Статика у виробництві нетканих матеріалів і синтепону

Мельтблаун: коронне заряджання фільтрувального шару

Захисні маски N95 зазвичай складаються з двох зовнішніх шарів нетканого матеріалу, що формують маску, і тонкого фільтрувального шару нетканого матеріалу між ними.

Неткані матеріали в масках: спанбонд і мельтблаун

Неткані матеріали — це листові або полотняні структури, волокна яких (або перфоровані плівки) скріплено механічно, термічно чи хімічно. Це пласкі пористі полотна, виготовлені безпосередньо з окремих волокон, з розплавленого пластику чи з пластикової плівки. Їх не тчуть і не в’яжуть, а волокна не потрібно перетворювати на пряжу.

У масках використовують два неткані матеріали — спанбонд і мельтблаун (melt-blown):

• шари спанбонду надають масці форми й захищають внутрішній фільтрувальний шар;
• шар мельтблауну — це фільтр, що уловлює мікроскопічні небажані частинки, серед яких можуть бути віруси й бактерії.

Саме внутрішній фільтрувальний шар мельтблауну — ключовий у конструкції маски: він відрізняє медичний рівень захисту від саморобної маски. Генератори Fraser потрібні саме у виробництві шару мельтблауну.

Як виробляють мельтблаун

Процес мельтблаун перетворює полімерну сировину на неткане полотно з волокон малого діаметра. Так отримують полотна різної ширини й товщини у великих рулонах.

Основні етапи виробництва:

1. полімер розплавляють в екструдері;
2. розплав подають крізь отвори фільєри в потік гарячого повітря високої швидкості;
3. структура полотна утворюється, коли волокна переплітаються;
4. волокна збирають на обертовому барабані або на формувальній стрічці з вакуумом під нею — так утворюється неткане полотно.

На властивості готового полотна суттєво впливають характеристики полімеру, швидкість повітря, параметри обладнання й ступінь переплетення волокон. Зазвичай у цьому процесі отримують волокна діаметром 1–10 мкм.

Мельтблаун застосовують переважно у фільтрації, у бар’єрних тканинах, у матах для збирання нафтопродуктів і в сепараторах акумуляторів.

Коронне заряджання підвищує ефективність фільтрації

Тонкі волокна мельтблауну дають високу ефективність фільтрації за низького опору повітряному потоку — це ідеально для масок. Мельтблаун здебільшого виготовляють з поліпропілену (PP), тому його можна електростатично зарядити й підвищити ефективність фільтрації без збільшення опору повітряному потоку.

Для цього полотно зазвичай обробляють коронним розрядом, створюючи ефект електрета. Коронне заряджання загалом вважають найкращим методом для великосерійного виробництва електретних фільтрувальних матеріалів.

Коронний розряд — це електричний розряд між двома електродами протилежної полярності. Іони й електрони, що утворюються, можуть осідати на будь-якому ізоляційному матеріалі, який проходить крізь розряд. Розподіл заряду в структурі матеріалу зазвичай нерівномірний, тому всередині фільтра виникають дуже неоднорідні електричні поля. Це підвищує здатність матеріалу уловлювати частинки з повітря.

Найважливіша перевага електретних фільтрувальних матеріалів — здатність видаляти дуже дрібні частинки, діаметром менше одного мікрона, зі збереженням низького перепаду тиску (опору повітряному потоку). Такі субмікронні частинки значно менші за пори більшості електретних матеріалів, але електростатичні сили всередині структури матеріалу видаляють їх з високою ефективністю.

IONFIX і генеруючі електроди на лінії мельтблауну

Генератори статичного заряду IONFIX Compact та IONFIX Pro з генеруючими електродами Fraser забезпечують коронне заряджання полотна мельтблауну. На лінії малої продуктивності полотно проходить між генеруючими електродами Fraser на 30 кВ і заземленим валом, який слугує протиелектродом. Для цього застосування постачають переважно генератори негативної полярності. Після заряджання перевіряють ефективність фільтрації.

Що таке електрет

Електрет — це діелектрик із квазіпостійним електричним зарядом або дипольною поляризацією. Назва поєднує початок слова «електрика» («електрон») і кінець слова «магніт»: за аналогією з тим, як утворюється магніт, коли магнітні домени в шматку заліза вишиковуються в одному напрямку. Електрет створює внутрішнє й зовнішнє електричне поле і є електростатичним аналогом постійного магніту. У фільтрувальному матеріалі маски ці електричні поля притягують і утримують дрібні частинки.

Сучасні електрети зазвичай отримують, вводячи надлишкові заряди у високоізоляційний діелектрик, наприклад:

• електронним пучком;
• коронним розрядом;
• інжекцією з електронної гармати;
• електричним пробоєм через проміжок;
• за допомогою діелектричного бар’єра.

Полярні молекули діелектрика орієнтуються за напрямком електростатичного поля й утворюють дипольний електрет із постійним електростатичним зміщенням. Сильне електричне поле може спричиняти в діелектрику такі ефекти:

• А — міграцію внутрішніх зарядів до поверхонь діелектрика;
• Б — міграцію зарядів між шарами діелектрика;
• В — міграцію зарядів усередині молекул діелектрика;
• Г — орієнтацію молекулярних диполів у діелектрику.