Геотекстильные материалы

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Санкт- Петербургский государственный

Кафедра маркетинга и логистики

Курсовая работа

Выполнил студент:

Преподаватель:

Факультет: ФТ и ЭПТ

Курс IV, группа 342

Форма обучения: очная

Номер зачетной книжки:

Санкт- Петербург

2013 г.

Содержание

Оглавление

Введение

Нетканые геотекстили являются самыми распространенными в своей группе. Нетканые геотекстили обладают невысокой прочностью и большой растяжимостью. Удлинение при разрыве этих материалов доходит до 70%. В силу этого нетканые геотекстили применяются как разделительные слои, препятствующие перемешиванию грунтов, а также как фильтры в конструкциях дренажей. Нетканые геотекстили используют и в качестве защиты гидроизоляционных элементов от механических повреждений. Так, нетканые геотекстили используются для защиты геомембран при устройстве противофильтрационных экранов при строительстве полигонов для захоронения отходов.

Начало производства нетканого геотекстиля было положено в конце 40 гг. прошлого века и достигло своей фазы развития в 1950 гг., за которой последовало торговое распространение в 1960-х. На протяжении следующих 35 лет, промышленность по производству нетканых материалов закрепила свои позиции на рынке, предоставляя экономически выгодную альтернативу обычному текстилю и предлагая специально разработанные продукты для целевых конечных назначений. Промышленность нетканого текстиля пережила экономический спад лучше, чем промышленность по производству обычного текстиля и развивалась с большей скоростью.

В промышленности нетканого текстиля используются подобные сырьевые материалы, как и при производстве обычного текстиля. Сырьевой основой геотекстиля служат следующие компоненты: полипропилен (ПП), полиэфиры (ПЭФ), полиэтилен низкого давления (ПЭНД) и полиамид(ПА). Применение такого материала как геотекстиль приобретает все большую популярность, так как его можно использовать практически во всех отраслях современной промышленности. Геотекстиль представляет собой достаточно прочный, но в то же время очень пластичный, синтетический материал, выполненный на основе волокон полимеров. Как правило, геотекстиль – это полотно на основе полиэфирных или полипропиленовых нитей. Использование геотекстиля экологически оправдано, так как материал этот является безопасным для окружающей среды.

Геотекстиль. Определение и сфера применения

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 в. Современные нетканые материалы — один из основных видов текстильной продукции во многих странах. Интерес к нетканым полотнам возник мгновенно. Выяснилось, что формирование текстильных полотен нетрадиционными способами и возможность использования в них всех известных видов волокон как индивидуально, так и в самых разных сочетаниях (зачастую невозможных при классических способах получения тканей и трикотажа) наряду со свойствами, присущими тканым изделиям, придают им совершенно новые качества. Разнообразные, порой уникальные свойства нетканых материалов позволили применять их в самых разных областях от медицины до строительства зданий, сооружений, автострад. Само собой разумеется, что одновременно стало разрабатываться и оборудование для их производства. 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).

Процесс развития отрасли нетканых материалов в России можно разбить на четыре этапа:

Первый этап — становление отрасли (60–70-е гг.).

Второй этап — ее расцвет — (80-е гг.).

Третий этап — резкий спад производства (90-е гг.).

Четвертый этап — подъем производства и перспективы развития нетканых материалов в настоящее время.

В настоящее время выпускаются нетканые материалы как одноразового, так и многоразового использования. Они могут сочетать в себе эластичность, мягкость и прочность; служить как дренажные, мембранные и фильтровальные материалы. Им можно придать свойства водонепроницаемости (или, наоборот, повышенной впитывающей способности), негорючести, бактериостатичности и др.

Нетканые материалы производятся из синтетических волокон полипропилена. Наиболее широко нетканые материалы (или нетканка) применяются в России в качестве основы для различных строительных покрытий из полимеров (линолеум, обои, мягкая кровля). Постоянно растет и выпуск так называемого агротекстиля (или агрополотна, ведущие торговые марки - Агротекс, Спанбонд, Plantex), используемого в сельском хозяйстве в качестве перспективного укрывного материала. 

В зависимости от дальнейшего применения нетканого материала используют различные виды скрепления волокон, наиболее распространенные из которых: термоскрепление волокон гравированным каландром, иглопробивной способ и комбинация иглопробивного способа и химического скрепления.

Производство нетканых материалов (НМ) 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.

Геосинтетические материалы (геосинтетики) – это любые полимерные материалы, предназначенные для изменения естественных свойств грунтов.

Это изменение обычно касается либо фильтрационных свойств почвы (как правило, производится понижение коэффициента фильтрации слишком рыхлого грунта), либо ее прочностных характеристик (например, с помощью армирования георешетками повышается прочность слабых грунтов).

Родоначальником геосинтетических материалов можно считать геотекстиль (дорнит). Остальные геосинтетические материалы часто рассматриваются как сопутствующие геотекстилю (дорниту). Наиболее распространены три основных группы материалов: геотекстиль, геомебрана и георешетка / геосетка. Однако функциональная заданность у этих материалов не слишком четко выражена. Один и тот же набор материалов может использоваться в самых различных случаях, и каждый в отдельности может выполнять разные функции.

Определим место геотекстильных материалов (далее - ГМ) среди геосинтетических. 

 Согласно  классификации геосинтетических  материалов (ГСМ) по версии международного  геосинтетического общества GS все  ГCМ подразделяются на 10 групп, каждая из них обозначается символами: 

• GT-геотекстиль;
• GG-георешетка;
• BT-биотекстиль и биомат;
• GA-геомат;
• GL-геоячейка;
• GN-геосетка;
• GCD-геосинтетический материал для дренажа;
• GM-геомембрана;
• GMS-синтетическая геомембрана;
• GMB-битумная геомембрана

Следовательно, к ГСМ относятся различные категории материалов, отличающихся способами производства и структурой: текстиль, полимеры, пластик, бентонит.

Эти материалы выпускаются в рулонах шириной от 1,0 до 6,0 м или в панелях и  используются при гео-, гидротехнических работах. Они в свою очередь подразделяются на водопроницаемые и неводопроницаемые. К  водопроницаемым относятся ГМ (нетканые полотна, ткани, плетеные и др.) и близкие к ним изделия (геосетки и георешетки). К водонепроницаемым – полимерные герметизирующие полотна, бентониты, битумно-полимерные материалы и изделия на их основе.

Следует отметить, что геосинтетический материал более общий термин, чем геотекстиль, т.к. в это понятие включают все полимерные материалы, используемые в гео-, гидротехнических работах.

Геотекстиль является представителем одного из видов геосинтетиков и представляет собой плоский водопроницаемый полимерный текстильный материал (вязанный, тканый или нетканый). Это понятие объединяет две большие группы геосинтетиков: геоткань и геотекстильное нетканое полотно.

Считается, что впервые ткань, напоминающая геотекстиль, была применена в 1958 году в качестве фильтра при реконструкции бетонной облицовки водоотбойной стенки (США, штат Флорида). А уже с середины 70-х годов прошлого века синтетическая ткань начала широко применяться в подземном строительстве.

В России геотекстильное нетканое полотно разрабатывалось с помощью французской технологии. Его полное производство было налажено в 1977 году. Материал разрабатывался в ДорНИИ, откуда и получил созвучное название – ДОРНИТ. Он официально разработан и изготавливается по ТУ 21-29-81-81. . Дорнит изготавливался из отходов волокон иглопробивным способом шириной до 180 см и выполнял несколько функций, не всегда отвечая предъявляемым требованиям. В Западной Европе и США ГМ использовались в более широких масштабах в различных строительных конструкциях. Сейчас в мире выпускаются более 400 видов геосинтетиков и геопластиков, объем производства которых превысил к настоящему времени более 1 млрд.м2 в год; причем примерно 65% всех выпускаемых ГМ используются в дорожном строительстве . В России геотекстиль в дорожном строительстве стал регламентировано использоваться с 1996 года (это утверждено Инструкцией Департамента строительства г.Москвы). Так же появились новые способы производства, например, фильерный непосредственно из расплава полимера, раздувный из расщепленной пленки, гидродинамический (струйный) и новые технологические высокопроизводительные оборудования, позволяющие выпускать ГМ шириной до 6 м.

Известно, что 60% территории Российской Федерации расположено в суровых климатических условиях со значительными колебаниями температуры как в летнее и зимнее, так в ночное и дневное время. Это приводит к деградации земляных сооружений и покрытий. Достаточно отметить, что в средней полосе Российской Федерации городские службы для поддержания дорог в удовлетворительном состоянии вынуждены каждый год весной частично или полностью укладывать новое асфальтобетонное покрытие. Применение геотекстильных нетканых материалов при строительстве и ремонте автодорог позволит снизить затраты вследствие уменьшения расхода строительных материалов, обеспечить консолидацию земляных конструкций и покрытий, увеличить долговечность сооружений. Поэтому использование геотекстильных нетканых материалов при строительстве и ремонте автодорог, расположенных в сложных климатических условиях, является настоятельной необходимостью.

Одним словом, перспективы применения ГМ в России для различных целей строительства большие как по номенклатуре, так и по объему. Поэтому расширяются области применения, появляются новые способы и технологии производства, используются новые виды сырья.

 Для  изготовления геотекстильных полотен  в зависимости от областей  использования наряду с синтетическими волокнами применяются способные к гниению натуральные волокна. При необходимости могут быть введены специальные деградабильные добавки. Наибольшее распространение получили геотекстильные нетканые материалы, производство которых отличается высокой производительностью, минимальными затратами, возможностью выпуска полотен большой ширины. Геотекстильные нетканые материалы обладают превосходной способностью выдерживать большие нагрузки и находят настолько широкое применение, что укажем лишь некоторые области:

Сельское хозяйство (в качестве укрывного материала на парники, для защиты от сорняков, в ландшафтном дизайне) В сельском хозяйстве нетканый геотекстиль необходим в качестве такого материала, который защищает грунт от птиц и сорняков, «укрывает» парники, тем самым заменяя обычные полиэтиленовые пленки, рассчитанные всего на сезон. Чаще всего, применяется термоскрепленный его подвид с ультрафиолетовым стабилизатором. Он предназначен для защиты грунта УФ излучений;

Мебельная, электронная промышленность (фильтры в бытовой технике, подбивка мягкой мебели и прочее) В мебельной промышленности и бытовой технике этот уникальный материал необходим для подбивки матрацев, мягкой мебели и производства фильтров. Используется его более дешевый аналог, который изготавливают из полиэфирных штапельных нитей;

Медицина и текстильная промышленность (средства гигиены, одноразовая одежда и постельное белье) При производстве средств гигиены применяется медицинский спанбонд. Благодаря нему в мире налажено производство памперсов, тампонов, женских прокладок и гигиенических салфеток. Для изготовления одноразовой одежды и постельного белья применяется термоскреплённый геотекстиль, обычно двухслойный или трехслойный;

Производство тары и упаковки (мешки для обуви и одежды, упаковочный материал для бытовой техники). В этой области геотекстиль невозможно заменить на какой-нибудь другой материал. В упаковки нуждается одежда, обувь и бытовая  техника. Используется аналог указанного материала, не включающий ультрафиолетовый стабилизатор;

Строительство. Самым высококачественным геотекстилем считается произведённый из 100 % полипропиленовой мононити иглопробивным способом. В этой сфере геотекстиль имеет особое значение и применяется для:

• строительства и ремонта трамвайных и железнодорожных линий,

• строительства временных дорог, автострад, городских и сельских дорог,

• строительства спортивных сооружений и теннисных кортов,

 •  строительства автостоянок,

 •  строительства взлетно-посадочных полос и аэропортов,

 •  строительства опорных стенок,

• укрепления насыпей откосов, противопаводковых дамб, берегов рек, а также морских берегов,

 •  строительства дренажных систем.

Способы производства геотекстиля

Число технологических процессов изготовления нетканых материалов выросло за последнее время приблизительно до десяти. К их числу можно отнести: спанбонд (spunbond), фильерно-раздувной (melt blown), аэродинамический (air laid), гидравлическое или влажное холстоформование (wet laid), сухое холстоформирование (dry laid - волокна связываются либо иглопробиванием, либо термическим или химическим способом).

Искусственные (синтетические) волокна, применяемые в производстве геотекстиля:

Наиболее популярными полиолефиновыми волокнами являются полипропиленовые и полиэфирные. Эти полимеры преобразовываются в штапельные волокна, которые соответственно преобразовываются в нетканые материи. Или же полимеры преобразуются в нетканые материи по технологии спанбонд, с помощью экструдирования полимеров до волокон, которые формируются в холст и соединяются термическим способом

В производстве геотекстиля по технологии спанбонд наибольшее распространение получил полипропилен

Термопластичные волокна из полиэфиров (полиэстера) полимеров и сополимеров широко используются в спанбонде и в штапельных волокнах.

Нейлоновые волокна используются только в небольших количествах в виде штапельных волокон и в нетканых материалах, изготовленных по технологии спанбонд. Основной областью использования нейлоновых нетканых материалов, изготовленных по технологии спанбонд, являются укрепления подосновы дорожного покрытия и стекловолоконные фильтры. Материалы обеспечивают низкую поверхность трения для подосновы, что облегчает установление дорожного покрытия.

Геотекстиль может изготавливаться несколькими способами:

1. Иглопробивной способ производства геотекстиля заключается в протаскивании через основу скрепляющих нитей при помощи зазубренной иглы, процесс осуществляется на специальных станках. Такой материал быстро пропускает воду в поперечном и продольном направлениях.  Такая технология придает полотну следующие уникальные физико-химические свойства:

• низкий начальный уровень деформации;

• высокие деформационные способности (удлинение до 30% без нарушения целостности);
• экологическая чистота полотна геотекстиля;
• химическая инертность;
• стойкость к воздействию ультрафиолетового излучения;
• высокая сопротивляемость физическим воздействиям;
• универсальная способность к глубокой фильтрации с небольшой скоростью процесса, исключающая проникновение в слой дренажа посторонних микрочастиц;
• высокая упругость материала.

Идеален для использования в дренажных системах и дорожном строительстве.

2. Термоскрепленным (каландрированием) –геосинтетическое полотно изготавливается из непрерывных синтетических волокон, которые скрепляют с помощью температурного воздействия.

Он сохраненяет большинство положительных свойств иглопробивного геотекстиля имея при этом весьма существенное отличие.  Из-за жестко скрепленных между собой нитей фильтрация происходит только в поперечном направлении, при этом нетканый геотекстиль, выпускаемый по термоупрочненной технологии обладает более высокой прочностью на разрыв. Уместен при армировании склонов, укладке плит, в борьбе с сорняками;

3. Вязально-прошивным – полотно изготавливается из полипропиленовых или полиэфирных нитей, которые соединяются нитяной прошивкой. Такой материал имеет вероятность «распускания» при разрыве нити (наподобие вязаной вещи).

Подробнее стоит описать производство геотекстильных нетканых полотен с использованием текстильных штапельных волокон и фильерным способом.

 Технология  нетканых материалов по фильерному  способу предполагает:

• использование полиэфирного или полипропиленового гранулята;
• плавление гранулята в экструдерах и прохождение расплава через фильеры, в результате чего образуются нити, из которых формируется холст из бесконечных полимерных нитей;
• скрепление холста и получение нетканого материала.

Фильерные установки, как правило, рассчитаны на выпуск значительного объема однородной продукции. Характер холстообразования и наличие бесконечных нитей в нетканых материалах, полученных фильерным способом, определяют прочность нетканого материала и анизотропию в продольном и поперечном направлениях. Добавим, что прочность фильерных нетканых материалов значительно превосходит разрывные характеристики нетканых материалов, полученных из текстильных волокон. Другим важным преимуществом фильерного способа является исключение из технологического процесса таких участков, как изготовление волокна, гофрирование, штапелирование, упаковка, транспортировка к месту переработки, подготовка волокнистых смесей. В РФ производственное оборудование для фильерного способа изготовления нетканых материалов установлено в Сургуте с использованием полипропиленового гранулята. В Республике Беларусь в ОАО «Пинема» также установлены две линии на ширину до 5,3 м (г. Пинск). Cамыми распространенными производителями оборудования по производству нетканых материалов фильерным способом являются фирмы «Райфенхойзер», «Циммер» (Германия), «STР» (Италия), «Кобе Стил» (Япония), «Эйсен» (США). Стоимость оборудования в зависимости от производительности установки может составить до $20 млн.

Рассмотрим подробно процесс роизводства нетканого геотекстиля из штапельного волокна.

Данный процесс можно разделить на три стадии:

• Формирование холста;
• Скрепление волокон в холсте;
• Финишная обработка.

В этом случае основным сырьем для производства выступают штапельные волокна. Производство штапельных волокон включает в себя несколько основных этапов:

• Приготовление расплава;
• Формование волокна;
• Отделка сформированного волокна.

Приготовление расплавов начинают с перевода исходного полимера в вязкотекучее состояние - расплав. Затем расплав очищают от примесей и пузырьков воздуха и вводят в него различные добавки для термо - или светостабилизации волокон, их матировки и т.п. Подготовленный таким образом расплав подаётся на прядильную машину для формования волокон. Расплав подготавливается в экструзионной системе.

 Формование волокон заключается в продавливании расплава через мелкие отверстия фильеры в среду, вызывающую затвердевание полимера в виде тонких волокон. В зависимости от назначения и толщины формуемого волокна количество отверстий в фильере и их диаметр могут быть различными. Фильеры могут быть различной формы (круглые, квадратные, в виде треугольников) и размеров. При производстве волокон в фильере может быть до 40 000 отверстий.

При формовании волокна из расплава полимера средой, вызывающей затвердевание полимера, служит холодный воздух. Скорость формования зависит от толщины и назначения волокон, а также от метода формования. При формовании из расплава скорость достигает 600-1200 м/мин, из раствора по "сухому" способу - 300-600 м/мин, по "мокрому" способу - 30-130 м/мин. Расплав в процессе превращения струек вязкой жидкости в тонкие волокна одновременно вытягивается (фильерная вытяжка).

Отделка волокна заключается в обработке свежесформованных волокон различными реагентами. Характер отделочных операций зависит от условий формования и вида волокна. Для придания волокнам таких свойств, как мягкость, повышенное скольжение, поверхностная склеиваемость одиночных волокон и др., их после промывки и очистки подвергают авиважной обработке или замасливанию. Затем волокна сушат на сушильных роликах, цилиндрах или в сушильных камерах. После отделки и сушки некоторые волокна подвергают дополнительной тепловой обработке - термофиксации (обычно в натянутом состоянии при 100-180 С), в результате которой стабилизируется форма пряжи, а также снижается последующая усадка как самих волокон, так и изделий из них во время сухих и мокрых обработок при повышенных температурах.

1. Формирование холста

Процесс формирования холста, в свою очередь разделяется на два этапа: холстоформирование и холстообразование.

1. Холстоформирование - это способ формирования хоста первичного сырья (волокон). При производстве нетканого геотекстиля используют следующие способы холстоформирования:

а) Сухое холстоформирование (drylaid), при котором при изготовлении нетканых материалов используется вата из первичных волокон.

б) Гидравлическое или влажное холстоформирование (wetlaid). Данный способ так же называется бумагоделательным. Особенностью данного способа холстоформирования является то, что изотовле6ние нетканых полотен, происходит путем отлива водной суспензии, на сеточную часть бумагоделательной машины.

в) Фильерный метод (спанбонд).

2. Хостообразование - это процесс, в результате которого производится  сформированное полотно, готовое  к дальнейшей обработке. В производстве нетканых материалов этот процесс является основным и важным, так как он позволяет заложить требуемые свойства нетканого материала. В основном он предусматривает использование чесального и аэродинамического способа холстообразования.

а) Чесальный способ. В данном случае холст образуется в результате прочеса исходных волокон на чесальных машинах. Волокна прочесываются рабочими органами чесальной машины с игольчатой поверхностью, и укладываются в холст на приемник.

б) Аэродинамический способ (Airlaid). При данном способе холст формируется под воздействием воздушного потока на поверхности перфорированного барабана или сетчатого конвейера. Предварительно разрыхленные и смешанные волокна обрабатываются быстровращающимся чесальным барабаном (или несколькими барабанами), отделяются от чесальной гарнитуры с помощью воздушной струи и транспортируются воздушным потоком к месту формирования холста.

II. Скрепление волокон

Следующим этапом изготовления нетканых материалов является скрепление волокон в холсте. В зависимости от исходного сырья, способа холстообразования, и требований к конечному материалу можно выбрать один или несколько видов скрепления волокон.

1. Химическое скрепление волокон (Chemical bonding). Пропитка происходит путем прохождения холста через ванну со связующем раствором и дальнейшей сушкой горячим воздухом, так же связующее может быть добавлено в суспензию волокон, при бумагоделательном способе холстоформирования. Данный способ подходит для всех видов органических и синтетических волокон.

2. Термическое скрепление волокон.(Thermal bonding). Способ термоскрепления основан на скреплении волокон в волокнистом холсте термопластичными связующими, в качестве которого используются термопластичные волокна или порошки. Скрепление холста достигается путем размягчения термопластичных волокон и их сплавление между собой или с другими термопластичными волокнами. В этом процессе можно применить термопластичные волокна, обладающие достаточной термостойкостью, т.е. не разрушающиеся при температуре размягчения (плавления), например полипропиленовые, полиэтиленовые.

Существует несколько основных разновидностей способа термоскрепления волокнистого холста:

• в зазоре нагреваемых валов гравированного каландра;
• между нагреваемой поверхностью барабана и сопровождающей лентой;
• горячим воздухом на сетчатых конвейерах или перфорированных барабанах.

В первых двух случаях получают преимущественно плоские нетканые полотна, в последнем – объемные нетканые полотна. При изготовлении объемных нетканых термоскрепленных полотен в качестве термоплатичных связующих могут использоваться как термопластичные волокна, так и порошки.

3. Механическое скрепление. Под механическим способом получения нетканых материалов следует понимать способ при котором происходит физическое скрепление волокон между собой без использования каких либо клеящих составов или нагрева, а только путем переплетения волокон между собой. Наиболее распространенными видами данного способа скрепления можно считать иглопробивной и гидроструйный способы скрепления волокон.

4. Иглопробивание. Процесс получения иглопробивных полотен с заданными физико-механическими свойствами осуществляется с помощью иглопробивных машин. В технологии получения иглопорбивных нетканых материалов этот процесс мажет быть вспомогательным или основным. В первом случае холст, прошедший иглопробивную машину, подвергается дальнейшей физико-механической обработке (клееные прокладочные, напольные покрытия и т.д.). Во втором случае процесс иглопробивания применяется как способ упрочнения, при этом получают готовый нетканый материал с заданными физико-механическими и структурными свойствами. Процесс иглопробивания холста основан на использовании зазубрин (насечек) игл, которые проходят через холст, протягивают (перепутывают) волокна в поперечном направлении.

5. Гидроструйный способ скрепления. Он основан на переплетении волокон материала струями воды под высоким давлением. Обычно плотно скрепляется на перфорированном барабане с помощью струй воды бьющих под высоким давлением из фарсуночных балок.

Эти различные процессы соединения могут также часто комбинироваться.

3. Конечная отделка

Под конечной отделкой нетканых материалов подразумевается процесс придания нетканым материалам необходимых свойств: водонепроницаемость, воздухонепроницаемость, негорючесть, стойкость на разрыв и т.д. Для того, что бы придать материалу те или иные свойства прибегают к следующим процессам:

1. Пропитка специальными составами. Как правило это происходит путем погружения материала в специальную ванну с дальнейшее сушкой материала в специальных печах.