مستربچ ذوب شده: انواع، عملکرد الکترت و انتخاب

Meltblown Masterbatch چه می کند و چرا مهم است

پارچه Meltblown با اکسترود کردن پلی پروپیلن مذاب از طریق قالبی با صدها روزنه خوب تولید می‌شود، در حالی که هوای داغ با سرعت بالا جریان پلیمر را به الیاف زیر میکرونی تبدیل می‌کند که روی یک تسمه یا درام متحرک جمع‌آوری می‌شوند. وب به دست آمده دارای خواص فیلتراسیون استثنایی است - این لایه فیلتراسیون حیاتی در ماسک‌های N95، ماسک‌های جراحی و رسانه‌های فیلتر HEPA است - اما دستیابی به سطوح عملکرد مورد نیاز توسط EN 149، NIOSH 42 CFR قسمت 84، یا ISO 29463 به بیش از رزین خام نیاز دارد. مستربچ شیمی عملکردی را فراهم می کند که فاصله بین آنچه که یک رزین پایه می تواند انجام دهد و آنچه که یک محصول تصفیه نهایی باید به آن برسد را ایجاد می کند.

همه‌گیری COVID-19 وابستگی جهانی را به پارچه‌های مذاب با کارایی بالا نشان داد، زمانی که تقاضا برای ماسک‌های کلاس N95 در عرض چند هفته بین 1000 تا 3000 درصد افزایش یافت. تولیدکنندگانی که مستربچ الکترت را به درستی مشخص کرده بودند، می توانستند به سرعت مقیاس شوند. آنهایی که به پارچه‌های مذاب تصفیه نشده تکیه می‌کنند، بدون توجه به اینکه چگونه پارامترهای فرآیند خود را بهینه کرده‌اند، نمی‌توانند به PFE (بازده فیلتر ذرات) مورد نیاز دست یابند. این تمایز - بین عملکردی که از بهینه‌سازی فرآیند به تنهایی حاصل می‌شود و عملکردی که به شیمی عملکردی نیاز دارد - استدلال اساسی برای مستربچ ذوب شده در کاربردهای فیلتراسیون است.

انواع مستربچ Meltblown و عملکرد آنها

انواع مستربچ های مختلف نیازهای عملکرد متفاوتی را برآورده می کنند. یک خط تولید مذاب که چندین محصول نهایی را تولید می‌کند، معمولاً یک کتابخانه از فرمول‌های مستربچ نگهداری می‌کند و نوع مناسب را برای هر مشخصات محصول انتخاب می‌کند:

مستربچ الکترت - بحرانی ترین نوع برای فیلتراسیون

در بین انواع مستربچ ذوب شده، مستربچ الکترت بیشترین تأثیر را بر ارزش تجاری محصول نهایی دارد. الکترت ماده ای است که دارای بار الکترواستاتیکی شبه دائمی است - مشابه آهنربای دائمی، اما برای میدان های الکتریکی به جای میدان مغناطیسی. الیاف پلی پروپیلن مذاب که با شیمی الکترت تیمار شده و تحت یک فرآیند تخلیه تاج یا هیدروشارژ قرار می‌گیرند، بار سطحی را حفظ می‌کنند که ذرات معلق در هوا، از جمله ذرات معلق در هوا، ذرات باکتریایی و گرد و غبار ریز را از طریق رهگیری الکترواستاتیکی جذب و جذب می‌کند و علاوه بر فیلتراسیون مکانیکی که تمام ساختارهای الیاف ارائه می‌کنند.

چرا شارژ الکترت چنین تفاوت زیادی ایجاد می کند؟

تأثیر کمی تصفیه الکترت بر راندمان فیلتراسیون قابل توجه است. آزمایش پارچه‌های ذوب‌شده یکسان قبل و بعد از فعال‌سازی الکترت به طور مداوم نشان می‌دهد:

• بازده فیلتر ذرات (PFE) از 35-55٪ به 95-99.9٪ افزایش یافته است. برای نافذترین اندازه ذرات (MPPS، معمولاً 0.1-0.3 میکرون) بدون هیچ گونه افزایش وزن پایه پارچه یا تغییر در افت فشار. این بدان معنی است که مقاومت تنفسی ماسک افزایش نمی یابد در حالی که راندمان فیلتراسیون به طور چشمگیری بهبود می یابد.
• BFE (بازده فیلتراسیون باکتریایی) بالای 98 درصد در وزن های پایه 20 تا 30 گرم در متر با مستربچ الکتریکی مشخص شده به درستی قابل دستیابی است - همان کارایی به 80 تا 120 گرم در متر پارچه مذاب بدون شارژ نیاز دارد که هم هزینه و هم مقاومت تنفسی را افزایش می دهد.
• پایداری شارژ، عمر مفید محصول را تعیین می کند. بار الکتریک در طول زمان، به ویژه هنگامی که در معرض گرما، رطوبت، یا ذرات معلق در هوا قرار می گیرد، تحلیل می رود. فرمول‌های مستربچ الکترت که شامل افزودنی‌های تثبیت‌کننده شارژ می‌شوند، پس از 3 سال نگهداری در دمای 25 درجه سانتی‌گراد و رطوبت نسبی 75 درصد، بیش از 95 درصد از PFE اولیه را حفظ می‌کنند - سطح عملکردی مورد نیاز برای ارسال‌های نظارتی دستگاه‌های پزشکی در ایالات متحده و اتحادیه اروپا.

روش‌های فعال‌سازی الکترت و نحوه تعامل مستربچ با آنها

مستربچ الکترت محیط شیمیایی را ایجاد می کند که امکان کاشت و نگهداری بار را فراهم می کند - اما خود شارژ پس از تشکیل پارچه توسط یک مرحله فعال سازی جداگانه اعمال می شود:

• ترشحات کرونا: پارچه بین الکترودهای ولتاژ بالا (15 تا 50 کیلو ولت) عبور می کند که حامل های بار را به سطوح فیبر تزریق می کند. افزودنی‌های مستربچ الکترت به‌عنوان مکان‌های به دام انداختن بار عمل می‌کنند - بدون آنها، بارهای تزریقی ظرف چند ساعت از بین می‌روند. با مستربچ فرموله شده درست، پارچه مذاب با شارژ تاج، PFE عملکردی را برای 3 تا 5 سال حفظ می کند.
• هیدروشارژ (شارژ سوزنی آب): جت های آب پرفشار (200 تا 600 بار) بر روی سطح پارچه تأثیر می گذارد و بار تریبوالکتریک را به عنوان تماس آب و برگشت از الیاف ایجاد می کند. این روش به طور فزاینده ای بر تخلیه کرونا ترجیح داده می شود زیرا به طور همزمان سطح پارچه را تمیز می کند و توزیع بار یکنواخت تری ایجاد می کند. افزودنی‌های مستربچ آبگریز در فرمول‌های الکترت با افزایش خاصیت آبگریز سطح فیبر، تولید بار تریبوالکتریک را در طول هیدروشارژ افزایش می‌دهند، که اثر جداسازی بار را در سطح مشترک فیبر آب تقویت می‌کند.
• قطبش حرارتی: پارچه در حضور میدان الکتریکی تا دمای 60 تا 90 درجه سانتیگراد گرم می شود، سپس در حالی که میدان اعمال می شود سرد می شود. این روش پایدارترین نگهداری شارژ طولانی مدت را ایجاد می کند، اما به تجهیزات تخصصی نیاز دارد و عمدتاً برای کاربردهای فیلتراسیون صنعتی با کارایی بالا به جای ماسک های پزشکی استفاده می شود.

شاخص جریان ذوب - چرا بر انتخاب مستربچ حاکم است

شاخص جریان مذاب (MFI) رزین پلی پروپیلن مورد استفاده در تولید مذاب، مهمترین پارامتر پردازش است و انتخاب مستربچ باید با رزین MFI مورد استفاده سازگار باشد. تولید مذاب به رزین هایی با MFI بسیار بالا نیاز دارد - معمولاً 800-1800 گرم در 10 دقیقه در دمای 230 درجه سانتیگراد، 2.16 کیلوگرم - در مقایسه با 2-30 گرم / 10 دقیقه برای گریدهای قالب گیری تزریقی و 20-40 گرم در 10 دقیقه برای گریدهای اسپان باند. این سیالیت شدید به پلیمر اجازه می دهد تا توسط جریان هوا با سرعت بالا به الیافی با قطر 1 تا 5 میکرون ضعیف شود.

اگر رزین حامل مستربچ دارای MFI قابل توجهی کمتری نسبت به رزین پایه باشد، این ترکیب دارای MFI کلی کاهش یافته، الیاف ضخیم تر، ساختار پارچه درشت تر، و عملکرد فیلتراسیون کاهش می یابد. به همین دلیل است که مستربچ فرموله شده برای کاربردهای spunbond را نمی توان جایگزین مستربچ مذاب کرد - عدم تطابق ویسکوزیته رزین حامل فرآیند تضعیف فیبر در قالب را مختل می کند.

نرخ جمع و روش ترکیب

مستربچ مذاب در مقایسه با سایر افزودنی‌های پلیمری - معمولاً 1 تا 5 درصد وزنی کل ترکیب رزین - با نرخ افزودن کم استفاده می‌شود، زیرا شیمی فعال به بارگذاری بالا در گلوله مستربچ متمرکز می‌شود. نرخ افزودن دقیق به محتوای فعال مستربچ، مشخصات عملکرد نهایی و خواص ذاتی رزین پایه بستگی دارد. افزودن مستربچ بیشتر از مقدار بهینه به صورت خطی عملکرد را بهبود نمی بخشد و می تواند خواص مکانیکی را کاهش دهد یا باعث مشکلات پردازش در قالب شود.

دوز وزنی - استاندارد مورد نیاز برای خطوط ذوب شده

تولید مذاب به جای دوز حجمی مستلزم دوز وزنی (از دست دادن وزن) مستربچ است. فیدرهای حجمی حجم توزیع شده را اندازه گیری می کنند، که با تغییر چگالی ظاهری گلوله بین کیسه ها و لات ها متفاوت است. فیدرهای ثقلی جرم توزیع شده را مستقیماً اندازه گیری می کنند و نرخ افزودن مشخص شده را بدون در نظر گرفتن تغییرات چگالی گلوله در 0.1% مثبت یا منفی نگه می دارند. با نرخ افزودن هدف 2% در خط 200 کیلوگرم در ساعت مذاب، یک فیدر حجمی با دقت 5% خطای دوز مثبت یا منفی 0.1 کیلوگرم در ساعت را ایجاد می کند - برای ایجاد تغییرات قابل اندازه گیری راندمان فیلتراسیون بین رول های پارچه تمام شده کافی است.

Pre-Blend در مقابل Side-Stream Addition

• پیش اختلاط: مستربچ و رزین پایه قبل از بارگیری در قیف اکسترودر در ظرفی با هم مخلوط می شوند. ساده و کم هزینه، اما نیاز به مخلوط کردن دقیق برای دستیابی به توزیع یکنواخت دارد. اگر اندازه و چگالی گلوله‌ها بین مستربچ و رزین پایه به‌طور قابل‌توجهی متفاوت باشد، می‌توان پیش‌آمیختگی‌ها را از هم جدا کرد - این یک خطر خاص در مورد گلوله‌های مستربچ با چگالی بالا و رزین پایه MFI با چگالی پایین است.
• دوز جریان جانبی وزن سنجی در گلوگاه اکسترودر: رزین پایه و مستربچ به طور جداگانه از طریق فیدرهای گرانشی مستقل مستقیماً به گلوگاه اکسترودر وارد می شوند، جایی که پیچ ها اختلاط را فراهم می کنند. این روش کنترل دوز در زمان واقعی را فراهم می کند، خطر جداسازی را حذف می کند و امکان تنظیم فوری نرخ افزودن را بدون ترکیب مجدد یک دسته فراهم می کند. این روش توصیه شده برای خطوط تولید است که در آن عملکرد فیلتراسیون ثابت در سراسر رول ها یک الزام کیفیت مستند است.
• ترکیب دو پیچ قبل از قالب ذوب شده: برخی از برنامه های کاربردی با کارایی بالا از یک ترکیب کننده دو مارپیچ بالادستی برای پخش مستربچ در رزین پایه قبل از اکسترودر مذاب تک پیچ استفاده می کنند. این بالاترین کیفیت اختلاط را فراهم می‌کند، اما پیچیدگی تجهیزات و زمان ماندگاری را اضافه می‌کند که باید برای جلوگیری از تخریب حرارتی افزودنی‌های حساس به گرما کنترل شود.

پارامترهای کیفیت برای ارزیابی مستربچ Meltblown

همه محصولات مستربچ که ادعای عملکرد یکسانی دارند، نتایج یکسانی را در تولید ارائه نمی دهند. پارامترهای فنی زیر باید توسط تأمین‌کننده مستربچ تأیید شده و به‌طور مستقل در آزمایش‌های تولید قبل از انجام تعهدات خرید با حجم بالا آزمایش شوند:

الزامات نگهداری و جابجایی

مستربچ مذاب - به ویژه انواع الکترت و ضد میکروبی - به شرایط نگهداری نیاز دارد که از جذب رطوبت، تخریب حرارتی و آلودگی مواد شیمیایی فعال قبل از رسیدن به اکسترودر جلوگیری کند:

• کنترل دما: در دمای 15 تا 25 درجه سانتیگراد در محیط خشک نگهداری شود. دمای بالای 35 درجه سانتیگراد برای دوره های طولانی می تواند باعث شود که افزودنی های الکتروشیمیایی فلوئوروشیمیایی به سطح گلوله مهاجرت کرده و تبخیر شوند و غلظت موثر در دسته را کاهش دهند. برخی از مستربچ های ضد میکروبی یون نقره به طور مشابه به گرما حساس هستند و باید در دمای زیر 30 درجه سانتیگراد نگهداری شوند.
• محافظت در برابر رطوبت: کیسه های باز نشده مستربچ در بسته بندی های مهر و موم شده مانع رطوبت رطوبت قابل قبول را به طور نامحدود حفظ می کنند. پس از باز شدن، مستربچ باید ظرف 48 ساعت استفاده شود یا دوباره با ماده خشک کن بسته شود. حامل‌های پلی‌پروپیلن با MFI بسیار راحت‌تر از درجه‌های استاندارد رطوبت را جذب می‌کنند - مستربچ باز شده قبل از خشک کردن در دمای 70 تا 80 درجه سانتی‌گراد به مدت 2 تا 4 ساعت در خشک‌کن رطوبت‌گیر قبل از استفاده، زمانی که رطوبت محیط از 60 درصد RH بیشتر شود، توصیه می‌شود.
• قابلیت ردیابی لات: هر کیسه مستربچ باید دارای تعداد زیادی باشد که در مقایسه با رول های تولیدی که به آنها کمک می کند، ثبت شده است. اگر یک مشکل کیفیت در پارچه تمام شده شناسایی شود - به عنوان مثال، PFE زیر مشخصات - قابلیت ردیابی تعداد زیادی اجازه می دهد تا تولید آسیب دیده بدون فراخوانی کل موجودی از یک دوره معین شناسایی و مهار شود.
• چرخش اول به اول (FIFO): مستربچ الکترت عمر مفیدی بین 12 تا 24 ماه از زمان تولید دارد، که پس از آن، شیمی تولید بار ممکن است تا حدی حتی در انبارهای مهر و موم شده تخریب شده باشد. چرخش سهام FIFO تضمین می کند که قدیمی ترین موجودی ابتدا مصرف می شود و مستربچ که به زمان ماندگاری آن نزدیک می شود قبل از ورود به تولید بدون آزمایش مجدد شناسایی می شود.