Meltblown Masterbatch: Types, Electret Function & Selection

มาสเตอร์แบทช์เมลท์โบลนทำอะไรได้บ้าง และเหตุใดจึงมีความสำคัญ

ผ้าเมลต์โบลนผลิตโดยการอัดโพลีโพรพีลีนหลอมเหลวผ่านแม่พิมพ์ที่มีรูเล็กๆ หลายร้อยช่อง ในขณะที่อากาศร้อนความเร็วสูงจะลดทอนกระแสโพลีเมอร์ให้เป็นเส้นใยขนาดต่ำกว่าไมครอนที่สะสมอยู่บนสายพานหรือดรัมที่กำลังเคลื่อนที่ แผ่นใยที่ได้นั้นมีคุณสมบัติการกรองที่ยอดเยี่ยม — เป็นชั้นการกรองที่สำคัญในเครื่องช่วยหายใจ N95, หน้ากากอนามัย และสื่อกรอง HEPA — แต่การบรรลุระดับประสิทธิภาพที่กำหนดโดย EN 149, NIOSH 42 CFR ส่วนที่ 84 หรือ ISO 29463 นั้นต้องการมากกว่าเรซินดิบเพียงอย่างเดียว มาสเตอร์แบทช์ให้คุณสมบัติทางเคมีเชิงหน้าที่ที่เชื่อมช่องว่างระหว่างสิ่งที่เรซินพื้นฐานสามารถทำได้และสิ่งที่ผลิตภัณฑ์กรองสำเร็จรูปจะต้องบรรลุ

การแพร่ระบาดของโควิด-19 ทำให้ทั่วโลกต้องพึ่งพาผ้าเมลต์โบลนประสิทธิภาพสูง เมื่อความต้องการเครื่องช่วยหายใจระดับ N95 เพิ่มขึ้น 1,000–3,000% ภายในไม่กี่สัปดาห์ ผู้ผลิตที่ระบุอิเล็กเตรตมาสเตอร์แบทช์อย่างถูกต้องสามารถปรับขนาดได้อย่างรวดเร็ว ผู้ที่ใช้ผ้าเมลต์โบลนที่ไม่ผ่านการบำบัดไม่สามารถบรรลุ PFE (ประสิทธิภาพการกรองอนุภาค) ที่ต้องการได้ ไม่ว่าพวกเขาจะปรับพารามิเตอร์กระบวนการให้เหมาะสมที่สุดก็ตาม ความแตกต่างระหว่างประสิทธิภาพที่มาจากการปรับกระบวนการให้เหมาะสมเพียงอย่างเดียวกับประสิทธิภาพที่ต้องใช้เคมีเชิงฟังก์ชัน ถือเป็นข้อโต้แย้งพื้นฐานสำหรับมาสเตอร์แบทช์ที่หลอมละลายในการใช้งานการกรอง

ประเภทของมาสเตอร์แบทช์เมลท์โบลนและหน้าที่ของมัน

มาสเตอร์แบทช์ประเภทต่างๆ ตอบสนองความต้องการด้านประสิทธิภาพที่แตกต่างกัน โดยทั่วไปแล้วสายการผลิตเมลต์โบลนที่ผลิตผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายหลายรายการจะคงคลังสูตรมาสเตอร์แบทช์ไว้ โดยเลือกประเภทที่เหมาะสมสำหรับข้อกำหนดเฉพาะของผลิตภัณฑ์แต่ละรายการ:

Electret Masterbatch — ประเภทที่สำคัญที่สุดสำหรับการกรอง

ในบรรดามาสเตอร์แบทช์ที่หลอมละลายทั้งหมด มาสเตอร์แบทช์แบบอิเล็กเตรตมีผลกระทบมากที่สุดต่อมูลค่าทางการค้าของผลิตภัณฑ์สำเร็จรูป อิเล็กเตรตคือวัสดุที่เก็บประจุไฟฟ้าสถิตกึ่งถาวร ซึ่งคล้ายคลึงกับแม่เหล็กถาวร แต่สำหรับไฟฟ้ามากกว่าสนามแม่เหล็ก เส้นใยโพลีโพรพีลีนหลอมละลายที่บำบัดด้วยเคมีอิเล็กเตรตและผ่านกระบวนการปล่อยโคโรนาหรือไฮโดรชาร์จจะคงประจุพื้นผิวที่ดึงดูดและดักจับอนุภาคในอากาศ รวมถึงละอองลอยของไวรัส อนุภาคแบคทีเรีย และฝุ่นละเอียด ผ่านการสกัดกั้นด้วยไฟฟ้าสถิต นอกเหนือจากการกรองทางกลที่โครงสร้างเส้นใยทั้งหมดมีให้

เหตุใด Electret Charge จึงสร้างความแตกต่างอย่างมาก

ผลกระทบเชิงปริมาณของการบำบัดด้วยอิเล็กเตรตต่อประสิทธิภาพการกรองมีความสำคัญมาก การทดสอบผ้าเมลต์โบลนที่เหมือนกันก่อนและหลังการเปิดใช้งานอิเล็กเตรตแสดงให้เห็นอย่างสม่ำเสมอ:

• ประสิทธิภาพการกรองอนุภาค (PFE) เพิ่มขึ้นจาก 35–55% เป็น 95–99.9% สำหรับขนาดอนุภาคที่เจาะทะลุได้มากที่สุด (MPPS โดยทั่วไปคือ 0.1–0.3 ไมครอน) โดยไม่มีการเพิ่มน้ำหนักพื้นฐานของผ้าหรือการเปลี่ยนแปลงของแรงดันตกคร่อม ซึ่งหมายความว่าความต้านทานต่อการหายใจของหน้ากากจะไม่เพิ่มขึ้น ในขณะที่ประสิทธิภาพการกรองดีขึ้นอย่างมาก
• BFE (ประสิทธิภาพการกรองแบคทีเรีย) สูงกว่า 98% สามารถทำได้ที่น้ำหนักพื้นฐาน 20–30 แกรม โดยมีมาสเตอร์แบทช์อิเล็กเตรตที่ระบุอย่างถูกต้อง — ประสิทธิภาพเดียวกันจะต้องใช้ผ้าเมลต์โบลนที่ไม่มีประจุ 80–120 แกรม ซึ่งเพิ่มทั้งต้นทุนและความต้านทานต่อการหายใจ
• ความเสถียรของการชาร์จจะกำหนดอายุการเก็บรักษาผลิตภัณฑ์ ประจุไฟฟ้าจะสลายตัวเมื่อเวลาผ่านไป โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อสัมผัสกับความร้อน ความชื้น หรือละอองลอยที่ปนเปื้อน สูตรมาสเตอร์แบทช์แบบอิเล็กเตรตที่มีสารเติมแต่งเพื่อรักษาเสถียรภาพประจุจะรักษา PFE เริ่มต้นไว้ได้มากกว่า 95% หลังจากเก็บรักษาที่อุณหภูมิ 25 องศาเซลเซียส และความชื้นสัมพัทธ์ 75% เป็นเวลา 3 ปี ซึ่งเป็นระดับประสิทธิภาพที่กำหนดตามการยื่นตามกฎระเบียบด้านอุปกรณ์การแพทย์ในสหรัฐอเมริกาและสหภาพยุโรป

วิธีการเปิดใช้งานอิเล็กเตรตและวิธีที่มาสเตอร์แบทช์โต้ตอบกับพวกมัน

มาสเตอร์แบทช์อิเล็กเตรตสร้างสภาพแวดล้อมทางเคมีที่ช่วยให้ประจุถูกฝังและคงไว้ — แต่ตัวประจุเองจะถูกนำไปใช้โดยขั้นตอนการกระตุ้นที่แยกต่างหากหลังจากการสร้างเนื้อผ้า:

• การปล่อยโคโรนา: ผ้าจะผ่านระหว่างอิเล็กโทรดไฟฟ้าแรงสูง (15–50 กิโลโวลต์) ที่ฉีดตัวพาประจุเข้าไปในพื้นผิวไฟเบอร์ สารเติมแต่งมาสเตอร์แบทช์อิเล็กเตรตทำหน้าที่เป็นจุดดักจับประจุ หากไม่มีสารเหล่านี้ ประจุที่ฉีดเข้าไปจะกระจายไปภายในไม่กี่ชั่วโมง ด้วยมาสเตอร์แบทช์ที่มีสูตรถูกต้อง ผ้าเมลต์โบลนที่มีประจุโคโรนาจะคง PFE ใช้งานได้นาน 3–5 ปี
• การชาร์จด้วยพลังน้ำ (การชาร์จด้วยเข็มน้ำ): การฉีดน้ำแรงดันสูง (200–600 บาร์) ส่งผลกระทบต่อพื้นผิวผ้า ทำให้เกิดประจุไทรโบอิเล็กทริกเมื่อน้ำสัมผัสและเด้งกลับจากเส้นใย วิธีนี้เป็นที่นิยมกันมากขึ้นมากกว่าการปล่อยโคโรนา เนื่องจากจะทำความสะอาดพื้นผิวผ้าไปพร้อมๆ กัน และสร้างการกระจายประจุที่สม่ำเสมอมากขึ้น สารเติมแต่งมาสเตอร์แบทช์ที่ชอบน้ำในสูตรอิเล็กเตรตช่วยเพิ่มการสร้างประจุไทรโบอิเล็กทริกในระหว่างการไฮโดรชาร์จเจอร์โดยการเพิ่มคุณสมบัติที่ไม่ชอบน้ำของพื้นผิวไฟเบอร์ ซึ่งขยายผลการแยกประจุที่ส่วนต่อประสานของไฟเบอร์น้ำ
• โพลาไรเซชันความร้อน: ผ้าจะถูกให้ความร้อนถึง 60–90 องศาเซลเซียส ต่อหน้าสนามไฟฟ้า จากนั้นจึงทำให้เย็นลงในขณะที่ยังคงใช้สนามไฟฟ้าอยู่ วิธีการนี้ทำให้เกิดการกักเก็บประจุในระยะยาวที่เสถียรที่สุด แต่ต้องใช้อุปกรณ์พิเศษ และใช้สำหรับการกรองทางอุตสาหกรรมที่มีประสิทธิภาพสูงเป็นหลัก แทนที่จะเป็นหน้ากากอนามัยทางการแพทย์

Melt Flow Index — เหตุใดจึงควบคุมการเลือกมาสเตอร์แบทช์

ดัชนีการไหลหลอมเหลว (MFI) ของเรซินโพลีโพรพีลีนที่ใช้ในการผลิตหลอมละลายเป็นพารามิเตอร์การประมวลผลที่สำคัญที่สุดเพียงตัวเดียว และการเลือกมาสเตอร์แบทช์ต้องเข้ากันได้กับเรซิน MFI ที่ใช้อยู่ การผลิตเมลต์โบลนต้องใช้เรซินที่มีค่า MFI สูงมาก — โดยทั่วไปคือ 800–1800 กรัม/10 นาทีที่ 230 องศาเซลเซียส, 2.16 กก. — เทียบกับ 2–30 กรัม/10 นาทีสำหรับเกรดการฉีดขึ้นรูป และ 20–40 กรัม/10 นาทีสำหรับเกรดสปันบอนด์ ความลื่นไหลขั้นสุดนี้ทำให้โพลีเมอร์ถูกทำให้อ่อนลงเป็นเส้นใยขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 1-5 ไมครอนโดยกระแสลมความเร็วสูง

หากเรซินตัวพามาสเตอร์แบทช์มี MFI ต่ำกว่าเรซินพื้นฐานอย่างมีนัยสำคัญ ส่วนผสมจะมี MFI โดยรวมลดลง ทำให้เกิดเส้นใยที่หนาขึ้น โครงสร้างผ้าที่หยาบกว่า และประสิทธิภาพการกรองลดลง นี่คือเหตุผลว่าทำไมมาสเตอร์แบทช์ที่จัดทำขึ้นสำหรับการใช้งานแบบสปันบอนด์จึงไม่สามารถทดแทนมาสเตอร์แบทช์ที่หลอมละลายได้ — ความหนืดของเรซินตัวพาที่ไม่ตรงกันจะขัดขวางกระบวนการลดทอนของเส้นใยที่แม่พิมพ์

อัตราการเติมและวิธีการผสม

มาสเตอร์แบทช์ที่หลอมละลายถูกใช้ที่อัตราการเติมต่ำเมื่อเปรียบเทียบกับสารเติมแต่งโพลีเมอร์อื่นๆ — โดยทั่วไปคือ 1–5% โดยน้ำหนักของเรซินผสมทั้งหมด — เนื่องจากเคมีแอคทีฟจะเข้มข้นเพื่อให้ปริมาณมาสเตอร์แบทช์สูง อัตราการเติมที่แม่นยำขึ้นอยู่กับปริมาณมาสเตอร์แบทช์ ข้อกำหนดประสิทธิภาพการใช้งานขั้นสุดท้าย และคุณสมบัติโดยธรรมชาติของเรซินฐาน การเพิ่มมาสเตอร์แบทช์มากกว่าปริมาณที่เหมาะสมไม่ได้ช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพเชิงเส้นตรง และอาจทำให้คุณสมบัติทางกลลดลงหรือทำให้เกิดปัญหาในการประมวลผลที่แม่พิมพ์

การจ่ายสารแบบกราวิเมตริก — มาตรฐานที่จำเป็นสำหรับเส้นเมลต์โบลน

การผลิตแบบเมลต์โบลนต้องการการจ่ายมาสเตอร์แบทช์แบบกราวิเมตริก (การสูญเสียน้ำหนัก) มากกว่าการจ่ายแบบปริมาตร เครื่องป้อนตามปริมาตรจะวัดปริมาตรที่จ่ายออกไป ซึ่งจะแตกต่างกันไปตามความหนาแน่นของเม็ดพลาสติกที่เปลี่ยนแปลงระหว่างถุงและล็อต เครื่องป้อนแบบกราวิเมตริกจะวัดมวลที่จ่ายโดยตรง โดยรักษาอัตราการเติมที่ระบุให้อยู่ภายในบวกหรือลบ 0.1% โดยไม่คำนึงถึงการเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นของเม็ด ที่อัตราการเพิ่มเป้าหมาย 2% บนสายการผลิตเมลต์โบลน 200 กก./ชม. เครื่องป้อนตามปริมาตรที่มีความแม่นยำ 5% ทำให้เกิดข้อผิดพลาดในการเติมที่บวกหรือลบ 0.1 กก./ชม. ซึ่งเพียงพอที่จะสร้างความผันแปรของประสิทธิภาพการกรองที่วัดได้ระหว่างม้วนผ้าสำเร็จรูป

Pre-Blend เทียบกับการเพิ่ม Side-Stream

• การผสมล่วงหน้า: มาสเตอร์แบทช์และเรซินพื้นฐานจะถูกปั่นผสมในภาชนะก่อนบรรจุลงในถังอัดรีด เรียบง่ายและต้นทุนต่ำ แต่ต้องผสมอย่างระมัดระวังเพื่อให้ได้การกระจายที่สม่ำเสมอ การผสมล่วงหน้าสามารถแยกแยกได้หากขนาดและความหนาแน่นของเม็ดแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญระหว่างมาสเตอร์แบทช์และเรซินพื้นฐาน — ความเสี่ยงเฉพาะกับเม็ดมาสเตอร์แบทช์ที่มีความหนาแน่นสูงและเรซินฐาน MFI สูงที่มีความหนาแน่นต่ำ
• การจ่ายสารด้านข้างแบบกราวิเมตริกที่คอเครื่องอัดรีด: เรซินพื้นฐานและมาสเตอร์แบทช์จะถูกป้อนแยกกันผ่านเครื่องป้อนกราวิเมตริกอิสระโดยตรงเข้าไปในคอเครื่องอัดรีด โดยที่สกรูใช้สำหรับการผสม วิธีการนี้ให้การควบคุมการจ่ายแบบเรียลไทม์ ลดความเสี่ยงในการแยกตัว และช่วยให้สามารถปรับอัตราการเติมได้ทันทีโดยไม่ต้องผสมแบทช์ซ้ำ เป็นวิธีที่แนะนำสำหรับสายการผลิตที่ประสิทธิภาพการกรองที่สม่ำเสมอทั่วทั้งม้วนเป็นข้อกำหนดด้านคุณภาพที่ได้รับการบันทึกไว้
• การผสมสกรูคู่ก่อนแม่พิมพ์หลอมละลาย: การใช้งานที่มีประสิทธิภาพสูงบางประเภทใช้คอมพาวนด์สกรูคู่อัปสตรีมเพื่อกระจายมาสเตอร์แบทช์ลงในเรซินพื้นฐานก่อนเครื่องอัดรีดแบบสกรูเดี่ยวที่หลอมละลาย ซึ่งให้คุณภาพการผสมสูงสุดแต่เพิ่มความซับซ้อนของอุปกรณ์และระยะเวลาคงตัวที่ต้องควบคุมเพื่อป้องกันการเสื่อมสภาพจากความร้อนของสารเติมแต่งอิเล็กเตรตที่ไวต่อความร้อน

พารามิเตอร์คุณภาพสำหรับการประเมินมาสเตอร์แบทช์เมลท์โบลน

ผลิตภัณฑ์มาสเตอร์แบทช์บางประเภทที่อ้างว่ามีประสิทธิภาพเหมือนกันจะให้ผลลัพธ์ที่เหมือนกันในการผลิต พารามิเตอร์ทางเทคนิคต่อไปนี้ควรได้รับการตรวจสอบโดยซัพพลายเออร์มาสเตอร์แบทช์ และทดสอบอย่างอิสระในการทดลองการผลิตก่อนที่จะทำข้อผูกพันในการจัดซื้อในปริมาณมาก:

ข้อกำหนดในการจัดเก็บและการจัดการ

มาสเตอร์แบทช์เมลท์โบลน — โดยเฉพาะประเภทอิเล็กเตรตและสารต้านจุลชีพ — ต้องมีสภาวะการเก็บรักษาที่ป้องกันการดูดซับความชื้น การเสื่อมสภาพจากความร้อน และการปนเปื้อนของเคมีที่ใช้งานก่อนที่จะไปถึงเครื่องอัดรีด:

• การควบคุมอุณหภูมิ: เก็บที่อุณหภูมิ 15-25 องศาเซลเซียส ในสภาพแวดล้อมที่แห้ง อุณหภูมิที่สูงกว่า 35 องศาเซลเซียสเป็นเวลานานอาจทำให้สารเติมแต่งอิเล็กเตรตฟลูออโรเคมีเคลื่อนตัวไปยังพื้นผิวเม็ดและระเหยได้ ส่งผลให้ความเข้มข้นที่มีประสิทธิผลในชุดงานลดลง มาสเตอร์แบทช์ต้านจุลชีพซิลเวอร์ไอออนบางชนิดไวต่อความร้อนเช่นเดียวกัน และต้องเก็บไว้ที่อุณหภูมิต่ำกว่า 30 องศาเซลเซียส
• ป้องกันความชื้น: ถุงมาสเตอร์แบทช์ที่ยังไม่ได้เปิดในบรรจุภัณฑ์กั้นความชื้นแบบปิดผนึกจะรักษาปริมาณความชื้นที่ยอมรับได้โดยไม่มีกำหนด เมื่อเปิดแล้ว ควรใช้มาสเตอร์แบทช์ภายใน 48 ชั่วโมงหรือปิดผนึกใหม่ด้วยสารดูดความชื้น ตัวพาโพลีโพรพีลีน MFI สูงดูดซับความชื้นได้เร็วกว่าเกรดมาตรฐาน — แนะนำให้ใช้มาสเตอร์แบทช์แบบเปิดก่อนการทำให้แห้งที่อุณหภูมิ 70–80 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 2–4 ชั่วโมงในเครื่องอบลดความชื้นก่อนใช้งาน เมื่อความชื้นโดยรอบเกิน 60% RH
• การตรวจสอบย้อนกลับจำนวนมาก: มาสเตอร์แบทช์แต่ละถุงควรมีหมายเลขล็อตที่บันทึกไว้เทียบกับม้วนการผลิตที่มาสเตอร์แบทช์สร้างขึ้น หากมีการระบุปัญหาด้านคุณภาพในแฟบริคสำเร็จรูป เช่น PFE ต่ำกว่าข้อกำหนด การตรวจสอบย้อนกลับล็อตทำให้สามารถระบุและบรรจุการผลิตที่ได้รับผลกระทบได้โดยไม่ต้องเรียกคืนสินค้าคงคลังทั้งหมดในช่วงเวลาที่กำหนด
• การหมุนเข้าก่อนออกก่อน (FIFO): มาสเตอร์แบทช์อิเล็กเตรตมีอายุ 12–24 เดือนนับจากการผลิต ซึ่งเกินกว่านั้นเคมีที่เกิดจากประจุอาจสลายตัวบางส่วนแม้ในการจัดเก็บที่ปิดสนิท การหมุนเวียนสต็อคแบบ FIFO ช่วยให้มั่นใจได้ว่าสินค้าคงคลังที่เก่าที่สุดจะถูกใช้ไปก่อน และมาสเตอร์แบทช์ที่ใกล้จะถึงอายุการเก็บรักษาจะถูกระบุก่อนที่จะเข้าสู่การผลิตโดยไม่ต้องทดสอบซ้ำ