Сухая формовка волокна

Сухая формовка волокна — это технологический процесс получения нетканых материалов из волокнистого сырья (преимущественно целлюлозных волокон) без использования водной среды в качестве транспортирующего агента. В отличие от мокрого способа (бумажного производства) или гидроперепутывания, сухая формовка основана на аэродинамическом или механическом формировании волокнистого холста из воздушно-сухой массы. Основные стадии процесса включают разволокнение сырья, его транспортировку воздушным потоком, осаждение на движущуюся сетку (формирование холста) и последующее скрепление волокон (термическое, химическое, механическое или комбинированное). Технология позволяет перерабатывать как натуральные (древесная целлюлоза, хлопок), так и синтетические волокна (полипропилен, полиэстер, полиамид), а также их смеси.

История

Первые промышленные попытки сухой формовки волокна относятся к началу XX века, когда были разработаны методы аэродинамического распыления коротких волокон для получения утеплителей. Однако значительный прогресс в технологии произошёл в 1950–1960-х годах с развитием химической промышленности и появлением синтетических волокон. В 1965 году в США была запатентована установка для сухого формования нетканого полотна из целлюлозы, предназначенного для производства одноразовых салфеток и подгузников. В СССР работы по сухой формовке велись с 1970-х годов, в частности, для создания нетканых материалов технического назначения (фильтры, теплоизоляция). В 1980-х годах технология получила распространение в Европе и Японии благодаря внедрению термоскрепления (каландрирования) и аэродинамического формирования холста. В 1990-х годах сухая формовка стала одним из основных методов производства нетканых материалов для гигиенических изделий (впитывающие слои подгузников, прокладок). В XXI веке развитие технологии связано с использованием биополимеров, нановолокон и совершенствованием оборудования для равномерного распределения волокон.

Классификация методов сухой формовки

Сухая формовка волокна классифицируется по способу формирования волокнистого холста и по методу скрепления волокон.

По способу формирования холста

1. Аэродинамический (пневматический) метод — волокна диспергируются в воздушном потоке и осаждаются на движущуюся сетку (конвейер) под действием разрежения или давления. Обеспечивает высокую производительность и равномерность холста. Используется для коротких волокон (до 10–15 мм), преимущественно целлюлозных.
2. Механический (кардный) метод — волокна проходят через кардочесальную машину (гарнитуру), где они расчесываются и ориентируются в продольном направлении, после чего формируется холст. Применяется для длинных волокон (20–60 мм), таких как полиэстер, полипропилен, хлопок.
3. Комбинированный метод — сочетание аэродинамического и механического воздействия для улучшения ориентации волокон и повышения прочности холста.

По методу скрепления волокон

1. Термическое скрепление — волокна скрепляются под действием тепла (каландрирование, горячий воздух, ультразвуковая сварка). Используются термопластичные волокна (полипропилен, полиэстер) или бикомпонентные волокна с легкоплавкой оболочкой.
2. Химическое скрепление — волокна пропитываются связующим (латекс, акриловые смолы, поливиниловый спирт) с последующей сушкой и отверждением. Позволяет получать материалы с регулируемой жёсткостью и эластичностью.
3. Механическое скрепление — иглопробивание (прошивка иглами с зазубринами) или гидроперепутывание (струйное воздействие водой под высоким давлением). Гидроперепутывание, хотя и использует воду, часто классифицируется как разновидность сухой формовки, так как исходный холст формируется сухим способом.
4. Комбинированное скрепление — сочетание нескольких методов (например, термическое и химическое) для достижения заданных свойств.

Устройство и оборудование

Основные узлы линии сухой формовки волокна:

• Разволокнитель — устройство для разделения исходного сырья (кип, рулонов, гранул) на отдельные волокна. Для целлюлозы применяются молотковые мельницы или дисковые рафинёры; для синтетических волокон — кардочесальные машины или аэродинамические диспергаторы.
• Система подачи волокна — транспортёр или пневмотранспорт, обеспечивающий дозированную подачу волокон в зону формирования.
• Формирующее устройство — камера с сетчатым конвейером, на который осаждаются волокна. В аэродинамических системах используется вентилятор и система фильтрации для создания равномерного воздушного потока.
• Узел скрепления — каландр (валковый пресс с нагревом), сушильная камера, иглопробивная машина или устройство для нанесения связующего.
• Система контроля качества — датчики плотности, толщины, прочности и равномерности холста.

Характеристики получаемых материалов

Материалы, полученные сухой формовкой, обладают рядом отличительных свойств:

• Высокая пористость (до 85–95%) — обеспечивает хорошую воздухо- и влагопроницаемость, что важно для фильтров и гигиенических изделий.
• Низкая плотность (от 10 до 200 г/м²) — позволяет получать лёгкие и объёмные полотна.
• Изотропность или анизотропность — в зависимости от метода формирования (аэродинамический даёт изотропную структуру, кардный — анизотропную с ориентацией волокон в продольном направлении).
• Регулируемая прочность — варьируется от 0,5 до 10 Н/см в зависимости от типа волокна и метода скрепления.
• Гидрофильность или гидрофобность — определяется химическим составом волокон и обработкой (например, добавление суперабсорбентов для подгузников).

Применение

Сухая формовка волокна используется в различных отраслях промышленности:

• Гигиенические изделия — впитывающие слои подгузников, прокладок, пелёнок, салфеток (основной рынок, на который приходится около 60% мирового производства сухоформованных нетканых материалов).
• Медицина — одноразовые халаты, маски, простыни, перевязочные материалы (после стерилизации).
• Фильтрация — воздушные и жидкостные фильтры (для автомобилей, промышленных установок, систем вентиляции).
• Тепло- и звукоизоляция — строительные утеплители, акустические панели, упаковка для электроники.
• Сельское хозяйство — агроволокно (спанбонд, лутрасил) для защиты растений от сорняков и заморозков.
• Упаковка — амортизирующие прокладки, вкладыши для хрупких товаров.
• Автомобильная промышленность — шумоизоляция салона, фильтры салона, обивка сидений.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Энергоэффективность — отсутствие стадии сушки водной суспензии (как в бумажном производстве) снижает энергозатраты на 30–50%.
• Экологичность — минимальный расход воды (вода используется только для химического скрепления или гидроперепутывания, если применяется).
• Гибкость — возможность переработки широкого спектра волокон (целлюлоза, синтетика, биополимеры) и их смесей.
• Высокая производительность — скорость линии может достигать 300–500 м/мин.
• Компактность оборудования — линии занимают меньше площади по сравнению с мокрыми методами.

Недостатки

• Ограничения по длине волокна — аэродинамические методы эффективны только для коротких волокон (до 10–15 мм), что ограничивает прочность материала.
• Неравномерность распределения — при неправильной настройке воздушного потока возможны зоны с разной плотностью.
• Пылеобразование — работа с сухими волокнами требует систем пылеулавливания и вентиляции.
• Зависимость от свойств сырья — влажность, длина и жёсткость волокон влияют на качество холста.

Интересные факты

• Первые промышленные образцы сухоформованных материалов (например, «Tissue» для салфеток) были получены в 1960-х годах компанией Kimberly-Clark (США).
• В России сухая формовка используется для производства нетканых материалов на предприятиях «Сибур» (Томск), «Нетканика» (Москва) и ряде других.
• Технология сухой формовки позволяет получать материалы с включением суперабсорбентов (полиакрилатов натрия), которые способны впитывать до 100 раз больше жидкости по сравнению с собственной массой.
• В 2020-х годах активно развивается направление «сухой формовки» из нановолокон (электроспиннинг), что открывает возможности для создания высокоэффективных фильтров и медицинских материалов.

Источники

1. «Технология нетканых материалов» — учебное пособие, под ред. В. И. Белова, 2015.
2. «Nonwoven Fabrics: Raw Materials, Manufacture, Applications» — W. Albrecht, H. Fuchs, W. Kittelmann, 2006.
3. «Handbook of Nonwovens» — S. Russell, 2007.
4. «Сухая формовка волокна: теория и практика» — статья в журнале «Химические волокна», №4, 2018.
5. Патент США № 3,301,746 (1965) — «Method and apparatus for dry forming of fibrous webs».
6. «Нетканые материалы: производство и применение» — М. И. Розенберг, 2010.