熔喷法非织造布结构与性能分析

1、 第13卷第3期 2005年9月 非织造布 Nonwovens Vol . 13,No. 3 Sept . , 2005 分析与测试 Analysis 2.天津工业大学,天津300160) 摘 要:介绍了熔喷法非织造布的生产流程、 应用领域、 性能测试、 实验分析、 结构性能与适应产品, 对熔喷非织造布结构与性能进行了分析。 关键词:非织造布;熔喷法;聚丙烯;短纤维;过滤;介绍 中图分类号:TS174. 81文献标识码: A文章编号: 1005 - 2054 (2005) 03 - 0035 - 05 1熔喷法非织造布生产流程概述 熔喷法非织造布是20世纪50年代首先在美国 研制成功的,我国也

2、曾在60年代初进行过研制。它 由高熔融指数的聚丙烯切片直接纺丝成布,是一种 高新技术产品。目前,美国的年产量约为l5万t,我 国的年产量为5 000t。 熔喷法非织造布的生产过程是:将聚丙烯切片 ( FR400 - 1200)通过螺杆挤压机使其熔融,经过喷 丝孔将其喷出成为纤维状,并在高速(13 000m / min)热气流的喷吹下,使之受到强大拉伸 ,形成极 细的短纤维,这些短纤维被吸附在成网帘上,由于纤 维凝聚成网后仍能保持较高的温度,从而使纤维间 相互粘连成为熔喷法非织造布,最后进行成卷打包。 其生产流程如图1所示。 1.螺杆挤出机; 2.计量泵; 3.熔喷装置; 4.接收网; 5.卷绕

3、装置; 6.喂料装置 图1 熔喷法非织造布生产流程图 熔喷法非织造布连续性生产线的设备高约6m, 宽约5m,长约20m,其生产设备如下: 收稿日期: 2005 - 06 - 07 (1)螺杆挤压机:螺杆直径一般为100 120mm,长/径比为30,其目的是将切片熔化。 (2)计量泵:其作用是精确计量,控制产量和纤 维的细度,为齿轮泵,将熔体连续输送到喷丝头。 (3)熔体过滤器:其作用是将熔体中的杂质过 滤掉,以免堵塞喷丝孔。 (4)输送网帘:将熔喷纤维均匀接收铺在网上, 向前输送,其下面有吸风机,将上面下来的热风排 出。 (5)纺丝箱体:是熔喷工艺的关键设备,有1块 长条形喷丝板,板上布满一长

4、列喷丝孔,一般每m 长约有1 500个喷孔。喷丝板两侧面装有热空气喷 管,下装有热空气喷孔,与喷丝孔成50 角,使纤维 喷出之后,即刻用高速热空气进行气流拉伸,把纤维 吹断,成为超细纤维。 (6)喂料系统:由3个计量斗组成,分别用于计 量白色切片、 色母粒、 添加剂, 3种组分进入下面的 混合搅拌器混合均匀,即投入生产。 (7)热风机与加热器:提供纺丝气流拉伸时所 用的热空气的温度与压力,用电加热,耗电量较大。 (8)卷取机采用全自动卷取,将熔喷布成卷包 装。熔喷法非织造布的纤维特点是超细,其纤维直 径最小可达到0. 5m,一般在15m之间。纤维 越细,熔喷布质量越好,但产量相对减少。由于纤维

5、 超细,其比表面积大,吸附能力强,这是熔喷布最突 出的优点。 2熔喷法非织造布的性能测试 2. 1 每m 2 克重的测定( FZ/T 60003 - 1991) 试样尺寸: 100cm100cm; 实验仪器:电子天平; 36非织造布第13卷第3期 所得数据: 0. 2523g, 0. 2525g, 0. 2522g, 0. 2524g, 0. 2523g; 平均值: 0. 25234g; 所测试样克重: 25. 23g/m 2。 2. 2 厚度的测定( FZ/T 60004 - 1991) 实验仪器:常州第二纺织机械厂YG141; 所得数据: 19. 50. 01mm , 18. 00. 01

6、mm , 19. 60. 01mm , 19. 10. 01mm , 18. 10. 01mm; 平均值: 18. 860. 01mm。 2. 3 断裂强力及断裂伸长的测定( FZ/T 60005 - 91) 实验方法:宽度500. 5mm,长度满足夹持距 离200mm,拉伸速度10010mm /min,预加张力 2N,记录最大断裂强力及断裂伸长或记录每个试样 的强力 伸长曲线。分别计算纵、 横向5块试样 的平均断裂强力及断裂伸长率。平均断裂伸长率结 果精确到0. 5%。 实验仪器:南通宏大HD026N电子织物强力仪。 表1纵向断裂强力及断裂伸长测试结果 起始长度 /mm 断裂强力 /N 断裂

7、伸长 /mm 断裂伸长率 /% 断裂功 /J 断裂时间 /s 100. 0017. 625. 4925. 490. 3715. 30 100. 0017. 1022. 9922. 990. 3213. 80 100. 0016. 6022. 3222. 320. 3013. 40 100. 0015. 2020. 8320. 830. 2612. 50 100. 0015. 8019. 6619. 660. 2511. 80 表2纵向断裂强力及断裂伸长统计 项 目 断裂强力 /N 断裂伸长 /mm 断裂伸长率 /% 断裂功 /J 断裂时间 /s 平均值16. 6422. 2622. 250.

8、3013. 36 最大值17. 6025. 4925. 490. 3715. 30 最小值15. 2019. 6619. 660. 2511. 80 均方差0. 952. 222. 220. 041. 33 变异系数/%5. 779. 989. 9915. 619. 99 表3 横向断裂强力及断裂伸长测试结果 起始长度 /mm 断裂强力 /N 断裂伸长 /mm 断裂伸长率 /% 断裂功 /J 断裂时间 /s 100. 0011. 8051. 6551. 650. 4831. 00 100. 0012. 3047. 4847. 480. 4628. 50 100. 0012. 4050. 815

9、0. 810. 4930. 50 100. 0011. 2043. 8243. 820. 3826. 30 100. 0013. 3059. 1459. 140. 6135. 50 表4纵向断裂强力及断裂伸长统计 项 目 断裂强力 /N 断裂伸长 /mm 断裂伸长率 /% 断裂功 /J 断裂时间 /s 平均值12. 2050. 5850. 580. 4830. 36 最大值13. 3059. 1459. 140. 6135. 50 最小值11. 2043. 8243. 820. 3826. 30 均方差0. 775. 695. 690. 083. 42 变异系数/%6. 3111. 2611.

10、 2617. 0211. 27 2. 4 撕破强力的测定( FZ/T 60006 - 1991) 实验方法:先裁成宽为50mm,长度不小于 200mm的条样, 10mm长切口,上下夹钳之间的隔距 1001mm,下夹钳的牵引速度100mm /min。 实验仪器:南通宏大HD026N电子织物强力仪。 表5纵向撕破强力测试结果 起始长度 /mm 断裂强力 /N 断裂伸长 /mm 断裂伸长率 /% 断裂功 /J 断裂时间 /s 110. 684. 9019. 6617. 760. 0711. 80 111. 155. 5014. 9913. 480. 059. 00 112. 465. 0019. 1

11、617. 030. 0711. 50 111. 993. 808. 167. 290. 024. 90 112. 743. 808. 167. 230. 024. 91 表6 纵向撕破强力统计 起始长度 /mm 断裂强力 /N 断裂伸长 /mm 断裂伸长率 /% 断裂功 /J 断裂时间 /s 平均值4. 6014. 0212. 550. 058. 42 最大值5. 5019. 6617. 760. 0711. 80 最小值3. 808. 167. 230. 024. 90 均方差0. 765. 655. 100. 023. 39 变异系数/%16. 5240. 2940. 6149. 6040

12、. 29 表7 横向撕破强力测试结果 起始长度 /mm 断裂强力 /N 断裂伸长 /mm 断裂伸长率 /% 断裂功 /J 断裂时间 /s 115. 173. 8017. 4915. 190. 0510. 50 116. 304. 7025. 4921. 920. 0915. 30 114. 993. 9015. 3313. 330. 049. 20 117. 053. 9024. 9921. 350. 0715. 00 117. 894. 3016. 6614. 130. 0510. 00 表8 横向撕破强力统计 起始长度 /mm 断裂强力 /N 断裂伸长 /mm 断裂伸长率 /% 断裂功 /

13、J 断裂时间 /s 平均值4. 1219. 9917. 180. 0612. 00 最大值4. 7025. 4921. 920. 0915. 30 最小值3. 8015. 3313. 330. 049. 20 均方差0. 364. 854. 120. 012. 91 变异系数/%8. 7424. 2823. 9829. 1324. 29 2. 5 顶破强力的测定( FZ/T 60019 - 1994) 实验仪器:常州第二纺织机械厂03 - 421顶破 强力实验机。 实验方法: (1)截取直径为6cm的圆形试样5块。 (2)选择重锤,使测试值位于满刻度20% 80%之间。 (3)关闭挚动扳手,取

14、下试样夹头,将其置于夹 头固定板的槽孔内。 (4)用特制扳手将夹头盖旋开,并取出夹头垫 片,放入试样后,盖上夹头及夹头盖,并用扳手旋紧 夹头盖。 (5)将已放入试样的夹头置于上交架下端的夹 2005年(总第51期)徐家福等:熔喷非织造布结构与性能分析37 头托架中,打开上支架挚动扳手。 (6)用左手扳动启动杆,使下支架带动冲破弹 子等速下降。 (7)试样破裂后,记录强力读数。如试样滑出 或由于变形过大顶不破,数据不予记录。 (8)扳动回复扳手,下支架回升,同时将被动指 针回零。 (9)连续测试5块试样,并计算平均值。 所得数据: 2. 0kg, 1. 9kg, 1. 9kg, 1. 8kg,

15、1. 7kg; 平均值: 1. 86kg。 2. 6刚柔性的测定(侧面悬臂法) 试样尺寸: 20cm2. 5cm; 所得 数 据: 6. 8cm, 6. 9cm, 6. 5cm, 6. 4cm, 6. 5cm; 平均值: 6. 62cm。 2. 7过滤效率的测定 实验仪器: CLJ - 03A激光尘埃粒子计数器; 流量: 2. 83L /min。 表9试样过滤效率实验数据 项目试样1试样2试样3试样4试样5试样6 粒径/m0. 30. 513510 空白样1#12 8538 5824 017256274 空白样2#12 5708 3324 008229209 平均值12 711. 58 457

16、4 012. 5242. 523. 56. 5 试样1#1187522000 试样2#1316613000 平均值124. 570. 517. 5000 2. 8 透湿性的测定( GB/T 12704 - 1991) 表10试样的透湿性实验数据 项目试样1试样2试样3试样4 透湿前/g159. 0562169. 2143175. 0150176. 0833 透湿后/g159. 0180169. 1930174. 9926176. 0521 平均值/g159. 0371169. 2037175. 0038176. 0677 2. 9透气性的测定( GB/T 5453 - 1997) 实验仪器:宁

17、波纺织仪器厂YG461型织物中压 透气量仪。 表11试样透气性实验数据 mmH2OPQ透气量 81. 278239 78. 480242 79. 682245 72. 184248 81. 486252 82. 276236 2. 10微观结构 实验仪器: Panasonic彩色闭路监控摄象机WV - CP460 /CH。 图2全光照射试样的微观结构 图3闭光照射试样的微观结构 图4侧光照射试样的微观结构 图5顶光照射试样的微观结构 3 实验分析 熔喷聚丙烯超细纤维是从模头的喷丝孔挤出的 聚合物经高速热空气牵伸,又同时被周围环境空气 快速冷却固化而成。首先涉及到熔喷工艺中,在接 收距离工艺范围

18、内,即纺丝线上高聚物熔体离开喷 丝孔后的流变行为强烈依靠高温高速的气体牵伸。 气流波动会引起熔喷纤维明显的力学波动,实际存 在的张力则是一个具有难以控制的多变函数。其 二,熔喷工艺中的热空气牵伸和冷却及成型是一步 法工艺,纤维丝条热导系数的波动,冷却空气速度和 温度显著地影响纤维的结构和纺丝线上的空气速度 分布和温度分布,导致从喷丝模头到接收装置处的 整条纺丝线上,各种作用力动平衡失调。这种区别 于传统纺丝工艺条件的特殊非稳态纺丝工艺,使熔 喷超细纤维为纤度不均匀,粗细不一,而且是不连续 38非织造布第13卷第3期 的长丝。从偏光显徽镜上观察发现,这种在非均匀 牵伸和冷却条件下成形的聚丙烯超细

19、纤维的结构, 纤维的结晶和取向也是不均匀的。 熔喷超细纤维过滤材料,其纤维直径表征是一 平均值的概念。直径变化范围可以从0. 1m至十 几m变化,这取决于具体的工艺参数。从纤维平 均直径0时 0当D0时(不存在) 其中D为纤维直径,为变量的标准偏差,为 常数。 可以证明,(D)同离散型随机变数的概率 函数一样,满足下列两个条件: (D)0 -(D) dD=1 实际情况显然 (D)0 令y = lgD - 则: - lge 2 D e - 1 2 (lgD - )2 = 1 2 - e - y2 2 dy =1 所以连续随机变数服从对数正态分布,根据密 度函数公式,采用计算机对变量的输入后的曲线

20、表 明与实际的直径分布曲线是吻合的。 熔喷聚丙烯超 细纤维直径变量的标准偏差0. 3时的对数正态 分布曲线,离散程度受熔喷工艺参数的直接影响。 另外从电镜照片上观察,熔喷纤维的表面特性 比纺粘纤维粗糙,这对过滤气体中捕集微粒的效果 是有利的。 4结构性能与适应产品分析 4. 1 过滤产品 熔喷布是一种高级空气过滤材料,能滤去空气 中的大小尘埃和细菌,而且能耐各种强酸碱的腐蚀, 效率稳定,使用寿命长。 (1)熔喷聚丙烯超细纤维过滤材料,是一种特 殊非稳态喷丝成网工艺,生产的超细纤维直径不均 匀和粗细不一,包括在同一根纤维上。熔喷聚丙烯 超细纤维直径呈对数正态分布(见图 6) 。 (2)熔喷聚丙烯

21、超细纤维中结晶变体晶胞结构 是不够稳定的,属近晶态。 图6熔喷聚丙烯纤维直径分布曲线 (3)熔喷聚丙烯超细纤维的双折射随纤维直径 减小而增大,纺粘法聚丙烯纤维的双折射明显高于 熔喷聚丙烯超细纤维平均纤维直径所反映的双折射 数值,这同x射线衍射图反映的现象相一致。 (4)伸强度随定量增加而上升。 (5)阻力与滤速、 厚度及纤维直径的关系符合 纤维过滤材料的阻力理论。 (6)随着过滤速度的增加,过滤效率呈单调下 降,扩散和静电效应仍为主要因素。 (7)过滤效率和阻力不完全取决于微粒的性 质,新的过滤层的作用和微粒沉积在已沉积的微粒 上,而不是在纤维上,增加了材料的过滤特性。 4. 2吸油产品 熔喷

22、布广泛应用于环保和油水分离工程,在工 业生产中,可作为油及灰尘的清洁材料。 (1)熔喷非织造布的质量轻,纤维的比重仅为 0. 9左右; (2)熔喷工艺加工的产品具有超细纤维结构,纤 维直径一般为24m,织物的空隙率可达75% 95%; (3)熔喷法用聚丙烯高聚物呈非极性,由相似 相溶原理可知其对油有着很好的亲和作用,而对水 不具亲和性,因此它属亲油疏水产品。熔喷布的超 细纤维结构、 丰富的孔隙度以及极好的对油亲和作 用使其具有吸油快、 吸油量大、 能快速而有效地吸收 高于自身重量1020倍左右油液的特性; (4)无毒,无二次污染,不会对人畜及环境造成 危害。使用方便,大多情况下无需专门的设备和

23、专 业训练的人员来使用。吸油后可将油挤压掉并重复 使用数次,处理方便。在采用燃烧处理时,熔喷聚丙 烯产生大量的热量,几乎不产生污染。 CH CH2 CH2 n O2 燃烧 CO2+H2O (5)产品易开发,可适合各种不同场合的用途; (6)具有耐酸、 耐碱、 化学稳定性好的超细纤维 结构的熔喷聚丙烯非织造布作为新型的高效无污染 2005年(总第51期)徐家福等:熔喷非织造布结构与性能分析39 吸油材料,在工业生产和人们生活中具有很好的开 发应用价值。 4. 3保暖产品 由于熔喷纤维比表面积大,在布中形成大量的 微细空隙,空隙度高,贮藏大量空气,能有效阻止热 量扩散,具有极好的保温效果,被广泛应

24、用于服装生 产中。如作皮夹克、 滑雪衫、 防寒服,产品具有质轻、 保暖、 不吸潮、 不发霉、 透气性好等优点。目前,国产 熔喷法非织造布设备的产量较低,纤维较粗。进口 设备价格较高,美国、 德国的设备价格约300万美元 以上,日本设备约250万美元左右,意大利设备价格 最低也需100多万美元。熔喷法非织造布生产经济 效益较好,每t布的生产成本约15 000元上下,而目 前最低销售价在2. 5万元/t左右,最高可达35万 元/t,与各种非织造布相比较,其经济效益是较高的 一种。 4. 4 医疗卫生领域 用熔喷布与纺粘法非织造布复合制成的口罩, 可以防菌、 防尘,不闷气、 呼吸阻力小。用这种复合

25、布(S MS)制成的手术衣、 防护服能防菌、 防尘,透气 性好,不透水,可有效保护医护人员、 化工厂工人的 身体不受伤害。S MS复合布作为妇女卫生巾与婴儿 尿布腿筋护翼材料,可代替外层的塑料薄膜,不透水 而又透气,是高级卫生巾和婴儿尿布的优质加工材 料。 4. 5 液体过滤材料及电池隔膜 用于液体过滤材料及电池隔膜,能耐各种腐蚀, 性能优良,可大大减轻电池重量和体积。 熔喷非织造布同样是纺丝成网的一种,其与纺 粘的不同之处是:纺粘是用冷空气对熔体进行拉伸; 而熔喷则是用热空气进行拉伸。目前,全国有连续 生产线15条(不包括S MS复合生产线中的熔喷 线 ) , 其中进口或用进口部件组装的有5条,国产的 超过10条;间歇式生产线有2003