熔喷法无纺布生产工艺介绍

1 第八章熔喷法 MeltBlowing 2 第一节概述第二节熔喷的工艺原理与设备第三节熔喷用原料第四节熔喷产品性能和应用第五节熔喷的技术进展 3 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 20世纪50年代初 美国海军实验室为收集核试验产生的放射性微粒 开始研制具有超细过滤效果的过滤材料 1954年发表研究成果 20世纪60年代中期 美国埃克森 Exxon 公司进一步对这一工艺进行研究 与精确 Accurate 公司合作制造出了第一台熔喷设备原型机 并申请了专利 目前 除了埃克森公司拥有熔喷技术的专有技术外 其它一些公司 如美国3M公司 德国Freudenberg公司等 也成功开发出了自己的熔喷非织造技术 第一节概述 4 我国 熔喷非织造布研究大约在50年代末 60年代初 所研究的设备是间歇式的 到60年代末 70年代初中国间歇式熔喷设备的台数已达到200台以上 大约在92 94年间从美国 德国引进连续式生产线 到目前为止 估计全国仍有300台以上的间歇式熔喷设备在运转 2006年全国熔喷非织造布的产量已超过2万吨 其中70 左右都是连续式熔喷设备生产的 由于连续熔喷设备单线产量高 用人少 管理方便 今后发展熔喷非织造布生产 主要指发展连续式熔喷设备 从20世纪80年代开始 熔喷法非织造布增长迅速 保持了10 12 的年增长率 5 一 熔喷的工艺原理熔喷非织造工艺是利用高速热空气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凝聚在凝网帘或滚筒上 并依靠自身粘合而成为非织造布 第二节熔喷工艺原理与设备 6 熔喷纤维和纺粘纤维比较 纤维长度 纺粘为长丝 熔喷为短纤维 纤维强力 纺粘纤维强力 熔喷纤维强力 纤维细度 熔喷纤维比纺粘纤维细 7 熔喷装置按放置方式分有水平式和垂直式 8 熔喷过程 纺粘法 9 二 工艺流程与设备 一 熔喷的工艺流程聚合物准备 熔融挤压 计量泵 熔喷模头组合件 熔体细流拉伸 冷却 接收装置 二 熔喷设备主要设备 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 生产聚酯等原料 还需要切片干燥装置 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 10 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 11 2 螺杆挤出机参见第六章相关内容 3 计量泵参见第六章相关内容 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 其中最重要的部分包括 1 聚合物熔体分配系统 2 模头系统 12 1 聚合物熔体分配系统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具有较均匀的性质 目前熔喷工艺中主要采用衣架型聚合物熔体分配系统 T型分配系统不能均匀分配流体 13 衣架型熔体分配系统示意图 歧管 14 研究表明 歧管倾斜角度对分配系统出口处的流率分布情况有显著影响 增加 聚合物熔体在分配系统中央处的流速减小 而两边的流速增加 另外熔体本身的性质对熔体流速的均匀性也有影响 因此分配系统的几何形状一旦确定 必定要求聚合物原料具有相应的性能 故熔喷必需开发专用原料 15 2 模头系统 模头 die 喷丝板 气板 加热保温元件等组成 熔喷产品的均匀度与模头密切关系 通常 熔喷模头的加工精度要求高 故模头制造成本昂贵 喷丝孔常呈单排排列 长径比大于10 16 该种结构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高 目前应用较少 Exxon公司早期研制的熔喷模头 上下模体结合面上各自加工出微细的凹槽 然后上下模体贴合即可形成一排喷丝孔 17 Kasen公司熔喷模头 18 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 19 6 接收装置熔喷工艺接收装置的类型主要有 滚筒式平网式立体成型 芯轴 生产滤芯用装置 20 21 美国J M公司熔喷设备 22 滤芯 滤芯的结构为外层纤维粗 内层纤维细 外层疏松 内层紧密的渐变径渐紧结构 独特的梯度深层过滤形成了立体滤渣效果 具有高孔隙率 高截留率 大纳污量 大流量 低压降的特点 23 立体成型 芯轴 采用立体接收装置 分间歇式接收和连续式接收 1 间歇式接收装置接收装置来回移动 纤维多层缠绕在芯轴上 改变接收距离 生产具有密度梯度的滤芯 改变芯轴尺寸 生产不同内径的滤芯 每根滤芯制成后需更换芯轴 因此生产效率较低 24 2 连续式接收装置接收芯轴呈悬臂梁形式 内有输出管状滤芯的传动轴 传动轴头端有螺纹 将管状滤芯从接收芯轴上拔出并输送至切割系统 生产有密度梯度的滤芯时 应配多个不同接收距离的模头 25 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 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 26 焙烧除去残留聚合物及杂质 27 SCTR清洁炉 28 理论上讲 凡是热塑性 高温熔融 低温固化 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等 第三节熔喷用原料 熔喷 30 聚合物的种类决定了其熔点及流变性能 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 31 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 烯烃类原料一般不需要干燥 而聚酯必须进行切片干燥 32 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 聚合物分子量越低 熔融流动指数 MFI meltflowindex 指在一定的压力及温度下 10分钟所流出的融体的重量克数 越高 熔体粘度越低 越能适合于熔喷工艺较弱的牵伸作用 33 第四节熔喷产品性能和应用 本节主要内容 一 熔喷非织造布的结构与性能二 影响熔喷产品性能的因素三 熔喷产品的应用 34 一 熔喷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10 m 大多数纤维细度在1 4 m 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无法保持平衡 高温高速气流的拉伸力波动 冷却空气的速度和温度等的影响 使熔喷纤维细度大小不一 纺粘法非织造布纤网中纤维直径的均匀度明显好于熔喷纤维 因纺粘工艺中 纺丝工艺条件是稳态的 牵伸和冷却条件变化波动较小 35 熔喷非织造纤网的扫描电镜 36 熔喷纤维的结晶度和取向度比纺粘法的小 因此熔喷纤维的强度较差 故纤网的强力也较差 几种PP纤维的强度如下表 因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 37 二 影响熔喷产品性能的因素熔喷产品的性能主要指物理机械性能 如产品的强力 透气性 纤维直径等 因熔喷工艺复杂故影响因素较多 38 在线参数 在熔喷生产过程中可按需要调节的参数 如熔体挤出量 熔体温度 拉伸热空气的温度和初始速度 接收距离等 离线参数 只能在设备不运转时才能调节的参数 如喷丝孔的形状 拉伸热空气通道尺寸和夹角等 39 熔融指数 MFI 与熔喷非织造布拉伸强力和顶破强力的关系 一 聚合物聚合物分子量越低 熔融流动指数 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 熔融指数越高 熔喷形成单纤维的强力越低 纤网的强力也低 40 熔融指数 MFI 与熔喷非织造布断裂伸长的关系 41 实际生产中 应选用MFI大的聚丙烯还是小呢 MFI小 可生产强力较高的熔喷非织造布 MFI大 产量高 能耗低 因此当前趋势是采用较高的MFI原料 最早应用的聚丙烯 其分子量高 MFI较低 12g 10min 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 进口 42 1 喷孔直径孔径小有利于纺制造超细纤维 但小的孔径加工较为困难 2 热空气喷射角度气流与模头底面的夹角 二 离线参数 43 气流喷射角度的大小对拉伸效果有很大影响 高温高速的牵伸热空气从熔喷组合模头的空气通道中喷射出来 两股气流发生碰撞 形成了复杂的流场 对此流场的数值模拟 首先是建立理论模型 然后进行数值求解 最后用实验结果进行验证 44 气流喷射角度为60 45 数值模拟的结果表明 喷丝孔轴线上和邻近区域 气流速度高 且沿喷丝孔轴线平行 对熔体细流牵伸的有利条件 远离喷丝孔 速度减小 夹角越大 气流在喷丝孔轴线方向的分量越大 但是 80 夹角和60 夹角流场产生的效果相差不大 同时 80 夹角在机械结构上较难实现 因此生产上常采用60 的夹角 46 1 热空气的速度 压力 直接影响熔喷纤维细度 生产中用气流的压力来表示气流的速度 压力大则速度大 热空气速度 纤维直径 单纤维相对强力 纤网中纤维间的粘合效果 非织造布强度 三 在线参数 47 气流速度对纤维细度的影响 48 2 熔喷温度 熔体温度 指熔喷模头的温度 温度越高 熔体粘度越低 纤维越细 但熔体粘度过小会造成熔体细丝的过度牵伸 形成的超短超细的纤维会飞散到空中而无法收集 因此熔喷工艺中聚合物熔体粘度并不是越小越好 49 纤网强力除取决于纤维本身的强力外还取决于纤维之间的热粘合程度 热粘合程度受接收距离 DCD 的影响尤为显著 3 接收距离 DCD DistanceofCollectortoDie 50 DCD 热空气冷却和扩散不充分 粘合效果得到改善 产品蓬松度下降 纤维多呈团聚状 产品强力提高 DCD 熔喷非织造布强力 拉伸 顶破撕破强力 及弯曲刚度均下降 透气率增长 51 团聚状排列的熔喷纤维 52 4 熔体挤出量单位 g hole min该参数如何调节 如何测试 挤出量增加 纤维直径增加 熔喷非织造布的相对强度减小 53 挤出量与纤维直径的关系 54 熔喷纤网中常出现没有牵伸成超细纤维的团块状聚合物 称为 shot 现象 亮点 熔喷纤网中出现的 shot 现象 55 shot 现象成因主要有 空气速度太小或熔体粘度太高 部分熔体细丝未完全牵伸 熔体粘度太小 空气速度高时 喷丝孔对熔体的握持作用减弱 熔体还没有被牵伸成纤维便脱离喷丝孔 可见 要生产出合格的产品 熔喷工艺应根据不同MFI的聚合物原料 正确设置熔体挤出量 熔喷温度和牵伸热空气速度 并应注意到这些工艺参数之间存在着相互依赖的关系 56 三 熔喷产品的应用 目前 熔喷法非织造布主要用于 过滤材料医疗卫生材料环境保护材料服装材料电池隔膜材料 57 过滤就是将分散于气体或液体中的颗粒状物质分离出来 过滤机理 筛滤沉积 静电沉积 扩散沉积等 1 过滤材料 58 是否颗粒大于过滤材料的孔径尺寸才能被筛滤 研究表明 孔径尺寸在十至几十微米之间的过滤材料 能捕集1 m的尘埃 提高筛滤沉积效果就要减小滤材孔径 即减小纤维细度 提高材料的密度 59 熔喷非织造材料具有纤维细 孔隙多而孔隙尺寸小的优点 应用 气体过滤 医用口罩 室内空调机过滤材料 液体过滤 饮料过滤 水过滤 为提高过滤效果 可减小纤维细度 增加滤材的密度 但会造成过滤阻力的明显增加 因此让熔喷非织造材料带静电 可通过静电效应提高其过滤效果 即进行驻极处理 60 驻极处理的熔喷非织造布 因带有持久的静电 可依靠静电效应捕集微细尘埃 因此具有过滤效率高 过滤阻力低等优点 聚丙烯具有较高的电阻率 7 1010 cm 注入电荷的容量较大 是一种制造驻极纤维的理想材料 实验表明 经驻极整理的聚丙烯熔喷非织造布在自然状态下存放1440小时后 滤效保持不变 61 驻极整理对熔喷法非织造布滤效及阻力的影响 可见 驻极整理后熔喷非织造布的过滤阻力并无变化 而滤效却提高很多 这是其它非织造布所无法比拟的 62 2 医疗卫生材料医用口罩 里外两层用纺粘材料 中间用熔喷材料制成的复合材料 SMS 63 H1N1病毒大小 80nm 120nm 64 3 环境保护材料 吸油材料 聚丙烯熔喷法非织造布因其材料特性和微纤结构而成为良好的吸油材料 在欧美 日本等发达国家已得到广泛应用 如海上溢油事故 工厂设备漏油以及污水处理等 65 1989年春 美国阿拉斯加附近的威廉王子海峡 埃克森公司的 瓦尔德斯 号油轮触礁事故 造成大面积漏油 原油泄漏导致成千上万只海鸟和海洋生物死亡 当时空运了大约2 6万吨以聚丙烯熔喷非织造布为主的吸油材料到现场 仅用了几天时间就清理了海面 这是熔喷法非织造布成功用于海上溢油事故处理的典范 溢出5000万升原油 污染2000多公里的海岸线 工作人员在拯救一只被漏油污染的海鸟 66 聚丙烯熔喷法非织造布具有疏水亲油的特性 耐强酸强碱 密度比水小 吸油后能长期浮于水面上而不变形 可循环使用和长期存放 聚丙烯熔喷法非织造布制成吸油索 吸油链 吸油枕等 吸油量可达到自身重量的10 50倍 吸油索 67 吸油材料的应用 68 4 服装材料 保暖材料 保暖材料应具有良好的保暖性 并能较长期使用而不改变其保暖性 69 实验表明 纤网结构是影响保暖材料传热性能的主要因素之一 对于熔喷复合保暖材料 其厚度对透气性能影响较小 而聚酯纤维絮片随厚度减小透气性迅速上升 因此熔喷复合保暖材料抗风能力较强 70 5 电池隔膜隔膜材料是蓄电池的重要组成部件 常置于正负极板之间 主要功能是绝缘正负极板 保证电介质的流动 聚丙烯材料具有优良的耐酸碱性能 聚丙烯熔喷法隔膜材料具有孔径小 孔率大 电阻小以及产品变化多样的特点 正极板上是二氧化铅 PbO2 负极板上是绒状铅 Pb 每一个正 负极板之间都隔着多孔的超细纤维物质 电池隔膜 其中吸附着硫酸 H2SO4 电解液 这个纤维物质 或硅胶物质 是电化学反应过程中液相传输和气相传输的通道 它和正 负极板群被紧密地装配在一起 形成一个2V的电池单体 图中6个2V的单格串联成12V的电池 71 第五节熔喷技术的发展趋势 72 一 模头宽度和个数的增加1967 精确公司制造世界首个254mm 10 宽喷头 1969 1016mm的喷头 1970 1979 254 1727 2mm之间 后来还供给Kimb