（机械工程专业论文）针刺非织造布新产品开发中.pdfVIP

学位论文的主要创新点 ij f l r lrrrrllrlllr r l l f i l l f frllflr r f l l l l i f l i l i j l l y 18 7 9 13 6 一、提出了设备选型依据，通过实验获得数据并分析针刺非织造布原料、针 刺工艺对产品的不同程度影响。运用s p s s 软件对原料、工艺的实验数据分别建 立数学模型，为设备选型提供理论支持，并用于指导生产中原料处理及工艺调节。 二、提出了新产品生产流程，运用科学规范的方法及对纤维、工艺分析得出 的结论，指导产品的开发使新产品开发做到规范有序。从而加快项目的实施进度， 有助于企业新产品开发。 摘要 针刺非织造布具有流程短、生产速度快、工艺变换频繁的特点，适应于新材 料、新工艺、新设备的变化与快速发展。特别是随着新材料的不断涌现，部分高 附加值针刺非织造布的市场周期越来越短。由于产品的应用领域和性能要求各不 相同，新材料的不断发展，针刺非织造布生产要能够更快的适应于市场的变换， 加快新产品开发。原料、设备、工艺是针刺产品的三项基本条件，作者由此入手 展开对新产品开发的分析。本文包括以下工作： 1 分析了不同情况下针刺非织造布设备的选型依据，提出了设备配置的基 本原则。提出规范的新产品开发流程用于指导生产。 2 分析了针刺非织造布产品的力学性能：微观理论分析包括弱环理论、束 链模型、负荷分配理论；宏观力学分析借鉴粘弹理论。通过实验得到数据，利用 计算机s p s s 软件进行分析，确定回归方程。分别指出原料、工艺的不同影响程 度，分析表明s p s s 软件对新产品的开发提供了强有力的帮助。 3 从针刺非织造布工艺角度分析了工艺对产品的不同影响。通过对实验数 据分析，可以指导和确定生产设备的梳理机、铺网机、针刺机配置参数和技术要 求。对铺网角度、针刺深度、针刺密度等方面进行实验，获得数据建立回归方 程，得出相关结论。 4 应用纤维、针刺工艺对产品的影响得出的结论，采用新产品开发流程， 在新产品p t f e 过滤材料的开发上进行实践，取得良好的效果。实践证明新产品 开发流程对于设备选型、原料控制、工艺调节具有指导作用，有助于加快新产品 的开发。 关键词：开发流程设备纤维生产工艺 a b s t r a c t n e e d l ep u n c hn o n w o v e nf a b r i ct e c h n o l o g yh a st h es h o r tp r o c e s s ，f a s tp r o d u c e s p e e d , q u i c k l yc h a n g i n gc r a f te t c c h a r a c t e r i s t i c ，t h et e c h n o l o g yi s u s e f u li nn e w m a t e r i a la r e a , n e wt e c h n o l o g ya r e aa n dn e we q u i p m e n ta r e aw h i c hh a v er a p i d d e v e l o p m e n t e s p e c i a l l yf o l l o w i n gw i t ht h en e w m a t e r i a lb e c o m em o r ea n dm o r e ， s o m eh i g hv a l u en e e d l ep u n c hf a b r i ct e c h n o l o g yl i f eb e c o m em o r ea n dm o r es h o r t b e c a u s et h ef i n a l l ym a r k e ta n dt h ef u n c t i o nh a st h ed i f f e r e n ta r e a , e s p e c i a l l yw i t ht h e n e wf i b e r sc o m e so u t ，n e e d l ep u n c hn o n w o v e n sf a b r i cp r o d u c en e e dh a v et h ea b i l i t y t os u i tt ot h ef a s tm a r k e tc h a n g ea n dd e v e l o pm o r en e wp r o d u c t i o n 1 b e c a u s et h en e e d l ep u n c hn o n w o v e n sf a b r i ch a st h ed i f f e r e n tu s i n ga r e a , t h e f a b r i cf u n c t i o ni sd i f f e r e n t 2 a n a l y s i so ft h er a wm a t e r i a l sa n dw o r k m a n s h i pf o rt h ei m p a c to ft h e i r p r o d u c t s s t u d ya n dl e a r nf r o mb d c o l e m a nt h e o r y , c h a i n so fb o u n d l em o d e l ， v i s c o - e l a s t i c - p l a s t i cc o n s t i t u t i v em o d e lt o g e t h e r w i t ht h e t h e o r y , e t e s p s s ( s t a t i s t i c a lp r o d u c ta n ds e r v i c es o l u t i o n s ) u s et h ec o m p u t e rs o f t w a r ea n dm a k e u s eo fi t sf u n c t i o n st oh e l pt h en e wp r o d u c td e v e l o p m e n t 3 a c c o r d i n gt h ep r o d u c t i o nt e n s i l e a c c o r d i n gt ot h ee q u i p m e n t , t h ec a r d i n g m a c h i n e ，c r o s s l a p p e r , n e e d l ep u n c ha n dt h ec a p a c i t yo ft h ee q u i p m e n tt o u s et h e d i f f e r e n tc o o p e r a t e i nd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，t h es a m et e c h n o l o g yw a ya n da i ms t e pb y s t e pt op r o d u c et h ep r o d u c t i o nw h i c hs u i tt ot h em a r k e t 4 t o 嘴a n a l y t i c a lc o n c l u s i o n , g u i d a n c ep t f ef i l t e rt h ea c t u a lp r o d u c t i o n ，g e tag o o d c o n c l u s i o n k e yw o r d s ：p r o c e s s ，e q u i p m e n t ，f i b e r s ，c r a f t 目录 第一章概述1 1 1 本课题的立题背景和研究意义1 1 1 1 针刺非织造布生产原理2 1 1 2 针刺产品特点3 1 1 3 几种用于针刺非织造布的新材料3 1 2 针刺非织造布产品生产现状5 1 2 1 针刺滤材的发展5 1 2 2 针刺产品在汽车上的应用6 1 2 3 针刺材料在合成革基布方面的应用7 1 2 4 针刺材料在土工布方面的应用7 1 3 针刺非织造布新产品开发流程7 1 3 1 产品开发的基本流程7 1 3 2 针刺非织造布产品技术开发流程8 1 4 针刺非织造布开发与工艺研究存在的问题9 1 5 本课题研究的主要问题及预期目标1 0 第二章针刺设备的特点与生产线选型1 1 2 1 针刺非织造布的设备描述1 l 2 2 国外设备发展情况1 1 2 3 国内的设备开发现状1 3 2 4 针刺非织造布生产线的选型依据1 4 2 4 1 系统化原则1 5 2 4 2 适用性原则1 5 2 4 3 技术先进性原则1 6 2 4 4 低成本原则1 6 2 4 5 可靠性和安全性原则1 7 2 4 6 环保性原则1 7 2 5 本章小结1 7 第三章针刺非织造布的结构与模型分析1 9 3 1 针刺法非织造布的加工1 9 3 2 针刺非织造布原料性能描述2 0 3 2 1 针刺非织造布成品结构2 0 3 2 2 针刺非织造布的基本性能描述2 0 3 3 各种纤维指标描述及针刺产品与纤维的关系2 1 3 4 纤维对针刺非织造布产品力学性能的影响2 3 3 4 1 几种微观力学分析针刺织物受力破坏的理论分析2 4 3 4 2 应用粘弹性力学模型描述针刺产品的结构2 6 3 4 3 纤维与针刺非织造布中的利用系数2 9 3 4 4 产品克重及纤维纤度对针刺非织造布影响的分析3 1 3 5 本章小结3 6 第四章生产工艺对针刺非织造布性能的影响3 7 4 1 铺网工艺的影响3 7 4 2 针刺密度的影响3 9 4 3 针刺深度的影响4 0 4 4 针刺深度与针刺密度同时调节的影响4 1 4 5 本章小结4 6 第五章实验验证与创新应用4 7 5 1 新产品开发流程在p t f e 针刺毡项目上的应用4 7 5 1 1p t f e 纤维特性4 7 5 1 2p t f e 针刺毡在过滤材料方面的优势5 0 5 2 利用开发流程对p t e f 针刺毡加工过程中提出问题及解决方案5 0 5 3 对p t f e 的梳理试验5 2 5 4 确定设备方案及项目投产5 5 5 5 本章小结5 6 第六章结论与展望5 7 6 1 结论5 7 6 2 展望5 7 参考文献5 9 发表论文和科研情况说明6 3 致谢6 5 第一章概述 第一章概述 1 1 本课题的立题背景和研究意义 非织造布有别于传统纺织行业，是一门新兴的跨行业的多学科产业，综合了 化纤新材料、造纸、化工、塑料等多行业的工业技术，与这些技术的发展息息相 关，特别与新材料的发展密不可分n ，。材料科学是当前世界新技术革命的三大支 柱( 材料、信息、能源) 之一，与信息技术、生物技术一起构成了当前世界最重要 和最具发展潜力的三大领域之一。对材料的认识与利用能力，往往决定着社会的 形态和人类生活的质量。人类的历史已经证明，材料是人类社会发展的物质基础 和先导，而新材料则是人类社会进步的里程碑。新材料在发展高新技术、改造和 提升传统产业、增强综合国力和国防实力方面起着重要的作用，而且在自然科学 和工程技术领域中发展也越来越快，地位日趋重要。根据对同时段论文发表数量 统计，6 年问国内新材料领域论文发表数量的年平均增长率为9 1 5 ，大于自然 科学和工程技术领域8 3 4 的论文发表增长率；新材料领域发表论文占自然科学 与工程技术领域发表论文的比重也保持上升的势头，6 年间增长了0 1 3 个百分 点。 新材料按材料的属性划分，有金属材料、无机非金属材料、有机高分子 材料、先进复合材料四大类。这几类材料在针刺非织造布领域都有所应用。 这是因为很多特种新材料在普通纺织技术难以适应和应用，而非织造布在新型 纤维材料的应用及高新技术的渗透上没有障碍，使其与相同传统的纺织产品相比 具有高附加值和高效益的竞争优势，产业发展势头迅猛。 针刺非织造布的应用主要应用领域为产业用纺织品，如过滤材料、汽车内饰 材料、土工织物、合成革基布等。在新材料的应用方面走在前列，如芳纶1 3 1 3 、 芳砜纶纤维、p p s 纤维、不锈钢纤维、超细纤维、聚四氟乙烯( p t f e ) 等纤维材 料在针刺产品上的应用逐步深入。 新材料的发展推动了新技术、新设备的不断进步，对新材料的开发需要遵循 一定的规律和程序，才能减少开发成本、更快更好的促进新产品的投产。 从全面质量管理的角度分析，影响产品质量的五个主要因素是人、机、料、 法、环几个方面，作为针刺非织造布新产品的开发同样也可以借鉴这五个方面。 在这其中机、料、法是新产品开发所应该特别掌握的。 机就是指生产中所使用的设备、工具等辅助生产用具。生产中，设备的 天津工业大学硕士学位论文 是否能正常运作，工具的好坏都是影响生产进度以及产品质量。好的设备能提高 生产效率，适应产品开发，提高产品质量。设备将决定产品的物理和机械性能， 决定了对新产品加工的适应性。设备的选择是以原料性能分析和工艺调整为基 础。 料一指物料，在这里特别指原料等产品用料。整个产品的化学性能及部分 物理性能和机械性能。所以原料的选择决定新产品应用的可能性。 法一顾名思义法则，指生产过程中所需遵循的规章制度，在这里主要是指 工艺及标准。工艺调节原料对设备的适应性。 充分掌握设备、原料、工艺相互之间的影响和作用，利用实验得出数据， 对数据进行分析，建立线性方程等工作，在新产品的项目开发中是必不可 少的环节。 1 1 1 针剌非织造布生产原理 针刺产品的技术核心是利用机械缠结固结纤网的方法形成非织造布织物，它 利用带有勾齿的刺针带动纤维穿过纤网内部，来回往复，使纤维相互纠缠在一起。 刺针是主要加固部件，固定在针板上，针板背面则固定在连杆上，连杆带动针板 上下运动，完成纤维问的缠结，见图卜1 针刺生产原理。决定产品性能的因素主 要包括纤维性能、针刺工艺、设备性能等方面因素，其中纤维性能作为内因主要 决定产品的基本的化学及主要物理特性指标( 如耐化学性能、阻燃性能、导电性 能等) ；而针刺工艺作为现场生产的主要调节手段对产品的强力、伸长、克重、 厚度等性能指标起到决定作用；针刺设备则是联系两者的桥梁，起到沟通原料与 工艺的作用，实现原料物理变化的生产工具，保证生产的连续运行。三者之间相 互联系、相互影响，研究原料及工艺对成品的影响将有助于简化产品开发流程、 促进设备改进、发展及设备选型。 图i - i 针刺生产原理图 2 第一章概述 1 1 2 针刺产品特点 针刺非织造布产品具有空间三维交错架构，适用于过滤材料、合成革基布、 土工材料等产品。针刺加工产品范围广泛，产品克重从6 卜1 0 0 0 9 m 2 都有应用。 而且针刺技术适用于常规纺织技术难以加工的厚型织物，其工艺容易与热定型、 化学粘合和浸渍等工艺结合。与其它种类非织造产品相比，针刺产品拉伸强度、 撕裂强度、模量可调范围广，机械性能稳定，耐久性突出，其产品宽度可达1 3 m ( 如土工布产品) 川。 不同的使用场合所采用的生产原料具有很大区别，在纤维品种、长度、纤度、 卷曲性能等方面差异很大。如针刺滤料，常规耐温要求时可使用丙纶、涤纶( 耐 温要求小于1 2 0 ) ；长期高温情况下使用时多采用玻璃纤维等；对于高温腐蚀 环境下( 2 0 0 ) 采用p p s 纤维、p 8 4 以及芳纶纤维材料；如温度要求在2 2 0 左 右同时要求有耐酸碱等化学性能，则可以使用芳纶纤维并采用p t f e 乳液浸渍处 理；某些特种环境( 屏蔽、抗静电) 使用不锈钢纤维类材料；革基布的生产则采 用涤纶、锦纶等纤维品种以及超细纤维材料。相同的纤维在加工不同产品时，其 生产工艺也各有差异，如涤纶短纤生产革基布时其产品的针刺密度、针刺深度等 工艺参数较针刺滤材的工艺差异很大，同时产品的克重各有不同乜1 。 1 1 3 几种用于针刺非织造布的新材料 ( 1 ) 双组分纤维，也可称为复合纤维，是非织造布生产中重要性日益增加 的特殊合成纤维，日本窒素( c h i s s o ) 公司是最早开发双组分纤维的公司之一， e s 是其主要品种。它由聚乙烯与聚丙烯双组分并列复合而成，典型纤维特性为： 纤度2 2 d t e x ，湿强度3 4 c n d t e x ，纤维断裂伸长4 5 ；纤维长度有3 8 6 4 m 多 种规格。纤度3 3 d t e x 时，断裂伸长为6 5 。纤维热熔粘合温度范围较宽，约在 1 3 0 - 1 5 2 之间。e s 型与e s c 型双组分纤维应用了低熔点聚乙烯，e s 型双组分 纤维适用于热轧、热风粘合非织造布加工产品主要用作卫生巾、尿片的包覆材料 及医用卫生材料。双组分纤维现在非织造布生产中的应用愈来愈广，不仅用于热 粘合加固，也用于非织造布加固的增强手段，如针刺非织造布的热处理，用于加 工汽车内饰材料、液体过滤滤芯、针刺模压材料、土工布等如1 。 ( 2 ) 超细纤维，纤度低于0 5 5 d t e x 的纤维称为超细，有的甚至提出要低于 0 1l d t e x 方才可称为超细。超细纤维主要有两大生产方法：一种是采用熔喷法 非织造布技术，将生产超细纤维与成网结合在一个工序中；另一种使用最广的是 采用双组分纤维的纺丝技术生产超细纤维，这种方法实际上是两步法生产。首先 生产的双组分纤维系由两种互不相容的高分子材料经复合纺丝，制成常规纤度的 3 天津工业大学硕士学位论文 复合纤维，这种维可像普通纺织纤维一样进行纺纱、织布或非织造布加工。制成 布后再经化学溶剂处理或经水刺非织造布加工将外壳溶解或破碎，因此包在外壳 中间的一束超细纤维就被释放成单纤状。用这种方法可生产细0 0 0 5 0 o l d t e x 的极细纤维。超细纤维的生产目前以日本规模最大，技术也比较先进。超细纤维 的生产方法主要有海岛型复合纺丝、中空环状花瓣型复合纺丝及分割型复合纺丝 等。这三种方法分别被东丽公司、帝人公司与钟纺公司采用，东丽公司的超细纤 维纽度仅0 0 0 5 d t e x ，它以4 0 的聚酰胺6 、4 0 的低粘度聚苯乙烯与2 0 高粘度 聚苯乙烯复合纺丝而成，低粘度聚苯乙烯作为“海”，被高粘度聚苯乙烯包围的 聚酰胺6 作为“岛”。复合纤维按常规纺丝、拉伸等加工成纤后，再经针刺非 织造布工艺加工成合成革基布，然后经三氯乙烷溶剂浸渍后，低粘度聚苯乙烯的 “海”部分被溶解，因此超细纤维显露。这种纤维用针刺法非织造布工艺再加上 适当的后整理，可制成外观酷似真皮的人造麂皮。帝人公司的超细纤维由聚酯与 改性聚酯复合纺丝制成中空型环状花瓣复合纤维，纤度为5 2 d t e x ，长度为5 5 m 。 纤维按常规方法梳理成网，经针刺，加工成2 5 0 9 m 2 的非织造布，将它经过7 5 c 的热水浸渍l o m i n 后，就制得由0 3 9 d t e x 超细纤维组成的针刺非织造布基布， 再经湿法聚氨酯合成革工艺加工，就成为柔软、手感良好的优质聚氨酯合成革。 ( 3 ) p t f e 纤维，化学名称聚四氟乙烯，是一种物理及化学性能极为优异的 高分子聚合材料，其分子结构单元为 一c f 2 一 ，聚四氟乙烯相对分子质量较大， 低的为数十万，高的达一千万以上，一般为数百万。p t f e 聚合物一般结晶度为 9 0 - 9 5 。由于氟原子强极性，使得聚合物表现出极其稳定的物理化学性能，如耐 化学腐蚀、耐高温等优异特点，被誉为“塑料王”。其极为突出的物理、化学特 性表现在：耐高温长期使用温度2 0 0 2 6 0 ，熔融温度为3 2 7 - - - 3 4 2 ；耐低 温在- 1 0 0 时仍柔软；耐腐蚀能耐王水和一切有机溶剂；耐气候塑 料中最佳的老化寿命；高润滑具有塑料中最小的摩擦系数；不粘性具有 固体材料中最小的表面张力而不粘附任何物质；无毒害具有生理惰性；优异 的电气性能，是理想的c 级绝缘材料。目前p t f e 短纤多采用成膜后割裂法加工 短纤，短纤截面为扁平状不规则结构比表面积大。p t f e 的比重为2 3 克立方分 米，较其它纤维的比重高，所以常规3 5 d 左右的纤维平均直径在0 0 1 4 m m 左右 与常规2 d 涤纶纤维直径接近，但由于采用割裂法加工而成纤维的纤度存在一定 的分布区间，所以纤维利于在过滤材料方面的应用。 ( 4 ) 不锈钢纤维，是指纤维直径为微米级别的奥氏体不锈钢材料，与其它 纤维入混纺经针刺后可以制作耐高温滤料等产品，具有防辐射、防静电、抗拉强 度高、极限延伸率小等特点。 其它纤维，如芳轮纤维、陶瓷纤维、碳纤维等都在针刺非织造上有所应用。 4 第一章概述 1 2 针刺非织造布产品生产现状 针刺非织造布产品根据用途主要分为：针刺革基布、针刺滤料、汽车内饰、 油毡基布、土工布等品种。据中国产业用纺织品行业协会抽样调查进行推算2 0 0 5 年产量为1 2 7 5 万吨，比2 0 0 4 年增长1 0 。从全球角度来看，无论从服装革、 鞋革或家具革，还是汽车用纺织品、环保过滤材料、防水材料、絮填材料等领域 未来市场都有一定的增长空间。2 0 0 8 年我国总的针刺产能为4 8 3 万吨( 约1 7 2 万米) ，见表卜1 。在各省市都有相应的应用。其中，浙江省的针刺非织造布一 直走在全国前列，在超纤合成革基布、汽车内饰材料、过滤材料、土工布等中高 档产品的开发生产方面具有优势。2 0 0 5 年至今，针刺非织造布又得到了新的发 展。起绒针刺机迅速兴起可直接生产出起绒织物。膨润土针刺非织造布在垃圾 填埋场中得到广泛应用，可以防止污水渗入地下，已有多条生产线生产出产品供 应市场。 表1 - 12 0 0 8 - 2 0 0 9 年国内非织造布产品产量 1 2 1 针刺滤材的发展 在针刺产品中，以针刺过滤材料的产品类型和原料种类最为丰富。目前，我 国的针刺非织造过滤材料与国外的差距已大大缩小。已经能够生产国外已有的大 多数针刺非织造过滤材料大类品种，例如普通聚酯针刺滤料、聚丙烯针刺滤料、 玻璃纤维针刺滤料、n o m e x ( 芳纶1 3 1 3 ) 、p p s 针刺滤料、p t f e 滤料和金属纤维 针刺滤料等，它们有的产品能耐2 6 0 。c 以上的高温；如由金属纤维制成的滤料， 能够耐达3 5 0 。c 以上的高温。以玻璃纤维针刺过滤材料为例，是以玻璃纤维为原 料，用刺针对梳理后的短切玻纤毡进行针刺，用机械方法使毡层玻纤之间、毡层 5 天津工业大学硕士学位论文 玻纤与增强玻纤基布之间纤维相互缠结，纤网得以加固而制成的毡状非织造布过 滤材料；因产品的针密较高，而且中间必须加机织布，所以一般生产线都必须有 开包、混棉、梳理和铺网设备，在铺网机中间增加一台放卷机用来放布，后面使 用3 - - 4 台针刺机：因玻璃纤维表面光滑、刚度大、易折断，在针刺加工时受力 不可过大必须多次针刺渐渐加密，一般使用3 _ - 4 区针刺，每次针密度不宜过大； 根据企业生产经验，针刺机的植针密度在4 0 0 0 针m 左右，单机针刺频率小于6 0 0 次m i n 为好h 1 。 高温滤料在垃圾焚烧、水泥行业、火力发电等领域的应用不断扩大。以火力 发电为例，据中国电力企业联合会2 0 0 8 年度报告，截至2 0 0 8 年底我国电力装机 容量为8 亿千瓦，其中火电机组为7 8 ，约6 2 亿千瓦，十二五期间火电将达到 9 3 3 亿千瓦，增长超过5 0 。假设未来五年内，袋式除尘占火电行业除尘市场份 额的5 0 ，则平均每年需求量约8 0 0 万m 2 ；包括垃圾焚烧、水泥行业在内高温滤 料的发展在未来5 年内将保持1 5 以上的高速增长。 1 2 2 针刺产品在汽车上的应用 汽车用纺织品范畴较大，包括坐垫、地毯、顶篷呢、内饰材料等，所使用的 原料主要有涤纶短纤维、丙纶短纤维、再生纤维、椰丝纤维等。各种汽车内饰材 料其生产工艺虽有所不同但都以针刺为主，汽车针刺无纺布用量见表卜2 。中国 机械工业联合会统计数字显示，2 0 0 6 年上半年我国生产汽车3 8 8 6 4 万辆全年产 量有望达到7 0 0 万辆。中国汽车工程学会预测，2 0 0 7 年我国汽车产量有望突破 8 0 0 万辆，到2 0 1 0 年，将达到1 0 0 0 万辆晦1 。 表1 - 2 汽车用针刺无纺布用量 一般说来，采用针刺非织造布来制造的车用品，按重量计算，每辆轿车可使 用各种针刺非织造布约2 0 _ 4 0 k g 。汽车产量的持续增长将给各配套行业带来巨 大的市场商机。针刺非织造布作为一种新型的汽车工业用产品，市场前景非常可 观6 l 。 6 第一章概述 1 2 3 针刺材料在合成革基布方面的应用 世界上最早的革基布产生于1 9 2 1 年，最开始是机织布、帆布、针织布到起 毛布，所采用的原料从最原始的棉纤维也扩大到了合成纤维，但在生产和使用过 程中，人们发现天然皮革基板是由普通纤维十分之一到百分之一粗细的微细胶原 纤维在三维方向上相互交络而成，要做到仿真皮效果好，基布必须具有类似于天 然皮革的这种三维网状结构，但是机织布和针织布等织物不具备这样结构，因此， 随着非织造布的出现，这种具有三维立体交缠结构的非织造布被应用做革基布， 并取得较好的使用效果。并且，早期生产的非织造布基布所使用的纤维是常规纤 维，细度在1 5 _ _ 6 d 范围内，产品的柔软度和弹性较差，表观密度和纤维的比表 面积不够高，后来随着非织造布基布中超细纤维的应用，实现了高仿真的合成革 产品，甚至在某些指标超出真皮的性能。超细纤维主要有分裂型超细纤维和海岛 型超细纤维，采用海岛型超细纤维时一般以针刺法加工非织造布，然后经过后整 理以溶去纤维中的海部分而成m 协1 。 目前，国外生产的合成革基布技术含量和附加值高，产品主要以针刺非织造 布为主，且所用原料多选用超细纤维，在这方面日本一些公司具有明显的技术优 势和自己的技术诀窍，如日本的东丽、可乐丽、旭化成和帝人等公司，几乎占世 界超细纤维人造麂皮总产量的一半。 1 2 4 针刺材料在土工布方面的应用 国际上被称为第四大建筑材料的土工合成材料，是对一些列复合合成产品的 总称。这些产品主要用于解决土工工程上的问题，其中包括：土工布、土工膜、 土工合成材料和土工网。从生产工艺上而言，多数为针刺土工材料，主要实现如： 隔离、过滤、排水、加筋、水土保持等。2 0 0 8 年土工合成材料产量1 6 4 万吨， 同比增长1 8 8 4 ，随着我国铁路、公路建设、垃圾填埋、河道整治的投资加大， 预计2 0 1 2 年前国内需求还将以不低于1 0 的速度增长隋1 。 1 3 针刺非织造布新产品开发流程 1 3 1 产品开发的基本流程 新产品的开发就是企业用于想象、设计和商业化一种产品的步骤或活动序 列。针对一种新产品的开发，往往要承担着很多的风险，一方面是来自于市场的 7 天津工业大学硕士学位论文 需求，另一方面是在开发过程中面临的机物料的损失，所以在开发一种新产品时 我们首先要遵循一定的规律，充分利用一致的条件，克服在生产中的难题。 一般对企业而言新产品的开发作为项目进展一般要遵循六个基本阶段： ( i ) 阶段0 ，计划：计划经常被作为“零阶段”是因为它先于项目的达成和 实际产品开发过程的启动。这一阶段始于公司策略，并包括对技术开发和市场目 标的评估。 ( 2 ) 阶段1 ，概念开发：概念开发阶段的主要任务是识别目标市场的需要， 产生并评估可替代的产品概念，为进一步开发选择一个概念。概念是指产品形 状、功能和特性的描述，通常附有一套专业名词、竞争产品分析和项目的济分析。 ( 3 ) 阶段2 ，系统水平设计：系统水平设计阶段包括产品结构的定义以及产 品子系统和部件的划分。生产系统的最终装配计划也通常在此阶段定义。该阶段 的产出通常是产品的几何设计、工艺设计每一个产品子系统的功能专门化，以及 最终装配过程的基本流程图。 ( 4 ) 阶段3 ，细节设计：细节设计阶段包括产品的所有非标准部件、特种原 材料与从供应商处购买的标准部件的尺寸、材料和公差的完整细目，建立流程计 划并为每一个即将在生产系统中制造的部件设计工具。 ( 5 ) 阶段4 ，测试和改进：测试和改进阶段包括产品的多个生产前版本的构 建和评估，选择最优的流程和方案。 ( 6 ) 阶段5 ，产品推出：在产品推出阶段，使用规划生产系统制造产品。试 用的目的是培训工人和解决在生产流程中遗留的问题。有时把在此阶段生产出的 物品提供给有偏好的顾客并仔细对其进行评估，以识别出一些遗留的缺陷。从产 品推出到连续生产的转变通常是逐渐进行的。在此转变的某些节点，产品被推出 并可以进行大范围的分配 1 3 2 针刺非织造布产品技术开发流程 产品技术开发流程作为新产品项目的一部分，研究产品本身的技术可能性及 实施方案，我们的研究主要集中在阶段i - 4 。开发流程本身有着经典的标准过程 参考模型p a c e ( p r o d u c ta n dc y c l e - t i m ee x c e l l e n c e 产品及周期优化法) ，经 过多年改善，包括i b m 、m o t o r o l a 、杜邦、华为等在内的许多公司已把p a c e 的 各种理念方法付诸实施。1 9 8 6 年，p r t m 提出了产品开发流程的p a c e 这一概念。 许多公司将其作为最实用模型用于改进产品开发流程。通过多年的发展和完善， 现在p a c e 已经成为产品开发的事实上的标准的流程参考模式。它所提供的是一 个通用框架，标准术语，适用于全行业的流程基准，一个更新最佳时间方法，以 及一个持续完善的流程。它分为以下几步： 3 第一章概述 决策项目小组构成一开发活动的结构开发工具与技术产品 战略流程技术管理管道管理 图l - 2 新产品开发流程图 借鉴比较成熟的p a c e 流程，结合针刺非织造布产品的实际，制定针刺非织 造布开发流程如图卜2 ，在这些过程中针对产品的初步设计方案、分析原料及工 艺的实现性、设计生产方案等一系列流程都离不开对原料和工艺的分析与判断。 1 4 针刺非织造布开发与工艺研究存在的问题 针刺非织造非织造布的构成结构非常复杂，目前还没有成熟的公式或理论精 9 天津工业大学硕士学位论文 确描述其结构与性能。多数情况下只能通过试验统计的方法判断其中各个因素的 影响作用。 首先非织造布产品的原料是多种多样的，每种原料各有其性能。通常新产品 的开发是多种纤维之间混合组成的，构成是由纤维问的摩擦力和纤维间的相互纠 结程度作用程度各有不同。很多研究人员利用纤维拉伸性能和纤网结构的基本数 据建立模型来预测非织造布的力学性能，但是很多情况下不能很好地反映产品的 性能，从力学研究的角度也有人将非织造看作兼有弹性固体和粘性流体的粘弹 体，利用三元件力学模型来研究和模拟产品强力。 其次，针刺非织造布设备及工艺参数的变化也存在各种变化。当开发一种设 备新的原料时，其应用领域的实际要经过实践的验证。不同的应用场合对产品的 使用要求各不相同，而且各个不同的指标间相互影响，所以要用一个模型或公式 完全描述各种不同的性能指标是很困难的。针对这种现象我们在此主要针对产品 的拉伸强力来作为描述对象，由此可以推导出其它技术指标的调整方式。 1 5 本课题研究的主要问题及预期目标 ( 1 ) 、针对新产品的开发，确定机、料、法三个方面的分析方向，确定产品 开发的设备原则。 ( 2 ) 、针对原料的分析，作出微观理论分析判断织物断裂机理；分析宏观力 学模型；对原料在成品中的状态，通过实验确定线性方程，并对方程内的各个影 响因素进行分析，确定各自的影响比重。 ( 3 ) 、对针刺工艺的分析，主要集中在针刺密度和针刺深度的分析，通过实 验数据建立回归方程，并试验分析个工艺参数的影响程度。 ( 4 ) 、利用机、料、法三个方面的分析，实际指导p t f e 针刺过滤毡生产线 的开发。 ( 5 ) 、通过对p t f e 生产线的实际应用，验证针刺新产品的开发流程的有效 性，并能用于其它新产品开发的指导。 l o 第二章针刺设备的特点与生产线选型 第二章针刺设备的特点与生产线选型 2 1 针刺非织造布的设备描述 针刺非织造布设备的选型主要是对针刺机的选择。随着新材料新工艺的不断 出现，不同性能的设备也不断出现，如：圆筒式预刺针刺机、双区对位针刺机等 类型的设备，都离不开对针刺产品的性能研究。 针刺技术是第一代传统的非织造布生产技术，现己发展得比较成熟，针刺机 的核心原理如图2 - 1 ，但在很多新材料、新工艺不断出现的情况下，各方面性能 还有不断提高和改进的可能。例如针刺机布针方式、针板形式、冲程、工作幅宽、 刺针形状和质量、剥网板、托网板结构形式及材质、机器运转的平稳性和能耗等 方面n 0 1 。 图2 1 针刺机生产原理图 2 2 国外设备发展情况 近些年国外非织造布行业公司纷纷兼并重组，针刺工业也是如此，如t e m a f a 控股d il o 公司，o e r li k o n & n e u m a g 兼并f e h r e r 公司，t r u e t z s c h l e r 控股e r k o 公司等。这在设备研发方面具有更多的优势，国外先进国家采用刺针椭圆形运动 轨迹的高性能针刺机已相当普遍。最高针刺频率达到3 0 0 0 次分。t e m a f a 公司 天津工业大学硕士学位论文 控股德国d i l o ( 迪罗) 的一款花纹绒面针刺机幅宽6 m ，针刺频率达2 4 0 0 次分。 国外一些公司研制了增强型针刺非织布工艺与设备，如f e h r e r 公司的新型绒面 针刺机、法国n s ca s s e l i n 公司的a 5 0 - s s d b 型针刺机，适合生产汽车内饰用针 刺毯可取代成本较高的机织布；辊筒型针刺机适用于高克重产品，见图2 2 。 f e h r e r 公司是世界上最早研制成功具有组合式全封闭传动机构的高速针刺 机的公司，在2 0 0 5 年被瑞士s a u r e r 苏拉集团并购。该公司主要的针刺技术有 h 1 针刺技术、最大针刺频率达到3 0 0 0 次分以上的高速针刺机以及起毛针刺技 术、地毯针刺机、造纸毛毯针刺技术等。f e h r e r 公司在造纸毛毯环形针刺机上 也已使用椭圆形针刺说明椭圆形针刺的使用在不断扩大。h 1 针刺技术的特点是 弧形针板+ 垂直刺针。其优点是针刺深度增加，针板方向不断改变纤维进行再排 列、杂乱及缠结效果较传统的平板针刺为优，见图2 3 。 d i l o 公司的椭圆形针刺机是近些年来针刺技术上的最大突破。针刺工艺 过程一般都会出现断针现象，特别是在预刺方面导致针刺机生产效率下降和非织 造布质量恶化。h y p e r p u n c h 技术克服了这个缺点。其主要特征是针板横梁由2 个偏心机构驱动，刺针不再单纯垂直向运动，在肋( 纵) 向的子午面内作垂直和 水平向二维运动其轨迹由一条直线改变为近似于椭圆状其水平向的移距适应纤 网步进量在时空上与其很好配合，从而显著减少纤网的拉伸，实现优质高产。针 板的专用传动机构是系统确保刺针在针刺纤网过程中的运动轨迹为椭圆形。d i l o 公司设计了在托网板和针刺机剥网板上的孔眼，并使其具有沿着被加工材料运动 方向排列且呈长腰形的特征。h y p e r p u n c h 原理可使构架材料受到的来自刺针的 损伤大大降低刺针折断数显著减少，针刺非织造布的质量得以改善u ，见图2 4 。 以上这些新设备及新技术的应用都离不开对针刺产品结构的研究和试验。 图2 - 2a s l m 辊筒针刺机 1 2 第二章针刺设备的特点与生产线选型 图2 3f e h r e r 公司的“i l l 弧形针板针刺机规格 图2 - 4d i l o 公司的h y p e r p u n c h 结构椭圆轨迹刺针运动方式 2 3 国内的设备开发现状 目前我国在针刺工艺技术水平、产品种类及质量特别是技术开发创新能力等 方面还存在差距。在针刺设备成套性方面我国开发了一批适用型技术装备。郑州 纺织机械有限公司、青岛纺织机械有限公司、江苏海润纺织机械有限公司、飞龙 无纺设备公司等都已有比较完善配套的相应设备提供。 青岛纺机的针刺生产线包括预针刺机、针刺机。以及可用于针刺非织造布生 天津工业大学硕士学位论文 产线主针刺和修面针刺的异位对刺机等。其中预针刺机采用双轴驱动刺针，动程 可达到7 0 m 针板上装有限位自停装器并且触摸屏显示工艺参数，方便调整。异 位对刺机具有占地面积小、结构紧凑的特点，所采用的双曲轴驱动平衡油箱可使 整机设备运行更加平稳，满足高速运转的需要。但总体而言在设备开发方面我们 距离国外先进技术任有一定的差距，所以结合企业实际，加强针刺产品的研究， 以及新材料新工艺的研究，一方面更好的指导产品生产，为原料选择质量分析提 供必要的理论数据，另一方面可以为设备生产与开发提供更多的技术数据和开发 方向。 2 4 针刺非织造布生产线的选型依据 针刺产品的常规生产流程如下( 设备布置示意图见2 - 5 ) ： 短纤原料开松机混棉机喂棉机梳理机铺网预针刺机 主针刺机成卷机 图2 5 常规针刺滤料非织造布生产线布局 不同用途针刺产品的设备配置各有其特点，对性能要求各有不同，一般要根 1 4 第二章针刺设备的特点与生产线选型 据工艺流程、原料性能、产品特性来选择。但在设备选型时有一定的原则需要遵 守，选型原则如下： 2 4 1 系统化原则 系统化是指非织造布设备配置、选择中用系统的观点和方法，对所要选择的 非织造设备及所涉及的工艺流程的各环节进行系统分析，把各部分设备与生产产 品的性能、各部分设备生产能力与总产能、设备选型与操作人员配备等有机地结 合起来，兼顾考虑到设备配置串联运转的性能并重点兼顾关键运转部件的性能及 要求，使设备配置、选择最佳，保证设备能发挥最大的效能，并使生产设备达到 最佳的生产效率。 针刺非织造布生产线有其自身的特性，其生产流程短、速度快、产量高、设 备紧凑并各机台串联成线等特点，同时由于非织造布品种变化多样，设备配置各 不相同，在设备选购方面往往是几家企业的设备组装成线。所以，在按系统化原 则配置与选择设备时，不仅要求单独某台设备达到生产要求( 保证产能、可靠性) ， 同样各设备之间相匹配，一方面是机械结构、尺寸( 设备高度、宽度、管道接头 等) 保证配合，另一方面要求电气控制系统的信号传输、控制方式、信号源相互 统一或兼容。各机台的安全运转率要达到或高于整线的正常运转率，只有这样才 能保证整线设备运转生产率达到要求，否则会出现“木桶效应”，运转率最低的 设备决定整线的生产效率下降。 2 4 2 适用性原则 适用性是指非织造布设备满足使用要求的能力，它基本包括适应性和实用 性。在配置与选择设备时，应充分注意到配置设备生产线要有明确的目标，产品 的的市场规模及市场定位提前做好调研工作。这样设备配置才符合满足市场需求 的产品的特性，适应不同的原料变化及原料混比的性能要求。根据具体的产品要 求来确定需要什么样的生产设备及设备产能，随着非织造布产业的发展，越来越 多的新材料不断出现，各种类型固网复合型方式取代原来单一固网方式。把握各 种生产工艺的特点，充分发挥各自的优势做到取长补短，可以实现1 + 1 ) 2 的效 果。 天津工业大学硕士学位论文 另一方面是针刺非织造布设备的实用性，有些人认为组合功能越多越好( 实 验室工艺试验线除外) ，其实不然。设备组成结构越复杂，企业的成本投入增加； 功能太多，不一定是实际生产所需要的，设备得不到充分的利用，造成浪费，不 可能取得良好的经济效益；设备组成部分增多造成故障点也在增多，增加了设备 的维护成本。 2 4 3 技术先进性原则 技术先进性是指配置与选择的非织造布设备能够反映当前科学技术先进成 果，在主要技术性能、自动化程度、结构优化、环境保护、操作条件、节约能耗、 现代新技术的应用等方面具有技术上的先进，并在时效性方面能满足技术发展要 求。因而，先进是指在一定条件下、一定时期的先进。非织造布设备的技术先进 性是实现产品开发、生产所具备的技术基础。