9熔喷法工艺

第九章熔喷法工艺§9-1熔喷工艺应用的原料§9-2熔喷工艺原理与过程§9-3熔喷设备§9-4熔喷产品性能与应用§9-5熔喷工艺理论与进展第九章熔喷法工艺发展简况：熔喷法工艺是聚合物挤压法非织造工艺中的一种，起源于20世纪50年代初。1951年，美国Arther.D.Littll’Inc公司开始研究用气流喷射－静电纺丝法生产聚苯乙烯超细纤维非织造布，取得了相关美国专利。美国海军实验室研究并开发用于收集上层大气中放射性微粒的过滤材料，1954年发表研究成果。20世纪60年代中期，美国ESSO公司(今Exxon公司)进一步对这一工艺进行改进，并取得了相关的美国专利。20世纪80年代后期，由于熔喷法非织造布市场的开发，一些非织造布机械制造商开始参与熔喷法生产设备的制造，其中有美国的Accurate公司和J&M公司，德国的Reifenhaeuser公司等。第九章熔喷法工艺从20世纪80年代开始，熔喷法非织造布增长迅速，保持了10～12％的年增长率。1990年全世界已有70多条熔喷生产线，年产量达到5万吨以上。美国的Kimble-clark公司为了克服熔喷法非织造布强力低的缺点，开发了熔喷非织造布与纺丝成网非织造布叠层材料，即SMS复合材料，大量应用于手术服、过滤材料等，有力地推动了熔喷非织造布的发展。随着复合技术的应用和熔喷法非织造布的应用开发，目前，世界熔喷法非织造布的年产量已超过10万吨。第九章熔喷法工艺我国熔喷非织造工艺的发展情况我国熔喷法非织造工艺研究始于20世纪70年代中期，80年代中后期，熔喷法非织造布在我国得到推广应用，主要产品有过滤材料、吸油材料、保暖材料、电池隔膜等。我国现有熔喷法非织造布生产线60多条，其中引进1.5m~2.5m幅宽生产线6条，其余为国产间歇式生产线，生产能力为1万吨/年。由于间歇式与连续式熔喷非织造布产品相互间具有不可替代性，因此两种工艺方法仍将相辅相成。第九章熔喷法工艺熔喷非织造工艺的特点：•能耗大•超细纤维纤网结构•过滤、阻菌、吸附方面有突出的优点•纤维取向度较差•纤维强力低第九章熔喷法工艺§9-1熔喷工艺应用的原料一、熔喷工艺对聚合物熔体性能的要求从理论上讲，凡是热塑性聚合物切片原料均可用于熔喷工艺。聚丙烯是熔喷工艺应用最多的一种切片原料，除此之外，熔喷工艺常用的聚合物切片原料有聚酯、聚酰胺、聚乙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、PBT、EMA、EVA、聚氨基甲酸酯等。聚合物切片原料的性能与熔喷工艺密切相关，主要的参数有：•聚合物种类•分子量及其分布•聚合物降解性能•切片形状•含杂第九章熔喷法工艺§9-1熔喷工艺应用的原料1、聚合物种类聚合物种类不同时，分子结构差异很大，决定了熔点及流变性能的不同。对于每一种聚合物原料，均有对应的熔喷工艺，如在加热温度、螺杆长径比、螺杆形式、原料干燥工艺等方面都有一定的差异。烯烃类和酯类聚合物原料熔喷工艺的差异原料品种模头温度热空气温度干燥工艺烯烃类较高较高一般不需要酯类较低较低需要第九章熔喷法工艺§9-1熔喷工艺应用的原料烯烃类聚合物原料(如聚丙烯)的聚合度较高，因此加热温度高于其熔点100℃以上方能顺利熔喷，而聚酯加热温度稍高于其熔点就可熔喷。烯烃类聚合物原料几乎不含水，因此熔喷时一般不需要干燥。而聚酯中含有微量水分，加热后由于水分的存在会导致酯类的水解，产生不利于非织造布产品质量的副反应物，因此必须进行切片干燥。2、分子量及其分布聚合物原料的分子量及分子量分布是影响熔喷工艺和熔喷法非织造布性能最主要的因素。对熔喷工艺来说，一般认为聚合物原料分子量低、分子量分布窄有利于熔喷纤网的均匀性。聚合物分子量大小与其熔融流动指数(MFI)成反比，与聚合物熔体的熔融粘度成正比。也即聚合物分子量越低，MFI越高，熔体粘度越低，越能适合于熔喷工艺较弱的牵伸作用。第九章熔喷法工艺§9-1熔喷工艺应用的原料通常，聚丙烯、聚乙烯及其共聚物在熔喷工艺设计时主要考虑MFI。而其他热塑性高聚物熔喷时考虑用熔体粘度或特性粘度来反映原料的分子量大小。采用MFI较低的聚丙烯原料可生产出强力较高的熔喷法非织造布。但目前的趋势是采用较高的MFI切片原料，这样可提高产量，降低加热温度，从而降低能耗。分子量分布越集中，大分子的分子量均等性好，便于均匀受热、熔融并得到均匀的纤网，因此，熔喷工艺要求聚合物原料的分子量分布尽量集中。3、聚合物降解性能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。聚合物熔喷时或熔喷前，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。第九章熔喷法工艺§9-1熔喷工艺应用的原料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。4、含杂熔喷工艺所用的模头的喷丝孔直径较小，若聚合物原料含杂多，易引起喷丝孔堵塞。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，可有效延长熔喷模头更换周期，减少耗能，降低产品生产成本。第九章熔喷法工艺§9-1熔喷工艺应用的原料二、常用原料1、聚丙烯(PP)聚丙烯是熔喷工艺应用最多的一种聚合物。熔喷工艺最早应用的是普通纤维级聚丙烯原料，其分子量高，MFI较低，通常只有12g/10min。该种聚丙烯在熔喷时必须借助于螺杆挤出机的高温和剪切作用来降解。随科技的进步，MFI为12的聚丙烯很快就为MFI35的所取代，同时出现了专为熔喷工艺所用的聚丙烯，其MFI高达1500。聚丙烯MFI的提高，可降低螺杆挤出机的工作温度，提高熔体流动速率，有利于减少过度降解聚合物的形成，延长熔喷模头寿命，减少能耗，同时给选用添加剂以更大的灵活性。第九章熔喷法工艺§9-1熔喷工艺应用的原料聚丙烯用于熔喷工艺有以下特点：(1)聚合物熔体粘度可以按需控制熔体粘度控制方法主要有：使用氧化剂或过氧化剂；依靠螺杆挤出机的机械剪切作用；控制工作温度进行热降解。对于MFI较低的聚丙烯，通常同时采用以上三种方法来控制熔体粘度，以便熔喷形成超细纤维。(2)分子量分布(MWD)可控制熔喷工艺要求聚丙烯分子量分布较窄，以便加工出超细纤维。新的催化技术，使聚合物生产商可以生产出MFI极高而MWD极窄的聚丙烯原料，前述的三种降解措施可进一步降低分子量分布。第九章熔喷法工艺§9-1熔喷工艺应用的原料聚丙烯切片的MFI、MWD与牵伸空气温度的关系第九章熔喷法工艺§9-1熔喷工艺应用的原料(3)较宽的熔融温度范围聚丙烯具有较宽的熔融温度范围，对非织造工艺中常用的热粘合加工工艺较为有利。常规应用中，聚丙烯的耐热性已足够。(4)有利于制成超细纤维与其他聚合物原料相比，如果聚丙烯熔体的粘度很低、分子量分布很窄，则熔喷时，同样的能耗和同样的牵伸条件下可得到较细的纤维。聚丙烯熔喷非织造布纤维细度通常为2～5μm，极端条件下可达到0.3μm。较窄的分子量分布降低了熔体的弹性，因此，熔喷模头喷丝孔挤出的熔体细丝可在热空气流牵伸作用下变得更细。第九章熔喷法工艺§9-1熔喷工艺应用的原料聚丙烯切片的熔融曲线第九章熔喷法工艺§9-1熔喷工艺应用的原料不同MFI聚丙烯切片的熔体粘度与切变率的关系第九章熔喷法工艺§9-1熔喷工艺应用的原料MFI为800的聚丙烯切片在不同温度下的熔体粘度与切变率的关系第九章熔喷法工艺§9-1熔喷工艺应用的原料熔喷工艺中，必须根据最终产品的质量、性能要求以及工艺特性来选择聚丙烯切片原料。重点应考虑以下几方面：添加剂为了保证聚合物切片的贮存、加工和最终应用的稳定性，聚合物切片生产时一般都加入一些添加剂。根据熔喷非织造布的最终应用要求，熔喷加工时，可在挤出机加料阶段再放入适当的添加剂。例如，如生产用于卫生材料的熔喷法非织造布，则可加入一些耐γ射线照射的添加剂，以便使产品在医院或其他使用场所中可耐射线消毒照射。均匀性要求切片每包、每桶或每箱的MFI和添加剂等指标保持一致，以保证熔喷生产工艺和产品质量稳定。第九章熔喷法工艺§9-1熔喷工艺应用的原料MFI美国熔喷工艺常用的聚丙烯切片的MFI达到400、800、1200等，我国尚未批量生产，仍依赖于进口。聚丙烯切片的MFI越高，则熔喷时能耗越小，参见图9-4。如要求熔喷法非织造布的强度高，一般可使用MFI30~35的聚丙烯切片，但生产能耗要高一些。对于吸油材料以及保暖材料等，仅考虑纤维细度的话，可使用高MFI的切片，产量高，能耗低。造粒普通造粒工艺会造成高MFI切片的特性不均匀性。目前，由于改进了催化剂和添加剂的良好分布，可以直接从反应釜制得具有较窄分子量分布的球粒状切片。这种高MFI的切片具有更好的熔融指数均匀性，而且越过了造粒阶段，减少了树脂受热时间，因此其应用迅速增长。第九章熔喷法工艺§9-1熔喷工艺应用的原料聚丙烯切片的MFI与熔喷能耗的关系第九章熔喷法工艺§9-1熔喷工艺应用的原料MWD分子量分布宽度对熔体流动性能有明显影响，分子量分布越窄，越容易制得细纤维。分子量分布宽，造成熔体切变速率下降，增加了熔体的弹性，会影响热空气流对熔体细丝的牵伸，从而影响纤维细度和产品的手感。某些高MFI的树脂中还加入了降解添加剂，以便在挤出机中降低熔体粘度和缩小分子量分布范围，因此较适合熔喷加工工艺。切片的清洁性减少切片的含杂量，有利于延长熔喷模头更换周期，降低生产成本。熔喷工艺中，聚合物熔体进入模头之前，应经过过滤，以滤去杂质和聚合反应后残留的催化剂。第九章熔喷法工艺§9-1熔喷工艺应用的原料2、聚酯(PET)参见第八章相关内容。3、聚酰胺(PA)参见第八章相关内容。4、乙烯类聚合物熔喷工艺中应用较多的乙烯类聚合物有三种：线性低密度聚乙烯(LLDPE)，乙烯－醋酸乙烯共聚物(EVA)，以及乙烯－丙烯酸甲酯共聚物(EMA)。与聚丙烯熔喷法非织造布相比，采用LLDPE为原料的熔喷法非织造材料具有低得多的弯曲刚度，因此手感更柔软，悬垂性更好。因为LLDPE没有长链分枝，而且MWD分布较窄，所以LLDPE容易熔喷成更细的纤维。此外，耐γ射线照射的能力较好，因此更适合于医疗卫生产品。第九章熔喷法工艺§9-1熔喷工艺应用的原料EVA广泛用于包装材料和热熔胶，其特点是模量低，延伸性好。熔喷工艺采用EVA作原料，主要是利用熔喷后非织造布的良好的弹性。EVA熔喷法非织造布的纤维细度比聚丙烯的要粗，通常为8～10μm。温度超过230℃时，EVA将发生热降解，因此其应用会受到一定的限制。EMA的制造过程与EVA相似，丙烯酸甲酯(MA)在共聚物中的含量一般为15～25％。由于MA侧链的存在，最终产品的模量低、弹性好。与EVA相比，EMA的热降解温度要高得多，熔喷加工时的熔体温度也比EVA的高，因此更适合于耐热方面的应用。EMA熔喷非织造材料通常用作热粘合材料，用于生产各种叠层复合材料。第九章熔喷法工艺§9-2熔喷工艺原理与过程一、熔喷工艺原理与过程熔喷非织造工艺是采用高速热空气流对模头喷丝孔挤出的聚合物熔体细流进行牵伸，由此形成超细纤维并收集在凝网帘或滚筒上，同时自身粘合而成为熔喷法非织造布。熔喷工艺过程主要为：•熔体准备•过滤•计量•熔体从喷丝孔挤出•熔体细流牵伸与冷却•成网第九章熔喷法工艺§9-2熔喷工艺原理与过程熔喷工艺原理热空气热空气聚合物熔体冷却空气冷却空气接收装置至后道工序喷雾装置第九章熔喷法工艺§9-2熔喷工艺原理与过程熔喷过程第九章熔喷法工艺§9-2熔喷工艺原理与过程熔喷过程第九章熔喷法工艺§9-2熔喷工艺原理与过程1、熔体准备熔喷非织造工艺使用聚酯、聚酰胺等切片原料时，必须对切片进行干燥预结晶。聚丙烯切片通常不需要干燥。熔喷工艺主要采用螺杆挤出机对聚合物切片进行熔融并压送熔体。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，以一定的压力输送到计量泵。2、过滤熔喷工艺中，聚合物熔体进入模头之前，应经过过滤，以滤去杂质和聚合反应后残留的催化剂。常用过滤介质有细孔烧结金属、多层