گرانول پلی پروپیلن جدید جهت تولید منسوجات بی بافت

تولید منسوجات بی بافت

دکتر شاهین کاظمی – دکتری مهندسی شیمی نساجی و علوم الیاف، دانشگاه صنعتی امیرکبیر

مقدمه

تولید منسوجات بی بافت :: پلی پروپیلن مهمترین عضو خانواده پلی اولفینها است که علاوه بر صنعت نساجی (جهت تولید الیاف مصنوعی و منسوجات بی بافت) در تولید قطعات پلاستیکی مختلف کاربرد دارد و از این حیث یکی از پلیمرهای با کارایی متنوع تلقی می شود.

با گذشت چند سال از تولید آزمایشی پلی پروپیلن ایزوتاکتیک (اوایل سال ۱۹۵۴) شرکت مونتکاتینی ایتالیا برای اولین بار در سال ۱۹۵۷ شروع به تولید صنعتی گرانول پلی پروپیلن نمود و پس از چند سال اولین لیف تجاری پلی پروپیلن توسط یک شرکت ایتالیایی به بازار عرضه گردید. به دلیل مشکلات حقوقی (حق ثبت) و محدودیتهای فنی نظیر عدم امکان رنگرزی و ناپایداری نوری-حرارتی، تا قبل از دهه ۱۹۷۰ رشد تولید این الیاف بسیار کم بود، اما پس از دهه ۱۹۷۰ با برطرف شدن موانع حقوقی تولید توسط سایر تولیدکنندگان، استفاده از الیاف اولفینی سرعت زیادی به خود گرفت، بطوریکه ظرف مدت ۲۰ سال توانست از لحاظ میزان مصرف پس از الیاف پلی استر رتبه دوم را به خود اختصاص دهد.

پلی پروپیلن یک پلیمر پلی اولفینی با وزن مولکولی بالا می باشد که از واکنش پلیمری شدن افزایشی پروپیلن (محصول جانبی گازی شکل فرایند کراکینگ پالایش نفت و یا میعانات گاز طبیعی) تحت شرایط خاص و با حضور کاتالیزورهای مخصوص بدست می آید. معمولاً در حین انجام واکنش پلیمری شدن با توجه به نوع کاتالیزور مصرفی و شرایط واکنش، مخلوطی از حالتهای فضایی ایزوتاکتیک، اتاکتیک، سیندیوتاکتیک و … تولید می شود که حالت ایزوتاکتیک به علت خواص ویژه خود از اهیمت بیشتری در صنعت نساجی برخوردار است.

پلی پروپیلن ایزوتاکتیک قابلیت تبلور دارد، درحالیکه پلی پروپیلن اتاکتیک ساختاری آمورف دارد. پارامترهای اصلی تعیین کننده خواص این پلیمر، وزن مولکولی و توزیع آن، شاخص جریان مذاب (MFI)، درصد ایزوتاکتیسیتی، فرایند پلیمری شدن، نوع و مقدار ماده افزودنی و … می باشد.

افزایش درصد ایزوتاکتیک در پلی پروپیلن باعث افزایش درصد بلورینگی، چگالی و درنهایت افزایش میزان استحکام، سختی، درصد جمع شدگی و کاهش شفافیت و استحکام ضربه می شود. مقدار وزن مولکولی (Mw) برای پلی پروپیلن مورد استفاده در تولید الیاف در محدوده ۱۵۰.۰۰۰ تا ۶۰۰.۰۰۰ قرار دارد. توزیع وزن مولکولی در این پلیمر تا حد زیادی تابع نوع کاتالیزور مورد استفاده در فرایند پلیمری شدن است. توزیع وزن مولکولی برای کاتالیزورهای زیگلر-ناتا گسترده و در محدوده ۸ – ۴ می باشد و برای انواعی که تحت فرایند تخریب شیمیایی کنترل شده قرار گرفته اند در حدود ۳ است. این مقدار برای پلی پروپیلنی که توسط کاتالیزورهای متالوسن تولید شده در حدود ۵/۲ می باشد.

برای تعیین گرانروی پلی پروپیلن معمولاً از اندازه گیری شاخص جریان مذاب (MFI) آن استفاده می شود، این پارامتر برای تولید الیاف نساجی در محدوده ۳۵-۱۰ گرم در ۱۰ دقیقه است. پلی پروپیلن از تبلور بالایی برخوردار است که تا ۷۰% نیز می رسد و برای تعیین آن از روشهای گوناگونی همچون اندازه گیری چگالی، گرمای ذوب توسط گرماسنج تفاضلی پویشی (DSC) و اشعه X استفاده می شود، که البته دقت میزان تبلور اندازه گیری شده در هر روش متفاوت است. پلی پروپیلن نسبت به تابش پرتو ماورا بنفش حساس بوده و دچار تخریب می گردد، لذا برای جلوگیری از این فرایند ناخواسته به آن مواد پایدارکننده نوری اضافه می شود.

این پلیمر به دلیل تبلور بالا و ساختار آلیفاتیک غیرقطبی که فاقد هرگونه عامل فعالی است، قابل رنگرزی با روشهای متداول رنگرزی نیست، لذا برای تولید الیاف رنگی از روش رنگرزی توده پلیمر با اضافه نمودن رنگدانه ها در حین فرایند ذوب ریسی استفاده می شود که خود محدودیتهایی را از نظر تنوع، شفافیت رنگی و … به دنبال می آورد. از اینرو کوششهای بسیاری در زمینه تولید الیاف پلی پروپیلن اصلاح شده که قابل رنگرزی با روشهای مرسوم باشند صورت پذیرفته و اختراعاتی نیز به ثبت رسیده است. عمده این اصلاحات بر مبنای افزودن عواملی به پلیمر به منظور بهبود جذب مواد رنگزا می باشد ولی با این وجود هنوز الیاف پلی پروپیلن اصلاح شده تجاری به بازار عرضه نشده است.

نزدیک به ۴۰% از گرانول پلی پروپیلن تولیدی در جهان در صنعت نساجی جهت تولید الیاف استیپل، نخهای فیلامنتی، نخ کفپوش BCF، نخ تک فیلامنتی، منسوجات بی بافت اسپان باند/ملت بلون و نوار بسته بندی مورد استفاده قرار می گیرد و از این لحاظ صنعت نساجی را می توان یکی از مهمترین صنایع پایین دستی این پلیمر محسوب نمود.

در طی نیم قرن گذشته استفاده از پلی پروپیلن تاثیر شگرفی در مسیر زندگی انسانها داشته است و بدون شک کاربردهایی نظیر تولید منسوجات بی بافت پلی پروپیلنی به صورت منسوجات بی بافت ترموباند و یا اسپان باند-ملت بلون تحولات بنیادینی را در صنایع بهداشتی و پزشکی ایجاد نموده است که از مهمترین موارد آنها می توان به تولید پوشک یکبار مصرف، البسه بیمارستانی یکبار مصرف و … اشاره نمود.

در صنایع عمرانی و ساخت و ساز نیز استفاده از منسوجات بی بافت پلی پروپیلنی به عنوان ژئوتکستایل تحول عظیمی را در زیرسازی راهها و ریلها برجا گذاشته است و توانسته است با وزن بسیار کم خود جایگزین لایه های بسیار حجیم زیرسازی بستر شود.

هرچند که در نگاه اول این تحولات تاحدودی وابسته به پیشرفت فنآوری و دانش ذوب ریسی تولید الیاف، نخهای فیلامنتی و منسوجات بی بافت اسپان باند و … می باشد ولی در نگاهی دیگر می توان گفت که عرضه گرانولهای پلی پروپیلن در انواع خاص و ویژه است که توانسته است این مسیر را هموار سازد و بدون شک بدون تحول در دانش ساخت این پلیمر امکان دستیابی به این گستره وسیع از خصوصیات جهت کاربردهای ویژه میسر نبوده است.

اما آیا با گذشت بیش از ۵۰ سال از آغاز این فنآوری هنوز هم پتانسیل نوآوری در دانش ساخت این پلیمر وجود دارد؟

گرانول ویژه جهت تولید الیاف استیپل با استحکام بالا

اولین مثال جهت پاسخ به این سوال در تولید الیاف پلی پروپیلن استیپل با استحکام بالا جهت تولید منسوجات بی بافت ژئوتکستایل می باشد. عموماً جهت تولید ژئوتکستایلهای با وزن سنگین در حد ۲۰۰ گرم در متر مربع از فرآیند سوزن زنی استفاده می شود که در آن تنش های کششی بسیاری به الیاف وارد می شود و به همین دلیل الیاف بایستی از ازدیاد طول تا حد پارگی نسبتاً بالایی برخوردار باشند. در صورتیکه در فرآیند سوزن زنی الیاف به سرعت پاره شوند منسوج بی بافت نیز یکپارچگی خود را به سرعت از دست می دهد. البته باید توجه داشت که استفاده از الیاف با استحکام بالا نیز لازمه تولید منسوجات بی بافت با استحکام مطلوب می باشد.

همانگونه که مشخص است در فرآیند اکستروژن، تولید الیاف با استحکام بالا و ازدیاد طول تاحد پارگی بالا تاحدی در تناقض می باشد، زیرا که جهت افزایش استحکام الیاف غالباً از فرآیند کشش توسط گودتها استفاده می شود که این فرآیند منجر به کاهش ازدیاد طول تاحد پارگی الیاف می شود. به همین دلیل تنها راه حل غلبه بر این تناقض اصلاح خصوصیات مواد پلیمری اولیه و ابداع گونه های جدید می باشد.

پیشرفتهای جدید صورت گرفته در فنآوری ساخت کاتالیزورهای زیگلر – ناتا این امکان را فراهم ساخته است که درجه بلوری شدن پلی پروپیلن در کنار وزن مولکولی آن تاحد زیادی افزایش یابد. در صورت استفاده از گرانولهای تولید شده در این فرآیند می توان الیافی تولید نمود که نه تنها دارای استحکام بالایی می باشند بلکه ازدیاد طول تاحد پارگی آنها نیز نسبت به سایر الیاف بیشتر می باشد.

شکل ۱ – نمودار تغییرات استحکام در مقابل تغییرات نسبت کشش

همانگونه که در شکل ۱ نشان داده شده است الیاف تولید شده از یکی از گرانولها (PPH4069) در یک نسبت کشش معین استحکام بیشتری نسبت به الیاف تولید شده از گرانول دوم (PPH7069) از خود نشان می دهد. استحکام بیشتر در الیاف منجر می شود که میزان انرژی جذب شده توسط منسوج بی بافت در حین اعمال تنشهای مکانیکی افزایش یافته و در نتیجه جهت تولید یک منسوج بی بافت با خصوصیات مکانیکی معین می توان به میزان قابل توجهی از وزن لایه مدنظر کاست و در نهایت به خواسته های مشتری نهایی نیز پاسخ داد.

به عنوان مثال اگر با استفاده از الیاف با استحکام زیاد بتوان تاحدود ۱۰% از وزن لایه بی بافت کم نمود در هنگام زیرسازی ساخت یک جاده به عرض ۱۰ متر و طول ۲۰ کیلومتر از ژئوتکستایل با وزن ۲۰۰ گرم در متر مربع می توان صرفه جویی قابل ملاحظه ای در مصرف الیاف داشت که معادل آزادسازی ۱۳ تن گاز دی اکسید کربن در محیط زیست است. به همین دلیل استفاده از گرانولهای جدید نه تنها از لحاظ اقتصادی به صرفه می باشد بلکه از لحاظ زیست محیطی نیز تاثیر بسیار قابل توجهی ایجاد می نماید.

گرانول ویژه جهت تولید منسوجات بی بافت اسپان باند

در گذشته جهت تولید منسوجات بی بافت ترموباند ابتدا الیاف تولید شده و سپس تحت فرآیند حرارتی تحت فشار غلطکهای کالندر به لایه بی بافت تبدیل می شد، اما با ابداع فرآِیند تک مرحله ای اسپان باند و ملت بلون تحول بسیار قابل توجهی در عرصه تولید اقتصادی منسوجات بی بافت ایجاد شد.

هرچند که فرآیند تک مرحله ای اسپان باند دارای مزایای بسیاری نسبت به فرآیند دو مرحله ای ترموباند می باشد اما دارای نقاط ضعفی نیز می باشد. یکی از این نقاط ضعف عدم کنترل کافی بر خصوصیات رشته الیاف تولید شده می باشد. در فرآیند دو مرحله ای می توان انواع مختلف الیاف با خصوصیات متفاوت را مورد استفاده قرار داد و در نهایت منسوج بی بافت ترموباند با خصوصیات مطلوب ایجاد نمود در حالیکه در فرآیند تک مرحله ای اسپان باند میزان کنترل بر روی خصوصیات مکانیکی رشته های مداوم الیاف به دلیل اجرای محدود عملیات کشش توسط جریان هوا (نسبت به عملیات کشش توسط گودتهای سرد و گرم) بسیار اندک می باشد. میزان کشش کمتر منجر به تولید رشته های الیاف با استحکام پایینتر و در نتیجه منسوجات بی بافت ضعیفتر از لحاظ خصوصیات مکانیکی می شود.

در این فرآیند نیز تنها راه حل غلبه بر این موضوع استفاده از گرانولهای پلیمری با خصوصیات ویژه است که بتواند بر این نقطه ضعف غلبه نماید. یکی از انواع ویژه کاتالیزورهای متالوسن می تواند پلی پروپیلنی تولید نماید که دارای توزیع وزن مولکولی بسیار باریک و ریزساختار بسیار ویژه است.

شکل ۲ – نمودار تغییرات استحکام منسوج بی بافت در مقابل تغییر درجه حرارت فرآیند کالندرینگ

شکل ۳ – نمودار تغییرات ظرافت در مقابل تغییر نرخ عبوردهی

همانگونه که در شکل ۲ نشان داده شده است در صورت استفاده از این پلی پروپیلن می توان در یک دمای معین اجرای فرآیند کالندرینگ منسوج بی بافتی با استحکام بیشتر تولید نمود که در بعضی موارد این افزایش تاحد ۲۰% نیز گزارش شده است. از طرف دیگر همانگونه که در شکل ۳ نشان داده شده است میزان نرخ عبور پلیمر از منفذ نیز در صورت استفاده از این گرانول جدید بهبود یافته و در نتیجه می توان الیاف ظریفتری نیز تولید نمود.

در مجموع بررسی ها نشان می دهد که در صورت استفاده از این گرانولهای جدید می توان تاحدود ۱۷% از وزن لایه بی بافت تولید شده کاست و همچنان حد بسیار مناسبی از خصوصیات مکانیکی را در لایه کنترل نمود.

یکی دیگر از مزایای استفاده از این گرانولهای جدید عدم نیاز به استفاده از پراکسیدها جهت باریک نمودن توزیع وزن مولکولی و افزایش شاخص میزان نرخ عبور جریان مذاب از منفذ (MFI) می باشد.

شکل ۴ – میزان گازهای خروجی از پلی پروپیلنهای مختلف در دماهای متفاوت

از طرف دیگر همانگونه که در شکل ۴ نشان داده است میزان گازهای تولید شده در هنگام فرآیند نمودن گرانولهای جدید تولید شده با کاتالیزورهای متالوسن و همچنین مواد باقیمانده از آنها در حین فرآیند بعدی نسبت به استفاده از گرانولهای معمولی بسیار کاهش یافته است که این مساله در بسیاری از کاربردهای بهداشتی بسیار حائز اهمیت است.

منسوجات بی بافت اسپان باند ژئوتکستایل تولید شده از این گرانولهای جدید از لحاظ شیمیایی خنثی می باشند و به همین دلیل در صورت استفاده از آنها به عنوان لایه های جداکننده و فیلتر کننده خاک نه تنها به تعادل شیمیایی محیط بستر صدمه وارد نمی کند بلکه دارای طول عمر بیشتری نسبت به سایر انواع ژئوتکستایل می باشد.

جمع بندی

با وجود بلوغ نسبی در بازار منسوجات بی بافت تولید شده از پلی پروپیلن و همچنین سابقه و تاریخچه طولانی ابداعات صورت گرفته در عرضه انواع جدید پلی پروپیلن، مثالهای ذکر شده در این بخش به خوبی نشان می دهد که همچنان پتانسیل قابل توجهی در پژوهش و توسعه این حوزه از بازار صنایع نساجی وجود دارد.

بطور کلی مهمترین تحولات صورت گرفته در عرضه پلی پروپیلنهای جدید ناشی از ابداعات صورت گرفته در تولید کاتالیزورهای جدید می باشد. کاتالیزورهای زیگلر-ناتا و متالوسن جدید هر کدام خصوصیات ویژه ای در محصول نهایی ایجاد می نمایند که آنرا جهت کاربرد خاصی ویژه و متمایز می سازد. در حال حاضر کاتالیزورهای متالوسن توانایی تولید انواع ویژه ای از پلی پروپیلن در محدوده میانی شاخص جریان مذاب را دارند و فضاهای بسیار زیادی جهت پژوهش در خصوص تولید پلی پروپیلن با شاخص جریان مذاب بسیار کم و یا بسیار بالا وجود دارد.

جدول – انواع مختلف پلی پروپیلن تولید شده توسط شرکت توتال فرانسه جهت استفاده در صنعت منسوجات بی بافت

مراجع:

۱. شاهین کاظمی، “تاثیر میزان پلی پروپیلن اتاکتیک بر روی برخی از خواص الیاف پلی پروپیلن”، پروژه کارشناسی ارشد مهندسی شیمی نساجی و علوم الیاف، دانشکده مهندسی نساجی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تابستان ۱۳۸۴
۲. Wassenaar, J., Geeurickx, P., “Innovations in Polypropyelne Materials for High Performance Nonwovens”, Chemical Fibers International, 1/2014, pp. 47-48.

منبع : شماره ۲۵ مجله کهن

————————————————————————————