Прасторавае размяшчэнне валокнаў у вільготным нетканым матэрыяле з'яўляецца асноўным фактарам, які вызначае характарыстыкі прадукту, а яго арыентацыя (суадносіны трываласці MD/CD) і аднастайнасць размеркавання непасрэдна ўплываюць на ключавыя паказчыкі, такія як механічная трываласць, паветрапранікальнасць і эфектыўнасць фільтрацыі матэрыялу. З пастаянным удасканаленнем патрабаванняў да характарыстык матэрыялаў у галінах высокага класа прымянення, дакладны кантроль арыентацыі і размеркавання валокнаў стаў важным прарывам для мадэрнізацыі тэхналогіі вільготнага нетканага матэрыялу. У гэтым артыкуле сістэматычна разглядаецца тэхналагічны прагрэс у гэтай галіне за апошнія гады, ад аналізу механізмаў да тэхналагічных інавацый, усебакова прадстаўляецца траекторыя развіцця і будучы кірунак тэхналогіі кантролю валокнаў.
Асноўны механізм уплыву на арыентацыю і размеркаванне валокнаў
Працэс вільготнага фармавання — гэта, па сутнасці, складаны механічны працэс, у якім валокны падвяргаюцца дысперсійнаму, міграцыйнаму, седыментацыйнаму і кансалідацыйнаму працэсу ў водным асяроддзі, а канчатковая прасторавая форма валокнаў вызначаецца сінергічным эфектам некалькіх сілавых палёў. У параўнанні з сухім сеткаваннем (MD: CD=9-15:1), мокры працэс можа дасягнуць меншай анізатрапіі (MD: CD=3-6:1) за кошт рэгулявання патоку вады, але гэтая здольнасць рэгулявання сутыкаецца з сур'ёзнымі праблемамі ў вырабах з нізкай вагой.
Эфект дынамікі вадкасці з'яўляецца асноўным фактарам, які вызначае арыентацыю валокнаў. Падчас працэсу транспарціроўкі з напорнага скрыні да фарміруючай сеткі валокны падвяргаюцца камбінацыі зрухавага і расцяжнога патоку: падоўжны градыент хуткасці прымушае валокны арыентавацца ў машынным кірунку (МК), у той час як інтэнсіўнасць турбулентнасці ўплывае на ступень хаатычнага размеркавання валокнаў. Даследаванні паказалі, што пры змене хуткасці патоку пульпы на 0,1 м/с гэта не толькі выклікае адхіленне вагі гатовага прадукту на 4%, але і павялічвае трываласць у кірунку МК на 12%. Гэтая адчувальнасць асабліва значная для прадуктаў з нізкай вагой ніжэй за 20 г/м². Чанчжоу Канцзе падчас распрацоўкі мембранных субстратаў зваротнага осмасу выявіў, што падоўжныя колькасныя ваганні традыцыйных рулонных папяровых машын павялічваліся з ± 5% да ± 12% пры вазе ніжэй за 30 г/м², што непасрэдна адлюстроўвае важны ўплыў стабільнасці поля патоку на размеркаванне валокнаў.
Уласцівыя характарыстыкі валокнаў аказваюць рэгулятарны ўплыў на арыентацыйныя паводзіны. Практыка Хэнаньскай вышэйшай школы навукі і тэхналогій паказала, што пры памяншэнні дыяметра валокнаў з 10 мкм да 1 мкм павярхоўная энергія рэзка павялічваецца, што прыводзіць да павелічэння верагоднасці агламерацыі на 300%. Гэта мікрамаштабнае ўзаемадзеянне будзе супрацьдзейнічаць кіравальнаму эфекту макраскапічнага поля патоку. Структурная складанасць кампазітных валокнаў яшчэ больш павялічвае складанасць кіравання. Двухкампанентныя валокны тыпу «аранжавы пялёстак», вырабленыя кампаніяй Dalian Hualun, маюць ваганні хуткасці раскрыцця валокнаў ± 20% пры нізкіх канцэнтрацыях, што прыводзіць да адхілення паветрапранікальнасці, якое перавышае 15%, і ўтварэння бачных дэфектаў «плям воблачнасці».
Нельга ігнараваць другаснае рэгуляванне тэхналогіі фіксаванай сеткі. Паток вады пад высокім ціскам падчас працэсу армавання гідрабруяй не толькі дасягае перапляцення валокнаў, але і змяняе пачатковы стан арыентацыі. Стратэгія градыентнага ціску «папярэдні пракол пры нізкім ціску + паступовае павышэнне ціску» (першы праход 80-100 бар, наступны 120-150 бар) можа палепшыць суадносіны падоўжнай і папярочнай трываласці прадукту 20 г/м² з 3:1 да 1,5:1, што дэманструе здольнасць наступнага працэсу карэктаваць размяшчэнне валокнаў.
Матрыца тэхналогій шматмернага кіравання і прарыў у інавацыях
У апошнія гады тэхналогія кіравання арыентацыяй і размеркаваннем валокнаў прадэманстравала сумесную тэндэнцыю развіцця «інтэлектуальнага рэгулявання функцыяналізацыі матэрыялаў з высокай дакладнасцю абсталявання», што прывяло да стварэння паралельнага шматтэхналагічнага рашэння.
1. Інжынерыя паточных палёў і інавацыі ў абсталяванні
Як «першы праход» для кантролю арыентацыі валокнаў, інавацыі ў канструкцыі напорнага скрыні працягваюць спрыяць павышэнню дакладнасці кіравання. Пасля шасці гадоў даследаванняў і распрацовак кампанія Changzhou Kangjie распрацавала «ступенчаты размеркавальнік суспензіі», які кантралюе нераўнамернасць поля патоку ў межах 3% з дапамогай шматступенчатых выпрамляльных блокаў, дасягаючы дакладнага кантролю памеру пор 10-15 мкм і парушаючы манаполію замежных краін у галіне высакаякасных мембранных субстратаў. Гэтая канструкцыя эфектыўна балансуе суадносіны паміж падоўжнай хуткасцю патоку і папярочнай дыфузіяй, аптымізуючы колькасць каналаў суспензіі і размяшчэнне выпрамляльных элементаў, забяспечваючы больш раўнамернае асяроддзе для нанясення валокнаў.
Мадэрнізацыя фармовачнага абсталявання не менш важная. Вытворчая лінія Laifen 5, прадстаўленая кампаніяй Xinjiang Kaiwo Technology, выкарыстоўвае тэхналогію Індустрыі 4.0. Дзякуючы высокадакладнай сістэме прывада фармовачнай сеткі і рэгуляванню нацяжэння ў рэжыме рэальнага часу, яна можа стабільна вырабляць прадукцыю звышнізкай вагі 8 г/м² з колькаснымі ваганнямі ≤ 2%. Сістэма дасягае дакладнасці кіравання хуткасцю фармовачнай сеткі ± 0,1 м/мін, што значна зніжае адхіленні размеркавання валокнаў, выкліканыя вібрацыяй сеткі.
2. Тэхналогія кіравання арыентацыяй з дапамогай поля
Тэхналогія рэгулявання электрычнага поля забяспечвае новае вымярэнне ў кіраванні арыентацыяй валокнаў. Тэхналогія кааксіяльнага мокрага прадзення з электрычнай дапамогай, распрацаваная камандай Чэнь Сяоміна з Сіаньскага ўніверсітэта Цзяотун, дазваляе дасягнуць радыяльнай арыентацыі наналістоў нітрыду бору (BNNS) і палярызацыі полівінілідэнфтарыду (PVDF) in situ шляхам прымянення радыяльнага электрычнага поля. Гэты тэхнічны падыход можа быць распаўсюджаны на працэс мокрага стварэння сеткі, выкарыстоўваючы характарыстыкі паверхневага зарада валокнаў і кіруючы арыентацыяй валокнаў праз індывідуальную кампаноўку электродаў, асабліва падыходзіць для зараджаных валакністых сістэм, такіх як нанацэлюлоза.
Даследаванне, праведзенае Інстытутам фізікі Кітайскай акадэміі навук, выявіла ўніверсальны механізм самазборкі, абумоўленай электрычным полем: станоўча зараджаныя біямалекулы мігруюць да катода пад дзеяннем сілы электрычнага поля і ўтвараюць арыентаваную сетку з нанавалакон, індукаваную градыентам pH. Ужыванне гэтага прынцыпу да вільготнага стварэння сетак дазваляе дасягнуць упарадкаванага размяшчэння валокнаў у лакальных абласцях шляхам рэгулявання напружанасці электрычнага поля (звычайна 1-5 кВ/м) і часу дзеяння, што забяспечвае магчымасць падрыхтоўкі функцыянальных матэрыялаў для перагародак. Параўнальныя эксперыменты паказваюць, што тэхналогія з дапамогай электрычнага поля можа павялічыць арыентацыю валокнаў больш чым на 40%, не ўплываючы на аднастайнасць дысперсіі валокнаў.
3. Інтэлектуальны маніторынг і кіраванне ў замкнёным контуры
Дзякуючы тэхналогіі візуальнага кантролю са штучным інтэлектам, размеркаванне валокнаў у рэжыме рэальнага часу маніторынгу. Сістэма справаздачнасці аб дыяметры валокнаў, распрацаваная кампаніяй Hangzhou Tanwei Intelligent, абсталявана модулем гіперспектральнай візуалізацыі, які можа за 3 хвіліны выявіць 240 валокнаў з дакладнасцю да 0,1 мкм і стварыць цеплавую карту размеркавання дыяметра. Сістэма звязана з вытворчым абсталяваннем для стварэння замкнёнага цыклу кіравання: пры выяўленні агрэгацыі або анамалій арыентацыі валокнаў ціск у пульпе або параметры хуткасці фарміруючай сеткі аўтаматычна рэгулююцца, што прыводзіць да павелічэння якасці прадукцыі першага класа больш чым на 15 працэнтных пунктаў. Пасля прымянення гэтай тэхналогіі адно прадпрыемства знізіла ўзровень абрыву пражы на 45%, што цалкам прадэманстравала перавагі інтэлектуальнага кіравання.
У тэхналогіі анлайн-маніторынгу арыентацыі былі дасягнуты прарывы. Сістэма назірання за палярызацыяй на базе мікраскопа Olympus CX33 можа ацэньваць размеркаванне вуглоў арыентацыі валокнаў у рэжыме рэальнага часу, аналізуючы кірунак палос падвойнага праламлення валокнаў. Інтэграцыя аптычнай сістэмы ў вытворчую лінію ў спалучэнні з прафесійнымі плагінамі аналізу, такімі як FibrilTool, дазваляе колькасна характарызаваць суадносіны валокнаў у кірунку MD/CD, забяспечваючы падтрымку дадзеных для аптымізацыі працэсу. У рэальнай вытворчасці гэты анлайн-маніторынг можа падтрымліваць дакладнасць кантролю арыентацыі ў межах ± 3%.
Рэгуляванне прадукцыйнасці і рэалізацыя прамысловай каштоўнасці
Дакладны кантроль арыентацыі і размеркавання валокнаў прывёў да павелічэння прадукцыйнасці і пашырэння прымянення вільготных нетканых матэрыялаў, прадэманстраваўшы унікальныя перавагі ў розных галінах высокага класа.
У галіне медыцынскай абароны, аптымізацыя радыяльнага размеркавання валокнаў дазваляе падкладцы ультралёгкіх хірургічных халатаў шчыльнасцю 10-15 г/м² падтрымліваць бар'ерную здольнасць супраць бактэрый, адначасова зніжаючы вагу пры нашэнні на 30% і паляпшаючы паветрапранікальнасць на 25%. Гэта паляпшэнне характарыстык абумоўлена градыентным размеркаваннем валокнаў па таўшчыні: павярхоўны пласт выкарыстоўвае валокны з высокай арыентацыяй для паляпшэння бар'ерных уласцівасцей, а ўнутраны пласт выкарыстоўвае выпадкова размеркаваныя валокны для паляпшэння паглынання вільгаці, дасягаючы дакладнага функцыянальнага супадзення.
Высокакласныя фільтруючыя матэрыялы дасягаюць балансу паміж эфектыўнасцю і супраціўленнем дзякуючы рэгуляванню арыентацыі валокнаў. Henan KeGao выкарыстоўвае ультратонкае поліэфірнае валакно тыпу «сі-астраў» шчыльнасцю 0,08 дтэкс для вытворчасці прадуктаў шчыльнасцю 8 г/м². Кантралюючы накіраванае размяшчэнне валокнаў уздоўж кірунку паветранага патоку, эфектыўнасць фільтрацыі дасягае ўзроўню N95, адначасова зніжаючы супраціўленне паветрапранікальнасці на 30%. Гэтая канструкцыя выкарыстоўвае лінейныя характарыстыкі каналаў накіраваных валокнаў для зніжэння страт паветранага патоку, што робіць яе асабліва прыдатнай для такіх ужыванняў, як ачышчальнікі паветра і фільтры вентылятараў.
У галіне электронных супрацьзачышчальных матэрыялаў ёсць строгія патрабаванні да раўнамернасці размеркавання валокнаў. Ультратонкая супрацьзачышчальная тканіна з шчыльнасцю 8 г/м² забяспечвае шчыльную выбарку з дакладнасцю 10000 кропак на квадратны сантыметр дзякуючы візуальнаму выяўленню з дапамогай штучнага інтэлекту, што забяспечвае эфектыўнае выдаленне забруджвальных рэчываў на ўзроўні 0,1 мкм. Пасля прымянення гэтай тэхналогіі пэўнае прадпрыемства па вытворчасці электронных матэрыялаў знізіла ўзровень дэфектаў прадукцыі з 8% да 1,5%, што значна палепшыла якасць вытворчасці дакладных электронных кампанентаў.
Аналіз выдаткаў і выгод паказвае, што, хоць тэхналогія кіравання арыентацыяй павялічвае інвестыцыі ў абсталяванне (каля 15-20%), комплекснага зніжэння выдаткаў можна дасягнуць за кошт эканоміі матэрыялаў і паляпшэння прадукцыйнасці. Падкладка мембраны зваротнага осмасу Changzhou Kangjie зніжае выдаткі кліентаў на закупкі на 40% пасля дасягнення імпартазамяшчэння дзякуючы дакладнаму кантролю размеркавання валакна, адначасова зніжаючы спажыванне энергіі на адзінку на 15% дзякуючы маштабнай вытворчасці. Менавіта ў гэтым дабрачынным цыкле «дакладнага маштабу» заключаецца прамысловая каштоўнасць тэхналогіі накіраванага кіравання.
Будучыя тэндэнцыі і выклікі
Тэхналогія кантролю арыентацыі валокнаў вільготнага нетканага матэрыялу развіваецца ў напрамку шматпрофільнага супрацоўніцтва, біяміметычнага дызайну і экалагічнага рэгулявання. Шматфізічны кантроль сувязі стане актуальнай тэмай даследаванняў, і, інтэгруючы розныя знешнія палі, такія як электрычныя, магнітныя і гукавыя палі, чакаецца дасягненне больш складанага прасторавага размяшчэння валокнаў. Біяміметычны дызайн, які імітуе іерархічную структуру павуціння, можа дасягнуць больш высокай трываласці пры вазе менш за 10 г/м². Гэтая структура спалучае накіравана размешчаныя пучкі нанавалакна з выпадкова размеркаванымі злучальнымі валокнамі, балансуючы трываласць і глейкасць.
Тэхналогіі «зялёнага» рэгулявання атрымаюць больш увагі. Сістэмы растваральнікаў на біяаснове могуць палепшыць дысперснасць ультратонкіх валокнаў і скараціць выкарыстанне хімічных дысперсантаў. Чакаецца, што на аснове характарыстык самаарганізацыі цэлюлозных нанакрышталяў будзе распрацавана тэхналогія спантаннай арыентацыі без дапамогі знешніх палявых умоў. Гэтыя тэхналогіі адпавядаюць патрабаванням палітыкі «падвойнага вугляроду» і прадстаўляюць кірунак устойлівага развіцця.
Асноўныя праблемы, з якімі сутыкаюцца ў цяперашні час, ўключаюць баланс паміж кантролем арыентацыі і аднастайнасцю ў вырабах з нізкай вагой, дыферэнцыяванае рэгуляванне шматкампанентных валаконных сістэм і высокі кошт тэхналогіі анлайн-выяўлення. Для вырашэння гэтых праблем неабходна распрацаваць больш дакладнае праграмнае забеспячэнне для мадэлявання поля патоку (напрыклад, спалучэнне алгарытму злучэння CFD-DEM), больш эканамічныя шматпараметрічныя сістэмы выяўлення і больш адаптыўныя адаптыўныя алгарытмы кіравання ў будучыні.
Развіццё тэхналогій арыентацыі і кіравання размеркаваннем валокнаў спрыяла эвалюцыі вільготных нетканых матэрыялаў ад «выпадковага ўкладвання» да «дакладнай канструкцыі». Ад больш чым 400 эксперыментаў Чанчжоу Канцзе за 6 гадоў да інавацыйнай тэхналогіі кіравання электрычным полем ва ўніверсітэце Сіань Цзяатун, спецыялісты галіны пастаянна пашыраюць межы дызайну матэрыялаў. Дзякуючы ўдасканаленню інтэлекту і інтэграцыі міждысцыплінарных тэхналогій вільготныя нетканыя матэрыялы дасягнуць якаснага скачка ад «макраскапічнай аднастайнасці» да «мікраскапічнага парадку», забяспечваючы больш моцную матэрыяльную падтрымку для высакаякаснай вытворчасці.
Dongguan Liansheng Non Woven Technology Co., Ltd.была заснавана ў маі 2020 года. Гэта буйное прадпрыемства па вытворчасці нетканых матэрыялаў, якое аб'ядноўвае даследаванні і распрацоўкі, вытворчасць і продаж. Яно можа вырабляць нетканыя матэрыялы з поліпрапілену спанбонд розных колераў шырынёй менш за 3,2 метра і вагой ад 9 да 300 грамаў.
Час публікацыі: 10 верасня 2025 г.