（纺织工程专业论文）熔喷聚氨酯非织造材料的成网机理与性能研究.pdf

摘要 熔喷聚氨酯非织造材料的成网机理与性能研究 摘要 对于传统非织造材料，弹性差经拉伸后回复率低是长期以来 难以克服的一个缺点。本课题的研究就是针对这一问题而开展的。 一个比较好的解决办法是使用弹性纤维来生产弹性非织造材 料。美国、日本等发达国家在这方面做了较多的研究，积累了一些 经验，但在我国此类研究尚处于起步阶段，特别是有关熔喷聚氨酯 弹性非织造材料的研究和生产还鲜有报道。本课题的开展将有助于 我国弹性非织造材料的发展。 研究中使用两种聚氨酯切片g 8 3 和b 8 7 为原料，首先应用哈克 流变仪、差动热分析仪、x 衍射仪分析了切片的有关物理指标。熔 喷聚氨酯熔体为假塑性切力变稀流体，在同等温度下b 8 7 比g 8 3 的 熔体表观粘度大。两神切片在高温时的非牛顿指数1 1 都较大，接近 牛顿流体。且非牛顿指数n 随温度升高而增大，说明升高温度能够 提高聚氨酯的流动性能，使熔体弹性减小，将有利于熔喷的生产。 熔喷聚氨酯熔体表观粘流活化能b l 较大，温度敏感性高，且随剪切 速率的增大而减小。经过熔喷工艺的加工，采用x 射线衍射法测定 两种聚氨酯材料的结晶度，均高于流变实验中的原丝结晶度，结晶 度的提高可以提升材料的强力。 使用实验室自行研制的聚合物纺丝成网设备进行熔喷加工，通 过改变四个参数模头温度、热空气压力、接收距离，和接收层数来 控制熔喷工艺，并具体分析讨论了这些参数的变化对纤维细度、材 料断裂强力、材料断裂伸长、弹性回复率、材料孔径、还有保暖性 能、过滤性能的影响。模头温度是熔体的摄终温度，在不使聚氨酯 降解的前提下适当提高模头的温度可以降低熔体的弹性使喷丝平 摘要 稳。在d c d 大于1 0 c m 的情况下，纤维细度并不是一成不变的，而 是受到气流的二次拉伸和飞行中纤维的相互作用而有所变化。在一 定范围内，熔喷聚氨酯材料的最大孔径和平均孔径随着模头温度的 提高有降低的趋势；随着空气压力的增加而降低；随着d c d 的增大 有增加的趋势。实验得到的熔喷聚氨酯材料有着极好的弹性，两种 切片所生产的材料的最大断裂伸长率都大于5 0 0 ，在5 0 拉伸的 条件下弹性回复率则可以超过9 0 。在不同拉伸率的情况- f ，随拉 伸率的增大，弹性回复率略有下降。实验生产出了性能良好的熔喷 聚氨酯非织造材料，可以用作弹性内衬，弹性保暖材料等产品。 最后本文研究了神经网络在熔喷聚氨酯非织造材料中的应用。 采用b p 神经网络用以预测材料在模头温度、热空气压力、接收距 离，层数四个参数作用下的弹性回复率。对熔喷聚氨酯材料的弹性 回复率做出较为精确的预测，误差结果很小，平均偏差2 9 9 ，使 用快捷方便，所以说，神经网络可以代替经验来指导对熔喷聚氨酯 材料的生产。 关键词：熔喷、聚氨酯、非织造材料、成网机理、弹性、神经网络 a b s t r a c ，l s t u d yo nt h ep r o c e s sa n dp r o p e r t yo f p o l y u r e t h a n em e l t b l o w nn o n w o v e n s a b s t r a c t i ti sas e v e r es h o r t c o m i n gf o rt r a d i t i o n a ln o n w o v e n st h a tt h e yh a v e r a t h e rl o we i a s t i c i t ya n de l a s t i cr e c o v e r , t h i sd i s s e r t a t i o ni sd o n ef o r r e s o l v i n gt h i sp r o b l e m i ti sa g o o ds o l u t i o u t om a k ee l a s t i cn o n w o v e n s u s i n ge l a s t i cf i b e r s s o m ed e v e l o p e dc o u n t i e ss u c ha su s ，a n dj a p a nh a v em a d er e l a t i v e r e s e a r c hi nt h i sf i e l da n da c c u m u l a t e ds o m ee x p e r i e n c e ，h o w e v e gi ti s i nt h e b e g i n n i n g i nc h i n a t h e s t u d y o fp o l y u r e t h a n em e l t b l o w n n o n w o v e n si ss e l d o m r e p o r t e d t h i s d i s s e r t a t i o ni s h e l l ：i f i l l f o r d e v e l o p i n g t h ee l a s t i cn o n w o v e n s t w ok i n d so fp o l y u r e t h a n ec h i p s ，g 8 3a n db 8 7 ，a r eu s e di nt h e r e s e a r c h g e r m a nh a a k er h e o m e t e r ，d s c a n a l y z e r a n d x r a y d i f f r a c t i v ei n s t r u m e n ta l eu s e dt o a n a l y z ep h y s i c a l i n d e x e s p o l y u r e t h a n e m e ki s p s e u d o p l a s t i c f l u i d p r e s e n t i n gs h e a r t h i n n i n g p r o p e r t y ，b 8 7s h o w sh i g h e ra p p a r e n tv i s c o s i t yt h a ng 8 3a tt h es a m e t e m p e r a t u r e t h en o n n e w t o n i a ni n d e xno fp o l y u r e t h a n em e l ti sl a r g e a t a h i g h t e m p e r a t u r e ，a p p r o a c h i n g n e w t o n i a nf l u i d a n dt h e n o n - n e w t o n i a ni n d e xni n c r e a s e sw i t ht h er i s eo ft e m p e r a t u r e i t p r e s e n t st h a tr i s eo ft e m p e r a t u r ec a r le n h a n c et h ef l o w i n gp r o p e r t y , a n d r e d u c et h ee l a s t i c i t yo fm e l t ，w h i c hi so fg r e a ta v a i lf o rm e l t b l o w i n g p r o d u c t i o n t h e a c t i v a t i o n e n e r g y o fv i s c o s ef l o w e q d e c r e a s e s s i g n i f i c a n t l y w i t ht h e i n c r e a s i n g o f s h e a r i n gr a t e p o l y u r e t h a n e i s s e n s i t i v et ot h e t e m p e r a t u r e ，s o t h e t e m p e r a t u r e c o n t r o lm n s tb e a b s t r a c t e m p h a s i z e d x r a yd i f f r a c t i v em e t h o d i su s e dt om e a s u r et h ed e g r e eo f c r y s t a l l i z a t i o n t h er e s u l ts h o w st h a tt h ed e g r e eo fc r y s t a l l i z a t i o no f m e l t b l o w i n gn o n w o v e n si sh i g h e rt h a nt h a to ff i l a m e n t t h ei n c r e a s i n g o f t h ed e g r e eo f c r y s t a l l i z a t i o nt a i le n h a n c et h es t r e n g t ho f n o n w o v e n s t h ep r o d u c t i o no fm e l t b l o w nn o n w o v e n si sc a r r i e do u to nt h e m a c h i n ed e v e l o p e db yo u rs t a f f t h ep r o c e s si sc o n t r o l l e db yc h a n g i n g f o u rp a r a m e t e r s ：d i et e m p e r a t u r e ，a i rp r e s s u r e ，d i e t o c o l l e c t o rd i s t a n c e ( d c d ) a n dt h en u m b e ro fl a y e r t h ei n f l u e n c ei sa n a l y z e do nf i b e r f i n e n e s s ，t e n a c i t y , e l o n g a t i o n ，e l a s t i cr e c o v e r y ，p o r es i z e ，w a r m t h r e t e n t i o np r o p e r t ya n df i l u a t i o np r o p e r t yo fn o n w o v e n sb yc h a n g i n g t h e s ep a r a m e t e r s d i et e m p e r a t u r ei st h ef i n a lt e m p e r a t u r eo fm e l t d i e t e m p e r a t u r es h o u l d b er a i s e dp r o p e r l yt or e d u c et h ee l a s t i c i t yo ft h em e l t o nt h ep r e m i s eo fp r e v e n t i n gt h ed e g r a d a t i o no f p o l y u r e t h a n e t h u st h e m e l t b l o w i n gi ss t a b l e i nt h ec a s eo f d c di sm o r et h a n1 0c m ，t h ef i b e r f i n e n e s si si n f l u e n c e db yt h es e c o n dd r a w i n go fa i ra n di n t e r a c t i o no f f i b e r si nt h ea i r t h el a r g e s tp o r es i z ea n dm e a d p o r es i z eo fm e l t b l o w n p o l y u r e t h a n en o n w o v e n si n c r e a s ew i t hr i s i n g o ft h ed i et e m p e r a t u r e ， d e c r e a s ew i t hr i s i n go ft h ea i rp r e s s u r ea n di n c r e a s ew i t hd c d t h e n o n w o v e n sh a v eag o o de l a s t i c i t y t h el a r g e s te l o n g a t i o ni sb e y o u d 5 0 0 f o rb o t hk i n d so fn o n w o v e n s t h ee l a s t i cr e c o v e r yi sb e y o n d9 0 i nt h ec o n d i t i o no f 5 0 d r a w i n g t h ee l a s t i cr e c o v e r yd e c r e a s e ss l i g h t l y w i t h i n c r e a s i n g t h e d r a w i n g r a t i o i n g e n e r a l ，t h ep o l y u r e t h a n e m e l t b l o w nn o n w o v e n ss h o wg o o dp r o p e r t i e s i tc a nb eu s e dt op r o d u c e e l a s t i cl i n i n ga n de l a s t i cw a r m t hr e t e n t i o nm a t e r i a l s t h ea p p l i c a t i o no fn e u r a ln e t w o r kf o rt h em e l t b t o w np o l y u r e t h a n e n o n w o v e n si ss t u d i e di nt h ee n do f t h ep a p e r b a c k - p r o p a g a t i o nn e t w o r k i su s e dt o p r e d i c t t h ee l a s t i c r e c o v e r y u n d e rf o u r p a r a m e t e r s ，d i e t e m p e r a t u r e ，a i rp r e s s u r e ，d c d a n dt h en u m b e ro f l a y e r t h ep r e d i c t i o n r e s u l ti s q u i t ep r e c i s e t h em e a ne r r o r i s2 9 9 i ti s p r o m p ta n d c o n v e n i e n tt ou s eb pi np r e d i c t i o n s on e u r a ln e t w o r km a yt a k et h e a b s t r a c t p l a c e o f e x p e r i e n c e t o g u i d e t h e p r o d u c t i o n o ft h em e l t b l o w n p o l y u r e t h a n en o n w o v e n s k e yw o r d s ：m e l t b l o w i n g ，p o l y u r e t h a n e ，n o n w o v e n s ，w e b f o r m i n g p r o c e s s ，e l a s t i c i t y , n e u r a ln e t w o r k w r i t t e nb y ：w a n gx i n y u a n d i r e c t e db y ：p r o f e s s o rk e q i n f e i 第一章前言 第一章前言 第一节国内外弹性非织造材料的现状与发展 非织造材料技术从诞生到现在，其发展速度飞快，取得了令人 瞩目的成就。尤其是近2 0 年来，由于纤维、机械、化学粘结剂以及 各项技术的发展，其发展更为显著和完善，即使在世界经济不景气 的情况下，非织造材料仍能以7 - 1 0 的速度发展着。非织造材料工 业正以远比传统纺织工业高得多的增长率向前发展【l j 。 然而对于非织造材料，弹性差，经拉伸后回复率低是长期以来 难以克服的一个缺点。弹性非织造材料的研究就是针对这一问题而 开展的。弹性非织造材料有着普通非织造材料所无法比拟的高弹、 高伸、高收缩等优点，已经成为非织造行业的新的热点，引起了行 业的极大兴趣【“。近年来有关弹性非织造材料的应用研究也日益增 多。归纳起来非织造材料的弹性可以通过多种方式改善p j ： 1 ) 通过非织造纤网结构的特殊设计来实现； 2 1 通过使用高卷曲纤维使材料弹性得以改善： 3 ) 使用弹性纤维； 4 ) 采用复合工艺的方法制成弹性非织造材料。 、二种方式效果有限，且不宜做薄型，弹性持久性也有很大 限制。只有方式三使用弹性纤维才能从根本上解决问题。对于第四 种方式，其中至少也要包含弹性非织造层，还是以方式三为基础的。 弹性纤维主要有聚氨酯纤维、聚酯类纤维、聚酰胺类纤维、a b a 型 嵌段共聚物( b 为弹性段) 、聚醚酯、乙烯和n 烯烃共聚物【4 。其中 聚氨酯纤维为最佳【j j 。 弹性纤维在非织造材料中的应用以美国、日本等国家做了较多 的研究，处于领先地位【5 。6 1 。美国k i m b e r l y c l a r k 公司首先生产出 露季上学 了熔喷弹性材料，其后熔喷法弹性非织造材料的研究和应用在欧洲、 日本等地迅速发展起来【7 。近年来，日本以聚氨酯、苯乙烯基等热 塑性弹性体为原料，制成高附加值弹性非织造材料的开发、研究和 使用呈现上升趋势，现在主要由k a n e b o 、a s a h ic h e m i c a l 和k u a r a y 三家公司生产瞄】。k a n e b o 公司生产的e s p a n s i o n e 是由聚氨酯弹性体 制造的，其纤维直径为2 0 4 0 。这是一种很厚的熔喷法非织造材料， 其最大拉伸率为3 5 0 7 0 0 。与产品的厚度和密度有关。此外a s a h i c h e m i c a l 和k u a r a y 公司用苯乙烯基弹性体生产熔喷法非织造材料， 其纤维平均直径为3l l ，与传统的熔喷法纤维相当，产品的最大拉伸 率为2 0 0 4 0 0 ，比e s p a n s i o n e 低，是连续长丝产品。其拉伸后的 恢复收缩力也比e s p a n s i o n e 差，这些差异似乎都与所用高聚物、纤 维直径及纤维长度的不同有关。目前日本的熔喷法弹性非织造材料 总产量仍很低，约为2 0 0 2 5 0 吨年，其中k a n e b o 公司近2 0 0 吨， k u a r a y 公司1 5 2 0 吨，a s a h ic h e m i c a l 5 1 0 吨，约占各种类型熔喷法 非织造材料总量的8 - 1 0 8 1 。此外，美国田纳西大学的材料科学 与工程系也在做熔喷热塑性聚氨酯非织造材料生产上的探索，已经 有样品被生产出来，目标是用作军用防化衬里。在前不久在上海举 行的中国国际产业用纺织品及非织造材料展览会上，德国的斯图加 特大学也展示了他们与一家德国公司共同研制生产的熔喷聚氨酯材 料，据称产品已投入市场，主要做医用纺织品及技术纺织品使用。 弹性非织造材料制成的服用品可以与穿着者的身体紧密的贴 合在一起，增加穿着和使用舒适性，弹性非织造材料特有的弹性和 手感也是一些服装所希望具有的性能。对弹性有要求的如运动服装、 女装、内衣、高档服装，还有用即弃型的婴儿尿布、女性卫生用品 等。弹性非织造材料被广泛的用于医用方面，如医用手套、医用包 扎材料和医用绷带等【9 。良好的弹性使得伤口处在一定的作用力 下，易于愈合，病人行动方便，感觉舒适，伤口愈合表面平整，疤 痕也小。弹性非织造材料在手套、挚子、抹布、包装材料等方面也 得到了广泛的应用。在用于手套时，则使触觉灵敏，操作精确，感 第一章前言 觉舒适，这在对于污染要求很高的制药和电子工业是十分重要的。 另外弹性非织造材料还可用作沙发垫衬物、装饰用品等口1 。 中国是人口众多的国家，对弹性非织造材料需求非常大，弹性 非织造材料与普通的非织造材料相比，有着优越的弹性功能，制成 织物可免松紧而且穿巷贴身。它是非织造材料工业高技术化和功能 化的产物，符合了当今世界非织造材料和医用卫材发展的趋势，有 着广阔的发展前景，在国外已经有了相当的发展，但在我国尚处于 起步阶段。特别是有关熔喷热塑性聚氨酯弹性非织造材料的研究和 生产还鲜有报道。本课题的开展将有助于我国弹性非织造材料的发 展。 第二节聚氯酯弹性体和聚氨酯弹性纤维 聚氨酯是由多元醇和多异氰酸酯反应制得的一类主链上带有重 复一nh coo 一基团的聚合物的总称。改变多元醇或多异氰酸酯的 种类、宫能团、分子量可以获得从液体到固体、从软质到硬质的涂 料、粘合剂、塑料、纤维、橡胶等各种不同性能和类型的聚氨酯制 品。聚氨酯弹性体具有耐磨性好，生物相容性和抗血凝性，硬度较 高等优点。热塑性聚氨酯弹性体是固体聚氨酯弹性体的分支。热塑 性聚氨酯弹性纤维就是由热塑性聚氨酯弹性体进行抽丝、纺丝制成 的纤维1 1 u j 。 热塑性聚氨酯弹性纤维( t h e r m o p l a s t i cp o l y u r e t h a n e e l a s t i c f i b e r ) 简称p u 纤维，国外也称为“斯潘德克斯”( s p a n d e x ) ，我国 的商品名为氨纶【m 1 。氨纶具有橡胶丝那样的弹性，某些性能比橡胶 丝好，如纤度细，强力高，弹性模量大，比重小，染色性和牢度较 优良等。氨纶的断裂伸长率大于4 0 0 ，最高可达8 0 0 ，形变5 0 0 时的弹性恢复率在9 5 以上，这是任何一种纤维所不能比拟的。氨 纶的纤度范围大，一般在2 2 4 7 7 8 d t e x 范围，最细的仅为05 5 d t e x ， 皋季土警 比最细的橡胶丝还要细十几倍，断裂强度为o 0 0 6 0 0 1 3 n d t e x ，是 橡胶丝强度的3 - 5 倍。图1 - 1 为不同纤维之间的拉伸曲线比较图。 氨纶之所以有如此好的弹性，是由于其是一种嵌段共聚物。在该嵌 段共聚物中有两种链段，一种叫软链段，它是由不具结晶性的低分 子量的聚酯或聚醚组成。玻璃化温度很低( 一5 0 一7 0 ) 。在常温下， 它处于高弹态，在应力的作用下，它很容易地发生形变，从而赋予 纤维容易被拉长的特征。另一种链段叫硬链段，由于它含有多种极 甜i 1 硼靴黝粥事瓣每4 钳5 静p 枷 撞蚋 图1 1 不同纤维的拉伸曲线比较圈 性基团，具有结晶性，并能产生大分子间的横向交联。在应力的作 用下，这种链段基本上不发生形变，从而防止了分子间的滑移，为 软链段的大幅度伸长和回弹提供了必要的结点条件，并赋予纤维一 定的强度。正是这种软链段和硬链段的共存体系，导致了氨纶纤维 的高弹性。目前生产的氨纶有物理交联型和化学交联型两种。在物 理交联型中，通过应链段的紧密敛集产生结晶，使大分子问产生横 向连接。在化学交联型中，通过硬链段间发生一定的化学作用而使 大分子发生连接。根据氨纶纤维链结构中软链段部分是聚酯还是聚 醚，又有聚酯型和聚醚型之分。聚酯型纤维如美国橡胶公司生产的 维林( v y r e n e ) ，德国生产的d o r l a s t a n ；聚醚型的如杜邦公司生产的 菜1 膏( l y c r a ) 。氨纶的弹性性能在2 0 4 0 。| c 时最好。相比之下，大多 数纤维的弹性伸长只有百分之几，即使断裂伸长也很少有超过5 0 的 1 1 - 1 6 i 。同时，氨纶的耐磨、耐疲劳、抗老化、抗油性能好，化学 4 2 0 7w童r雌 第一章前言 稳定性、光稳定性、温度稳定性好 1 7 。为了便于列比，表1 - 1 中列 出了几种重要的合成纤维的力学指标。 表1 1 几种重要的合成纤维的力学性质数据 断裂 纤维强度 弹性模数( g a ) 弹性回复率 伸长 性能( g d ) ( ) 短纤维长丝 ( ) 9 0 9 5 涤纶 13 602 5 5 09 0 - 1 6 02 0 3 2 ( 3 伸长时) 9 8 1 0 0 锦纶4 8 6 4 8 3 02 0 4 52 8 4 5 ( 3 伸长时) 9 0 9 5 腈纶 28 4 52 5 6 22 5 5 0 ( 3 伸氏时) 9 5 ，1 0 0 p b t3 0 。5 02 3 4 72 0 4 0 ( 3 伸长时) 9 5 9 9 氨纶o 5 10 o 1 3 - 0 24 5 0 8 0 0 ( 5 0 0 伸| 受时) 到目前为止，世界工业化氨纶纺丝方法有4 种，即熔融挤压法 纺丝、化学反应法纺丝、湿法纺丝和干法纺丝。熔融挤压法纺丝， 是将由二醇类即聚酯二醇或聚醚二醇( p e g 或p t m e g ) 与二异氰酸 酯( m d i 或t d i ) j , 差行反应生成异氰酸酯端基的预聚物，在链增长剂 二元醇的作用下生成熔融温度较低的聚合物，并铸带切粒，再进行 熔融挤压纺丝。此法不用溶剂，也就无溶剂回收，不仅设备少，建 筑面积小，定员少，投资少，更主要的是没有溶剂造成的污水及污 水处理。但由于一些技术问题还有待探讨，世界上产量比例较小。 熔融挤压法有日本的日清纺、钟纺、可乐丽等公司生产。化学反应 法纺丝，是将预聚物溶液在甲苯、乙二胺的反应浴中进行反应成形， 纤维出纺丝浴时，完成聚合反应。湿法纺丝，是将预聚物在链增长 剂二元胺的作用下，制成聚合物溶液，进入水中凝同成形。干法纺 露季土学 丝是将预聚物在链增长剂的作用下生成聚合物，将聚合物溶液细流 压入热的惰性气体中( 如氮气等) ，再将溶剂脱出而成形，然后经上 油卷绕等制成氨纶 1 0 l 。 目前氨纶纤维还主要是使用在机织和针织产品中。其特点是氨 纶的含量较少( 2 一2 5 ) 就能充分发挥它的弹性作用。氮纶的应用领 域很广，不同的国家对氨纶的用途各有偏重，欧美以游泳衣、紧身 衣为主，亚洲以连裤袜、短袜为主。氨纶的主要用途如下【1 3 ： 运动服、游泳衣、紧身衣 男女内衣、三角裤等 妇女紧身衣、妇女胸罩、连衣裤、短裤、绑肚 袜类( 短、中、高统袜) 、手套等 松紧带、汽车、及飞机用安全带、花边饰带类等 医疗保健用品、护膝、护腕、弹性绷带等 弹力薄型织物、衬衫、裙料、纱巾等 毛衣、线衣、针织品袖口、领口等 可根据不同用途，选用不同的纤维及不同形式的包覆纱、包芯 纱、合股线等【1 7 】。 氨纶在纺织领域的优良性能使其在传统纺织品上得到了极大 的发展。但在非织造领域，其应用还处于起步阶段。如日本各大公 司发展氨纶有他们自己的特色，在积极开发传统的产品的同时，还 注重氨纶非织造产品的发展，这是氨纶应用的新市场。 第三节熔喷非织造材料成网。l 生能研究的进展 熔喷法非织造材料是将挤压机挤出的高聚物熔体通过高速的 热空气或其它手段( 例如离心力、静电力等) ，使高聚物受到极度拉 伸，形成极细的短纤维，并凝聚到多孔滚筒或帘网上，形成纤网， 最后经自身粘合或热粘合加固而成【1 9 】。图1 - 2 是非织造熔喷工艺的 第一章前言 生产示意图。 纤网的梗头面 纤同的滚筒面 图1 2 熔喷工艺图 5 0 年代初，美国利特尔公司( a r t h e r d 1 i t t ai n c ) 的蒂利与斯 莫尔曼用气流喷射一静电纺丝生产出聚苯乙烯超细纤维非织造材料， 发表了“喷纺纤维”制造方法的论文。早期开发的熔喷法非织造材 料为超细纤维，也是至今直接纺得的最细的超细纤维【2 1 1 。 熔喷是最近发展比较快的一种新型非织造材料工艺，用来制造 聚丙烯、聚酯、聚酰胺等超细纤维非织造材料，产品可用于航天、 电池隔材，高效低阻过滤材料，吸油毡，医疗手术用即弃材料，防 尘防菌口罩等盼2 3 , 2 4 1 。 熔喷超细聚氨酯非织造材料的生产是一个利用加热的并经过 压缩的空气气流对挤出聚氨酯进行牵伸( 形成的聚合物纤维长度为 2 0 2 0 0 毫米) 并进行散射的过程。这个以单一步骤来解决纤维化的 方法，利用了由多重布置的熔体孔形成的直线排列的喷丝头( 典型 的但不限定的孔密度为1 0 孑l 2 5 毫米，孔径为o 5 毫米) 和经压缩 的并经加热的空气气流。工作空气在越过模头尖端的两边后同时加 强，其主要功能是拉伸和破裂挤出的聚氨酯并使其为纤维，经压缩 的空气气流的第二个功能是按预订工艺要求的样式携带聚氨酯单纤 至纤网接收装置上。接着聚氨酯超细纤维在接收装置上冷却固化形 成纤网，纤网中纤维相互交络，靠喷丝后聚合物的余热及牵伸热空 气使纤维热融粘合，而固结在一起直接成为熔喷超细聚氨酯非织造 材料 2 5 1 。 目前，我们对熔喷工艺所做的研究仅局限于p p ，p e t ，p b t ， 露季史学 p a 等材料，对p u 的m b ( m e l tb l o w i n g ) 研究除参考以前的熔喷工 艺的技术外，还要更多地借鉴m s ( m e l ts p i n n i n g ) 的一些技术经验 及理论。 p u 熔融挤压法纺丝，优势突出，但又缺点明显。最大的优点 是不用溶剂，采用设备少，能耗低，定员少，建筑面积小，建厂投 资少，由于不用溶剂，在生产过程和最终产品中都绝对不含溶剂， 更主要的是，没有溶剂对生产人员和环境的污染m ) 。基于上述优点， 熔融纺越来越受到人们的重视，被视为2 1 世纪最有前途的p u 纺丝 工艺。但在技术上还需进一步完善的地方也很多。如氨纶的熔纺只 能适应于热稳定性良好的聚氨酯嵌段共聚物，像由芳香族二异氰酸 酯和线性的聚酯或聚醚多元醇反应所制得的聚氨酯嵌段共聚物。纺 丝时此嵌段共聚物要在1 6 0 2 3 0 的温度下熔融，熔体在高温下停 留时间不宜过长，否则会发生降解等不良现象。需要增加切片干燥 系统等。特别是弹性纤维的纺丝由于其在纤维被拉细时有回缩趋势， 造成纺丝的困难。具体到m b 工艺中，纤维受到拉伸气体的力更为 明显，势必反应更剧烈，将不易拉制超细纤维【1 6 】。 结合传统m b 与聚氨酯m s 的情况，需对考虑多方面因素。如 聚合物的熔点、流变性能、结晶度、熔融指数、分子量，喷头的尺 寸以及喷丝孔的孔径，热空气的温度和牵伸速度，接收距离等。为 了能生产出纤维细度细且均匀，纤网均匀度高的熔喷超细聚氨酯非 织造材料，需要控制以下一些工艺参数和变量 2 6 1 ： 二维熔喷下影响成布性能的参数： 聚合物的类型 聚合物的熔融指数 聚合物的温度 喷头的通过量，克孔分钟 空气速度 空气温度 喷头的几何条件一一空隙、喷丝头的退位或进位 竺= 主堕重 空气搅动( 空气动力学原理对纤维的牵伸) 成网冷却一一二二次风、喷水( 涉及纤网中纤维的结晶性能) 喷头与收集器之间的距离 在加入第三维状态即喷头宽度后，影响成布性能和均匀性的参 数： 所有在二维熔喷状态下的列出的参数 在喷头的整幅宽度上喷头几何条件的均匀性 在喷头的整幅宽度上聚合物流动和温度的均匀性 在喷头的整幅宽度上聚合物降解的均匀性 在喷头的整幅宽度上纤维直径的均匀性 空气温度和空气速度的均匀性 在喷头的整幅宽度上流道空气量的维持稳定 在喷头的整幅宽度上喷头与收集器之间距离的稳定性 但是，对影响p u 成网性能和均匀性在三维熔喷状态下的参数 控制并不能解决所有关于熔喷超细p l g 非织造材料的均匀性的问题。 有时还需要考虑熔喷的第四维，即时间。 四维熔喷状态下影响成网性能和均匀性的参数： 所有在二维和三维状态下列出的参数 设备的热稳定性 树脂切片流动的均匀性，没有脉冲或流束现象 喷头和树脂温度的均匀性及控制 工艺空气压力和温度的均匀性及控制 聚合物的降解对纤丝直径的影响 经过一定时间后，工艺参数的再现性 经过一定时间后，喷头参数的再现性 综上所述，这些参数不仅变量多，而且有交互作用，因此熔喷 非织造纤网的成网性能的研究是比较复杂的阶2 龇，所以这一阶段的 研究无疑是课题的重点。 优化各主要的工艺参数，使熔喷超细聚氨酯非织造材料的纤维 象季 学 细度、均匀度、外观等性能都达到要求。 第四节产品的用途与前景 有人研究了非织造材料技术在2 1 世纪的发展趋势，发现熔喷工 艺是最具活力的工艺之一，而在熔喷工艺的专利中，关于弹性体的 研究又是其重点，熔喷法弹性非织造材料的研究和应用有着迅猛的 发展。特别是日本近年来把弹性体应用在非织造材料方面的研究和 应用更加活跃，其它发达国家，包招美国、德国也在这一领域做着 大量的工作。 这些研究一般集中在有较高附加值的医用材料、电子和制药工 业用品等。熔喷法弹性非织造材料目前主要用于制造手套，面罩和 腰带，粉状及膏状药物基布、防滑面料及席垫衬里等。 在用于手套时，则使触觉灵敏，操作精确，感觉舒适，这在对 于污染要求很高的制药和电子工业是十分重要的。用作绷带，良好 的弹性使得伤口处在一定的作用力下，易于愈合，病人行动方便， 感觉舒适，伤口愈合表面平整，疤痕也小。熔喷超细热塑性聚氨酯 非织造材料也可用在用即弃的尿片，卫生巾中，作束腰用或满足弹 性需求。用在服装中，可作为高档胸罩的弹性内衬。用在军用防化 服中，既起到了过滤隔离的作用又具有舒适性m “。 目前所有这些用途的耗用量都较低。预计今后用量较大的是开 发利用其伸缩弹性的最终产品，但利用其防滑移性和抑制振动性也 能开发许多有用产品。目前熔喷法弹性非织造材料耗用量仍很低但 确在逐步增长闭。熔喷超细热塑性聚氨酯非织造材料由于其特殊优 良的性能使其在应用中具有不可替代的作用，今后必将会拓展出更 广阔的应用领域。 第二章实验设计 第二章实验设计 第一节本研究所面向的产品与性能要求 熔喷法弹性非织造材料的研究和应用有着迅猛的发展，其各类 产品虽然在目前的耗用量都较低，但在多数领域都显现出了良好的 发展前景。 本课题的开展在国内尚无同类研究的情况下，还是一种探索性 的尝试。实验的目的是采用热塑性聚氨酯弹性体生产出具有良好拉 伸弹性的熔喷材料，改善传统非织造材料弹性差的问题。并力求产 品继续保持熔喷材料的固有优点，如纤维超细、纤网分布均匀、材 料柔软手感好、具有一定的强力等。 实验产品设计作为高档内衣的弹性衬布或作为衬布使用在军 用防护服中。熔喷弹性非织造材料用作衬布有很多优势。以往的衬 布通常缺乏弹性，与内衣面料相复合后，由于内衣面料一般都具有 良好的弹性，造成两者的拉伸弹性不一致，容易分层脱离。而非织 造弹性衬布与面料有着很好的配伍性。此外，熔喷弹性材料轻薄、 柔软、有着良好的透气性能，应用在服装内符合服装舒适性的要求。 熔喷材料具有超细的纤维，材料孔隙直径很小，孔隙率较低，所以 材料具有很高的过滤性能，可以进一步起到防止外界生物或化学物 质侵入危害人体的情况发生，可以考虑应用在军用防护服中，提高 服装的防护性】。 在课题的进行中，有一家生产保暖内衣的军工企业对熔喷聚氨 酯非织造材料产生了浓厚的兴趣。他们目前在开发部队中使用的保 暖内衣的过程中采用熔喷聚丙烯材料作为保暖絮片，保暖效果比老 的产品提高了，但是在试用中，感觉此内衣的弹性较差，战士在做 军事项目时，肢体有束缚感，所以对聚丙烯的保暖絮片不很满意。 皋季 学 而我们生产的熔喷聚氨酯材料作为保暖絮片则可以大大改善其弹 性，但这也同时要求熔喷聚氨酯材料要具有好的保暖性能，良好的 服装舒适性能等。在材料测试中，结合对保暖絮片的要求，选取了 厚度较大，结构较为蓬松的样品进行了保暖性能的测试。 第二节实验方案与实验步骤 2 2 1 熔喷用聚氨酯切片的测试方法 由于熔喷聚氨酯非织造材料的生产是一个类似于纺丝的过程， 因而要通过流变实验、d s c 曲线、x 一衍射等分析的方法来确定聚氨 酯切片试样的熔点、流变性能、结晶度以及单丝性能等，这也是进 行熔喷工艺的前期准备工作，并以此来确定熔喷工艺参数的大概范 围。 熔喷聚氨酯非织造弹性材料的生产采用的聚氨酯切片有两种， 一种是国内生产的g 8 3 ，另一种是进口的美国产g 8 3 。熔点在1 6 0 左右，超过2 4 06 c 会降解。 2 22 熔喷聚氨酯材料的生产工艺确定 在上料生产前两种聚氨酯切片均是在1 1 0 下真空干燥2 4 小 时，干燥后切片含水率小于00 1 。因为水分的存在会使聚合物在 高温下发生热裂解和水解反应等。特别是实验采用的聚酯型聚氨酯， 当切片中存在水分时，会发生严重的水解作用，使聚合物分子量显 著下降，因而大大降低纤维的质量【1 0 1 。另外，熔体中的水分汽化逸 出，会造成喷丝的断头率增加，严重时会使熔喷无法进行。 实验设备是东华大学非织造研究发展中心自行设计的熔喷非织 造成网系统，参见图2 1 。采用一台螺杆直径为6 5 毫米的螺杆挤压 机，一台电加热炉及自动温度控制装置，一个直径1 米的接收滚筒， 一台排气量为6 m 3 m i n 的空气压缩机和一组不同规格的喷头装置 ( 视产品要求而定) 。实验用喷头的喷丝孔采用毛细管焊接工艺，孔 第= 章实验设汁 径为0 2 0 r a m 。 球星干簋机il 上抖机 鞴褥 i ! ji - - , fil r l i 门 雍季上学 力低，颜色发黄有降解等明显问题。根据以前对p p 、p e t 原料的加 工经验笔者进行了分析，想到了一些改进的方法。试实验中气缝采 用的o 3 r a m 还可以进一步减小，因为那样的话，在相同的空气压力 下可以提高热空气的气流速度，从而降低纤维的细度。实验中模头 喷丝孔伸出距离可以加大。因为加工过程中由于熔体为粘性流体， 特别是聚氨酯熔喷由于纤维在被拉细时有回缩趋势，回缩的纤维会 粘在喷丝孔和喷丝板的两侧，使喷丝工作面不洁净，造成喷丝的困 难。模头区的工作温度不宜太高，最高不要超过2 4 0 。c ，特别是法 兰区和弯头区应该主要起到保温的作用，尤其需要控制温度，以防 止聚氨酯的降解，提高熔体的流动性主要可以依靠对模头的适当升 温来完成。在试实验中发现法兰作为螺杆区与模头区的连接部件缺 少一个控制温度的热传感器，导致此区间的温度在加热器的不断加 热下会持续升温，而且惯性很大，当实验者发现温度过高而采取以 给加热器断电的方法来控制温度时，法兰的温度还会继续上升很多 才会逐步冷下来，这样很容易使聚氨酯发生降解。这控温热传感器 在后面的正式实验中得到了补充。d c d 在开始时是采用的8 0 c m ， 经实验发现这个距离对聚氨酯来说是过于远了，此距离下生产的熔 喷材料卜分蓬松，毫无强力，更不要讲弹性，纤维之间粘合极差。 在这样一个较大的d c d 下，纤维经过长距离的飞行已经基本固化， 相互之间无法以热熔的状态粘合，熔喷网膜的基本架构无法形成。 对于聚氨酯d c d 只有控制在3 0 c m 以内才可以生产出较为理想的熔 喷材料。 正式的实验分两次分别使用g 8 3 和g 8 3 两种聚氨酯切片进行 熔喷生产。气缝大小都使用o 2 m m ，模头喷丝孔伸出为2 n u n 。接收 滚筒的转速设定为3 r p m ，横动速度为5 4 c r r d m i n 。以上这些为实验 中记录的固定不变的参数，其它一些参数，如熔体温度( ) 、模头 温度( ) 、空气温度( ) 、空气压力( m p a ) 、螺杆转速( 叩m ) 、接收距 离( c m ) 、层数等将根据工艺需要进行调整，以寻求这些参数的变化 对熔喷聚氨酯弹性非织造材料包括面密度、厚度、透气性、纤维细 第二章实验设计 度、孔径、过滤效率、保暖率，断裂强力和断裂伸长、弹性回复等 性能的影响。具体的工艺参数如表2 1 和表2 2 。 表2 - 1 编熔体温度 模头温度空气温度空气压力螺杆转速 接收距离 口 层数 j ( )( )( )( m p a )( r p m ) r c m 、 2 a2 0 52 0 52 8 0o 41 0 ，61 55 2 b2 0 52 0 52 8 00 4 8l o61 53 2 c2 0 52 1 02 8 00 41 0 61 54 2 d2 0 52 l o2 8 004 81 0 6l54 2 e2 0 52 2 02 8 00 3 21 0 61 52 2 f2 0 52 2 02 8 0041 0 61 52 2 g2 0 52 2 02 8 00 4 81 0 61 5 2 2 h2 0 52 2 02 8 0o 4 81 062 02 2 i2 0 52 2 02 8 00 4 8l o 6：3 02 表2 - 2 编熔体温度 模头温度空气温度空气压力螺杆转速接收距离 口 层数 i ( )( )( )( m p a )( r p m )( e r a ) 3 a2 0 52 0 53 0 0o41 031 55 3 b2 0 52 1 03 0 00 4 81 0 31 53 3 c2 0 52 2 03 0 00 4 81 0 3 2 04 3 d2 0 52 2 03 0 0o ，4 81 0 31 53 3 e2 0 52 3 03 0 003 21 0 31 53 3 f2 0 52 3