Глава 1. Виды и применение нетканых геотекстильных материалов. 1.1. Виды и технологии получения нетканого геотекстиля. Нетканый геотекстиль – это водопроницаемый материал, изготовленный из натуральных или искусственных полимеров путем механического или термического адгезивного закрепления волокон, нитей или филаментов. 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 текстиля 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. 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).
В производстве геотекстиля наибольшее распространение получили два технологических процесса: 1. Спанбонд; 2. Сухое холстоформирование. При этом мировая тенденция в производстве нетканого геотекстиля свидетельствует о наиболее интенсивном развитии спанбонда. 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. В качестве ключевых потребительских характеристик для всех групп геосинтетических материалов необходимо выделить: Способ образования холста: - Из штапельного волокна (чесальная машина);
- Из расплава полимера (спанбонд).
Тип соединения волокон: - Иглопробивное;
- Термоскрепление.
Производство нетканого геотекстиля из штапельного волокна. Процесс изготовления нетканого геотекстиля из штапельного волокна 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. При изготовлении нетканых материалов, в зависимости от сферы применения, используются различные способы формирования холста, скрепления волокон, а так же финишная обработка. Формирование холста. Процесс формирования холста, в свою очередь разделяется на два этапа: холстоформирование и холстообразование. I. Холстоформирование - это способ формирования хоста первичного сырья (волокон). При производстве нетканого геотекстиля используют следующие способы холстоформирования: 1. Сухое холстоформирование (drylaid), при котором при изготовлении нетканых материалов используется вата из первичных волокон. Схематически данный процесс представлен на рисунке 1. 
Рис. 1. Схема холстоформирования drylaid. 2. 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. 
Рис. 2. Схема холстоформирования wetlaid. 3. Фильерный метод (спанбонд). Данный способ производства рассмотрен в следующем параграфе. II. 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. 1. Чесалный 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. 2. 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. 
Рис. 3. Схема аэродинамического способа холстообразования. 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. | 
| 
| | Пропитка холста при полном погружении | Пропитка холста пеной | Рис. 4. Схема химического скрепления 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. | 
| 
| | Скрепление полотен гравированным валом | Скрепление полотен горячим воздухом | Рис. 5. Схемы термического скрепления волокон. 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. 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. 
Рис. 6. Схема механического скрепления волокон – иглопробивание. 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. 
Рис. 7. Схема механического скрепления волокон – гидроструйный способ. Эти различные процессы соединения могут также часто комбинироваться. 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. 
Рис. 8. Схема пропитки нетканого материала. 2. Ламинация различными материалами. Данная обработка материала позволяет придать материалам повышенные барьерные свойства. 
Рис. 9. Схема ламинации нетканого материала.
Производство нетканого геотекстиля по технологии спанбонд. Спанбонд – это технология производства нетканого материала, которая заключается в выделении из расплава полимера через фильеры тонких непрерывных нитей (филаментов), укладывании их в холст с последующим скреплением различными методами. Также технология спанбонд известна как фильреный способ производства нетканых материалов. Сущность фильерного способа заключается в непосредственном формовании синтетических нитей или волокон из расплавов полимеров с практически одновременной укладкой их в холст. При укладке в холст нитей (волокон) в размягченном состоянии получают готовое нетканое полотно благодаря склеиванию нитей между собой. При укладке в холст охлажденных нитей (волокон) получают холст, который скрепляют обычными способами: термоскреплением на каландре, пропиткой связующими с последующей сушкой, иглопрокалываением и т.д., в связи с чем этот процесс практически является способом формирования холста из нитей. Главным образом преимуществом при этом является исключение операций подготовки волокнистого сырья и чесания волокон. Кроме того, такой способ позволяет получать холст особой структуры, состоящей из нитей, что определяет более высокие свойства получаемых нетканых полотен по таким показателям, как разрывная нагрузка, изгибостойкость, стойкость к истиранию. Процесс формирования холста включает следующие основные операции: · подача полимерного сырья в виду гранул к плавильному устройству (плавильной головке или экструдеру), · плавление полимера и фильтрование расплава, · распределение и дозированная подача расплава к фильерному комплекту, · формирования бесконечных нитей, · аэродинамическая вытяжка нитей горячим или холодным сжатым воздухом, · образование холста за счет укладки нитей на приемную поверхность. Схематично процесс фильерного способа производства нетканых материалов представлен на схеме 1. 
Схема 1. Процесс фильерного способа производства нетканых материалов. Процесс волокнообразования при фильерном способе производства, аналогичен производству непрерывных волокон для изготовления штапелирования штапельных волокон. Волокна формируются из расплава полимера, полимер поступает из экструдера, где происходит процесс плавления гранул, продавливается через специальные отверстия - фильеры и подхватывается холодным воздухом. Расплав фильтруют в фильерном комплекте через несколько слоев кварцевого песка и металлические сетки. Фильера представляет собой металлический тонкостенный колпачок (чашечку) или пластину с отверстиями. Фильеры для формования волокон из расплавов изготавливают из высоколегированных жаропрочных сталей. Фильеры различаются числом отверстий, их диаметром и формой. Отверстия фильеры, через которые продавливается расплав, представляет собой короткие капилляры диаметром от 250 до 1200 мкм. Как правило, фильеры располагаются на специальной фильерной балке, для формирования волокон из расплава во избежание слипания нитей применяют фильеры балки с числом отверстий от 8 до 4000. Для более плотного расположения волокон в холсте, чаще всего используют две или три фильерные балки. Перед тем как волокна укладываются на транспортер, они проходят стадию вытяжки и охлаждения. При данном процессе волокна проходят полное отверждение в натянутом состоянии, в данном случае в них фиксируется достигнутая в процессе вытяжки молекулярная ориентация. Полученные волокна обладают высокой прочностью и низким разрывным удлинением. Вытяжка волокон происходит либо механическим, либо аэродинамическим способом. В настоящее время наиболее широкое распространение подучил, аэродинамический способ вытяжки волокон. При аэродинамическом способе используется сжатый воздух. Растяжение нитей происходит под действием скоростного потока воздуха, создаваемого эжектором. Отверждение волокон обычно полностью заканчивается до их поступления в эжектор. В этой схеме режим охлаждения поддается управлению с помощью шахты, в которой может быть создано температурное поле с регулируемым градиентом. Выходящее из эжектора отверженное волокно нелипкое и поэтому может распределяться по приемной поверхности с помощью механических устройств, например дефлекторов (отражателей). При классической схеме получения текстильных штапельных волокон скорость вытяжки нитей составляет 3200 м/мин, в результате чего получаются частично ориентированные нити, в дальнейшем нити могут подвергаться механической вытяжке для улучшения прочностных характеристик. При изготовлении спанбонда используются сверхзвуковые эжекторы, что позволяет получать скорости воздушного потока с числом Маха до 3-5, что обеспечивает скорость движения нитей до 8000 м/мин и их высокую вытяжку. Для того, что бы достигнуть максимально равномерного и однородного расположения волокон в холсте, необходимо, что бы элементарные волокна шли отдельно друг от друга до укладки на транспортер. Это достигается с помощью использования статического электричества, волокна заряжаются во время растяжения и до укладки на транспортер. В волокнах заряд может появляться благодаря трибоэлектрическому эффекту (свойство материалов при трении образовывать отрицательный заряд) или путем вводы в пучок электрических зарядов. Разрядка волокон происходит в момент касания заземленной поверхности. Как правило, транспортер для укладки волокон делается из металлической проволоки и заземляется, соответственно при касании волокнами транспортера, статический заряд снимается. В зависимости от дальнейшего применения нетканого материала используют различные виды скрепления волокон. Теоретически скрепить холст, полученный по технологии спанбонд можно абсолютно любым способом (среди них: иглопробивное скрепление, скрепление водоструйное, скрепление при помощи каландра (термокрепление), скрепление пропусканием воздуха). 
Рис. 10. Способы скрепления волокон в схеме производства нетканых материалов. Наиболее распространенными способами скрепления волокон являются: · термоскрепление волокон гравированным каландром; · иглопробивным способом; · комбинация иглопробивного метода и химического скрепления волокон. От способа скрепления холста зависят конечные области применения того или иного спанбонда. Иглопробивной спанбонд характеризуется высокими поверхностными плотностями (свыше 150 г/кв. м.) и соответственно высокими прочностными характеристиками, что обусловливает его применение главным образом в качестве геотекстильных материалах, а также основы для рулонных кровельных материалов и напольных покрытий. Иногда используются сочетание двух и более методов скрепления для достижения еще большей прочности и износостойкости. Термоскрепленый спанбонд – это, как правило, более легкий материал (до 150 г/кв.м.), предназначенный для использования его во многих отраслях народного хозяйства. Термоскрепленый спанбонд плотностью порядка 150 г/кв.м. успешно применяется и в качестве геотекстиля. В целом диапазон плотностей спанбонда варьирует от 15-600 г/кв.м.
1.2. Области применения нетканого геотекстиля. На мировом рынке нетканый геотекстиль получил широкое распространение благодаря своей универсальности. Наиболее популярен данный вид геосинтетики в качестве разделяющего слоя между различными слоями почвы. Также нетканый геотекиль активно применяется в качестве стабилизирующего слоя и защитного покрытия. Таблица 1.1. Области применения нетканого геотекстиля.
Функции нетканого геотекстиля | Схема | Альтернативные виды геосинтетики | Описание | | Фильтрация | 
| Геокомпозиты | Прохождение воды без частиц почвы | | Дренаж | 
| Геосетки, геокомпозиты | Прохождение воды | | Разделение слоев грунта | 
| Геокомпозиты | Предотвращение смешивания различных слоев почвы, материалов и пр. | | Защита | 
| Тканый геотекстиль, геосетки, геокомпозиты | Защита различных структур и материалов от разрушающих воздействий внешней среды | | Укрепление слабых слоев почвы | 
| Двуосноориентированные решетки, тканый геотекстиль, геокомпозиты
| Повышение допустимой нагрузки | | Укрепление асфальта | 
| Тканый геотекстиль, геосетки | Обеспечение сопротивления | | Контроль эрозии и укрепление наклонных поверхностей | 
| Геоматы, геоячейки, георешетки, тканый геотекстиль | Защита от выветривания, оползней, смывания частиц почвы дождем, закрепление корней деревьев | Далее рассмотрим области применения нетканого геотекстиля в зависимости от плотности материала. Нетканый геотекстиль легких весов (100-200 гр. / кв. м). Большая часть легкого геотекстиля 150 – 200 гр. / кв. м используется в качестве фильтрующего материала в дренажных системах. Высокий уровень износа и малые открытые участки на поверхности материала делают этот материал популярным в этой области применения. Оборачивание нетканым фильтрующим материалом вокруг дренажной системы позволяет дренажной системе пропускать воду в дренаж, препятствуя забивание системы грунтом. В добавление к дренажу, нетканые фильтрационные материалы легкого веса используются в качестве материала для ландшафтного дизайна, барьера для сорняков или для легкого веса сепарации в основе мощенных дорог. Другое направление - использование нетканого геотекстиля легкого веса в армировании асфальтобетонных покрытий (конкретнее при перенастиле покрытия – нанесения нового асфальтового покрытия на старое). Эти материалы способствуют поддержанию асфальтового покрытия в первозданном виде и помогают противостоять экстремальным температурам. Размещение нетканого материала между старым асфальтовым покрытием и новым снижает образование отраженных трещин и увеличивает срок службы полотна. Барьер для влаги, который защищает геотекстиль, используемый в перестилаемом покрытии, от проникновения воды, создается когда нетканое полотно абсорбирует дорожный покров. Области применения: 1. Подповерхностный (подземный) дренаж: · Фильтрационный материал; · Под дренажный материал; · Дренаж в канавах. 2. Ладшафтный дизайн: · Барьер для сорняков; · Садостроительный материал; · Контроль эрозии откосов дорог и рек. 3. Легкая сепарация: · Под мощеными пешеходными улицами, открытыми внутренними дворами. 4. Для укрепления асфальтобетонных покрытий: · Верхний слой асфальтового полотна Ниже представлены области применения отдельных марок геотекстиля, на примере продукции компании «US Fabrics» (США): US 80NW (105 гр. / м2) - препятствует засорению дренажных систем землей (оборачивает систему из трубы, зарытую в гравии); US 90P (120 гр. / м2) – армирование полотна – препятствует образованию отраженных трещин; US 90NW (120 гр. / м2) – используется в качестве фильтра в дренажных системах и легкой сепарации грунтовых оснований; US 115NW (135 гр. / м2) - используется в качестве фильтра в дренажных системах и легкой сепарации грунтовых оснований; US 120NW (150 гр. / м2) - используется в качестве фильтра в дренажных системах и легкой сепарации грунтовых оснований. Нетканый геотекстиль среднего веса (200 – 350 гр. / м2). ИПГТ из штапельного волокна в диапазоне 200-350 гр. / м2 наиболее широко используется в контроле за эрозией. Данный геотекстиль позволяет пропускать воду, удерживая существующие грунты на своих местах. В дополнение к этому нетканые материалы могут быть использованы для сепарации и дренажа. Области применения: 1. Контроль эрозии. · Стойкий на разрыв материал: 2. Разделение/дренаж: · Разделение различных пород 3. Животноводство: · «Коровий» ковер – укрепление почвы под стойлами и загонами крупного рогатого скота/коней. Ниже представлены области применения отдельных марок геотекстиля, на примере продукции компании «US Fabrics»: US 160NW (200 гр. / м2) – фильтр в дренажной конструкции, разделение слоев грунта в основании мощеных дорог и стоянок, прокладка между грунтом и камнями на откосах рек; US 180NW (235 гр. / м2) - разделение слоев грунта в основании мощеных дорог и стоянок, прокладка между грунтом и камнями на откосах рек; US 205NW Cow Carpet (270 гр. / м2) – прослойка для загонов для крупнорогатого и парнокопытных (животные не увязают); US 220NW (270 гр. / м2) - разделение слоев грунта в основании мощеных дорог и стоянок, прокладка между грунтом и камнями на откосах рек. Нетканый геотекстиль большого веса (350-600 гр. / м2). Нетканый геотекстиль больших весов используется в качестве подкладки (подушки) в геомембранах. Расположение нетканого геотекстиля поверх или под геомембрану помогает защитить ее от проколов. Нетканый геотекстиль больших весов также используется для стабилизации ж/д путей. При помещении в основу пути, нетканый материал препятствует смешиванию балласта с нижележащей почвой. Области применения: 1. Подкладка в геомембранах 2. Ж/д и дорожная сепарация Ниже представлены области применения отдельных марок геотекстиля, на примере продукции компании «US Fabrics»: US 280NW (350 гр. / м2) – контроль эрозии на берегах (между камнями и грунтом), разделение в основании дорог и ж/д путей, подкладка в геомембранах; US 300NW (400 гр. / м2) - контроль эрозии на берегах (между камнями и грунтом), разделение в основании дорог и ж/д путей, подкладка в геомембранах;  US 380NW (540 гр. / м2) - контроль эрозии на берегах (между камнями и грунтом), разделение в основании дорог и ж/д путей, подкладка в геомембранах.
| 
