喷熔工艺 纺丝成网工艺原理与过程

8-2 纺丝成网工艺原理与过程一、纺丝成网工艺类型纺丝成网工艺按纺丝原理可分为：n 熔融纺n 溶剂纺n 湿纺目前，纺丝成网工艺以熔融纺丝为主，溶剂纺较少，而湿纺未见有工业化生产的报道。熔融、干法、湿法纺丝的内容和特征二、纺丝成网工艺原理指熔融纺丝成网工艺原理：聚合物切片送入螺杆挤出机，经熔融、挤压、过滤、计量后，由喷丝孔喷出，长丝丝束经气流冷却牵伸后，均匀铺放在凝网帘上，形成的长丝纤网经热粘合、化学粘合或针刺加固后成为纺丝成网法非织造材料。工艺流程为：聚合物切片切片烘燥熔融挤压纺丝冷却 牵伸分丝铺网加固切边卷绕熔融纺丝成网工艺原理三、纺丝成网工艺过程(一) 切片烘燥PET、PA切片用于纺丝成网工艺需进行烘燥。1、目的n 含水PET切片在熔融时会水解，使分子量下降，影响成丝质量。n 水在高温下汽化，可形成气泡丝，易造成纺丝断头或毛丝。n 含水PET切片是无定形结构，软化点低，在螺杆的加料段易造成环结阻料现象，影响正常生产。2、烘燥原理PET切片的含水形式有两种，一是吸附在切片表面和细小缝隙中的吸附水，所占比例较大，容易去除；另一种是存在于切片内部的氢键结合水，所占比例较小，难以去除。通常以热空气干燥PET切片，可分两个阶段，第一阶段为预结晶阶段，热空气温度为120150；第二阶段为干燥阶段，热空气温度为160180。预结晶可提高PET切片的软化点，从而使切片不易粘连，为加快干燥速度创造有利条件。H2O含量(%)PET预结晶度与时间的关系3、干燥设备真空转鼓干燥装置：容量7006000kg，干燥时间1024h，真空度一般大于740Pa。特点：干燥质量高，更换品种容易，干燥过程中特性粘度降低小，但干燥时间长，产量低。真空转鼓干燥装置RD型回转圆筒干燥装置：设备结构简单，连续化生产，干燥效率高，但最后干燥切片的含水量不均匀。沸腾式干燥装置：干燥效率极高，适合大规模连续生产，但设备较复杂。充填式干燥装置：可保证切片干燥时间一致，干燥质量较好，可直接连续喂入螺杆挤出机料斗，设备也较简单。其它干燥形式：n 回转圆筒+充填式n 间歇式预结晶+连续充填式n 沸腾式干燥+回转圆筒n 微波、高频、远红外预干燥和预结晶(二)熔融挤压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，以一定的压力输送至后道工序。螺杆挤出机：纺丝成网工艺一般使用单螺杆挤出机，主要由螺杆、套筒、传动系统、加料装置、加热和冷却装置等构成。螺杆挤出机结构示意螺杆挤出过程示意螺杆挤出机的特征主要反映在螺杆结构上，有等距不等深螺杆、等深不等距螺杆和不等深不等距螺杆。实际生产中主要应用等距不等深螺杆，其又有四种形式：长区渐变型螺杆、短区渐变型螺杆、突变型螺杆和计量型螺杆。螺杆的结构特征如螺杆直径、长径比、螺杆分段与分段长度、压缩比、螺距与螺槽深度等，决定了螺杆挤出机的使用特性。1、螺杆直径通常指螺杆的外径，对挤出机有决定性的影响，直径加大，挤出机产量增加，但加热和驱动能耗均增加。2、螺杆长径比L/D螺杆长径比指螺杆工作长度(不包括鱼雷头及附件)与外径之比。聚合物切片在这个工作长度上被加热熔化、压缩和输送。加热面积和切片停留时间都与螺杆长度成正比。长径比大，有利于切片原料的混和塑化、提高熔体压力和减少逆流以及漏流损失。因此，螺杆挤出机的长径比有不断增大的趋势。目前，加工塑料的螺杆L/D一般为1520，加工纤维时，L/D一般为2030，甚至高达35，常用的是2530。如螺杆太长，聚合物切片在高温下停留时间增加，对某些热稳定性差的聚合物会引起热分解，同时，机械制造难度加大，所以，螺杆长度是有限度的。3、螺杆分段与分段长度螺杆分进料段、压缩段和计量段，三段长度的分配与被加工的聚合物切片性质有关。加工塑料等非结晶聚合物时，由于此类聚合物没有明显的熔点，而且有明显的高弹形变，因此需要螺杆的压缩段较长，一般为螺杆全长的5055，聚合物切片原料在一个较长的距离内逐渐被压缩、软化至熔融。而结晶型的成纤高聚物有熔点，而无明显的高弹形变，因此加工此类聚合物的螺杆的压缩段较短，如加工PET仅为螺杆直径的45倍。由此，加工PET的螺杆进料段约为全长的30，压缩段约为全长的15，计量混和段约为全长的55。4、压缩比螺杆的压缩比是指螺杆进料口处螺槽容积与计量段最后一个螺槽容积之比。等距不等深螺杆的压缩比可用下式计算：式中：D螺杆直径 d1进料口螺杆根径 d2出料口螺杆根径压缩比主要取决于聚合物性质、状态和切片截面形状，通常为2.53.5，加工PET时，常采用3.0左右，加工PP时，最小为2.8。5、螺距与螺槽深度螺杆直径一定时，螺距决定了螺杆的螺旋角，由此影响螺纹的推进力。通常螺杆的螺旋角取1738，螺距等于直径，螺杆制造时较方便。螺槽深度对产量和质量均有较大的影响，深螺槽产量大，但对熔体压力反应灵敏；螺槽浅则产量小，但塑化作用好，挤出量稳定。加工PET时一般采用浅槽螺杆。6、螺杆与套筒之间的间隙这是螺杆挤出机的一个重要的结构参数，特别是在计量段，对螺杆挤出机的产量影响很大。通常，漏流流量与间隙的三次方成正比，所以，在保证螺杆与套筒之间不产生刮磨的条件下，应尽可能地采用较小的间隙。通常，小螺杆间隙应小于0.002D，大螺杆应小于0.005D。普通螺杆是不带混炼结构的单螺纹螺杆，当螺杆转速提高到一定程度时，聚合物原料在螺杆挤出机中停留时间缩短，使物料来不及熔融就进入计量段，导致熔体质量下降，挤出压力和挤出量波动。这主要是固体切片在熔融过程中，固体床发生破裂，破裂后的碎块失去控制，不能及时熔化而浮于熔体中。这种碎块颗粒会引起熔体温度、压力的差异和影响残留水分的排除。针对上述的问题，目前出现了一些新型螺杆，主要有分离型螺杆、销钉型螺杆等。销钉型螺杆销钉设置在压缩段与计量段之间，可将未熔融的固相物料分离细化，以增加固相与液相的接触面积，加速固相颗粒的熔融速度。设置在螺杆头部或计量段的销钉，具有分流、剪切和混合的作用，通过销钉的激烈搅拌，细化和粉碎熔体中的颗粒物料，促使其加速熔化。设置销钉后，螺杆挤出机的产量和普通螺杆相比，可以提高30左右。(三)纺丝1、纺丝工艺过程与传统纺丝类似，工艺过程为： 熔融挤压过滤静态混和计量熔体分配 挤出成形冷却过滤可去除聚合物熔体中一些凝胶和细小的固体粒子。静态混和，是指聚合物熔体输送管道中静态混和器对聚合物熔体的均匀混和作用。计量和熔体分配可精确控制产量和纤维细度的一致性。聚合物熔体从喷丝孔挤出，经历入流、微孔流动、出流、变形和稳定的流变过程。聚合物熔体从喷丝孔挤出的流变模型(1)入流聚合物熔体从直径较大的空间挤入较小的微孔，流动速度急剧增大，动能增加。熔体的分子构象也发生改变，并贮存了一定的变形弹性能，称为“入口效应”。熔体单位体积贮存的变形弹性能超过一定限度时，将影响熔体的流动稳定。因此，入口导角越小，熔体的流动越稳定。纺PP时入口导角一般为3050之间，纺PET时入口导角一般在6570之间。入口导角太小制造比较困难。聚合物熔融指数上升有利于稳定流动。(2)微孔流动流动特点：n 流速不同，靠近孔壁速度小，孔中心速度大，存在径向速度梯度。n 入口效应产生的高弹形变来不及消失，因为熔体在微孔中的流速很高，通过时间仅10-410-3s。如径向速度梯度过大，还会继续产生高弹形变。当高弹形变达到极限值时，熔体细流就会产生破裂，从而无法成纤。研究表明，径向速度梯度与微孔半径的三次方成反比，因此，微孔大一些纺丝比较稳定。纺PP时微孔直径一般为0.30.5mm，纺PET时微孔直径一般在0.3mm以下。(3)出流聚合物熔体从微孔挤出后即产生“膨化胀大”现象，其原因是高弹形变的迅速恢复。膨胀严重时将出现熔体破裂现象，此时丝条表面不光滑，出现波纹、竹节或螺旋等外观。熔体膨化胀大的程度可用膨化胀大率X来表示：式中：DB熔体细流膨化区最大直径D喷丝孔直径研究表明，增大微孔直径和长度，升高纺丝温度，均可使膨化胀大率 减小。(4)变形与稳定聚合物熔体离开出口区时，温度仍然很高，流动性也较好，在张力的作用下能迅速拉伸变形。同时，由于空气的冷却作用，熔体细流的温度越来越低，而粘度越来越高，因此，粘流态的熔体细流逐渐变成稳定的固态纤维。如果不再创造新的拉伸条件，纤维直径将稳定不变，但刚成形的初生纤维的性能是很低的。纺丝过程2、主要设备(1)计量泵计量泵为外啮合齿轮泵，齿轮啮合运转时，齿轮啮合脱开使吸入腔容积增大，形成负压，聚合物熔体被吸入泵内并填满两个齿轮的齿谷，齿谷间的熔体在齿轮的带动下紧贴着“8”字形孔的内壁回转近一周后送至出口腔，由于出口腔的容积不断变化，聚合物熔体得以顺利排出。计量泵每转输出的聚合物熔体量称为计量泵的公称流量，泵的实际流量与理论流量之比称为泵的容积效率。影响容积效率的因素很多，有泵结合面的密封性能、造成熔体回流的间隙、转速、进出口熔体压力、熔体粘度等。齿轮计量泵的总效率是容积效率和机械效率的乘积。精度较高的齿轮泵，总效率通常为0.900.95。计量泵是一种高精度的纺丝部件，我国已有系列化产品。计量泵标记示例(2)纺丝组件纺丝系统的重要部件，由箱体、熔体分配板、喷丝板等组成。纺丝成网工艺可采用单块大型喷丝板，也可采用多块小型板拼接而成，而且，矩形板应用较多，圆形次之。喷丝孔的直径应根据成纤聚合物熔体在喷丝孔中流动的剪切速度梯度来决定，通常，喷丝孔直径和长度大一些，纺丝比较稳定，尤其是对高粘度熔体的纺丝有利。陶氏纺丝箱结构喷丝板喷丝孔的结构L/ d0对聚丙烯挤出膨化比的影响T=190C 进料速率=0.3g/min D=0.8mm =1.9dl/g(四)冷却该过程与熔体细流的变形同时进行。从喷丝板挤出的丝束温度相当高，冷却可防止丝条之间的粘连和缠结，配合拉伸，使粘流态的熔体细流逐渐变成稳定的固态纤维。纺丝成网工艺常采用单面侧吹和双面侧吹的形式，冷却介质为洁净空调风，风量应保证流动方式为稳定的层流状态，从而避免丝条振动，影响丝条的均匀性。冷却过程伴随着结晶过程，初期由于温度过高，分子的热运动过于剧烈，晶核不易生成或生成的晶核不稳定。随着温度的降低，均相成核的速度逐渐加快，熔体粘度增大，链段的活动能力降低，晶体生长速度下降。意大利STP纺粘生产线，幅宽3.2m，生产规模为3000t/y，侧吹送风量为16000m3/h。国内经验：送风温度：1516(1)送风湿度：80%送风余压：300400Pa(2%)洁净程度：1.2m骤冷室结构示意图(五)牵伸1、取向线性高分子的长度是其宽度的几百、几千甚至几万倍，这种结构上悬殊的不对称性使它们在某些情况下很容易沿特定方向作占优势的平行排列，称为取向2、牵伸的作用刚成形的初生纤维强力低，伸长大，结构极不稳定。牵伸的目的，在于让构成纤维的分子长链以及结晶性高聚物的片晶沿纤维轴向取向，从而提高纤维的拉伸性能、耐磨性，同时得到所需的纤维细度。牵伸是手段，取向是获得的结果。取向后应使温度迅速降到聚合物玻璃化温度以下，以“冻结”取向结果，防止解取向。大分子的自然状态和取向的示意纺丝成网的纤维拉伸过程不同于对传统化纤初生纤维的拉伸作用。不同拉伸工艺制取的聚丙烯纤维的双折射(n)3、牵伸装置主要方式有罗拉机械牵伸和气流牵伸，纺丝成网工艺多数采用气流牵伸。气流牵伸是利用高速气流对丝条的摩擦进行牵伸，分正压牵伸和负压牵伸。气流牵伸的形式有喷嘴牵伸和窄缝牵伸，气流速度达到30004000m/min或更高。不同公司的牵伸装置和牵伸工艺有很大差别，近期纺丝成网法工艺的技术突破，如纺丝速度提高，纤维细度降低，主要是牵伸装置和牵伸工艺的技术突破。典型的纺丝成网和拉伸系统典型的正压拉伸工艺 (DOCAN纺丝成网工艺 )一种气流牵伸装置一种气流牵伸喷嘴结构示意图1-拉伸空气2-长丝3-喷嘴4-空压腔5-整流板6-环形狭缝7-拉伸管两种气流牵伸喷嘴结构示意图一种长丝气流拉伸管示意图机械-气流相结合长丝拉伸示意图典型的纺丝成网抽吸式负压拉伸工艺一种气流牵伸装置(六)纺程上作用力分析机械牵伸：重力Fg表面张力Fs 惯性力Fi 摩擦阻力Ff 流变阻力Fr(六)纺程上作用力分析(七)分丝将经过牵伸的丝束分离成单丝状，防止成网时纤维间互相粘连或缠结。常用形式有：n 气流分丝法利用空气动力学的coanda效应，气流在一定形状的管道中扩散，形成紊流达到分丝目的。n 机械分丝法丝束牵伸后与挡板等撞击达到分丝目的。n 静电分丝法丝束牵伸后经过高压静电场或摩擦带电达到分丝目的。一种摆丝成网机构1-气流分丝器出口2-摆丝辊3-丝束4-成网帘5-吸风6-纤网(八)铺网控制经牵伸和分丝的长丝以一定的方式铺放到凝网帘上，主要有两种控制方式：n 气流控制利用气流扩散和附壁效应使长丝束按一定方式铺放到凝网帘上，如圆周运动或椭圆运动；也有利用侧吹气流交替吹风使长丝左右摆动而铺置成网。n 机械控制利用罗拉、转子、摆片或牵伸分丝管道的左右往复运动将丝束规则地铺放到凝网帘上。纺丝成网工艺的成网均匀度不及干法工艺，产品单位面积质量越小，cv值越大。狭缝牵伸铺网牵伸摆丝铺网(九)加固主要方式有：l 热粘合聚丙烯薄型产品采用热轧。l 针刺加固厚型产品采用，可配高速针刺机，如Dilo公司的DI-LOOM OD-SC或Fehrer公司的NL3000。l 自身粘合如PA66纤网采用盐酸水溶液处理产生自身粘合，已较少应用。此外，还有针刺加固高温拉幅定型化学粘合等组合加固和后整理的方法。PP纤网面密度、纤维细度与加固方式PET、PA纤网单位面积质量、纤维细度与加固方式四、溶剂纺丝成网工艺原理与过程溶剂纺丝成网工艺是美国Dupont公司开发的专利技术，也可称作闪蒸法、闪纺法和瞬时溶剂挥发纺丝成网法，其产品名