوراخ دار در بالای کوره جهت کم کردن فشار روی وب ایجاد می شود تا الیاف وب تا ضخامت مورد نیاز فشرده شوند و همچنین جمع شدگی کنترل گردد. همانطور که تار از کوره خارج می شود، ضخامت نهایی آن را نیز می توان با عبور دادن آن از بین دو غلتک کالندر کنترل کرد، که می توان آن را بر روی یک گیج خاص تنظیم کرد تا تار به ضخامت مورد نیاز برسد. همچنین از غلتک‌های خنک‌کننده برای خنک کردن پارچه حاصله قبل از بوبین پیچی  یا عملیات بعدی  استفاده می‌شود تا از چسبیدن لایه‌ها جلوگیری شود. اتصال از طریق هوا بخصوص برای تولید پارچه‌های کم تراکم بلند مناسب است زیرا در طول فرآیند بر روی تارها فشار کمی وارد می شود.
همچنین یک راه مؤثر برای اتصال یکنواخت وب های  سنگین از طریق ضخامت آنها است که دستیابی به آن با استفاده از روش های تماس مستقیم مانند باندینگ کالندری دشوار است.
کاربرد روش  اتصال از طریق هوا (thru-air) در تولید پارچه های بی بافت حجیم [high bulk]و سنگین [heavy-weight]در حال رشد است. پیوند از طریق هوا ، علی‌رغم رقابت سایر فناوری‌ها ، به دلیل تطبیق پذیری و توانایی تولید تارهایی با نرمی خوب، دریپ [drape]، رطوبت مجدد[re-wet] و حجم بالا همچنان در حال گسترش بازارهای مختلف است.

3اتصال  پودری:
در برخی مواقع برای اتصال تارها از پودرهای ترموپلاستیک استفاده می شود. پودر را می توان در زمان تشکیل تار با الیاف مخلوط کرد. در برخی از فرآیندهای لایه سازی هوایی[airlaying processes] اضافه کردن پودر پس از تشکیل تار راحت تر است، یا می‌توان آن را روی سطح پارچه‌های بی بافت قبل از اتصال استفاده کرد. یکی از چالش ها بکاربردن یکنواخت پودر روی سطح وب است. به ویژه هنگامی که پودر پس از تشکیل وب استفاده می شود، نفوذ به ساختار داخلی الیاف مشکلتر و محدود است . محصولات ساخته شده با اتصال پودری دارای نرمی، چگالی کم و انعطاف پذیری هستند و به طور کلی دارای استحکام نسبتاً کمی هستند. باز هم طیف بسیار وسیعی از کاربردها مانند استرلایی، پارچه کفش و پوشش کف برای این نوع پارچه وجود دارد.

4. اتصال اولتراسونیک:
این فرآیند اعمال نیروی فشاری متناوب ،  سریع  وموضعی به وب است. تنش ایجاد شده توسط این نیروهای فشاری به انرژی حرارتی تبدیل می شود که الیاف را با فشار دادن به یکدیگر نرم می کند . به محض حذف فشار ازطریق  منبع ارتعاش اولتراسونیک، الیاف نرم شده خنک می شوند و نقاط پیوند سفت می شوند. این روش اغلب برای چسباندن نقطه ای یا طرح دار متریالهای چسبانده  شده به شیوه مکانیکی  ، استفاده می شود.
هنگامی که از الیاف مصنوعی (ترموپلاستیک) استفاده می شود، بایندر لازم نیست زیرا این الیاف خود عامل اتصال هستند. برای اتصال الیاف طبیعی، مقداری الیاف مصنوعی (ترموپلاستیک) باید با الیاف طبیعی مخلوط شود. پارچه های تولید شده با این تکنیک نرم، قابل تنفس، جاذب الرطوبه  و محکم اند. از این روش باندینگ برای ساخت کامپوزیت ها و لمینت های طرح دار مانند لحاف و کاپشن های بارانی استفاده می شود.

فرایند اتصال اولتراسونیک

5. پیوند حرارتی تابشی:
پیوند حرارتی تابشی با پوشش برداری  تار یا مت[mat] بوسیله یک  منبع انرژی تابشی در محدوده مادون قرمز اتفاق می‌افتد. انرژی الکترومغناطیسی منتقل شده از منبع توسط وب مصرف می شود و دمای آن را افزایش می دهد. گرمای تابشی قابل کنترل است و بدون تأثیر بر فیبر حامل، چسب را نرم می کند. پیوند زمانی اتفاق می افتد که با حذف منبع گرمای تابشی، بایندر دوباره جامد شود.
انرژی کمتر و هزینه های حمل و نقل، این روش را به یک استراتژی مطلوب برای استفاده در منسوجات بی بافت پودری تبدیل کرده. سازگاری و هزینه های تحویل کمتر نیز از دیگر مزایای این روش است. رول‌های کالندرشده را می‌توان به شکل فشرده و بتدریج  ارسال کرد و با اعمال مجدد گرما، بدون وزن یا محدودیت در زمان استفاده مجدداً حجم دهی کرد. اقلام چسبانده شده پودری ساخته شده به این روش،  ظریف، باز و قابل نفوذ با کیفیت ضعیف تا متوسط اند و می توانند دوباره در مونتاژ کامپوزیت های چند لایه با گرمادهی فعال شوند.

مزایای اتصال حرارتی:
برخی از مزایای اصلی پیوند حرارتی به شرح زیر است:
1. بسته به ترکیب مخلوط و ناحیه پیوند، محصولات  نسبتاً نرم و شبیه پارچه باند.
2. کارایی اقتصادی خوب در مقایسه با پیوند شیمیایی اند چرا که انرژی حرارتی کمترلازم دارند و ماشین آلات ان ارزان ترند.
3. محصولات حجیم را می توان به طور یکنواخت در سراسر سطح مقطع وب چسباند.
4. بازیافت 100٪ اجزای فیبر.
5. سازگار با محیط زیست از آنجایی که هیچ چسب لاتکسی مورد نیاز نیست.

مزایای اتصال حرارتی در مقایسه با سایر اتصالات در بافت نبافته:
پیوند حرارتی نسبت به انواع پیوندهای شیمیایی به دلایلی به طور فزاینده تری مورد استفاده قرار می گیرد. پیوند حرارتی را می توان با سرعت بالا اجرا کرد، در حالی که سرعت پیوند شیمیایی توسط مرحله خشک کردن و پخت محدود می شود. اتصال حرارتی در مقایسه با اجاق های خشک کن و پخت فضای کمتری اشغال می کند. همچنین پیوند حرارتی در مقایسه با گرمای مورد نیاز برای تبخیر آب از بایندر به گرمای کمتری نیاز دارد، بنابراین از نظر انرژی کارآمدتر است.
افزایش هزینه انرژی و آگاهی بیشتر از اثرات زیست محیطی پیوند لاتکس منجر به تغییر جهت شد. نرخ بالای تولید در پیوند حرارتی و صرفه جویی قابل توجه انرژی در مقایسه با پیوند شیمیایی، به دلیل عدم تبخیر زیاد آب در حین پیوند، باعث می شود این فرآیند از نظر اقتصادی جذاب باشد. بر خلاف پیوند شیمیایی، تأثیر زیست محیطی فرآیند نیز به میزان قابل توجهی کاهش می یابد.
در پیوند حرارتی از سه نوع الیاف به عنوان متریال خام استفاده می شود که هر کدام از این انواع در برخی کاربردها مناسب اند اما در برخی دیگر مناسب نیستند.
نوع اول، الیافی که از یک نوع و با نقطه ذوب یکسان اند. در این نوع ، اگر گرما در نقاط موضعی اعمال شود نتیجه  رضایت بخش است، اما اگر از اتصال سراسری استفاده شود، ممکن است تمام الیاف ذوب شوند و به یک ورقه پلاستیکی کم ارزش یا بدون ارزش تبدیل شوند.
در نوع دوم، ازترکیبی از الیاف قابل ذوب و الیاف با نقطه ذوب بالاتر یا الیاف غیر ترموپلاستیک استفاده می شود. این نوع در اکثر شرایط رضایت بخش است، به جز در مواردی که فیبر ذوب پذیر به طور کامل ذوب شود و ماهیت فیبری خود را از دست دهد و باعث می شود که ضخامت شیت الیاف از بین برود.
 در نوع اخر، فیبر قابل ذوب ممکن است یک فیبر دو جزئی باشد، یعنی الیاف اکسترود شده با هسته ای از پلیمر با نقطه ذوب بالا درداخل ،  که توسط غلاف پلیمری با نقطه ذوب پایین احاطه شده است. این یک ماده ایده آل برای تولید است زیرا هسته الیاف ذوب نمی شود بلکه غلاف را در حالت فیبری نگه می دارد.
اتصال حرارتی در تمام روش‌های تولید خمیر به‌جز روش ترریزی [wet-laid] استفاده می‌شود . شایان ذکر است که فرآیند اسپان [spun-laid] و اتصال نقطه‌ای مکمل  همدیگرند و اغلب به عنوان فرآیند استاندارد در نظر گرفته می‌شوند.
عملیات اتصال حرارتی برای تقریبا همه وب هایی که با هر روشی درست می شود،  قابل استفاده است،  ولی در مکانیسم‌های انتقال حرارت جهت اتصال الیاف تفاوت وجود دارد.

کاربردهای بی بافت های اتصال حرارتی:
1. کاور، الیاف پزشکی و بهداشتی
2. آسترلایی
3. تور فیلتراسیون
4. وب های یه تیکه یا وب های سوزن خورده
5. ژئوتکستایل
6. متکا
7. منسوجات صنعتی
8. لایی کاور
9. مواد محافظ
10. مواد عایق
11. تارهای تزئینی
12. پوشش بی بافت ها
13. جهت لوازم خانه و اثاثیه
14. دیوارپوش های بی بافت
15. پرکننده فیبر مواد بالشتک
16. پارچه های تنظیف
17. وب الیاف ضایعاتی برای کاربردهای مختلف
18. موکت های نیدل پانچ
19. نمدهای سقفی
20. تارهای سبک وزن
21. کاغذ چای کیسه ای
22. سایرمحصولات فنی

♦ منابع مرتبط :

textilelearner.net►

7 Handbook of Nonwovens Edited by S. J. Russell
Introduction to Nonwovens Technology By Subhash K. Batra, Behnam Pourdeyhimi
Nonwovens: Process, Structure, Properties and Applications By T. Karthik, R. Rathinamoorthy and C. Praba Karan
Handbook of Technical Textiles – Second Edition; Volume 1: Technical Textile Processes Edited by A Richard Horrocks, Subhash C. Anand
Textile Technology: An Introduction, Second Edition by Thomas Gries, Dieter Veit, and Burkhard Wulfhorst
Textile Engineering – An Introduction Edited by Yasir Nawab

♦ لینک اشتراک گذاری :

B2n.ir/nassajyar1278 ►

♦ مطالب پیشنهادی :

- فهرست مواد ممنوعه در صنعت نساجی و پوشاک

- صرفه جویی انرژی در تولیدی پوشاک فرودنبرگ

- 10 نرم افزار مدیریت پوشاک و کاربردهای آنها

.

.

لطفاً ما را در شبکه های اجتماعی دنبال کنید.