منسوجات بي بافت سوزن زني شده با ساختار سه بعدي

در صنعت نساجي اروپا بخش تحقيق و توسعه همانند بخش توليد بر روي منسوجات فني تمركز نموده است. در حال حاضر بيش از دو سوم منسوجات فني در سيستم بي بافت توليد مي شوند. منسوجات بي بافت بسيار اقتصادي هستند و براي طراحي آنها مي توان در زمينه هاي متعددي از جمله نوع الياف، حالت آنها، وزن، ضخامت و ساختار سطحي تغييرات ايجاد نمود.

منسوجات بي بافت در مقايسه با ديگر پارچه هاي نساجي از رشد سريع تري (به ميزان متوسط 5% در سال) برخوردارند. در سال 2005 كل توليد اين بخش 1.4 ميليون تن گزارش شده است. موارد زير دلايلي هستند كه موجب شده اند اين نوع منسوجات از نرخ رشد بالايي برخوردار باشند:

– زنجيره فرآيند توليد، كوتاه و كم هزينه است.
– تجهيزات توليد آنها در زمينه ميزان توليد و كيفيت محصول همواره با پيشرفت مواجه بوده اند.‏
– منسوجات بي بافت‏ بيش از پيش در حال جايگزين شدن منسوجات تار و پودي، پارچه هاي پنبه اي و كتان مورد استفاده در پرده و مبلمان، پارچه هاي حلقوي و پارچه هاي اسفنجي مي باشند. با توجه به اين كه توليد لايه عمدتاً منجر به توليد پارچه هاي دو بعدي مي شود، اما امروزه توليد منسوجات فني بيشتر به سمت سيستم هاي سه بعدي با استفاده از اليافي كه به صورت عمود بر سطح لايه هاي فوقاني و تحتاني آرايش مي يابند، معطوف شده است كه با مزاياي زيادي همراه است.‏

ويژگي هاي منسوجات اسپيسر
منسوجات اسپيسر در سيستم  هاي متنوعي از جمله حلقوي و يا تار و پودي به بازار عرضه مي شوند، اما داراي كاربردهاي محدودي هستند. اين منسوجات در مواردي كه خواص ويژه و فرآيند توليد پر هزينه اي دارند، بسيار گران مي باشند. به همين دليل همواره نياز به منسوجات اسپيسري كه فرآيند توليد آن ارزان بوده و در عين حال داراي قدرت جذب و خلل و فرج زيادي باشد، احساس شده است.‏
يك ساختار سه بعدي مي تواند از طريق سوزن زني دو لايه بي بافت كه در فاصله معيني از يكديگر قرار گرفته اند، توليد شوند. در اين فرآيند، سوزن هاي خاردار كه به صورت رديفي قرار گرفته اند، لايه بي بافت از قبل آماده شده را از دو طرف سوزن زني (پانچ) مي كنند. در واقع اين سوزن ها توده هاي الياف را از دو طرف وارد مي نمايند. سطوح بي بافت در فاصله هاي معيني به وسيله فاصله دهنده ها (اسپيسرها) نگه داشته مي شوند. در اين فرآيند مي توان به جاي لايه هاي بي بافت، پارچه هاي تار و پودي و يا حلقوي را به كار برد. علاوه بر آن مي توان از تركيب سه نوع پارچه استفاده كرد و يا مركز آنها را با مواد غير نساجي لوله مانند و يا به هر شكلي كه امكان عبور جريان آزاد را داشته باشد، پر كرد كه نتيجتاً يك منسوج بي بافت سه بعدي اسپيسر با منافذ بزرگ تشكيل مي شود (شكل1).‏

شكل1- نماي شماتيك از يك منسوج بي بافت سوزن زني شده اسپيسر

به منظور اين كه توده هاي الياف بتوانند لايه هاي بي بافت را در فاصله معيني از يكديگر نگه دارند، الياف مورد استفاده مي بايست به اندازه كافي بلند و نسبتاً انعطاف پذير باشند. البته طول الياف به كار رفته نبايد كمتر از 3 و يا 4 چهار برابر ارتفاع فاصله دهنده باشد. مثلاً با ارتفاع فاصله دهنده به اندازه 5 ميليمتر، حداقل طول الياف به كار رفته 20-15 ميليمتر مي باشد. همچنين ويژگي هاي الياف مي بايست براي مرحله آماده سازي لايه بي بافت نيز مناسب باشند. به منظور درك چگونگي تشكيل توده هاي الياف در بي بافت ها و اينكه الياف چگونه و به چه ميزان به يك لايه بي بافت مي چسبند، تحقيقات زيادي بر روي انواع مختلف منسوجات بي بافت انجام شد (جدول1).‏

جدول1- تشكيل دسته هاي الياف و ميزان انعطاف پذيري آنها

نتايج اين تحقيقات در مورد منسوجات بي بافت اسپان باند و يا سوزن زني شده داراي اتصالات ضعيف، و همچنين منسوجات بي بافت داراي لايه حلقوي تاري ‏Malivlies/Maliwatt‏ اين بود كه در اين منسوجات، توده هاي اليافي كه به نگهداري فاصله ميان دو لايه كمك مي نمايند، به اندازه كافي تشكيل مي شوند و در نتيجه نيروهاي چسبندگي در سطح مقطع عرضي لايه كافي است. با اين حال، در مورد منسوجات بي بافت اسپان باند و يا بي بافت هاي اسپان ليس كه درگيري الياف در آنها توسط نيروي آب صورت گرفته است، عدم تشكيل توده هاي الياف و يا تشكيل آنها به ميزان كمي مشاهده مي شود كه اين امر ناشي از فشردگي سطح و يا نوع تركيب بي بافت به كار رفته است. انتقال الياف از يك لايه بي بافت به لايه ديگر به وسيله سوزن هاي خاردار مخصوصي از جمله سوزنهاي تاج دار (‏crown-type‏) و يا نوع چنگالي (‏fork-type‏) انجام مي گيرد. اين سوزن هاي خاردار دو فاق (دندانه) دارند كه در فواصل مساوي از دو سر سوزن طراحي شده و در دو طرف مقابل يكديگر بر روي سوزن قرار گرفته اند. خارها كاملاً محكم هستند تا بتوانند الياف را از ميان فاصله دهنده ها كه تنها 2 ميليمتر عرض دارند، بدون وقفه هايي كه در هنگام باز كردن رخ مي دهد، حمل كنند.

تعداد الياف منتقل شده در خارها و همچنين تراكم سوزن زني و تراكم توده هاي الياف با قوانين رياضي تعريف شده اند. به منظور آگاهي از تعداد اليافي كه در هر بار سوزن زني منتقل مي شوند، ابتدا بايد هندسه خار و ميزان برداشت الياف مشخص شود.
‏ كشش باعث مي شود كه الياف خود را به صورت موازي با يكديگر آرايش داده و به همين شكل شيار خارها را پر كنند، به عبارت ديگر الياف بتوانند كاملاً در امتداد جهت سوزن زني قرار بگيرند تا خارها همه آنها را بالا ببرند. هر چه الياف از سطح مقطع منسوج بي بافت بيشتر به جلو رانده شوند، الياف بيشتري در خارها نگه داشته مي شود. در اين حالت، حداقل 2 تا 3 ليف حمل مي شوند. تعداد الياف قرار گرفته در داخل دندانه ها به عمق خار، قطر الياف و تعداد خارها بستگي دارد. نكته مهم، انتخاب اندازه خارها متناسب با قطر الياف است. در صورتي كه قطر الياف خيلي بزرگتر از عمق خار باشد، ممكن است حمل و انتقال الياف صورت نگيرد. همچنين اگر قطر الياف خيلي كوچكتر از عمق خار باشد، احتمال انتقال تعداد زيادي از الياف در هر بار سوزن زني به وجود خواهد آمد كه ممكن است در نهايت به ساختار منسوج صدمه وارد آيد.  در زمينه پر كردن منسوجات بي بافت اسپيسر با پوشش هاي مياني مايع، دانستن

شكل2- آرايش الياف در خارها‏

مواردي همچون مقدار ممكن براي پر كردن با اين ماده و اينكه چه مقدار از ماده مي تواند توسط الياف عبور داده شود، ضروري است. به منظور اجتناب از آزمايشات وقت گير، سطح مخصوص الياف مشخص شد. همان طور كه مشاهده مي شود، اندازه سطح مؤثر الياف عمدتاً به اندازه سطح مقطع منسوج بي بافت، اندازه فاصله دهنده در حين تشكيل منسوج بي بافت، و همچنين تراكم توده الياف بستگي دارد. در لايه هاي بي بافتي كه چند جزئي هستند، اندازه سطح مؤثر الياف به ميزان 250 تا 800% كمتر است. اين بدين معني است كه در منسوجات بي بافت سوزن زني شده، 2.5 تا 8 برابر، مايع يا گاز بيشتري مي تواند توسط سطح الياف بين دو لايه بي بافت عبور داده شود.
موضوع جالب توجه ديگر، اندازه فضاي خالي بين دو لايه بي بافت در يك منسوج بي بافت سوزن زني شده اسپيسري است كه در آنها يك مايع، گاز و يا يك پوشش مياني با جريان آزاد وجود دارد. با استفاده از آناليز بازگشتي مي توان به مدل هاي رياضي خاصي دست يافت كه امكان پيش بيني خواص فيزيكي نساجي را در اختيار قرار مي دهند. اين مدل ها با توجه به پارامترهاي فرآيند سوزن زني و همچنين ويژگي هاي الياف، قادرند خواص محصول نهايي را پيش بيني نمايند.

حجم فضاي خالي مؤثر در منسوجات اسپيسر بين دو لايه بي بافت سوزن زني شده مي تواند بيشتر از منسوجات بي بافت ساده باشد. بررسي هاي انجام شده افزايشي بين 200% تا 500% در اين منسوجات اسپيسر را نشان داد كه در مقايسه با منسوجات بي بافت ساده، 2 تا 5 برابر مي توانند مايع يا گاز بيشتري را در خود جاي دهند.
در اينجا به ذكر يك نمونه مي پردازيم:
در منسوج بي بافتي با مساحت 1 سانتيمتر مربع، سرعت تغذيه 4.3 ميليمتر، ارتفاع فاصله دهنده 5 ميليمتر و با استفاده از حداكثر تراكم سوزن زني، ايجاد اتصال به وسيله عمليات سوزن زني مي تواند موجب به وجود آمدن فضاي خالي اضافي به ميزان 200 ميليمتر مكعب شود. در نتيجه در مساحت 1 متر مربع، اين حجم اضافي 2 ميليون ميليمتر مكعب (معادل تقريباً 2 ليتر در متر مربع) خواهد شد.‏

‏   پيشرفت هاي بنيادي
تجربيات پيشين، امكان تعيين پارامترهاي فرآيند توليد پارچه اسپيسر و همچنين ويژگي هاي منسوجات بي بافت را توامان فراهم مي آورد. راه هاي زيادي كه به منظور تغيير پارامترهاي توليد و نتيجتاً تغيير خصوصيات منسوج توليد شده وجود دارد، موجب مي شود تا بتوان از اين منسوجات در صنايع مختلفي استفاده نمود (جدول2).   ‏

جدول2- موارد استفاده، ويژگي ها و نمونه هايي از كاربرد منسوجات

‏   تعدادي از كاربردهاي منسوجات بي بافت سوزن زني شده اسپيسر شامل هر دو نوع پر شده و پر نشده، در مؤسسه تحقيقاتي ‏STFI‏ مورد برسي قرار گرفته اند.
– به نظر مي رسد منسوجات بي بافت سوزن زني شده اسپيسر با توجه به حجم بالاي فضاي خالي موجود در آنها كه در واقع شامل محفظه هاي محتوي هواست، براي توليد پوشاك مقاوم در برابر حرارت مناسب ترين گزينه باشند. هواي محتوي و همچنين سطح مقطع منسوج، موجب عايق بندي بهينه در مقابل گرما يا سرما مي شوند. البته براي دستيابي به اين منظور، جرم در واحد سطح نيز مي بايست تا حد امكان كاهش يابد.
تحقيقات انجام شده منجر به يافتن روشي شد تا بتوان يك لايه عايق كاري متداول كه داراي جرم در واحد سطح بالايي است را با يك پارچه بي بافت سوزن زني شده اسپيسر با وزن سبك و الياف مقاوم در برابر حرارت جهت كاربرد در توليد البسه ضد آتش براي مأمورين آتش نشاني جايگزين نمود (شكل3).‏

شكل3- استفاده از يك منسوج بي بافت سوزن زني شده اسپيسر به عنوان يك لايه عايق حرارتي

‏   – منسوجات بي بافت سوزن زني شده اسپيسر پر نشده نيز مي توانند براي توليد لايه هاي كنترل كننده رطوبت در روكش مبلمان ها و يا صندلي وسايل نقليه مورد استفاده قرارگيرند. اين امر ما را به سمت تركيب دو نوع منسوج بي بافت كه لايه فوقاني آن داراي قابليت انتقال رطوبت، و لايه تحتاني آن داراي قابليت ذخيره رطوبت باشد، سوق داد. در اين نوع منسوجات، دسته دسته بودن اليافي كه اين لايه ها را به هم متصل مي كنند، انتقال رطوبت به لايه زيرين را تسريع مي بخشد. با امكان استفاده از اين منسوجات در روكش مبلمان ها، در صورتي كه اندازه خار سوزن ها (به منظور تثبيت مسير حركت توده هاي الياف در جهت عمود) بزرگ باشد، مي توان خصوصيات مثبت را به حد بهينه رساند. براي دستيابي به ثبات ابعادي، نسبت معيني از الياف اتصال دهنده مي بايست به لايه ها افزوده شود. متعاقباً، واكنش پذيري حرارتي الياف اتصال دهنده، موجب تزلزل ثبات در جهت عمودي مي گردد. البته قابليت انتقال رطوبت مي بايست حفظ شود. صندلي هاي روكش شده با منسوجات بي بافت سوزن زني شده اسپيسر رطوبت خود را بدين طريق كنترل مي نمايند كه هنگامي كه شخص بر روي صندلي مي نشيند، وزن او موجب اعمال تنش فشاري به صندلي گشته و ساختار اسپيسر به هم فشرده مي شوند. لايه بالايي كه در معرض تعرق قرار مي گيرد، رطوبت و بخار آب را به داخل هدايت نموده و در نتيجه به فضاهاي خالي و همچنين لايه پاييني منتقل مي شوند. سپس رطوبت و بخار به صورت موقت ذخيره مي شوند و با تبادل رطوبت بين روكش صندلي و بدن، شرايط مطبوعي ايجاد مي گردد. بعد از اينكه تنش فشاري از روي صندلي برداشته شد، رطوبت و بخاري كه موقتاً ذخيره شده بود، از طريق توده هاي الياف و فضاهاي خالي ، منتقل شده و مجدداً به محيط باز مي گردند.

– امروزه مسئله بازيافت منسوجات بيش از پيش مورد توجه قرار گرفته است و قوانين و مقرراتي همچون بازيافت وسايل نقليه فرسوده ، محدوديت هايي را در زمينه بازيافت وسايل نقليه فرسوده و اينكه در وسايل نقليه جديد تا چه ميزان مي توان از مواد بازيافتي استفاده كرد به وجود آورده است. چنين قوانيني راه را براي استفاده از منسوجات اسپيسر سوزن زني شده پر شده هموارتر مي كنند. قطعات وسايل نقليه فرسوده به صورت موادي با جريان آزاد نوردكاري شده و سپس در طول فرآيند سوزن زني اسپيسر، بين دو لايه بي بافت افشانده مي شوند. تنظيم صحيح درجه حرارت در اين مرحله، ثبات ساختاري منسوجات بي بافت را به دنبال دارد. اين منسوج همراه با يك ماده زينتي به يك قطعه كاربردي تبديل مي شوند. بدين ترتيب، به عنوان مثال دستگيره ها و روكش درب ها از مواد بازيافتي ساخته مي شوند. علاوه بر آن ضايعات به وجود آمده در فرآيند توليد نيز قابل بازيافت هستند، بنابراين سيكل كاملي از چرخه مواد وجود خواهد داشت.

Source: Kohan Journal No.17/ Page 33   ‏