Fibre multifunzionali per nontessuti realizzati ad aria e per via secca
Niels K. Christensen
FiberVisions, Danimarca
Presentato al Simposio sui Nontessuti di Edana 2000
Introduzione
La tecnologia di formazione del nontessuto ad aria esiste da molti anni. All'inizio l'unico sistema di coesionatura era quello mediante lattice ma da 8-10 anni si è aggiunta anche la termocoesionatura. FiberVisions, produttore di fibre bicomponenti e vicino ai due principali produttori di linee ad aria Dan-Web e M&J Fibretech, Danaklon sta mettendo a punto fibre bicomponenti adatte alla termocoesionatura per le linee ad aria.
L'articolo è diviso in tre parti. La prima confronta capacità produttiva e vendite totali di nontessuti realizzati ad aria e termocoesionati. La seconda mostra alcuni sviluppi realizzati con le fibre bicomponenti e può essere utilizzata per scegliere il tipo di fibra da utilizzare nei sitemi ad aria. La terza parte presenta alcune fibre bicomponenti che, rispetto ad altre fibre sul mercato, conferiscono al prodotto una resistenza a trazione considerevolmente più elevata ed una ridotta produzione di polveri.
Capacità produttiva e vendita di nontessuti realizzati ad aria termocoesionati
La prima linea commerciale per nontessuti ad aria termocoesionati risale al 1992 e fu realizzata da Walkisoft di Arhus, Danimarca; la seconda è stata realizzata da Thurso in Canada nel 1994. Entrambe potevano realizzare solo il coesionamento termico e non con lattice. Da allora molte linee con il duplice coesionamento - termico e con lattice - sono state realizzate in USA ed Europa. La capacità delle linee ad aria con termocoesionatura è riportata in Figura 1. L'aumento di capacità dipende oltre che dalla installazione di nuove linee, anche dalla aggiunta della termocoesionatura a vecchie linee a lattice.
Figura 1: Capacità totale delle linee ad aria con possibilità di termocoesionatura
Il forte aumento della capacità produttiva per i nontessuti realizzati ad aria con possibilità di termocoesionatura indica un forte interesse per i prodotti coesionati termicamente.
Non pretendo di conoscere esattamente le vendite nel mondo di nontessuti prodotti ad aria e coesionati termicamente, ma credo di avere un'idea abbastanza precisa al riguardo basandomi sulle nostre vendite di fibre bicomponenti per questa applicazione e sulle mie stime della concorrenza. La mia stima delle vendite è riportata nella Figura 2. Le vendite sono aumentate di poco, 3-4.000 tonnellate, (molto se ragioniamo in termini di percentuale) fino al 1997, ma dam '97 al '98 l'aumento è più che raddoppiato.
Figura 2: Stima delle vendite di nontessuti ad aria coesionati termicamente
Comunque la Figura 3 mostra che la capacità produttiva è aumentata più delle vendite a significare che la maggior parte delle linee ibride è usata per coesionare a lattice. Anche se la mia stima delle vendite fosse sbagliata al 50% o anche più, c'è ancora un'ampia capacità produttiva per i prodotti realizzati ad aria e termocoesionati. Concert ha già annunciato che installeranno in Germania la loro seconda linea ad aria con possibilità di termocoesionatura e che seguiranno altre linee.
Figura 3: Capacità produttiva globale di prodotti ad aria e vendite di prodotti termocoesionati.
Sembra che molti credano in una forte crescita della domanda di prodotti ad aria termocoesionati e stanno aspettando che questo accada.
La forte produzione di pannolini con l'assorbente realizzato ad aria e termocoesionato dovrebbe certamente aumentare la domanda spostando verso la termocoesionatura quelle linee ibride che possono coesionare sia a lattice che termicamente. L'introduzione di nuove fibre capaci di migliorare la competitività della termocoesionatura rispetto al lattice, sposterà ulteriormente la scelta verso la prima tecnologia.
Tendenze nello sviluppo delle fibre
Considerato il notevole mercato potenziale per le fibre bicomponenti è stato naturale per FiberVisions sviluppare fibre specifiche e ha già messo a punto un'ampia gamma di fibre per questa tecnologia.
Danaklon ha cominciato a lavorare in Danimarca con queste fibre da quasi 10 anni. All'inizio tutti erano già soddisfatti del poter disporre di una fibra che coesionava termicamente e formava un reticolo a cui la polpa di poteva attaccare. Il primo tipo di fibra usata era una bicomponente con anima eccentrica di polipropilene ed esterno in polietilene (50% PP e 50% PE), tagliata a 60 mm. Furono condotte diverse prove sulla linea pilota di Dan-web ed anche a M&J, con fibre a differente livello di arricciatura e differente grado di apertura per trovare la fibra che forniva la miglior produttività ed il miglior aspetto per il prodotto. Oggi questa fibra si chiama AL-Thermal-E.
AL-Thermal-C
Dopo che è stata avviata la prima linea commerciale di termocoesionatura per nontessuto realizzato ad aria è stata sviluppata la fibra AL-Thermal-C che è sempre 50% PP e 50% PE, ma l'anima è concentrica. Anche per questa fibra si sono ripetute le prove per valutare arricciamento e apertura ottimali.
Figura 4: Resistenza a trazione in direzione trasversale di nontessuto da 95 g/mq, 25% bicomponente eccentrica e concentrica (PP 50%- PE 50%, 3.3 dtex, 6 mm)
La Figura 4 mostra un aumento nella resistenza a trazione in direzione trasversale passando dalla fibra eccentrica a quella concentrica. Si è considerata solo la resistenza in direzione trasversale poiché in un nontessuto realizzato ad aria non c'è praticamente differenza con la direzione macchina. La Figura 5 mostra la sezione trasversale della fibra concentrica ed eccentrica. L'aumento di resistenza con la fibra concentrica è dovuto al fatto che in questo caso l'anima è circondata completamente dal polietilene e quindi in ogni punto di contatto che si crea nel reticolo c'è materiale (polietilene) per creare un punto di coesione.
Figura 5: Sezioni trasversali di AL-Thermal-E e AL-Thermal-C
Quando fu introdotto il tipo concentrico l'interesse principale era rivolto all'aumento della resistenza a trazione. La polvere non era considerata allora, ma la fibra concentrica dà anche una forte riduzione della polvere rispetto alla fibra eccentrica.
Il tipo concentrico darà anche un prodotto a maggior densità che è un bene se si tratta di un sottile strato assorbente; ma se qualcuno vuole un prodotto più voluminoso dovrà utilizzare la fibra eccentrica e dovrà accettare una minor resistenza o usare una maggior quantità di fibra per compensare il minor numero di punti di coesione.
Dalla Figura 6 si può vedere come la resistenza diminuisca all'aumentare dell'arricciamento della fibra. Questa diminuzione può essere in parte dovuta al fatto che l'arricciamento danneggia la fibra ed inoltre più la fibra è arricciata e minore è il numero dei punti di contatto e quindi dei punti di coesionamento.
Figura 6. Resistenza a trazione in direzione trasversale per un nontessuto da 95 g/mq, 25% AL-Thermal-C (PP 50%-PE 50%, 2.2 dtex, 6 mm)
Una fibra a basso arricciamento dà una produttività maggiore rispetto ad una ad alto arricciamento e più le fibre sono aperte (cioè separate) maggiore è la resistenza a trazione come si vede dalla Figura 7. La ragione è che se due o più fibre sono completamente allineate non otterremo più punti di coesione rispetto all'avere una sola fibra.
Figura 7: Resistenza a trazione in direzione trasversale per un nontessuto da 95 g/mq, 25% AL-Thermal-C (PP 50%-PE 50%, 3.3 dtex, 6 mm)
Maggiore è il grado di apertura delle fibre maggiore è la produttività.
Riguardo al titolo delle fibre c'è un punto di equilibrio fra resistenza a trazione e produttività; quest'ultima decresce al decrescere dello spessore della fibra. Per ogni fibra, oltre un certo limite di produttività si formeranno degli aggomitolamenti di fibre e questo accade più facilmente quanto più soffice è la fibra. La resistenza a trazione in direzione trasversale aumenta al diminuire del titolo, come si può vedere dalla Figura 8, a causa dell'aumento dei punti di contatto. Anche la quantiutà di polvere decresce con fibre a titolo più basso.
Figura 8: Resistenza a trazione in direzione macchina per un nontessuto da 95 g/mq, 25% AL-Thermal-C (PP 50%-PE 50%, 2.2 dtex, 6 mm)
Per quanto riguarda la lunghezza delle fibre la Figura 9 mostra l'aumento di resistenza passando da 6 a 12 mm di lunghezza, mentre la produttività decresce. Si sono studiati nuovi sistemi di taglio per produrre fibre di 3 e 4 mm che sono da freferire quando si vuole tenere la più alta produttività possibile in una linea.
Figura 9: Resistenza a trazione in direzione macchina per un nontessuto da 95 g/mq, 25% AL-Thermal-C (PP 50%-PE 50%, 2.2 dtex)
AL-Special-C
Un velo termocoesionato si rompe perché si rompono i punti di coesione e quindi, qualsiasi cosa che rinforzi i punti di coesione dovrebbe aumentare la resistenza del prodotto. Un passo naturale è quello di aumentare la quantità di polietilene a spese del polipropilene. La Figura 10 mostra come aumenta la resistenza all'aumentare del polietilene. Oltre un certo punto però la resistenza diminuisce perché il polipropilene diventa il punto debole del sistema ed è questo che si rompe prima che si rompano i punti di coesione.
Figura 10: Resistenza a trazione in direzione trasversale per un nontessuto da 95 g/mq product, 25% fibra bicomponente concentrica (1.7 dtex, 6 mm)
La fibra che vendiamo di più per termocoesionare prodotti realizzati ad aria è una fibra concentrica da 1,7 dtex con 65% PE e 35% PP di anima, chiamata AL-Special-C.
La Figura 11 mostra ancora come varia la resistenza con la lunghezza della fibra, ma questa volta con la AL-Special-C da 1,7 dtex su una linea di M&J mantenendo la produttività costante. Si vede che la resistenza aumenta con la lunghezza delle fibre, ma oltre un certo limite torna a decrescere a causa della formazione di grovigli che possono essere ridotti solo diminuendo la produttività della linea.
Figura 11: Resistenza a trazione in direzione trasversale in funzione della lunghezza delle fibre per la AL-Special-E, 1.7 dtex su una linea M&J con produzione di 140 kg/h. Nontessuto da 95 g/mq con 25% di fibra bicomponente
Sia Dan-web che M&J stanno migliorando la tecnologia delle loro linee e probabilmente le nuove linee saranno in grado di lavorare fibre lunghe più di 6 mm con produttività soddisfacente.
Anche la AL-Special-C riduce la polvere rispetto alla fibra AL-Thermal-C con solo il 50% di polietilene, ma questo non era importante quando la AL-Special-C fu introdotta.
L'aumento di polietilene tende a sacrificare la produttività poiché la fibra è meno rigida, ma l'effetto è piuttosto modesto. Più polietilene significa anche un prodotto meno voluminoso ma anhe questo effetto è modesto, specialmente se la fibra bicomponente è in mista con altri tipi di fibra.
Infine la Figura 12 mostra come varia la resistenza a trazione con la quantità di fibra termocoesionabile. Come prevedibile la resistenza aumenta all'aumentare della quantità di fibra AL-Special-C.
Figura 12: Resistenza a trazione in direzione trasversale in funzione della quantità di AL-Special-C, fibre da 1.7 dtex in nontessuto da 95 g/mq
Nuove fibre per la riduzione della polvere: AL-Adhesion
Negli ultimi anni la polvere è diventata un problema importante nella produzione di nontessuti ad aria.
Usando lattice nei nontessuti per asciugare, non c'è praticamente polvere. Ma con le fibre oggi disponibili per la termocoesionatura i problemi di polvere costituiscono il maggior ostacolo alla introduzione dei nontessuti per asciugare coesionati termicamente.
Nei prodotti assorbenti per la cura femminile coesionati termicamente il problema della polvere non è tanto nel prodotto finale quanto nella lavorazione. Il livello di polvere delle attuali fibre sarebbe certamente un problema se il prodotto venisse usato come strato assorbente in un pannolino. Negli ultimi due anni abbiamo lavorato intensamente per mettere a punto fibre in grado di ridurre la polvere sia nel prodotto finale che nei processi di trasformazione.
A nostra conoscenza non c'è uno standard per misurare la polvere che si forma. Noi l'abbiamo misurata seguendo questa procedura. I nontessuti sono tagliati in pezzi di 12x25 cm e dopo condizionamento per 24 ore vengono pesati con una precisione di 0.1 mg. Il campione è fissato con due pinze lunghe 12 cm, montate entrambe su un braccio; un braccio è fisso e l'altro è ruotabile e collegato ad una molla; questo viene ruotato di 45° cosicché, il nontessuto passa da una condizione di "stiro" ad una di "rilassamento"; il braccio viene quindi liberato e la molla lo riporta nella posizione iniziale sottoponendo il campione ad un leggero stiro e una leggera vibrazione simile a quella cui viene sottoposto un rotolo di nontessuto quando viene srotolato per essere lavorato. Stiro e vibrazione fanno perdere le fibre sciolte, cioè la polvere. La forza della molla deve essere modesta per non danneggiare il campione durante la prova. La procedura è ripetuta per 50 volte e alla fine si misura la perdita di peso corrispondente alla polvere prodotta.
Scegliemmo di provare diversi copolimeri e polimeri speciali da miscelare al polietilene standard per realizzare una fibra in grado di fissare facilmente fibre di pasta di legno alla fibra sintetica. Ottenemmo una soluzione già due anni fa, ma il produttore cessò la produzione di quel polimero quando avevamo appena introdotto la nuova fibra, con disappunto nostro e dei nostri clienti. Siamo quindi stati costretti a ricercare nuovi polimeri da altri fornitori.
Sono state realizzate fibre con 20 diversi tipi di polimeri o additivi con le quali si sono realizzati nontessuti su una piccola linea M&J. Dopo coesionamento in un forno si sono confrontate resistenza e livello di polvere per tutti e 20 i tipi di fibra, arrivando a selezionare le due miglior soluzioni in fatto di resistenza, polvere, condizioni di processo e costo. Questi due polimeri sono stati usati in rapporto da 0 a 10% sullo strato di polietilene per trovare il rapporto ottimale.
Figura 13: Riduzione percentuale della polvere in un nontessuto da 80 g/mq rispetto a AL-Special-C (20% fibra bicomponente, 1.7 dtex, 6 mm)
La riduzione della polvere rispetto a AL-Special-C usando queste due soluzioni è mostrata nella Figura 13. Il contenuto di 0% corrisponde ad usare la fibra AL-Special-C. Il Polimero A riduce la polvere molto più del B e fortunatamente dà anche la resistenza maggiore come si vede dalla Figura 14, dove si tiene conto del BI (Bonding Index ovvero Indice di Legame) anziché della resistenza a trazione. Il calcolo di questo indice è riportato in Figura 15.
Figure 14: Resistenza a trazione (BI) in nontessuto da 80 g/mq col 20% di fibra bicomponente, 1.7 dtex, 6 mm con differenti livelli di additivi nello strato di polietilene.
BI: Indice di Legame (N/5 cm)
MD: Resistenza a trazione in direzione macchina (N/ 5 cm)
CD: Resistenza a trazione in direzione trasversale (N/ 5 cm)
Aw: Peso reale (g/mq)
Nw: Peso nominale (g/mq)
Figura 15: Calcolo dell'Indice di Legame
Si è deciso di usare il polimero A nella nuova fibra adatta alla riduzione della polvere - la fibra AL-Adhesion-C - e si sono effettuate numerose prove sulle linee Dan-web, M&J e linee commerciali. La fibra è stata confrontata con AL-Special-C e fibre concorrenti a differenti temperature. La Figura 16 mostra il confronto riguardo alla formazione di polvere tenendo conto di tutti i risultati ottenuti nei vari test. La fibra Cell-Bond è di Hoechst Celanese (ora KoSa).
Figura 16: Polvere formata da un nontessuto da 85 g/mq con 20% di fibra bicomponente: 4 mm, 1.7 dtex per AL-Special-C e AL-Adhesion-C e 3 dtex per Cell-Bond
Risulta evidente che la nuova fibra AL-Adhesion-C riduce di molto la polvere rispetto a AL-Special-C e anche rispetto alla fibra Cell-Bond.
La Figura 17 mostra chiaramente che allo stesso tempo AL-Adhesion-C ha una resistenza a trazione migliore, specialmente all'aumentare della temperatura, sia di AL-Special che di Cell-Bond.
Figura 17: Resistenza a trazione in funzione della temperatura per un nontessuto da 85 g/mq col 20% di fibra bicomponente: 4 mm, 1.7 dtex per AL-Special-C e AL-Adhesion-C e 3,0 dtex for Cell-Bond
Altri nuovi tipi di fibre per nontessuti ad aria
Naturalmente AL-Adhesion-C cotituisce un bel passo avanti nella riduzione della polvere e influirà sul bilancio fra la coesionatura con lattice e quella terlica, ma i nontessuti coesionati con lattice hanno ancora un tenore di polvere inferiore e quindi dobbiamo ancora lavorare a nuove fibre per ridurre ulteriormente la polvere.
Altre fibre che possono essere interessanti per i nontessuti ad aria sono le seguenti:
• Fibra bicomponente supervoluminizzata che offra la stessa voluminosità senza perdere in resistenza a trazione. Questa fibra è già disponibile ed è largamente impiegata nella via secca per gli strati di acquisizione e distribuzione, ma non è stata ancora molto usata nelle linee ad aria.
• Fibre bicomponenti più grosse, da 6.7 o 10 dtex, per gli strati di acquisizione e distribuzione.
• Fibre bicomponenti idrofile più durevoli, per lo stesso tipo di applicazioni.
• Fibre bicomponenti idrofobe. • Fibre bicomponenti con lo strato esterno che fonda a 100°C o meno.
Queste fibre sono già disponibili, ma non sono state ancora provate in nontessuti ad aria.
La nuova fibra AL-Adhesion-C offre anche nuove opportunità. Per la sua elevata resistenza a trazione si può ridurre la quantità di polietilene ed aumentare il polipropilene per avere una fibra più rigida e poter di conseguenza uamentare la potenzialità della linea.
FiberVision ha ancora una riserva di capacità produttiva per le fibre bicomponenti e può anche aumentare facilmente la produzione se necessario. Inoltre è preparata a sviluppare nuove fibre per le linee ad aria e anche modificare su misura quelle esistenti secondo le esigenze specifiche del cliente.
Conclusioni
Si è visto come sebbene le vendite di nontessuti ad aria coesionati termicamente siano cresciute notevolmente durante gli ultimi due anni, la coesionatura con lattice ha ancora la maggior quota del mercato. Negli ultimi 6-7 anni sono state introdotte nuove fibre per termocoesionatura, alcune presentate nell'articolo, in grado di migliorare le caratteristiche dei prodotti coesionati termicamente.
Sono riportati dei grafici che mostrano come varia la resistenza a trazione in funzione delle proprietà delle fibre. Poiché la resistenza dipende anche dal tipo di linea di produzione, dalla potenzialità e da molti altri fattori, questi grafici hanno valore solo come indicazione della tendenza e possono essere utilizzati per scegliere la fibra con cui lavorare, senza aspettarsi di ottenere gli stessi valori su una linea di produzione commerciale.
Viene presentata anche una nuova fibra, AL-Adhesion-C che, rispetto a fibre analoghe presenti sul mercato, riduce la polvere e conferisce una resistenza più elevata al prodotto. Questa fibra, aumentando le prestazioni dei nontessuti ad aria coesionati termicamente, dovrebbe aumentare la loro quota di mercato rispetto a quelli coesionati con lattice.
FiberVisions ha la potenzialità, la capacità e tutto l'interesse a supportare l'industria dei nontessuti ad aria ed è impegnata a farlo.
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