CC BY
1655
УДК 677.076.44
Ю. Н. Хакимуллин, С. И. Вольфсон, Р. Ю. Галимзянова,
И. В. Кузнецова, А. В. Ручкин, И. Ш. Абдуллин
НЕТКАННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ ПОЛИМЕРОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА МЕДИЦИНСКОЙ ОДЕЖДЫ И БЕЛЬЯ, СТЕРИЛИЗУЕМОЙ РАДИАЦИОННЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ: ВИДЫ МАТЕРИАЛОВ,
ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА
Ключевые слова: нетканые материалы, одноразовая медицинская одежда и бельё, спанбонд, полипропилен,
радиационная стойкость, технология производства.
Рассмотрены типы материалов используемых для производства одноразовой медицинской одежды и белья (ОМОБ), их технологии получения, конструкции. Выделены материалы, получившие наиболее широкое распространение (спанбонд и спанмелт) для производства ОМОБ, в том числе стерилизуемые радиацией. Приведены основные способы повышения радиационной стойкости таких материалов.
Keywords: nonwoven, disposable medical garments and linens, spunbond, polypropylene, radiation resistance, the
production technology.
Consider the types of materials used for production of disposable medical garments and linens, their technology for, construction. Obtained materials have received the most widespread (spunbond and spanmelt) for the production disposable medical garments and linens, including sterilized by radiation. The basic ways to increase the radiation resistance of these materials.
Нетканые материалы - это текстильные изделия из волокон или нитей, соединённых между собой без применения методов ткачества. Крупное промышленное производство нетканых материалов появилось в 40-е гг. 20 века. Производство нетканых материалов (НМ) вскоре становится самым перспективным направлением в текстильной индустрии. Объем производства и потребления нетканых материалов растет быстрее, чем тканей и трикотажа. Эта связано с тем, что выработка нетканых материалов является самым коротким и дешевым способом получения большого ассортимента текстильных полотен.
Современные нетканые материалы - один из основных видов текстильной продукции во многих странах. Большинство нетканых материалов, так называемые клееные нетканые материалы, производят способами, при которых соединение волокон осуществляется с помощью связующих веществ (клеев). Наиболее распространены клеёные нетканые материалы, основой которых является так называемый волокнистый холст (слой текстильных волокон, масса 1 м2 которого составляет от 10 до 1000 г и более).
Чаще всего холст формируют механическим способом из нескольких слоев прочёса, поступающего со съёмного барабана чесальной машины. Холст получают аэродинамическим методом, при котором волокна снимаются с барабана чесальной машины потоком воздуха и для формирования холста переносятся на сетчатый барабан (конденсор) или на горизонтальную сетку с максимальной скоростью до 100 м/мин и более. Холст можно получать также из водной дисперсии волокон на сетке бумагоделательной машины. В зависимости от особенностей склеивания волокон различают несколько способов получения клеёных нетканых материалов. Самый распространённый способ основан на пропитке холста жидким связующим - синтетическим латексом.
При фильерном способе синтетические волокна, образующиеся на выходе из фильер прядильной машины, проходят через каналы, в которых вытягиваются в воздушном потоке, а затем при укладке на движущемся транспортёре образуют полотно. Сформированный материал чаще всего закрепляют связующим, в некоторых случаях используют липкость самих волокон.
При структурообразующем способе получение нетканых материалов возможно без использования волокон: полотно формируют в результате образования из растворов или аэрозолей полимеров конденсационных структур (в виде пористого, иногда волокнистого осадка, который может содержать наполнители, затем вымываемые) или отверждением пены и др. Такие нетканые материалы «дышат» подобно ткани. Их можно использовать вместо ткани или бумаги в технике (для фильтров и др.) и для бытовых целей.
Нетканые материалы можно получать механическими способами. При изготовлении холстопрошивных нетканых материалов в движущемся через вязально-прошивную машину холсте волокна закрепляются в результате прошивания их нитями, которые укладываются и соединяются так же, как при основовязании на трикотажной машине [1].
В настоящее время в основном нетканые материалы производятся из синтетических волокон полипропилена (ПП). Наиболее широко нетканые материалы применяются в России в качестве основы для различных строительных покрытий из полимеров (линолеум, обои, мягкая кровля). Постоянно растет и выпуск так называемого агротекстиля, используемого в сельском хозяйстве в качестве перспективного укрывного материала. Широко применяются геосинтетические материалы (геосинтетики) - это полимерные материалы, предназначенные для изменения естественных свойств грунтов.
В последнее время одной из областей, где широко применяются нетканые материалы, становится медицина. НМ являются основными исходными материалами для изготовления одноразовой медицинской одежды и белья (ОМОБ), включая одноразовую хирургическую одежду и белье (ОХОБ), а также медицинские одноразовые средства индивидуальной защиты (МОСИЗ). Этот сектор рынка непрерывно расширяется. Так, только Нетканые материалы, применяемые для производства одноразовой медицинской одежды и белья, в основном сводятся к нескольким типам:
Спанлейс ($рип1асв) - это нетканый материал, принцип скрепления которого заключается в перепутывании волокон холста водяными струями высокого давления. Исходным сырьем для изготовления подобных материалов являются вискозные, полиэфирные, полипропиленовые и целлюлозные волокна. Высокая адсорбционная способность и хорошие органолептические свойства НМ типа «спанлейс», близкие к свойствам хлопковых тканей, позволяют широко использовать их для пошива халатов и иной медицинской одежды, изготовления одноразовых простыней и иных средства ухода за больными. Так, в результате исследования, проведенного в Текстильном колледже штата Северная Каролина (США) с участием 39 добровольцев, было установлено, что хирургическая одежда, изготовленная из спанлейса или хлопчатобумажных тканей, практически аналогична по уровню общего комфорта в различных условиях профессиональной деятельности. Для придания спанлейсу свойств, делающими возможным его применение для ОХОБ, его пропитывают специальными пропитками. Наиболее широко известным НМ такого типа является «Софтесс». Это воздухопроницаемый нетканый материал на основе целлюлозного волокна со специальной пропиткой. Наряду с высокими защитными и прочностными характеристиками, нетканый материал «Софтесс» обладает повышенной комфортностью, что делает его практически неотличимым от х/б материалов по тактильным ощущениям и по уровню удобства.
Спанмелт-материалы (Спанбонд, СМС, СММС) (от англ. Бриитек - прядение из расплава) - группа материалов на основе бесконечных волокон, изготовленных по фильерной и фильерно-раздувной технологии и скрепленных методом точечной термофиксации. В России подобные материалы известны также под названиями «спанбонд», «СМС», «мелтблаун». Одним из основных волокнообразующих полимеров, используемых для производства материалов данного вида, является полипропилен. Полотно, предназначенное для гигиенических и медицинских целей, изготавливается из полипропиленовых волокон и обладает высокой эластичностью, устойчивостью к двойным изгибам, высокой стойкостью к действию кислот, щелочей и органических растворителей, гипоаллергенностью и
возможностью придания гидрофобных или гидрофильных свойств. Благодаря этому НМ, изготовленные из полипропиленовых волокон, хорошо зарекомендовали себя при изготовлении гигиенических салфеток для детей и взрослых (как с пропиткой, так и без нее), а также пропитанных салфеток для ухода за офисной и бытовой оргтехникой.
Эти материалы обладают высокой устойчивостью к действию органических растворителей, а также кислот и щелочей.
Спанбонд. До недавнего времени на российском рынке был в основном представлен спанбонд, более пригодный для технического использования - для изготовления мебели, пошива одноразовых изделий, не контактирующих с человеческим телом (скатерти, бахилы, сумки, чехлы и т. п.). С начала 2002 г. в России начали появляться материалы следующих поколений, обладающие впитывающими свойствами и более мягкие на ощупь. Как правило, это многослойный спанбонд-спанбонд с использованием специальных добавок. Благодаря меньшей линейной плотности волокон, получаемые из них материалы приближаются по органолептическим свойствам к хлопчатобумажным тканям. Более того, спанбонд из более тонких волокон становится равномерным по толщине и более прочным, что позволяет уменьшить его поверхностную плотность, не снижая прочностных показателей.
СМС, СММС. Данные нетканые материалы представляют собой многослойные материалы, которые состоят из внешних слоев материала спанбонд и одного (СМС) или двух (СММС) внутренних слоев материала типа «мелтблаун». Мелтблаун так же, как и спанбонд, получают фильерным способом, но, в отличие от технологии производства материала спанбонд, волокна имеют ограниченную длину и укладываются непосредственно на приемный конвейер без вытягивания. В результате образуется своеобразная полипропиленовая вата, которая уплотняется впоследствии путем каландрования. Данный материал обладает повышенными гидрофильными и барьерными свойствами по отношению к проникновению микроорганизмов, что позволяет его использовать в качестве фильтрующего слоя в хирургических масках, респираторах и других фильтрующих элементах. Изделия на его основе обеспечивают более эффективную защиту от проникновения бактерий [2].
При всём разнообразии такие полотна можно разделить на 3 группы:
- спанбонд (БрипЬопё);
- мелтблаун (шекЫо’^);
- многослойные материалы на основе комбинации спанбонда и мелтблауна - спан-мелт-спан (СМС, ССМС, СММС, ССММС).
Однослойное полотно спанбонд получают по схеме, представленной на рис. 1.
Рис. 1 - Схема производства однослойного полотна спанбонд: 1 - экструдер, 2 -формующая головка, 3 - вытяжное устройство, 4 - транспортерная лента, 5 - каландр
Расплав ПП из экструдера 1 подаётся в формующую головку 2. Выходящие из формующей головки бесконечные волокна проходят через вытяжное устройство 3 и укладываются движущуюся транспортёрную ленту 4.
Формируемый на ленте волокнистый холст, подвергается точечному термоскреплению в каландре 5, после чего нетканое полотно направляется на резку, намотку и упаковку.
Если по ходу транспортёра установить ещё один экструдер, как показано на рис. 2, то при той же скорости транспортёра можно получить полотно двойной поверхностной плотности или при неизменной поверхностной плотности полотна в 2 раза увеличить скорость его выпуска.
Рис. 2 - Схема производства двухслойного полотна спанбонд
Материал, полученный с одного экструдера, обозначают как материал типа Б, с двух экструдеров - как материал типа СС. При одинаковой поверхностной плотности свойства нетканых материалов типов С и СС, изготовленных из одного и того же полимерного сырья, различаются как правило незначительно.
Технология мелтблаун подразумевает формирование волокон путем раздува расплавленного полимера (фильерно-раздувная технология) горячим воздухом непосредственно на транспортерную ленту или на другую приемную поверхность. Технология мелтблаун позволяет получать нетканые материалы с наиболее тонкими волокнами и их равномерным расположением в холсте. Эти характеристики придают материалу высокие фильтрационные и абсорбционные характеристики. Еще одной особенностью, отличающей ее от технологии спанбонд, является то, волокна при фильерно-раздувном способе получения нетканых материалов, после осаждения на приемно-транспортировочную поверхность склеиваются естественным образом за счет липкости горячего полимера, что исключает необходимость в дополнительном скреплении.
В чистом виде полотно мелтблаун в России практически не производится.
Путем объединения обоих способов производства нетканых полотен (спанбонд и мелтблаун) получают многослойные материалы типа СМС.
Рис. 3 - Схема производства многослойного материала типа SMS: 1, 2 и 3 - экструдеры
Экструдеры 1 и 3 производят непрерывные волокна, которые укладываются в слои С, а экструдер 2 формирует слой мельтблаун М. Структура получаемого продукта напоминает бутерброд с наружными слоями С (спанбонд) и внутренним слоем М (мелтблаун) [3].
Увеличивая число экструдеров можно значительно повысить производительность поточной линии и получать нетканые полотна, содержащие больше трех слоев, например, типов ССМС, СММС, ССММС. Число букв в обозначении типа материала соответствует числу экструдеров, входящих в состав линии. По свойствам все они аналогичны материалу СМС с такой же суммарной толщиной слоёв.
В общем виде свойства материала СМС (и аналогичных ему материалов ССМС, СММС, ССММС) зависят от процентного соотношения слоёв С и М.
Изменяя параметры технологического процесса, можно целенаправленно изменять свойства отдельных слоёв материала SMS и при неизменном аппаратном составе поточной линии получать широкую гамму свойств конечного продукта.
Айрлейд-материалы. Технология айрлейд предусматривает формирование
волокнистых холстов аэродинамическим способом с последующим скреплением их путем термообработки с применением горячего воздуха. Для изготовления нетканых материалов используются волокна с разной температурой плавления. В результате прохождения нагретого воздуха через материал более легкоплавкий материал оболочки бикомпонентных волокон расплавляется и склеивает волокна с более высокой температурой плавления. Температура выбирается таким образом, чтобы нагревание не приводило к термической деструкции компонентов материала. Подобные материалы хорошо зарекомендовали себя при изготовлении впитывающего слоя для женских гигиенических прокладок и подгузников. Более того, технология айрлейд позволяет вводить в материал специальные добавки (адсорбенты), что повышает впитывающую способность материала. Способность хорошо впитывать и удерживать влагу позволяет использовать айрлейд-материалы в качестве протирочных и в качестве впитывающих пеленок для больных. Благодаря высоким фильтрующим способностям, они нашли также широкое применение в производстве масок и фильтров.
Многослойные нетканые материалы, полученные путем ламинации. Ламинированные нетканые материалы для медицинского применения в основном бывают двухслойные и трехслойные. Изготавливают их клеевым способом (склеивая слои на специальном оборудовании) или наливным методом. Наливным методом изготавливают двухслойные материалы. Для их изготовления используется в качестве основы разнообразные нетканые материалы (спанбонд, спанлейс, бумага и т.д.), на которые специальным оборудованием наносится тонкий слой расплавленного полимера. В основном это полиэтилен, но может использоваться и полипропилен. В результате получается двухслойный нетканый материал, называемый обычно ламинат. Он достаточно широко применяется при изготовлении ОМОБ (фартуки, нарукавники, непромокаемые простыни, наматрасники и т.д.).
Основным материалом для производства современного ОХОБ служат НМ, произведенные с путем ламинирования с использованием специальным клеев.
Такой тип ламинирования позволяет получать широкий спектр нетканых материалов, обладающих заданными свойствами. Слои могут быть из проницаемых или непроницаемых пленок, впитывающими или водоотталкивающими, требуемых плотностей и видов материалов.
Схема производства ламинированных материалов с использованием клеев приведена на
рис. 4.
Рис. 4 - Схема производства ламинированных материалов с использованием клеев
101
На рынке нетканых материалов для производства одноразовой медицинской одежды и белья получили распространение такие технологии производства нетканых материалов, как спанбонд, спанмелт (композитный материал на основе спанбонда) и спанлейс. На сегодняшний день около 83% российских производителей медицинской одежды и белья используют в своем производстве спанбонд. Объем производства нетканого полотна на основе спанбонда, включая спанмелт-матералы составляет почти 60% от общего объема потребления.
Несмотря на широкое использование, одной из важных проблем, ограничивающей широкое применение одежды и белья из спанмелт-материалов в медицине, является ограничение применения для их стерилизации стандартных методов. Основными методами стерилизации подобных изделий является газовая и радиационная стерилизация. Использования газовой стерилизации несет в себе риски токсикологического характера, поскольку для некоторых видов волокон возможна абсорбция токсичных газов изделиями из нетканых материалов.
В случае использования радиационной стерилизации существует проблема стойкости полимеров, используемых для получения нетканых материалов, к воздействию ионизирующего излучения. Так, например, на практике, в редких случаях как отмечают производители медицинской одежды, но все же наблюдаются случаи ухудшения свойств материалов, в основном прочностных, препятствующих их использованию по назначению. В связи с этим, как показал проведенный анализ литературы [4-8], на сегодняшний день в мире проводится много исследований, направленных на повышение радиационной стойкости полипропилена и можно выделить три направления проводимых исследований в этой области:
- введение стабилизирующих (антирадных) добавок;
- химическая модификация полипропилена;
- структурная модификация полипропилена в процессе производства.
По нашему мнению, наиболее оптимальным и эффективным решением проблемы повышения радиационной стойкости является применение всех трех способов.
На рисунке 5 показана технологическая схема производства нетканого полотна. Стадия изготовления изделий и радиационной стерилизации может быть организована как в составе этого производства, так и отдельно от него.
Рис. 5 - Технологическая схема производства нетканого полотна
Можно дать следующие рекомендации для действующего производства нетканых материалов по усовершенствованию технологического процесса получения радиационностойкого материала типа спанмелт:
- использование в качестве сырья сополимера пропилена и этилена, с преимущественным содержанием полипропилена;
- на этапе дозирования необходимо введение стабилизирующих добавок (обозначено 1
на рис. 5);
- корректировка параметров технологического процесса (температуры, скорости
вытягивания и охлаждения нитей, температура скрепления материала) (обозначено 2 на рис. 5).
Литература
1. Нетканые материалы [Электронный ресурс]: Большая советская энциклопедия.
2. «Чтобы правильно выполнить работу, нужно правильно одеться. Нетканые материалы для медицинской одежды одноразового пользования» [Электронный ресурс]: Европейская ассоциация одноразовых и нетканых изделий Edana / брошюра.
3. Нетканые материалы [Текст] / С.А. Мальнев. «Нетканые материалы», 2008, №3 (4), сент. с.24-28.
4. Слоистый материал, обладающий барьерными свойствами [Электронный ресурс]: пат. 2001105925 Рос. Федерация: МПК7 B32B 27/12 / Маккормак Энн Луиз (US), Хэфнер Вильям Бела (US); заявитель КИМБЕРЛИ-КЛАРК ВОРЛДВАЙД, ИНК. (US).; пат. поверенный Квашнин В.П. - № 2000131736/09 ; заявл. 13.07.99 ; опубл. 20.02.04.
5. Нетканый материал на основе полимеров, содержащих конкретные типы сополимеров и обладающих эстетически приятными тактильными свойствами [Электронный ресурс]: пат. 2151830 Рос. Федерация: МПК7 D 01 F 8/06, D 04 H 13/00 / Шовер Сюзн Илэйн (US), Коннор Линда Энн (US), Эсти Пол Виндсор (US); заявитель КИМБЕРЛИ-КЛАРК ВОРЛДВАЙД, ИНК. (US).; - № 97115904/12; заявл. 09.02.96 ; опубл. 09.06.96.
6. Process for the production of a gamma-radiation resistant polypropylene fibre for a radiation sterilizable non-woven fabric [Электронный ресурс]: пат. 0667406 European patent: EP19950300857 19950213 / Makipirtti simo [FI]; Bergholm heikki [FI]; заявитель Suominen Oy J. W. [FI]; заявл. 09.02.96 ; опубл. 16.08.95.
7. Ishigaki, I. Radiation Effects on Polymeric Materials [Электронный ресурс]. / I. Ishigaki, F. Yoshii, K. Makuuchi, N. Tamura, // Takesaki Radiation Chemistry Research Establishment, Japan Atomic Energy Research Institute.
8. Радиационная химия полимеров [Текст] / В.С. Иванов // Изд-во «Химия», 1988. - 244 с.
© Ю. Н. Хакимуллин - д-р техн. наук, проф. каф. химии и технологии переработки эластомеров КНИТУ, [email protected]; С. И. Вольфсон - д-р техн. наук, проф., зав. каф. химии и технологии переработки эластомеров КНИТУ; Р. Ю. Галимзянова - докторант той же кафедры; И. В. Кузнецова -дир. ассоциации «Здравмедтех»; А. В. Ручкин - президент ассоциации «Здравмедтех»; И. Ш. Абдуллин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КНИТУ, [email protected].
