Первые опыты производства нетканых материалов в конце 40-х годов получили дальнейшее развитие в 50-х, за чем последовала коммерческая экспансия 60-ых. В течение следующих 35 лет эта отрасль текстильной промышленности прочно встала на ноги и создала рынки для нетканых материалов либо обеспечением рентабельной альтернативы обычному текстилю, либо путем предложения продуктов со специально разработанными свойствами. Производство нетканых материалов легче, чем традиционная текстильная промышленность, пережило спады производства и развивалось более быстрыми темпами. Проблемы техники безопасности и охраны здоровья подобны тем, что имеют место в остальной текстильной индустрии (то есть, шум, присутствие волокон в воздухе, химикалии, использующие для сцепления волокон, безопасные рабочие места, зоны защемления, тепловые ожоги, травмы спины и так далее).
В целом уровень безопасности в данной отрасли достаточно высок, и количество несчастных случаев в расчете на одно рабочее место невелико. Промышленность, производящая нетканые материалы, отреагировала на требования поддержания чистоты окружающего воздуха и воды. В Соединенных Штатах Управлением безопасности и охраны труда (Occupational Safety and Health Administration, OSHA) был принят ряд правил обеспечения безопасности работников, включающих обучение технике безопасности и внедрение соответствующих технологий, что позволило в значительной степени усовершенствовать систему охраны труда.
Сырье, используемое этой отраслью, подобно тому, что используется в традиционной текстильной индустрии. Подсчитано, что на производство нетканых материалов ежегодно уходит почти 1 миллиард килограммов различного сырья. Применяемые натуральные волокна - это, в основном, хлопок и древесная целлюлоза. Изготавливаются такие ткани, как искусственный шелк, полиолефины (полиэтиленовые и полипропиленовые), полиэстер и, в меньших количествах, нейлон, акриловые волокна и др.
Насчитывается около десятка способов получения нетканых материалов. К ним относятся: фильерный, аэродинамический (с использованием расплава), аэродинамический (для целлюлозы и ее смесей), способ скрепления при помощи иглопробивной машины, термоскрепление или химическое скрепление и стежковая сварка. В Соединенных Штатах данная отрасль освоила на многие рынки и в настоящее время ищет новые. Основная область расширения использования нетканых материалов - применение композитов. Ламинирование нетканых материалов пленками и другими покрытиями ведет к расширению рынка. В последнее время особое внимание уделяется хранению нетканых материалов из-за воспламеняемости некоторых видов изделий, имеющих очень низкую плотность и большую площадь поверхности. Считается, что проблемы при хранении могут создавать рулоны, у которых коэффициент "объем/вес" превышает некоторую критическую величину.
Сырье
Волокна целлюлозы
Объем отбеленного хлопка, применяемого в производстве нетканых материалов, постоянно рос, а материалы из смеси хлопка и полиэфира или искусственного шелка и полиэфира, соединенных методом гидроперепутывания, были очень привлекательны для медицины и предметов женской гигиены. Заинтересованность в использовании неотбеленного хлопка в нетканых процессах привела к созданию некоторых привлекательных экспериментальных тканей при помощи процесса гидроперепутывания.
Производство искусственного шелка столкнулось с некоторым сопротивлением защитников окружающей среды, которые были обеспокоены влиянием на экологию побочных продуктов его производства. Некоторые производители искусственного шелка в Соединенных Штатах предпочли свернуть производство из-за высоких затрат на выполнение нормативных требований по защите окружающей среды. Те компании, которые решили выполнить предписанные требования, похоже, адаптировались к модифицированным производственным процессам.
Волокна древесной целлюлозы - основной компонент одноразовых подгузников и других гигроскопичных изделий. В них применяются волокна твердых пород дерева и крафт-целлюлозы. Только в Соединенных Штатах ежегодно используется более 1 миллиарда килограммов волокон целлюлозы. Небольшое количество ее используется в аэродинамических процессах получения нетканых материалов. Наиболее распространенными изделиями являются различные полотенца, от кухонных до тех, которыми пользуются спортсмены.
Синтетические волокна
Два наиболее популярных полиолефиновых волокна - полиэтилен и полипропилен. Эти полимеры либо преобразуются в штапельные волокна, из которых затем вырабатывается нетканый материал, либо непосредственно в фильерные нетканые материалы, когда происходит эжектирование полимеров с формированием нитей, которые переплетаются и скрепляются посредством термических процессов. Некоторые из таких тканей используются в защитном снаряжении, и к 1995 году было выпущено более 400000000 комбинезонов из популярной ткани, полученной из полиэтилена фильерным способом.
Больше всего чистого нетканого полотна в Соединенных Штатах (приблизительно 10 миллиардов квадратных метров) используется для поверхностного слоя одноразовых подгузников. Эта ткань соприкасается с кожей ребенка, отделяя ее от других компонентов подгузника. Ткани из этих волокон также используются в товарах длительного пользования и в некоторых геотекстильных изделиях, где их срок службы неограничен. Эти ткани разрушаются под действием ультрафиолета и некоторых других видов излучения.
Термопластичные волокна полиэстера и его сополимеров широко используются в производстве нетканых материалов как фильерным способом, так и посредством выработки штапельного волокна. Подсчитано, что общий объем полиэстера и полиолефиновых полимеров, ежегодно использующихся в Соединенных Штатах для получения нетканых материалов, превышает 250 миллионов килограммов. Смеси полиэфирных волокон с древесной целлюлозой, которые wet laid, а затем сцепляются методом гидроперепутывания и обрабатываются водоотталкивающими средствами, широко используются для изготовления одноразовых хирургических халатов и простыней. К 1995 году только в Соединенных Штатах ежегодное использование в медицине одноразовых нетканых материалов превысило 2 миллиарда квадратных метров.
Нейлоновые волокна используются в небольших количествах виде штапельного волокна хлопка и в ограниченном объеме в нетканых материалах, получаемых фильерным способом. Наиболее распространенное применение фильерной нейлоновой ткани - подкладки ковров и стекловолоконные фильтры. Нейлон делает обратную поверхность ковра более скользкой, что облегчает его укладку. В стекловолоконных фильтрах тканевые вставки удерживают стекловолокно в фильтре и предотвращают его попадание в поток отфильтрованного воздуха. Другие виды нетканых материалов, например, aramids, проникают в незанятые ниши рынка, где их применение обуславливается их особыми свойствами, типа низкой воспламеняемости. Некоторые из этих нетканых материалов используются в мебельной промышленности как огнестойкие материалы, уменьшающие воспламеняемость диванов и кресел.
Процессы
Фильерный процесс и аэродинамический метод с использованием расплава.
В обоих этих процессах, соответствующие синтетические полимерные материалы расплавляются, отфильтровываются, экструдируются, вытягиваются, электростатически заряжаются, укладываются в виде сетки, сцепляются и скатываются в рулоны. Данные процессы требуют соблюдения правил техники безопасности при работе с горячими экструдерами, фильтрами, фильерами и нагретыми вальцами, применяемыми для сцепления.
Персонал должен пользоваться соответствующими средствами защиты глаз и не носить свободную одежду, галстуки, кольца или другие драгоценности, которые могут быть захвачены движущимися частями оборудования. Кроме того, в этих процессах почти всегда используются большие объемы воздуха, и поэтому следует принимать конструктивные меры для предотвращения возгорания, например, не размещать световую арматуру в воздухопроводе. Огонь в воздухопроводе трудно поддается тушению. Важно поддерживать в безопасном состоянии рабочие площадки, а пол вокруг оборудования по производству нетканых материалов должен быть свободным от грязи, которая может привести к падению.
Данные процессы предусматривают очистку части технологического оборудования путем сжигания накопившихся остатков полимера. Обычно для этого применяются высокотемпературные печи. Совершенно очевидно, что эти процессы требуют использования перчаток и другой термозащиты, а также наличия адекватной вентиляции, позволяющей снизить температуру и удалить выделяющиеся газы.
Фильерные процессы экономичны частично благодаря тому, что они протекают относительно быстро, и что выходные рулоны могут меняться без остановки процесса. Конструкция оборудования для смены рулонов и обучение операторов должны обеспечить достаточную безопасность этой операции.
Положенное сушение
Процесс состоит из разрыхления волокон, их смешивания, чтобы обеспечить однородную подачу на кардочесальную машину, прочесывания для формирования прочесов, перекрестную накладку прочесов для придания одинаковой прочности во всех направлениях и, наконец, связывание. Требования безопасности здесь точно такие же, как и для традиционного текстильного производства. Все места, в которых руки работников могут быть захвачены вращающимися частями оборудования, должны быть защищены. В некоторых сушильных процессах возможно попадание волокон в воздух. Чтобы избежать вдыхания волокон, персонал должен быть обеспечен соответствующими индивидуальными средствами защиты органов дыхания.
Если сформированные прочесы скрепляются посредством термального процесса, в них обычно добавляется небольшое количество (порядка 10% от массы) волокон или порошка с более низкой температурой плавления. Этот материал расплавляется путем выдержки в печи, через которую пропускается горячий воздух, или при помощи нагретых вальцов, а затем охлаждается, скрепляя волокна ткани. В этом процессе необходимо обеспечить защиту от прикосновения к горячим частям оборудования. В Соединенных Штатах ежегодно выпускается около 100 млн. килограммов термически связанного нетканого материала.
Если прочесы связываются иглопробивным способом, то используется рапирный лентоткацкий станок. Установленная на фонтуре матрица игл протыкает прочесы. Иглы захватывают поверхностные волокна, протягивают их через всю толщину ткани и на обратном ходе освобождают. Число пробиваний на единицу площади может существенно различаться, от небольшого количества (в случае high-loft тканей) до значительного (в случае тканого войлока). Станок может использоваться для прокалывания иглой как с лицевой, так и с изнаночной стороны прочеса, и в нем может быть установлено несколько фонтур. Сломанные иглы подлежат замене. Для предотвращения несчастных случаев станок должен быть оснащен защитной блокировкой. Как и в случае прочесывания, в воздух может попадать некоторое количество мелких волокон, и поэтому рекомендуется оборудовать производственные помещения вентиляцией и использовать респираторы. Кроме того, рекомендуется защищать глаза от возможного попадания обломков игл. В Соединенных Штатах ежегодно производится около 100 млн. килограммов иглопробивных нетканых материалов.
Если прочесы соединяются химическим способом, этот процесс обычно предполагает распыление клея по одной стороне прочеса и последующую обработку, обычно в сушильном шкафу с принудительной тягой. Затем направление прочеса меняется на обратное, наносится еще один слой клея, и ткань вновь пропускают через сушильный шкаф. Иногда для завершения технологической обработки ткань пропускается через сушильный шкаф в третий раз. Очевидно, что из сушилки в воздух попадают различные газы, и поэтому необходимо улавливать и удалять из атмосферы любые токсичные вещества (в Соединенных Штатах это требование закреплено в различных федеральных и местных законах по защите чистоты атмосферного воздуха). Что касается соединения склеиванием, то во всем мире существует тенденция уменьшения выброса формальдегида в окружающую среду. В Соединенных Штатах EPA (Агентство по защите окружающей среды) недавно ужесточило допустимые нормы выброса формальдегида до одной десятой ранее принятых норм. Высказываются опасения, что новые установленные уровни сравнимы с точностью доступных в настоящее время лабораторных методов измерения. Производители клеев ответили на это выпуском новых, не содержащих формальдегид материалов.
Аэродинамический способ
Имеется некоторая терминологическая путаница относительно полученных аэродинамическим способом нетканых материалов. Один из вариантов процесса прочесывания предполагает использование кардочесальной машины, снабженной блоком, в котором волокна перемешиваются в воздушной струе. Этот процесс часто называют "аэродинамическим нетканым процессом". Другой, совершенно не похожий процесс, также называемый аэродинамическим, включает в себя дисперсию волокон в потоке воздуха, обычно при помощи молотковой мельницы, и направление воздушной взвеси на устройство, которое осаждает волокна на движущуюся ленту. Образовавшаяся решетка волокон затем скрепляется и обрабатывается. Процесс осаждения волокон может быть повторен несколько раз с различными типами волокон, чтобы получить многослойные нетканые материалы с различным сочетанием волокон. Поскольку в этом случае могут использоваться очень короткие волокна, следует принимать меры по защите дыхательных путей персонала.
Wet laid
Wet laid нетканый процесс использует технологию, применяемую для производства бумаги, когда формирование ткани происходит из водной дисперсии волокон. В данном процессе используются диспергаторы, что позволяет исключить образование неоднородных скоплений волокон. Волоконная дисперсия пропускается сквозь движущиеся ленты и отжимается между фетровыми валиками. Часто на определенной стадии процесса к волокнам добавляют связующие компоненты, которые скрепляют волокна во время отжима или сушки. В другом, более новом методе, волокна скрепляются гидроперепутыванием при помощи струй воды под высоким давлением. Конечная стадия включает в себя сушку и, возможно, смягчение ткани микрокрепированием или другим подобным методом. Не отмечено никаких особых опасностей, связанных с этим процессом, и поэтому техника безопасности обеспечивается соблюдением общих производственных норм.
Стежковая сварка
Этот процесс часто исключается из некоторых классификаций методов получения нетканых материалов, поскольку в нем для соединения прочесов могут использоваться нити. Некоторые определения нетканых материалов исключают любые ткани, которые содержат "нити". В этом процессе используются вязально-прошивные машины, которые формируют полотно, подобное трикотажному. Возможно применение разнообразных волокон, включая упругие, что дает возможность получения эластичных тканей. Этот процесс также не содержит никаких специфических опасностей.
Отделка
Для отделки нетканых материалов используются огнезащитные и водоотталкивающие составы, антистатики, мягчители, противобактериальные и термоклеевые материалы, замасливатели и другие вещества для поверхностной обработки. Отделка нетканых материалов либо является составной частью производственного процесса, либо проводится самостоятельно, по завершении производства - в зависимости от процесса и типа отделки. Часто на одной из стадий производства добавляются антистатики, а некоторые виды поверхностной обработки, например, травление также являются частью производственного процесса. Огнезащитные и водоотталкивающие составы добавляются отдельно. Некоторые специальные методы отделки тканей предполагают их высокоэнергетическую плазменную обработку, которая влияет на поляризацию ткани и улучшает ее фильтрующие свойства. Безопасность этих химических и физических процессов неодинакова и должна в каждом случае рассматриваться отдельно.