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第九章 熔喷法工艺,9-1 熔喷工艺应用的原料 9-2 熔喷工艺原理与过程 9-3 熔喷设备 9-4 熔喷产品性能与应用 9-5 熔喷工艺理论与进展,第九章 熔喷法工艺,发展简况：熔喷法工艺是聚合物挤压法非织造工艺中的一种，起源于20世纪50年代初。1951年，美国Arther.D.LittllInc公司开始研究用气流喷射静电纺丝法生产聚苯乙烯超细纤维非织造布，取得了相关美国专利。美国海军实验室研究并开发用于收集上层大气中放射性微粒的过滤材料，1954年发表研究成果。20世纪60年代中期，美国ESSO公司(今Exxon公司)进一步对这一工艺进行改进，并取得了相关的美国专利。20世纪80年代后期，由于熔喷法非织造布市场的开发，一些非织造布机械制造商开始参与熔喷法生产设备的制造，其中有美国的Accurate公司和J&M公司，德国的Reifenhaeuser公司等。,第九章 熔喷法工艺,从20世纪80年代开始，熔喷法非织造布增长迅速，保持了1012的年增长率。1990年全世界已有70多条熔喷生产线，年产量达到5万吨以上。美国的Kimble-clark公司为了克服熔喷法非织造布强力低的缺点，开发了熔喷非织造布与纺丝成网非织造布叠层材料，即SMS复合材料，大量应用于手术服、过滤材料等，有力地推动了熔喷非织造布的发展。随着复合技术的应用和熔喷法非织造布的应用开发，目前，世界熔喷法非织造布的年产量已超过10万吨。,第九章 熔喷法工艺,我国熔喷非织造工艺的发展情况 我国熔喷法非织造工艺研究始于20世纪70年代中期，80年代中后期，熔喷法非织造布在我国得到推广应用，主要产品有过滤材料、吸油材料、保暖材料、电池隔膜等。我国现有熔喷法非织造布生产线60多条，其中引进1.5m2.5m幅宽生产线6条，其余为国产间歇式生产线，生产能力为1万吨/年。由于间歇式与连续式熔喷非织造布产品相互间具有不可替代性，因此两种工艺方法仍将相辅相成。,第九章 熔喷法工艺,熔喷非织造工艺的特点：能耗大超细纤维纤网结构过滤、阻菌、吸附方面有突出的优点纤维取向度较差纤维强力低,第九章 熔喷法工艺 9-1 熔喷工艺应用的原料,一、熔喷工艺对聚合物熔体性能的要求 从理论上讲，凡是热塑性聚合物切片原料均可用于熔喷工艺。聚丙烯是熔喷工艺应用最多的一种切片原料，除此之外，熔喷工艺常用的聚合物切片原料有聚酯、聚酰胺、聚乙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、PBT、EMA、EVA、聚氨基甲酸酯等。聚合物切片原料的性能与熔喷工艺密切相关，主要的参数有：聚合物种类分子量及其分布聚合物降解性能切片形状含杂,第九章 熔喷法工艺 9-1 熔喷工艺应用的原料,1、聚合物种类 聚合物种类不同时，分子结构差异很大，决定了熔点及流变性能的不同。对于每一种聚合物原料，均有对应的熔喷工艺，如在加热温度、螺杆长径比、螺杆形式、原料干燥工艺等方面都有一定的差异。烯烃类和酯类聚合物原料熔喷工艺的差异,第九章 熔喷法工艺 9-1 熔喷工艺应用的原料,烯烃类聚合物原料(如聚丙烯)的聚合度较高，因此加热温度高于其熔点100以上方能顺利熔喷，而聚酯加热温度稍高于其熔点就可熔喷。烯烃类聚合物原料几乎不含水，因此熔喷时一般不需要干燥。而聚酯中含有微量水分，加热后由于水分的存在会导致酯类的水解，产生不利于非织造布产品质量的副反应物，因此必须进行切片干燥。2、分子量及其分布 聚合物原料的分子量及分子量分布是影响熔喷工艺和熔喷法非织造布性能最主要的因素。对熔喷工艺来说，一般认为聚合物原料分子量低、分子量分布窄有利于熔喷纤网的均匀性。聚合物分子量大小与其熔融流动指数(MFI)成反比，与聚合物熔体的熔融粘度成正比。也即聚合物分子量越低，MFI越高，熔体粘度越低，越能适合于熔喷工艺较弱的牵伸作用。,第九章 熔喷法工艺 9-1 熔喷工艺应用的原料,通常，聚丙烯、聚乙烯及其共聚物在熔喷工艺设计时主要考虑MFI。而其他热塑性高聚物熔喷时考虑用熔体粘度或特性粘度来反映原料的分子量大小。采用MFI较低的聚丙烯原料可生产出强力较高的熔喷法非织造布。但目前的趋势是采用较高的MFI切片原料，这样可提高产量，降低加热温度，从而降低能耗。分子量分布越集中，大分子的分子量均等性好，便于均匀受热、熔融并得到均匀的纤网，因此，熔喷工艺要求聚合物原料的分子量分布尽量集中。3、聚合物降解性能 聚合物降解有助于修正聚合物熔体粘度和分子量分布。通常有三种降解方式：化学、机械剪切和热降解。聚合物熔喷时或熔喷前，可采用氧或过氧衍生物来实现化学降解，增加挤压速率、热量和熔体滞留时间均可达到机械剪切降解和热降解的目的。,第九章 熔喷法工艺 9-1 熔喷工艺应用的原料,对于聚合物熔体来说，要求均匀发生降解，避免聚合物熔体降解不一致而造成粘度不均匀，分子量分布离散。同时还要求不能过度降解。4、含杂 熔喷工艺所用的模头的喷丝孔直径较小，若聚合物原料含杂多，易引起喷丝孔堵塞。因此，改善聚合物切片原料生产环境，优化切片生产工艺，降低切片含杂量，可有效延长熔喷模头更换周期，减少耗能，降低产品生产成本。,第九章 熔喷法工艺 9-1 熔喷工艺应用的原料,二、常用原料1、聚丙烯(PP)聚丙烯是熔喷工艺应用最多的一种聚合物。熔喷工艺最早应用的是普通纤维级聚丙烯原料，其分子量高，MFI较低，通常只有12g/10min。该种聚丙烯在熔喷时必须借助于螺杆挤出机的高温和剪切作用来降解。随科技的进步，MFI为12的聚丙烯很快就为MFI35的所取代，同时出现了专为熔喷工艺所用的聚丙烯，其MFI高达1500。聚丙烯MFI的提高，可降低螺杆挤出机的工作温度，提高熔体流动速率，有利于减少过度降解聚合物的形成，延长熔喷模头寿命，减少能耗，同时给选用添加剂以更大的灵活性。,第九章 熔喷法工艺 9-1 熔喷工艺应用的原料,聚丙烯用于熔喷工艺有以下特点：(1)聚合物熔体粘度可以按需控制 熔体粘度控制方法主要有：使用氧化剂或过氧化剂；依靠螺杆挤出机的机械剪切作用；控制工作温度进行热降解。对于MFI较低的聚丙烯，通常同时采用以上三种方法来控制熔体粘度，以便熔喷形成超细纤维。(2)分子量分布(MWD)可控制 熔喷工艺要求聚丙烯分子量分布较窄，以便加工出超细纤维。新的催化技术，使聚合物生产商可以生产出MFI极高而MWD极窄的聚丙烯原料，前述的三种降解措施可进一步降低分子量分布。,第九章 熔喷法工艺 9-1 熔喷工艺应用的原料,聚丙烯切片的MFI、MWD与牵伸空气温度的关系,第九章 熔喷法工艺 9-1 熔喷工艺应用的原料,(3)较宽的熔融温度范围 聚丙烯具有较宽的熔融温度范围，对非织造工艺中常用的热粘合加工工艺较为有利。常规应用中，聚丙烯的耐热性已足够。(4)有利于制成超细纤维 与其他聚合物原料相比，如果聚丙烯熔体的粘度很低、分子量分布很窄，则熔喷时，同样的能耗和同样的牵伸条件下可得到较细的纤维。聚丙烯熔喷非织造布纤维细度通常为25m，极端条件下可达到0.3m。较窄的分子量分布降低了熔体的弹性，因此，熔喷模头喷丝孔挤出的熔体细丝可在热空气流牵伸作用下变得更细。,第九章 熔喷法工艺 9-1 熔喷工艺应用的原料,聚丙烯切片的熔融曲线,第九章 熔喷法工艺 9-1 熔喷工艺应用的原料,不同MFI聚丙烯切片的熔体粘度与切变率的关系,第九章 熔喷法工艺 9-1 熔喷工艺应用的原料,MFI为800的聚丙烯切片在不同温度下的熔体粘度与切变率的关系,第九章 熔喷法工艺 9-1 熔喷工艺应用的原料,熔喷工艺中，必须根据最终产品的质量、性能要求以及工艺特性来选择聚丙烯切片原料。重点应考虑以下几方面：添加剂 为了保证聚合物切片的贮存、加工和最终应用的稳定性，聚合物切片生产时一般都加入一些添加剂。根据熔喷非织造布的最终应用要求，熔喷加工时，可在挤出机加料阶段再放入适当的添加剂。例如，如生产用于卫生材料的熔喷法非织造布，则可加入一些耐射线照射的添加剂，以便使产品在医院或其他使用场所中可耐射线消毒照射。均匀性 要求切片每包、每桶或每箱的MFI和添加剂等指标保持一致，以保证熔喷生产工艺和产品质量稳定。,第九章 熔喷法工艺 9-1 熔喷工艺应用的原料,MFI 美国熔喷工艺常用的聚丙烯切片的MFI达到400、800、1200等，我国尚未批量生产，仍依赖于进口。聚丙烯切片的MFI越高，则熔喷时能耗越小，参见图9-4。如要求熔喷法非织造布的强度高，一般可使用MFI3035的聚丙烯切片，但生产能耗要高一些。对于吸油材料以及保暖材料等，仅考虑纤维细度的话，可使用高MFI的切片，产量高，能耗低。造粒 普通造粒工艺会造成高MFI切片的特性不均匀性。目前，由于改进了催化剂和添加剂的良好分布，可以直接从反应釜制得具有较窄分子量分布的球粒状切片。这种高MFI的切片具有更好的熔融指数均匀性，而且越过了造粒阶段，减少了树脂受热时间，因此其应用迅速增长。,第九章 熔喷法工艺 9-1 熔喷工艺应用的原料,聚丙烯切片的MFI与熔喷能耗的关系,第九章 熔喷法工艺 9-1 熔喷工艺应用的原料,MWD 分子量分布宽度对熔体流动性能有明显影响，分子量分布越窄，越容易制得细纤维。分子量分布宽，造成熔体切变速率下降，增加了熔体的弹性，会影响热空气流对熔体细丝的牵伸，从而影响纤维细度和产品的手感。某些高MFI的树脂中还加入了降解添加剂，以便在挤出机中降低熔体粘度和缩小分子量分布范围，因此较适合熔喷加工工艺。切片的清洁性 减少切片的含杂量，有利于延长熔喷模头更换周期，降低生产成本。熔喷工艺中，聚合物熔体进入模头之前，应经过过滤，以滤去杂质和聚合反应后残留的催化剂。,第九章 熔喷法工艺 9-1 熔喷工艺应用的原料,2、聚酯(PET)参见第八章相关内容。3、聚酰胺(PA)参见第八章相关内容。4、乙烯类聚合物 熔喷工艺中应用较多的乙烯类聚合物有三种：线性低密度聚乙烯(LLDPE)，乙烯醋酸乙烯共聚物(EVA)，以及乙烯丙烯酸甲酯共聚物(EMA)。与聚丙烯熔喷法非织造布相比，采用LLDPE为原料的熔喷法非织造材料具有低得多的弯曲刚度，因此手感更柔软，悬垂性更好。因为LLDPE没有长链分枝，而且MWD分布较窄，所以LLDPE容易熔喷成更细的纤维。此外，耐射线照射的能力较好，因此更适合于医疗卫生产品。,第九章 熔喷法工艺 9-1 熔喷工艺应用的原料,EVA广泛用于包装材料和热熔胶，其特点是模量低，延伸性好。熔喷工艺采用EVA作原料，主要是利用熔喷后非织造布的良好的弹性。EVA熔喷法非织造布的纤维细度比聚丙烯的要粗，通常为810m。温度超过230时，EVA将发生热降解，因此其应用会受到一定的限制。EMA的制造过程与EVA相似，丙烯酸甲酯(MA)在共聚物中的含量一般为1525。由于MA侧链的存在，最终产品的模量低、弹性好。与EVA相比，EMA的热降解温度要高得多，熔喷加工时的熔体温度也比EVA的高，因此更适合于耐热方面的应用。EMA熔喷非织造材料通常用作热粘合材料，用于生产各种叠层复合材料。,第九章 熔喷法工艺 9-2 熔喷工艺原理与过程,一、熔喷工艺原理与过程 熔喷非织造工艺是采用高速热空气流对模头喷丝孔挤出的聚合物熔体细流进行牵伸，由此形成超细纤维并收集在凝网帘或滚筒上，同时自身粘合而成为熔喷法非织造布。熔喷工艺过程主要为：熔体准备过滤计量熔体从喷丝孔挤出熔体细流牵伸与冷却成网,第九章 熔喷法工艺 9-2 熔喷工艺原理与过程,熔喷工艺原理,热空气,热空气,聚合物熔体,冷却空气,冷却空气,接收装置,至后道工序,喷雾装置,第九章 熔喷法工艺 9-2 熔喷工艺原理与过程,熔喷过程,第九章 熔喷法工艺 9-2 熔喷工艺原理与过程,熔喷过程,第九章 熔喷法工艺 9-2 熔喷工艺原理与过程,1、熔体准备 熔喷非织造工艺使用聚酯、聚酰胺等切片原料时，必须对切片进行干燥预结晶。聚丙烯切片通常不需要干燥。熔喷工艺主要采用螺杆挤出机对聚合物切片进行熔融并压送熔体。固体切片进入螺杆后，首先在螺杆进料段被输送和预热，继而经螺杆压缩段压实、排气并逐渐熔化，然后在螺杆计量段中进一步混和塑化，并达到一定的温度，以一定的压力输送到计量泵。2、过滤 熔喷工艺中，聚合物熔体进入模头之前，应经过过滤，以滤去杂质和聚合反应后残留的催化剂。常用过滤介质有细孔烧结金属、多层细目金属筛网、石英砂等。,第九章 熔喷法工艺 9-2 熔喷工艺原理与过程,3、计量 熔喷工艺中采用齿轮计量泵进行熔体计量，高聚物熔体经准确计量后才送至熔喷模头，以精确控制纤维细度和熔喷法非织造布的均匀度。4、熔体从喷丝孔挤出 熔喷工艺与传统纺丝具有相似原理，聚合物熔体从模头喷丝孔挤出的历程可分为入口区、孔流区和膨化区。熔体形成超细纤维首先要通过入口区和孔流区。在入口区，聚合物熔体由锲状导入口缩紧进入喷丝毛细孔之前，在入口处熔体流速加快，散失的部分能量以弹性能贮存在熔体内。其后，熔体细流进入喷丝孔孔流区，在该区域，剪切速率增大，大分子构象发生改变，排列比较规整。,第九章 熔喷法工艺 9-2 熔喷工艺原理与过程,熔体细流的流速在毛细管中呈抛物线分布，孔壁速度小，中心速度大，形成明显的径向速度梯度，这是非牛顿流体的特征。在孔流区，剪切速率达到最大，熔体一出喷丝孔，由于剪切速率和剪切应力迅速减小，由此产生的弹性回复和应力松弛，将导致熔体细流膨化胀大。膨化区熔体细流直径大于喷丝孔径的膨化现象，表现出熔体弹性和流动曲线的非牛顿性，可解释为高聚物柔性长链分子的粘弹性的宏观表现。和传统聚合物纺丝工艺中存在的膨化现象一样，熔喷工艺过程中聚合物熔体从大的空间进入模头喷丝孔时的弹性变形和通过喷丝孔后的松弛所产生的膨化现象是明显的，尤其是牵伸热空气流速度较低时。,第九章 熔喷法工艺 9-2 熔喷工艺原理与过程,第九章 熔喷法工艺 9-2 熔喷工艺原理与过程,聚合物熔体的膨化胀大与聚合物分子量、熔体温度以及喷丝孔长径比有关，通常，聚合物分子量减小、熔体温度升高以及喷丝孔长径比增大，熔体膨化胀大率减小。根据实验观察，聚丙烯熔喷工艺中最大膨化的位置根据不同工艺条件而变化，通常在距离喷丝孔0.15mm的范围内，熔体细流膨化位置和大小与熔喷模头结构、喷丝孔的几何形状以及聚合物熔体在喷丝孔中流动状况等有关。熔喷工艺要求膨化胀大率X的值较小，这样可保证纤维牵伸平稳，断头减小，纤维条干均匀性好。,第九章 熔喷法工艺 9-2 熔喷工艺原理与过程,5、熔体细流牵伸与冷却 熔喷工艺中，从模头喷丝孔挤出的熔体细流发生膨化胀大的同时，受到两侧高速热空气流的牵伸，处于粘流态的熔体细流被迅速拉细。同时，两侧的室温空气掺入牵伸热空气流，使熔体细流冷却固化成形，形成超细纤维。,第九章 熔喷法工艺 9-2 熔喷工艺原理与过程,熔喷工艺中牵伸热空气速度与纤维细度的关系,第九章 熔喷法工艺 9-2 熔喷工艺原理与过程,纺丝成网法工艺中纺丝速度(VF)与纤维细度的关系,第九章 熔喷法工艺 9-2 熔喷工艺原理与过程,纺丝速度可根据VF=Q9000/d得出与纤度的函数关系。如果用熔喷工艺的气流速度比较纺粘法的纺丝速度，在喷丝孔吐出量为0.35g/hm时，如要制得同样0.7d纤度的纤维，纺粘法纺丝速度约为4500m/min，这在目前纺粘法工艺是可以做到的，但要做到5m纤度的纤维，按上述函数关系，其纺丝速度为35000m/min，这样传统的纺丝条件就存在极大困难。比较而言，熔喷工艺就比较容易生产超细纤度的纤网，热空气速度400600(m/s)在实际生产中已被普遍应用。纺粘法与熔喷法属两种完全不同的牵伸工艺，为了制取更细旦的纤网，纺粘法工艺中结合熔喷的牵伸原理，已有新的工艺突破。,第九章 熔喷法工艺 9-2 熔喷工艺原理与过程,熔喷工艺中，纺丝线上高聚物熔体离开喷丝孔后的流变行为强烈依靠高温高速气流的牵伸，其开放式的气流运动经常会造成纤维明显的力学波动，式9-2所描述的动平衡随之打破，造成断丝现象，因此，熔喷工艺中的纺丝过程是非稳态的。PET熔喷时，通常在牵伸气流两侧喷水，以加快熔体细流冷却固化的过程。该方法对熔喷纺丝过程的稳定性存在一定的影响。Shambaugh研究了聚丙烯熔喷工艺的能耗，其要点如下：纤维的细化主要取决于热空气的动能。当得到较粗的纤维时，牵伸热空气的大部分动能未被充分利用而造成浪费。纤维直径分布呈多分散性时，将消耗更多的动能。,第九章 熔喷法工艺 9-2 熔喷工艺原理与过程,当聚合物细化为纤维时，纤维动能可表达为：,式中：M 聚合物流量 V 纤维速度 聚合物密度 d 纤维直径 Shambaugh用上式计算了具有相同平均纤维直径(10m)而直径分布不同的纤维动能，比较如下：,第九章 熔喷法工艺 9-2 熔喷工艺原理与过程,其中，E1是纤维直径为10m的单分散分布的纤维动能，E2是直径3m和17m的50:50(纤维根数)混和双峰分布的纤维动能，E3是直径1m和19m的50:50(纤维根数)混和双峰分布的纤维动能。计算结果表明，对于相同平均纤维直径而言，纤维细化所消耗的动能，单分散性分布纤维比多分散性分布纤维要低得多。6、成网 熔喷工艺中，经牵伸和冷却固化的超细纤维在牵伸气流的作用下，吹向凝网帘或滚筒，凝网帘下部或滚筒内部均设有真空抽吸装置，由此纤维收集在凝网帘或滚筒上，依靠自身热粘合或其他加固方法成为熔喷法非织造布。模头喷丝孔出口处到接收帘网或滚筒的距离称为熔喷接收距离DCD。,第九章 熔喷法工艺 9-2 熔喷工艺原理与过程,国内间歇式熔喷生产设备的接收方式与进口连续式生产线相比有很大差异，国产间歇式熔喷生产线的接收滚筒由不锈钢钢板卷成，熔喷超细纤维直接接收在滚筒上，没有真空抽吸作用。当需要较大单位面积质量的熔喷法非织造布时，通常将熔喷超细纤维一层层叠加上去，这样，产品的均匀度比进口设备生产的产品好，并可采用较小的接收距离，使产品密度增加，同时产品的弯曲刚度也比进口设备生产的产品大得多。间歇式熔喷生产线的产品是块状的，产量也比进口设备低。,第九章 熔喷法工艺 9-3 熔喷设备,一、熔喷系统组成 熔喷生产线的设备主要有：上料机螺杆挤出机计量泵熔喷模头组合件空压机空气加热器接收装置卷绕装置 生产聚酯及聚酰胺熔喷非织造材料时，还需要切片干燥保温装置。生产辅助设备主要有模头清洁炉、静电施加装置和喷雾装置等。,第九章 熔喷法工艺 9-3 熔喷设备,1、上料机 安装于挤出机料斗之上。上料机的功能是将聚合物切片抽吸至螺杆挤出机料斗，通常具有自动功能，可按整个生产线的产量来设定单位时间的送料量。,第九章 熔喷法工艺 9-3 熔喷设备,2、螺杆挤出机 参见第八章相关内容。3、计量泵 参见第八章相关内容。4、熔喷模头组合件 模头组合件是熔喷设备中最关键的部分，通常由以下各部分组成：聚合物熔体分配系统模头系统牵伸热空气管路通道加热保温元件,第九章 熔喷法工艺 9-3 熔喷设备,(1)聚合物熔体分配系统 聚合物熔体分配系统的作用是保证聚合物熔体在整个熔喷模头长度方向上均匀流动并具有均一的滞留时间，从而保证熔喷法非织造布在整个宽度上的具有较小的单位面积质量偏差、纤网cv值及其它物理机械性能的差异。目前熔喷工艺中主要采用衣架型聚合物熔体分配系统，详细讨论见9-5。,第九章 熔喷法工艺 9-3 熔喷设备,(2)模头系统 熔喷模头系统是整个组合件中另一重要部分。熔喷法非织造布的均匀度与模头设计、制造有密切关系。通常，熔喷模头的加工精度要求很高，因此熔喷模头制造成本较昂贵。,第九章 熔喷法工艺 9-3 熔喷设备,Exxon公司早期研制的熔喷模头，共有192个喷丝孔，分成4个区域，每个区域有48个喷丝孔，区域之间被25.4mm宽的空间所隔开，该空间用于固定上下两块模体，因此，该熔喷模头的喷丝孔实际上是由上下模体配合形成的。先在上下模体结合面上各自加工出微细的凹槽，然后上下模体贴合，校正后即可形成一排喷丝孔。该结构的特点是，可得到较大的喷丝孔长径比，模头清洁较方便，但加工精度和装配精度要求较高，目前已较少应用。,第九章 熔喷法工艺 9-3 熔喷设备,Exxon公司早期研制的熔喷模头,第九章 熔喷法工艺 9-3 熔喷设备,Exxon公司专利U.S.P 3,825,379中有关的熔喷模头，这也是目前熔喷工艺中常用的结构。其喷丝孔采用毛细管，通过焊接与模头成为一体。其他喷丝孔的加工方法有机械钻孔、电弧深孔加工等。对于毛细管焊接模头，喷丝孔长径比大，但模头工作寿命短。对于机械钻孔等，由于加工上的难度，喷丝孔的长径比不能做到很大，但模头寿命较长。,第九章 熔喷法工艺 9-3 熔喷设备,Exxon公司专利U.S.P 3,825,379中有关的熔喷模头,第九章 熔喷法工艺 9-3 熔喷设备,熔喷模头中，牵伸热空气通道的设计也是非常重要的，要求在整个熔喷模头长度方向上保持热空气流喷出速度和流量一致，以获得均匀的熔喷纤网。目前，世界上熔喷非织造生产线的制造商均有自己的设计特点。通常的方法是尽量保证每孔聚合物和热空气的流量相等，可采用了较长的聚合物熔体分配通道以及迷宫式热空气通道。熔喷模头清洁处理时应注意防止变形和损伤。,第九章 熔喷法工艺 9-3 熔喷设备,Nippon Kodoski公司熔喷模头,第九章 熔喷法工艺 9-3 熔喷设备,Reifenhaeuser公司熔喷模头,第九章 熔喷法工艺 9-3 熔喷设备,Accurate公司熔喷模头,第九章 熔喷法工艺 9-3 熔喷设备,Kasen公司熔喷模头,第九章 熔喷法工艺 9-3 熔喷设备,5、空气加热器 熔喷工艺需用大量的热空气。空压机输出的压缩空气经除湿过滤后输送到空气加热器加热，然后再送至熔喷模头组合件。空气加热器是压力容器，同时要抵抗高温空气的氧化作用，因此材料必须选用不锈钢。空气加热器的发热元件为不锈钢电加热管。加热器内腔设置多个折流板，可延长空气在加热器内腔滞留时间，以提高热交换效率。适当增加加热管数量，提高空气加热器的装机功率，可缩短生产线开车升温时间。熔喷工艺对牵伸空气加热器的温度控制精度要求较高，牵伸空气温度要求稳定在1的范围内。,第九章 熔喷法工艺 9-3 熔喷设备,卧式空气加热器,U形发热元件,折流板,测温点,接线端,第九章 熔喷法工艺 9-3 熔喷设备,6、接收装置 熔喷工艺中的接收装置主要有：滚筒式 平网式 立体成型(芯轴)美国Accurate公司熔喷生产线的专利接收滚筒，其内部吸风通道分多层，以保证滚筒延轴线方向吸风量的一致。德国Reifenhaeuser公司的熔喷生产线采用了平网接收装置，其帘网周长固定，转动辊可左右移动，以调节帘网成网工作面的水平位置，从而达到改变熔喷接收距离DCD的目的，Reifenhaeuser公司熔喷生产线的模头系统的位置是固定的。美国Accurate公司熔喷生产线的模头系统以及螺杆挤出机等安装在一个升降平台上，通过升降平台来调节熔喷接收距离，接收滚筒的水平位置不可调。,第九章 熔喷法工艺 9-3 熔喷设备,美国Accurate公司熔喷生产线的专利接收滚筒,第九章 熔喷法工艺 9-3 熔喷设备,生产熔喷滤芯时，可采用立体接收装置，分间歇式立体接收和连续式立体接收。间歇式立体接收装置的特点是，整个接收装置来回移动，熔喷成形的超细纤维多层次地缠绕在转动的芯轴或骨架上；成形时外表面采用成形压辊整形；通过改变接收距离，可生产具有密度梯度的滤芯；改变芯轴尺寸，可生产不同内径的滤芯；调节成形压辊位置，可生产不同外径的滤芯。由于每根滤芯制成后需更换芯轴，因此间歇式立体接收方式的制成率较低。,第九章 熔喷法工艺 9-3 熔喷设备,间歇式立体接收装置,熔喷模头,接收芯轴,管状滤芯,传动顶针,往复移动,活顶针,第九章 熔喷法工艺 9-3 熔喷设备,连续式立体接收装置。该装置的接收芯轴呈悬臂梁形式，结构较复杂，接收芯轴呈空心状，内配有用来输出管状滤芯的传动轴，该传动轴头端配有螺纹，依靠管状滤芯(接收芯轴)和螺纹头的速度差产生的推力将管状滤芯从接收芯轴上拔出并输送至定长切割系统。定长切割系统控制较复杂，一是正确计量切割滤芯的长度，二是切割时刀具移动速度应与管状滤芯输出速度保持同步。连续式接收装置生产具有密度梯度的滤芯时，应配置多个不同接收距离的熔喷模头。和间歇式立体接收方式相比，连续式接收装置正常生产时没有边角料，因此制成率要高得多。,第九章 熔喷法工艺 9-3 熔喷设备,连续式立体接收装置,熔喷模头1,熔喷模头1,管状滤芯,管状滤芯输出螺纹头,接收芯轴,螺纹头传动轴,第九章 熔喷法工艺 9-3 熔喷设备,7、辅助设备 熔喷生产线最主要的辅助设备就是模头清洁炉。熔喷模头生产一段时间后会发生堵孔现象，影响产品均匀性和外观，这时需要更换熔喷模头。替换下来的熔喷模头需要用焙烧的方式除去残留在模头内的聚合物和杂质。螺杆和喷丝板等通常均采用焙烧的方法来除去残留聚合物及杂质。较小的熔喷模头可采用一般的电阻炉加热保温，保温温度420450，保温时间48小时，并随炉冷却至常温。大型的熔喷模头通常不采用电阻炉，因为尺寸较大的电阻炉温度控制不精确，而且缺乏温度过高的保护机制。,第九章 熔喷法工艺 9-3 熔喷设备,美国Pollution Control Products公司的SCTR系列清洁炉，可设定的加热温度范围为428482，炉膛最长可达到3.6m，采用推车将模头或螺杆等送入炉膛。该清洁炉采用轻质柴油直燃加热，循环风保证加热温度均匀，自动喷水装置防止炉温过高。燃油式清洁炉运行成本低于电加热方式，但安装和维护成本较高。,第九章 熔喷法工艺 9-3 熔喷设备,焙烧除去残留聚合物及杂质,第九章 熔喷法工艺 9-3 熔喷设备,SCTR清洁炉,第九章 熔喷法工艺 9-3 熔喷设备,SCTR清洁炉的油槽和管路系统,第九章 熔喷法工艺 9-3 熔喷设备,二、典型熔喷设备介绍1、德国Reifenhauser公司熔喷生产线 德国Reifenhauser公司1984年开始生产纺粘法非织造布生产线，1988年与美国Exxon公司签订了技术转让协议，开始研制熔喷法非织造布生产线。目前，该公司可提供单独的纺粘生产线、熔喷生产线和生产SMS复合非织造布产品生产线中的熔喷部分以及全套SMS生产线。,第九章 熔喷法工艺 9-3 熔喷设备,德国Reifenhauser公司的熔喷生产线,第九章 熔喷法工艺 9-3 熔喷设备,德国Reifenhauser公司的Reicofil(SMS)生产线,第九章 熔喷法工艺 9-3 熔喷设备,德国Reifenhauser公司的Reicofil单头熔喷生产线,第九章 熔喷法工艺 9-3 熔喷设备,德国Reifenhauser公司的Reicofil双头熔喷生产线,第九章 熔喷法工艺 9-3 熔喷设备,德国Reifenhauser公司的Reicofil离线式SMS复合生产线,第九章 熔喷法工艺 9-3 熔喷设备,德国Reifenhauser公司的Reicofil熔喷生产线的熔喷模头,第九章 熔喷法工艺 9-3 熔喷设备,2、美国Accurate公司熔喷生产线 美国Accurate公司与Exxon公司在熔喷领域的合作始于1967年，当时Accurate公司根据Exxon公司的要求制作了第一个10英寸的熔喷模头。1970年1980年期间，Accurate公司向几乎所有的Exxon专利被许可者提供熔喷模头，规格从10英寸实验室用熔喷模头、20英寸、40英寸、68英寸，一直到106英寸熔喷模头，106英寸熔喷模头于1976年提供给Kimberly-Clerk公司在美国密西西比省的Corinth工厂使用。,第九章 熔喷法工艺 9-3 熔喷设备,廿十世纪80年代初，Accurate公司的Buehning博士运用流体动力学方面的知识，并利用公司为航天工业提供精密机械加工的经验与技术，设计并制造出新型的组合式熔喷模头系统。该组合式熔喷模头在熔喷成网均匀性、牵伸空气速度一致性以及操作维护的简单性等方面取得了显著的效果。1984年Accurate公司开发出第一条20英寸宽的熔喷生产线，包括空压机、空气加热器、树脂喂料机、挤出机、过滤网切换装置、计量泵、组合式熔喷模头系统、收集装置、卷绕机等，全套设备由计算机控制。,第九章 熔喷法工艺 9-3 熔喷设备,Accurate公司目前可提供Accuweb标准熔喷系统以及Ffwcm纤维成网系统，后者包括熔喷生产线主要部件和软件部分，客户可使用已有的挤出机和卷绕机等。Accurate公司的熔喷设备目前作了一些改进，在原来连续生产卷材的设备上可生产滤芯，而且滤芯的生产实现了自动切换。其次，熔喷模头可与纤网输出方向垂直安装，也可以斜装，因此改变产品门幅十分方便，1.6m宽的生产线可以生产11.6m宽的任何产品。,第九章 熔喷法工艺 9-3 熔喷设备,3、美国Biax fiberfilm公司熔喷系统 美国Biax fiberfilm公司开发出一种具有多排喷丝孔并列排列的熔喷设备。该熔喷系统的结构与Exxon公司不同，已申请美国专利(USP 5476616；USP 4380570)。Biax fiberfilm公司熔喷系统结构紧凑，熔喷模头系统的加热依靠牵伸热空气，没有其他的电加热装置，设备投资较小。,第九章 熔喷法工艺 9-3 熔喷设备,聚合物熔体1从毛细管3中挤出，空气腔2中的牵伸热空气4从筛网5与毛细管3组成的缝隙中喷出，并将从毛细管3中挤出的聚合物熔体牵伸成超细纤维7。由于采用多排喷丝孔，因此熔喷模头每英寸长度上最多可有332孔，这样就大大提高了生产速度，增加了产量。工作宽度较大时，配置多个计量泵，以保证熔喷纤网单位面积质量的均匀性。该系统通过更换模头，可生产150m纤维细度范围的熔喷非织造布，模头工作宽度为20英寸时，产量为300kg/h(纤维直径10m)，纤维直径为2、6、10m时，能耗分别为3、1.5、0.7kwh/lb。,第九章 熔喷法工艺 9-3 熔喷设备,美国Biax fiberfilm公司的熔喷系统,第九章 熔喷法工艺 9-3 熔喷设备,美国Biax fiberfilm公司熔喷系统原理图,第九章 熔喷法工艺 9-3 熔喷设备,美国Biax fiberfilm公司熔喷模头示意图,第九章 熔喷法工艺 9-3 熔喷设备,4、NKK熔喷生产线 日本高度纸(N.K.K)工业株式会社1986年起进行熔喷工艺技术研究，目前已经可以提供商业化的熔喷生产线。其熔喷生产线的特点是适应各种原料，如聚丙烯、聚酯、聚乙烯、生物降解树脂等均可使用，纤维细度可达到1m，纤网单位面积质量为3300g/m2，纤网均匀度由于特殊的气流分布系统而达到极高的水平。,第九章 熔喷法工艺 9-3 熔喷设备,NKK熔喷生产线,第九章 熔喷法工艺 9-3 熔喷设备,5、美国J&M公司熔喷设备,第九章 熔喷法工艺 9-3 熔喷设备,6、其他熔喷工艺与设备 离心法熔喷工艺：利用离心力使聚合物熔体变成短纤维并成网的熔喷法工艺。聚合物由输送管3经过泵的作用而压入到旋转喷丝器2中，从喷丝孔挤出，形成细丝。熔体细丝受到旋转喷丝器转动产生的离心力而牵伸成为短纤维，并向四周飞散，凝集在环绕旋转喷丝器周围的凝网帘1上，形成纤网后再经过轧辊5加固后卷绕成布卷6。,第九章 熔喷法工艺 9-3 熔喷设备,离心法熔喷工艺,第九章 熔喷法工艺 9-3 熔喷设备,利用两股空气流的熔喷工艺 聚合物熔体由泵打入喷丝器2并从喷丝孔中挤出，一股高压空气流由管道3导入喷丝孔的外侧喷口，同时另一股空气流进入成网管道5，喷丝孔挤出的聚合物熔体细流牵伸成短纤维并收集在成网帘6上，形成纤网7后卷成布卷8。由于纤维在成网时尚未完全冷却，因此纤维间可粘合，使纤网具有一定的强力，此外纤网的结构也较蓬松、孔隙度高。,第九章 熔喷法工艺 9-3 熔喷设备,利用两股空气流的熔喷工艺,第九章 熔喷法工艺 9-4 熔喷产品性能与应用,一、熔喷法非织造布的结构与性能 熔喷法非织造布的特点之一是纤维细度较小，通常小于10m，大多数纤维的细度在14m。,第九章 熔喷法工艺 9-4 熔喷产品性能与应用,熔喷工艺是一个非稳态的纺丝过程，从熔喷模头喷丝孔到接收装置的整条纺丝线上，各种作用力不能保持动平衡。由于这种区别于传统纺丝工艺条件的非稳态纺丝过程，造成了熔喷纤维粗细长短的不一致。,第九章 熔喷法工艺 9-4 熔喷产品性能与应用,从偏光显微镜上观察可知，这种在非均匀牵伸和冷却条件成形的纤维，其结晶和取向也是不均匀的。纺丝成网法非织造布纤网中纤维直径的均匀度明显好于熔喷纤维，纺粘工艺中，纺丝工艺条件是稳态的，牵伸和冷却条件变化波动较小，纺丝线上各点每一瞬时所流经的聚合物质量相等，纺丝线上某点的聚合物的密度、丝条横截面面积和运动速度的乘积为常数，即服从流动连续性方程所描述的规律，纺粘工艺形成的纤维是连续不断的长丝。,第九章 熔喷法工艺 9-4 熔喷产品性能与应用,熔喷聚丙烯纤维的X光衍射图只有2个明显的衍射峰，峰形不尖锐，且有平台出现，所表征的晶胞结构主要是近于拟六方酝晶结构和晶型的2种变体，其中酝晶变体占优势。纺粘聚丙烯纤维具有4个明显的衍射峰，比较尖锐衍射峰所表征的晶胞结构主要是晶型，属单斜晶系。,第九章 熔喷法工艺 9-4 熔喷产品性能与应用,纺粘聚丙烯纤维的X衍射强度显著高于熔喷聚丙烯纤维。,熔喷,纺粘,普纤,第九章 熔喷法工艺 9-4 熔喷产品性能与应用,观察熔喷聚丙烯纤维和纺粘聚丙烯纤维的X衍射照片，两者晶区取向程度和晶格大小是不同的。纺粘聚丙烯纤维的德拜环上的弧状斑点比较明显，纤维结晶区取向程度明显要高于熔喷聚丙烯纤维。,第九章 熔喷法工艺 9-4 熔喷产品性能与应用,熔喷和纺粘聚丙烯纤维的双折射n均随拉伸倍数的增加而提高，而且纺粘聚丙烯纤维的双折射比熔喷聚丙烯纤维要高得多。由此，熔喷成形的纤维强度较差，熔喷法非织造布实际应用时，主要是应用其超细纤维的特点。,第九章 熔喷法工艺 9-4 熔喷产品性能与应用,二、影响熔喷法非织造布产品性能的因素 熔喷工艺的复杂性，决定了影响熔喷法非织造布产品性能的因素较多。聚合物原料性能以及熔喷工艺条件直接影响产品的性能。影响熔喷法非织造布性能的工艺参数分在线参数和离线参数。在线参数是指在熔喷生产过程中可按需调节的变量，主要有聚合物熔体挤出量与温度、牵伸热空气速度和温度以及熔喷接收距离等。离线参数是指只能在设备不运转时才能调节的变量，如熔喷模头喷丝孔形状、牵伸热空气通道尺寸及导入角度等等。研究表明，聚丙烯熔指越高，熔喷成形单纤维的强力越低。,第九章 熔喷法工艺 9-4 熔喷产品性能与应用,聚丙烯熔融指数(MFI)与熔喷法非织造布纵向强力和顶破强力的关系,第九章 熔喷法工艺 9-4 熔喷产品性能与应用,聚丙烯熔融指数(MFI)与熔喷法非织造布断裂伸长的关系,第九章 熔喷法工艺 9-4 熔喷产品性能与应用,熔喷法非织造布的强度与纤网单位面积质量以及密度相关。通常，随着纤网单位面积质量的增加，熔喷法非织造布的纵横向强度均有所增加。但纤网密度对熔喷法非织造布强力的影响很大，对于一定单位面积质量的熔喷法非织造布，纤网密度越小，拉伸断裂强力越低，而拉伸断裂伸长越大。如纤网密度增加，则对提高纤网的断裂强力有利，但拉伸断裂伸长减小。熔喷纤网中的纤维呈杂乱排列，对纤网强力的贡献除了纤维本身强力外还取决于纤维之间的热粘合程度。根据研究，熔喷纤网中纤维之间的热粘合程度与熔喷工艺条件相关，其中熔喷接收距离(DCD)的影响尤为显著。,第九章 熔喷法工艺 9-4 熔喷产品性能与应用,熔喷法非织造布纤网定量和拉伸强力的关系,第九章 熔喷法工艺 9-4 熔喷产品性能与应用,熔喷接收距离(DCD)影响熔喷纤网的蓬松度和纤维之间的热粘合程度。通常情况下，减小接收距离，牵伸热空气冷却和扩散不充分，熔喷纤维之间的热粘合得到改善，但产品的蓬松度下降，密度增加，此时纤网中的纤维多数呈团聚状排列。当接收距离增大时，纺丝线上纤维丝条和牵伸热空气的温度均迅速下降，造成熔喷纤网中纤维之间热粘合效率降低，纤维之间粘连频度下降，此时熔喷纤网具有较高的蓬松度，纤网强力仅取决于纤维之间的缠结和抱合，同时可观察到多数纤维呈伸直状态，并出现较严重的并丝现象。随着熔喷接收距离的增大，熔喷法非织造布的断裂强力、顶破强力、撕破强力以及弯曲刚度均呈下降趋势，而透气率呈增长趋势。,第九章 熔喷法工艺 9-4 熔喷产品性能与应用,团聚状排列的熔喷纤维,第九章 熔喷法工艺 9-4 熔