مروری بر پارچه‌ های بی‌ بافت و خواص و کاربردهای آنها

ترجمه: فروغ امیرشیرزاد-  تحریریه مجله کهن

این مقاله به بررسی روش‌های مختلف تولید پارچه‌ های بی‌ بافت ساخته شده از الیاف طبیعی و مصنوعی می‌پردازد. از میان روش‌های مختلف تولید این دسته از منسوجات، فرآیند سوزن زنی بیشتر برای تولید پارچه های بی‌بافت در کاربردهای صنعتی استفاده می‌شود.

خواص فیزیکی، مکانیکی و عملکردی روش‌های مختلف تولید پارچه های بی‌بافت مورد بحث قرار گرفته است. تاثیر عوامل مختلف بر خواص مختلف منسوجات بی‌بافت مانند جاذب روغن، عایق حرارتی، نفوذپذیری هوا، کاهش صدا، فشار پذیری، جذب آب و عایق صوتی، بررسی شده است. کاربردهای صنعتی مختلفی برای منسوجات بی‌بافت در زمینه‌های مختلف از جمله ژئوتکستایل، فیلتراسیون، کاربردهای خودروسازی، کشاورزی، عایق صوتی و حرارتی گزارش شده است.

۱- مقدمه
اتصال مکانیکی الیاف به عنوان پانچ با سوزن شناخته می‌شود. در این روش، الیاف به صورت مکانیکی در هم پیچیده می‌شوند و با حرکت سوزن‌های خاردار (سوزن‌های نمدی) در یک دسته الیاف متحرک در دستگاه بافندگی، پارچه تولید می‌شود.

با عبور الیاف از زیر سوزن‌ها، صفحه‌ای که حاوی سوزن‌ها است، با سرعت‌ بالا به صورت رفت و برگشتی حرکت می‌کند. معمولاً لازم است که لایه‌های پشمی را از هر دو طرف سوزن زد. این کار را می‌توان با دو بار عبور دادن آن از داخل دستگاه و برگرداندن آن بین پاس اول و دوم یا با استفاده از دستگاهی با دو تخته سوزن که اولی به سمت پایین و دومی به سمت بالا حرکت می‌کند، به دست آورد.

فرآیند سوزنی‌زنی برای تولید پارچه‌های بی‌بافت با وزن متوسط و سنگین از ۳۰۰ تا ۳۰۰۰ گرم بر متر مربع مناسب است.

۱-۲- پارچه‌ های بی‌ بافت
به طور کلی پارچه‌های بی‌بافت به عنوان ساختارهای ورقه‌ای یا شبکه‌ای تعریف می‌شوند که توسط الیاف یا فیلامنت‌ها (و با سوراخ کردن لایه‌ها) به صورت مکانیکی، حرارتی یا شیمیایی به یکدیگر متصل می‌شوند. منسوجات بی‌بافت ورقه‌های متخلخلی هستند که مستقیماً از الیاف جداگانه، پلاستیک مذاب یا فیلم پلاستیکی ساخته می‌شوند.

این دسته از منسوجات، به روش بافندگی تاری پودی یا حلقوی ساخته نمی‌شوند و نیازی به تبدیل الیاف به نخ ندارند. پارچه‌های بی‌بافت، پارچه‌های مهندسی شده‌ای هستند که ممکن است یکبار مصرف باشند، عمر محدودی داشته باشند یا بسیار بادوام باشند.
پارچه‌های بی‌بافت عملکردهای خاصی مانند جذب، دفع مایعات، انعطاف پذیری، کشش، نرمی، استحکام، مقاومت در برابر شعله، قابلیت شستشو، عایق حرارتی، عایق صوتی، فیلتراسیون، استفاده به عنوان یک مانع باکتریایی و استریل را ارائه می‌دهند.

این ویژگی‌ها اغلب برای ایجاد پارچه‌های مناسب برای مشاغل خاص ترکیب می‌شوند، در حالی که تعادل خوبی میان عمر مصرف محصول و هزینه نیز به دست می‌آید. پارچه‌های بی‌بافت می‌توانند ظاهر، بافت و استحکام پارچه‌های تاری پودی را تقلید کنند و همچنین می‌توانند به اندازه ضخیم‌ترین روکش‌ها حجیم باشند.

آنها در ترکیب با سایر مواد، طیفی از محصولات با خواص متنوع را ارائه می‌دهند و به تنهایی یا به عنوان اجزای پوشاک، اثاثیه منزل، مراقبت‌های بهداشتی، مهندسی، صنعتی و کالاهای مصرفی استفاده می‌شوند.

۲-۲- روش‌های تولید پارچه‌ های بی‌ بافت
پارچه‌های بی‌بافت را می‌توان به روش‌های مختلفی تولید کرد، از جمله:
– پیوند حرارتی
– درهم تنیدگی آبی
– سوزن زنی
– پیوند شیمیایی

۲-۲-۱- پیوند حرارتی
منسوجات بی‌بافت با پیوند حرارتی، پارچه‌هایی هستند که با استفاده از گرما برای ذوب پودرها یا الیاف ترموپلاستیک (پلی استر، پلی پروپیلن و غیره) تولید می‌شوند. در نقطه‌ای که دو یا چند الیاف با هم تلاقی دارند، می‌توان آنها را حرارت داد تا به یکدیگر ذوب شوند. هنگام سرد شدن، این الیاف به هم چسبیده ‌شده و این امر به پارچه استحکام می‌بخشد.

۲-۲-۲- درهم تنیدگی آبی

یک فرآیند پیوند برای وب‌های الیاف مرطوب یا خشک است که توسط کاردینگ، لایه‌بندی هوا یا لایه‌گذاری مرطوب، یک پارچه بی‌بافت ساخته می‌شود. در این روش از جت‌های ریز و پرفشار آب استفاده می‌شود که به وب الیاف نفوذ کرده، به تسمه نقاله برخورد ‌کرده و به عقب برگشته و باعث درهم‌تنیدگی الیاف می‌شوند.

۲-۲-۳- پیوند شیمیایی
در روش پیوند شیمیایی، از اتصال دهنده‌های شیمیایی (مواد چسبنده) برای پیوند الیاف در یک پارچه بی‌بافت استفاده می‌شود. بایندرهای شیمیایی پلیمرهایی هستند که از پلیمریزاسیون امولسیونی تشکیل می‌شوند.

بایندرهایی که امروزه بیشتر مورد استفاده قرار می گیرند، لاتکس‌های آب هستند. آنها به روش‌های مختلف برای منسوجات بی‌بافت استفاده می‌شوند و از آنجایی که ویسکوزیته آنها نزدیک به آب است، می‌توانند به راحتی توسط امولسیون به ساختارهای منسوجات بی‌بافت نفوذ کنند.

پس از استفاده از بایندر به عنوان مثال، با غوطه ور کردن، آنها را خشک کرده و آب تبخیر می‌شود. سپس بایندر یک لایه چسبنده در سراسر یا میان تقاطع‌های الیاف تشکیل می‌دهد و به این ترتیب پیوند الیاف صورت می‌گیرد.

۲-۲-۴- سوزن زنی
پارچه‌های بی‌بافت تولید شده به روش سوزن زنی، از وب‌های الیاف مختلف (معمولاً وب‌های کارد شده) ساخته می‌شوند. در این روش، الیاف به صورت مکانیکی و از طریق درهم تنیدگی و اصطکاک پس از نفوذ مکرر سوزن‌ها در وب الیاف، به یکدیگر متصل می‎شوند.

پارچه‌های تولید شده به این روش، دارای تناوب‌های مشخصی در معماری ساختاری خود هستند که از تعامل الیاف با سوزن‌ها ناشی می‌شود. بخش‌های الیاف تغییر جهت داده و از سطح وب به سمت داخل پارچه مهاجرت می‌کنند و ستون‌هایی از الیاف را تشکیل می‌دهند که تقریباً عمود بر صفحه هستند.

از این رو، از میان چهار تکنیک پیوند الیاف در تولید پارچه‌های بی‌بافت، سوزن زنی به عنوان روشی موثر شناخته شده است. در این مقاله قصد داریم به طور مفصل در مورد روش سوزن زنی صحبت کنیم.

۳- خواص مکانیکی پارچه‌های بی‌بافت تولید شده به روش سوزن زنی
۳-۱- عایق حرارتی
الیاف پلی استر به دلیل در دسترس بودن آسان، هزینه کم و خواص مکانیکی خوب، کاربردهای مختلفی در حوزه نساجی دارند. خاصیت عایق حرارتی یکی از خواص بسیار مهم مواد نساجی برای کاربردهای صنعتی است. روش‌هایی که معمولاً برای اندازه‌گیری مقادیر عایق حرارتی (TIV) استفاده می‌شود، روش دیسک، روش دمای ثابت و روش خنک‌کننده است.

با افزایش وزن پارچه، تعداد الیاف در واحد سطح پارچه افزایش می‌یابد. به همین دلیل ضخامت پارچه نیز افزایش می‌یابد. با افزایش ضخامت پارچه، مقاومت حرارتی افزایش می‌یابد. با افزایش ضخامت، هدایت حرارتی کاهش می‌یابد و در نتیجه خاصیت عایق حرارتی بالاتری ایجاد می‌شود.

این امر را می‌توان با اشاره به این واقعیت تأیید کرد که در مورد پارچه‌های جوت، TIV به طور مستقیم با ضخامت پارچه متناسب است. در مورد الیاف پلی استر توخالی، به دلیل استفاده از الیاف با چگالی خطی کم، تحکیم الیاف در حین سوزن زدن بیشتر است. این امر منجر به عایق حرارتی ضعیف منسوجات توخالی پلی استر سوزن زنی شده می‌شود.

۳-۲- تراکم پارچه، درصد فشرده‌سازی و ضخامت
ضخامت و همچنین تراکم پارچه با افزایش وزن پارچه افزایش می‌یابد. این مورد برای پارچه‌های بی‌بافت سوزن زنی شده پلی پروپیلن گزارش شده است. باز هم با افزایش تعداد الیاف، به راحتی می‌توان ساختار یکپارچه‌ای را به دست آورد.

این امر به دلیل در دسترس بودن الیاف بیشتری است که در طول فرآیند سوزن‌زنی برای تشکیل پارچه متراکم‌تر در وزن بیشتر در هم پیچیده می‌شوند. درصد فشردگی با افزایش وزن پارچه برای هر سه شکل مقطعی نمونه‌های پلی استر کاهش می‌یابد.

با افزایش وزن پارچه، مقدار الیاف در واحد سطح پارچه افزایش می‌یابد، در نتیجه بار فشاری میان تعداد الیاف بیشتری به اشتراک گذاشته می‌شود. از این رو با افزایش وزن پارچه، درصد فشردگی کاهش می‌یابد.

۳-۳- نفوذپذیری هوا
هم نفوذپذیری هوا و هم SAP با افزایش وزن پارچه کاهش می‌یابد. در حالی که وزن پارچه افزایش می‌یابد، پارچه ضخیم‌تر و همچنین متراکم‌تر می‌شود و در نتیجه ساختار پارچه یکپارچه‌ای ایجاد می‌شود. اگرچه مقدار منافذ با افزایش تعداد الیاف افزایش می‌یابد، اما اندازه منافذ کوچکتر می‌شود. این امر به نوبه خود، نفوذپذیری هوا و همچنین مقادیر SAP را با افزایش وزن پارچه کاهش می‌دهد.

با افزایش وزن پارچه، نفوذپذیری هوا و SAP به ترتیب در مورد پارچه‌های بی‌بافت پلی استر و جوت کاهش می‌یابد. نفوذپذیری هوا نیز روند مشابهی را با وزن پارچه دنبال می‌کند.

مشاهده می‌شود که با افزایش وزن پارچه در تمام سطوح محتویات جوت، نفوذپذیری هوا به ‌طور چشمگیری کاهش می‌یابد. نفوذپذیری هوا چندان تحت تأثیر تراکم سوزن قرار نمی‌گیرد. تا مقدار ۳۰۰ پانچ بر سانتی متر مربع، روندی کاهشی نشان می‌دهد و پس از آن با افزایش تراکم سوزن، نفوذپذیری هوا بدون تغییر باقی می‌ماند.

همچنین مقاومت جریان هوا با کاهش قطر لیف و تخلخل افزایش یافته است. نفوذپذیری هوا در پارچه‌ها با افزایش نسبت مخلوط پلی استر در مخلوط افزایش می‌یابد، به جز در پارچه‌های با وزن ۱۲۵ گرم بر متر مربع. از آنجایی که چگالی الیاف پلی استر کمتر از الیاف ویسکوز است، ضخامت پارچه‌های غنی از پلی استر برای یک وزن پارچه یکسان در واحد سطح، بیشتر از پارچه‌های غنی از ویسکوز است.

نفوذپذیری هوا در پارچه‌های غنی از پلی استر کمتر از پارچه‌های غنی از ویسکوز است. علاوه بر این، با افزایش وزن در واحد سطح، نفوذپذیری هوا در پارچه‌ها کاهش می‌یابد و افزایش تراکم سوزن باعث افزایش نفوذپذیری هوا می‌شود. در ساختارهای چند لایه، همانطور که انتظار می‌رود، با افزایش تعداد لایه‌ها، نفوذپذیری هوا کاهش می‌یابد و در نتیجه مقاومت جریان هوا افزایش می‌یابد.

۳-۴- مقاومت حرارتی
مشاهده شده است که مقاومت حرارتی با افزایش وزن پارچه افزایش می‌یابد. با افزایش وزن پارچه، مقاومت حرارتی در تراکم سوزن کمتر (۱۵۰ پانچ بر سانتی‌متر مربع) به‌طور برجسته‌تری افزایش می‌یابد، اما تأثیر آن در تراکم سوزن بالاتر (۳۵۰ پانچ بر سانتی‌متر مربع) ناچیز است.

در تمام تراکم‌های سوزن میان ۱۵۰ و ۳۵۰ پانچ در سانتی متر مربع، تأثیر وزن پارچه بر مقاومت حرارتی تقریباً مشابه است.
هم مقاومت حرارتی و هم مقاومت حرارتی ویژه با افزایش تراکم سوزن کاهش می‌یابد.

در تمام سطوح محتویات جوت، با افزایش وزن پارچه، مقاومت حرارتی و ضخامت پارچه‌ها افزایش می‌یابد اما نفوذپذیری هوا و نفوذپذیری هوای مقطعی به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد.

۳-۵- کاهش صدا
در سال‌های اخیر، توجه به موضوع سر و صدا و آلودگی صوتی افزایش یافته است. سطوح سر و صدای بالاتر می‌تواند باعث اختلال در خواب، استرس، کاهش شنوایی و کاهش بهره‌وری/توانایی یادگیری شود که باید تحت کنترل قرار گیرد.

عواملی از جمله تراکم سطحی، نوع پارچه، شدت منبع، تعداد لایه‌ها، فاصله پارچه از منبع صدا، فاصله پارچه از گیرنده و نوع الیاف بر عملکرد کاهش صدای انواع پارچه‌های بی‌بافت سوزن زنی شده تاثیرگذار هستند.

الیاف طبیعی و مصنوعی مختلف، دارای خواص متفاوتی هستند. در میان تمام نمونه‌های آزمایش شده، جوت کمترین خاصیت کاهش صدا را دارد. این امر به دلیل فضای خالی کمتر و ناشی از ساختار فشرده آن است که در چگالی پارچه نیز منعکس می‌شود.

این در حالیست که تمام الیاف مصنوعی دیگر، خاصیت کاهش صدای بالاتری از خود نشان می‌دهند. مخلوط‌های تشکیل شده از الیاف غیر مشابه. خاصیت کاهش صدای بالاتری را در مقایسه با عملکرد جداگانه خود نشان می‌دهند.

در مورد تأثیر فاصله پارچه از منبع صدا و گیرنده، مطالعه‌ای با پارچه بی‌بافت سوزن زنی شده جوت با وزن ۵۰۰، ۷۰۰ و ۹۰۰ گرم بر متر مربع انجام شده است. بر اساس نتایج به دست آمده، مشخص شده است که با افزایش فاصله پارچه از منبع صدا، ویژگی کاهش صدا افزایش می‌یابد.

همچنین هنگامی که منبع صدا ثابت نگه داشته می‌شود و فاصله گیرنده متغیر است، با افزایش فاصله، عملکرد کاهش صدا نسبتاً ثابت باقی می‌ماند. افزایش تراکم سطح پارچه کاهش صدا را افزایش می‌دهد.

۳-۶- جذب آب
جذب آب مواد نساجی بسیار مهم است زیرا پارچه ممکن است تحت فرآیندهای رنگرزی و تکمیل قرار گیرد. پارچه‌های ساخته شده از الیاف جوت کاربردهای مختلفی دارند، از جمله کفپوش، تمیز کنندگی، جاذب، منسوجات کشاورزی، که جذب آب یک معیار مهم برای عملکرد آنها است.

در میان تمام الیاف گیاهی بلند، الیاف جوت از خاصیت ترشوندگی خوبی برخوردار هستند. انتظار می‌رود که ساختار متخلخل منسوج بی‌بافت سوزن‌زنی شده، ظرفیت نگهداری آب پارچه را بهبود بخشد.

همچنین انتظار می‌رود که چگالی پارچه ممکن است نقش مهمی در جذب آب چنین پارچه‌های بی‌بافتی ایفا کند. هنگامی که روغن بچینگ اعمال نمی‌شود، با افزایش تراکم سوزن، bulk density به طور مداوم در عمق کم نفوذ سوزن کاهش می‌یابد. اما در عمق بالای نفوذ سوزن، bulk density در ابتدا افزایش و سپس کاهش می‌یابد. با افزایش عمق نفوذ سوزن، bulk density برای محدوده کم تراکم پانچ کاهش می‌یابد، اما در تراکم پانچ بالا افزایش می‌یابد.

۳-۷- خواص فیزیکی
خواص فیزیکی و میزان حجیم بودن پارچه، عملکرد آن در حین استفاده و قابلیت سرویس دهی آن را تعیین می‌کند. خواص فیزیکی پارچه به طور مستقیم یا غیرمستقیم تحت تأثیر حجم مواد است، در حالی که میزان حجیم بودن رابطه مستقیمی با رفتار حرارتی و فشاری پارچه دارد. براساس مشاهدات یک مطالعه، نفوذپذیری هوا در پارچه‌هایی که به‌صورت تصادفی چیده شده‌اند، به دلیل تعداد منافذ بیشتر، از پارچه‌های متقاطع بیشتر است.

تاثیر ظرافت الیاف بر روی حجم و خواص فیزیکی پارچه‌های بی‌بافت قابل توجه است. ویژگی‌های حجیم بودن و خواص فیزیکی پارچه‌های بی‌بافت سوزن زنی شده، مناسب بودن پارچه را برای کاربردهای مختلف آن تعیین می‌کند.

خواص فوق تحت تأثیر ویژگی‌های الیاف، ویژگی‌های وب، پارامترهای طراحی ماشین، متغیرهای ماشین و عملیات تکمیل هستند. به طور کلی، پارچه بی‌بافت متراکم‌تر و ساخته شده از مواد خام و وزن یکسان، دارای نفوذپذیری هوا کمتر و استحکام و کشیدگی بالاتری است.

یکپارچگی بیشتر در پارچه‌های بی‌بافت، معمولاً از طریق تراکم سوزن و نفوذ سوزن بالاتر حاصل می‌شود. با افزایش عمق نفوذ سوزن، فشارپذیری کاهش می یابد اما بازیابی فشاری بهبود می‌یابد.

۳-۸- ویژگی‌های صوتی و ضریب جذب صدا
کنترل پدیده صوتی در محیط‌های کاری و مسکونی با استفاده از منسوجات، توجه زیادی به خود جلب کرده است. اساساً پارچه‌های بی‌بافت به دلیل نسبت حجم به جرم بالا، عایق‌های صوتی بسیار خوبی هستند.

مطالعه‌ای به بررسی تاثیر پارامترهای مختلف پارچه از جمله ظرافت الیاف، اثر سطحی، چگالی پانچ، چگالی سطحی و پیوند شیمیایی بر روی ویژگی‌های صوتی پارچه‌های بی‌بافت پرداخته است. نتایج این مطالعه نشان می‌دهد که ظرافت الیاف تأثیر به سزایی بر جذب صدا در پارچه‌های بی‌بافت دارد.

همچنین مشخص شد که افزایش در تراکم سطحی و تراکم پانچ به طور مثبت بر قابلیت جذب صدا در پارچه‌های بی‌بافت سوزن زنی شده تأثیر می‌گذارد. با این حال، با افزایش چگالی پانچ از مقدار ۹۰/cm2 به ۱۰۵/cm2، کاهش جزئی در مقادیر NRC نمونه‌های با تراکم سطحی کمتر مشاهده شده است.

۳-۹- جاذب روغن
عموما، نشت نفت در اقیانوس‌ها و همچنین در سطوح خشکی مجاور رخ می‌دهد. از دلایل عمده این پدیده می‌توان نشت نفت در حین تولید و حمل و نقل، ساخت نامناسب مخازن نفت و انفجار آنها در زمان جنگ یا بلایای طبیعی را نام برد.

روغن ریخته شده باید در یک بازه زمانی برداشته یا از بین برود تا از خطرات جدی برای محیط زیست جلوگیری شود. روغن ریخته شده بر روی آب با استفاده از تکنیک‌های مختلف مانند کف‌گیری، شیمیایی، باکتری و غیره حذف می‌شود اما این روش‌ها زمان‌بر و برای محیط زیست مضر هستند.

با هدف یافتن یک روش مناسب‌تر، مواد بر پایه الیاف برای پتانسیل آنها در پاکسازی نشت نفت مورد بررسی قرار می‌گیرند. در همین راستا و با توجه به داده‌های حاصل از یک مطالعه، منسوجات بی‌بافت مبتنی بر الیاف شیر و کاپوک ظرفیت جذب روغن و همچنین سرعت جذب روغن بسیار بالایی دارند.

مشخص شد که منسوجات بی‌بافت پنبه‌ای مورد مطالعه، ۲۶ گرم روغن در هر گرم الیاف را به همراه ظرفیت جذب آب بسیار کم در حدود ۱.۶۷ g/g جذب می‌کنند و هیچ گونه تخریب شیمیایی یا حمله میکروبی را نشان نمی‌دهند حتی زمانی که به مدت ۱۰ روز در آب مصنوعی دریا باقی بمانند. پارچه‌های شیری و پنبه‌ای جذب انتخابی خوبی از روغن روی آب داشتند، زیرا روغن می‌توانست به ترتیب جایگزین حدود ۹۰ درصد و ۸۵ درصد از آب جذب شده قبلی در ساختار آنها شود.

منسوجات بی‌بافت ساخته شده از الیاف طبیعی استحکام پارگی ضعیفی از خود نشان می‌دهند و از این رو ممکن است در طول استفاده از کار بیفتند. این یافته‌ها نشان می‌دهد که منسوجات بی‌بافت ساخته شده از الیاف طبیعی، باید با استحکام بهبود یافته، به عنوان جاذب روغن برای کاربرد حذف نشت نفت توسعه داده شوند.

۴- جمع‌بندی
در میان روش‌های مختلف تولید منسوجات بی‌بافت، سوزن‌زنی به عنوان یک فناوری رو به جلو و بسیار مناسب در نظر گرفته می‌شود. تحقیقات زیادی بر روی منسوجات بی‌بافت برای کاربردهای مختلف در حال انجام است و زمینه برای بهبود بیشتر آنها نیز وجود دارد. امروزه بیشتر منسوجات بی‌بافت در بخش‌های فنی صنعت نساجی مانند ژئوتکستایل‌ها، منسوجات پزشکی، منسوجات کشاورزی، منسوجات خودرو و غیره استفاده می‌شوند.