منسوجات بی بافت سوزن زنی شده با ساختار سه بعدی

در صنعت نساجی اروپا بخش تحقیق و توسعه همانند بخش تولید بر روی منسوجات فنی تمرکز نموده است. در حال حاضر بیش از دو سوم منسوجات فنی در سیستم بی بافت تولید می شوند. منسوجات بی بافت بسیار اقتصادی هستند و برای طراحی آنها می توان در زمینه های متعددی از جمله نوع الیاف، حالت آنها، وزن، ضخامت و ساختار سطحی تغییرات ایجاد نمود.

منسوجات بی بافت در مقایسه با دیگر پارچه های نساجی از رشد سریع تری (به میزان متوسط ۵% در سال) برخوردارند. در سال ۲۰۰۵ کل تولید این بخش ۱.۴ میلیون تن گزارش شده است. موارد زیر دلایلی هستند که موجب شده اند این نوع منسوجات از نرخ رشد بالایی برخوردار باشند:

– زنجیره فرآیند تولید، کوتاه و کم هزینه است.
– تجهیزات تولید آنها در زمینه میزان تولید و کیفیت محصول همواره با پیشرفت مواجه بوده اند.‏
– منسوجات بی بافت‏ بیش از پیش در حال جایگزین شدن منسوجات تار و پودی، پارچه های پنبه ای و کتان مورد استفاده در پرده و مبلمان، پارچه های حلقوی و پارچه های اسفنجی می باشند. با توجه به این که تولید لایه عمدتاً منجر به تولید پارچه های دو بعدی می شود، اما امروزه تولید منسوجات فنی بیشتر به سمت سیستم های سه بعدی با استفاده از الیافی که به صورت عمود بر سطح لایه های فوقانی و تحتانی آرایش می یابند، معطوف شده است که با مزایای زیادی همراه است.‏

ویژگی های منسوجات اسپیسر
منسوجات اسپیسر در سیستم  های متنوعی از جمله حلقوی و یا تار و پودی به بازار عرضه می شوند، اما دارای کاربردهای محدودی هستند. این منسوجات در مواردی که خواص ویژه و فرآیند تولید پر هزینه ای دارند، بسیار گران می باشند. به همین دلیل همواره نیاز به منسوجات اسپیسری که فرآیند تولید آن ارزان بوده و در عین حال دارای قدرت جذب و خلل و فرج زیادی باشد، احساس شده است.‏
یک ساختار سه بعدی می تواند از طریق سوزن زنی دو لایه بی بافت که در فاصله معینی از یکدیگر قرار گرفته اند، تولید شوند. در این فرآیند، سوزن های خاردار که به صورت ردیفی قرار گرفته اند، لایه بی بافت از قبل آماده شده را از دو طرف سوزن زنی (پانچ) می کنند. در واقع این سوزن ها توده های الیاف را از دو طرف وارد می نمایند. سطوح بی بافت در فاصله های معینی به وسیله فاصله دهنده ها (اسپیسرها) نگه داشته می شوند. در این فرآیند می توان به جای لایه های بی بافت، پارچه های تار و پودی و یا حلقوی را به کار برد. علاوه بر آن می توان از ترکیب سه نوع پارچه استفاده کرد و یا مرکز آنها را با مواد غیر نساجی لوله مانند و یا به هر شکلی که امکان عبور جریان آزاد را داشته باشد، پر کرد که نتیجتاً یک منسوج بی بافت سه بعدی اسپیسر با منافذ بزرگ تشکیل می شود (شکل۱).‏

شکل۱- نمای شماتیک از یک منسوج بی بافت سوزن زنی شده اسپیسر

به منظور این که توده های الیاف بتوانند لایه های بی بافت را در فاصله معینی از یکدیگر نگه دارند، الیاف مورد استفاده می بایست به اندازه کافی بلند و نسبتاً انعطاف پذیر باشند. البته طول الیاف به کار رفته نباید کمتر از ۳ و یا ۴ چهار برابر ارتفاع فاصله دهنده باشد. مثلاً با ارتفاع فاصله دهنده به اندازه ۵ میلیمتر، حداقل طول الیاف به کار رفته ۲۰-۱۵ میلیمتر می باشد. همچنین ویژگی های الیاف می بایست برای مرحله آماده سازی لایه بی بافت نیز مناسب باشند. به منظور درک چگونگی تشکیل توده های الیاف در بی بافت ها و اینکه الیاف چگونه و به چه میزان به یک لایه بی بافت می چسبند، تحقیقات زیادی بر روی انواع مختلف منسوجات بی بافت انجام شد (جدول۱).‏

جدول۱- تشکیل دسته های الیاف و میزان انعطاف پذیری آنها

نتایج این تحقیقات در مورد منسوجات بی بافت اسپان باند و یا سوزن زنی شده دارای اتصالات ضعیف، و همچنین منسوجات بی بافت دارای لایه حلقوی تاری ‏Malivlies/Maliwatt‏ این بود که در این منسوجات، توده های الیافی که به نگهداری فاصله میان دو لایه کمک می نمایند، به اندازه کافی تشکیل می شوند و در نتیجه نیروهای چسبندگی در سطح مقطع عرضی لایه کافی است. با این حال، در مورد منسوجات بی بافت اسپان باند و یا بی بافت های اسپان لیس که درگیری الیاف در آنها توسط نیروی آب صورت گرفته است، عدم تشکیل توده های الیاف و یا تشکیل آنها به میزان کمی مشاهده می شود که این امر ناشی از فشردگی سطح و یا نوع ترکیب بی بافت به کار رفته است. انتقال الیاف از یک لایه بی بافت به لایه دیگر به وسیله سوزن های خاردار مخصوصی از جمله سوزنهای تاج دار (‏crown-type‏) و یا نوع چنگالی (‏fork-type‏) انجام می گیرد. این سوزن های خاردار دو فاق (دندانه) دارند که در فواصل مساوی از دو سر سوزن طراحی شده و در دو طرف مقابل یکدیگر بر روی سوزن قرار گرفته اند. خارها کاملاً محکم هستند تا بتوانند الیاف را از میان فاصله دهنده ها که تنها ۲ میلیمتر عرض دارند، بدون وقفه هایی که در هنگام باز کردن رخ می دهد، حمل کنند.

تعداد الیاف منتقل شده در خارها و همچنین تراکم سوزن زنی و تراکم توده های الیاف با قوانین ریاضی تعریف شده اند. به منظور آگاهی از تعداد الیافی که در هر بار سوزن زنی منتقل می شوند، ابتدا باید هندسه خار و میزان برداشت الیاف مشخص شود.
‏ کشش باعث می شود که الیاف خود را به صورت موازی با یکدیگر آرایش داده و به همین شکل شیار خارها را پر کنند، به عبارت دیگر الیاف بتوانند کاملاً در امتداد جهت سوزن زنی قرار بگیرند تا خارها همه آنها را بالا ببرند. هر چه الیاف از سطح مقطع منسوج بی بافت بیشتر به جلو رانده شوند، الیاف بیشتری در خارها نگه داشته می شود. در این حالت، حداقل ۲ تا ۳ لیف حمل می شوند. تعداد الیاف قرار گرفته در داخل دندانه ها به عمق خار، قطر الیاف و تعداد خارها بستگی دارد. نکته مهم، انتخاب اندازه خارها متناسب با قطر الیاف است. در صورتی که قطر الیاف خیلی بزرگتر از عمق خار باشد، ممکن است حمل و انتقال الیاف صورت نگیرد. همچنین اگر قطر الیاف خیلی کوچکتر از عمق خار باشد، احتمال انتقال تعداد زیادی از الیاف در هر بار سوزن زنی به وجود خواهد آمد که ممکن است در نهایت به ساختار منسوج صدمه وارد آید.  در زمینه پر کردن منسوجات بی بافت اسپیسر با پوشش های میانی مایع، دانستن

شکل۲- آرایش الیاف در خارها‏

مواردی همچون مقدار ممکن برای پر کردن با این ماده و اینکه چه مقدار از ماده می تواند توسط الیاف عبور داده شود، ضروری است. به منظور اجتناب از آزمایشات وقت گیر، سطح مخصوص الیاف مشخص شد. همان طور که مشاهده می شود، اندازه سطح مؤثر الیاف عمدتاً به اندازه سطح مقطع منسوج بی بافت، اندازه فاصله دهنده در حین تشکیل منسوج بی بافت، و همچنین تراکم توده الیاف بستگی دارد. در لایه های بی بافتی که چند جزئی هستند، اندازه سطح مؤثر الیاف به میزان ۲۵۰ تا ۸۰۰% کمتر است. این بدین معنی است که در منسوجات بی بافت سوزن زنی شده، ۲.۵ تا ۸ برابر، مایع یا گاز بیشتری می تواند توسط سطح الیاف بین دو لایه بی بافت عبور داده شود.
موضوع جالب توجه دیگر، اندازه فضای خالی بین دو لایه بی بافت در یک منسوج بی بافت سوزن زنی شده اسپیسری است که در آنها یک مایع، گاز و یا یک پوشش میانی با جریان آزاد وجود دارد. با استفاده از آنالیز بازگشتی می توان به مدل های ریاضی خاصی دست یافت که امکان پیش بینی خواص فیزیکی نساجی را در اختیار قرار می دهند. این مدل ها با توجه به پارامترهای فرآیند سوزن زنی و همچنین ویژگی های الیاف، قادرند خواص محصول نهایی را پیش بینی نمایند.

حجم فضای خالی مؤثر در منسوجات اسپیسر بین دو لایه بی بافت سوزن زنی شده می تواند بیشتر از منسوجات بی بافت ساده باشد. بررسی های انجام شده افزایشی بین ۲۰۰% تا ۵۰۰% در این منسوجات اسپیسر را نشان داد که در مقایسه با منسوجات بی بافت ساده، ۲ تا ۵ برابر می توانند مایع یا گاز بیشتری را در خود جای دهند.
در اینجا به ذکر یک نمونه می پردازیم:
در منسوج بی بافتی با مساحت ۱ سانتیمتر مربع، سرعت تغذیه ۴.۳ میلیمتر، ارتفاع فاصله دهنده ۵ میلیمتر و با استفاده از حداکثر تراکم سوزن زنی، ایجاد اتصال به وسیله عملیات سوزن زنی می تواند موجب به وجود آمدن فضای خالی اضافی به میزان ۲۰۰ میلیمتر مکعب شود. در نتیجه در مساحت ۱ متر مربع، این حجم اضافی ۲ میلیون میلیمتر مکعب (معادل تقریباً ۲ لیتر در متر مربع) خواهد شد.‏

‏   پیشرفت های بنیادی
تجربیات پیشین، امکان تعیین پارامترهای فرآیند تولید پارچه اسپیسر و همچنین ویژگی های منسوجات بی بافت را توامان فراهم می آورد. راه های زیادی که به منظور تغییر پارامترهای تولید و نتیجتاً تغییر خصوصیات منسوج تولید شده وجود دارد، موجب می شود تا بتوان از این منسوجات در صنایع مختلفی استفاده نمود (جدول۲).   ‏

جدول۲- موارد استفاده، ویژگی ها و نمونه هایی از کاربرد منسوجات

‏   تعدادی از کاربردهای منسوجات بی بافت سوزن زنی شده اسپیسر شامل هر دو نوع پر شده و پر نشده، در مؤسسه تحقیقاتی ‏STFI‏ مورد برسی قرار گرفته اند.
– به نظر می رسد منسوجات بی بافت سوزن زنی شده اسپیسر با توجه به حجم بالای فضای خالی موجود در آنها که در واقع شامل محفظه های محتوی هواست، برای تولید پوشاک مقاوم در برابر حرارت مناسب ترین گزینه باشند. هوای محتوی و همچنین سطح مقطع منسوج، موجب عایق بندی بهینه در مقابل گرما یا سرما می شوند. البته برای دستیابی به این منظور، جرم در واحد سطح نیز می بایست تا حد امکان کاهش یابد.
تحقیقات انجام شده منجر به یافتن روشی شد تا بتوان یک لایه عایق کاری متداول که دارای جرم در واحد سطح بالایی است را با یک پارچه بی بافت سوزن زنی شده اسپیسر با وزن سبک و الیاف مقاوم در برابر حرارت جهت کاربرد در تولید البسه ضد آتش برای مأمورین آتش نشانی جایگزین نمود (شکل۳).‏

شکل۳- استفاده از یک منسوج بی بافت سوزن زنی شده اسپیسر به عنوان یک لایه عایق حرارتی

‏   – منسوجات بی بافت سوزن زنی شده اسپیسر پر نشده نیز می توانند برای تولید لایه های کنترل کننده رطوبت در روکش مبلمان ها و یا صندلی وسایل نقلیه مورد استفاده قرارگیرند. این امر ما را به سمت ترکیب دو نوع منسوج بی بافت که لایه فوقانی آن دارای قابلیت انتقال رطوبت، و لایه تحتانی آن دارای قابلیت ذخیره رطوبت باشد، سوق داد. در این نوع منسوجات، دسته دسته بودن الیافی که این لایه ها را به هم متصل می کنند، انتقال رطوبت به لایه زیرین را تسریع می بخشد. با امکان استفاده از این منسوجات در روکش مبلمان ها، در صورتی که اندازه خار سوزن ها (به منظور تثبیت مسیر حرکت توده های الیاف در جهت عمود) بزرگ باشد، می توان خصوصیات مثبت را به حد بهینه رساند. برای دستیابی به ثبات ابعادی، نسبت معینی از الیاف اتصال دهنده می بایست به لایه ها افزوده شود. متعاقباً، واکنش پذیری حرارتی الیاف اتصال دهنده، موجب تزلزل ثبات در جهت عمودی می گردد. البته قابلیت انتقال رطوبت می بایست حفظ شود. صندلی های روکش شده با منسوجات بی بافت سوزن زنی شده اسپیسر رطوبت خود را بدین طریق کنترل می نمایند که هنگامی که شخص بر روی صندلی می نشیند، وزن او موجب اعمال تنش فشاری به صندلی گشته و ساختار اسپیسر به هم فشرده می شوند. لایه بالایی که در معرض تعرق قرار می گیرد، رطوبت و بخار آب را به داخل هدایت نموده و در نتیجه به فضاهای خالی و همچنین لایه پایینی منتقل می شوند. سپس رطوبت و بخار به صورت موقت ذخیره می شوند و با تبادل رطوبت بین روکش صندلی و بدن، شرایط مطبوعی ایجاد می گردد. بعد از اینکه تنش فشاری از روی صندلی برداشته شد، رطوبت و بخاری که موقتاً ذخیره شده بود، از طریق توده های الیاف و فضاهای خالی ، منتقل شده و مجدداً به محیط باز می گردند.

– امروزه مسئله بازیافت منسوجات بیش از پیش مورد توجه قرار گرفته است و قوانین و مقرراتی همچون بازیافت وسایل نقلیه فرسوده ، محدودیت هایی را در زمینه بازیافت وسایل نقلیه فرسوده و اینکه در وسایل نقلیه جدید تا چه میزان می توان از مواد بازیافتی استفاده کرد به وجود آورده است. چنین قوانینی راه را برای استفاده از منسوجات اسپیسر سوزن زنی شده پر شده هموارتر می کنند. قطعات وسایل نقلیه فرسوده به صورت موادی با جریان آزاد نوردکاری شده و سپس در طول فرآیند سوزن زنی اسپیسر، بین دو لایه بی بافت افشانده می شوند. تنظیم صحیح درجه حرارت در این مرحله، ثبات ساختاری منسوجات بی بافت را به دنبال دارد. این منسوج همراه با یک ماده زینتی به یک قطعه کاربردی تبدیل می شوند. بدین ترتیب، به عنوان مثال دستگیره ها و روکش درب ها از مواد بازیافتی ساخته می شوند. علاوه بر آن ضایعات به وجود آمده در فرآیند تولید نیز قابل بازیافت هستند، بنابراین سیکل کاملی از چرخه مواد وجود خواهد داشت.

Source: Kohan Journal No.17/ Page 33   ‏