纺粘法

1第七章纺粘法（Spun-bondProcess）2非织造流程还可以缩短吗一个问题传统的纺织流程：清花→梳棉→并条→粗纱→细纱→络筒→整经→浆纱→穿筘→织造→布普通非织造工艺流程：纤维原料→成网→加固→非织造材料3普通非织造工艺流程：纤维原料？→成网→加固→非织造材料纤维原料为短纤维：天然纤维、化学纤维化纤短纤维维制造：高聚物→纺丝→拉伸等→切断因此，用化学纤维作为原料的非织造流程还可以再缩，即：高聚物→成网→加固→非织造材料，这就是纺丝成网(spunlaidprocess)和熔喷(MeltblowingProcess)非织造技术。4纺丝成网包括熔体纺丝、溶液纺丝成网技术，其中熔体纺丝成网方法生产速度最高，产量最大，本课程主要介绍这种方法。切片5纺粘法（Spun-bondProcess），是非织造材料生产的主要方法之一，又被称为纺丝成网法或聚合物挤压成网法。纺粘法的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、水刺、热轧或自身粘合等方法加固形成非织造材料。第一节概述6目前纺粘法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。1959年，美国Dupont（杜邦）公司首先成功开发聚合物粘法非织造布。美国是目前产销量最大的国家，10家最大的非织造布生产公司中8家拥有纺粘生产能力，如Kimberly-Clark（金伯利克拉克）公司、Reemay（里梅）公司等。西欧，20世纪60年代末70年代初开始纺粘非织造布的生产，如英国的ICI公司、德国Freuden-berg（弗来登伯格）公司、瑞士Fiberweb公司。一、发展概况71973年，日本开始生产纺粘非织造布，如旭化成、三井石油、尤尼吉卡等。1986，我国开始引进纺粘法生产技术和设备，起步较晚，但发展迅速。20世纪90年代初，纺粘生产线仅3条，年产3000t；2001年，产量14.5万吨，占世界纺粘产品总产量的10％，占全国非织造产量的24.6％；2002年底，生产线70条（目前美国50条），年产24万吨，居世界第二。8我国虽是纺粘大国，但技术水平与国外还有一定的差距，设备大多是20世纪90年代初期的国际水平。尤其是在纺丝速度、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。9优点：工艺流程短，产量高。产品机械性能好：强度大、断裂伸长大。产品适应面广：厚度范围8.5g/m2~2000g/m2，可用于服装、土建材料等。缺点成网均匀度不及干法工艺。产品变换的灵活性较差。二、纺粘法的特点10第二节纺粘法的工艺原理①熔融纺②溶液纺（干法、湿法）一、纺粘法的工艺类型纺粘法按纺丝原理可分为：目前，纺粘法以熔融纺丝为主，溶液纺（干法）较少，而溶液纺（湿法）更少。11聚合切片熔融纺丝机械拉伸正压气流拉伸负压气流拉伸机械摆丝静电分丝气流分丝铺网针刺加固热轧加固水刺加固化学加固固化烘干干燥成品卷绕聚合工序纺丝工序拉伸工序成网工序加固工序成卷或包装工序二、纺粘法的工艺流程12纺粘法的工艺流程为：聚合物切片纺丝切边熔融挤压切片烘燥冷却加固牵伸分丝铺网卷绕13纺粘法生产流程图料斗螺杆挤出机计量泵纺丝箱冷却风牵伸装置分丝至卷绕加固成网装置14去除水分含水切片，尤其PET熔融时会水解，使分子量下降，影响成丝质量。水在高温下汽化，易造成纺丝断头或毛丝。提高结晶度和软化点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粘结阻料现象，影响正常生产。无定形结构切片在一定温度下会结晶，软化温度提高。（PET由透明变成不透明）三、纺粘法的工艺过程(一)切片烘干1、烘干的目的无定形结构PET切片烘燥后具有一定结晶度的PET切片16PET切片含水形式有两种：吸附水：存于切片表面和细小缝隙中，多，易去除；氢键结合水：存于切片内部，少，难去除。干燥温度设定为？低，干燥慢；高，干燥快但软化粘连。干燥过程：第一阶段为预结晶阶段，热空气温度120~150℃；第二阶段为干燥阶段，热空气温度160~180℃。2、烘干原理17PET切片的干燥进程干燥时间(min)干燥阶段预结晶阶段1020304050607080H2O含量(%)0.300.200.100.02T=120℃T=170℃18真空转鼓干燥设备、回转圆筒干燥设备、沸腾式干燥设备、联合式干燥设备等。3、烘燥设备真空转鼓干燥设备及时排除鼓内空气和水分，可防止切片热氧化降解，干燥质量高。切片进出口检修进出口夹层内通入蒸汽或导热油真空抽吸回转接头19真空转鼓干燥装置2020主要设备为螺杆挤压机。(二)熔融挤压单螺杆挤出机211.作用输送：螺杆的转动将固体和熔体向前推进熔融：套筒外的加热元件将切片熔化混合、均化：温度、组成分布均匀22螺杆分三段：进料段、压缩段（熔融段）、计量段。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。2324通常指螺杆的外径，一定程度上代表螺杆挤出机的生产能力。直径加大，挤出机产量增加，但加热和驱动能耗均增加。(1)螺杆直径DD2.螺杆的基本参数25(2)螺杆长径比L/DL/D：工作长度（不包括鱼雷头及附件）与外径之比。L/D↑：熔化时间增加，螺杆转速和生产能力可提高。L/D过大，热敏性聚合物会过分降解；螺杆自重增加，悬臂度大，驱动功率大。聚丙烯纺粘法L/D≥30:1，聚酰胺和聚酯L/D≥24:1。L26螺杆直径一定时，螺距（S）决定螺杆的螺旋角，影响螺纹的推进力。(3)螺距SS27对于常规三段螺杆：加料段螺槽深，H不变；压缩段螺槽容积渐小，一般为等螺距，H渐小；计量段也称均化段，螺槽浅，H不变。螺槽深，产量大；螺槽浅，产量小，但塑化作用好，挤出量稳定。(4)螺槽深度HH1H228指进料口处最后一个螺槽容积与计量段第一个螺槽容积之比。(5)压缩比压缩比与物料的物理压缩比（松散的固态体积与熔融后的体积比）要相适应。ε越大，聚合物受到的挤压作用越大，通常ε在2.5-3.5。222212dDdD29漏流量与间隙的三次方成正比，在保证螺杆与套筒不产生刮磨的条件下，应尽可能采用较小的间隙。(6)螺杆与套筒间的间隙30螺杆挤出机按螺杆的数量可分为单螺杆挤出机和双螺杆挤出机，双螺杆挤出机可节约能源并提高产品的质量。31（三）纺丝切片置于料斗，螺杆挤压熔化后进入纺丝泵，然后从喷丝板挤出冷却成丝。如要生产有色产品或功能性产品（如抗静电、阻燃等）可在料斗中同时添加合适的母粒。32精确计量聚合物，连续输送熔体，确保熔体能从喷丝头挤出。计量泵为外齿轮啮合齿轮泵。齿轮脱开处为进料区，熔体在齿轮的带动下沿“8”字型孔的内壁转一周输出，即齿轮啮合处为出料区。重要纺丝部件（1）计量泵33由过滤板、分配板和喷丝板等组成。除去熔体中的杂质并把熔体均匀分散到喷丝孔的每个小孔中去形成熔体细流。过滤板：过滤杂质，防止堵塞喷丝孔。（2）纺丝头组件34喷丝板：钢板上打数个孔，是核心部件。有圆形和矩形板（整体式或组合式）两大类，矩形板应用较多。矩形喷丝板圆形喷丝板35纺粘法用喷丝板纺丝用喷丝板36①喷丝板的喷丝孔结构喷丝孔主要由导孔和微孔组成。导孔：引导熔体连续平稳地进入微孔，避免在入口处产生死角和出现漩涡状的熔体。微孔：孔径根据熔体流量、粘度和丝的细度等确定。（所谓的纺丝孔直径就是指该孔直径）(a)圆柱形(b)圆锥形(c)双曲线形(d)二级圆柱形(e)平底形喷丝板喷丝孔的结构37②喷丝孔的孔数根据聚合物种类和长丝线密度确定。骤冷困难的如PP，喷丝孔应少些；长丝线密度大，孔少。纺粘法的平均喷丝孔数须大于1000孔/m(产品宽度)。孔数增加，有利于成网均匀和产量提高。38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。入流区孔流区出流区挤出胀大39熔体从直径较大的空间挤入较小的孔隙，流动速度急剧增大，动能增加，并贮存一定的弹性变形能，称为“入口效应”。存储的形变超过一定限度时，将影响熔体的稳定流动。入口导角越小，熔体的流动越稳定。1.入流40靠近孔壁流速小，孔中心速度大，存在径向速度梯度。径向速度梯度使高弹形变增加，孔径小速度梯度大。2.微孔流动微孔大一些纺丝比较稳定。纺PP时微孔直径一般0.3~0.5mm，纺PET时一般0.3mm以下。熔体流动特点：41熔体从微孔挤出后产生“膨化胀大”现象，其原因是高弹形变的迅速恢复。膨胀严重时熔体破裂。增大微孔的长径比（L/d在1.5～10）、升高纺丝温度，可减小膨化现象。3.出流入流区孔流区出流区挤出胀大42熔体膨化胀大的程度可用膨化比B来表示：式中：d2－熔体细流膨化区最大直径d1－喷丝孔直径12ddB入流区孔流区出流区挤出膨化胀大d2d143变形区也称冷却区。熔体离开出口区时，具有流动性，受拉变形；空气冷却作用，熔体粘度增加，细流逐渐固化成纤。冷却条件对纤维的细度、伸长及均匀性有决定性的影响。冷却装置有侧向吹风和环吹风，气流层应为层流不能呈湍流(紊流)。4.变形与稳定入流区孔流区出流区挤出胀大d2d1变形与稳定44(四)拉伸1、目的使大分子沿纤维轴向排列，即提高取向度，从而提高纤维的拉伸性能、耐磨性。达到所需的细度。45拉伸工艺指标性能初生丝拉伸丝高速纺丝非织造Recofil气流拉伸丝双折射率△n×10-35~1230~3520~2517~19强度(cN/dtex)0.89~1.344.0~4.91.6~2.671.07~1.87断裂伸长(%)20020~60110~200120不同拉伸工艺制取的聚丙烯纤维46主要有：（1）机械牵伸－－由拉伸辊的速度差进行拉伸。合成纤维生产中常使用。易于对纤维控制，拉伸程度也易于保证，但需防止丝条粘连。（2）气流牵伸－－利用高速气流对丝条的摩擦进行牵伸。影响因素多，对拉伸效果的控制复杂、困难。纺粘法生产中多采用这种方法。2、牵伸装置机械牵伸47典型的纺丝成网和拉伸系统(a)机械拉伸纺丝成网(c)圆形喷丝板狭缝拉伸纺丝成网(b)喷嘴式拉伸纺丝成网(d)矩形喷丝板狭缝拉伸纺丝成网48纺粘法多数采用气流拉伸或气流拉伸与机械拉伸相结合。气流牵伸分正压牵伸和负压牵伸。正压牵伸：气流从上方喷吹形成拉伸气流，形式上有喷嘴牵伸和窄缝牵伸，气流速度达3000~4000m/min或更高。负压牵伸：风机在拉伸管道下方抽吸形成拉伸气流。49窄缝式气流牵伸装置喷丝板冷却空气牵伸空气典型的正压拉伸工艺50窄缝式气流牵伸装置喷丝板冷却空气牵伸空气喷嘴式气流牵伸装置典型的正压拉伸工艺拉伸空气长丝喷嘴空压腔整流板环形狭缝拉伸管51典型的抽吸式负压拉伸工艺521.气流分丝法：(五)分丝牵伸后的丝运动速度达千米级，短时间内铺置成网，为防止成网时纤维间互相粘连或缠结，丝束需分散开（改变丝的平行状态）。目前，常用形式有：利用空气动力学效应，气流在一定形状的管道中扩散，形成紊流达到分丝目的。532.静电分丝法：牵伸时丝束经过高压静电场或摩擦带电，丝因带同种电荷相互排斥，达到分丝的目的。高压静电分丝541-喷丝板2-长丝3-压缩空气4-气流拉伸5-偏转板6-成网帘7-吸风丝束牵伸后与挡板、摆丝辊、振动板等撞击，变成无规则运动，达到分丝目的。3.机械分丝法：55(六)铺网1、目的将拉伸后的长丝均匀铺放到成网帘上。2、长丝的控制方式（1）气流控制借助拉伸气流在拉伸通道出口处形成的紊流，使长丝像面纱一样落到凝网帘上。Reicofil（莱科菲尔）利用交替喷射的侧吹气流使丝条往复摆动铺网。（杜邦公司的狭缝式纺粘设备）56德国Reicofil（莱科菲尔）设备l-熔体2-喷丝板3-长丝4-风管5-冷风6-导流板7-室温空气8-风道板9-纤网10-成网机侧吹气流铺网（杜邦公司）57（2）机械控制利用罗拉、转子或拉伸分丝管道作左右往复运动进行铺网。1-气流分丝器出口2-摆丝辊3-丝束4-成网帘5-吸风6-纤网一种摆丝成网机构58(七)吸网将高速下落的长丝均匀吸附在网帘上，防止长丝