纺粘法非织造布熔融纺丝喷丝板的设计及选用.doc

纺粘法非织造布熔融纺丝喷丝板的设计及选用第16卷第1期2008年2月非织造布NonwovensV01.16.No.1Feb.2008王维新(辽宁天维纺织研究建筑设计有限公司,辽宁沈阳110016)摘要:概述了纺粘法非织造布生产过程中喷丝板的作用,介绍了熔融纺丝生产线上喷丝板的重要性及喷丝板外形,材料,厚度等参数的设计及选用.关键词:非织造布;纺粘法:纺丝;喷丝板;设计;选用中图分类号:TS173.8文献标识码:A文章编号:10052054(2008)01.0040.04纺粘法非织造布生产过程中喷丝板的主要作用是将粘流态的高聚物熔体或熔液,通过微孔转变成具有特定截面形状的细流,经吹风冷却或凝固浴的固化而形成丝条.喷丝板是纺丝装置的核心部件,采用不同的喷丝板,所获得的成品丝的品质差异很大.由于生产工艺要求和纤维成形的本身特点及牵伸倍率的不同,因此喷丝板的设计无法套用现有的计算公式,只能根据经验在试制过程中不断摸索,改进.而现有纺丝设备的先决条件又制约着纺丝工艺的需求,因而对喷丝板的设计和选用尤为重要.喷丝板的设计主要包括喷丝板材料的选择,喷丝板形状的确定,熔体在喷丝孔中的流变特征,喷丝板微孔几何形状及主要技术参数,喷丝孔排列方式,开孔范围及孔间距,喷丝板的厚度及喷丝孔的加工精度等.1喷丝板的选用喷丝板是纤维成形的关键部件之一,熔纺喷丝板的外形主要有圆形和矩形.圆形喷丝板加工方便,容易密封,所以使用比较广泛.初期的纺粘法采用的都是类似化纤长丝的圆型喷丝板,生产能力受收稿日期:2008.01.07作者简介:王维新(1961一),女,1984年毕业于沈阳建筑工程学院机械制造工艺与设备专业,现主要从事非织造布设备的研制工作.高级工程师.到一定的限制.现今先进的工艺技术都采用矩形整体式喷丝板,在幅宽方向每m的孔数可以达到4000孔以上,即使在纺1d的细旦产品时仍可保持较高的生产效率.矩形喷丝板外形较大,孔数多,应用在逐年增加.矩形喷丝板每m纵向排列约4000个喷丝孔,喷丝孔的排列倾角为1.5.,喷丝孔的列距为3.0ram6.0ram,喷丝孔的行距为3.0ram6.0ram;微孔的截面为圆形.采用矩形喷丝板,使喷丝板在保证可纺性的情况下拥有尽量多的喷丝孔数,从而大大提高了单块喷丝板的产量.2喷丝板的设计2.1喷丝板材料的选择用于熔纺喷丝板所用的材料要求具有耐高温(抗氧化起皮),耐腐蚀,足够的强度和易于冷冲挤压等性能,常采用具有优良机械性能的不锈钢制造.表1为用于制作喷丝板的几种不锈钢的化学成分.(1)SUS316属奥氏体型不锈钢,耐腐蚀性极为优良,加工性能好.但质地稍软,硬度为HRB78,而且经过热处理也不会提高硬度;(2)SUS304属奥氏体型不锈钢,耐腐蚀性较SUS316略差,但机械性能好,通过热处理可以提高硬度达HRCA2;(3)SUS630属马氏体沉淀硬化型不锈钢,耐腐2008年(总第65期)王维新:纺粘法非织造布熔融纺丝喷丝板的设计及选用41蚀性比SUS316差,但比SUS431好.机械强度比(4)SUS431属于马氏体铁素体型不锈钢,SUS316高,经热处理可以提高硬度.适宜制作耐除了具有良好的耐腐蚀性和较高的力学性能外,抛高压的喷丝板;光性能,切削加工性能好,并可采用各种方法焊接.表1用于制作喷丝板的几种不锈钢的化学成分选用喷丝板材料还要考虑清洗方法,如SUS431虽然具有较高的力学性能及切削加工性能,但镍含量比较低,耐腐蚀性差.煅烧后的清洗要选择适合的清洗温度和时间,清洗后快速烘干,以防锈蚀.喷丝板的正常使用寿命约7O次(每次以1O天计).超过这个期限,应使用带测微尺的双筒立体显微镜检查和测量喷丝孔的内径,长度,粗糙度(微观不平度)和出入口的磨损程度,以决定继续使用还是淘汰.2.2喷丝板的孔数及孔径的选择喷丝板的孔数根据纤维品种和纤度而定.喷丝板的孔数直接关系到纺丝箱的产量.喷丝板一般用每m非织造布有多少孔考核,孔数过少,布的成网很难均匀,而且产量很低,单丝密度偏大.反之,若孔数较多,布的成网就易均匀,产量增多,线密度也小,布的质量好.现今纺粘技术的发展,增加每m中单丝数目是一个重要方向,即增加喷丝孔数是发展方向.这必然增大熔体吐出的热量,冷却吹风必须相应跟上去,要加大冷却,否则将给生产带来新的困难.2.2.1微孔孔径的选择根据剪切应变速率可以确定喷丝板的孔径,为了保证正常的纺丝条件,喷丝板的孔径必须满足以下条件.(1)根据Barus效应确定孔径下限.Barus效应又称挤出物胀大效应,是指高聚物挤出成形时,挤出物的最大直径比模口直径大的现象.这是聚合物在流动过程中发生的高弹形变回缩引起的.(2)以不发生熔体破裂现象为准,在设计喷丝板微孔孔径时,应选取低于临界剪切速率的值作为设计孔径的许用剪切速率.为了获得稳定的纺丝状态,应该选择喷丝孔直径在纺丝泵供量一定条件下造成的剪切速率低于纺丝物料熔体的临界剪切速率.非牛顿流体圆形微孔壁面剪切速率的计算见公式(1).产=(3n+1)q/nR(1)式中:产喷丝孔壁面剪切速率(S-1);q单孔体积流量(cm0/s);R喷丝孔半径(cm);n非牛顿指数.实际上,由于聚合物熔体不是牛顿型流体,而是粘弹性流体,在小孔中作粘性流动的同时,将发生弹性形变,熔体的粘度随时间和速度梯度而变化,其弹性形变也将随速度梯度的增高而增大.因而在喷丝孔中,容易出现不稳定流动.一般高粘度熔体应选用较大的小孔,如PET用0.3mm,PP用O.30.45mm甚至更大,丝的纤度不同,小孔直径也应该不同.涤纶纺丝产=3.5100S_.4.0100S_.在纺丝温度高和物料特性粘度低时,取较小值.验证条件为:产产.因此有两种方法确定喷丝孔直径:一是根据选定的产计算出半径R,再由经验最后决定喷丝孔直径.二是先由经验和加工条件选用喷丝孔直径,再计算出剪切速率产,与产比较,最终确定喷丝孔直径是否适用,或相应修改尺寸到合适值.尤其在超细纤维纺制上,最佳的喷丝孔径的选择是一个关键因素.在实际的纺丝过程中,过小的喷丝孔径容易堵塞,熔体的连续流动性差,造成注头丝,硬丝多;另一方面,过小的喷丝孔径又给喷丝板的清洗带来了难42非织造布第l6卷第l期度,喷丝板的反复使用率随之下降.在适合纺丝工艺要求的条件下,应该选用孔径大一点的喷丝板,这样才能使纺丝获得一个比较稳定的状态,达到良好的出丝效果.但孔径过大,造成牵伸倍率增加,易将丝束拉断,无法进行正常纺丝.2.2.2导孔孔径的选择导孔的作用是引导熔体连续平滑地进入微孔,在导孔和微孔的连接处要使熔体收缩比较缓和,避免在入口处产生死角和出现旋涡状的熔体,保证熔体流动的连续稳定.导孔的孔径主要是选择合理的直径收缩比,即导孔直径DR与微孔直径do之比,其收缩比DR/do=10:114:lo对导孔底部的锥角,既要考虑熔体的流动性能,又要考虑加工方便.减少圆锥角可以缓和熔体的收敛程度.目前常采用60.和90.的锥角.2.3喷丝孔的排列喷丝孔的合理排列,对纤维成品质量有着很大的影响.由喷丝孔喷出的丝束是靠吹风强冷却成形的,所以喷丝孔的排列,首先应该考虑丝束冷却的均匀性及冷却效果.喷丝孔的排列状态的临界值是从实验中确定的,其一是孔的间隔有个最小值.其二是孔的行数有个最大值.喷丝孔的排列方式基本上可分为同心均布,菱形,星形和环形等分配交错排列,要求孔间距准确,并且孔间距的大小与喷丝板的材质和厚度有关.从冷却条件的均匀性方面来看,以等分配交错排列为佳.即丝在牵伸喷嘴入口以一列的直线均等排列于各孔的位置.喷丝板的孔数排列应考虑以下几点:(1)各喷孔的熔体流量应均匀一致;(2)每根细流受到的冷却条件应均一;(3)喷丝板应有足够的刚度,保证工作时不产生弯曲变形.在满足上述条件的前提下,尽量采用小孔距,高密度,多排孔的排列法,但必须有相适应的冷却条件.2.4喷丝板的最小孔间距喷丝板的孔数由纺丝工艺及纺丝设备的尺寸所决定.由于喷丝板的外形尺寸已经固定,在纺丝工艺不变的情况下,要增加喷丝板的孔数,势必要增加喷丝板上喷丝孔的行数及每行中喷丝孔的数量.即减少孔间距.由实践中可以得知,喷丝孔的孔间距越小,丝束的密度越高,冷却风不易穿透,丝束冷却不均匀,丝的质量无法得到有效的控制.用常规的冷却风量纺丝时,飘丝,断丝较多,并产生并丝现象,无法进行正常纺丝.适当增加冷却风量,可以减少内外层丝束的冷却差异,改善纺丝状态.但冷却风量增加到一定程度时,会造成外层丝束冷却过快而产生硬丝.对于PET纺丝选用最小孔间距应>I2.5mm.2.5喷丝孔的长径比决定喷丝板喷丝孔特性的一个重要参数是喷丝孔的长径比.不同的高聚物熔体具有不同的熔体粘度,PET的熔体粘度接近牛顿流体,出口胀大小,而对于PP则表现出非常突出的非牛顿流体行为,胀大现象比较严重.在熔融纺丝时.对于不同的高聚物,应采用最适宜该品种熔体流动的长径比,才有利于控制熔体的弹性效应.熔体经由导孔进入喷丝孔,而后由喷丝孔流出成为自由状态的细流.受喷丝孔入口区的导角,喷丝孔孔径,喷丝孔长度的影响,熔体在入口区由应力差而形成的弹性能,随着长径比的增大,弹性能松弛亦增大,残余弹性内能减小,从而使模口膨化效应减小,以利于消除不稳定流动.目前应用较为广泛的长径比是1.5:12:1.现今国外一些设备制造厂纷纷推出能纺制单丝纤度为1d以下的设备(即所谓微细旦化),所用喷丝板喷丝孔孔径很小,熔体流速更高,熔体在入口区由应力差而形成的弹性能也更大,所以适当地放大喷丝孔的长径比是必须的.但过大的长径比又会造成出丝不畅的状况,同时也会给喷丝板的清洗,加工增加许多困难,并会造成背压过高,缩短组件的使用周期.与纺PET纤维相比,纺PP纤维时,必须选用大长径比喷丝孔的喷丝板.根据哈根泊稷叶公式来计算熔体通过小孔时的压力降.AP=32/D4H(2)式中:熔体体积流量(cm3/min);刁熔体流动粘度(kg?min/cm);L毛细孔长度(cm);DH毛细孔径(cm);P通过小孔时的压力降(kg/cm2).2008年(总第65期)王维新:纺粘法非织造布熔融纺丝喷丝板的设计及选用43当喷丝孔长度增大时,只有增大孔径才能保持其它参数不变.PP熔体密度比PET小得多,(PP熔体密度0.76,PET为1.20),如果要求熔体在喷丝孔中达到PET同样的剪切速率,其中一个关键的参数即孔径就应该大些.2.6喷丝孔的制造精度喷丝板微孔的加工制造方法有机械冲挤法,激光打孔法,电火花穿孔法和电子束加工法等.现国内多采用冷冲挤压法,其优点是孔的圆整度和光洁度好,质量稳定均一;缺点是生产效率低.喷丝板的加工制造过程中,对微孔的孔径偏差,粗糙度,圆整度和垂直度等要求很高,否则将对纤维的成形过程和纤维性能产生明显的影响.微孔的粗糙度通常用提高冲针的光洁度的办法来解决.一般把冲针的光洁度提高一级.另外,若微孔与底面的垂直度不高,微孔出口不成清角,易造成丝的粘板和并丝.2.7喷丝板的厚度熔体到达喷丝板上的压力仅为4070kg/cm左右,但在喷丝孔堵塞时,压力可高达lOOkg/cm以上,设计压力不同,喷丝板厚度不同.喷丝板的厚度主要取决于纺丝压力和开孔的削弱系数.削弱系数可按公式(3)确定.qb=(s一s)/S(3)式中:s矩形喷丝板出丝平面面积;s喷丝板导孔面积.校核按周边固支的矩形平板在均匀压力作用的中高压容器计算.,其中指,中的计算的最小值.=:/6(4)St=/(5)式中:喷丝板许用应力(MPa);设计温度下材料许用应力(强度)(MPa);设计温度下材料许用应力(屈服)(MPa);设计温度下材料强度极限(MPa);设计温度下材料屈服极限(MPa);对强度极限的安全系数;对屈服极限的安全系数;喷丝板机械强度计算略.2.8矩形喷丝板设计应注意的问题(1)熔体从计量泵出口到每个喷丝孔入口的通道中熔体的流动速度压力(流量)应尽量一致,不出现突然增速与减速现象;(2)喷丝板喷孔的分布密度和分布方式在既能保证正常纺丝又能保证一定生产能力的前提下尽量使喷丝板尺寸紧凑,降低设备造价;(3)喷丝孔的参数选择不仅要考虑熔体流变性能能够承受的切变速率,还要考虑冷却方式和纺丝牵伸倍数,避免熔体破裂而使纺丝牵伸不能正常进行;(4)在喷丝孔排列设计上既要考虑有一定风速风量通过保证冷却效果,又要减少喷丝孔各行之间内外层的差异.3结语喷丝板的设计选用是一项结合纺丝工艺及设备特性的系统工作,在开发新产品的过程中,不能仅套