Polimero fuso, aria calda, microfibre
Il meltblown non è un materiale ma un processo, e per estensione il tessuto non tessuto che ne esce. Un polimero termoplastico viene fuso in un estrusore e spinto attraverso una filiera con file di orifizi minuscoli; due lame d’aria calda ad alta velocità convergono sui filamenti appena usciti e li stirano finché sono ancora in parte fusi, assottigliandoli di un ordine di grandezza. Le fibre volano verso un nastro o un tamburo raccoglitore e vi si depositano in modo casuale, saldandosi fra loro per il calore residuo senza bisogno di leganti.
Il polimero abituale è il polipropilene, ma lo stesso processo lavora poliestere, poliammide, poliuretano, polietilene e altri termoplastici. Ciò che distingue il meltblown dagli altri modi di fare un non tessuto è dove avviene lo stiro: qui il filamento viene assottigliato dall’aria mentre è ancora molle, non dopo essersi solidificato.
Il processo meltblown e i suoi parametri
I numeri in gioco sono alti e vicini fra loro. In uno studio su un mezzo filtrante di polipropilene le temperature delle zone di estrusione stanno fra 280 e 330 gradi, l’aria di soffiaggio a 300 gradi, la distanza fra filiera e raccoglitore a 100 millimetri, la pressione dell’aria a 0,20 megapascal, per una grammatura del velo di 40 grammi al metro quadrato con un grammo di tolleranza.
Ognuno di questi parametri sposta il risultato. Aria più calda e più veloce assottiglia di più ma aumenta il rischio che le fibre si rompano in frammenti corti; una distanza maggiore dal raccoglitore lascia raffreddare i filamenti e dà un velo più aperto. La finezza si paga in fragilità: un velo di sole microfibre saldate a caldo ha poca resistenza meccanica e si lacera con facilità.
Quanto sono fini le fibre di un meltblown
L’associazione europea dei non tessuti indica per il meltblown filamenti dal diametro minimo attorno al micrometro. Nella pratica dei mezzi filtranti si lavora fra uno e cinque micrometri: nello studio citato il diametro medio misurato è 2,11 micrometri con un quarto di micrometro di dispersione, e la dimensione media dei pori risulta 11,20 micrometri con una dispersione ampia.
Il confronto che serve è con lo spunbond, l’altro non tessuto ottenuto direttamente dal polimero fuso: lì i filamenti continui vengono raffreddati e stirati fino a diametri dell’ordine delle decine di micrometri, e il velo che ne esce è resistente ma grossolano. A parità di grammatura, passare da decine di micrometri a due significa moltiplicare per centinaia il numero di fibre e la superficie disponibile a intercettare qualcosa.
Perché un poro largo ferma una particella piccola
Il dato dei pori attorno agli undici micrometri contro particelle trattenute da tre decimi di micrometro sembra una contraddizione, e invece è il punto. Un filtro a fibre non lavora come un setaccio. Le particelle grandi non riescono a seguire l’aria che devia attorno alla fibra e ci vanno a sbattere per inerzia; quelle intermedie sfiorano la fibra passando entro il proprio raggio e restano attaccate per intercettazione; quelle piccolissime rimbalzano fra le molecole d’aria e finiscono contro una fibra per diffusione browniana.
I tre meccanismi hanno efficacia opposta rispetto alla dimensione: l’inerzia lavora sulle grandi, la diffusione sulle piccole. Nel mezzo esiste una taglia dove nessuno dei due funziona bene, ed è lì che il filtro fa passare più particelle. Quella finestra, per i mezzi di questo tipo, cade attorno a uno-tre decimi di micrometro.
La carica elettrostatica e come si perde
È qui che il meltblown filtrante si separa dal semplice velo di microfibre. Il velo viene caricato elettricamente, di regola con una scarica corona fra un elettrodo ad ago e un collettore: nello studio citato, quaranta secondi a 120 kilovolt da dieci centimetri di distanza. Le cariche restano intrappolate nel polipropilene, che è un ottimo isolante, e generano attorno a ogni fibra un campo elettrico locale. Le particelle in arrivo, anche neutre, si polarizzano in quel campo e vengono attirate.
Il guadagno è netto perché non costa resistenza: la geometria del velo non cambia, quindi la caduta di pressione resta quella. Lo stesso materiale è passato dal 95,62 per cento di efficienza da non caricato al 99,65 per cento dopo tre cicli di carica, con una perdita di carico di 120 pascal.
La contropartita è che le cariche se ne vanno. Il decadimento avviene in due tempi, prima le cariche superficiali e poi quelle profonde: nello stesso studio la tensione di superficie è calata di 233-367 volt in due mesi. I solventi accelerano tutto: ventiquattro ore in atmosfera satura di alcol isopropilico hanno portato l’efficienza di mezzi elettretici da facciale filtrante attorno al 50 per cento a tre decimi di micrometro, mentre un mezzo a nanofibre non caricato, che filtra per sola meccanica, non ne ha risentito. Un ciclo in autoclave a 121 gradi e un ciclo di temperatura e umidità hanno fatto molto meno danno. Il punto insidioso è che un meltblown scaricato ha lo stesso aspetto e la stessa respirabilità di prima, e filtra peggio.
Meltblown e spunbond nello stesso tessuto
Da qui nasce la struttura a sandwich che si trova nei dispositivi monouso: uno strato di spunbond esterno, uno o più veli di meltblown al centro, un secondo spunbond interno. Lo spunbond porta la resistenza meccanica e la superficie che tocca la pelle, il meltblown porta la filtrazione. Le norme di prodotto, per parte loro, non entrano nel merito: EN 14683 per le mascherine mediche ed EN 149 per i facciali filtranti fissano prove e valori da rispettare e lasciano al fabbricante il modo di ottenerli. Il meltblown è la soluzione industriale prevalente, non un requisito scritto.
