熔喷新技术开发双组分熔喷纤维的商业应用

熔喷新技术开发双组分熔喷纤维的商业应用

非织织仍是北美和欧洲的一个富有生命力的市场。机械商的新品开发主要集中于纺粘这一领域。Hills是一家运用纺粘新技术实现商业化生产的领军企业，近来，运用熔喷新技术成功开发特种熔喷纤维并实现商业化生产。本文通过与传统熔喷工艺比较来探讨这种新技术。1熔喷设备的改进熔喷可以简述为生产长丝的工艺，挤出的熔体经紧邻喷丝孔出口处的高速热气流拉细。传统的熔喷纤维相对较细（通常为2～10μm），强力较低，纤维尺寸分布较大。现有的大多数熔喷设备应用的模头与埃克森（Exxon）公司20世纪70年代开发的相似。埃克森公司在熔喷技术方面拥有很多专利（参考USP3825380）并发展成特许技术。由于埃克森的一些专利自保护期满至今已有很长时间，因而这种技术现已伴随着各种技改被广泛应用。2双组分纤维熔喷织物的研发近来对单机生产医用及过滤领域用的亚微米和纳米级熔喷纤维的产能的要求有所提高。对由熔融温度高和耐化学性的专用聚合物生产的熔喷织物提出了新的要求。熔喷生产商开始关注运用双组分技术生产更细的纳米级纤维及其他功能性纤维制造新型熔喷织物。图1为已商业化生产或正处于开发中的双组分纤维横截面。3熔喷法非织造布技术Hills公司熔喷新技术基于Hills专利，通过薄分配板形成聚合物分配路径和喷丝孔。Hills开发的熔喷技术在USP6833104专利中有部分示例。下面就这种技术的一些特性进行介绍。Hills技术应用传统的埃克森方法，即在紧邻挤出的丝束处有两个气刀式热气流装置。Hills已采用最新的流体模型技术进一步完善气刀的设计，该技术能对经模头挤出的纤维进行均匀、有效的拉伸。传统的熔喷模头主要采用电加热衣架式熔体分配系统，类同于薄膜挤出工业所用的系统。在衣架式熔体分配系统的设计中，通过渐扩的狭缝将熔体分配至线型模头顶端。这种狭缝被设计成在流体和流变条件下均匀的压力输送熔体。图2所示为电加热衣架式熔喷模头。Hills独特的熔喷技术已在与其他机械制造商合作的项目中成功应用。然而，Hills在纤维领域则采用多级泵熔体输送系统。图3显示为蒸汽加热多级纺丝泵系统。这种系统的优势：熔体分级计量短程化。多级纺丝泵系统采用多级计量熔体，每一分级计量间距很短。与传统衣架式纺丝系统相比，计量间距在75mm之内。这种多级纺丝泵系统能确保熔体流变、速率、温度等的均匀性和柔性化。高模头压力。在多级纺丝泵系统中，对熔体压力没有太多的要求，因而可在比传统的衣架式系统中熔体压力大两倍的条件下操作。这种特性对于量少的纤维均匀分配是至关重要的，有关这方面将在后续报道中讨论。熔体温度不同。加工双组分聚合物时，两种聚合物分配至喷丝孔时温度存在明显差异。在衣架式熔体分配系统中，两种聚合物通常是在同一个普通的金属组件中进行分配，熔体温度分隔并不明显。在Hills独特的多级纺丝泵系统中，两种聚合物被分别加热，相互间很好地隔离，以确保不同的温度。这种系统可使用的温差大于50℃，双组分聚合物可随意组合。聚合物停留时间。Hills公司的多级泵系统可使熔体送到每个喷丝孔的停留时间一致。这对因停留时间造成热变化的特种聚合物来说至关重要。加热。大多数衣架式系统采用电加热形式。Hills公司的多级泵系统除可成功地使用电加热外，也可以使用蒸汽加热，以使任何操作条件下模头获得精确的温度分布。模头安装。多级泵系统可以设计成上装式或下装式的方法安装模头。在一些情况下，模头安装采用上装式较适合逻辑或工厂的其他要求。而传统的衣架式系统则采用下装式模头，实用性较差。该熔喷技术采用Hills公司的著名薄板“印刷电路板”技术以精确分配和计量两种或两种以上聚合物熔体通过模头。这种技术已在Hills的纺丝应用（长丝、短纤维和纺粘非织造布）中得到完善。在熔喷加工中，Hills公司通过使用其薄板技术形成纺丝孔，已成为另一个革命的开端。这就允许超常规聚合物的组合，完善的纤维截面及与常规均聚物熔喷系统相同的纺丝孔密度（孔数/英寸）生产独特的多组分纤维。Hills公司产业化生产的熔喷纤维有并列型、皮芯型（皮层率<20%）以及混合长丝。图4是并列型熔喷纤维的实例，图5是PP为芯、PE为皮的皮芯型熔喷纤维实例。Hills公司也正在开发各种裂离和海岛型双组分熔喷纤维，它以经济的生产速率生产最小的纳米纤维。生产非常小的均聚物纤维（<1μm）需要降低每纺丝孔熔体流速、低分子量聚合物及高熔体温度（进一步降低熔体黏度）。对于常规的模头而言，它会产生两个问题：由于熔体通过喷丝孔时较低的熔体压力降而造成熔体通过模头时分配均匀性差；模头表面每米单元的生产率不经济。用Hills公司的薄板技术形成的纺丝孔有下列两个应关注的问题：采用这种专利技术，即使在较小的喷孔熔体流量条件下，也需要非常小和长的纺丝孔（高长径比）以达到能使纤维均匀分布的高熔体压力降。采用长径比>50∶1、直径<0.1mm的纺丝孔，这种喷孔的几何形状对常规孔制造技术而言是不可能的。Hills公司也开发了专利粘合技术来进一步增加独特模头的强力。图6为Hills公司双组分熔喷模头组件四块粘合板的显微照片。由于非常牢固的粘合，从视觉上无法看到单块板的存在。这些模头在>1.0MPa(1500psi）压力降下操作，喷孔无泄漏。耐高熔体压力、高孔密度的常规模头非常昂贵也极易损坏。Hills高孔密度模头要比常规打孔技术经济和可靠。目前，产业化的模头密度为100孔/25.4mm(1英寸)，并且也已成功地试制了200孔/25.4mm(1英寸)模头。这种高孔数模头在保持每米模头宽度较高生产率的情况下，通过降低熔体孔流量来制造亚微米纤维，从经济上来讲是可行的。图7是用Hills公司100孔/25.4mm(1英寸模头生产的熔喷织物截面，其纤维平均尺寸约1μm，分布非常均匀。4均聚物熔喷纤维这种独特的技术是建立在用于熔体分配系统和纺丝孔的制造的新设计和新技术上的。它可以均匀地生产亚微米均聚物熔喷纤维以及任何截面双组分纤维。这种技术在西墨尔本、美国佛罗里达的Hills公司实验室展示和共同开发。在北卡罗