Оценка сорбционных свойств нетканых материалов

Информация может быть не достоверна

Оценка сорбционных свойств нетканых материалов

П. Губаты, инж.,

Ecotextil s.r.o.

Нетканые текстильные материалы занимают в жизни и деятельности человека все более важное место. Они применяются в настоящее время в самых различных областях, включая автомобильную и авиационную промышленность, машиностроение, строительство, медицину, сельское хозяйство, пищевую промышленность, охрану окружающей и производственной среды и т. д. Нетканые материалы производятся с использованием различных технологий, предопределяющих особенности свойств получаемой продукции и сферы ее применения. Особенно важное значение во всех случаях имеет правильный выбор волокнистого сырья с точки зрения линейной плотности, длины, прочности, гигроскопичности и других свойств волокон. В ряде областей применения особое внимание уделяется способности нетканых материалов - в первую очередь, изготовленных из ультратонких волокон - абсорбировать жидкости в течении короткого времени. Подобные нетканые материалы широко используются в охране окружающей и производственной среды. Сорбционная способность сорбента зависит от способа изготовления нетканого материала, его структурных характеристик и вида впитываемой жидкости. Результаты оценки этого показателя в значительной степени определяются принятой методикой проведения испытаний. В работе приведен сравнительный анализ используемых в разных странах мира методик оценки сорбционной способности нетканых и других материалов, а также результаты исследования влияния условий испытания изготовленных по технологии Melt Blown нетканых материалов на их сорбционные свойства.

1. Основные способы изготовления нетканых текстильных материалов

В зависимости от линейной плотности и длины исходных волокон, а также требуемой структуры и свойств нетканых материалов для их изготовления используются волокнистые холсты, формируемые несколькими различными способами, среди которых наиболее широкое распространение получили: механический, аэродинамический, фильерный, раздувом расплава полимера, бумагоделательный.

Механический способ холстоформирования (Carding) относится - также как и аэролинамический - к числу сухих способов (Drylaid). Он основан на прочесывании штапельных волокон на чесальной машине с последующим многократным сложением получаемого тонкого прочеса для образования холста требуемой поверхностной плотности.

Аэродинамический способ холстоформирования (Airlaying) заключается в распределении прочесанных штапельных волокон относительно небольшой длины (как правило, до 60 мм) в воздушном потоке с последующим осаждением их на перфорированную движущуюся ленту или вращающийся перфорированный барабан в форме слоя заданной поверхностной плотности. Скрепление холстов, полученных механическим или аэродинамическим способами из натуральных и (или) химических волокон разных видов, может осуществляться с применением различных механических, химических и комбинированных технологий. Наиболее широкое применение нашли способы иглопрокалывания (путем перепутывания волокон холста большим числом игл с зазубринами), гидроскрепления или Spunlace (путем перепутывания волокон холста подаваемыми под высоким давлением тонкими струями воды или пара), термоскрепления (путем частичного расплавления и последующего склеивания входящих в состав холста термопластичных волокон при обработке холста при повышенной температуре).

Фильерный способ холстоформирования (Spunlaid) заключается в формовании бесконечных волокон из расплава полимера с последующим укладыванием их на движущуюся ленту в форме сплошного волокнистого слоя. Скрепление таких холстов чаще всего производится путем их термообработки на каландре (нетканые материалы (Spunbond), хотя могут применяться и другие технологии, например иглопрокалывания или Spunlace.

При формировании раздувом расплава (способ Melt Blown) получают волокнистые холсты из ультратонких волокон. Подобные холсты, как правило, укладываются на несущую подложку (например, на слой Spunbond-материала) или располагаются между двумя несущими слоями, обеспечивающими стабильное сохранение их структуры и свойств в процессе дальнейшей обработки и использования готового материала. Нетканые материалы на основе полученных по технологии Melt blown холстов, обладают высокими сорбционными свойствами и потому широко применяются в производстве влаговпитывающих и других аналогичных изделий.

Бумагоделательный (мокрый) способ (Wetlaid) основан на приготовлении суспензии волокон (как правило, очень небольшой длины) в воде с последующей отливкой этой суспензии на движущуюся сетку. Формирующийся на сетке волокнистый холст подвергается сушке и скреплению одним известных способов, например, с применением жидких связующих веществ.

Сформированные вышеперечисленными способами волокнистые холсты после скрепления одним или несколькими способами могут быть подвергнуты дополнительной обработке с целью повышения прочности и (или) придания желаемых свойств, например, гидрофильности, гидрофобности, стойкости к ультрафиолетовому излучению и др. Обработка в большинстве случаев осуществляется с применением соответствующих химических средств.

Нетканые текстильные материалы могут быть использованы для улавливания опасных жидкостей в целях защиты окружающей или производственной среды. В частности, с их помощью можно обеспечивать предотвращение утечек вредных жидкостей. В качестве сорбционного слоя, работающего в течение продолжительного времени, нетканые материалы могут применяться при строительстве приемников для сточных вод и полигонов для хранения отходов. С целью защиты окружающей и производственной среды широко применяются обладающие сорбционными свойствами порошкообразные или гранулированные химические вещества. Среди сорбционных нетканых материалов важное место занимают многослойные полотна с сорбирующим слоем из материала, изготовленного по технологии Melt Blown, в комбинации с поверхностными слоями Spunbond-материалов. Материалы на основе волокнистых холстов, скрепленных иглопробивным способом, применяются в тех случаях, когда они должны выдерживать в процессе использования значительные механические воздействия. Таким образом, используя различные технологии формирования волокнистых холстов, их скрепления и дополнительной обработки можно для каждой конкретной области применения подобрать нетканый материал с оптимальными свойствами.

2. Методы оценки сорбционных свойств нетканых материалов

Для количественной оценки сорбционных свойств нетканых материалов с целью определения возможности применения их в той или иной области используются соответствующие методы испытаний. В настоящее время существует достаточно много таких методов, описанных в государственных стандартных и других нормативных документах. Предусмотренные разными методами (табл. 1) условия проведения испытаний существенно отличаются друг от друга, в результате чего даже при анализе свойств одного и того же материала получаются разные численные значения показателей сорбционных свойств.

Таблица 1. Сравнительная характеристика существующих методов оценки сорбционных свойств нетканых текстильных материалов

П р и м е ч а н и е: EDANA (European Disposables and Nonwovens Association) - Европейская ассоциация производителей товаров кратковременного пользования и нетканых материалов; ASTM (Ameriсan Society for Testing and Material) - Американское общество специалистов по испытаниям и материалам; BS (British Standard) - Британский стандарт; AFNOR (Association Francoise de Normalisation) - Французская ассоциация по нормализации.

Положение дополнительно осложняется тем, что существующие методы не учитывают необходимости в различном подходе к оценке сорбционных свойств плоских изделий (рулонные материалы, заготовки) и сорбционных средств с наполнителями (погружные стены, боны, подушки и т. д.). Кроме того, наряду с официальными стандартами существуют и стандарты предприятий для оценки сорбционных свойств (в частности, в компании Ecotextil s.r.o.) используется методика T103, основанная на рекомендациях ассоциации EDANA. В соответствии с этой методикой образец после насыщения (сначала находится на поверхности жидкости в течение двух минут, а затем погружается на две минуты в жидкость) и перед окончательным взвешиванием выдерживается в вертикальном подвешенном состоянии в течение двух минут для стекания жидкости.

Наличие разных методов значительно осложняет возможности сравнения различных видов сорбционных нетканых материалов и выбора материалов с требуемыми характеристиками. Одновременно такая ситуация оставляет недобросовестным производителям лазейки для манипулирования сознанием потребителей.

С учетом этих обстоятельств Сорбционный сектор ассоциации EDANA (European Disposables and Nonwovens Association, Бельгия) поставил перед собой задачу создания и внедрения единой методики для количественной оценки сорбционных свойств нетканых текстильных материалов, пригодной для практического использования не только производителями, но и конечными потребителями таких материалов.

В данной работе наряду с другими методами испытаний применялась также методика 10.4-02 ассоциации EDANA.

3. Анализ влияния условий испытаний на показатели сорбционной способности

Влияние способа насыщения образца жидкостью на его сорбционные свойства. Из табл. 1 видно, что в зависимости от принятой методики измерения сорбционных свойств образец либо сразу погружается в жидкость, либо сначала укладывается на поверхность жидкости, насыщается в таком положении в течение определенного времени и только после этого полностью погружается в жидкость. С целью изучения влияния способа насыщения образца на результаты испытаний был проведен специальный эксперимент. В качестве объектов испытаний использовались изготовленные по технологии Melt Blown нетканые материалы Ecostar фирмы Ecotextil с поверхностной плотностью 200 и 360 г/м², которые насыщались маслом типа SAE 20W50. Сорбцицонную способность нетканых материалов оценивали по описанной выше методике T103.

Из представленных в табл. 2 результатов испытаний видно, что при низкой поверхностной плотности (200 г/м²) показатель сорбционной способности при вертикальном положении образца 3 % выше, чем при горизонтальном. Повышение поверхностной плотности материала до 360 г/м² сопровождается увеличением этой разницы до 5 %. Следует отметить, что на практике не принято располагать образец в вертикальном положении, т. е. горизонтальное положение лучше отвечает условиям практического применения.

Таблица 2. Результаты измерения сорбционной способности α нетканых материалов разной поверхностной плотности Q, насыщаемых жидкостью в вертикальном и горизонтальном положении

Влияние формы тестируемого образца на величину абсорбции. Из табл. 1 видно, что используемые для определения сорбционной способности образцы нетканых материалов могут иметь разную форму (круглую или квадратную) и разные размеры. Образцы могут вырубаться штампом или вырезаться ножницами. В некоторых случаях вырезание образцов может сопровождаться сжатием их краев и закрытием пор на краях, что отражается на результатах измерения сорбционной способности. С целью изучения влияния формы и способа вырезания образца на показатели сорбционных свойств был проведен специальный эксперимент, в ходе которого образцы вырезались из плоского нетканого материала с помощью круглого стального резака (круглые образцы) и с помощью ножниц (квадратные образцы). В качестве жидкости для пропитывания образцов использовались масла марок SAE 20W50 и SAE 10W40. После свободного насыщения на поверхности каждый образец погружали в жидкость на 2 мин., затем выдерживали в течение 30 с для стекания жидкости в течение 30 с или 2 мин. Только после этого определяли массу удержанной образцом жидкости и пересчитывали в сорбционную способность (табл. 3).

Таблица 3. Зависимость сорбционной способности α нетканых материалов от поверхностной плотности Q, формы образца, времени насыщения t₁ и марки используемого масла (при времени стекания 30 с)

Из приведенных в табл. 3 результатов испытаний видно, что в большинстве случаев более высокие показатели сорбционной способности зарегистрированы у образцов круглой формы. Причина этого заключается, по всей вероятности в том, что у круглых образцов поры на краях после вырубания остаются открытыми, в то время как у квадратных образцов при вырезании ножницами в значительной степени закрываются. Исключение составили образцы нетканых материалов минимальной поверхностной плотности (180 г/м²), для которых была отмечена обратная зависимость. В целом можно констатировать, что образцы круглой формы обеспечивают лучшее проникновение жидкости внутрь своей структуры.

Влияние ориентации образца на сорбционную способность. Как правило во всех нетканых материалах волокна в большей степени ориентированы в каком-либо одном направлении (например, в продольном), чем в других направлениях. Этот факт делает целесообразным изучение влияния ориентации испытываемых образков на их сорбционные свойства. В данной работе квадратные образцы, вырезанные из плоских нетканых материалов разной поверхностной плотности, были подвергнуты испытаниям в продольном (MD) и поперечном (CD) направлениях по описанной выше методике. В качестве жидкости для насыщения образцов использовали масло марки SAE 10W40.

Как видно из представленных в табл. 4 результатов проведенного эксперимента, ориентация образца не оказывает существенного влияния на его сорбционную способность.

Таблица 4. Зависимость сорбционной способности α нетканых материалов от поверхностной плотности Q, ориентации образца и времени насыщения t₁ (при времени стекания 30 с)

Влияние времени стекания на сорбционную способность нетканого материала. В этой части работы круглые и квадратные образцы сорбционных нетканых материалов подвергались испытаниям по описанной выше методике, но при различном времени стекания: 30 и 120 с.

Результаты эксперимента приведены в табл. 5, из которой видно, что вырезанных кольцевым штампом круглые образцы, обладают более высокой сорбционной способностью по сравнению с квадратными образцами, вырезанными ножницами. Это не противоречит ранее сделанным выводам. Увеличение времени стекания, как и следовало ожидать сопровождается снижением показателей сорбционной способности, но в меньшей степени: увеличение времени стекания в 4 раза приводит к снижению сорбционной способности всего лишь на 6-9 %. Это означает, что изготовленные по технологии Melt Blown сорбционные нетканые материалы обладают высокой способностью удерживать поглощенную ими жидкость.

Таблица 5. Зависимость сорбционной способности α нетканых материалов от поверхностной плотности Q, формы образца, времени насыщения t₁ и времени стекания t₂

Проведенный выше анализ результатов экспериментальных исследований позволяет со всей очевидностью констатировать, что показатели сорбционной способности зависят не только от выбранной методики ее оценки, описанной в соответствующем нормативном документе, но и от условий проведения испытаний, которые в ряде нормативных документов сформулированы недостаточно точно и полно. Обусловленные этими причинами отклонения в результатах испытаний могут привести к принятию необоснованных решений при выборе оптимального сорбционного материала из группы материалов аналогичного назначения.

На практике зачастую приходится сталкиваться с описанием результатов оценки сорбционных свойств без указания методики и условий тестирования, а также вида используемой жидкости. Сделанные на основе таких результатов выводы могут быть весьма далекими от действительности.

4. Практическое применение нетканых текстильных материалов для сорбции опасных жидкостей

Выше уже отмечалось, что для улавливания опасных жидкостей можно использовать различные виды нетканых материалов. Наилучшие результаты на практике показали полотна, изготовленные из волокон особенно низкой линейной плотности и их комбинация с другими видами нетканых материалов.

В настоящее время для формования сверхтонких волокон с диаметром порядка нескольких микрометров, формирования из них волокнистых холстов и производства нетканых материалов все шире применяется технология Melt Blown, которая была первоначально разработана американскими учеными для нужд исследования космоса и изготовления высокоэффективных фильтров для вооруженных сил.

Важной особенностью нетканых материалов, выработанных из ультратонких волокон, является очень большая площадь поверхности волокон при относительно небольшой толщине полотна и высокой воздухопроницаемости. Благодаря этим свойствам и возможности изготовления с применением технологии Melt Blown большого количества различных структур, подобные материалы нашли широкое применение в области сорбции жидкостей, очистки воздуха от твердых и жидких примесей, теплоизоляции, а также для термосоединения различных видов тканых и нетканых полотен.

Технология Melt Blown позволяет перерабатывать самые различные исходные полимерные материалы, включая полипропилен, полиэтилен, полиэфиры, акриловые сополимеры, полиамиды, полиуретаны, сополимеры этилена и винилацетата, а также другие виды полимеров.

Полученные по этой технологии микроволокнистые холсты можно комбинировать и с другими неткаными материалами. Чаще всего для этой цели используются нетканые материалы, изготавливаемые по технологии Spunbond из полипропилена, полиэфиров или других полимеров. Микроволокнистые холсты могут использоваться также в сочетании с иглопробивными материалами.

В Чешской Республике первой компанией, организовавшей коммерческое производство нетканых материалов по технологии Melt Blown стала фирма Ecotextil, которая уже более 17 лет изготавливает и реализует изделия из этих материалов в странах Евосоюза, а также в Африке, Австралии и Южной Америке.

Из всего ассортимента продукции, выпускаемой этой фирмой, в настоящее время наибольшее широкое распространение получили полипропиленовые сорбенты ECOSTAR (рис. 1 и 2), предназначенные для предупреждения и ликвидации аварий и утечек веществ, загрязняющих окружающую среду. Преимущества этих материалов в наиболее полной мере способны оценить работники химических предприятий, водного и складского хозяйства, автомастерских, различных лабораторий, экспедиторских компаний, заправочных станций, а также экологи, пожарные, садоводы, т. е. все, чья деятельность так или иначе связана с необходимостью улавливать или максимально экономно расходовать различные виды жидкостей, включая опасные. В число важных преимуществ текстильных сорбентов ECOSTAR входят, прежде всего, безопасность для здоровья человека, простота обращения, высокие показатели сорбционной способности, высокая скорость сорбции, хорошая сопротивляемость воздействию агрессивных веществ, а также - причем далеко не в последнюю очередь -  возможность простой и экономичной утилизации.

Рис. 1

Рис. 2

Гидрофобные сорбенты обладают сорбционной способностью в пределах 14-18 г/г (по данным измерений, выполненных с применением моторного масла марки SAE 15W/40 при температуре 20 ^OC). Благодаря таким показателям, при ликвидации нефтяного загрязнения удается использовать значительно меньше сорбента ECOSTAR, чем классического сыпучего сорбента. Это позволяет существенно снизить расходы по хранение сорбционного материала, а также расходы на утилизацию использованного сорбента. Масляные сорбенты ECOSTAR обладают достаточно высокой гидрофобностью. Это их свойство используется, прежде всего, при ликвидации нефтяных аварий на воде. Сорбент ECOSTAR очень быстро впитывает масло и другие нефтепродукты, оставаясь при этом на поверхности воды. При ликвидации аварий на водной поверхности в практических условиях подтвердили свои высокие сорбционные свойства закрытые боны, заполненные специальными лентами либо крошкой из нетканых материалов, изготовленных по технологии Melt Blown. Подобные боны выполняют две функции: ограничивают дальнейшее распространение загрязнений, и одновременно впитывают загрязнения с поверхности. Масляные сорбенты ECOSTAR поставляются чаще всего окрашенными в белый и синий цвета.

Специальные антистатические сорбенты предназначены для удаления разливов масел и других нефтепродуктов в условиях тех производств, где возможно воздействие зарядов статического электричества. Поверхностное сопротивление сорбента варьируется в диапазоне 2 × 10¹² - 5 × 10¹³ Ом.

Химически стойкие сорбенты обладают сорбционной способностью на уровне 8-12 г/г (по результатам измерений, выполненных на дистиллированной воде при температуре 20 ^OC). Химические сорбенты впитывают концентрированные кислоты, проявляя одновременно высокое сопротивление их разрушительному воздействию. Они являются гидрофильными материалами и потому не пригодны для удаления нефтепродуктов с водной поверхности. Химические сорбенты поставляются окрашенными в желтый цвет. ECOSTAR Данные о возможностях практического применения химических сорбентов приведены в табл. 6.

Таблица 6. Результаты тестирования химических сорбентов.

Универсальные сорбенты могут быть использованы для впитывания всех видов жидкостей, включая нефтепродукты, водные растворы кислот и щелочей и др. Эти материалы - как и химические сорбенты - не предназначены для ликвидации нефтяных аварий на воде. Их целесообразно применять, прежде всего, в тех случаях, когда существует опасность частых и небольших утечек различных рабочих жидкостей, эмульсий и т. д. С целью повышения срока службы таких изделий фирмой Ecotextil были разработаны универсальные коврики с упрочненным верхним слоем. В структуру универсальных сорбентов может входить также непроницаемый слой. Универсальные сорбенты окрашены в серый цвет.

В ассортимент продукции фирмы Ecotextil кроме вышеперечисленного входят также: плоские текстильные материалы с непроницаемым слоем, плоские материалы повышенной прочности со структурой типа SM (Spunbond + Melt Blown) и SMS (Spunbond + Melt Blown + Spunbond), сорбционные боны, погружные стены и сорбционные фильтры, сорбционные змеевики и подушки, аварийные комплекты.

В качестве способа утилизации использованных сорбентов рекомендовано их сжигание. Сорбенты ECOSTAR можно утилизировать на любой мусоросжигательной станции без опасности образования каких-либо опасных побочных продуктов. Режим сжигания или выбор другого способа утилизации определяются, прежде всего, видом вещества, которым пропитан сорбент.