Статика в производстве нетканых материалов и синтепона

Мельтблаун: коронная зарядка фильтрующего слоя

Защитные маски N95 обычно состоят из двух наружных слоев нетканого материала, которые формируют маску, и тонкого фильтрующего слоя нетканого материала между ними.

Нетканые материалы в масках: спанбонд и мельтблаун

Нетканые материалы — это листовые или полотняные структуры, волокна которых (или перфорированные пленки) скреплены механически, термически или химически. Это плоские пористые полотна, изготовленные непосредственно из отдельных волокон, из расплавленного пластика или из пластиковой пленки. Их не ткут и не вяжут, а волокна не нужно превращать в пряжу.

В масках используют два нетканых материала — спанбонд и мельтблаун (melt-blown):

• слои спанбонда придают маске форму и защищают внутренний фильтрующий слой;
• слой мельтблауна — это фильтр, который улавливает микроскопические нежелательные частицы, среди которых могут быть вирусы и бактерии.

Именно внутренний фильтрующий слой мельтблауна — ключевой в конструкции маски: он отличает медицинский уровень защиты от самодельной маски. Генераторы Fraser нужны именно в производстве слоя мельтблауна.

Как производят мельтблаун

Процесс мельтблаун превращает полимерное сырье в нетканое полотно из волокон малого диаметра. Так получают полотна разной ширины и толщины в больших рулонах.

Основные этапы производства:

1. полимер расплавляют в экструдере;
2. расплав подают через отверстия фильеры в поток горячего воздуха высокой скорости;
3. структура полотна образуется, когда волокна переплетаются;
4. волокна собирают на вращающемся барабане или на формующей ленте с вакуумом под ней — так образуется нетканое полотно.

На свойства готового полотна существенно влияют характеристики полимера, скорость воздуха, параметры оборудования и степень переплетения волокон. Обычно в этом процессе получают волокна диаметром 1–10 мкм.

Мельтблаун применяют преимущественно в фильтрации, в барьерных тканях, в матах для сбора нефтепродуктов и в сепараторах аккумуляторов.

Коронная зарядка повышает эффективность фильтрации

Тонкие волокна мельтблауна дают высокую эффективность фильтрации при низком сопротивлении воздушному потоку — это идеально для масок. Мельтблаун в основном изготавливают из полипропилена (PP), поэтому его можно электростатически зарядить и повысить эффективность фильтрации без увеличения сопротивления воздушному потоку.

Для этого полотно обычно обрабатывают коронным разрядом, создавая эффект электрета. Коронную зарядку в целом считают лучшим методом для крупносерийного производства электретных фильтрующих материалов.

Коронный разряд — это электрический разряд между двумя электродами противоположной полярности. Образующиеся ионы и электроны могут оседать на любом изоляционном материале, проходящем через разряд. Распределение заряда в структуре материала обычно неравномерное, поэтому внутри фильтра возникают очень неоднородные электрические поля. Это повышает способность материала улавливать частицы из воздуха.

Важнейшее преимущество электретных фильтрующих материалов — способность удалять очень мелкие частицы, диаметром менее одного микрона, с сохранением низкого перепада давления (сопротивления воздушному потоку). Такие субмикронные частицы значительно меньше пор большинства электретных материалов, но электростатические силы внутри структуры материала удаляют их с высокой эффективностью.

IONFIX и генерирующие электроды на линии мельтблауна

Генераторы статического заряда IONFIX Compact и IONFIX Pro с генерирующими электродами Fraser обеспечивают коронную зарядку полотна мельтблауна. На линии малой производительности полотно проходит между генерирующими электродами Fraser на 30 кВ и заземленным валом, который служит противоэлектродом. Для этого применения поставляют преимущественно генераторы отрицательной полярности. После зарядки проверяют эффективность фильтрации.

Что такое электрет

Электрет — это диэлектрик с квазипостоянным электрическим зарядом или дипольной поляризацией. Название соединяет начало слова «электричество» («электрон») и конец слова «магнит»: по аналогии с тем, как образуется магнит, когда магнитные домены в куске железа выстраиваются в одном направлении. Электрет создает внутреннее и внешнее электрическое поле и является электростатическим аналогом постоянного магнита. В фильтрующем материале маски эти электрические поля притягивают и удерживают мелкие частицы.

Современные электреты обычно получают, вводя избыточные заряды в высокоизолирующий диэлектрик, например:

• электронным пучком;
• коронным разрядом;
• инжекцией из электронной пушки;
• электрическим пробоем через промежуток;
• с помощью диэлектрического барьера.

Полярные молекулы диэлектрика ориентируются по направлению электростатического поля и образуют дипольный электрет с постоянным электростатическим смещением. Сильное электрическое поле может вызывать в диэлектрике такие эффекты:

• А — миграцию внутренних зарядов к поверхностям диэлектрика;
• Б — миграцию зарядов между слоями диэлектрика;
• В — миграцию зарядов внутри молекул диэлектрика;
• Г — ориентацию молекулярных диполей в диэлектрике.