VÍTÁM VÁS NA UVODNÍ PŘEDNÁŠCE Z PŘEDMĚTU. TCTi

Transkript

1 VÍTÁM VÁS NA UVODNÍ PŘEDNÁŠCE Z PŘEDMĚTU TCTi

2 Předmět TCTi navazuje na základní vyučovaný předmět NETKANÉ TEXTILIE. Předmět TCTi se bude soustřeďovat na teorie a vlastnosti pojivých činidel. Pojení polymerními disperzemi, pěnami, pastami a roztoky polymerů. Povrchové úpravy textilních materiálů. Výrobou vlákenných vrstev z polymeru - Spunbond, Meltblown a Elektrostatické zvlákňování. Pojení kalandrem, horkým vzduchem, infračerveným zářením, ultrazvukem. Struktura netkaných textilií a finálníúpravy. Předmět TCTi je nástavbou netkaných textilií a mechanických technologií kde se bude klást důraz zejména na technologické parametry a samotnou výrobu NT.

3 Témata přednášek: 1. Význam chemických a termických technologií výroby netkaných textilií Vlastnosti pojiva ovlivňující technologii, strukturu a chování výrobků. 4. Příprava vlákenných vrstev mokrým procesem 5. Technologie spun-bond a melt-blown 6. Technologie flash-spun, elektrostatické zvlákňování, zvlákňování z roztoku a povločkování 7. Pojení vlákenných vrstev disperzemi, zpěněnými disperzemi, pastami a roztoky polymerů 8. Pojení vlákenných vrstev kalandrem a teplovzdušně 9. Pojení ultrazvukem, infraohřevem a teplovzdušně 10. Struktura pojených textilií, jejich tvorba a vztah k vlastnostem výrobků 11. Zpevňování vlákenných vrstev plstěním a valchováním 12. Úpravy netkaných textilií, povrstvování, vrstvení, hot-melt 13. Příklady výrobků, důležité vlastnosti a jejich řízení 14. Teorie ohřevu vlákenných vrstev

4 Doporučená literatura

5 Význam chemických a termických technologií výroby netkaných textilií

6 Význam chemických a termických technologií výroby netkaných textilií

7

8 Popis produkce NT v Evropě 2014 V roce 2014, mezi hlavní segmenty trhu NT z hlediska objemu pro netkané textilie, byly hygiena (31,82%) ubrousky pro osobní hygienu (12,39%) Textilní materiál pro konstrukci (9,97%) čalounění / stolní prádlo / domácností (7,79%) inženýrské stavitelství (6,99%) automobilový průmysl (5,44%) Jiné ubrousky (4,18%) a filtrace (3,43%)

9 Chemické pojení Chemické pojení se hlavně věnuje aplikaci tekutých složek pojiv: např. disperzí na vlákennou vrstvu. -EDANA- Proč používáme: hlavně pro zlepšení pevnosti, jemnosti, adheze, antimikrobiálních vlastností, snížení povrchového napětí atd. Požadované vlastnosti zaleží zejména na konečném použití.

10 Pojiva základní složení Polymery, tak jak jsou produkovány z výroby slouží jako pojiva jen zcela výjimečně. Příprava pojiva vyžaduje většinou modifikaci základního polymeru. i. Změna polymeračního stupně (kopolymerací, roubováním, směšováním) ii. Příprava vhodné formy (prášky velikost částic, stálosti disperzí, odolnosti vůči stárnutí) iii. Možnosti následného zesíťování. Pro aplikace mají největší význam základní formy pojiv (nezesíťované).

11 Roztoky polymerů Jsou velmi viskózní a jejich viskozita úzce závisí na koncentraci. Technologicky je velice obtížné aplikovat roztoky polymerů o obvyklém (používaném) polymeračním stupni. Zatím co střední molekulová hmotnost polymerů ve vodních disperzích bývá od je hranice střední molekulové hmotnosti polymerů aplikovaných v roztocích již od Aplikace roztoků polymerů je výhodná díky dobré smáčivosti, avšak dosahuje se menší pevnosti pojiva. Používají se zejména roztoky polyuretanu v dimetylformamidu (DMF) a silikonové kaučuky.

12 Použití roztoků polymerů Jak již bylo řečeno použití roztoků polymerů pro výrobu pojených NT jen v případech, kdy není možné využít disperze důvodem jsou: i. Vysoká viskozita roztoků (cca 10x vyšší) ii. Použití roztoků o nízkých koncentracích vede k odstraňování vysokého množství rozpouštědla iii. Toxicita většiny použitých rozpouštědel iv. Vodné roztoky polymerů použít jen výjimečně, protože nevedou k výrobkům odolným v praní

13 Vodné disperze pojiv Nejstarší metoda pro pojení NT Nejširší možnosti volby základních polymerů Nejpoužívanější typy: i. Dieny, kaučukové polymery přírodní kaučukový latex, polychlorprenový latex aj. ii. Polyakryláty a jejich kopolymery iii. Vinylové polymery Tyto polymery mohou být použity jako homopolymery (nemodifikované) nebo jako kopolymery (modifikované)

14 i. Dieny Dieny jsou nenasycené uhlovodíky, které obsahují v řetězci dvě dvojné vazby. Základní vzorec je C n H 2n-2. kumulované: C=C=C C (dvojné vazby se kumulují u sebe), konjugované: C=C C=C C (dvojné vazby se střídají), izolované: C=C C C=C (dvojné vazby jsou na koncích). Nejjednodušší zástupci Butadien, CH 2 =CH-CH=CH 2 ), který je surovinou pro výrobu kaučuku. Izopren CH 2 =C(CH 3 )-CH=CH 2 ), ze kterého se vyrábí izoprenové pryskyřice. n CH 2 =C(CH 3 )-CH=CH 2 [-CH 2 -C(CH 3 )=CH-CH 2 -] n

15 ii. Polyakryláty Estery kyseliny akrylové a metakrylové. Kyselina akrylová, systematicky prop-2-enová kyselina je nejjednodušší nenasycená karboxylová kyselina. Kyselina akrylová, její soli a estery se používají při výrobě akrylátových disperzí, polymerů, které se poté používají jako plasty, obaly, povlaky, nátěry, lepidla a gumy. Nejznámějším takovým polymerem je polymethylmetakrylát.

16 Výroba kyseliny akrylové I. stupeň CH 2 CH CH 3 Propylen + O 2 - H 2 O CH 2 CH C O - 334,9 kj Akrolein H Teplota: C Tlak: 247 kpa

17 Výroba kyseliny akrylové II. stupeň CH 2 CH C O + ½ O 2 Akrolein H CH 2 CH C Kyselina akrylová O O - 251,2 kj H

18 Výroba esterů kyseliny akrylové H H O H C C C O H R O H Estery kyseliny akrylové se vyrábí reakci příslušného alkoholu s kyselinou akrylovou za katalytického působení kyseliny p-toluensulfonové. - H 2 O

19 Strukturní vzorce alkylů esterů kyseliny akrylové H H C C C H - CH 3 Methylakrylát - CH 2 - CH 3 Ethylakrylát O R - CH 2 CH 2 CH 2 - CH 3 - CH 2 CH - CH 2 CH 2 CH 2 - CH 3 n-butylakrylát 2-Ethylhexylakrylát CH 2 - CH 3

20 Vlastnosti kyseliny akrylové a esterů kyseliny akrylové Látka Teplota tání Teplota varu Jednotka ( Pa) ( Pa) Kyselina akrylová 11,8 13,1 141,6 C Methylakrylát - 76,85 80,2 C Ethylakrylát - 71,2 99,5 C n-butylakrylát - 64,6 147,4 C 2-Ethylhexylakrylát C

21 iii. Vinylové polymery Alkeny jsou nenasycené uhlovodíky, které mají mezi atomy uhlíku v molekule s otevřeným řetězcem jednu dvojnou vazbu C=C.

22 Vodné disperze pojiv Skladba disperze zahrnuje dvě fáze i. Vnitřní fázi částice polymeru (homo nebo kopolymeru) ii. Vnější fázi voda s emulgátory, ochrannými koloidy a stabilizátory, dále termostabilizátory, změkčovadla, pěnidla, pigmenty, UV-stabilizátory, antioxidanty, antibiotika, antistatika, hydrofobizační příměsy. Složení vnější fáze má vliv na zpracovatelské vlastnosti disperze a také na vlastnosti ztuženého pojiva i NT.

23 i. Vnitřní fáze Polymery se připravují emulsní polymerací. Tato polymerace probíhá v micelách emulgátoru, které mívají velikost 1-50μm. Vytvořené částice polymeru jsou mnohem menší a to průměrně 0,1-0,5 μm. Viskozita disperzí pokud se aplikují jako pojiva je v rozmezí Nsm ². Má vliv na reologické vlastnosti a způsoby aplikace. Viskozita závisí vedle koncentrace také na velikosti částic, stupni jejich polydisperzity, výchozím monomeru. Vysoká viskozita je typická pro disperze homodisperzní a také velmi malé velikosti částic.

24 Micela, lipozóm, lipidová dvojvrstva

25 Viskozita roztoku a disperze Viskozita roztoků polymerů roste s koncentrací plynule a je velmi vysoká, viskozita disperzí roste asi do koncentrace 50-55% velmi zvolna, pak se průběh prudce zlomí a velice prudce stoupá.

26 Stabilita disperzí pojiv Stabilita disperzí má význam pro skladování, kdy se vyžaduje maximální stálost vodné disperze. Další faktorem je aplikace vodných disperzí, kdy záleží na podmínkách zpracování. Stabilitu disperze lze definovat dobou koagulace pro níž platí vztah. T = doba koagulace D = difuzní konstanta ρ = vzdálenost dvou částic, aby došlo ke koagulace = počet částic na počátku kde k B je Boltzmannova konstanta, T absolutní teplota f koeficient tření, který je funkcí velikosti disperzní částice a vlastností disperzního prostředí. Difuzní koeficient koloidních částic je tím větší, čím intenzivnější Brownův pohyb částice vykonávají.

27 Čím je vyšší koncentrace disperze, tím je nižší její stabilita. Přítomnost větších částic v disperzi zhoršuje stabilitu disperze. Velikost částic nad 0,1 μm se stabilita mícháním zhoršuje, u částic pod 0,1 μm míchání nemá na stabilitu vliv. Závislost stability na teplotě může být vyjádřena aktivační energií. Zvýšení teploty ΔT=10K se stabilita sníží asi o polovinu.

28 Koagulace Dojde k narušení harmonické fáze a jednotu mezi dispergovanými částicemi a disperzním prostředím. Jde o narušení (zeslabení) účinku stabilizátoru, nebo neutralizaci náboje micel. i. Zjevná koagulace změna barvy, vznik zákalu,vyvločkování ii. Skrytá koagulace změny nejsou viditelné z vnějších znaků

29 Vyvolání koagulace Chemicky - změna koncentrace stabilizátoru - přidáním koagulátoru Změnou teploty Mechanické účinky Účinky elektrické energie Vlivem energie záření Princip flokulace spočívá také ve shlukování částic a ve vytváření agregátů. Na rozdíl od koagulace však tento děj není závislý na elektrostatickém vybíjení suspenze. Flokulaci způsobuje přidání hydrofobních látek do suspenze za vzniku flokul (vloček).

30 Struktura molekul PAL Dle schopnosti disociovat ve vodném roztoku jsou koloidní povrchové látky rozdělovány na ionogenní (aniontové, kationtové, amfoterní) a neionogení Aniontové: disociují za vzniku aniontů. Jedná se o alkalické soli vyšších mastných kyselin (přirozená mýdla). Skupina COO je příčinou rozpustnosti ve vodě, uhlovodíkový řetězec je nerozpustná část. Kationtové: disociují za vzniku kationtu jedná se zejména o oktadecylamoniumchlorid. Amfoterní: náboj micely záleží na ph. Rozpustnost micelárních koloidů ve vodě klesá s délkou uhlovodíkového řetězce.

31 Koagulace kationtových polymerů K vysvětlení mechanismu koagulace existují tři základní modelové představy. i. Neutralizace nábojů ii. Mosaikové rozmístění nábojů iii. Vytváření můstků

32 i: Neutralizace nábojů: negativní náboje částic polymerů se ve vodném prostředí navzájem odpuzují. Mírou stability je hodnota elektrického náboje (zeta-potenciál). Vlivem kationaktivních prostředků se sníží povrchový náboj. Pro vodné disperze polymerů se používají např. hlinité soli. ii: Mozaikové rozmístění nábojů: kation aktivní řetězce polymerů mohou na negativně nabitých částích mozaikově přilnout. Dochází k pozitivně nabitým částicím a negativně nabitým úsekům vláken, které se dále odpuzují. Vznikají agregáty (vločky). Mechanismus platí pro syntetické retenční prostředky s střední molekulovou hmotností. (polyamidamin)

33 Iii: Tvorba můstků: Pokud jsou řetězce polymerů dostatečně dlouhé, tak aby se překonala bariera odpuzení, vytvoří se polymerní můstky. Polymery o vysoké molekulové hmotnosti např. polyakrylamid. Systém dual: přidání kation aktivní polymeru vznikne mozaikové uspořádání jemnozrnné vysrážení.na pozitivní oblasti primárních shluků se ukládají další částice za tvorby můstků. Pro rouna se používá dvoulázňová impregnace. Nedochází ke změně rozložení pojiva při sušení, tvoří se aglomerační struktura, dosahuje se lepší pevnosti, nižší tuhosti a prodyšnosti.

34 Termosenzibilita Zvýšenou citlivost na teplotu a koagulaci bez odstranění vody lze vyvolat pomocí oxalkylovaných aminů, polyeterů, etylenoxidových aduktů (termosenzibilizátorů) Při zvýšené teplotě C vyvolají koagulaci. Částice polymeru se v podobě gelových částic ukládají mezi vlákny rouna a vytváří se aglomerační pojení.

35 Výhody použití termosenzibilizátorů Zabránění migrace pojiva v průběhu sušení, tedy stejnoměrná struktura pojiva v NT Impregnovanou textilii po koagulaci je možné zbavit přebytků vody ždímáním (menší spotřeba energie) Snížení znečištění konstrukčních částí stroje = impregnační linky od pojiva V jedné operaci je možné aplikovat další přípravky např. hydrofobní úprava Vlivem koagulace je pojivo v podobě aglomerátů uloženo stejnoměrně, bez souvislých filmů, textilie májí dobré mechanické vlastnosti bez nežádoucí tuhosti a vykazují dobrou propustnost pro vodu i vzduch

36 Zpěněná pojiva Pěny Aplikace pěny v textilu je zejména z ekonomických důvodů. Pěny slouží k přípravě laminovaných textiliích a impregnování vlákenné vrstvy. Výhody použití pěny i. Doba sušení a úspora energie ii. Lepší mechanicko-fyzikální vlastnosti materiálu iii. Měkký a hebký omak iv. snížení spotřeby pojiva a jeho migrace

37 Definice pěny Pěna je vysoce disperzní dvoufázový systém, který je tvořen bublinami plynu v kapalině. Plyn tvoří diskontinuální fázi a tvoří se probubláváním kapalin plynem nebo šleháním. Stabilita je dána mnoha vlivy např. záleží na stěnách mezi bublinami tedy povrchovém napětí. i. Pěny suché do 20% objemu kapaliny, tvar bublin je nejčastěji šestistěn ii. iii. Pěny mokré více jak 20% objemu kapaliny, tvar bublin je kulovitý. Pěny s další fází (částice) Při zpěňování disperzí je nejčastěji získána mokrá pěna, která odvodnění přejde na suchou.

38 Struktura flotační pěny [1] a) lamelární b) agregátová

39 Teorie pěn: Základní stavební částicí je elementární buňka ohraničená filmovou lamelou. Vlastnosti filmové lamely předurčují vlastnosti pěny. Tloušťka lamely může být minimálně dvounásobnou délkou molekul povrchově aktivní látky (PAL). Destrukce pěny je způsobena vytékáním kapaliny z lamely a zeslabením této lamely až dojde k prasknutí. Dochází k odpaření molekul PAL a ty nemohou být doplněny z roztoku, který byl původně v lamele.

40 Teorie: Vlastnosti kapaliny uvnitř lamely charakterizují některé druhy filmů i. Trvanlivé - vytékání je pomalé ii. iii. Pohyblivé kapalina vytéká rychle (čistý PAL) Nestabilní kapalina vytéká velmi rychle k zeslabení dochází na více místech (koncentrované PAL)

41 Ztenčování filmu dochází vlivem působení staticky nebo dynamicky. Staticky: i. Roztažením povrch se zvětší a objem zůstane konstantní. Koncentrace PAL se na povrchu lamely sníží, v roztoku bude koncentrace konstantní nebo naopak. Pro tento stav platí Gibbsova rovnice pro elasticitu. A plocha povrchu (2 jde o plochy 2 vnitřní a vnější) γ - povrchové napětí Při rychlém roztažením dojde k poklesu povrchové koncentrace PAL, které se v řádech 1μs vyrovná. Elasticita je vlastně síla bránící roztažení filmu.

42 ii. Viskózní tok - způsobující pomalé ztenčování lamely, uplatňuje se jen u stálých filmů. iii. Odpařování - vede k zvýšení koncentrace v roztoku a tím podporuje roztržení filmu. Dynamicky - uplatnění jen u dostatečně pohyblivých tzn. rychle se ztenčují. i. Tok kapaliny - následkem tíhy ii. Okrajový účinek - zakřivení na okraji filmu způsobuje vznik negativního tlaku v kapalině a tím její nasávání z přilehlé oblasti. Film na okraji lamely se zužuje a je definován rychlostí vytékání kapaliny.

43 Rychlost vytékání kapaliny je dána vztahem: ρ hustota kapaliny δ tloušťka lamely η koeficient viskozity Na chování kapaliny ve styku s jinou fází ukazují adhezní a kohezní síly. Adhezní určují stupeň smáčení. Podmínkou pro roztírání je rovnice charakterizující Harkinsův roztírací koeficient S.

44 Činitelé ovlivňující stálost pěn i. pěnivost závisí na povrchové aktivitě, rozpustnosti, stupni disperzity rozpuštěné látky ii. ve zředěných roztocích stoupá pěnivost se stoupající povrchovou aktivitou iii. v koncentrovaných roztocích je rozhodujícím faktorem stupeň disperzity a viskozita iv. agregace PAL do mýdel snižuje jejich pěnivost v. roztoky s PAL pění více, než roztoky jejich složek vi. vznik pěny je podmíněn velkým koncentračním rozdílem PAL mezi povrchem a vnitřkem roztoku vii. stabilitu pěny ovlivňuje PAL, stupeň disperzity nebo tuhé látky viii. max. stálost pěny se dosahuje při koncentraci, kdy křivky závislosti povrchového napětí na koncentraci přestanou klesat. ix. pěnivost a stálost pěny závisí na struktuře molekuly PAL

45 Vznik pěny Vzduch prostupuje kapalinou a PAL, dochází k tvorbě rozhraní vzduch kapalina. Průchodem vzduchové bubliny hladinou dojde k obalení druhou vrstvou PAL opačně orientovanou. Obyčejně zůstává mezi těmito vrstvami kapalina.

46 Parametry určující pěnu stupeň napěnění stabilita pěny stabilizátory hustota pěny disperzita pěny pružnost pěny

47 Stupeň napěnění je ovlivněn dvěma faktory složení pěnotvorné kapaliny a metodikou zpěňování. Složení kapaliny, týká se to koncentrace PAL a jejich druhů. Metodika zpěňování se týká zejména technologických podmínek. Vztah Nella a Tschakerta [%] Vztah Ross-Millese Vm maximální objem pěny Va výchozí objem pěny Ze stupně napěnění můžeme usuzovat typ pěny, tedy čísla do 20 mokré pěny a vyšší čísla suché pěny.

48 Stabilita pěny Je dána tlakovými rozdíly v bublinách závislými na polydisperzitě pěny. Je-li pěna dostatečně homogenní, je vliv tohoto faktoru minimální. Stabilita pěny se zjišťuje na statických podmínkách. Sp= p o t V m po objem pěny v čase t (ml) Vm maximální objem pěny t=0 (ml) t čas v minutách Pěna se odvodňuje, proto k určení stability je brán parametr, který říká jak dlouho se ze zpěněné kapaliny 100ml vyloučí zpět 50ml. Pojivo v důsledku odpařování vytváří skelet lamely a tím napomáhá ke zvýšení její stability. Tuhé blány pak tvoří v měřící nádobě neměnný sloupec pěny, ačkoliv se více než 90% zpěněné kapaliny vyloučilo ve spodní části nádoby.

49 Stabilizátory mezi nejlepší patří koloidní roztoky. Princip spočívá ve zpomalování mechanismu vytékání z blan. Stabilizátory se uplatňují svým chemickým složením, nebo velikostí částic (koloidní charakter), které zvyšují viskozitu kapaliny v blanách. Hustota pěny jde o převrácenou hodnotu stupně napěnění. Pokud uvedeme do souvislosti tento parametr s polydisperzitou pěny vytváří parametr, který naznačuje, o jakou pěnu jde. Disperzita pěny určuje rozptyl hodnot průměrů bublinek od průměrné hodnoty. Rozptyl vzrůstá s rostoucím časem, kdy je prováděno měření (vznik pěny). Polydisperzita je také závislá na technologických podmínkách.

50 Pružnost pěny v první fázi (tvorby pěny) je systém snadno pohyblivý, tekutý tzn. jde o mokré pěny. Změny v čase znamenají ztenčování blan a bublinky pozbývají svobodný pohyb. Kulovité bubliny se přetvářejí na polyedrické a pěna se mění na suchou. Změnou struktury dochází ke změně mechanicko- fyzikálních vlastností. Nejpevnější pěny jsou ty, které mají nejtenčí blánu. Pevnost lze zvýšit přidáním želatiny. Měření pružnosti se provádí na zařízení složeného ze dvou koaxiálních hliníkových válců. Vnitřní válec je zavěšen a vnější se může natáčet za zvolených podmínek. Meziprostor se vyplní pěnou a natáčením vnějšího válce dochází ke zpožděnému natočení i vnitřního válce. Z velikosti úhlu natočení vnitřního válce se určuje křivka deformace pěny.

51 Způsoby zpěňování Zařízení jsou konstruována, tak aby vytvořená pěna odpovídala požadavkům na aplikaci pro příslušnou výrobu. Každý typ pěny potřebuje ke svému vytvoření odpovídající zařízení. i. Mechanická metoda různé způsoby protřepávání, mixování, hnětení a všechny jiné způsoby, kde je pěnotvorná kapalina mechanicky mísena se vzduchem. ii. Pneumatická metoda pracovní medium je vzduch, který většinou volně nebo pod tlakem přichází do pěnotvorné kapaliny a vytváří pěnu. iii. iv. Kombinace mechanické a pneumatické metody Využití varu použití nízkovroucích nadouvadel při přípravě pěnových umělých hmot v. Chemická metoda pěnotvorná kapalina je tvořena směsí látek, za příhodných podmínek reagují za uvolnění velkého množství plynu, který průchodem přes pěnotvornou kapalinu vytváří pěnu.

52

53

54

55

56 Nanášení pěny

57 Děkuji Vám za pozornost