纺丝成网法工艺

第八章纺丝成网法工艺§8-1聚合物原料基本性能§8-2纺丝成网工艺原理与过程§8-3典型纺丝成网工艺与设备§8-4纺丝成网工艺与产品性能第八章纺丝成网法工艺纺丝成网法是非织造材料生产的主要方法之一，又被称为纺粘法。其原理是利用化纤纺丝的方法，将高聚物纺丝、牵伸、铺叠成网，最后经针刺、热轧或自身粘合等方法加固形成非织造材料。第八章纺丝成网法工艺发展简况：•1959年美国Dupont公司首先成功开发聚酯纺丝成网法非织造材料，同时期研制成功的，还有德国的Freudenberg公司，德国的Lurgi公司也是该技术的先驱者之一。•近十几年工艺技术取得突破性的发展，产品性能有很大的提高，如产量提高，纺丝速度提高，单丝强度提高，纤维细度降低，双组份纺粘以及SMS、SMMS复合材料等。•目前产量超过80万吨，占世界非织造材料总产量的30%。加工能力主要集中在西欧、美国、日本和中国。第八章纺丝成网法工艺我国纺丝成网法工艺的发展情况我国自1986年开始陆续从国外进口纺丝成网法生产线，虽然起步较晚，但发展迅速。到2001年为止，拥有纺丝成网法生产线超过70条，总生产能力约为23万吨/年。与国外先进水平相比，我国纺丝成网法工艺技术尚存一定的差距，尤其是在产量、纺丝速度、成网宽度、成网均匀度及纤维细度方面的差距还很大，有待于进一步提高。第八章纺丝成网法工艺特点：工艺流程短，产量高产品机械性能好产品适应面广可制得细纤维纤网成网均匀度不及干法工艺产品变换的灵活性较差第八章纺丝成网法工艺纺丝成网法土工织物与干法针刺土工织物的技术经济指标对比(%)：对比项目纺丝成网法干法备注基建投资100631、原料为聚丙烯；2、产品定量为200g/cm2；3、年产量为4000t。劳动力需要277能源消耗84维修管理费303仓储保管费233生产成本120原料成本242制造费用156第八章纺丝成网法工艺产品应用：聚丙烯：土工织物，簇绒地毯基布，涂层底布，医卫材料，用即弃产品的包覆材料等。聚乙烯：书籍封面材料，高级信封，包装材料等。聚酯：过滤材料，衬里材料，簇绒地毯基布，农用材料，包装材料等。聚酰胺：过滤材料，抛光材料，叠层织物底基等。第八章纺丝成网法工艺§8-1聚合物原料基本性能纺丝成网非织造技术是传统纺丝工艺的延续，因此，从理论上讲，任何成纤聚合物均可用于纺丝成网工艺。但考虑到纺丝性能、生产成本以及产品性能等因素，目前较多采用聚丙烯、聚酯、聚乙烯和聚酰胺。第八章纺丝成网法工艺§8-1聚合物原料基本性能一、纺丝成网法聚合物原料的基本性能纺丝成网法生产过程中聚合物经历了复杂的物理变化，聚合物本身的性质对最终产品的质量起到至关重要的作用。纺丝成网法聚合物原料基本性质通常包括以下几个方面：•聚合物分子量和分布•高分子链结构对成纤高聚物性质影响•成纤高聚物分子间的作用力•高分子结构与结晶能力•成纤高聚物的热性质不同聚合物原料还有不同的要求，如聚丙烯原料的等规度和熔融指数，聚酯原料的粘度等。第八章纺丝成网法工艺§8-1聚合物原料基本性能1、聚合物分子量和分布(MWD)聚合物原料的分子量体现其聚合度的高低，分子量及分子量分布对加工性能和成纤后的性能等具有明显的影响。分子量过高过低，均不利于丝束强力的提高，因此纺丝成网工艺要求聚合物原料的分子量适中。分子量分布对纤维结构的均一性有很大的影响，分子量分布宽时，内部取向杂乱，表面存在不均匀裂痕。分子量分布越宽，熔体粘弹性越显著，挤出膨大现象越严重。因此纺丝成网工艺要求聚合物原料的分子量分布要窄。第八章纺丝成网法工艺§8-1聚合物原料基本性能－数均分子量－粘均分子量－重均分子量－Z均分子量nMMwMzM典型分子量分布微分曲线第八章纺丝成网法工艺§8-1聚合物原料基本性能成纤高聚物的平均分子量和分子量分布是表征该高聚物远程链结构的重要参数，它对于该高聚物的加工性能及所得纤网的性能等具有明显的影响。当平均分子量相近时，分子量分布宽度对流动曲线亦有明显的影响。分子量分布宽度↑剪切速率↓非牛顿区负斜率↓第八章纺丝成网法工艺§8-1聚合物原料基本性能分子量分布相似时，平均分子量对流动曲线的影响第八章纺丝成网法工艺§8-1聚合物原料基本性能2、高分子链结构对成纤高聚物性质影响主链结构：当聚合物主链结构引入双键时，由于诱导效应或共轭效应，而改变链中原子间的相互作用。引入与主链原子不同价的原子、双键或环结构，则会改变链的柔性。高聚物链的结构变化，均会改变分子间相互作用力的大小，和改变链的构型和晶格，以及分子间距离。大分子链中侧基的性质：改变大分子链中侧基的性质，使分子中的电子云密度重新分布，改变键的长度、能量和极性。由于未结合原子和基团相互作用而引起大分子链的柔性发生改变，同时对大分子链的平衡构型、分子间的相互作用力和晶格产生显著影响。第八章纺丝成网法工艺§8-1聚合物原料基本性能高聚物特性支配的纤维性质(☆-影响)高聚物的特性纤维性质抗拉强度弹性模量熔点扩散和吸湿分子量（链长）☆☆／／链刚性／☆☆／结构规整性☆☆☆☆分子间力☆☆☆☆结晶能力☆☆☆☆极性基团含量☆☆☆☆第八章纺丝成网法工艺§8-1聚合物原料基本性能3、成纤高聚物分子间的作用力分子间的作用力包括范德华力（静电力、诱导力和色散力）和氢键。静电力是极性分子之间的引力，极性分子都具有永久偶极，永久偶极之间的静电相互作用的大小与分子偶极的大小和定向程度有关。诱导力是极性分子的永久偶极与它在其他分子上引起的诱导偶极之间的相互作用力。大分子间的相互作用以氢键为最强。氢键可以在分子间形成，如极性的液体水、醇、氢氟酸和有机酸等都有分子间的氢键，在极性的高聚物如聚酰胺、纤维素、蛋白质等中，也都有分子间的氢键。第八章纺丝成网法工艺§8-1聚合物原料基本性能4、高分子结构与结晶能力高聚物应具有一定规律性的化学结构和空间结构，使可能形成最佳超分子结构的纤维。为制得具有最佳综合性能的纤维，成纤高聚物应有形成半结晶结构的能力。高聚物中无定型区的存在，决定了纤网中纤维的柔软性、染色性、吸收性等。成纤高聚物的结晶能力非常重要，结晶度在很大程度上影响纺丝成网纤维的物理机械性能，通过结晶作用，纤维中的大分子与其聚集体沿着纤维轴向排列的取向状态才能固定下来。第八章纺丝成网法工艺§8-1聚合物原料基本性能5、成纤高聚物的热性质高聚物制造纺丝成网非织造材料的可能性和纤维的性质与高聚物的热性质关系密切，高聚物的热性质取决于分子链结构。高聚物在受热过程中将产生两类变化。物理变化：软化、熔融。化学变化：环化、交联、降解、分解、氧化、水解等。表征这些变化的温度参数是：玻璃化温度（Tg）、熔点温度（Tm）和热分解温度（Td）。从非织造材料应用的角度来看，聚合物耐高温的要求不仅是能耐多高温度的问题，还必须同时给出耐温的时间，使用环境以及性能变化的允许范围。第八章纺丝成网法工艺§8-1聚合物原料基本性能典型成纤高聚物的Tm和Td高聚物热分解温度(C°)熔点(C°)聚乙烯350～400138等规聚丙烯350～380176聚丙烯腈200～250320聚氯乙烯150～200170～220聚乙烯醇200～220225～230聚己内酰胺300～350215聚对苯二甲酸乙二酯300～350265纤维素180～220／第八章纺丝成网法工艺§8-1聚合物原料基本性能6、聚合物降解聚合物降解有助于修正聚合物熔体粘度和分子量分布。通常有三种降解方式：化学、机械剪切和热降解。纺丝成网工艺可采用氧或过氧衍生物来实现化学降解，增加挤压速率、热量和熔体滞留时间均可达到机械剪切降解和热降解的目的。对于聚合物熔体来说，要求均匀发生降解，避免聚合物熔体降解不一致而造成粘度不均匀，分子量分布离散。同时还要求不能过度降解。第八章纺丝成网法工艺§8-1聚合物原料基本性能7、含杂聚合物原料中铝、钛、铁及灰分含量的增加，将影响纤维的耐气候性能，同时缩短纺丝组件的使用周期，引起生产成本上升。因此，改善聚合物切片原料生产环境，优化切片生产工艺，降低切片含杂量，可提高产品性能，有效延长纺丝组件更换周期，减少耗能，降低产品生产成本。第八章纺丝成网法工艺§8-1聚合物原料基本性能二、纺丝成网法常用原料(一)聚丙烯(PP)聚丙烯是纺丝成网工艺常用的一种聚合物，主要性能参数有等规度、熔融指数(MFI)和灰分。纺丝成网工艺要求聚丙烯的等规度在95%以上，若低于90%则纺丝困难。聚丙烯的结构式为：[CH2－CH]nCH3在聚合过程中，因甲基在立体空间所取位置不同，可产生三种构型的聚合物。第八章纺丝成网法工艺§8-1聚合物原料基本性能如果把线型聚合物的主链看作是在同一平面内，那么甲基都在主链同侧的，为等规聚合物；甲基依次交替有规则地分布在主链平面两侧的，是间规聚合物；甲基排列无规则的，是无规聚合物。聚合物等规度直接影响纤维的各种性能，等规度高，熔点高，易结晶，纤维的物理机械性能好，而且耐化学药品的性能也高。纺丝成网工艺要求聚丙烯的熔融指数(MFI)大于27，熔融指数高，则熔体流动性好。通常情况下，聚合物分子量提高，则熔融指数减小。纺丝成网工艺要求将聚丙烯原料的灰分控制在0.05%以下。第八章纺丝成网法工艺§8-1聚合物原料基本性能熔体指数（MFI）是纺丝成网、熔喷实际生产中对原料性能的主要指标，其定义为：在一定的温度下，熔融状态的高聚物在一定负荷下，10分钟内从规定直径和长度的标准毛细管中流出的重量，单位为g/10min，熔体指数越大，流动性越好。。第八章纺丝成网法工艺§8-1聚合物原料基本性能不同MFI聚丙烯切片的熔体粘度与切变率的关系第八章纺丝成网法工艺§8-1聚合物原料基本性能(二)聚酯(PET)聚酯纤维工业化生产始于1953年，其性能优良，强度和弹性模量较高，耐热和耐日晒性能高超，纺丝成网工艺应用较多的原料。聚酯的熔点比聚丙烯要高得多，纯PET的熔点为267℃。工业化生产的PET熔点略低，一般在255～264℃之间。熔点是PET切片的一项重要指标，如熔点波动较大，则纺丝成网工艺中的加热温度条件要适当调整。PET切片的熔点对纤维成形过程的影响不如分子量的影响大。第八章纺丝成网法工艺§8-1聚合物原料基本性能熔体粘度是PET熔体流变性能的表征，与纤维成形好坏密切相关。影响熔体粘度的因素有温度、压力、聚合度和切变速率等。PET熔体粘度与切变速率有密切关系。通常，切应力在9.65×105达因/cm2以下为牛顿流动，以上为非牛顿流动。当切片的分子量增大时，牛顿区变窄变长，且温度对粘度的影响增大。熔体粘度与分子量有关。分子量低于20000的PET，其熔体粘度与温度呈明显的线性函数关系，而分子量超过20000时，则呈非线性函数关系。纤维级的PET的分子量通常为15000～22000。随着温度的升高，熔体粘度依指数函数关系而降低。随着PET分子量的提高，在相同温度下的熔体粘度增加。而在不同温度下，熔体温度每增减10℃，大约相当于特性粘数减增0.05，这一点对生产控制颇有现实意义。第八章纺丝成网法工艺§8-1聚合物原料基本性能PET可能发生的降解有三种：热降解、热氧化降解和水解。由于PET分子结构中存在酯基，在熔融时极易水解，使分子量下降，影响纤维质量。因此，熔喷前，PET切片必须进行干燥，使其含水率从0.4％降到0.01％以下。PET切片干燥的目的不仅仅是除去水分，还可提高切片的结晶度和软化点。PET切片造粒时，其熔体铸带是在水中急剧冷却的，所得到的切片是无定形结构，软化点较低。这种切片如不经过干燥，进入螺杆挤压机后，会很快软化粘结，造成环结阻料。PET切片干燥后，因发生结晶，使其软化点大大提高，切片变得坚硬，且熔程狭窄，熔体质量均匀，不再发生粘结阻料现象。PET切片干燥后应密封充氮保护，以防止切片重新吸湿。第八章纺丝成网法工艺§8-1聚合物原料基本性能不同温度下PET熔体粘度与切变速率的关系η＝0.60第八章纺丝成网法工艺§8-1聚合物原料基本性能PET干切片的吸湿性能第八章纺丝成网法工艺§8-1聚合物原料基本性能(三)聚乙烯美国Dupont公司溶剂纺丝成网工艺采用线性聚乙烯(L