Мягкие нетканые материалы для медицины и гигиены: сырье, производство, оценка мягкости

Наши коллеги из «СИБУР ПолиЛаб» регулярно проводят вебинары о технологических тонкостях и инновациях, применяемых в их работе. 15 февраля состоялся вебинар, посвященный мягким нетканым материалам. Запись вебинара доступна по ссылке. Рассказываем главное.

Методы контроля мягкости материалов

Так как медицинские и гигиенические нетканые материалы контактируют с кожей человека, в процессе производства важно обеспечить их мягкость, достаточную для соответствующих изделий. Но что такое мягкость и как ее контролировать?

Мягкость – это комплекс осязательных ощущений, который может отличаться для разных людей. Измерить эти ощущения в количественном выражении, которое может быть использовано для коррекции технологии производства, довольно трудно, поэтому для оценки мягкости нетканого материала обычно рассматривают несколько аспектов, тестируя изготовленное из него полотно:

• хлопковость (насколько материал на ощупь напоминает хлопок, насколько он объемный);
• драпируемость (насколько легко материал складывается);
• шелковистость (гладкость материала).

Если увеличивать хлопковость и объемность, то ухудшаются драпируемость и шелковистость (и наоборот).

Для оценки мягкости используют три метода:

• экспертная оценка;
• простые аппаратные измерения;
• комплексная аппаратная оценка.

Экспертная оценка – это основной промышленный метод оценки мягкости, всегда используемый для финишного контроля материалов и готовой продукции.

Как «смягчить» нетканый материал: технологии производства

Для придания мягкости нетканым материалам на стадии производства можно воспользоваться тремя основными методами:

• подбор основного полимерного сырья и добавок;
• регулирование извитости и (или) объемности;
• скрепление и механическая обработка.

Сырье и добавки

На этапе подбора сырья и добавок можно повысить мягкость тремя способами:

1. Использование бикомпонентного волокна. Как правило, ядро такого волокна состоит из более прочного полимера (полипропилена или сложного полиэфира) и обеспечивает прочность нетканого полотна. Оболочка волокна выполняется из «мягкого» полимера (например, полиэтилена) и придает материалу мягкость, а также может выступать в качестве связующего элемента в смеси волокон благодаря низкой температуре склеивания.
2. Смягчающие добавки. Например, применяются скользящие добавки, снижающие коэффициент трения: олеамид, эрукамид. Также применяются низкомолекулярные воски, выполняющие роль внутренней смазки полимеров. Самих по себе добавок недостаточно для обеспечения должного уровня мягкости. Также возможна обработка материала поверхностно-активными веществами.
3. «Мягкие» полимеры в многокомпонентном волокне. Обычно это добавление более мягкого полимера к полипропилену. Например, изготовление волокна из статистического сополимера пропилена, в котором блок полипропилена следует за блоком полиэтилена. Хотя добавление полиэтилена понижает жесткость материала, ощущение поверхности ухудшается, появляется «резиновость», или «синтетичность». Для уменьшения этого эффекта можно использовать скользящие добавки.

Бикомпонентное волокно оптимально для получения мягких нетканых материалов, но оборудование для производства бикомпонентного волокна дорого стоит и практически отсутствует в России. Сочетание смягчающих добавок и мягких полимеров позволяет получать материалы, способные конкурировать с бикомпонентным волокном.

Извитость и объемность (структурная мягкость)

Повышение структурной мягкости материала может достигаться механическим путем за счет изгибания (гофрирования) волокна. Волокно может гофрироваться в одной плоскости (2D) или в трехмерном пространстве (3D).

Структурную мягкость можно повысить без механического воздействия, если использовать бикомпонентное волокно. В отличие от описанного выше, такое бикомпонентное волокно состоит не из ядра и оболочки, а из двух скрепленных друг с другом (side-by-side) полимеров. Обычно соотношение этих полимеров асимметрично (70/30, 80/20). Меньшая часть – это полипропилен с более высокой текучестью, большая часть – полипропилен с более низкой текучестью. За счет разницы в усадке происходит сжатие волокна, и оно принимает спиральную 3D-форму, что придает материалу пушистость и объемность.

Скрепление и механическая обработка

Если нетканый материал производится посредством термоскрепления, то его мягкость можно регулировать подбором рисунка (рельефа поверхности) каландра и площади термоскрепления. Обычно чем меньше эта площадь, тем мягче материал. Но при уменьшении площади термоскрепления повышается ворсистость, а это нежелательный эффект. Ворсистость можно уменьшить, усложняя рисунок каландра, но большинство таких каландров очень дорого стоят, что делает их недоступными для малых предприятий. Кроме того, для производства нетканых материалов с разными свойствами приходится иметь несколько каландров с разными рисунками, что дополнительно повышает себестоимость.

Альтернативными решениями являются другие виды скрепления: гидроскрепление, скрепление горячим воздухом и так далее. Можно комбинировать разные виды скрепления, например гидроскрепление и термоскрепление. Также можно использовать связующие материалы (латекс, клей).

Готовый нетканый материал можно обрабатывать механически (тиснением, растяжением, гофрированием). Тиснение создает микрорастяжения, что умягчает материал. При растяжении материал испытывает релаксацию сжатия, но с определенной потерей физико-механических свойств.

Продуктовые решения СИБУРа для производства нетканых материалов

В ассортименте СИБУРа есть три марки полипропилена, предназначенные для производства стандартных нетканых материалов по технологии спанбонда:

• PP H263 FF;
• PP H270 FF;
• PP H350 FF.

PP H263 FF – гомополимер пропилена с узким молекулярно-массовым распределением. Характеризуется высокой текучестью и специальным составом рецептуры стабилизации, обеспечивающим сбалансированные физико-механические характеристики, а также стойкость материала к воздействию окружающей среды (AGF-эффект). Не содержит фталатов, что отвечает современным требованиям конечных потребителей.

Эта марка применяется для производства нетканых материалов, термоскрепленных и иглопробивных полотен, агротекстиля, предметов личной гигиены.

Марка PP H270 FF представлена с тремя разными значениями показателя текучести расплава (ПТР): 23–30 г/10 мин, 25–30 г/10 мин и 25–29 г/10 мин. Это гомополимер пропилена с узким молекулярно-массовым распределением. Характеризуется высокой текучестью, улучшенным составом рецептуры стабилизации, исключающим обесцвечивание готовых изделий и обеспечивающим сбалансированные физико-механические характеристики для получения высококачественных нетканых материалов.

Эта марка применяется для производства волокон, нетканых материалов, термоскрепленных и иглопробивных полотен, агротекстиля, а также предметов личной гигиены.

PP H350 FF – гомополимер пропилена с узким молекулярно-массовым распределением. Характеризуется высокой текучестью, улучшенным составом рецептуры стабилизации, обеспечивающим сбалансированные физико-механические характеристики и стойкость готовых изделий к обесцвечиванию под воздействием окружающей среды (AGF-стабилизация) для получения высококачественных нетканых материалов.

Эта марка применяется для производства волокон, нетканых материалов, термоскрепленных и иглопробивных полотен, агротекстиля, а также предметов личной гигиены.

Также в ассортименте компании есть марка полипропилена, предназначенная для производства нетканых материалов фильерно-раздувным методом, которая применяется в изделиях для защиты и фильтрации (например, в фильтрах для защиты от распространения бактерий в масках). Это гомополимер пропилена с узким молекулярно-массовым распределением, очень высокой текучестью, оптимальным составом рецептуры стабилизации.

Подробнее о характеристиках этих марок вы можете узнать в каталоге продукции, в разделе «Нетканые материалы».

В настоящее время СИБУР ведет разработку статистического сополимера пропилена с этиленом для моно- и бикомпонентного волокна. В декабре 2023 года за рубежом прошли испытания прототипа в сравнении с референсным импортным продуктом. Подтвердилось, что полимерное решение СИБУРа сопоставимо с референсным; в ближайшее время начнутся опытно-промышленные испытания.

СИБУР также разрабатывает марку полиэтилена для бикомпонентного волокна. По молекулярно-массовому распределению и плотности прототип аналогичен импортному продукту, что было подтверждено в ходе лабораторных испытаний. Следующий этап – тестирование на пилотной линии бикомпонентного волокна. В России нет линий по производству бикомпонентного волокна, поэтому этот материал на данном этапе разрабатывается под экспорт.

В 2023 году СИБУР провел первое тестирование у производителя оборудования своей новой марки полипропилена для нетканых материалов: PP R353 FF/5. Она предназначена для моно- и бикомпонентных волокон, обеспечивает повышенную мягкость при хороших физико-механических свойствах и технологичности.

Эта марка – альтернативное решение применяемым умягчающим добавкам. При бикомпонентном использовании эта марка совместима при повторной переработке с гомополимером полипропилена, используемым как основное сырье в производстве нетканых материалов. Из нее можно изготавливать спанбонд и штапельное волокно для кардных материалов. Следующий этап – опытно-промышленные испытания.

Заключение

В области производства мягких нетканых материалов все еще остаются вопросы для исследователей и технологов. Тем не менее роль этих материалов в промышленности, медицине и повседневной жизни очень велика. Инструментальные методы определения мягкости развиваются, но в ближайшем будущем вряд ли смогут заменить экспертов. Марки полипропилена из ассортимента СИБУРа позволяют достичь необходимого уровня мягкости для широкого спектра мягких нетканых материалов.