NETKANÉ TEXTILIE. Prof. RNDr. Oldřich JIRSÁK, CSc. Ing. Klára KALINOVÁ, Ph.D.

Transkript

1 NETKANÉ TEXTILIE Prof. RNDr. Oldřich JIRSÁK, CSc. Ing. Klára KALINOVÁ, Ph.D.

2 Obsah Předmluva 4 Úvod 5 1. Všeobecná část Definice netkaných textilií Výroba NT, jejich postavení a užití Klasifikace a názvosloví NT Suroviny pro výrobu NT Rekapitulace základních pojmů Vlákna pro výrobu NT Základní vlákna Speciální vlákna Pojiva pro výrobu NT Formy pojiv Vodné disperze polymerů Zpěněné vodné disperze Pasty Roztoky polymerů Termoplastická pojiva Technologická část Příprava vlákenných vrstev Mechanické způsoby přípravy vlákenných vrstev Příprava vlákenné pavučiny Vrstvení vlákenné pavučiny Aerodynamická výroba vlákenné vrstvy Mechanicko-aerodynamické postupy výroby rouna Hydrodynamická výroba vlákenné vrstvy Příprava vlákenných vrstev z taveniny polymeru Technologie spun-bond Melt-blown Elektrostatické zvlákňováni Další způsoby přípravy vlákenných vrstev Zpevňování vlákenných vrstev 77 2

3 Mechanické způsoby zpevňování Technologie vpichování Technologie proplétání Plstění a valchování Chemické způsoby zpevňování vlákenných vrstev Pojení disperzemi a zpěněnými disperzemi polymerů Nanášení pojiva na vlákenné vrstvy Koagulace, sušení, síťování Pojení roztoky pojiv Termické způsoby zpevňování vlákenných vrstev Pojení kalandrem Teplovzdušné pojení Pojení ultrazvukem Pojení infračerveným zářením Úpravy NT Doporučená literatura 129 3

4 Předmluva Učební text je koncipován jako úvodní kurs oboru netkané textilie. Je určen ke studiu všeobecného základu textilního inženýrství na Fakultě textilní Technické univerzity. Pojednává o základních pojmech, základních technologiích a nejdůležitějších skupinách výrobků. Text si klade dva základní cíle: 1. Poskytovat potřebné informace studujícím, kteří se dále budou specializovat v jiných textilních oborech. Skriptum by jim mělo poskytnout informaci o rozsahu technologií, základních výrobcích, základních technologických proměnných a z toho vyplývajících možnostech ovlivňování vlastností výrobků jakož i o cestách k podrobnějším informacím. To by mělo zajistit jejich schopnost komunikace s výrobci a zpracovateli netkaných textilií. 2. Posloužit jako základ ke specializovanému studiu oboru netkané textilie v řadě základních a doplňkových předmětů, které katedra nabízí. Na tomto místě je třeba upozornit na omezenost informací v předloženém textu, jak si to vyžádal jednosemestrový kurs a to zejména v oblastech: A - Použití netkaných textilií. Skupiny výrobků pro jednotlivé oblasti použití se vyznačují sadou specifických vlastností. S tím jsou obvykle spojeny teorie požadovaných účinků a soustava norem platných v jednotlivých státech. B - Základní pojmy týkající se polymerů, pojiv a vláken. Pojmy jsou zde stručně rekapitulovány pro jejich srozumitelnost v dalším výkladu. Jejich uvedení si nečiní nárok na úplnost a je vyvoláno rozdílností znalosti posluchačů z předchozího studia. C - Technologie netkaných textilií. Není zpracována celá řada modifikací základních popsaných technologií dnes běžně užívaných. Neúměrně by to zvýšilo rozsah skripta. Text skripta vychází zejména z prací jednoho ze zakladatelů oboru netkané textilie Prof. Ing. Dr.techn. Radko Krčmy, DrSc, jemuž patří naše upřímné poděkování za inspiraci a připomínky k textu. 4

5 Úvod V historii netkaných textilií (NT) můžeme rozlišit čtyři základní období lišící se především důvody, které k jejich výrobě vedly: 1) Prehistorie. Pravděpodobně prvním doloženým způsobem výroby textilních plošných útvarů bylo zpracování plstitelných zvířecích srstí postupy plstění, t.j. současným působením vody, tepla a případné chemikálií a mechanických vlivů. Takto vyrobené textilní útvary byly používány jako přikrývky a ke stavbě obydlí. Tyto postupy jsou dodnes využívány některými stepními národy, ale i v průmyslové podobě při výrobě plstí. Dalším archeologicky doloženým příkladem je využití slaměných rohoží při stavbách v Mezopotámii. Zbytky těchto staveb včetně výztuží jsou dochovány a jsou historickým příkladem technického využití lineárních útvarů ve stavebních konstrukcích, které dnes opět zaznamenává rozmach. 2) 19. století. V každé textilní výrobě počínaje čištěním přírodních vláken vzniká určité množství technologických odpadů (10-20 % ze vstupujících surovin), které pro vyšší obsah nečistot, malou délku vláken či z jiných důvodů nelze znovu využít k výrobě nití. Snaha zpracovat tyto materiály vedla k rozvoji nových technologií, zejména vpichování. Z textilních odpadů tak bylo možno vyrábět textilie s vlastnostmi podobnými vlastnostem plstí. zpracování technologických odpadů, ale i použitých sběrových textilií je dodnes jedním z hnacích motorů výroby NT. 3) léta 20. století. K rozvoji výroby NT netradičními metodami vedla zejména snaha pokrýt zvyšující se potřebu plošných textilních útvarů efektivnějšími a levnějšími metodami než je poměrně komplikovaný postup výroby nití s následným pletením nebo tkaním. Zejména ve Spojených státech a následně pak v Československu byla vypracována řada metod přímé tvorby vlákenných vrstev a jejich zpevňování termicky, mechanicky či adhezivy. Podle (3.4.) Dosahují jednotlivé technologie v současné době následujících výrobností: 5

6 Technologie Relativní výrobnost Tkaní 1 2 Pletení 4 16 Netkané textilie - Všívání 38 - vpichování 50 - spun-bond naplavování ) Současnost. Od 60. let je převládajícím motivem výroby NT možnost přípravy materiálů zcela nových vlastností, které nelze realizovat jinými technologiemi. Jde například o filtry, zdravotnické materiály, ochranné oděvy, konstrukční materiály pro stavební, automobilový, leteckýa kosmický výzkum, tepelně a hlukově izolační výrobky, oděvní a obuvnické textilie a mnoho jiných, které se ve stovkách nových typů objevují na pravidelných výstavách Index (švýcarsko), Idea (USA), Techtextil (SRN) a dalších. Rozvoj je provázen vývojem specializovaných strojních zařízení a důkladným výzkumem vlastností potřebných pro jednotlivé aplikace. Nejúspěšnější firmy staví na filosofii ofenzívního vývoje, t.j. nečekají na požadavky z ostatních oborů hospodářství, ale samy nové aplikační možnosti vyhledávají a doporučují. Postup výroby NT lze rozčlenit do následujícího schématu: 1. Příprava vlákenných surovin 2. Výrobní technologie a) Příprava vlákenné vrstvy b) Zpevnění vlákenné vrstvy c) Ořezávání okrajů, řezání, příp. navíjení 3. Úprava, případně vrstvení, povrstvování apod. Toto schéma nemusí být vždy dodrženo, některé operace mohou být vynechány nebo sdruženy. V tomto textu se nebudeme zabývat přípravou vlákenných surovin (bod 1), t.j.: otvíráním balíků, rozvolňováním, mísením, špikováním, případně zdroji a druhy sekundárních vlákenných surovin a jejich přípravou. Odkazujeme zde na předmět "Přádelnictví", případně specializovaný předmět "Textilní druhotné suroviny" a poznamenáme jen, že volba vlákenných surovin, postup a kvalita jejich přípravy je jedním z rozhodujících momentů určujících kvalitu výrobku. Výše uvedené schéma výroby NT je současně východiskem ke klasifikaci NT. Ze schématu dále vyplývá jednoduchost postupu výroby NT, která je základem příznivé ekonomiky výroby ve srovnání s výrobou pletením a tkaním. Základním rozdílem je přímé zpracování suroviny na vlákennou vrstvu bez potřeby vyrábět lineární vlákenný útvar - nit. 6

7 1. Všeobecná část Definice netkaných textilií NT zahrnují širokou škálu výrobků získaných nejrůznějšími technologiemi a odlišujícími se strukturou. Vzhledem k tomu, že vznikají stále nové technologie a s tím spojené výrobky a struktury, podléhá definice NT vývoji. V současné době jsou NT definovány následovně: Netkaná textilie je vrstva vyrobená z jednosměrně nebo náhodně orientovaných vláken, spojených třením a/nebo kohezí a/nebo adhezí s výjimkou papíru a výrobků vyrobených tkaním, pletením, všíváním, proplétáním nebo plstěním. POZN.: Náplň tohoto kursu i některých specializovaných předmětů na katedře netkaných textilií není v úplném souhlasu s uvedenou definicí, zejména u technologií všívání, proplétání a plstění. Tento nesoulad je způsoben zejména vývojem definice NT. Podstatné ovšem je, že výše uvedené technologie, hojně zastoupené u výrobců NT v ČR, nejsou obsaženy v jiných předmětech vyučovaných na Fakultě textilní Výroba NT, jejich postavení a užití Objem výroby NT se blíží 20% celkové světové výroby textilií a tento podíl se neustále zvyšuje. V České republice a ve Slovenské republice se vyrábí asi t/rok, což představuje 150 milionů m 2. Toto množství je srovnatelné s výrobou ve Francii, Velké Británii, případně celé Skandinávii. Celosvětová výroba činí 4 miliony t/rok a v západní Evropě více než 1 milion t/rok resp. 25 miliard m 2. Zatímco výroba většiny druhů textilií celosvětově stagnuje nebo se jen pozvolna zvyšuje, roční nárůst výroby NT je celosvětově 6% a v západní Evropě dokonce 9%. Tento neuvěřitelný nárůst je snad srovnatelný jen s rozvojem mikroelektroniky a je postaven na ekonomické výhodnosti a kvalitativním rozvoji, který zabezpečuje pronikání výrobků do stále nových oblastí technického využití. V západní Evropě se uvádí následující netkaných textilií podle použití: 7

8 Skupina výrobků Objem výroby (tis. t) - r Obalové materiály 101,6 Geotextilie 73,1 Bytové textilie 46,6 Čistící textilie 33,5 Vzduchové a kapalinové filtry 22,1 Různé 19,2 Vložkové materiály 17,5 Zdravotnické textilie 15,1 Obuvnické textilie 12,7 Elektro a brusné materiály 10,5 Automobilový průmysl 7,3 Agrotextilie 2,9 Oděvní textilie 2,7 POZNÁMKY k některým výše uvedeným skupinám výrobků: Geotextilie - Textilní materiály používané při geotechnických pracích, např. stavbě silnic, zakládání staveb, budování drenáží, ochraně svahů před erozí atd.;geotextilie plní jednu nebo současně několik z následujících funkcí: výztužnou, separační (př.: zábrana mísení jemnějšího a hrubšího materiálu dvou konstrukčních vrstev vozovky), drenážní, filtrační; důsledkem použití geotextilií je podstatné zlevnění staveb a prodloužení jejich životnosti. Bytovétextilie - koberce, závěsy, ubrusoviny, konstrukční součásti nábytku, prachovky, mycí hadry, leštící textilie, lapače pachů Filtry - mnoho typů filtrů pro průmyslové závody, zejména pro čištění vzduchu a zachycování exhalací, pro přípravu sterilního vzduchu v bioprovozech, filtraci v potravinářství - mléko, víno, pivo, pro automobily atd. Výroba se rozvíjí zejména s potřebou ochrany životního prostředí. Vložkové materiály - tepelně izolační objemné materiály pro oděvy do chladného počasí, spací pytle, přikrývky; konstrukční součásti oděvů výztužné vložky. Zdravotnické textilie - materiály pro osobní hygienu dětí i dospělých, obleky pro jedno použití, roušky, ložní prádlo pro jedno použití. Automobilový průmysl - v současných automobilech je výrobků z netkaných textilií: filtry, polstrování, izolace, odhlučnění. Agrotextilie - lehké krycí textilie pro urychlení růstu sazenic, k jejich ochraně vůči hmyzu a větru, zábrana vysychání půdy, zatravňovací rohože. 8

9 Největšími světovými firmami, které vyrábějí netkané textilie, jsou podle velikosti (údaj z roku 1996) : Firma Sídlo Prodej NT (milionů US$/rok) Freudenberg SRN Du Pont USA 880 BBA Nonwovens USA 530 PGI Nonwovens USA 500 Kimberly - Clark USA 488 Japan Vilene Japonsko 298 Dexter Nonwovens USA 295 Veratec USA 265 Hoecht Trevira SRN 218 Asahi Chemical Japonsko 182 Toyobo Japonsko 165 Akzo Nobel Nonwovens Holandsko 150 Amoco Fabrics & Fibers SRN 150 Lydall, Inc. USA 150 Lantor Group USA 140 Dominion Textile USA 134 Walkisoft USA 130 Polyfelt Rakousko 110 Foss Manufacturing USA 108 J. W. Suominen Oy Finsko 105 Nejvýznamnější výrobci netkaných republice jsou uvedeni na obr. 1. V dalších závodech se zavádí výroba netkaných textilií s cílem zhodnocení vlastních technologických odpadů. Američtí výrobci jsou sdruženi v organizaci INDA (Association of the Nonwoven Fabric Industry) a západoevropští v EDANA (European Disposables and Nonwovens Association). Tyto organizace sdružující výrobce a zpracovatele netkaných textilií a dodavatele surovin a strojů - koordinují studie a diskuse ekonomických, statistických, technických a vědeckých problémů - zastupují a brání vzájemné zájmy, zájmy vůči navazujícím odvětvím - pořádají konference a studijní programy. S rozvojem netkaných textilií vznikly i speciální časopisy tohoto oboru, např.: Allgemeiner Vliesstoff-Report SRN Nonwovens Report V. Británie Nonwovens Industry USA 9

10 Obraz 1: Mapka výrobců natkaných textilií v České republice 10

11 1. 3. Klasifikace a názvosloví netkaných textilií Vzhledem k rozmanitosti surovin a technologií pro výrobu NT i jejich použití není klasifikace NT jednoduchou a většinou ani jednoznačnou záležitostí. Uvedeme zde dva způsoby klasifikace, založené na a) Technologiivýrobypoužitév jednotlivých výrobních krocích (viz obecné schéma výroby v Úvodu) b) Způsobu zpevnění (která se ovšem úzce váže k technologii výroby) a) Klasifikace podle technologie výroby Základní technologie výroby a jejich rozčlenění jsou uvedeny v Tab. 1. Těmito technologiemi vyrobené textilie lze dále různě upravovat (zušlechťování, potiskování, barvení). Textilie je možno i povrstvovat a vzájemně vrstvit, čímž získáme Vrstvené textilie, t.j. textilie vzniklé vrstvením alespoň jedné vlákenné vrstvy s jiným plošným textilním či netextilním útvarem. Vrstvy mohou být navzájem mechanicky vázány nebo pojeny adhezivy. Jednovrstvé textilie. Jejich rozdělení je uvedeno v tab. 1. V následujícím přehledu jsou uvedeny překlady některých pojmů do anglického a německého jazyka: česky anglicky německy netkané textilie Nonwovens Nichtgewebte Textilien, Vliesstoffe text. vyrobené za mokra Wet-laid Nassvliesstofe text.vyr. suchou cestou Dry-laid Trockenvliesstoffe text. vyr.aerodynamicky Air-laid Aerodynamisch gebildet Vliesstoffe náhodně orientovaná rouna Random-laid Wirrfaservliese příčně kladené textilie Cross-laid Quergelegte Textilie kolmo kladené textilie Perpendicularlaid Senkrechtgelegte Textilien Spun-bond Spun-bond Spinvliesse vpichované textilie Needle-punched Nadelvliesstoffe proplety Stitch-bonded Vliesnahwirkstoffe pojené textilie Bonded textiles Verbundstoffe poj.tex.za tepla Thermo-bonded textiles Thermogebundene Vliesstoffe 11

12 Tab. 1. : Rozdělení netkaných textilií podle technologie výroby Výroba vlákenné vrstvy Mokrá cesta Suchá cesta Mechanicky Aerodynamicky Přímo z polymeru Vlákna orientována: - podélně - příčně - kolmo Vlákna orientována: - nahodile - Spunbond - Meltblown - elektrostatické zvlákňování Zpevňování vlákenné vrstvy Mechanicky Chemicky Termicky - vpichování - spunlace - proplétání - impregnací - pěnou - postřikem - teplovzdušně - kalandrem 12

13 b) Klasifikace podle způsobu zpevnění Klasifikace jednovrstvých textilií 1. Mechanicky vázané textilie 1.1 Jednotlivými vlákny (za mokra - vazba adhezí mezi jednotlivými vlákny, plstěním - vzájemným zaklesnutím jednotlivých vláken, třením a adhezí, zpevnění propletením jednotlivých vláken paprsky vody v technologii spunlaced) 1.2 Svazky vláken Nahodile uspořádanými svazky vláken (vpichování) Pravidelně uspořádanými svazky vláken (proplétání bez vazných nití, Arabeva, Malivlies) 1.3 Vaznými nitěmi (proplétání) 2. Pojené textilie 2.1 Segmentově, t.j. pojivo smáčí povrch vláken, tvoří film (pojení roztoky nebo disperzemi pojiv) S nahodilým rovnoměrným uspořádáním pojiva v ploše textilie (impregnace nebo stříkání pojiva na rouno) Se vzorovým uspořádáním pojiva v ploše textilie (tisk disperze nebo roztoku pojiva na rouno, nanášení pojiva soustavou jehel) S prostorovým pravidelným uspořádáním pojiva (nanášení pojiva na jednotlivé pavučiny, vnášení pojiva soustavou nití) 2.2 Aglomeračně, t.j. pojivo tvoří shluky mezi vlákny a na vláknech (pojení termoplastickými pojivy v pevné formě vlákna, prášek, folie, mřížka) S nahodilým rovnoměrným uspořádáním pojiva v ploše textilie (pojení hladkými válci kalandru, teplovzdušné pojení) Se vzorovým uspořádáním pojiva v ploše textilie (pojivo vneseno ve formě mřížky, případně pojení drážkovanými nebo rastrovanými válci kalandru) S prostorovým pravidelným uspořádáním pojiva (nános pojiva na jednotlivé pavučiny, vrstvení rouna a pojiva) S prostorovým nepravidelným uspořádáním pojiva (pojení soustavou termoplastických nití) 2.3 Bodově (pojení dvousložkovými pojivými vlákny) S nahodilým rovnoměrným uspořádáním pojiva v ploše textilie (pojení hladkými válci kalandru nebo teplovzdušně) viz (pojení drážkovanými nebo rastrovanými válci kalandru) 13

14 1. 4. Suroviny pro výrobu netkaných textilií Cílem této kapitoly není v žádném případě nahrazovat ani opakovat zasvěcené výklady z nauky o vláknech, polymerech, z chemie, fyziky a fyzikální chemie. Půjde spíše o shrnutí těch pojmů z výše uvedených disciplín, které jsou 'určující pro - zpracovatelnost surovin dále popsanými technologiemi - průběh procesů vytváření struktur netkaných textilií a možnost jejich řízení - výsledné vlastnosti výrobků dané vlastnostmi jejich komponent Rekapitulace základních pojmů Vlákenné suroviny a pojiva jsou v převážné většině polymery. Jejich zpracovatelské a uživatelské vlastnosti proto vyplývají ze zvláštního charakteru a chování makromolekulárních látek. Ty umožňují vytvářet typické vlákenné struktury s výrazně směrově závislým uspořádáním nadmolekulárních struktur a vlastností jakož i připravit polymery různé tvrdosti, tažnosti, teplot skelnění a tání, adhezivních a dalších vlastností. Pojem makromolekulární látka Názvem makromolekulární látka neboli polymer označujeme sloučeniny, jejichž molekuly jsou tvořeny stovkami až miliony atomů navzájem spojených chemickými vazbami bez ohledu na způsob jejich vzniku. Zvláštní vlastnosti polymerů jsou spojeny s velikostí makromolekul, ze které vyplývá - možnost mechanického zaplétání makromolekul při jejich vzájemném pohybu ev roztoku,v tavenině) - kooperace různých typů mezimolekulových vazeb při vytváření nadmolekulových struktur a při vzájemném pohybu makromolekul. Zatímco mezi atomy v řetězcích makromolekul působí většinou kovalentní vazby, k jejichž přerušení je nutno dodat energii asi 400 kj/mol, mezi jednotlivými atomy nebo skupinami atomů jednotlivých makromolekul působí různé typy slabších vazeb: Dipól-dipólové mezimolekulární síly asi 10 kj.mol-1 Působí mezi makromolekulami obsahujícími permanentní dipóly. Příkladem je skupina C N O H v polyamidech Vodíkové vazby asi kj.mol-l Působí mezi skupinami, v nichž vodík je vázán přímo na dusík nebo kyslík. Příkladem jsou sloučeniny obsahující skupiny -OH nebo -NH 2 14

15 Disperzní síly asi 1 kj.mol-l Působí mezi makromolekulami jakéhokoliv typu. Příkladem je polyetylen. Chování polymerů ve vztahu k teplotě K převedení polymeru do stavu taveniny je nutno dodat tolik tepelné energie, kolik je jí potřeba k přerušení významné části mezimolekulárních vazeb. Po odebrání této energie se vazby znovu obnoví. Zvláštní tepelně-mechanické vlastnosti polymerů jsou dány možností vzájemného postupného přeskupování jednotlivých úseků makromolekul při působení vnější síly v takovém energetickém stavu, kdy je přerušena jen část mezimolekulových vazeb. Roztoky Polymerů K převedení polymeru do roztoku je nutno vybrat takové rozpouštědlo, jehož interakce s částicemi makromolekul je silnější než mezimolekulové vazby. To závisí na chemickém složení rozpouštědla a na teplotě. Vzhledem k velikosti makromolekul lze obvykle připravit jen nízkokoncentrované roztoky - často jen do 1 hmot. %, které se vyznačují vysokým odporem vůči toku - viskozitou. Jen malý počet polymerů je rozpustný ve vodě. Jsou to polymery s vysokým obsahem polárních skupin jako polyvinylalkohol, kyselina polyakrylová apod. Nahrazením výše,uvedených mezimolekulových sil vazbami kovalentními získáme trojrozměrné polymery, které jsou netavitelné. při dodání množství energie potřebné k destrukci kovalentních vazeb dochází současně i k destrukci vazeb v hlavních řetězcích a tím rozpadu polymeru. Fyzikální stavy polymerů Nízkomolekulární látky se všeobecně mohou vyskytovat ve fyzikálních stavech pevném, kapalném a plynném. Přechodové teploty mezi těmito stavy jsou přesně definovány a nazývají se teplota tání a teplota varu. Chování polymerů je v tomto směru zásadně odlišné. U polymerů především neexistuje plynný stav. K jeho dosažení by bylo potřeba dodat takové množství energie, aby se přerušily současně všechny mezimolekulové vazby. Vzhledem k vysokému počtu mezimolekulových vazeb podél každé makromolekuly je to tak velké množství energie, že by již docházelo i k destrukci kovalentních vazeb v hlavních řetězcích a tím k rozpadu polymeru. Závislost obsahu energie nízkomolekulárních látek na teplotě je zobrazena na obr

16 energie plynný stav kapalný stav pevný stav T t T v teplota Obr.2: závislost obsahu energie nízkomolekulových látek na teplotě V případě polymerů je tato závislost podstatně jiná ( obr. 3). energie plastický stav sklovitý stav viskoelastický (kaučukovitý) stav T g T f teplota Obr.3.: Závislost obsahu energie polymerů na teplotě Zatímco teplota tání a varu nízkomolekulových látek T t a T v mají přesně definované hodnoty, jsou teploty skelného 16

17 přechodu T g a teplota tečení T f oblastmi určité šíře. Přechody nízkomolekulových látek z jednoho stavu do druhého jsou provázeny skokovou změnou energie (viz skupenské teplo tání, výparné teplo) a nazýváme je přechody 1. řádu. Na rozdíl od toho přírůstek energie s teplotou je u polymerů i v oblasti T g a T f plynulý a příslušné přechody označujeme jako přechody 2. řádu (skokem se mění derivace uvedené závislosti na obr. 2). Sklovitý stav polymerů je charakterizován fixovanou polohou celých makromolekul vůči sobě a vysokou koncentrací mezimolekulových vazeb. Ve hmotě se uskutečňuje pouze vibrační pohyb jednotlivých atomů nebo funkčních skupin. Polymer je pod teplotou T g tvrdý a křehký. Teplota T g závisí na energii potřebné k rotacím v hlavním řetězci a na chemickém složení polymeru, které vytváří předpoklady ke vzniku mezimolekulových vazeb. Schopnost rotace je vyšší u některých typů řetězců, např. v sousedství dvojných vazeb u dienových polymerů, u řetězců obsahujících kyslík a podobně. Jednotlivé polymery se značně liší hodnotou T g jak je uvedeno níže: Tg( C) Poly-1,4-cis-butadien -CH 2 -CH=CH-CH Ataktický polypropylen -CH2-C- -15 CH3 Polyamid 6 -NH-(CH 2 ) 5 -CO- 55 Polyvinylchlorid -CH 2 -CH- 75 Cl Polyetylentereftalát -CO-C 6 H 4 -CO-O-(CH 2 ) 2-85 Při přechodu přes teplotu zeskelnění dochází ke zlomu závislosti prakticky všech vlastností na teplotě, např. indexu lomu, objemu, permitivity, tepelné vodivosti, ohebnosti. Pro mechanické chování platí ve skelném stavu při malých deformacích Hookův zákon σ = E.ε (1) kde E je konstanta úměrnosti (Youngův modul) mezi napětím σ a deformací ε. Viskoelastický stav (mezi T g a T f ) je typický pro polymery. Je charakterizován takovým energetickým obsahem, při němž je realizována jen část možných mezimolekulových vazeb. Tyto vazby zajišťují vzájemné polohy makromolekul. části makromolekul bez momentálně existujících vazeb mohou rotovat a vzájemně se přesunovat. Existence mezimolekulových vazeb je ovšem statistickou záležitostí, jednotlivé vazby stále vznikají a zanikají. 17

18 Důsledkem viskoelastického (kaučukovitého) stavu je možnost makromolekul vzájemně se přemistovat postupným pohybem jednotlivých úseků při působení vnější síly. Toto přemistování může být v podstatě vratné, pokud síla působila krátce a došlo k přesunu malého počtu segmentů, nebo naopak trvalé. Chování polymerů v tomto stavu je tedy časově závislé a v prvním přiblížení se popisuje Maxwellovým modelem, který je spojením výše uvedeného Hookova zákona a Newtonova zákona toku (viz dále). Závislost přetvoření na přenášeném napětí se pro Maxwellův model uvádí ve tvaru dε dt = 1 E dσ 1 + dt τ.e σ (2) kde dε dt E σ τ je rychlost přetvoření Youngův modul pružnosti napětí materiálová konstanta zvaná relaxační doba, charakterizuje vliv doby působení napětí na míru trvalého přetvoření. Při rychlých změnách napětí (malé dt) je první člen na pravé straně rovnice podstatně významnější než druhý člen. Zanedbáním druhého členu dostaneme Hookův zákon. Naopak při dlouhodobém působení konstantního napětí (dσ/dt = 0) materiál teče (viz dále). V plastickém stavu (nad T f ) je koncentrace mezimolekulových vazeb tak nízká, že může docházet k nevratnému přemistování celých makromolekul, které nazýváme tokem. Rychlost toku se řídí Newtonovým zákonem dε σ = η dt (3) kde η = τ E je charakteristika odporu materiálu vůči toku zvaná viskozita. Viskozita není u polymerů materiálovou konstantou. Vzhledem k délce makromolekul a jejich snaze se vzájemně zaplétat a vzhledem k vlivu momentálních vzájemných poloh makromolekul na koncentraci mezimolekulových vazeb je tato veličina závislá na rychlosti toku. Toto zvláštní chování se nazývá nenewtonským. Kromě toho je viskozita obecně závislá na teplotě podle Arrheniova vztahu E m R T η = A e (4) 18

19 kde A je konstanta, E m aktivační energie toku, R universální plynová konstanta, T absolutní teplota. Ze vztahu vyplývá, že viskozita polymerů s teplotou klesá. Závislost získáme logaritmováním výše uvedeného vztahu. Viskozita taveniny polymerů závisí i na polymeračním stupni. Závislost má obecný tvar log η = K log M n (5) kde M n je střední číselná molekulová hmotnost. Hodnota konstanty K však není platná v celém rozsahu hodnot M n. Obecně viskozita tavenin polymerů roste s rostoucí molekulovou hmotností. Viskozita roztoků polymerů roste s jejich koncentrací a molekulovou hmotností. Popis těchto komplikovaných vztahů je možno nalézt ve specializované literatuře. Elastomery Trvalé přetvoření polymerů, které je funkcí zatížení, času a teploty, je na závadu jejich praktickému využití. K zabezpečení vratného chování byly vyvinuty tzv. elastomery. Jsou to polymery s řetězci vysoce ohebnými i při nízkých teplotách (nízké hodnoty.t g ). K zamezení trvalého přetvoření jsou makromolekuly vzájemně propojeny kovalentními vazbami. Typickými látkami tohoto typu jsou síťované makromolekuly obsahující dvojné vazby. Kopolymery Většina pojiv používaných ke zpevňování vlákenných vrstev je na bázi kopolymerů. Kopolymer je makromolekulární látka vzniklá ze dvou nebo více monomerů. Podle vzájemného uspořádání strukturních jednotek odpovídajících jednotlivým monomerům (obr. 4). a) - A - A - B - A - B - B - B - A b) - A - B - A - B - A - B - A - B c) - A - A - A - B - B - B - A - A d) - A - A - A- A B B Obr.4.:Typy kopolymerů 19

20 rozeznáváme kopolymery: a. statistické (náhodné střídání), b. alternující (pravidelné střídání), c. sledové (bloky jednotlivých strukturních jednotek určité délky), d. očkované (při bočním napojení skupin z jednoho monomeru na řetězec z druhého monomeru). Kopolymerizace umožňuje v širokém rozmezí volit vlastnosti výrobku zastoupením jednotlivých skupin přinášejících charakteristické vlastnosti. Kromě toho se kopolymerací obecně snižuje koncentrace mezimolekulových vazeb a tím charakteristické hodnoty T g a T f' Snížení koncentrace vazeb je způsobeno náhodným řazením různě dlouhých strukturních jednotek. Tím se vytvářejí nevhodné geometrické podmínky pro vznik vazeb, které mohou působit jen na určitou vzdálenost. Podobně působí i objemné skupiny vázané na hlavní řetězce. Jejich dus ledkem je větší vzdálenost řetězců sousedních makromolekul a horší podmínky k vzniku sekundárních vazeb. To výrazně ovlivňuje teplotu tání. Kopolymerace se tedy využívá m.j. i k přípravě pojiv s volitelnou teplotou tání. Další možností kopolymerace je příprava polymeru s malým počtem reaktivních skupin. Těch se pak využívá k síťování, t.j. tvorbě vícerozměrných polymeru Vlákna pro výrobu netkaných textilií Základní vlákna Základními vlákny zde rozumíme běžně masově vyráběné vlákenné suroviny pro textilní průmysl, zejména ve formě stříží. Kromě toho se pro výrobu netkaných textilií mohou vlákna při výrobě zvlášť upravovat, například intenzivněji tvarovat s cílem dosažení vyšší objemnosti výrobků, speciální úpravou povrchu a podobně. Některé typy vláken vznikají v procesu tvorby vlákenné vrstvy přímo z polymeru. Významnou součástí surovinové základny jsou také sekundární vlákenné suroviny pocházející z technologických odpadů ve všech stupních zpracování vláken v textilním a oděvním průmyslu a ze sběrových textilií. Protože objem technologických odpadů je až 20% ze vstupujících vlákenných surovin a problematika jejich zpracování je specifickou otázkou, je tomuto tématu věnován zvláštní předmět. Základní vlákna posuzujeme ze dvou závažných pohledů. a) Zpracovatelnost v jednotlivých výrobních technologiích. b) Vliv vlastností vláken na vlastnosti netkané textilie. Zastoupení jednotlivých typů vláken podle údajů z r a 2000 (záp. Evropa) vyplývá z obr.5. 20

21 Polyamid 20% Přírodní vl. 6% Ostatní 1% Polypropylen 24% Přírodní vl. 1% Polyamid 1% Ostatní 21% Polypropylen 46% Viskóza 29% Polyester 20% Viskóza 9% Polyester 22% Obr.5.: Zastoupení základních typů vláken ve výrobě netkaných textilií v roce 1980 a 2000 Toto zastoupení se mění s vývojem cen, dostupností zdrojů a vývojem nových technologií. Klesá podíl vlny pro její vysokou cenu a viskózy pro celkový pokles její výroby zejména z ekologických důvodů. Vzrůstá zejména podíl polypropylenových vláken s rozvojem technologií výroby přímo z polymeru. Stále se objevují pokusy zpracovávat další typy vláken, např. jutu. Nejvíce používaná vlákna podle výše uvedeného grafu mají z hlediska použití v NT následující obecné vlastnosti. Celulózová vlákna: Vysoká sorpce vody a s tím spojené dobré hygienické vlastnosti výrobků. Dobrá zpracovatelnost a vybarvitelnost. Nízká pevnost za mokra, nízká odolnost vůči otěru, vlhkosti a hydrolýze. Polypropylenová vlákna: Výborná odolnost vůči chemikáliím s vy jímkou dlouhodobého působení olejů, minimální navlhavost, nižší tepelná odolnost (T t ), nemožnost povrchového barvení, nižší schopnost zotavení po deformaci, nízká odolnost vůči ultrafialovému záření. Teplota tání 170 C, teplota měknutí C, tepelná odolnost výrobků do 110 C. Polyamidová vlákna: Polyesterová vlákna: Dobrá pevnost za mokra, dobrá stálost na světle, nižší odolnost vůči kyselinám, nižší objemnost, dobrá barvitelnost. Teplota tání 220 C, tepelná odolnost výrobků do 160 C. Dobrá schopnost zotavení, vysoká pružnost a objemnost, dobrá odolnost vůči chemikáliím včetně dlouhodobého účinku, s výjimkou silných kyselin a zásad. Náročnější barvení, žmolkování. Teplota tání 256 C, tepelná odolnost výrobku C. 21

22 Dále jsou uvedeny některé základní vlastnosti vláken, rozhodující pro jejich zpracovatelnost a pro vlastnosti výrobků. Příslušné vztahy jsou mnohdy neprobádané a často jsou předmětem úsilí technologa či vývojového pracovníka při vývoji jednotlivých výrobků. Některé dále uvedené známé závislosti mají jen ilustrativní charakter. Lineární hmotnost vláken (dtex) Běžné jsou vlákenné materiály s lineární hmotností 1,3-20 dtex. Pro speciální účely se vyrábějí i vlákna jemnější - 0,5 dtex nebo extrémně hrubá - až 200 dtex. Čím je vlákno jemnější, tím je obtížněji zpracovatelné z hlediska ojednocení a žmolkování. Zařízení musí zpracovat vyšší počet vláken. Výkon zařízení tím klesá. Výrobky mají příjemnější omak. Klesá koeficient přestupu tepla. Současně klesá i odolnost textilie vůči stlačení, takže při určitém zatížení se výrobky vyznačují nižší izolační schopností. Roste odpor vůči průchodu plynů a kapalin a zvyšuje se separační schopnost při filtraci. Z hlediska zpevnění vlákenné vrstvy poskytují jemnější vlákna větší povrch k interakci mezi vlákny i vůči adhezivu. Délka řezu střiže Běžné jsou hodnoty mm pro mechanické procesy, 2 30 mm pro technologii naplavování a pod 5 mm pro technologii nanášení vláken v elektrostatickém poli. Delší vlákna přinášejí lepší soudržnost pavučiny při mechanických postupech výroby a vyšší stupeň využití pevnosti vláken ve výrobku. Naopak vyžadují vyšší energii při ojednocování a mají vyšší sklon k nabalování na otáčející se součásti strojů. Při tvorbě vrstvy z kapalné nebo vzdušné disperze je délka vláken omezena nebezpečím vzájemného zaplétání vláken, tvorby shluků a tím vyšší mírou nerovnoměrnosti výrobku. Stupeň zkadeření výrobku Vyjadřuje se obvykle počtem obloučků vlákna na 10 mm jeho délky. Netvarovaná vlákna jsou obtížně zpracovatelná na mykacích strojích - ulpívají v povlacích - a tvoří málo soudržnou pavučinu. Středně tvarované střiže mají 3 5 obloučků na 10 mm. Speciální vysoce tvarované střiže s počtem obloučků až 15 na 10 mm délky vlákna se používají k výrobě vysoce objemných a vysoce elastických textilií. Jejich cena může však dosahovat až dvojnásobku ceny středně tvarovaných střiží. Zpracování bývá obtížnější. Typ a obsah aviváže Aviváž, u některých výrobců nazývaná lubrikace nebo preparace, je základní součástí každé vlákenné suroviny. Aviváž je nanesena na povrchu vlákna a určuje jeho povrchové vlastnosti, zejména hladkost, koeficient tření, soudržnost fibril, smáčivost vodou, oleji a pojivy, sklon k tvorbě elektrostatického náboje a tím v podstatné míře zpracovatelnost i vlastnosti výrobku. Rotující válec vnořený spodní částí do zásobníku s aviváží je první hmotou, které se 22

23 vlákno dotýká po svém vytvoření ve zvlákňovací trysce. Také u ostatních typů vláken je nanášení aviváže jednou z prvních zpracovatelských operací. Aviváž je nejčastěji směsí olejů S dalšími komponentami rozpuštěná ve vodě, v nevodném rozpouštědle nebo tvořící vodnou emulzi stabilizovanou povrchově aktivní látkou (PAL viz. kapitola o disperzích pojiv). Aviváž bývá nanesena na vlákně v množství 0,3-1 % z jeho hmotnosti. Problematika aviváží je předmětem rozsáhlých experimentálních prací a dodnes je do značné míry věcí zkušenosti. Je nejčastějším předmětem jednání s výrobci vláken při řešení problémů zpracovatelnosti a je nutno jí věnovat pozornost zejména při výrobě netkaných textilií pojením, kdy ovlivňuje adhezi pojiva k povrch vláken. Na rozdíl od klasických textilií, ze kterých je aviváž při úpravárenských operacích vypírána, ve většině netkaných textilií zůstává a může ovlivňovat jejich hygienické a další vlastnosti. Jednou z používaných speciálních úprav cestou aviváže je tzv. silanizace vláken. Na povrch vláken se nanášejí polysiloxany obsahující reaktivní vazbu Si-H. V následujících mokrých operacích reaguje tato vazba s vodou. Vznikající nestabilní skupiny Si-OH vzájemně rychle kondenzují za vzniku nerozpustných vícerozměrných siloxanů. CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 S O S CH + H 2 O i i 3 CH 3 S O S CH +H 2 i i 3 H CH n 3 OH CH n 3 CH 3 CH 3 2 CH i OH 3 CH i CH n 3 S O S CH 3 3 S O S CH O i S O S CH i i CH n CH i CH 3 CH n 3 Tyto kondenzační produkty na povrchu vláken zabezpečují trvalou úpravu s velmi nízkým koeficientem tření. Výrobky mají pak vysoký stupeň splývavosti a odolnost vůči opakovanému stlačování. Využívají se zejména jako vysoce objemné výplně spacích pytlů a přikrývek. 23

24 Sráživost Sráživost vláken je jejich zkracování působením tepla. Je složitým jevem charakterizovaným mírou srážení, srážecí silou a kinetikou srážení. Všechny tyto veličiny jsou funkcí teploty a prostředí. Sráživost vláken je obecně nežádoucím jevem, který vede ke změně rozměru výrobků při působení tepla. Na druhé straně se může příměsi vysoce sráživých vláken využít ke zpevnění vlákenných vrstev. Výrobci vláken proto vlákna dlouží při zvolených režimech a následně fixují, aby sráživost snížili. Např. švýcarská firma EMS uvádí srážlivost svých polyesterových vláken ve vroucí vodě cca 1% a při 2000C ve vzduchu 1-3%. Naopak se vyrábějí speciální typy vysoce sráživých vláken se sráživostí kolem 50% Speciální vlákna Vlákna příčně profilovaná Vyrábějí se nejčastěji z běžných vláknotvorných polymerů. Výraz "příčně profilovaná" znamená, že příčný průřez vlákna má jiný než kruhový tvar. Typické průřezy vláken jsou na obr. 5. Tvarem zvlákňovací hubice a volbou podmínek zvlákňování a dloužení lze vyrobit vlákna prakticky s libovolným profilem. Ceny zvlákňovacích hubic jsou ovšem vysoké a zpracovatelnost některých typů vláken obtížná. Vlákna s profily b), c), d) se vlastnostmi blíží foliím, jsou málo pevná, křehká a hůře zpracovatelná. Vlákno s profilem trojúhelníkovým a) se využívá pro výrobu lesklých efektů díky jeho velkým odrazovým plochám. Vlákna e), g) pro svoji vyšší tuhost v ohybu, která zabezpečuje vyšší objemnost výrobků ve stlačení a dobré zotavovací schopnosti, třeba při výrobě koberců. Vlákno s profilem f) odolává vysokým tlakům a vyrábí se z polopropustných polymerů k separaci solí procesem reversní osmózy při výrobě umělých ledvin nebo zařízení k odsolování mořské vody. Obr.6.: Typické tvary příčných řezů příčně profilovaných vláken 24

25 Bikomponentní. popřípadě vícekomponentní vlákna Vyrábějí se zvlákňováním nejčastěji dvou různých polymerů pomocí zvláštní zvlákňovací hubice (obr. 7, 8 ). Obr.7.: Typické tvary příčných řezů bikomponentních vláken Obr.8.: Průřez zvlákňovací hubicí pro výrobu bikomponentních vláken typu jádro plášť, 1,2 - přívod jednoho a druhého polymeru, 3 - vznikající bikomponentní vlákno Vlákna jádro-plášť (a) a bok po boku (b) se využívají při výrobě pojených textilií jako pojiva. Sestávají obvykle z výše a níže tající polymerní složky. Nejčastěji je ve funkci výše tající složky polyester a níže tající složky kopolyester nebopolypropylen. Bikomponentní vlákna se aplikují do směsi se základními vlákny nebo samotná. V průběhu pojení se vlákno díky výše tající složce nezbortí a výrobky mají vyšší objemnost. Adhezní spoje se vytvářejí v místech křížení vláken. Nazýváme je bodové. Větší část vláken tvoří pak poměrně pohyblivé úseky mezi spoji. To vede k výrobkům s dobrou ohebností a nízkým počátečním modulem v tahu. Malý rozměr pojících míst však zvyšuje nároky na vzájemnou adhezi zúčastněných polymerů, což je obecně problém. Vlákna typu ostrovy v moři (c) se využívají k tvorbě velmi jemných vlákenných struktur extrakcí matrice. Postupů se využívá při výrobě vysoce kvalitních syntetických usní(viz technologická část). 25

26 Vlákna s průřezem podle obr. 6d) se vyrábějí pro svou schopnost rozštěpit se na několik jemných fibril. Jejich využitím se obcházejí problémy obtížné zpracovatelnosti velmi jemných vláken a po rozštěpení se 'dosahuje jemného omaku výrobků. Vlákna modifikovaná ve hmotě Vyrábějí se ponejvíce přídavkem různých aditiv do polymeru před zvlákňováním. Cílem je dosažení některých zvláštních vlastností, které si vlákna a výrobky většinou udrží i po praní a chemickém čištění. Výroba modifikovaných vláken a jejich zpracovatelnost nebývá bez problémů. Rovněž ceny mohou být výrazně vyšší ve srovnání s běžně vyráběnými vlákny. Nejčastějšími typy modifikovaných vláken jsou vlákna nehořlavá odolná vůči ultrafialovému záření matovaná barvená ve hmotě povrchově barvitelná antistatická, resp. elektricky vodivá. Cílem antistatické úpravy je zamezení vzniku statického elektrického náboje při zpracování a používání výrobků. Toho se dosahuje zvýšením elektrické vodivosti. Pro obtížnost a problematickou trvalost úpravy ve hmotě se obvykle více využívá dočasných povrchových úprav, např. při máchání nebo praní. Vlákna modifikovaná na povrchu Jedním z příkladů je povrchová silanizace uvedená výše. Další skupinou povrchově modifikovaných vláken jsou vlákna metalizovaná. Vyrábějí se například pokovením polyakrylových vláken mědí nebo niklem chemickou redukcí solí těchto kovů. Vlákna takto získávají elektrickou vodivost a uchovávají si textilní charakter a zpracovatelnost běžnými textilními technologiemi.. Využívají se pro výrobu antistatických filtrů, ochranných oděvů pro výbušná prostředí, radarového a elektromagnetického stínění. Vlákna ze štěpené folie Vyrábějí se nejčastěji z polypropylenu. Polypropylenová folie vytlačená z kruhové trysky se jednosměrně dlouží do vysokého stupně. Tím získá vysoký stupeň orientace makromolekul a vysokou pevnost v podélném směru. V příčném směru je pevnost podstatně nižší a je založena zejména na sekundárních mezimolekulových silách. Folie je snadno štěpitelná. štěpí se pomocí rychle rotujících válců osazených kovovými hroty. Vzniká síťovina, která se zpracuje na staplová vlákna konvertorováním nebo sekáním. 26

27 Vlákna ze štěpené folie se využívají jako surovina pro výrobu netkaných textilií a speciálních přízí. Mají nepravidelný a po délce proměnný průřez, nepravidelnou jemnost 5-30 dtex a vysoký měrný povrch. Ten způsobuje vysoké sorpční schopnosti vůči organickým, zvláště ropným produktům. Výrobky z těchto vláken lze využít k čištění povrchových a spodních vod po ropných haváriích. Skleněná vlákna Skleněná vlákna se vyrábějí nejčastěji ze suroviny zvané E-sklo. Jejich jemnost se udává průměrem fibril a to běžně v rozmezí 7 18 µm. Speciální skleněná vlákna mají průměr 1 3 µm. Nit ze skleněných vláken obsahuje několik set fibri1. Její typickou vlastností je, že se zlomí, když na ní uděláme uzel a dotáheneme jej. To se nestane v případě jemných vláken s průměrem fibril do 3 µm. Skleněná vlákna se vyrábějí v nekonečné formě odtahem na cívky. Lze je rovněž zpracovávat ve formě střiže na mykacích strojích, mokrými procesy nebo do kompozitů ze směsi skleněná střiž - pryskyřice. Přímo pod tryskou se vyrábějí izolační rohože. Nejdůležitějšími užitnými vlastnostmi skleněných vláken jsou nehořlavost, vysoká tepelná odolnost a vysoký modul v tahu. Problémem je křehkost způsobující problémy při zpracování a použití a u jemných vláken i nízká odolnost vůči hydrolýze. Typickými oblastmi využití jsou nehořlavé textilie pro veřejné budovy z velmi jemných vláken, filtrace vzdušnin a kapalin, stavební tepelné izolace a kompozity. Speciálními postupy se vyrábějí skleněná mikrovlákna pro zpracování za mokra. Výrobky se využívají jako filtry pro přípravu sterilního vzduchu v bioprovozech a nemocnicích. Čedičová vlákna Mají podobné vlastnosti jako skleněná vlákna a nižší cenu. Využívají se zejména pro výrobu stavebních tepelně izolačních materiálů, kde nezáleží příliš na nerovnoměrnosti vlastností vláken. Silikátová vlákna Vyrábějí se zvlákňováním taveniny připravené extrakcí skla. Vlákna jsou složena z čistého křemene a od skleněných vláken se liší podstatně vyšší tepelnou a chemickou odolností, pevností a modulem. Uhlíková vlákna Představují dnes jeden z vrcholů materiálového inženýrství. Používají se zejména pro výrobu extrémně pevných, houževnatých, tepelně odolných a lehkých kompozitů pro konstrukční díly v leteckém a kosmickém průmyslu. Dělí se na vlákna uhlíková, vyráběná při teplotách C, s obsahem uhlíku do 92% grafitová, vyráběná při teplotách do 2200 C, s obsahem uhlíku nad 92%. 27

28 Obecným postupem výroby těchto vláken z celulózových nebo polyakrylonitrilových vláken, příp. z ropných dehtů či smol je 1) Nízkoteplotní oxidace a stabilizace na vzduchu při C 2) Karbonizace v interní atmosféře při teplotě asi 1000 C (až 1500 C) 3) Grafitizace v interní atmosféře při teplotě asi 2200 C (až 3300 C) Vyrobená vlákna sestávají prakticky pouze z uhlíku v semikrystalinickém stavu typickém pro polymery. Světová výroba uhlíkových vláken v r se odhadovala na 7500 t/rok a prudce roste. Whiskery Jsou to vláknité krystaly s průměrem asi 1 µm a délkou 3-4 mm, vyrobené z různých anorganických látek jako SiC, Al 2 0 3, Si 3 N 3. Dokonalá krystalická struktura umožňuje vysoký stupeň využití teoretické pevnosti vypočítané z meziatomových vazeb. Mají vysokou cenu ( US dolarů za 1 kg) a využívají se do speciálních kompozitů s kovovou matricí. Kovová vlákna Vlákna z hliníku, hořčíku, molybdenu a wolframu se vyrábějí pro různá speciální použití. Vlákna z nerezoceli o průměru 5-25 µm v nekonečné formě nebo staplová se zpracovávají jako příměs (0,5-2%) k organickým vláknům pro zabezpečení elektrické vodivosti výrobků jako jsou koberce nebo dopravní pásy pro uhelné doly. Cílem použití těchto vláken je stálá antistatická úprava výrobků. Cena ocelových vláken je z hlediska výroby textilií velmi vysoká. Borová vlákna Vyrábějí se kondenzací par boru na wolframovém drátu. používají se zejména k leteckému průmyslu, přičemž se využívá jejich vysoké pevnosti a modulu. Keramická vlákna Vlákna z A , Zr, Zr0 2, BN, B 4 C, SiC a dalších sloučenin, vyrobená různými postupy, se využívají zejména jako vlákenná součást kompozitů s kovovou nebo keramickou matricí. Dále bude uvedeno několik novějších typů vláken z organických polymerů. Aramidová vlákna Od ostatních syntetických organických vláken se liší vysokým Youngovým modulem v tahu, vyšší tepelnou odolností dlouhodobě C - a většinou vysokou pevností. Vyrábějí se asi 20 let a nyní je známo mnoho typů (Kevlar, Nomex). Na rozdíl od skleněných a jiných anorganických vláken jsou aramidová vlákna dobře zpracovatelná běžnými textilními postupy. 28

29 Používají se např. k výrobě kompozitů, filtrů pro horký vzduch, dopravníků v pojících komorách, nehořlavých potahů, pneumatik, technických tkanin, lan, ochranných oděvů. Příkladem postupu výroby a struktury aromatických polyamidů je syntéza poly-mfenylenizoftalamidu z m-fenylendiaminu a dichloridu kyseliny izoftalové O O n H 2N N2H + n Cl C C Cl HCl NH NH CO CO n Základem vysoké pevnosti a tepelné odolnosti vláken je vysoká koncentrace sekundárních mezimolekulových vazeb založených na vazbě vodíkovým můstkem a interakcí elektronových systémů aromatických jader. Aromatické polyamidy nejsou tavitelné, k přípravě vláken se používá zvlákňování za mokra - z roztoku koncentrované kyseliny sírové - nebo za sucha - z roztoku dimetylacetamidu s následným odpařením rozpouštědla. Polyimidová vlákna Mají podobné vlastnosti a oblasti využití jako vlákna aramidová. Jsou levnější, tvarovatelná, nehořlavá a mají nižší měrnou hmotnost. Při jejich tepelném rozkladu nevznikají toxické látky. Na trhu se objevila později než aramidová vlákna. Mají vysokou teplotu T g =315 C a tepelnou odolnost do C. Zvlákňují se podobně jako aramidy. Příklad jejich chemického složení je následující O O O C C C -N N- R - n C C O O CH 3 CH 3 kde R = nebo 29

30 Vysokopevná polyetylenová vlákna Jsou výsledkem základního výzkumu v 70. letech. Vznikají zvlákňováním gelu polyetylenu s extrémně vysokou molekulovou hmotností (~= 1,6. 10). Takový polyetylen by vzhledem k vysoké viskozitě taveniny nebylo možno zvláknit běžným postupem. Zvlákňuje se proto gel polyetylenu v dekalinu do vodní lázně a následně za tepla dlouží. Díky vysoké molekulové hmotnosti vzniká dokonalá vysoce orientovaná struktura, která dává vláknům pevnost a modul přibližující se teoretickým hodnotám vypočítaným z pevnosti vazeb C-C. Teoretické hodnoty pro různé typy organických polymeru jsou podle různých literárních údaj u E = GPa a F = GPa. Teplota tání, nízká měrná hmotnost, odolnost vůči vodě, nízký koeficient tření a nízké botnání vláken jsou typické pro polyetylen. Vlákna se používají jako výztuž kompozitu, na lodní plachty, rybářské sítě a námořní lana. Využívá se zde dobrá odolnost vůči únavě opakovaným namáháním. Další typy speciálních vláken nalezne čtenář ve specializované literatuře. E-modul Pevnost Hustota Vlákna mn/dtex GPa mn/dtex GPa kg/m3 Viskózová ,9-9, ,22-0, Polyetylentereftalátová ,5-1, Polyamid ,3-4, ,5-1, Polypropylenová ,3-6, ,4-0,6 910 Slkeněná , Whiskery Uhlíková ,7-3, Ocelová 200 2,8-4, Borouhlíková ,07-2, Aramidová , PE-vysokopevná Tab. 2: Moduly pružnosti, pevnost a měrná hmotnost vláken 30

31 Pojiva pro výrobu netkaných textilií Pojivo je jednou ze dvou základních složek pojených textilií. Forma pojiva a jeho vlastnosti předurčují technologii a podmínky procesu pojení způsob rozmístění pojiva ve vlákenné vrstvě a tím zčásti strukturu textilie mechanické vlastnosti a chemickou odolnost výrobku Formy pojiv Formou pojiva se rozumí jeho forma fyzikální (roztok, disperze, pěna, pevná látka) nebo geometrická. Z tohoto hlediska rozlišujeme pojiva v následujících formách: roztoky polymerů - ve vodě - v organických rozpouštědlech - vodné disperze polymeru - zpěněné vodné disperze polymeru - pasty - tuhé polymery v podobě - prášku - vláken - nití - síťovin - folií - vrstev z termoplastických vláken (např. vyrobených pod hubicí) Vodné disperze polymeru Disperze je nejpoužívanější formou chemických pojiv. Jejich hlavní výhodou je vysoká koncentrace pojiva v disperzi (až 55 hmot. %) při nízké viskozitě. Vysoká koncentrace snižuje dopravní a manipulační náklady a množství vody, kterou je třeba v konečné fázi výroby odstranit z textilie. Nízká viskozita je předpokladem snadného transportu k vlákenné vrstvě a mezi vlákna. Disperze polymeru se vyrábějí v několika závodech, např. Chemické závody Sokolov, Chemické závody Nováky, Duslo Šala, Petrochema Dubová a v dalších. Základní pojmy Disperze je soustava sestávající z homogenní fáze a rozptýlených částic. Homogenní fází je v našem případě voda, částice sestávají z polymeru nebo kopolymeru. Typický průměr částic v disperzích pojiv je 0,1-1 mikrometr. Další nutnou složkou disperze je povrchově aktivní látka (tenzid) zajišťující její stabilitu tím, že brání vzájemnému spojování částic. Koagulace je proces rozpadu disperze cestou spojování částic. 31

32 Tento proces se uměle vyvolává po rozmístění disperze pojiva ve vlákenné vrstvě a vede ke zpevnění pojiva a celé textilie. Disperze vznikají přímo v procesu emulzní polymerace nebo (v některých speciálních případech) dispergací polymeru v kapalině. Tenzidy Povrchově aktivní látky - tenzidy - zde také emulgátory - jsou látky snižující povrchové napětí na rozhraní dvou vzájemně se nemísících složek. Tenzidy využívané ve vodných systémech mají molekuly složené ze dvou částí: hydrofilní, rozpustnou ve vodě a hydrofobní, prakticky nerozpustnou. Tenzidy se dělí na neionogenní - nedisociující ve vodě a ionogenní - disociující. Hydrofilní a hydrofobní skupiny neionogenních tenzidů se střídají v jejich molekulovém řetězci. Příkladem je polyalkylenoxid - R - O - R - O - R - O - kde R je uhlovodíkový řetězec představující hydrofobní část řetězce a kyslík je jeho hydrofilní část. Ionogenní tenzidy se dělí na anioaktivní a kationaktivní podle toho, zda disociací ve vodě vytvářejí aniont nebo kationt. Příkladem anionaktivního tenzidu je sodná sůl organické kyseliny R COONa H2O R - COO (-) + Na (+) R - uhlíkový řetězec. Příkladem kationaktivního tenzidu je alifatický amin R - NH 2 + H 2 O R NH 3 (+) + OH (-) Tenzidy se díky rozdílné afinitě svých skupin k oběma nemísitelným složkám disperze koncentrují na fázovém rozhraní těchto složek a snižují jejich vzájemné povrchové napětí. Disperzní stav Schematicky je disperze znázorněna na obr. 8. částice polymeru jsou pokryty molekulami tenzidu, které jsou orientovány svými hydrofilními skupinami směrem k vodě. část hydrofilních skupin je disociována a díky tomu je povrch částic elektricky nabitý. Tím se částice vzájemně odpuzují, čímž je zajištěna stabilita disperze. 32

33 Obr.9.: Schema disperze polymeru ve vodě Koaqulace Koagulace je rozpad disperze spojením jejích částic. Koagulaci lze vyvolat několika postupy: a) Odstranění vodné fáze, např. jejím odpařením, b) Zvýšením kinetické energie částic polymeru natolik, že částice jsou schopny překonat odpudivé síly a spojit se. Toho lze dosáhnout u některých labilních disperzí silným zahřátím nebo mechanickým namáháním, např. intenzívním mícháním, c) Zábranou disociace molekul tenzidu, t.j. ztrátou náboje částic. Toho lze dosáhnout ci) Zmrazením disperze c2) Zábranou disociace úpravou ph Př.: přidáním silné kyseliny v případě anionaktivního tenzidu R - COO (-) + H + RCOOH c3) vytvořením nedisociovatelných nerozpustných sloučenin z tenzidu Př.: přidáním solí dvou-,tří- nebo čtyřmocných kovů, které tvoří s karboxylovými skupinami nerozpustné a nedisiciovatelné soli: 3 R - COO - + A1 3+ (RCOO-) 3 Al 2 R - COONa + CaC1 2 (RCOO-) 2 Ca + NaCl d) Termosenzibilizátory Jsou to sloučeniny způsobující svou přítomností koagulaci disperze při jejím zahřátí pod teplotu varu (40 95 C) podle typu a koncentrace. Existují termosenzibilizátory několika typů a mechanismus jejich účinku není vždy zcela jasný. 33

34 d1) Termolabilní anorganické komplexní sloučeniny, které se zahřátím rozpadají a mění ph prostředí. Př.: Zn(NH 3 ) 2 Cl 2 ZnCl NH 3 d2) Organické sloučeniny, které mají 'afinitu k povrchu částic disperze a jejichž rozpustnost ve vodě klesá se vzrůstající teplotou. Příkladem je polyvinylmetyleter a organopolysiloxany (výrobek Koagulant K fy Bayer, SRN) Důležitými vlastnostmi disperzí z hlediska zpracování a tvorby struktur netkané textilie je jejich viskozita a povrchové napětí. Viskozita disperzí Viskozita jako míra odporu kapaliny vůči toku se definuje rovnicí dv σ = η dx [ Pa.s] (6) kde σ je tečné napětí působící na jednotkovou plochu při vzájemném posunu dvou paralelních vrstev kapaliny /Pa/ dv - rozdíl rychlostí vrstev /m.s -l / dx - vzdálenost vrstev /m/. Na obr. 10 je uvedena typická závislost viskozity roztoků a disperzí polymerů na koncentraci polymerů. Z obrazu vyplývá, že viskozita disperzí je velmi nízká, prakticky se blížící viskozitě vody i při koncentraci pevné fáze hmot. %. Naopak u roztoků vzrůstá viskozita řádově často již při koncentracích pod 1 hmot. %. Obr. 10.: Závislost viskozity roztoků (1) a disperzi (2,3,4) polymerů na koncentraci polymeru (hmotnostní zlomek) 34

35 Povrchové napětí Povrchové napětí kapaliny je důsledkem přitažlivých sil mezi molekulami. Jak vyplývá z obr. 10, je vektorový součet mezimolekulových sil působících na molekulu a) nulový, zatímco výslednice těchto sil působících na molekulu b) u povrchu částice vtahuje molekulu do vnitřku částice. Výsledkem toho je snaha kapalin zaujmout tvar s minimálním povrchem, t.j. tvar koule. Ke zvětšování povrchu kapaliny je tedy nutno působit silou a zvětšování povrchu je spjato se zvýšením energie částice, tzv. povrchové energie. Obr. 11.: Schema k pojmu povrchové napětí. a- molekula uvnitř, b - molekula u povrchu Obr.12.: Schema k odvození síly způsobené povrchovým napětím 35

36 Na obr. 12 je znázorněn rámeček s pohyblivou stranou AB a blána kapaliny. Síla F, kterou je nutno vynaložit ke zvětšení povrchu, je úměrná povrchovému napětí a vzdálenosti AB = s F(N) = s (m). γ (N.m -1 ) (7 ) Povrchová energie je práce, kterou je třeba vynaložit na zvětšení povrchu kapaliny o plošnou jednotku F d s γ d E = = = γ (8) s d s d Jednotkou povrchové energie je J.m -2 a její číselná hodnota je rovná γ. Dosud jsme se zabývali úvahami o podstatě povrchového napětí založenými na představě kapalné fáze obklopené druhou fází, kterou může být plyn, jiná nemísitelná kapalina nebo tuhá látka. Prakticky se však setkáváme se soustavami třech různých fází, pevné, kapalné a plynné (např. vnitřní povrch kapiláry, kapalina, vzduch) - viz obr. 13. Jestliže je v této soustavě povrchové napětí mezi pevnou a plynnou fází větší než mezi pevnou a kapalnou fází, bude snaha soustavy zvětšovat povrch pokrytý kapalinou na úkor povrchu pevná látka - vzduch. Kapka bude mít snahu smáčet větší povrch, úhel α se bude zmenšovat. Právě úhel α je mírou smáčivosti (úhel smáčení), přičemž platí Youngova rovnice cosα = γ PV γ γ KV PK (9) Obr.13.: Tvar kapky na pevném povrchu 36

37 Povrchové napětí je podstatné pro způsob rozmístění disperze pojiva ve vlákenné vrstvě, pro zušlechtovací procesy i pro transportní jevy spojené s fyziologickými vlastnostmi textilií. Lze je ovlivnit použitím tenzidů a úpravou povrchových vlastností vláken. Neipoužívaněiší polymery a kopolymery ve formě disperzí Pojiva se volí podle požadovaných vlastností výrobků a podle ceny. Základními vlastnostmi pojiv jsou - adheze k pojenému vlákennému materiálu - mechanické vlastnosti (pružnost, tažnost) - odolnost v podmínkách, kterým bude textilie vystavena (chemická odolnost, praní, chem. čištění, povětrnostní vlivy, stárnutí, teplota) Kopolymery butadien-styren (SBR) Vlastnosti jsou ovlivňovány poměrem obou monomerů. Styren přispívá k tvrdosti a pevnosti, butadien tažnosti. Nevýhodou těchto pojiv je nižší odolnost v ohybu a vůči stárnutí, výhodou příznivá cena. Využívají se k výrobě technických textilií a koberců jako součást rubového zátěru. Polyakrylátové kopolymery Vedle NBR kopolymerů jde o nejvýznamnější disperzí pojiv skupinu. Vyrábí se v chemických závodech Sokolov. Polyakryláty představují širokou škálu výrobků, jejichž vlastnosti lze v širokém měřítku ovlivňovat složením a to co se týče - typu kyseliny (akrylová, metakrylová) - typu derivátu této kyseliny (estery s různým typem řetězce, amidy, nitrily). Kromě toho dává kopolymerace několik možností přípravy síťovatelných sloučenin. Polybutadien-akrylonitrilové kopolymery (NBR) Představují nejkvalitnější pojiva z hlediska pružnosti, odolnosti v ohybu, vůči povětrnosti a chemikáliím. Vlastnosti lze v široké míře měnit poměrem akrylonitrilu, který dodává tvrdost a odolnost vůči chemikáliím,a butadienu. U nás se používají dovážené NBR disperze k výrobě kvalitnějších typů oděvních a obuvnických NT. Polyvinylacetát Disperze často s obsahem změkčovadla (dibutylftalát apod.) se používají k výrobě NT pro filtraci. Pojivo je méně odolné vůči organickým rozpouštědlům. Častěji se používají kopolymery vinylacetátu s různými komponenty jako je vinylchlorid nebo etylen (EVA kopolymery). 37

38 Polyuretanové disperze Připravují se dispergací předaduktů polyuretanů, t.j. polyizokyanátů a dvojsytných alkoholů. Dokončení reakce pak probíhá ve formě disperze. polyuretanové disperze jsou dražší než jiná pojiva připravená emulzní polymerizací. Používají se k výrobě kvalitních materiálů jako jsou usňové obuvnické materiály a k úpravám textilií. Pokračující výzkum polyuretanových disperzí si klade za cíl odstranit dosavadní používání roztokových systémů. Strukturní jednotky různých kopolymerů CH CH = CH 2 CH 2 butadien C H CH 2 Φ styren (vinylbenzen); Φ - benzenové jádro C H CH COOH 2 kys. akrylová CH C H CH 2 3 COOH kys. metakrylová C H CH 2 C = O O butylakrylát C 4 H 9 38

39 C H CH CN 2 akrylonitril C H CH 2 C = O akrylamid N H 2 C H CH 2 O vinylacetát O = C CH 3 C H CH Cl 2 vinylchlorid CH 2 CH 2 etylen Reakce vedoucí ke vzniku polyuretanů: HO R1 OH + O = C = N R N = C = O HO R1 O C N R N = C = O O H 39

40 Síťování polymerů Cílem síťování je příprava polymerů s trojrozměrnou strukturou. sítování zvyšuje tvrdost, adhezi pojiva k vláknům, odolnost vůči teplu, praní" rozpouštědlům a povětrnostním vlivům, omezuje plastické chování a lepivost a stabilizuje výrobky. Sítování je operace zařazovaná za sušení a realizuje se ohřátím výrobku na C po dobu 1-5 minut. Z chemického hlediska lze síťování uskutečnit celou řadou postupů. Míra změny vlastností polymerů síťováním závisí na koncentraci vytvořených příčných kovalentních vazeb. Obvykle se vytváří 1 příčná vazba na strukturních jednotek v řetězci makromolekuly. Dále uvedeme několik nejpoužívanějších postupů. Nejprve postupy spočívající v přidání reaktivní síťující složky k disperzi. a) Využití dvojných vazeb v dienových polymerech pro reakci se sírou (vulkanizace kaučuku) CH = CH + S x + CH = CH C = CH S x C H = CH 2 b) Při kopolymerizaci se přidá asi 1 mol.% kys. akrylové. Řetězce pak obsahují reaktivní karboxylové skupiny. Ty tvoří nedisociované vazby s ionty vícemocných kovů COOH + Z + n O COOH H 2 O C = O O Zn O C = O případně reagují s N-metylolovými nebo N-alkoxymetylolovými skupinami síťující sloučeniny 40

41 COOH + HO CH 2 N COO CH 2 t H2O COOH + RO CH 2 N COO CH 2 t ROH N N Příkladem takové síťující sloučeniny je hexakismetoxymetylmelamin, vyráběný u nás pod názvem MH-pryskyřice. CH CH 3 3 O CH O CH 2 2 N - N N N - N CH CH 3 3 O CH O CH 2 2 CH 3 O CH 2 N CH 2 O CH3 Jiné postupy jsou založeny na eliminačních reakcích labilních skupin zavedených do polymeru při jeho výrobě. Takové kopolymery se nazývají samosíťující systémy a jejich sítování se vyvolá pouhým zahřátím CONH CH OH CONH CH OH 2 2 O H 2 CH 2 O CONH CH 2 CONH Problémem takovýchto systémů je dodnes uvolňování jedovatého formaldehydu. 41

42 Zpěněné vodné disperze Pěna je disperzní dvoufázový systém složený z plynu rozptýleného v kapalné nebo pevné fázi. Použití zpěněných pojiv přináší z hlediska výroby a vlastností textilií (a stejně tak při zušlechťovacích procesech) řadu výhod, zejména: nižší obsah vody v objemu pojiva potřebném k rovnoměrnému rozvrstvení po celé ploše textilie úsporou energie při sušení snížení míry migrace pojiva k povrchu v průběhu sušení a jemnější rozptýlení pojiva v objemu textilie, což vede k lepšímu využití pojiva z hlediska soudržnosti vláken (vyšší pevnost), k nízké ohybové tuhosti, nízkému počátečnímu modulu, vyšší prodyšnosti a lepšímu omaku. Jemně rozptýlený plyn tvoří v pěně bublinky s velkým měrným povrchem. S velkým povrchem souvisí vysoká hodnota povrchové energie a s tím související nestabilita pěny. Podmínkou existence pěny je snížení povrchového napětí a povrchové energie kapalné fáze vůči plynu účinkem povrchově aktivních látek. V každém případě jsou však pěny nestabilní systémy. Mechanismus jejich rozpadu spočívá ve stékání kapaliny tvořící blány mezi bublinami působením gravitace. Tím se blány ztenčují. Při určité kritické tloušťce blána praskne a sousední bubliny se spojí. plyn Obr.14.: Schema pěny 42

43 Na obr. 14 je znázorněn základní strukturní segment pěny a šipkami vyznačeno stékáni kapaliny. Rychlost rozpadu pěny je dána rychlosti vytékáni kapaliny, která je určena vztahem 2 Q g ε v = (10) η kde Q je měrná hmotnost kapaliny g tíhové zrychleni ε tloušťka blány kapaliny η viskozita kapaliny. Ze vztahu vyplývá možnost snížení rychlosti rozpadu pěny zvýšením viskozity kapalné složky, např. rozpuštěním makromolekulární látky (záhustka). Pěny se připravuji nejčastěji mechanickým směšováním kapaliny a plynu, které jsou dávkovány do mixeru (obr. 69). Poměrem dávkováni obou složek je určen stupeň napěněni. Plyn a kapalina s rozpuštěnou povrchově aktivní látkou se mísí působením střižních sil lopatek statoru a rotoru mixeru. Stupeň napěněni je definován vztahem V = V V P K (11) kde V P je objem pěny V K je objem kapaliny před zpevněním. Odolnost pěny vůči rozpadu - stabilita pěny se experimentálně stanoví v odměrném válci jako závislost objemu pěny na čase podle vztahu S = V t V 0 t (12) kde V t je objem pěny v čase t V 0 je objem pěny po zpěnění Pasty Pasty jsou vysoce koncentrované viskózní disperze pojiv. Mohou to být Zahuštěné vodné disperze pojiv s viskozitou Pa.s Plastisoly, např. směsi PVC - kopolymerizátů ve formě prášku se změkčovadly (např. dioktylftalát) Vodné pasty s obsahem práškových kopolymerizátorů, např. kopolyamidů. 43

44 Příkladem takové pasty je 35 dílů zahuštovadlo dílů voda dílů kopolyamidový prášek, zrnění mikronů 8-12 dílů dispergátor a stabilizátor. Výhodou past je jejich snadná manipulovatelnost, možnost nanášení různými technikami - tiskem, raklí - dobrá stabilita (oproti disperzím), možnost přidání aditiv a přesného bodového nánosu (oproti prášku) Roztoky polymerů Pojiva ve formě roztoků se pro výrobu pojených textilií používají jen výjimečně, a to většinou v případech, kdy není k dispozici disperze. Důvodem toho je a) Vysoká viskozita roztoků polymerů (viz obr. 7). Důsledkem je nutnost použití roztoků nízkých koncentrací a odstraňování relativně velkého množství rozpouštědla. b) Toxicita nevodných rozpouštědel. Vodné roztoky lze využít jen výjimečně, protože pojiva rozpustná ve vodě nevedou k výrobkům odolným v praní. Příkladem roztoku, který je využíván jako pojivo je roztok polyuretanu v dimetylformamidu Termoplastická pojiva Pojiva v různých formách, jak jsou uvedeny v kap , jsou homopolymery nebo kopolymery. Nejběžnějšími typy sou: polypropylen, polyetylen, kopolyestery, kopolyamidy. Typ pojiva Teploty tání ( C) Formy POP 155 Vlákna, bikomponentní vlákna POE Prášek, vlákna kopolyester Vlákna, bikomponentní vlákna kopolyamid Prášek 44

45 II. Technologická část Technologická část skript bude sledovat linii ( obr.15 ) výroba netkaných textilií ze staplových vláken příprava vlákenných surovin přímými metodami (pod tryskou) tavení polymeru příprava vlákenných vrstev zpevnění vlákenných vrstev úpravy ořezávání, nabalování, adjustace Obr.15.:Výroba netkaných textilií Příprava vlákenných surovin, otevírání balíků, dávkování, rozvolňování, mísení a špikování jsou důležité operace, které v rozhodující míře ovlivňují kvalitu výrobku. Přesto je v tomto textu vynecháváme vzhledem k tomu, že jsou probírány v jiných předmětech, zejména přádelnictví. Stejně tak poslední část - ořezávání, nabalování, adjustace, ponecháváme do specializace Příprava vlákenných vrstev V dalších kapitolách budou vysvětleny nejdůležitější postupy přípravy vlákenných vrstev. Jednotlivé postupy se vyznačují různou produktivitou a vlastnostmi vytvořené vrstvy, zejména objemností, rovnoměrností a orientací vláken, z níž plynou vlastnosti výrobků Mechanické způsoby přípravy vlákenných vrstev Mechanické způsoby spočívají ve vytvoření vlákenné pavučiny a v jejím vrstvení. 45

46 Příprava vlákenné pavučiny K přípravě vlákenné pavučiny se využívá mykacích strojů, případně mykacích zařízení vyvinutých speciálně pro výrobu netkaných textilií. Běžně jsou využívány klasické mykací stroje víčkové (bavlnářské) a válcové (vlnařské). Častěji se používají vlnařské stroje pro svou větší šíři - 1,5-3,5 m a vyšší výkon. starší vlnařské stroje jsou konstruovány pro výkony kg/hod, novější pro kg/hod. Oproti tomu bavlnářské stroje zpracují 5-30 kg/hod. Základem vlnařského mykacího stroje (obr.16) je soustava válců opatřených drátkovými nebo pilkovými pracovními povlaky. Drátky, resp. hroty pilkových povlaků jsou na válcích ve vzájemném postavení (obr. 17) na mykání (tambur - pracovní válec), na snímání (obraceč - pracovní válec) nebo povytažení (volant - tambur). Obr.16.: Schema válcového mykacího stroje PRACOVNÍ VÁLEC OBRACEČ VOLANT TAMBUR PRACOVNÍ VÁLEC TAMBUR Obr.17.: Vzájemné postavení pracovních potahů mykacího stroje včetně vyznačení rychlostí 46

47 Obr.18.: Drátkové pracovní povlaky mykacího stroje Drátkové pracovní povlaky (obr. 18) se vzájemně liší typem a tloušťkou drátků, jejich tvarem a počtem drátků na jednotku plochy potahu. Pilkové povlaky (obr. 19) se používají ve stále větší míře pro svou vyšší životnost. a) h 3 h 2 h 1 α a 1 b) c) Obr.19.: Pilkové mykací povlaky a) s vinutím do drážky, b) uzavírací, c) zaklíněné Pilkové povlaky se dělí na povlaky s vinutím do drážky a na samosvorné, buď zavírací nebo zaklíněné. Pilkový drát prvního typu se zatlačuje do drážky na mykacích válcích. Opakovaná výměna drátů vede k poškozování drážek. Uložení v drážce je však pevnější a využívá se u více namáhaných povlaků, např. u vstupních ústrojí. Účinek mykacího zařízení je tím vyšší, čím je větší počet pracovních drátků či hrotů na plochu, čím větší je rozdíl obvodových rychlostí tamburu a pracovních válců a čím je těsnější sesazení pracovních povrchů. 47

48 Účinek závisí i na typu a povrchové úpravě vláken, tvaru pracovních hrotů a řadě dalších okolností. Zařízení se většinou osazují a seřizují tak, že účinek ve směru zpracovávání vzrůstá, to znamená, že mezery mezipovrchy jsou čím dálemenší a pracovní hroty jemnější a hustší. Jemnost mykacích povlaků souvisí zejména s jemností zpracovávaných vláken. Zpracování jemných vláken hrubšími povlaky vede k tvorbě nopků v pavučině. Naopak hrubá vlákna působí rychlejší poškozování jemných povlaků. Vyšší intenzita mykání, daná bud těsnějším sestavením tamburu a pracovních válců nebo zvýšením rozdílu jejich obvodových rychlostí, t.j. obvykle zmenšením rychlostí pracovních válců vede ke zvýšení ojednocovacího efektu a jednosměrné orientace vláken a na druhé straně k vyššímu namáhání povlaků, převodových mechanismů a motorů. Typický příklad vzájemného sestavení válců dvoububnového mykacího stroje: Vzdálenost povlaků /mm/ První tambur - první pracovní válec 2,0 druhý pracovní válec 1,5 třetí pracovní válec 1,0 čtvrtý pracovní válec 0,8 obraceče 0,5 Pracovní válce obraceče 0,5 První tambur - první snímač 0,3 Přenašeč - druhý tambur 0,4 Druhý tambur - první pracovní válec 1,0 druhý pracovní válec 0,8 třetí pracovní válec 0,5 čtvrtý pracovní válec 0,4 obraceče 0,5 Pracovní válce obraceče 0,5 Druhý tambur - druhý snímač 0,3 Snímač - sčesácaví hřeben 0,5 Pro vztah typu zpracovávaných vláken a typu mykacích povlaků neexistují jednoznačná pravidla. Uživatel tuto otázku obvykle řeší konzultací s výrobcem potahů. Podstatou funkce klasického válcového mykacího stroje je postupné ojednocování vláken a jejich uspořádání převážně ve směru vystupující pavučiny. Takové uspořádání vláken se 48

49 nazývá anizotropické. Jeho důsledkem jsou rozdílné vlastnosti pavučiny i vlákenné vrstvy vzniklé jejím vrstvením v různých směrech Vrstvení vlákenné pavučiny Podélné vrstvení Vlákenná pavučina, vystupující ze zařízení popsaných v předchozí kapitole, má plošnou hmotnost obvykle 5-30 g.m -2. Tuto pavučinu lze vést přímo ke zpevňujícímu zařízení. Tím se získá lehká netkaná textilie. Při uspořádání několika strojů za sebou je možno jednotlivé pavučiny podélně vrstvit a násobit tak plošnou hmotnost výrobku. Taková uspořádání (obr. 20) se využívají k v~robě pojených textilií nízkých plošných hmotností, do 100 g/m. Častějším způsobem přípravy vlákenné vrstvy je tzv. příčné kladení pavučiny na odváděcí pás. Odváděcí pás se pohybuje ve směru kolmém ke směru přívodu pavučiny. a) b) Obr. 20.: Uspořádání mykacích strojů při podélném vrstvení pavučin, dvě varianty: 1 -mykací stroj, 2 -pavučina, 3 -odváděcí dopravník 49

50 Příčné kladení Na obr. 21 a 22 jsou schematicky znázorněny dva nejpoužívanější typy příčných kladečů. Méně používaný výkyvný vertikální kladeč (camel-back)na obr. 21 se skládá z přívodního dopravníku pavučiny a dvojice společně výkyvných pásů ukládajících pavučinu do vlákenné vrstvy složené ze šikmých skladů na odváděcím dopravníku. Používanější horizontální kladeč (obr. 22) se skládá z přiváděcího pásu, výkyvného ukládacího pásu a výkyvného kompenzačního pásu. Úhel křížení pavučiny v příčně vrstveném vlákenném rounu je dán rychlostí pohybu ukládacího pásu a odváděcího pásu. Plošná hmotnost vytvořeného rouna závisí na plošné hmotnosti přiváděné pavučiny, její postupné rychlosti, šířce vytvářeného rouna a rychlosti jeho odvodu. Ponechávám na čtenáři, aby si odvodil příslušné jednoduché vztahy, které jsou základem technologických výpočtů. 4 Obr.21.: Vertikální příčný kladeč pavučiny: 1 - pavučina z mykacího stroje, 2 - přiváděcí dopravníky, 3 - dvojice výkyvných kladecích pásů 4 - odváděcí dopravník 50

51 a b c d f e Obr.22.: Horizontální příčný kladeč pavučiny: a) pavučina, b) kladecí dopravník, c) kompenzační dopravník, d) kladecí dopravník, e) odváděcí dopravník, f) příčně vrstvené rouno Kolmé kladení Výroba vlákenných vrstev kolmým kladením pavučiny patří k nejnovějším průmyslově využívaným technologiím v oboru netkaných textilií. Byla vyvinuta na katedře netkaných textilií VŠST v Liberci v letech Cílem vývoje této technologie byla snaha připravit vlákenné vrstvy s vyšší odolností vůči stlačení. S tloušťkou textilie, která je v podmínkách praktického použití funkcí stlačení (použití v čalounickém a nábytkářském průmyslu, v oděvech, spacích pytlích atd.), souvisí přímo některé její užitné hodnoty jako je výplňová a měkčící schopnost, tepelně izolační vlastnosti a jiné. zvýšení odolnosti vůči stlačení se u kolmo kladených textilií dosahuje tím, že vlákna jsou ve vrstvě orientována převážně kolmo k rovině textilie. Vlákna jsou pak v průběhu stlačování namáhána spíše na vzpěr než na ohyb, na rozdíl od vrstev s převážně horizontálně uloženými vlákny (vysvětlení viz nauka o pružnosti materiálů). 51

52 5 Obr.23.: Vibrační kolmý kladeč pavučiny: 1 - pavučina z mykacího stroje, 2 - kladecí pilka, 3 - dopravník teplovzdušné komory, 4 - kolmo kladená vlákenná vrstva, 5 - pěchovací lišta, 6 - drátový rošt, 7 - tvořící válec, 8 - kryt teplovzdušné pojící komory, 9 přiváděcí plech Pro výrobu vlákenných vrstev kolmým kladením byla vyvinuta dvě zařízení. U tzv. vibračního kolmého kladeče (obr. 23) je shora přiváděná pavučina stahována vibrující pilkou k pohybujícímu se dopravníku. Tím se vytvoří sklad pavučiny, který je z hrany pilky sejmut soustavou hladkých jehel, umístěných na spřaženě vibrující pěchovací liště. Sejmutý sklad je pěchovací lištou doražen k vlákenné vrstvě tvořící se a postupující mezi dopravníkem a drátovým roštem. Dopravník s vlákennou vrstvou prochází teplovzdušnou pojící komorou, kde je vrstva zpevněna roztavením podílu termoplastických pojivých vláken a jejich přeměnou na pojivo (viz kap ). Druhým zařízení pro kolmé kladení je tzv. rotační kolmý kladeč (obr. 24). Vlákenná pavučina je přiváděná k soustavě pracovních kotoučů, jejichž hroty je formována do vlákenné vrstvy tvořené kolmými sklady. Sklady jsou snímány z hrotů soustavou drátů roštu, umístěných mezi jednotlivými pracovními kotouči. Následuje zpevnění vrstvy postupem, který byl popsán u vibračního kladeče. 52

53 7 Obr.24.: Rotační kolmý kladeč pavučiny 1 - pavučina z mykacího stroje, 2 - pracovní kotouč, 3 - hrot pracovního kotouče, 4 - kolmo kladená vlákenná vrstva, 5 - drátový rošt, 6 - dopravník pojící komory, 7 - přiváděcí plech, 8 - kryt pojící komory Aerodynamická výroba vlákenné vrstvy Při aerodynamické tvorbě rouna je vlákenná surovina rozvolněna rychle se otáčejícím škubacím válcem opatřeným pracovním povlakem. Vlákna jsou z tohoto válce snímána kombinovaným účinkem odstředivé síly a přiváděného proudu vzduchu. Tímto proudem jsou unášena a ukládána na pohybujícím se sítovém dopravníku. Příklad zařízení pro aerodynamickou tvorbu rouna je na obr. 25. Na rozdíl od mechanických způsobů popsaných v předchozí kapitole vzniká tímto postupem vlákenná vrstva, v níž jsou jednotlivá vlákna v podstatě nahodile orientována. Z toho vyplývá menší rozdíl vlastností rouna v jednotlivých směrech. Při výrobě objemnějších vrstev se vlákna neukládají horizontálně, ale šikmo a tvoří tak typickou vrstevnatou nebo šupinatou strukturu (obr. 26). Aerodynamický způsob výroby vlákenné vrstvy má několik charakteristických výhod a nevýhod. Mezi výhody patří zejména izotropický charakter výrobku a menší rozdíly ve vlastnostech v příčném a podélném směru. Technologie umožňuje široký rozsah plošných hmotností a výrobu objemných vrstev. 53

54 Obr.25.: Zařízení pro aerodynamickou tvorbu rouna: 1 - kondenzor pro přívod vlákenného materiálu, 2 - škubací válec, 3 - kondenzor pro tvorbu vlákenné vrstvy, 4 - ventilátor, 5 - vlákenná vrstva Obr.26.: Uspořádání vrstev vláken v objemném aerodynamicky vytvořeném rounu Za nevýhody lze považovat a) Nízký stupeň ojednocení vláken škubacím válcem. b) Možnost zaplétání jednotlivých vláken v proudu vzduchu. c) Nerovnoměrné proudění vzduchu, zvláště v okolí postranních stěn, které vede k rozdílné orientaci vláken vzhledem k šířce textilie. 54

55 Nevýhody a) a b) limitují výkon zařízení. Stupeň ojednocení lze zvýšit při nižším dávkování suroviny. Zaplétání vláken vede ke vzniku typické mrakovité struktury, která souvisí s plošnou nerovnoměrností rozložení vlákenné hmoty ve výrobku. Tu lze snížit zvýšením poměru vzduch/vlákna, tedy opět za cenu snížení výkonu zařízení. Aby se zamezilo zaplétání vláken v proudu vzduchu, je nutno pracovat s velmi nízkou koncentrací vláken, obvykle v rozmezí ,02 g vláken na 1 m3 vzduchu. Z toho vyplývá omezení výkonu a poměrně vysoká energetická náročnost procesu. Maximální koncentrace vláken souvisí podobně jako při hydrodynamickém způsobu výroby s jejich délkou a jemností podle vztahu Q V = 2 P L K D (13) kde QV je rychlost průtoku vzduchu / m 3 /min / P produkce zařízení / kg/min / L délka vláken / m / D jemnost vláken / dtex / K konstanta závislá na konstrukci stroje Mechanicko-aerodynamické postupy výroby rouna Dále popsaná zařízení byla vyvinuta specielně pro výrobu netkaných textilií. Jejich konstrukce byla vedena snahou vyrobit vlákenné vrstvy se strukturou blížící se izotropické, s vysokým výkonem a rovnoměrností. Tři níže uvedené principy jsou založeny na současném využití mechanických rozvolňovacích účinků, odstředivých a aerodynamických sil. Mykací stroj Wirrvlies (obr. 27) Od klasického mykacího stroje se liší konstrukcí a funkcí snímacího válce. U běžného válcového mykacího stroje se povrch snímacího válce pohybuje souhlasně s povrchem tamburu, ovšem menší rychlostí. Na funkční elementy pracovního povlaku se přitom navěšují vlákna povytažená drátky volantu. Přenos vláken je čistě mechanický a vede k převážně podélnému uspořádání vláken ve vznikající pavučině. Na rozdíl od toho se snímací povlak válce wirrvlies pohybuje proti směru povlaku tamburu (obr. 28) a to vysokou rychlostí (typicky tambur 1000 m/min, wirrvlies 1500 m/min). Prostor v okolí styčné linie obou povlaků je zakryt. Vlivem rychlého proti směrného pohybu povlaků v něm vzniká silné turbulentní proudění vzduchu. V součinnosti s odstředivou silou působící na vlákna způsobuje proud vzduchu přenos části vláken na povrch snímacího wirrvlies válce a to s víceméně náhodnou orientací. Vysoká rychlost snímacího válce je příčinou nízké koncentrace vláken na jeho povrchu. 55

56 Aby se získala pavučina reálné plošné hmotnosti, za snímacím válcem je zařazen 1 nebo více zhušťovacích válců (něm. Stauchwalze) otáčejících se nižší rychlostí. Obr.27.: Mykací stroj wirrvlies: 1 - Wirrwalze, 2 - snímací válec, 3 - zahušťovací válec ( Stauchwalze ) TAMBUR 1000 m/min WIRRWALZE 1500 m/min Obr.28.:Uspořádání tamburu a wirrwalze u mykacího stroje wirrvlies 56

57 Tříválcový princip Dále popsaná zařízení sestávají z více pracovních válců. Vlákenný materiál je mechanicky rozvolňován a současně přenášen z jednoho válce na druhý součinností odstředivých a aerodynamických sil. Elementární děj přenosu se odehrává v prostoru mezi každými třemi válci (obr. 28). Převažující směr přenosu je dán rychlostí otáčení jednotlivých válců a s tím souvisejícími odstředivými silami. Obr.29.: Proudění vzduchu mezi válci tříválcového mykacího zařízení Na vlákna působí síly odstředivé F o = R ω 2. m (14) kde R je poloměr válce ω = v/r úhlová rychlost válce m je hmotnost vlákna a proudění vzduchu QA 2 FV = v d L (15) 2 kde Q A v d L je hustota vzduchu rychlost povrchu válce průměr vlákna délka vlákna. 57

58 Sestava více válců je znázorněna na obr. 30. Obr. 30. : Sestava válců zařízení pracujícího s tříválcovým principem a schema přestupu vláken mezi jednotlivými válci Zařízení poskytuje vysoký výkon a vznikající vlákenná vrstva obsahuje vlákna přibližně rovnoměrně rozmístěná ve všech třech směrech. Rounotvořič K 21 firmy Fehrer Nejnovější vysokovýkonné zařízení firmy Fehrer je znázorněno na obr. 31. Sestává ze čtyř tamburů, z nichž každý pracuje v součinnosti s jedním párem pracovní válec - obraceč. Štěrbinami mezi jednotlivými tambury proudí vzduch takovou rychlostí, že strhává část vlákenného materiálu na sítový pás. Další část materiálu je přenesena na druhý tambur atd. Proces ukládání vláken na sítový pás se tak čtyřikrát opakuje. To vede k vysoké rovnoměrnosti vyrobeného rouna i při nízké plošné hmotnosti. Zařízení dává vysoký výkon 300 kg na metr šíře za hodinu i při výrobě lehkých roun 40 l00 g/m 2. 58

59 Výstupní rychlost rouna je m/min. Poměr příčné a podélné pevnosti u jednotlivých principů je následující: poměr pevností podél/napříč Klasický mykací stroj : 1 Mykací stroj s wirvlies válcem 3-4 : 1 K-21 0,9-1,5 : 1 1 Obr.31.: Rounotvořič K 21 fy Fehrer: 1 - přívod vláken, 2 - tambur, 3 - pracovní válec, 4 - obraceč, 5 - proud vzduchu, 6 - podtlak, 7 odváděcí sítový transportér Hydrodynamická výroba vlákenné vrstvy Výroba netkaných textilií hydrodynamickým neboli mokrým postupem je bezprostředně odvozena od postupů a zařízení výroby papíru. Proces se vyznačuje použitím drahých, rozměrných a vysoce výkonných zařízení (až 1000 m/min) výrobou méně objemných a lehčích textilií (do 100 g/m 2, lze však vyrábět textilie do plošné hmotnosti až 2500 gm -2 ) relativně vysokou energetickou náročností (transport velkého množství silně zředěných vlákenných disperzí, sušení). Ve světě je vyráběno mokrým procesem 5-10% NT. V ČR je v provozu jedna poloprovozní linka ve výzkumném ústavu Filpap Štětí a výrobní linka v papírně v Bělé p. Bezdězem. Využívají se pro výrobu speciálních textilií, např. vysoce účinných filtrů ze skleněných mikrovláken. 59

60 Součástí linek pro výrobu za mokra je i zařízení ke zpevnění vrstev. V případě výroby z celulózových vláken ke zpevnění dochází sušením, přičemž mezi povrchy vláken působí sekundární mezimolekulové síly. Při výrobě ze syntetických vláken se využívá pojiv, buď přimísených do výchozí vlákenné disperze nebo nanášených některým z postupů uvedených v kap Základními operacemi při mokrém způsobu výroby jsou: smočení a dispergace vláken ve vodě, transport vlákenné suspenze k pohybujícím se nekonečném sítovém pásu, tvorba vlákenné vrstvy na sítu filtrací suspenze, sušení, případně dodatečné zpevnění a povrchové úpravy. Rozdílná konstrukce zařízení pro výrobu netkaných textilií a papíru je vyvolána zejména potřebou vyrábět objemnější výrobky zpracovávat zředěnější suspenze vzhledem k použití delších vláken (viz dále). Vlákna pro výrobu mokrým způsobem Základními požadavky na vlákenné suroviny jsou jejich smáčitelnost vodou a schopnost tvořit disperzi. Pro mokrý proces se proto vyrábějí speciální vlákna nebo se alespoň upravují. Smáčitelnost jako funkce povrchového napětí vody vůči vláknům se zlepšuje použitím hydrofilních povrchových úprav pomocí vhodných preparací. Schopnost tvořit disperzi se zhoršuje se zvyšujícím sesklonem vláken k vzájemnému zaplétání. Tento sklon souvisí s poměrem délky a průměru vláken, který se vyjadřuje tzv. štíhlostním poměrem. L 100 L = (16) D T kde L je délka vláken v mm T t jemnost vláken v dtex, t stupněm a typem zkadeření vláken, kvalitou řezání (nepřekonatelné obtíže působí nekvalitně řezané vlákno s tzv. nedořezy, t.j. vlákny několikanásobně delšími než je deklarovaný stapl). Běžně používanými vlákny jsou přírodní vlákna (bavlna, vlna, kolagenová vlákna z usní) celulózová vlákna získaná chemickým procesem ze dřeva, délka 2-4 mm, průměr 0,02-0,07 mm; v mokrém procesu působí současně jako pojivo celulózová vlákna získaná zvlákňovacím procesem, 6-25 mm, 1,7-3,3 dtex syntetická vlákna různých typů včetně bikomponentních pojivých vláken, 6-25 mm (výjimečně do 35 mm), 1,7 6 dtex. 60

61 sk1eněná vlákna 6-50 mm, 0,009-0,018 mm nebo mikrov1ákna ca 0,002 mm asbestová vlákna. Vlákna se dispergují ve vodě mechanicky, nejčastěji mícháním. Připravují se disperze velmi nízkých koncentrací. To je vynuceno snahou vláken zaplétat se. Odvození vztahu mezi štíhlostním poměrem a maximální dostupnou koncentrací vychází z úvahy, v níž se každému vláknu v disperzi přiřadí prostor tvaru krychle tak, aby se v něm vlákno mohlo volně otáčet. Odvození ponechávám na čtenáři. V literatuře se pro tuto závislost uvádí vztah T C W = 1.9 L d 2 (17) kde C w T d L je kritická koncentrace suspenze, nad níž dochází k zaplétání vláken jemnost vláken (denier) délka vláken (mm). Typické koncentrace vláken ve vodné disperzi jsou 0,005-0,05 hmot. %. Z toho vyplývá velký objem vlákenné disperze, který je nutno filtrovat sítovým pásem pro výrobu hmotnostní jednotky textilie. Příklady zařízení pro tvorbu rouna z disperze jsou na obr. 32 a Obr. 32. : Zařízení se šikmým sítem pro tvorbu vlákenné vrstvy za mokra 1 - přívod disperze vláken, 2 - šikmé síto, 3 - odsávání vody, 4 odvodňování vlákenné vrstvy podtlakem, 5 - vlákenná vrstva 61

62 8 4 7 Obr. 33. : Zařízení Rotoformer pro tvorbu vlákenné vrstvy za mokra: 1 - přívod disperze, 2 - míchadlo, 3 - nátokový prostor, 4 - vlákenná vrstva, 5 - regulace hladiny 6 - odsávání vody, 7 - odvod vody, 8 - odvodňovací vrstvy V průběhu procesu naplavování se přivádí suspenze vláken k sítu. Přitom je důležitá konstantní, dobře vyregulovaná hladina suspenze v nátokovém prostoru. Odsávání vody přes síto je podporováno sacími skříněmi. Následuje ždímání vrstvy a její sušení, nejčasteji pomocí horkovzdušných strojů se sítovými bubny (viz kap ). Uložení vláken v rounu je v podstatě isotropické. Lze je však ovlivnit rychlostmi proudění, rychlostí síta, plošnou hmotností výrobku, geometrií nátokového prostoru atd. Typickými oblastmi použití naplavovaných textilií jsou: textilie pro zdravotnictví (pleny, sanitární zboží) a průmysl filtrační a těsnící materiály bateriové separátory vysoce pevné papíry a balící materiály výrobky pro jednorázové použití elektroizolační papíry 62

63 Příprava vlákenných vrstev z taveniny polymeru Technologie spun-bond Název technologie je odvozen z anglických výrazů zvlákňování a pojení. Do češtiny se tento název většinou nepřekládá. Někdy se používá označení "výroba pod hubicí". a b c d h Obr.34.: Typické schema výroby vlákenné vrstvy pod tryskou: a) tavenina polymeru, b) filtrační sítka, c) tryska zvlákňovací hubice, d) odtahová vzduchová tryska, e) šachta, f) výkyvná rozmítací destička, g) odsávání pod sítovým dopravníkem, h) sítový dopravník, i) vyrobená vlákenná vrstva 63

64 Jde o vysoce produktivní technologii vhodnou pro masovou výrobu. Podíl netkaných textilií vyráběných postupem spun-bond, který činil v západní Evropě v roce %, stoupl do roku 1990 na 42%. Techhnologie spun-bond se tedy podílí na nárůstu výroby netkaných textilií rozhodující měrou. Proces výroby textilií postupem spun-bond lze členit do následujcícch fází: tavení polymeru, který je předkládán ve formě granulátu zvlákňování pomocí zvlákňovacích trysek odtah od hubice, případně dloužení rozkládání filamentů na plochu pohybujícího se sítového dopravníku zpevnění vlákenné vrstvy ořezávání okrajů a navíjení. Příklad uspořádání výrobní linky je na obr. 34. K jednotlivým operacím: Část tavení a zvlákňování polymeru je prakticky totožná s technologií výroby vláken z taveniny syntetických polymerů. Materiálem pro výrobu jsou lineární vláknotvorné polymery. Nejvíce využívaným polymerem je polypropylen, zejména vzhledem k jeho nižší ceně. Pro některé typy výrobků se zvlákňuje polyester, řídčeji polyamid. Speciální textilie se mohou vyrábět pomocí zvlákňovacích trysek produkujících bikomponentní vlákna. V části tavení a zvlákňování odakzuji čtenáře v plné šíři na literaturu o výrobě vláken z taveniny a to co se týče typů polymerů a jejich důležitých vlastností, procesů tavení, transportu a filtrace polymeru, dějů ve zvlákňovací trysce a pod ní. Pod zvlákňovací hubicí se v procesu sopun-bond vlákna mohou odtahovat několika způsoby (obr. 35): gravitační silou (obr. 35, větev d), výsledkem jsou málo pevné textilie z nekonečnách vláken, vzduchovou odtahovací tryskou (obr. 35, větve b, c), výsledkem jsou textilie z částečně dloužených vláken se zbytkovou tažností obvykle %, galetami s případným dloužením mezi jedním nebo více páry galet (obr. 35, větev a), výsledkem jsou vysoce pevné textilie z vydloužených vláken. Vlákna po vychlazení, případně po vydloužení, je nutno rozložit rovnoměrně na plochu pohybujícího se dopravníku, na němž tak vzniká vlákenná vrstva. To se může uskutečnit několika způsoby: přímým ukládáním vláken z dostatečně široké zvlákňovací trysky (obr. 35, větev a), příkladem je výroba materiálu z nedloužených polypropylenových vláken Petex - Juta Úpice 64

65 elektrickým nabitím vláken ve vzduchové odtahovací trysce, které způsobuje vzájemné odtahování jednotlivých fibril (obr. 35, větev b) rozmítáním svazku vláken pod odtahovací vzduchovou tryskou výkyvnou destičkou (obr. 35, větev c) výkyvným pohybem odtahovací vzduchové trysky šanžírováním odváděcího dopravní ku odtahem a ukládáním v celé šiři (obr.35, větev e). e d c b a B C Obr.35.: Varianty odtahu a kladení vláken pod tryskou: A - dávkování granulátu, B - tavící extrudér, C zvlákňovací hubice, D - vzduchová odtahovací tryska Vytvořené vlákenné vrstvy se mohou zpevnit několika způsoby: vzájemným slepením neúplně vychlazených nedloužených vláken (technologie Petex) chemickým nebo tepelným pojením (viz kap ) vpichováním (viz kap ) v případě neúplně vydloužených vláken principiálně dalšími postupy zpevňování vrstev. Textilie spun-bond nacházejí široké použití v oblasti zdravotnických výrobků a prostředků osobní hygieny, jako obalové materiály, geotextilie, ochranné oděvy, filtry, agrotextilie a podobně. 65

66 U nás existují tři výrobní linky: Výše zmíněná technologie v Jutě Úpice a linka v závodě Tatralan Kežmarok, obě z vlastního vývoje. V r byla instalována nová linka u firmy pegas Bučovice. Jednou z modifikací technologie spun-bond je postup flash-spinning americké firmy Du Pont. Název pochází ze slov flash - zablesknutí, vyšlehnout a spinning - zvlákňování. Polyetylenová textilie Tyvek se vyrábí zvlákňováním roztoku vysokohustotního polyetylenu ve vhodném rozpouštědle, např. freonu. polyetylen se rozpouští pod tlakem při teplotě vyšší než je bod varu rozpouštědla. Roztok je transportován při konstantní teplotě a tlaku ke zvlákňovací hubici. Pod hubicí při normálním tlaku se rozpouštědlo téměř explozivně odpaří. To způsobí rozpad filamentů na sít jemných fibril, které jsou však v podélném směru soudržné. Vrstva vytvořená kladením těchtosvazků se pojí kalandrem, nejčastěji s rastrovanými válci. Výrobky se vyznačují vysokou pevností v tahu, v dalším trhání, jemností povrchu a prodyšností. Používají se k výrobě poštovních obálek, obalů knih, visaček, sportovního a pracovního oblečení Melt-blown Název technologie je složen z anglických slov melt - tavit, tavenina a blown - foukat. Do češtiny se nepřekládá, někdy se opisuje výrazem "textilie vyrobené rozfukováním taveniny (polymeru)". Technologie byla v principu vyvinuta v 50. letech, pro komerční využití však byla dokončena až začátkem 80. let. V současné době je na světě v provozu asi 80 výrobních linek s přibližnou celkovou kapacitou 60 tisíc tun/rok. U nás byla v r uvedena do provozu první linka firmou Ecotherm Mělník. Výrobky melt-blown se skládají z vláken volitelných průměrů. Typická jsou mikrovlákna o průměru 2-4 mikrony vyznačující se velkým měrným povrchem. Procesem lze však vyrobit i textilie z mnohem jemnějších vláken (0,1 mikronu) nebo naopak z vláken běžných textilních jemností (10-15 mikronů). Proces výroby se skládá z následujících základních operací (obr. 36): a) Tavení polymeru a doprava taveniny k hubici. b) Formování vláken. c) Strhávání taveniny proudem vzduchu, formování vláken a jejich chlazení. d) Formování vlákenné vrstvy na porézním sběrném bubnu nebo pásu. e) Pojení. f) Navíjení. 66

67 Nejvíce používanými polymery jsou: polypropylen, polyetylen, polyester a polyamid. Na rozdíl od technologie spun-bond, kterou se zpracovávají polymery běžných vláknařských molekulových hmotností a tedy viskozity taveniny (index toku 1-30 (*» jsou v technologii melt-blown zpracovávány speciálné vyvinuté nízkomolekulární, vysoce tekuté polymery (index toku ). Poznámka: (*) Index toku je množství taveniny polymeru v gramech, která proteče za časovou jednotku otvorem plastometru při teplotě T a tlaku p. Hodnoty T, p a geometrie otvoru jsou dány normou. a e f Obr.36.: Schema zařízení melt blown: a) tavící extrudér, b) dávkovací zubové čerpadlo, c) zvlákňovací hubice, d) rozvod horkého vzduchu, e) sítový buben - kolektor, f) navíjení K jednotlivým operacím: a) K tavení polymeru a tavného transportu taveniny se využívá tavného extruderu. b), c) K tvorbě vláken dochází ve speciální výtlačné hubici (obr.37) s mnoha zvlákňovacími otvory. Šíře hubice odpovídá výrobní šíři zařízení. Zvlákňovací otvory jsou vyvedeny na hraně hubice a je k nim přiváděn stlačený horký vzduch. Vytékající tavenina je vzduchem strhávána a formována do tvaru vlákna. Síla působení vzduchu na tvořící se vlákno se zvyšuje s rostoucí délkou vlákna. Vlákno je postupně nepravidelně dlouženo a při určité délce odtrženo. 67

68 Obr.37.: Zvlákňovací tryska pro technologii melt - blown a) přívod horkého vzduchu, b)přívod polymeru, c) proud horkého vzduchu, d) sítový buben, g,h) detail ústí trysky Typické hodnoty pro polymery a podmínky tvorby vláken: Teplota ( C) Viskozita taveniny (Poise) Teplota taveniny : C Teplota vzduchu: C Rychlost proudění vzduchu: m/s Rychlost výtoku polymeru : ca 1 g/min/otvor Hmotnostní poměr vzduch:polymer : ca 100 Vzdálenost hubice od sběrného bubnu: 0,2-0,5 m Z uvedených orientačních údajů vyplývá relativně vysoká spotřeba energie v technologii melt-blown, spočívající zejména v ohřevu velkého množství vzduchu a jeho transportu vysokým tlakem. Pro jednotlivé polymery a jemnosti vláken se uvádějí spotřeby 2-7 kw na 1 kg výrobku. Podmínkami procesu lze do značné míry ovlivňovat všechny vlastnosti výrobku, zejména průměrnou jemnost vláken, jejich délku a objemovou hmotnost textilie. Vlákna jsou tím jemnější, čím je - nižší viskozita taveniny polymeru (nižší hmotnost, vyšší teplota taveniny) - vyšší teplota vzduchu - vyšší poměr vzduch/polymer (vyšší dávkování vzduchu, nižší dávkování polymeru). Z toho vyplývá vysoká energetická náročnost, nižší produkce a vyšší cena výrobků z velmi jemných vláken. Plošná hmotnost textilie se reguluje velmi jednoduše poměrem dávkování polymeru a odváděcí a navíjecí rychlosti. Typické plošné hmotnosti jsou g/m 2, lze vyrábět i extrémně lehké textilie 5 g/m 2. 68

69 d) Objemová hmotnost je ovlivněna zejména vzdáleností mezi hubicí a sběrným bubnem vzhledem k míře zrychlení vlákenné hmoty. e) Ke zpevnění textilií melt-blown se využívá zejména kalandrování. Srovnání textilií spun-bond a melt-blown Spun-bond Melt-blown Vlákna Nekonečná, nedloužená, Konečná, nepravidelné tvary, částečně nebo zcela dloužená. průřezy, průměry a délky, Jemnosti 2-50 dtex. částečně dloužená. Jemnosti 0,01-20 dtex. Pevnost Podle stupně vydloužení a Obecně nízká zpevnění od nízké po vysokou Ohyb, oděr podle stupně vydloužení a Nízká odolnost zpevnění od nízkého po vysoký Měrný povrch Střední Podle jemnosti vláken střední až velmi vysoký Tepelně izolační, Průměrné V případě jemných vláken filtrační a vynikající sorpční vlast. Použití textilií melt-blown Průmyslové sorbenty, obzvláště pro zachycování ropných látek z vody. Konstrukce ochranných oděvů a oděvů pro čisté prostory. Textilie absorbuje nebezpečné chemikálie a prach nebo naopak pot a bakterie produkované lidským tělem (chirurgické oděvy, roušky, masky). Sanitární a hygienické zboží. Textilie melt-blown se podle povrchové úpravy chovají jako kapaliny propouštějící, savé nebo naopak bariéra. Filtrační materiály úpro plyny a kapaliny. Bateriové separátory. Prachovky. Adhezivní vrstvy. 69

70 Elektrostatické zvlákňování Technologie byla vyvinuta koncem sedmdesátých let. Je založena na formování taveniny polymeru ve vlákna působením silného elektrostatického pole ( 30 kv). Vzniklá vlákna jsou současně vlivem pole ukládána na podložku, nejčastěji textilní materiál, pohybující se po povrchu protielektrody. Přestože pro výrobu vlákenných vrstev elektrostatickým zvlákňováním jsou vyráběna profesionální zařízení, vysvětlíme princip výroby na jednom z nejdříve patentovaných zařízení, jehož funkce je snadno pochopitelná. Zařízení bylo jeho autory nazváno drátový stroj (obr. 38). 4 Obr.38.: Drátový stroj pro elektrostatické zvlákňování: 1 - zásobník práškového polymeru, dávkovací zóna, 2 - ohřívací zóna, 3 - zvlákňovací zóna, 4 - vypalovací zóna, 5 - dráty, 6 - dopravník, 7 - protielektroda, 8 - zdroj napětí, 9 - pohon Základem stroje je soustava odporových drátů upevněných na dvou řetězech pohybujících se naznačeným směrem. Konce drátů se dotýkají neznázorněných elektrických kontaktů s regulovatelným napětím, jímž se řídí teplota drátů v různých místech jejich dráhy. 70

71 V první zóně se na soustavu drátů sype polymer ve formě prášku z dávkovacího zařízení. Dráty mají přitom takovou teplotu, že se částice polymeru dopadající na ně nataví a přilepí. V druhé zóně se zvyšuje teplota drátů, částice se taví a viskozita taveniny snižuje. Ve třetí zóně působí na taveninu elektrické pole. Tavenina polymeru se formuje do vláken, která jsou polem transportována k pohybující se podložce. Na ní ulpívají a vzájemně se pojí. Ve čtvrté zóně se zvýší teplota drátů natolik, že se zbytek taveniny na drátech vypálí. Technologií elektrostatického zvlákňování lze zpracovávat prakticky všechny tavitelné polymery. Nejčastěji jsou to polypropylen, polyetylen, polykarbonáty a polyamidy. Pro tvorbu vláken je důležitá dostatečně nízká viskozita taveniny, využívají se tedy polymery s vyšším indexem toku, zpravidla více než 100. Vyrábějí se vlákenné vrstvy o plošné hmotnosti g/m2. Rozložení materiálu v ploše je vysoce rovnoměrné. Vysvětluje se to elektrickým nábojem na vláknech ve vznikající vrstvě. Vlákna pohybující se v elektrickém poli mají stejný náboj a jsou tedy převážně směrována do míst s nižší koncentrací hmoty. V procesu vznikají velmi jemná vlákna o průměru 1 20 mikronů. Průměr závisí na rozdílu potenciálů mezi elektrodami, na vzdálenosti mezi elektrodami, na průměru drátů, tlouštce vrstvy materiálu na drátech, na viskozitě a povrchovém napětí materiálu. stupeň vychlazení vláken před jejich dopadem na pohyblivou podložku a s tím související stupeň propojení vrstvy je zejména funkcí vzdálenosti drátů od podložky ve zvlákňovací zóně. Kvalita příslušných závislostí vyplývá ze základních fyzikálních zákonů a její odvození ponechávám na čtenáři. Vznikající vlákna jsou nerovnoměrná vzhledem k průměru, tvaru průřezu a stupni vydloužení, který je obecně nízký. Z toho vyplývá velmi nízká mechanická soudržnost výrobků, které se proto nejčastěji vytvářejí a používají vrstvené s nosnými a krycími materiály. Nízkou mechanickou odolností se výrobky podobají textiliím melt-blown. Podstatným důvodem výroby textilií elektrostatickým zvlákňován~ím je permanentní, případně dlouhodobý elektrostatický náboj vázaný na materiál. Platí to zejména pro polymery obsahující polární skupiny, nicméně stabilní náboj vykazují i polyolefiny. Podstata vzniku náboje trvalého bude vysvětlena na polarizaci amidické skupiny polyamidu: V tavenině polymeru jsou makromolekuly a zejména jejich jednotlivé funkční skupiny dostatečně pohyblivé. Působí-li na ně stejnosměrné elektrické pole, orientují se v něm polární skupiny vzhledem k jeho směru (obr. 39). Po zchlazení polymeru se pohyblivost řetězců drasticky sníží a zaujaté polohy jsou dlouhodobě fixovány. Kolem vláken pak existuje permanentní elektrické pole. Takto získané struktury jsou trvanlivé bez ohledu na vlhkost prostředí po dobu půl roku až dva roky. Ke ztrátě náboje může dojít vlivem zvýšené teploty. 71

72 Textilní vrstvy vyrobené elektrostatickým zvlákňováním se využívají zejména jako filtry. Elektrostatické síly výrazně přispívají k vázání velmi malých částic na povrchu vláken filtru. + O C - + N H - Obr.39.:Schéma polarizace amidické skupiny v elektrostatickém poli Elektrostatickým zvlákňováním roztoků polymerů lze získat vlákenné vrstvy z extrémně jemných vláken - tzv. nanovláken o průměrech na no metrů. Tato technologie se rozvíjí zejména od přelomu tisíciletí a vede k výrobkům s některými extrémními vlastnostmi, například filtračními Další způsoby přípravy vlákenných vrstev V této kapitole je podán stručný přehled některých dalších postupů výroby vlákenných vrstev, které jsou svým významem nebo rozsahem výroby omezené. a) Výroba vlákenné vrstvy ze spleti nekonečných vláken K výrobě je předkládána soustava skleněných nebo syntetických vláken, případně nití, nejčastěji z cívečnice. Niti jsou odtahovým zařízením přiváděny nad pohybující se pás, kde se ukládají působením gravitace a tvoří vrstvu bud z nahodile utvořených smyček, jejichž tvar je dán zejména ohybovou tuhostí vláken, nebo z pravidelných, v podstatě kruhových smyček vytvořených speciálními kladecími hlavami. Vrstvy se pak mohou zpevnit vpichováním, kalandrováním, chemicky nebo termicky, s výhodou využitím podílu níže tajících termoplastických vláken. Postupu se využívalo i k armování vlákenných vrstev připravených vrstvením pavučiny. Výhodou postupu je vysoká výrobnost a poměrně dobré mechanické vlastnosti výrobků. Nevýhodou je zejména vyšší cena suroviny a poměrně nízký stupeň využití pevnosti vláken. Z hlediska zvýšení pevnosti jiných útvarů se ukázalo výhodnější armování mřížkou vyrobenou z podélné a příčné soustavy nití fixovanou nejčastěji pojivem ve formě disperze. 72

73 b) Výroba vlákenné vrstvy ze štěpené fólie Výroba ze štěpené fólie byla vyvinuta ve SVÚT Liberec a je využívána některými československými podniky (Juta Turnov, Retex Moravský Krumlov). Jde o progresivní integrovaný postůp s vysokou produktivitou, který vede bud k výrobě zpevněné vlákenné vrstvy nebo vlákenné suroviny pro zpracování klasickými postupy výroby netkaných textilií či předení. Výrobní postup se skládá z -následujících operací řazených v kontinuální lince: b1 - Výroba fólie: Tavení granulátu v extrudéru, dávkování do zvlákňovací štěrbinové trysky tvaru mezikruží, odtah dvojicí válců. Mezi zvlákňovací tryskou a odtahovými válci je uvnitř vznikající kruhové fólie udržován přetlak vzduchu, který určuje rozměr fólie. Zvlákňovací tryska může být zásobována dvěma různými polymery ze dvou tavících extrudérů. Tím vzniká dvouvrstvá fólie a následně bikomponentní vlákna. b2 - Dloužení fólie v podélném směru průchodem přes několik skupin dloužících válců s postupně vzrůstající obvodovou rychlostí. Mezi skupinami válců jsou instalována ohřevná zařízení pro dloužení za tepla. Dlouží se na maximální dosažitelný dloužící poměr. To je nutné pro dosažení podélné štěpitelnosti. b3 - Podélné mechanické štěpení fólie na mřížku rotujícím ojehleným válcem. b4.l - Mřížka se vede do sekacího zařízení a vyrobí se z ní vlákenný materiál. nebo b4.2 - Mřížka se konvertoruje a tím se přemění na vlákenný materiál nebo b4.3 - Mřížka se zpracuje příčným kladečem na vlákenné rouno, které se zpevní, např. vpichováním. Vlákna ze štěpené fólie jsou nepravidelného průřezu a jemnosti (10-30 dtex). Jsou značně pevná vzhledem k použití výšemolekulového polymeru (pro výrobu fólií) a vysokém stupni dloužení. K výrobě se využívá nejčastěji polypropylenu, což je výhodné z hlediska ceny. Ze štěpené fólie se vyrábí zejména stavební textilie, geotextilie a absorbenty olejových látek využívané k čištění vody. Speciálních vlastností se dosahuje využitím bikomponentních vláken - možnost kadeření nebo plněním polymeru různými anorganickými aditivy. c) Výroba vlákenných vrstev elektrostatickým nanášením krátkých vláken Postupu se využívá k úpravě povrchu textilních nebo netextilních substrátů nebo k výrobě samostatných vrstev. Příklad technologie a zařízení je na obr. 40. Substrát určený k nanášení se opatří nánosem pojiva. Alternativou je nanášení pojiva na hladký dopravník při výrobě bezsubstrátových vrstev. Krátká vlákna, obvykle 1-5 mm, jsou umístěna v dávkovacím zásobníku spojeném se zdrojem vysokého napětí. 73

74 Vlákna musí být elektricky vodivá, čehož se dosahuje nejčastěji povrchovou úpravou vodivou preparací. Díky tomu jsou vlákna schopna převzít elektrický náboj a v elektrickém poli mezi tělesem zásobníku a protielektrody umístěné pod dopravníkem jsou transportována k substráůu. Vzhledem k tvaru elektrického pole se na substrátu ukládají převážně kolmo k jeho rovině. Pojivo musí být dostatečně viskózní, aby zebezpečilo dočasnou stabilizaci polohy vláken. Používá se zahuštěných disperzí polymerů, případně jejich roztoků nebo plastisolů. Dopravník pak prochází zařízením k vy tvrzení pojiva, nejčastěji tepelnou komorou. 1 9 Obr. 40. : Zařízení na výrobu textilií nanášením krátkých vlláken v elektrostatickém poli: 1 - podkladová textilie, 2 - pojivo, 3 - přívod pojiva, 4 - roztírací rakle, 5 - zásobník krátkých vláken, 6 - elektrostatické odstraňování krátkých vláken, 7 - podtlakové odstraňování krátkých vláken, 8 - infrazářiče pro tepelné zpevnění pojiva, 9 navíjení Výrobky se vyznačují zvláštním omakem a vzhledem a jsou převážně určeny k dekoračním účelům. d) Všívání do podkladu (tufting) Technologie všívání je založena na principu nepravého uzlu, při kterém všívací jehla vpichuje do nosného podkladového materiálu vzorovou - vlasovou nit. Technologie všívání se využívá při výrobě podlahových krytina a přikrývek. Všívaná textilie se skládá ze tří konstrukčních prvků: - podkladová - nosná tkanina ( textilie) - vlasový - vzorový materiál - rubová úprava 74

75 Vzájemné mechanické propojení podkladové textilie a vlasového materiálu je řešeno technologií všívání. Všívací zařízení je konstruováno tak, že může vyrábět textilii s vlasem: - taženým ( obr.41 ), t.j. smyčkou - řezaným ( obr.42 ) - kombinovaným Obr. 41.: Schema tvorby taženého vlasu: 1 - vlasová nit, 2 - podkladová textilie, všívací jehla, 4 háček Vlasová smyčka při tvorbě taženého vlasu vzniká tím, že jehla 3 s navedenou vlasovou nití 1 pronikne podkladovou textilií 2.Když jehla dosáhne dolní úvrati, zachytí příslušný háček 4 vlasovou nit a podrží ji tak dlouho, až jehla dospěje do horní úvrati svého pohybu. Potom se vyklopí, pustí tím vlasovou smyčku a celý pracovní cyklus se opakuje. Mezitím se plynule odtahuje podkladová textilie. Při výrobě textilie s řezaným vlasem je princip činnosti jehly i háčku stejný ( obr.42 ), háček je ale v tomto případě uložen proti směru posuvu podkladové textilie. Tento háček má poněkud odlišný tvar a je zakončen nosem, který zamezuje sklouznutí vytvořených smyček. 75

76 Smyčky přibývají na háčku 4, jsou postupně rozřezávány nožem 5 a to v okamžiku, kdy jsou na háčku zachyceny tři smyčky - rozřezává se smyčka nejvzdálenější všívací jehle. Jehla je při řezání smyček ve své horní úvrati. V době vpichování je řezací nůž odtažen. 4 Obr.42.: Schema tvorby řezaného vlasu: 4 - háček, 5 - řezací nůž Vlas se všívá do podkladové textilie z rubu na líc. Proti vypadávání je vlas zajištěn úpravou: a) u podlahových krytin rubovou úpravou - pojivem, které současně dodává koberci tuhost a kompaktnost b) u přikrývek intenzivním počesáváním z obou stran c) Výroba vlákenných vrstev biotechnologickými postupy Tento snad perspektivní postup výroby je ve stadiu vývoje na několika pracovištích. Jeho podstatou je pěstování vhodných typů řas biotechnologiemi a jejich formování do vlákenné vrstvy mokrým procesem. 76

77 2.2. Zpevnění vlákenných vrstev Mechanické způsoby zpevňování V této části jsou uvedeny pouze některé nejdůležitější postupy, zejména vpichování. Další rozšířený způsob zpevňování - proplétání, zahrnovaný někdy do oboru netkaných textilií, je stručně probrán v předmětu Pletení a podrobně v předmětu stroje a mechanická technologie netkaných textilií Technologie vpichování Vpichování je jedním z nejstarších a dosud nejrozšířenějších způsobů zpevňování vlákenných vrstev. Byl vyvinut v minulém století jako náhrada plstění. Podstatou vpichování je provazování vlákenné vrstvy svazky vláken vzniklými přeorientací části vláken účinkem průniku jehel s ostny. V průběhu vpichování dochází také k podstatné redukci tloušťky vlákenné vrstvy, k výrazné přeorientaci všech vláken a ke změnám délky i šířky útvaru. Základní schema vpichovacího stroje je na obr. 43. Obr Schema vpichovacího stroje: 1 - vlákenná vrstva, 2 - vstupní ústrojí, 3 stěrací rošt, 4 - opěrný rošt, 5 - jehelná deska, 6 - vpichovací jehla, 7 - pohon jehelné desky 77

78 Vlákenná vrstva je přiváděna vstupním zařízením mezi dva perforované rošty. otvory v roštech pronikají periodicky vpichovací jehly umístěné v jehelné desce. Ostny jehel zachytávají skupiny vláken vrstvy, přeorientovávají je kolmo k vrstvě a protahují vrstvou. Vrstva je posunována odtahovými válci po spodním roštu, tzv. opěrném. Při zpětném pohybu soustav jehel zabezpečí vrchní, tzv. stěrací rošt vysunutí jehel z vlákenné vrstvy. Míra zpevnění vlákenné vrstvy souvisí mimo jiné s počtem vpichů na jednotku plochy vrstvy. Produkce stroje je tedy funkcí počtu jehel v jehelné desce a dosažitelné frekvence jehelné soustavy. Přitom síla působící na každou jehlu v okamžiku jejího průchodu vrstvou může být značně vysoká - až 10 N. To vyvolává potřebu masivní konstrukce roštů, jehelné desky a pohybového ústrojí. K dosažení vysokých frekvencí těžké jehelné desky (běžně 800 zdvihů za minutu, špičkově až 2200/min) je třeba limitovat amplitudu výkyvu a tudíž i vzdálenost roštů, obvykle na 60, resp. 40 mm. Úkolem přiváděcího zařízení je pak redukovat tloušťku výchozí vlákenné vrstvy, která může být až 250 mm na rozměr menší než je vzdálenost roštů a to pravidelně, bez vzniku nerovnoměrností. To je obtížný úkol, který se teší bud konstrukcí přiváděcího zařízení nebo použitím předvpichovacího stroje. Předvpichovací stroje se vyznačují nízkým počtem jehel v úzké jehelné desce, větší vzdáleností roštů, případně speciální konstrukcí. Na obr. 44 je znázorněn princip předvpichovacího stroje firmy Asselin. Předvpichovací stroje zabezpečují rovnoměrné ztenčení vlákenní vrstvy před vstupem do vpichovacího stroje, představují však další investiční náklady. Obr.44.:Předvpichovací stroj fy Asselin 78

79 Přiváděcí zařízení sestávající ze dvojic válců působí (obr. 45) vertikální složkou síly F v ztenčování vrstvy, avšak horizontální složkou F H borcení jednotlivých pavučin. To vede ke vzniku příčných nerovnoměrností. Proto se využívá dvojice šikmých pásů, kde je horizontální složka síly menší nebo s výhodou vibrujícího roštu (obr. 46). Obr.45.: Redukce tloušťky vlákenné vrstvy dvojicí válců Obr.46.: Redukce tloušťky vlákenné vrstvy: a) šikmými dopravníky, b) vibrujícím roštem 79

80 Vpichovací jehla a její typické části a rozměry jsou zobrazeny na obr. 47. Pracovní část jehly má obvykle průřez rovnostranného trojúhelníku. Na jedné, dvou, obvykle však na všech třech hranách jsou vpichovací ostny. Obr. 47. Vpichovací jehla a její typické rozměry: a) 1 - stvol, 2 - kolínko, 3 - redukovaná část, 4 pracovní část, 5 osten b) různé tvary a výšky ostnů c) ilustrace k příkladu označení jehly Příklady označení vpichovacích jehel: 15 x 18 x 30 x 3 1/2 RB NKU 15 x 18 x 36 x 3 RB 1 hrana bez ostnů 80

81 První tři číslice udávají průměry stvolu, redukované části a pracovní části v gauge (t.j. kolikrát se příslušný rozměr vejde do anglického palce). Další číslice - 3 ½ resp. 3 udává celkovou délku jehly v palcích (dlouhé nebo krátké jehly. RB se vztahuje ke vzájemné vzdálenosti ostnů (RB, CB, MB). Označení R nebo NKU (non kick up) označuje výšku ostnů h (obr. 45 b): R (High) 0,3-0,46 mm (podle průměru pracovní části jehly) Standard 0,13-0,38 mm NKU 0,11-0,30 mm Základními parametry procesu vpichování jsou: a) Počet vpichů na jednotku plochy textilie a f p V P = v (18) kde V p je počet vpichů /m -2 / a celkový počet jehel na 1 m vpichovací desky (ve všech řadách dohromady) f frekvence desky /s-l/ p počet průchodů textilie strojem v rychlost odvádění textilie /m.s-1/ V literatuře se uvádějí i jiné vztahy beroucí v úvahu délkové i šířkové změny textilie v průběhu vpichování. Běžně se vyrábějí textilie zpevněné až vpichy na 1 čtvereční metr plochy. b) Hloubka vpichu Je to vzdálenost špiček jehel od pracovní plochy opěrného roštu v dolní úvrati pohybu jehel (obr.48). Obr.48.: Schematické znázornění hloubky vpichu: 1 - stírací rošt, 2 - opěrný rošt, 3 vpichovací jehla, 4 - hloubka vpichu Udává se v milimetrech. Hloubka vpichu se pohybuje v rozmezí 5-25 mm. 81

82 Tyto dva parametry zásadně ovlivňují strukturu a vlastnosti vpichovaných textilií. Kromě toho však je výsledek vpichování ovlivněn mnoha dalšími okolnostmi, zejména c) Typem a způsobem rozmístění vpichovacích jehel d) Tahovými vlastnostmi, délkou, jemností a povrchovými vlastnostmi vláken, souvisejícími s typem a koncentrací preparace. Typická nemonotonní závislost pevnosti vpichovaných textilií na parametrech vpichování vyplývá z obr. 49. PEVNOST TLOUŠŤKA HLOUBKA VPICHU (HUSTOTA VPICHOVÁNÍ) Obr.49.: závislost tloušťky a pevnosti vpichovaných textilií na parametrech vpichování Soudržnost vpichovaných textilií spočívá na tření mezi vlákny. Při textilie deformaci se vlákna přeorientovávají ve směru působící síly. Přitom se zvětšují jejich vzájemné třecí plochy a současně síla, kterou jsou k sobě přitlačována. vyplývá z toho typická tahová křivka vpichovaných textilií vyznačující se nízkým počátečním modulem a poměrně vysokou trvalou deformací (obr. 50). Technologií vpichování se vyrábí široký sortiment výrobku jako jsou geotextilie, papírenské odvodňovací plstěnce, podklady pro výrobu syntetických usní, filtry, dekorační materiály, oděvní a obuvnické vložkové materiály, podlahové krytiny a podobně. Typické plošné hmotnosti vpichovaných textilií se pohybují v rozsahu g.m-2. Největšími firmami, které vyrábějí vpichovací stroje jsou Fehrer (Rakousko), Dilo (Německo), Asselin (Francie) a Bywater (Anglie). 82

83 NAPĚTÍ DEFORMACE Obr. 50.: Chování vpichovaných textilií při opakovaném jednoosém namáhání Zpevňování paprsky vody (spunlaced) Technologie zpevňování vlákenných vrstev paprsky vody se rozšířila v 80. letech tohoto století a představuje novou třídu a kvalitu v netkaných textiliích. Zpevňovány mohou být vlákenné vrstvy vytvořené v podstatě jakoukoliv technologií z vláken různých typu, o jemnosti 1-4 dtex a délce řezu mm. typické plošné hmotnosti výrobku j sou nízké, v oblasti gm -2. Technologie spunlaced je proces výroby netkaných textilií, kde je využito proudu vody k provázání jednotlivých vláken rouna. Proces zahrnuje výrobu vlákenné vrstvy, proviřování = zpevňování vodními paprsky a následné odvodnění a sušení. Technologie spunlaced nevyužívá ke zpevnění výchozí vlákenné vrstvy žádných chemikálií v podobě pojiv, soudržnost textilie zajišťují třecí síly mezi vlákny obdobně jako u přízí. Technologie spunlaced umožňuje výrobu široké škály textilií - od nejjemnějších krajek až po pevné výrobky vyšších plošných hmotností. Pro výrobky je charakteristická dobrá splývavost, která je dána možností jednotlivých vláken pohybovat se vzájemně vůči sobě, stejně tak, jako je tomu u vláken v přízi a u přízí v tkaninách a pleteninách. Tím se výrazně odlišuj í od většiny ostatních netkaných textilií a blíží se pleteninám a tkaninám. Textilie j sou měkčí, díky velkému počtu vyčnívajících konců vláken mají textilie měkký a příjemný omak. 83

84 Proces technologie spunlaced zahrnuje:(obr.51) - přípravu vlákenných surovin - příprava vlákenné vrstvy - provazování a vzorování účinkem paprsků vody - odstranění části vody - úprava technologické vody - sušení - konečné úpravy Navíjení Obr. 51.: Schéma technologie spunlaced Samotný mechanismus přeorientovávání vláken a provazování vláken je znázorněn na obrázku 52. Efektivnost procesu přeorientovávání a provazování vláken je do značné míry závislá na provedení formujícího pásu. Formující pás jednak podpírá rouno, jednak zajišťuje vytvoření požadované struktury, což je vlastně otisk pásu. Může jím být ocelové nebo bronzové síto, nebo síto ze syntetických materiálů. Otvory v sítu musí být tak malé, aby se zabránilo odplavení vláken" ale zároveň tak velké, aby nebyl kladen příliš velký odpor 84

85 průchodu kapaliny. Obrázek 53 znázorňuje dvě odlišné struktury textilií spunlaced, vzniklých ze stejné výchozí vlákenné vrstvy - viskózové stři že - na dvou rozdílných formujících pásech při stejných technologických parametrech. 85

86 Obr. 52.: Zóna přeorientovávání a provazování vláken Obr. 53.: Struktura textilie spunlaced provázané: a) na jemnějším b) na hrubším formujícím pásu 86

87 Paprsky vody jsou vytvářeny průchodem vody tryskami o průměru 0,08-0,3 mm pod tlakem až 15 MPa. Vzhledem k vysoké spotřebě vody využívané ke zpevnění vláken je nutno zajistit její recyklaci. Voda musí mít neutrální ph, předepsanou teplotu, nesmí' obsahovat vápenaté soli, bakterie a jiné organické látky. V průběhu provazování se voda znečišťuje úlety vláken. Tyto musí být před dalším použitím z vody odstraněny. Systém pro úpravu technologické vody zahrnuje: - separátor voda - vzduch - hrubý filtr - jemný filtr - speciální filtr - deionizační jednotka - výměník tepla - bakteriální filtr Po provázání vlákenné vrstvy přeskupením úseků vláken následuje odždímání vody z textilie a její sušení. K sušení jsou využívány bubnové nebo horkovzdušné sušárny. Výhody technologie spun-laced spočívají ve vysoké výrobnosti zařízení (10-50 m/min), v hygienické nezávadnosti výrobků (žádné pojivo) a ve vynikajících mechanických vlastnostech textilií. Jemné provázání vrstvy jednotlivými vlákny dává výrobkům nízký počáteční modul v tahu (vysoká pohyblivost vláken při malých deformacích), vysokou splývavost, pevnost a pevnost v dalším trhání a výbornou prodyšnost. Textilie spunlaced se vyznačují převážně dobrými absorpčními vlastnostmi danými obvykle použitými hygroskopickými vlákny. Nevýhodou jsou vysoké investiční náklady na zařízení (soustavy jemných trysek, čerpadla na recirkulaci a čištění vody) a poměrně vysoká energetická náročnost procesu souvisí s potřebou sušení výrobku. Textilie pojené paprsky vody jsou využívány jako podklady pro povrstvování, oděvní vložky, dekorace, filtry,čistící textilie, izolace, geotextilie a stavební textilie. Nejvýznamější oblastí využití spunlaced výrobků je zdravotnictví, kde jsou využívány jako jednorázové oblečení pro operační týmy i pacienty, jednorázové povlečení nemocničních lůžek, obvazové materiály, tampony apod. 87

88 Technologie proplétání Technologie proplétání vznikla v padesátých letech. Princip proplétání spočívá v mechanickém provazování vlákenné vrstvy - nejčastěji rouna - soustavou vazných nití. Plošné textilie vyrobené proplétáním označujeme jako proplety, strojní zařízení k výrobě propletů proplétací stroje. Proplet je v podstatě výplňková osnovní pletenina, kde výplněk je rouno nebo jiná vlákenná vrstva. Odkazujeme zde tedy na poznatky z předmětu pletení Technologický postup výroby propletů zahrnuje: přípravu materiálu proplétání vlákenná vrstva soustava vazných nití úpravu Jako výplněk je možné zpracovávat v podstatě jakýkoliv plošný útvar: nejčastěji rouno, dále soustavu nití, tkaninu, pleteninu, netkanou textilii, fólii z plastických hmot a pod. Vlákenná vrstva tvoří 15 až 100 procent hmotnosti propletu. Při výrobě propletů se nejčastěji používají osnovy z bavlněných, vlněných, viskózových nebo směsových přízí nebo ve formě viskózového, PAD, PES, nebo POP hedvábí. Osnova se připravuje postupem soukání a snování. Konstrukce proplétacího stroje Příklad uspořádání proplétacího stroje je na obrázku 54. Rouno 1 je přiváděno soustavou dopravníku k proplétacímu ústrojí. Je sevřeno uzavíracími a odhozovými platinami 4, 5, které umožňují prostup proplétací jehly 6 rounem a napomáhají tvorbě řádku oček. Jehla je dvoudílná, dutá, se samostatně se pohybujícím jazýčkem 7. Kladecí jehly 8 kladou do háčků proplétacích jehel vaznou nit. Uzavírací jazýček 7 uzavírá háček proplétací jehly pro zpětné vytažení jehly z propletu a umožňuje odhoz starého očka přes hlavu proplétací jehly. Tvoření řádku propletu zahrnuje fáze ( obr. 55 ): - prostup - kladení - uzavření - odhoz - odtah 88

89 Obr. 54.: Schéma proplétacího stroje: 1 - proplétací jehla, 2 - odhozová platina, 3 - kladecí jehla, 4 - dopravníky, 5 - proplet, 6 - osnovní vál. Nejčastěji používané vazby propletů je řetízek, trikot a kombinace řetízku a trikotu. Speciálním propletem je proplet "bez vazné nitě", kde ke zpevnění rouna dochází vlastními svazky vláken rouna. U této technologie je demontován kladecí přístroj, jehly při zpětném pohybu po prostupu rounem naberou určité množství vláken z rouna. Háčky se uzavřou, z vláken je vytvořeno očko obdobným postupem jako v případě proplétání vaznou nití. Schematicky je technologie znázorněna na obrázku 56. Dalším specifickým postupem je "smyčkový proplet", u kterého je rubní spojovací klička zatahována přes smyčkovou platinu. Smyčkové (plyšové) platiny stojí na místě uzavíracích platin a jsou vyšší než klasické uzavírací platiny. Schéma technologie je znázorněno na obrázku

90 1) 2) 3) 4) 5) Obr.55.: Tvorba řádku oček propletu: 1 - prostup: otevřená proplétací jehla prostupuje rounem a starým očkem, 2 - kladení: kladecí jehly kladou bočním pohybem do otevřených háčků jehel vaznou nit, 3 - uzavření: vracející jehly se uzavřou jazýčkem, 4 - odhoz: uzavřené jehly protahují kličky rounem a starými očky, stará očka se odhodí přes háčky jehel, 5 zatažení Proplety jsou využívány jako čistící textilie a mycí hadry, technické i oděvní izolační materiály, bytové textilie, obalové materiály. Smyčkové proplety mají uplatnění všude tam, kde se setkáváme s výrobky se smyčkovým povrchem ( froté výrobky). 90

91 Obr.56.: Proplet bez vazné nitě: 1 - proplétací jehla, 2 - uzavírací jazýček,3 uzavírací platina, 4 - odhozová platina, 5 dopravník, 6 - vlákenná vrstva 2 4 Obr. 57.: Smyčkové proplety: 1 - jehla, 2 - jazýček, 3 - uzav. platina, 4 - odhoz. platina, 5 - kladecí přístroj 91

92 Plstění a valchování Plstění je nejstarší známý proces výroby plošných vlákenných útvarů. Plstěním lze zpevňovat vrstvy z vláken, která mají plstící schopnost, to je z vlny a některých dalších vláken živočišného původu, například lamích a velbloudích chlupů a po chemické úpravě králičích chlupů. Ty se využívají k výrobě kloboukových plstí. Plstění je proces, při kterém se volně uložená vlákna v rounu působením tepla, vlhkosti a opakovaného mechanického namáhání navzájem prolínají až dojde k vytvoření pevné soudržné látky, kterou nazýváme plstí. Valchování je proces, ve kterém kromě tepla, vlhka a opakovaného mechanického namáhání působí na materiál také zásadité, kyselé nebo neutrální chemikálie. Teorie plstění není dodnes plně objasněn. Rozdíly v plstící schopnosti jednotlivých typů vláken souvisí zejména s následujícími vlastnostmi vláken: - geometrická stavba (šupinkovitý povrch) - botnavost - pružnost - tažnost. Jedna z teorií vysvětluje proces plstění následovně: Zbotnáním se stanou vlákna tažnějšími a lépe po sobě kloužou. Opakovaným mechanickým namáháním dochází k periodickému natahování vláken, to je k jejich vzájemným posunům tím směrem, kterým je to snadnější, to je ve směru kořenu vlákna. Pohybu v opačném směru brání zejména šupinky. Horní konce vláken jsou tenčí a mají snahu se zasmyčkovat. Jakmile přestane tlak působit, mají vlákna vlivem pružnosti snahu zaujmout výchozí polohu, brání jim v tom však zaklesnutí šupinkami s ostatními vlákny. Kromě výše uvedených vlastností má na plstící schopnost vliv jejich jemnost, délka a kadeřavost. Lépe se plstí vlákna jemnější, kratší a zkadeřenější. Zbotnání lze ovlivnit a urychlit působením chemikálií. Valchování probíhá v alkalickém (soda, mýdlo) nebo kyselém (roztok kyseliny sírové, ph = 2-3) roztoku. Příklady plstících a valchovacích strojů: Linka k výrobě plstěné metráže (obr. 58) sestává z dopravníku pro přívod vlákenné vrstvy, z napařovacího zařízení s přívodem vodní páry a z deskového plstícího stroje. Vlákenná vrstva se přivádí přetržitým postupem po úsecích délkou odpovídajících délce napařovacího a plstícího stroje. Po napaření vstoupí úsek vlákenné vrstvy mezi desky plstícího stroje. Horní deska stroje se přesune do pracovní polohy do nastavitelné vzdálenosti od spodní desky. Horní deska se pak pohybuje jednosměrně nebo dvousměrně vratným pohybem, přičemž mechanicky působí na vlákennou vrstvu, která se zplstí. Na obr. 59 je pohonné ústrojí horní plstící desky. Na obr. 60 je znázorněna tzv. kladivová valcha pro přetržitý postup valchováni. 92

93 Obr. 58.: Schema plstícího zařízení: 1 - přiváděná vlákenná vrstva, 2 - přívod páry, 3 odsávání páry, 4 plstící deska Obr.59.: Pohonné ústrojí plstící desky: 1 - plstící deska, 2 - excentr pro podélný pohon desky, 3 - excentr pro příčný pohon desky, 4 pohonná deska 93

94 3 4 5 Obr.60.: Kladivová valcha: 1 - vana,2 - kladiva, 3,4,5 - pohonný mechanismus kladiv Chemické způsoby zpevňování vlákenných vrstev Základními operacemi při výrobě chemicky pojených textilií jsou a) příprava vlákenné vrstvy (viz kap.2.1.) b) nanášení pojiva na vlákennou vrstvu c) zpevnění pojiva d) odstranění disperzního prostředí (disperze, zpěněné disperze) nebo rozpouštědla (roztoky) e) ztužení pojiva (sítování). Operace podle bodů b) - e) budou podrobněji rozebrány v následujících třech kapitolách Pojení disperzemi a zpěněnými disperzemi polymerů Nanášení pojiva na vlákenné vrstvy K nanášení disperzí pojiva na vlákennou vrstvu se využívá operací - impregnace - stříkání pojiva na vlákennou vrstvu nebo na jednotlivé pavučiny - vzorové nanášení tiskem - nános raklí 94

95 Impregnace Při nanášení pojiva impregnací se zpevněná, před zpevněná nebo nezpevněná vlákenná vrstva vede nádrží s disperzí pojiva. Přitom dojde k prosycení vrstvy disperzí. Dále vrstva prochází dvojicí válců, mezi nimiž je odždímána. Ve vrstvě zbude požadované množství disperze regulovatelné přítlakem ždímacích válců. Následně je vyvolána koagulace pojiva některým ze způsobů popsaných v kap , odstranění vody a případně sítování. Předpokladem k tomu, aby došlo k prosycení vlákenné vrstvy disperzí, je dobrá smáčivost povrchu vláken, to-je nízké povrchové napětí mezi disperzí a vlákny. To většinou nebývá problém vzhledem k tomu, že disperze jsou stabilizovány povrchově aktivními látkami, které snižují jejich povrchové napětí. Stupeň odmačku se vyjadřuje jako množství kapaliny ve vlákenné vrstvě po průchodu ždímacími válci v procentech (hmotnost suché vrstvy je 100%). Dosažený stupeň odmačku je závislý na mnoha proměnných (hygroskopicita, jemnost a tuhost vláken, viskozita disperze, povrchové napětí, materiál povrchu válců), prakticky je však regulovatelný zejména přítlakem válců. Přítlak válců je definován jako síla vztažená na jednotku délky svěrné linie válců a dosahuje hodnot až N/m. Dosahované hodnoty odmačku se pohybují v rozsahu %. 3 Obr. 61.: Fulár pro impregnaci vlákenných vrstev: 1 - vlákenná vrstva, 2 - vana s cirkulujícím pojivem, 3 - dvojice ždímacích válců V praxi se využívá mnoha konstrukcí a typů impregnačních zařízení. Na obr. 61 je uveden příklad zařízení, tzv. fuláru pro impregnaci před zpevněných vlákenných vrstev. Tyto vrstvy zde musí být natolik zpevněny (např. vpichováním), aby vydržely bez deformace transport vanou s pojivem pomocí soustavy válců. Na obr. 62 je znázorněno zařízení k nanášení pojiva na nezpevněné vlákenné vrstvy. Vrstva zde neprochází lázní, ale je prosycena pojivem vyneseným ze zásobníku povrchem válce. Nanášené množství pojiva závisí na výše jeho hladiny v zásobníku a viskozitě a na typu povrchu válce. 95

96 Obr.62.: Impregnační zařízení pro nezpevněné vlákenné vrstvy Vysoké tlaky mezi válci mohou způsobovat deformaci válců vzhledem k tomu, že síla je aplikována na jejich koncích. To pak vede k nerovnoměrnému přítlaku a odmačku podél svěrné linie a výsledkem je textilie s nerovnoměrným obsahem pojiva a vlastnostmi po šířce. Zvětšováním průměru a tloušťky stěn válců lze těmto nerovnoměrnostem čelit jen za cenu zvětšování rozměrů, hmotnosti a ceny zařízení. Byla proto vyvinuta následující konstrukční řešení fulárů: a) Bombírované válce. Válce mají uprostřed větší průměr než na krajích. Rozdílnost průměrů je pak právě kompenzována prohnutím válce vlivem přítlaku. Toto řešení je však účinné jen při přesně vymezených hodnotách přítlaku. b) Vyosení válců. Zařízení umožňuje nastavení osy jednoho z válců v rovině kolmé ke směru přítlaku. Zařízení jsou nákladná a řešení je vhodné u fulárů s malou šíří. c) Válce s přítlačným jádrem (obr. 63). Přítlačné jádro vyvíjí dodatečný tlak uprostřed válce a kompenzuje jeho prohnutí. Nastavením vhodného poměru sil P a /P i je prohnutí válce právě kompenzováno. d) Plovoucí válec firmy Küsters (obr. 64). Válec je konstruován z nepohyblivého jádra a rotujícího pláště. Vnitřní prostor válce je rozdělen horizontální utěsněnou přepážkou. Do části prostoru přiléhající ke svěrné linii s druhým válcem je přiváděn pod regulovatelným tlakem olej. 96

97 Tlak oleje je nastaven tak, aby právě kompenzoval prohnutí jádra válce. Jde o složitou a nákladnou konstrukci, která je však v současné době obchodně úspěšná. Obr. 63.: Válce fuláru s přítlačným jádrem: Obr. 64.: Plovoucí válec fy Küsters: 1-pevný válec, 2-pevné jádro plovoucího válce, 3- plovoucí válec, 4-prostor s olejem 97

98 Rozložení pojiva v textiliích pojených impregnací Impregnací vzniká textilie s typickým rozložením pojiva vůči vláknům, které se nazývá segmentová struktura. Dále bude popsán mechanismus vzniku, podstata a důsledky této struktury. Jak bylo popsáno v kap , je mírou smáčení pevného povrchu kapalinou úhel, který svírá tečna k povrchu kapky kapaliny s pevným povrchem. Je-li tento úhel menší než π/2, jde o smáčivý povrch, tedy povrchové napětí a povrchová energie na rozhraní pevná látka - kapalina jsou menší než na rozhraní pevná látka - vzduch. To je případ smáčení povrchu vláken disperzemi. Celková hodnota povrchové energie soustavy vlákna-disperze-vzduch je tím menší (a soustava je tím energeticky stabilnější), čím větší část povrchu vláken je pokryta disperzí. Na obr. 65 jsou znázorněny situace, kdy je kapkou kapaliny pokryta malá plocha (a) a velká plocha (b) povrchu vláken. Z uvedeného vyplývá, že v procesu sycení vlákenné vrstvy, odždímávání a sušení, kdy dochází k pohybům úseků vláken a vzájemnému působení složek, budou úseky vláken preferovat polohy podle obr. 61 b. částice pojiva pak mají tvar folií a protažených segmentů s velkou plochou styku s vlákny. Jejich tvar závisí zejména na možnosti úseků vláken změnit své polohy. Tato,možnost je dána pohyblivostí úseků vláken a souvisí především s mírou nahuštění vláken a před zpevněním vlákenné vrstvy, např. vpichováním. Tvar segmentů pojiva není příliš ovlivněn koncentrací pojivé disperze a stupněm odmačku. Tyto parametry ovlivňují zejména tloušťku segmentů. Obr. 65.: Rozdělení kapalného pojiva na povrchu vláken při vysokém (a) a nízkém (b) povrchovém napětí vlákno-pojivo Segmentová struktura vede ke značné fixaci úseků vláken, které se pak nemohou při malých zatíženích přeskupovat. Znamená to vyšší ohybovou tuhost a hodnotu počátečního modulu v tahu impregnovaných textilií. Ohebnost a splývavost pojených textilií proto do značné míry závisí na deformovatelnosti pojiva. Na druhé straně velká plocha styku pojiva s vlákny znamená nižší požadavky na hodnoty adheze vlákno-pojivo. 98

99 Nános pojiva stříkáním Podstatou technologie je rozstřikování pojiva nad vlákennou vrstvou. Kapičky pojiva pak dopadají na povrch vlákenné vrstvy a ulpívají na vláknech převážně v blízkosti povrchu vrstvy. Pro rovnoměrnější rozmístění pojiva v objemu textilie se využívá stříkání z obou stran v kombinaci s podtlakovým prosáváním. K rozstřikování pojiva se využívá stříkacích pistolí principiálně známých z jiných oborů (lakování, malířství pokojů, ošetřování ovocných stromů) nebo zařízení pro rozstřikování rotujícím kartáčem, případně hladkým válcem (obr. 66). Obr. 66.: Stříkací zařízení s rotujícím kartáčem: 1 - rotující kartáč, 2 - vynášecí válec, 9 - pojivo 99

100 Obr.67.: Pneumatická stříkací pistole: 1 - pojivo, 2 vzduch Stříkací pistole pracují na pneumatickém (obr. 67) nebo vysokotlakém principu. stříkací pistole se pohybují vratným pohybem kolmo ke směru pohybu vlákenné vrstvy. Používá se jedné pistole nebo jejich soustavy v různém uspořádání. Cílem je pokrýt vlákennou vrstvu rovnoměrně pojivem při maximálním výkonu zařízení. Pneumatické stříkací pistole jsou trysky, do nichž je dávkováno zvlášť kapalné pojivo a vzduch pod tlakem 0,2-0,5 MPa. Interakcí obou médií dochází ke vzniku kapek s průměrným rozměrem asi 0,1 mm. Kapky jsou unášeny proudem vzduchu k povrchu vlákenné vrstvy. Na rozdíl od pneumatických stříkacích pistolí vysokotlaké trysky pracují při tlaku 8-12 MPa. K rozprášení kapaliny dochází zejména vlivem různých rychlostí kapaliny v průřezu ústí trysky a vlivem z toho vyplývajících střižních sil. Vznikají obvykle kapky s průměrným rozměrem 0,01 mm. Kapky pojiva se zachytávají na povrchu vláken vrstvy, přičemž jen část z nich zaujme polohy v místech křížení vláken. Při nízké koncentraci pojiva je tím dán způsob jeho rozmístění ve výrobku: pojivo je rozmístěno nespojitě, z čehož vyplývá nízký počáteční modul v tahu. část pojiva je ve formě kapek na jednotlivých vláknech a nepřispívá k soudržnosti textilie. stříkání tedy vede k nízkému stupni využití pojiva. Typické koncentrace pojiva v textilii se pohybují kolem 30 hmot. % (při impregnační technologii kolem 20 hmot. %). Lze však takto vyrobit objemné, např. tepelně izolační textilie. 100

101 Při překročení určité hodnoty koncentrace pojiva ve vrstvě (podle viskozity pojiva, zhruba nad 30 hmot. %) se začínají jednotlivé kapky vzájemně slévat a vzniká segmentová struktura typická pro impregnační postup nánosu pojiva. Za výhody nánosu stříkáním se považuje: - přesné dávkování pojiva, bez následného ždímání - rovnoměrný nános v ploše - možnost výroby objemných textilií. Nevýhodami jsou zejména - horší využití pojiva (t.j. větší spotřeba) - nižší pevnost - nerovnoměrnost rozložení pojiva vzhledem k tloušťce náročnost zařízení z hlediska ochrany okolí vůči rozprášenému pojivu a s tím spojené ztráty pojiva. Vzorové nanášení tiskem a raklí Technologie jsou popsány v předmětu "Zušlechťování". Cílem nanášení tiskem je nespojitý nános pojiva v ploše textilie, který plochu textilie dělí na - části propojené, zajištující vzájemnou soudržnost vláken - nepropojené části s vysoce pohyblivými úseky vláken. Nejpoužívanějšími postupy jsou tisk vzorovanými válci a perforovanými rotačními šablonami. Při nánosu raklí (obr. 68) jde o roztírání pojiva zejména na povrch textilie. Pojivo je přiváděno potrubím do zásobní nádržky nebo vratně se pohybující hadicí po šíři textilie. Obr.68.: Schema uspořádání při nánosu pojiva raklí 1 - přívod pojiva, 2 - rakle, 3 - pojivo 4 - dopravník, 5 - vlákenná vrstva 101

102 Nanášení zpěněných pojiv Pojivo, nejčastěji ve formě disperze, se zpění pomocí zpěňovacího zařízení schematicky znázorněného na obr Obr.69.: Mixer pro přípravu pěny: 1 - motor, 2 - vstup kapaliny, 3 - vstup vzduchu, 4 - rotor, 5 - stator, 6 - výstup pěny Do zařízení se přivádí v nastavitelném poměru vzduch a disperze pojiva s obsahem povrchově aktivní látky usnadňující tvorbu pěny a případně i s obsahem záhustky upravující viskozitu. Vlivem stři žních sil mezi segmenty rotoru a statoru zařízení dojde k intenzivnímu promísení vzduchu a kapaliny. Pěna je pak potrubím transportována k vlákenné vrstvě,na kterou je nanášena mezi válci, tiskem nebo raklí, jak je popsáno výše. Při průniku pěny mezi vlákna vrstvy se mění tvar bublin pěny a zvyšuje se tím její povrchová energie. To představuje značnou energetickou bariéru průniku pěny zvláště u nahuštěných vrstev (např. vpichovaných), kde jsou malé vzdálenosti mezi vlákny. průnik pěny je často podporován prosávacím zařízením. Přesto je aplikace pěny limitována zejména objemovou hmotností předkládané vlákenné vrstvy. 102

103 Použití pojiv ve formě pěny má řadu výhod: - Napěněním se podstatně zvýší objem pojiva. K rovnoměrnému pokrytí plochy vrstvy je pak zapotřebí méně kapaliny i sušiny pojiva. Tím se ušetří pojivo i energie potřebná k sušení. - Struktura pěny se v průběhu koagulace pojiva rozruší jen zčásti. Pojivo je v textilii rozmístěno ve formě menších útvarů a nedochází k tvorbě typické segmentové struktury. Důsledkem je vyšší tažnost, ohebnost a splývavost, jakož i textilní omak při zachování vysoké pevnosti Koagulace, sušení, sítování Koagulaci disperzí lze vyvolat několikerým způsobem, jak to vyplývá z podmínek jejich stability (kap ). Některé dříve užívané způsoby jako je inaktivace stabilizující povrchově aktivní látky ionty vícemocných kovů technologií dvoulázňové impregnace nejsou dnes únosné z ekologických důvodů. Koagulace se prakticky vyvolává - odstraněním disperzního prostředí (vody) jejím odpařením nebo - využitím termosenzibilizátorů. Odpaření vody Probíhá v sušících zařízeních většinou kontinuálně navazujících na část výrobní linky pro nános pojiva. V sušícím zařízení dochází postupně k následujícím dějům: - ohřev vody k teplotě varu za současného odpařování a zvyšování koncentrace sušiny v disperzi ke kritické koncentraci koagulace, - přeměna vody v páru, intenzivní odpařování, koagulace, - odpaření zbytku vody (sušení), - případně zvýšení teploty ( C) a síťování. Odpařování vody se zvláště u některých ohřevných systémů (kontaktní ohřev) odehrává převážně na povrchu textilie. Uvnitř objemu textilie brání procesu odpařování prostředí nasycené vodní páry. Koncentrace vodní páry je nižší u povrchu textilie, odkud je pára transportována difuzí nebo konvekcí do okolí. K odpařování a následné koagulaci pojiva dochází proto zejména na volném povrchu vlákenné vrstvy. Kapalné pojivo z vnitřku vrstvy je pak mezivlákennými kapilárními prostory transportováno do blízkosti povrchu a tam koaguluje. Výsledkem takového uspořádání procesu koagulace je textilie s vyšším obsahem pojiva v blízkosti jednoho nebo obou povrchů. To vede k nižšímu využití pojiva a k zvýšení ohybové tuhosti výrobků. Popsaný jev je typický pro textilie vyrobené impregnací disperzemi. Je podstatně méně významný při pojení postřikem a pěnou. 103

104 Koagulace účinkem termosenzibilizátorů Termosenzibilizátory způsobí koagulaci disperzí bez odstranění vodného disperzního prostředí, při C podle typu a koncentrace termosenzibilizátoru. Tento jev má některé výhody: - koagulace pojiva současně v celém objemu textilie. Zamezí se výše popsanému mechanismu zvyšování koncentrace pojiva v blízkosti povrchů, lepší využití pojiva, zlepšení pevnosti, splývavosti a omaku - zamezení znečišťování funkčních součástí sušících strojů pojivem vyneseným k povrchu vlákenné vrstvy unikající vodní parou. - možnost následného odstranění části vody odmačknutím, keré je podstatně levnější než sušení. Síťování Síťováním vznikají trojrozměrné struktury pojiva. To vede k zvýšení odolnosti pojiva a výrobků vůči chemikáliím (omezení botnání), vodě, procesům údržby, tečení vlivem dlouhodobého namáhání, stárnutí atd. Reakce sítování probíhají většinou po dokončení procesu sušení, kdy je možno zvýšit teplotu na oC. Čas sítování je podle použitého síťujícího systému 1-6 min. Příklad technologie impregnace Vlákenná vrstva o plošné hmotnosti 80 g/m2 složená z 80% PES střiže 4,4 dtex, 60 mm a 20% VS střiže 3,9 dtex, 57 mm vyrobená mykáním, příčným kladením pavučiny a před zpevněná vpichováním při hustotě vpichů 20/cm a hloubce vpichu 8 mm jehlami 15 x 18 x 32 x 3 1/2 RB. se vede rychlostí 2 m/min fulárem s cirkulujícím pojivem následujícího složení: kg NBR disperze 50% sušiny 720 Vulkanizační disperze 40% sušiny 98,7 Koagulant K (termosenzibilizátor) 3,6 Pigmentové barvivo 5 Voda 170 Textilie je odmačknuta dvojicí válců fuláru (ocelový válec - gumový válec) při přítlaku 7000 N/m. Výsledný odmačk je 130%. Textilie je vedena do bubnové sušárny s šesti bubny vyhřívanými parou. První dva bubny mají teplotu 1200C a dojde na nich ke koagulaci pojiva. Další čtyři bubny mají teplotu l40 C, dochází k dosušení textilie asíťování pojiva. Vzhledem k průměru bubnů je celková doba zdržení textilie v zařízení 6 minut. Vycházející textilie jeořezávána a navíjena. 104

105 Pojení roztoky pojiv Zpevňování vlákenných vrstev účinkem roztoků polymerů je z kvantitativního pohledu okrajovou záležitostí. Roztoků se používá v případech, kdy nemáme k dispozici pojivo ve formě disperze. Z existujících technologií jde zejména o výrobu syntetických usní impregnací vrstev roztokem polyuretanu a o některé speciální úpravy textilií. Základními problémy pojení roztoky jsou: a) Vysoká viskozita roztoků polymerů, která stěžuje jejich transport k vlákenné vrstvě, pronikání mezi vlákna vrstvy a omezuje koncentraci sušiny v roztocích. Problém se zčásti řeší přípravou polymerů, jejichž makromolekukly se vzájemně spojují v průběhu srážení (viz příklad dále). b) Nutnost použití organických rozpouštědel, vesměs toxických. Vodné roztoky zde prakticky nepřicházejí v úvahu, vodorozpustná pojiva nezajišťují odolnost výrobků vůči vlhkosti. Z použití toxických rozpouštědel plyne vysoká cena výrobních zařízení, která musí zajistit regeneraci rozpouštědel a zamezit jejich úniku do ovzduší a spodních vod. Dále bude rozveden příklad výroby syntetických usní impregnací vpichované vlákenné vrstvy roztokem polyuretanů. Příprava vlákenné vrstvy Vlákenná vrstva se vyrábí ze směsi základních jemných PES vláken 1,7 dtex, 38 mm a vysoce sráživých jemných POP vláken (sráživost v horkém vzduchu 135 C asi 40%) mykáním, příčným kladením a intenzivním vpichováním - až 600 vp/cm 2. Vrstva je následně zhutněna a zpevněna srážením ve volném stavu horkým vzduchem při 135 C. Tím se výrazně zvýší pevnost, plošná hmotnost a objemová hmotnost textilie při současném příčném i podélném sražení. Impregnace vlákenné vrstvy Impregnuje se roztokem předpolymerem polyuretanu v dimetylformamidu. Používá se polyuretanu na bázi polypropylenoxidu H HO C C O H H 2 CH 3 n a diizokyanátu v přebytku O = C = N R N = C = O 105

106 připravený následující polyadiční reakcí: R N = C = O + H 2O R N C O H O Přebytek diizokyanátu v reakci omezuje molekulovou hmotnost předpolymeru a zajišťuje přítomnost vysoce reaktivních koncových diizokyanátových skupin. Vlákenná vrstva je sycena roztokem polyuretanu v lázni opakovaným stlačováním dvojicemi válců a následným odmačkem. Zpevnění polymeru Dochází k němu srážením polyuretanu tzv. nerozpouštědlem. Nerozpouštědlo má následující vlastnosti: - nerozpouští polymer - neomezeně se mísí s rozpouštědlem (dimetylformamidem). V tomto případě je nerozpouštědlem voda. V průběhu srážení dochází současně k chemickým reakcím koncových přebytečných diizokyanátových skupin s vodou, které vedou ke dvěma efektům: - k vzájemnému navazování molekul předpolymeru a zvyšování molekulové hmotnosti N = C = O + H 2O N C OH H O N C OH NH2+ CO2 H O NH 2 + O = C = N N C N H O H - k uvolňování kysličníku uhličitého, který napěňuje zpevňující se polymer. Odpadním produktem je roztok dimetylformamidu ve vodě, ze kterého se rozpouštědlo regeneruje destilací. Po skončení praní a sušení následují další operace: Štípání vrstvy na 2-3 tenčí vrstvy, tzv. rubové vrstvy syntetické usně. Broušení vrstev z jedné strany skelným papírem k získání lepšího omaku. Slepování s lícovu vrstvou a její dezénování horkými vzorovacími válci. 106

107 Lakování Významného zlepšení vlastností lze dosáhnout při použití bikomponentních vláken typu ostrovy v moři (obr. 7). Po provedení výše popsaných operací impregnace a sušení se provádí extrakce vlákenné matrice (moře) vhodným organickým rozpouštědlem. Příkladem kombinací matrice - rozpouštědlo je polystyren - xylen nebo polypropylen - xylen. Vlákna v impregnované vrstvě jsou pak tvořena svazky velmi jemných fibril (na průřezu původního vlákna se jevících jako "ostrovy") o průměru kolem 1 mikronu. Důležité je, že tyto svazky nejsou s pojivem spojeny adhezí, ale pouze interakcí třením. To dovoluje svazkům fibril volný pohyb a orientaci ve směru působící síly při malých deformacích. Výsledkem je nízký počáteční modul a vysoká pevnost v dalším trhání. Tahové křivky syntetických usní s adhezní vazbou (a) a třec1 vazbou (b) jsou uvedeny na obr. 70. NAPĚTÍ (Pa) PROTAŽENÍ (%) Obr.70.: Tahové křivky vlákenných kompozitů s adhezivní (a) a třecí (b) vazbou vlákno - pojivo Termické způsoby zpevňování vlákenných vrstev V této kapitole bude popsán způsob zpevňování vlákenných vrstev pojivy ve formě pevných polymerů nebo kopolymerů. Podstatou procesu je - nanesení pojiva na pavučinu nebo vlákennou vrstvu (prášek, pasta) nebo vrstvení vlákenné vrstvy s plošným pojivým útvarem (mřížka, folie), případně příprava vlákenné vrstvy ze směsi základních a pojivých vláken (níže tající nebo bikomponentní vlákna) 107

108 - tavení pojiva zvýšením teploty vrstvy - formování pojících míst - zpevnění pojiva ochlazením. Jak vyplývá z výše uvedeného, využívá se pojivých polymerů v různé formě: Prášky s rozměrem zrn obvykle mezi 0,1 0,5 mm se připravují nejčastěji mechanickým drcením granulátu ve speciálních mlýnech při teplotě pod T g. V případě kopolymerů vyznačujících se nízkými hodnotami Tg je třeba použít speciálních drtičů, jejichž funkční agregáty jsou chlazeny kapalným dusíkem. Vedle nákladného zařízení pak je třeba počítat i se značnými náklady na chladící medium, protože při drcení se vyvíjí teplo. Vlákna a bikomponentní pojivá vlákna se připravují zvlákňováním. Folie se připravují kalandrováním nebo vytlačováním taveniny tryskami tvaru mezikruží. Jejich použiti je omezené vzhledem k nerovnoměrnému rozložení pojiva v objemu textilie. Mřížky se vyrábějí buď zvlákňováním speciálními zvlákňovacími tryskami nebo prořezáváním fólií a jejich následným roztahováním do šířky. Z chemického hlediska se využívají pojiva typu - nížetajících homopolymerů (polypropylen, polyamid) - kopolymerů (kopolyestery s teplotami tání C, kopolyamidy s teplo tání C, polyvinylacetát polvinylchlorid, etylen - vinylacetát apod.). Volba typu polymeru resp. kopolymeru se řídí požadavky na tepelnou a chemickou odolnost výrobků a na míru zpevnění, která je dána zejména adhezí pojiva k základním vláknům. Adheze je kritickou veličinou z hlediska mechanických vlastností výrobků a z hlediska jejich odolnosti v praní a chemickém čištění. Teorie a praxe adheze je složitá a budeme se jí zajímat až ve specializovaném studiu. U tepelně pojených textilií je adheze podstatná zejména vzhledem k relativně malé ploše styku pojiva s vlákny ve srovnání s textiliemi pojenými chemicky. Menší plocha styku je dána podmínkami tvorby pojících míst, zejména vysokou viskozitou tavenin polymerů. Obecně platí, že adheze mezi různými polymery je tím vyšší, čím jsou si tyto polymery chemicky podobnější. Pro pojení polyesterových vláken jsou proto výhodnější kopolyestery. Kopolyamidy mají dobrou adhezi k většině základních vláken díky přítomnosti polárních skupin. Pro zpevnění výrobků, které nejsou určeny k chemickému čištění či praní (stavební a průmyslová izolace a pod.) se obvykle volí levnější polypropylen. Nejčastěji používanou formou pojiva jsou nížetající monokomponentní nebo bikomponentní vlákna. Tato vlákna,zejména v technologii teplovzdušného pojení, musí mít některé specifické vlastnosti: 108

109 a) Vhodnou teplotu tání vzhledem k tepelné odolnosti základních vláken a k požadavkům na tepelnou odolnost výrobků. b) Odolnost vůči tepelné a tepelně-oxidační degradaci při teplotě pojení. c) Nízkou sráživost za tepla. Vysoká sráživost vede k zužování výrobku a k vzniku nerovnoměrností. d) Nízkou viskozitu taveniny. Zajišťuje se volbou polymeru s nižší molekulovou hmotností a vyšším indexem toku. Vysoká viskozita brání přeformování taveniny do pojících míst. e) Dobrou adhezi základním vláknům. f) Nízký obsah a vhodný typ povrchové preparace. Preparace obecně snižuje adhezi a jejím odpařováním se znečišťuje ovzduší. Tyto požadavky platí přiměřeně i pro základní vlákna; zejména co se týče tepelné odolnosti, sráživosti a obsahu preparace a olejů. Míra znečištění povrchu může být omezujícím faktorem zpracovatelnosti zejména sekundárních vlákenných surovin. Způsoby nanášení poiiv na vlákenné vrstvy Prášky se dávkují na povrch vlákenné vrstvy nebo na pavučinu zařízením podle obr. 71. Zařízení sestává z násypky dosedající na rastrovaný válec nebo na válec opatřený na povrchu šroubovicovou vynášecí drážkou. K válci je přisazen rotující kartáč, který z jeho povrchu uvolňuje ulpělá zrnka. Prášek dopadá na vlákennou vrstvu vlivem gravitace. Bodový nános prášku se realizuje hrubě perforovanou rotační šablonou se stěrkou, do níž se prášek dodává šnekovým dávkovacím zařízením. Typický rozměr pojících míst je kolem 2 mm. Rotační šablonou se obvykle nanášejí pasty. Pojivá vlákna se mísí se základními vlákny v mísících komorách, mykacích čechradlech, mykacích strojích a podobně. Přitom je nutno dosáhnout vysokého stupně ojednocení základních a pojivých vláken a jejich vzájemného promísení podobně jako je tomu při zpracování směsí vláken v mykaných přádelnách (viz přádelnictví). V opačném případě, kdy by ve vlákenné vrstvě byly přítomny celé svazky vláken, došlo by k nižšímu stupni využití pojiva a zpevnění textilie a ke zhoršení omaku výrobku. Tato operace je poměrně nákladná a spolu s cenou pojiv představuje stinnou stránku pojení termoplasty. Dostatečného ojednocení a promísení surovin se obvykle dosahuje dvojicí mykacích strojů mezi nimiž je materiál transportován příčným kladečem. 109

110 Obr.7l.: Práškovací zařízení: 1 - zásobník, 2 - drážkový vynášecí válec 3 - stěrací kartáč, 4 - vlákenná vrstva Výhody a nevýhody pojení termoplasty Mezi výhody pojení termoplasty ve srovnání spojením disperzemi pojiv se uvádí zejména - hygienická nezávadnost výrobků - ekologicky nižší závadnost výrob (nepoužívají se síťovací prostředky, není skladování chemikálií) - jednodušší strojní zařízení - vyšší rychlost ohřevu (rychlost výroby, produkce a produktivita zařízení) - nižší spotřeba energie. Nevýhodami jsou - ušlechtilejší a dražší forma pojiv - vyšší náročnost mísení vláken s pojivem 110

111 - nižší plocha styku vlákno-pojivo, větší problémy se stabilitou výrobku v průběhu údržby - snížení produkce výrobního zařízení rounotvorným zařízením prochází i pojivo ve formě vláken. Dále bude uveden příklad výpočtu spotřeby tepla: - při sušení textilie v průběhu pojení impregnací disperzi pojiva - při pojení pomocí termoplastických vláken teplovzdušným ohřevem. vstupní údaje: Pojení disperzemi: Složení výrobku: 80% PES vláken, 20% pojiva Obsah vody ve vrstvě po odmačku: 80% na 100% hmoty vlákenné vrstvy Teplota sušení a sítování: 170 C Okolní teplota: 25 C Pojení termoplastickými vlákny: Složení výrobku: 80% PES vláken, 20% pojivých POP vláken Teplota pojení: 170 C Okolní teplota: 25 C Fyzikální konstanty: Měrné teplo c sp důležitých syntetických vláken kj. kg -1.K -1 PES 1,38 PAD 1,84 PVC 1,10-1,22 POP 1,51-1,88 PAN 1,51 Měrná tepla dalších látek Vody 4,19 Vodní páry 200 C 4,50 Vzduchu (O C) 1,00 Vzduchu (200 C) 1,025 Entalpie odpařování vody (skupenské teplo c SK, 100 C): kj.kg -1 Technologická spotřeba tepla vztažená na 1 kg materiálu 1. Tepelné pojení Q = M. (c SP )směsi. T (19) (c sp )směsi = X PES. 1,38 + X POP. 1,88 =0,8. 1,38 + 0,2. 1,88 = 1,48 kj.kg -1.K -1 (X PES a X POP jsou hmotnostní zlomky komponent ve vlákenné směsi) Q = 1. 1,48. (170-25) = 214,6 2. Sušení po impregnaci Q PES = M. c SP. T = 1. 1,38. (170-25) = 200,1 111

112 Q voda = M. c SP. T = 0,8. 4,19. (100-25) = 251,4 Q výpar = M. c SK = 0, = 1 805,6 Q pára = M. c SP T = 0,8. 4,5. 70 = 252,0 Q vzduch ( 5,33 m 3 ) = V. Q. c SP. T = 5,33. 1,2. 1. (170-25) = 927,4 celkem 3 436,5 Srovnání: Tavné pojení 218,0 kj.kg -1 Disperze 3 436,5 kj.kg -1 Vzájemný poměr: 1 : 15,7 V praxi se dosahuje poměru 1 : 4 až 1 : 7. Důvodem jsou tepelné ztráty zařízení Pojení kalandrem Při zpevňování kalandrem probíhá vlákenná vrstva s pojivem štěrbinou mezi dvojicí válců, z nichž jeden nebo oba jsou vyhřívané. Mezi válci dojde ke stlačení vrstvy a k jejímu ohřátí na takovou teplotu, kdy pojivo taje, případně je ve viskoelastickém stavu, to znamená deformovatelné působením vnější síly. Vlivem tlaku je pojivo formováno do tvaru pojících míst. Následným ochlazením dojde ke zpevnění pojiva a vlákenné vrstvy. Kalandry pro výrobu netkaných textilií jsou nejčastěji dvouválcové, s ocelovými válci o průměru mm. Válce jsou vyrobeny z tlustostěnných trubek z vysoce homogenní oceli a zajišťují tím rovnoměrný rozvod tepla po celém svém povrchu a odolnost proti průhybu vlivem vloženého zatížení. Kromě toho je rovnoměrnost přítlaku po délce svěrné linie obvykle 2 m - zajištěna konstrukčním řešením podobně jak je popsáno v kapitole o fulárech (kap ). Válce kalandru jsou vytápěny obvykle olejem, přehřátou vodou nebo jiným kapalným mediem uzavřeným či cirkulujícím uvnitř válce a ohřívaným elektricky, parou, plynem nebo jiným způsobem. Kalandry jsou konstruovány pro vyhřívání obvykle do 250 C, pro přítlak válců do N/m a pro pracovní rychlosti do 150 m/min. Pojiva jsou nejčastěji ve formě prášku naneseného na vrstvu nebo pojivých vláken přimíchaných k základním vláknům, případně fólií, mřížek a podobně, vložených mezi dvě vrstvy základních vláken. výrobní rychlost kalandrů je omezena malou plochou styku vlákenné vrstvy s válci a tloušťkou vlákenné vrstvy. Obvykle jsou pojeny vrstvy o plošné hmotnosti g/m2. Pro pojení těžších vrstev je nutno použít kalandrů s předehřívacím infračerveným nebo horkovzdušným zařízením, případně víceválcových kalandrů. Taková zařízení umožňují pojení vrstev o plošné hmotnosti do 1,5-3,0 kg/m 2. Válce mohou být hladké nebo rastrované. Hladkými válci se vlákenná vrstva propojí v celé ploše, zatímco rastrovanými v pojících místech volitelných tvarů a rozměrů. 112

113 Na obr. 72 je příklad povrchu rastrovaného válce, který pracuje proti válci hladkému. Velikost pojených ploch je obvykle 1 x 1 až 3 x 3 mm, celková propojená plocha tvoří 10-20% plochy textilie. Jiným příkladem (obr. 73) je dvojice válců opatřených šroubovicovými drážkami se stejným nebo různým stoupáním.vlákenná vrstva je účinkem těchto válců propojena silně - setkají-li se neprohloubené oblasti, středně mezi neprohloubenou a prohloubenou oblastí nebo nepropojena. Obr.72.: Rastrované povrchy válců kalandru. Základními parametry procesu pojení kalandrem jsou - typ a koncentrace pojiva - teplota - tlak - rychlost postupu vlákenné vrstvy - plošná hmotnost vlákenné vrstvy. V závislosti na uvedených veličinách dochází k roztékání pojiva a tvorbě spojů mezi základními vlákny. Vzniká obecně aglomerační struktura s různým stupněm spojitosti částic pojiva. 113

114 a) b) Obr.73.: Dvojice válců kalandru s drážkou (a) a schemata pojené textilie Výrobky se vyznačují nízkou objemností a vysokou smykovou tuhostí a blíží se vlastnostmi papíru. Diskretní rozmístění pojiva v ploše ve formě pojících míst ponechává naopak mez i pojícími místy plochu s volnými, neukotvenými a snadno pohyblivými úseky základních vláken. To vede k zvýšení splývavosti, ohebnosti, pevnosti v dalším trhání, prodyšnosti a ke zlepšení omaku při nepatrném snížení tahové pevnosti. Typickými výrobky pojenými kalandrem jsou textilie pro nemocnice, hygienické zboží, filtry, čistící textilie, různé typy textilií vyrobené pod tryskou atd. Příkladem je výroba textilie 20 g.m-2 ze směsi viskóza polypropylen nebo ze samotného polypropylenu pro hygienické zboží. Dvě vlákenné pavučiny s převažující podélnou orientací vláken vycházející z mykacích strojů se podélně vrství a procházejí kalandrem, kde dojde ke zpevnění Teplovzdušné pojení Při teplovzdušném pojení se zpracovává nejčastěji směsová vlákenná vrstva připravená ze směsi základních a. pojivých vláken. Jsou však možné i jiné varianty, např. folie nebo mřížka z termoplastického polymeru vložená mezi dvě vrstvy zezákladních vláken. Podmínkou teplovzdušného pojení je propustnost zpracovávané vlákenné vrstvy pro vzduch a proto v případě použití folie je nutno je perforovat, například zařazením operace vpichování. Vlákenná vrstva s pojivem prochází horkovzdušnou pojící komorou s cirkulujícím horkým vzduchem. 114

115 Horký vzduch, jehož teplota je udržována vhodným ohřevným a regulačním systémem na hodnotě postačující k roztavení pojiva, je pomocí ventilátoru proháněn vlákennou vrstvou. Teplo je tak velmi rychle transportováno k povrchu všech' vláken a k ohřevu vrstvy dojde mimořádně rychle. Nejpomalejším dějem při ohřevu vlákenných vrstev je obecně transport tepla soustavou vláken a vzduchu, která má nízkou tepelnou vodivost. Na obr. 74 je schematicky znázorněn rozdíl v mechanismech přenosu tepla při ohřevu povrchu vlákenné vrstvy a povrchu jednotlivých vláken při teplovzdušném (thru-air) ohřevu. Čas potřebný k ohřátí vrstvy na teplotu pojení je při teplovzdušném pojení okolo 10 s, zatímco u jiných ohřevů (konvekční, kontaktní s vy jímkou kalandru) jde o časy 1-5 min. a) Q b) T 1 T 2 l T 1 T 2 Q l Obr.74.: Schema ohřevu vlákenné vrstvy horkým vzduchem při ohřívání povrchu (a) a při průchodu vzduchu vrstvou (b) 115

116 Tepelný přenos je popsán rovnicí 20. T Q = λ l kde Q je množství tepla prošlé jednotkovou plochou za jednotku času [J.m -2.s -1 = W.m -2 ] λ je součinitel tepelné vodivosti materiálu [W.m -1.K -1 ] T je teplotní rozdíl mezi dvěmi teplosměnnými plochami [K] l je vzdálenost teplosměnných ploch [m] (20) Rozdíl rychlostí ohřevů a) a b) na obr. 74 lze odhadnout z vyčíslení poměru λ/l: a) λ- typická hodnota pro objemnou vlákennou vrstvu je 0,04 W.m -1.K -1, l je celá tloušťka textilie, např. 0,02 m b) λ vláken typická hodnota je 0,2 W.m -1.K -1, l je poloměr vlákna typická hodnota je Z toho vyplývají poměry a) λ/l = 2, b) λ/l = Jelikož je tepelný tok úměrný poměru λ/l, příklad ukazuje mnohem lepší tepelný přenos realizovaný teplovzdušným ohřevemv porovnání s kontaktním ohřevem v případě objemnějších textilních vrstev. Teplovzdušný ohřev se realizuje v pojících komorách. V zásadě se používají komory s horizontálním sítovým pásem (obr.75), komory s jedním (obr.76), dvěma (obr.77) nebo více perforovanými bubny. U výstupu z komory nebo uvnitř komory může být umístěna dvojice horkých či chladných kalandrovacích válců sloužící ke zvýšení pojícího efektu vlivem tlaku na taveninu pojiva. Přitom ovšem dochází obvykle ke snížení objemnosti výrobku. 116

117 Obr.75.: Teplovzdušná pojící komora s horizontálním sítovým pásem: 1 - vlákenná vrstva, 2 sítový pás, 3- horký vzduch, 4 - dvojice přítlačných válců 3 Obr. 76.: Teplovzdušná pojící komora se sítovým bubnem: 1 - vstup chladícího vzduchu, 2 - horký vzduch, 3 kryt komory, 4 - clona, 5 - sítový buben, 6 vlákenná vrstva 117

118 1 Obr. 77.: Dvoububnová pojící komora: 1 - vlákenná vrstva, 2 - sítové bubny, 3 - clony, 4 - proudící horký vzduch Po roztavení se pojivo přeskupuje a formuje spoje mezi vlákny v závislosti na - viskozitě taveniny, která je funkcí teploty, typu a molekulové hmotnosti polymeru - povrchovém napětí mezi základními vlákny a pojivem - vzájemném uspořádání vláken ve vrstvě (objemnost, míra předzpevnění, orientace vláken) a s tím spojených kapilárních efektech - rychlosti proudění ohřevného vzduchu a propustnosti vrstvy, t.j. mírou mechanického působení vzduchu na vrstvu a tím vyvolanými pohyby vláken. Typické tvary pojících míst kalandrovaných a teplovzdušné pojených textilií jsou uvedeny na obr. 78. Vyplývá z nich nejen různá tuhost a rozdíly prakticky ve všech vlastnostech textilií vyrobených různými postupy, ale i náročnost technologie teplovzdušného pojení na výběr pojiv. Relativně malá plocha styku dvou různých polymerů pojiva a vlákna (obr. 68b) vyžaduje pro dostatečné zpevnění dobrou soudržnost obou složek textilie. Soudržnost je charakterizována adhezí, t.j. adhezní energií vázanou na jednotku plochy styku dvou různých látek. Adheze různých typů polymerů je obecně nízká. Zejména je nízká adheze nepolárních polymerů (polypropylenu) k jiným typům vláken. Výrobky pojené polypropylenem vykazují nižší odolnost při praní a chemickém čištění. 118

119 Obr.78.: Typické tvary spojů při pojení termoplastickými vlákny (aglomerační struktura) Pojení: a) bikomponentními, b) monokomponentními vlákny, c) pojení za tlaku Technologií teplovzdušného pojení lze zpevňovat téměř jakákoliv základní vlákna. Omezení je dáno zejména stupněm znečištění povrchu vláken u druhotných vlákenných surovin olejovými látkami, které se v průběhu ohřevu odpařují a znečišťují ovzduší a způsobují výrazné snížení adheze pojiva k povrchu vláken. Teplovzdušné pojení umožňuje výrobu velmi široké škály textilií z hlediska plošné a objemové hmotnosti: plošná hmotnost: 0,01-2 kg.m -2 objemová hmotnost: kg.m -3 Tím je dána i značná šíře sortimentu zahrnující většinu typů vyráběných netkaných textilií včetně vysoce objemných tepelně izolačních oděvních materiálů. Typickým příkladem výrobní linky a technologie je zpracování druhotných vlákenných surovin ve směsi s 25 hmot. % pojivých polypropylenových vláken. Technologie zpracovává směs vláken připravenou v mykacím čechradle. V lince probíhá - jemné promísení obou typů vláken průchodem dvojicí mykacích strojů s přenosem materriálu mezi 1. a 2. strojem příčným překládáním - transport pavučiny z 2. mykacího stroje ke kolmému kladeči umístěnému nad sítovým dopravníkem teplovzdušné pojící komory u jejího vstupu - pojení průchodem teplovzdušnou pojící komorou při 170 C a rychlosti ohřevného vzduchu 2 m.s -1 - chlazení, ořezávání, navíjení. Výrobek se používá jako tepelná a hluková izolace při výrobě automobilů Pojení ultrazvukem Podstatou zařízení (obr. 79) je kovová sonotroda, na kterou se přenáší kmitání z generátoru ultra zvuku. Charakteristický kmitočet je zde kolem Hz. Vlákenná vrstva se přivádí mezi sonotrodu a podložku, která je nejčastěji tvořena přiváděcím bubnem 119

120 Mezi sonotrodou a podložkou je materiál sevřen nastavitelným tlakem. Kmitavá energie sonotrody se ve vlákenném materiálu přeměňuje na tepelný kmitavý pohyb molekul. Projevem této přeměny je zvyšování teploty materiálu. Obr.79.: Schema zařízení pro pojení ultra zvukem 1 - sonotroda, 2,3 - vlákenné vrstvy 4 - přiváděcí buben Dosažená teplota se řídí časem ohřevu t s. Musí se dosáhnout měknutí, případně tavení polymeru, nesmí však dojít k tepelné nebo oxidační destrukci materiálu. Rychlost ohřevu závisí na amplitudě A a frekvenci kmitání f, na tloušťce D a typu ohřívaného materiálu charakterizovaném materiálovou konstantou K a na potřebné teplotě pojení T a výchozí teplotě T o podle vztahu t s = K (T - T o ) / f 4. D 2. A 2 (21) Zařízení pro ultra zvukové technologie byla původně vyvinuta jako náhrada šití americkými firmami Pinsonic a Branson Ultrasonic. U nás se jejich vývojem a výrobou zabývá Ústav mechanizace oděvní výroby Trenčín. V provozu jsou v závodech Partex Malý Beranova Texlen Malé Svatoňovice. Využívají se ke spojování různých typů textilních vrstev (např. vrchová pletenina a objemná tepelně izolační vlákenná vrstva), případně k pojení. Výhodami ultrazvukového pojení jsou: - vysoké výrobní rychlosti, až 100 m/min - využití základního termoplastického materiálu současně jako pojiva - možnost vzorového, případně diskontinuálního pojení použitím vzorovaného přítlačného bubnu. 120

121 Nevýhody spočívají zejména v - nutnosti použití drahých materiálů pro výrobu sonotrod (slitiny titanu), případně v jejich omezené životnosti - nemožnosti zpracovávat netavitelné materiály Pojení infračerveným zářením Infračervené záření je část elektromagnetického spektra charakterizovaná vlnovými délkami m. Toto záření je emitováno tělesy při teplotě C. Při dopadu záření na hmotnou vrstvu se část záření odrazí, část projde a část se pohltí. Energie pohlceného záření se - zčásti opět vyzáří vlastním zářením tělesa - zčásti projeví vzrůstem teploty tělesa. dx φ φ dφ Obr.80.: Interakce infračerveného záření s vlákennou vrstvou Pro homogenní tělesa je absorpce záření popsána Lambert-Beerovým zákonem vycházejícím z předpokladu úměrnosti snížení intenzity záření a tloušťky tělesa (obr. 80) - d φ = k φ d x (22) z toho integrací v mezích φ 0, φ dostaneme log φ φ 0 = a d (23) kde φ 0, φ je intenzita dopadajícího a prošlého záření d je tloušťka vrstvy a je absorpční koeficient. B je materiálová konstanta závislá na vlnové délce světla. 121

122 Z této závislosti plyne vliv barvy materiálu na absorpční koeficient. Ten je tím vyšší, čím je barva materiálu tmavší. Tmavá až černá tělesa pohlcují větší část infračerveného světla než světlá tělesa. Představy odvozené pro homogenní tělesa nelze aplikovat v celé šíři na vlákenné soustavy s velkým vnitřním povrchem. Infrazářiče jsou většinou keramická tělesa elektricky vyhřívaná zabudovanými odporovými dráty na teplotu C. Vlákenná vrstva, která se má sušit nebo pojit prochází rychlostí v (m/min) ve vzdálenosti l (m) od tělesa emitujícího záření. část záření se mění na teplo a odpařuje kapalinu z vrstvy nebo taví termoplastický podíl obsažený ve vlákenné vrstvě a přeměňuje jej na pojivo. Dosažená teplota vrstvy je tím vyšší, čím je nižší rychlost materiálu, větší rozměr zářiče, menší vzdálenost od zářiče a větší absorpční koeficient. Technickým problémem je při této technologii vysoká teplota zářiče. Z ní sice plyne možnost relativně rychlého ohřevu, ale v případě poruchy posunu materiálu může snadno dojít k jeho přehřátí nad teplotu vzplanutí a požáru. Provozní zařízení jsou proto vybavena mechanismy pro okamžité oddálení těles od materiálu při stoupnutí teploty nad nastavenou bezpečnostní mez Úpravy netkaných textilií Netkané textilie se po zpevnění mohou dodávat spotřebitelům nejčastěji navinuté na rolích (roll goods), často se však nejrůznějším způsobem upravují. To provádí buď přímo výrobce v následných operacích nebo specializované výrobny. Úpravárenské a zpracovatelské závody tvoří samostatné odvětví zvané converting. V této kapitole bude uvedeno jen několik příkladů operací, které vedou často k výrobkům určeným přímo pro malospotřebitele nebo k textiliím s dokonale vypracovanou škálou specifických vlastností. Nebudeme se zde zabývat celou škálou procesů probíraných v předmětu Zušlechťování, které se na netkané textilie rovněž aplikují (potiskování, barvení, přenosový tisk, změkčování, tužení, antistatické, hydrofilní, hydrofobní, nehořlavé a jiné úpravy). a) Povrstvování aa) Povrstvování pomocí raklí Typy raklí a jejich uspořádání jsou znázorněny na obr. 81. Raklí se nanášejí zahuštěné disperze, pěny, pasty, plastisoly apod. Cílem úprav jsou mimo běžných úpravárenských procesů nánosy lepidel a výroba povrstvených substrátů (syntetické usně, nepromokavé materiály atd.). 122

123 Obr.81a.: Tvary raklí Obr.81b.: Uspořádáni při nánosu raklí: a,c) vzdušné rakle, b) rakle podepřená válcem d) rakle podepřená pásem, e) dvojice vzdušných raklí ab) Bodový nános prášku Zařízeni na celoplošný nános prášku bylo ukázáno na obr. 82. K povrchové úpravě práškem s cílem následného adhezivního spojení textilie s dalšími substráty, např. nažehlováním, se častěji využívá zařízeni k bodovému nánosu prášku. Tento postup soustřeďuje adhezivum do jednotlivých pojicích míst, ve kterých dochází k intenzivnějšímu propojeni ve srovnáni s celoplošným nánosem. Zmenšuje se tak spotřeba prášku (12-18 g/m 2 místo g/m 2 při celoplošném nánosu) a zlepšuje se prodyšnost a ohebnost kombinovaného útvaru. Přiklad zařízeni na bodový nános prášku je znázorněn na obr

124 Obr.82.: Zařízeni pro bodový nános prášku: 1 - zásobník prášku, 2 - vynášecí buben, 3 - přiváděcí buben, 4 - vyhřívaný přítlačný buben 5 4 Obr.83.: Rotační šablona pro bodové povrstvování: 1 - rotační šablona, 2 - pojivo, 3 - rakle, 4 podpěrný válec, 5 - ohřevná komora (zpevnění pojiva) 124

125 ac) Podobného výsledku lze dosáhnout využitím rotačních šablon, využívaných k bodovému povrstvování prášky, pastami nebo taveninami polymeru (obr. 83). Hustota pojících míst je dána typem perforace šablony a udává se v mesh, t.j. počet míst připadajících na diagonálu čtverce o straně 1 palec. Vztah mezi mesh a počtem míst na 1 cm 2 je následující: Mesh Míst/1 cm ad) Povrstvování taveninou polymeru pomocí kalandru Povrstvování polymerem, typicky polyetylenem nebo polyvinylchloridem, se provádí pomocí kalandrů v různém uspořádání. Jeden ze způsobů je znázorněn na obr. 84. Výsledkem je kompozit s pevně spojenými složkami, např. ubrusovina, koženka, geomembrána apod. 1 2 Obr.84.: Nános polymeru na textilní vrstvu kalandrem: 1 - pojivo, 2 - textilní vrstva 125

126 b) Vrstvení (kašírování) Touto operací rozumíme spojování dvou samostatných vrstev. To se provádí celou řadou způsobů s využitím adheziv. ba) Adheziva ve formě roztoků, disperzí, past, prášků, fólií nanášená některým ze způsobů ad a). Před ztužením pojiva se připojí druhá vrstva. ztužení proběhne- za tepla a tlaku (obr. 85). 1 2 Obr.85.: spojování vrstev pomocí tisku taveniny nebo pasty rotační šablonou: 1 - rotační šablona, 2 - bodový nános pojiva, 3 - odviny textilií, 4 - navíjení výrobku bb) Postřik taveninou polymeru (hot-melt) Tavná lepidla na bázi kopolyamidů, kopolyesterů, polyetylenu, etylen-vinylacetátů a polymerní kompozice jsou nanášeny na substrát pomocí speciálně vyvinutých tavících zařízení. Tento aparát je složen z tavícího zařízení, čerpadla a aplikátoru. Existují různé typy aplikátorů (obr.86): Meltblown Spunbond (spirála) tryska (kapka) tisk (povrstvení filmem) 126

127 Obr.86.: Různé typy aplikátorů technologie hot-melt Pomocí hot-melt adheziv lze materiály spojovat dalšími technologiemi: horkými nebo studenými válci, lisem, infraohřevem nebo teplovzdušně. bc) Spojování plamenem Tohoto postupu spojování se využívá typicky pro kombinace textilních vrstev s polyuretanovou pěnou. Přímý plamen z plynových hořáků působí na vrstvu polyuretanové pěny, přičemž dochází ke vzniku kapalných produktů tepelné destrukce. 127