非织造布学——针刺

第五章针刺加固法纺织与材料学院非织造材料与工程系韩玲非织造布固网技术一般来说，非织造布的生产工艺一般可分为三个过程：–纤维/原料准备纤维成网纤网加固成形。纤维准备是非织造布生产工艺的第一道工序，包括纤维／原料的选择。纤维是所有非织造材料的基础，大多数天然纤维和化学纤维乃至成纤高聚物都可用于生产非织造材料。纤维原料的准备随着成网方法的不同而不同。将纤维形成松散的纤维网状结构称为成网。纤维网是非织造布的骨架，其质量的好坏直接影响到非织造布的外观和内在质量，非织造布的成网方法主要有干法、湿法和聚合物直接成网法三大类。如以纤维的形态来分，则有短纤维网、长丝纤维网和连续网络状纤维网。纤维成网工序所成的纤网强度很低，不能满足非织造布的使用要求，因此必须使纤维网中的纤维彼此粘合，即对纤维网进行加固。由此可见，固网是非织造布生产工艺过程中的关键工序，它对非织造布的强度和手感等性能有着决定性的影响。纤维网的加固方法可以分为三类，即机械固网、化学粘合固网和热熔粘合固网。第五章针刺法非织造布第一节针刺机理第二节针刺机第三节刺针第四节针刺工艺发展历程针刺法是一种典型的机械加固方法，在世界上的干法非织造布中，针刺非织造布占40%以上，我国占25%，是干法非织造布中最重要的加工方法。由于针刺法具有加工流程短，设备简单，投资少，产品应用面广等特点，因此针刺技术发展很快。1878年英国WilliamBywater公司制造最早的针刺机1885年英国JamesBroadhead采用针刺法制造薄毡1890年美国JamesHunter工厂开始制造针刺机1930年汽车已开始应用针刺非织造材料1957年Hunter工厂设计出传动平衡的针刺机，转速达到800rpm1968年奥地利Fehrer公司制造出组合机架、全封闭分段传动针刺机，转速达到1000rpm1972年Fehrer公司发明U形刺针和花纹针刺机目前，德国迪罗（Dilo）公司和奥地利菲勒尔（Fehrer）公司生产的针刺设备几乎代表了世界针刺设备的最高水平。技术指标针刺机速度达到3500r/min，生产速度超过60m/min，有的甚至达到150m/min。现在，各种型号、各种规格的针刺机多种多样，品种达100多种。菲勒尔公司的单针板植针密度达10000枚/m，门幅达16.5m，最新采用弧形针板机构。迪罗公司的针刺频率达3500r/min，单针板植针密度达16000枚/m，针梁采用平面椭圆运动。我国的针刺技术与针刺设备装备水平虽与国外有较大差距，但近年来已有长足的进步，除引进有世界上先进的针刺设备外，已可自己生产最高机速为1200r/min的通用型针刺机，植针密度10000枚/m，最宽门幅达6m。产品应用早期的针刺产品多数是由纤维或服装业的下脚料制成质量粗糙的垫子，用于家具衬垫、地毯底布、家用装饰品等。现今，由于针刺技术的不断发展，针刺产品的应用已渗透到工业、农业、国防、医疗等各个行业。例如，地毯、保温材料、过滤材料、土工布、服装辅料、合成革基布、油毡基布、造纸毛毯、汽车内衬材料、隔音材料、绝缘材料等。第一节针刺机理在针刺法加工中，利用具有三角形或其他形状的截面，且在棱边上带有刺钩的刺针对纤维网反复进行穿刺作用，将十分蓬松的纤网加固成具有一定性能的布。针刺法的基本工作过程：1—纤维网2—刺针3--托网板4—剥网板针刺法非织造工艺的原理利用三角截面(或其它截面)棱边带倒钩的刺针对纤网进行反复穿刺。倒钩穿过纤网时，将纤网表面和局部里层纤维强迫刺入纤网内部。由于纤维之间的摩擦作用，原来蓬松的纤网被压缩。刺针退出纤网时，刺入的纤维束脱离倒钩而留在纤网中，这样，许多纤维束纠缠住纤网使其不能再恢复原来的蓬松状态。经过许多次的针刺，相当多的纤维束被刺入纤网，使纤网中纤维互相缠结，从而形成具有一定强力和厚度的针刺法非织造材料。针刺非织造工艺形式有预刺、主刺、花纹针刺、环式针刺和管式针刺等。针刺布的结构模型：刺针的反复穿刺使纤网中的部分水平纤维形成了成千上万的垂直纤维簇，垂直纤维簇像一个个“销钉”贯穿于纤网上下，与水平纤维缠结，有效地阻止了水平纤维在拉应力作用下所产生的相互滑脱，并且使纤网结构紧密，厚度大大下降。“销钉”中的绝大部分纤维的一端或两端仍留在水平纤维之中。对于纤网中的部分纤维则有可能被两个或两个以上的刺针握持而转移，一根纤维同时参与两个或两个以上的“销钉”的组成，正是这种纤维在垂直的“销钉”与“销钉”之间产生了连接，起到了搭桥作用，而这些纤维受到两个或两个以上刺针的握持，纤维的紧张程度加强。通过他们应力的传递，产生了以垂直“销钉”为“节点”的水平网状结构。针刺法非织造工艺的特点适合各种纤维，机械缠结后不影响纤维原有特征纤维之间柔性缠结，具有较好的尺寸稳定性和弹性用于造纸毛毯大大提高寿命良好的通透性和过滤性能毛圈型产品手感丰满无污染，边料可回收利用可根据要求制造各种几何图案或立体成型产品第二节针刺机一、针刺机的结构针刺机的种类繁多，型号各异，但基本的组成部分是一致的。主要由送网机构、针刺机构、牵拉机构三大机构组成，另外还有机架、传动机构、辅助机构等。针刺机的机架要承受全机的负荷，必须特别坚固。现一般采用钢板焊接而成。传动机构则负责将动力传递给主轴。并由主轴分别传动针刺机构、送网机构、牵拉机构等。新型针刺机的传动机构大多采用数只电机，根据工艺需要，分别控制针刺、送网、牵拉速度，辅助机构的作用是便于机器看管，提高自动化程度。如紧急刹车自停装置、计长装置、为减缓针刺机高速下震动的平衡装置以及各种自动调节装置和数字显示装置等。（一）送网机构送网机构的作用是把纤网输送至针刺区域。由于针刺机机型的不同，送网机构各不相同，由于预针刺机所加工的纤网高度蓬松，所以对预针刺机的送网机构要求很高，出现了多种形式的送网机构。（二）针刺机构针刺机构是针刺机的关键机构，它由主轴、偏心轮、针梁、针板、刺针、剥网板、托网板、套筒直杆导向装置等组成。套筒直杆导向装置，密封器件质量不高时容易产生漏油问题。1—主轴2—偏心轮3—针梁4—针板5—刺针6—剥网板7—托网板8—套筒直杆导向装置德国Dilo公司DI-LOOMODⅡ型针刺机的摇臂导向装置，可较好地解决漏油问题。1、扇形齿2、摇臂3、直齿条4、机架5、橡皮套针刺机构为曲柄连杆滑块机构，曲柄长度相当于偏心轮的偏心距，刺针运动可看着滑块移动，动程相当于2倍的偏心距。偏心距根据针刺机机型的不同而不同，一般预针刺机的往复动程大，在60～150mm之间，主针刺机的往复动程小，在25～70mm之间。在满足针刺加固的前提下，往复动程应尽量小，这样往复部件的运动惯量小，有利于高速。运动方程为：式中：其中，n为针刺频率(rpm)。)(sin1)cos(cos)cos(22tlelteltey30602nnelΨt针梁用于安装针板，并与偏心轮、连杆连接，在偏心轮的带动下作往复运动。针板是用来安装刺针的，针板的宽度为200～300mm，长度为1～2m，厚度为20mm左右，对于门幅较宽的针刺机，采用针板分段拼接的办法来达到宽幅要求，针板材料现以轻质铝、钛合金材料为多。针板按刺针的排列要求钻有针孔。孔径应使针柄部位插入后，刺针不晃动，且便于拆装为宜。针板有两个十分重要的参数，一个是针板上的植针密度，另一个是刺针在针板上的排列方式。针板的植针密度是指在机台的宽度方向上单位长度的针板上的刺针数，这一参数是衡量一个机台的重要指标，植针密度越大，纤网的针刺密度越大，这样，对针刺密度要求一定的产品其加工工序就可缩短。但这一参数又和针板上针孔的加工精度、针板的强度等有关，目前多数针刺机的植针密度为3000枚/m左右，有的高达10000枚/m，另据报导，国外有的针刺机的植针密度高达20000枚/m。针板上针的排列方式。其排列方式应以加工出产品表面刺针刺点呈均匀分布为佳，解决这一问题是较复杂的。因为刺点的分布与针的排列方式、针板的纵向长度、纤网前进的速度等参数有关，过去机器上刺针的排列方式大多是呈人字形。现在，以采用计算机设计的无规则杂乱型排列为多。人字形(纵向等距)双人字形(纵向无规)杂乱形(无规杂乱)剥网板和托网板是一对配合刺针对纤网进行固结的部件，一般采用钢板制成。两板均钻有孔眼，与针板上的孔眼完全对应。针刺时，托网板起到刺针刺入纤网时的托持作用。剥网板起到刺针退出纤网时的阻挡作用，剥网板和托网板的表面要平整光滑，以便纤网顺利通过。这两板的进口一侧常有外跷形成喇叭形，便于使针刺前较蓬松的纤网顺利进入针刺区而不产生拥塞。为适应不同厚度纤网的加工，托网板、剥网板和针板的间距可以调节，以实现不同的针刺深度。（三）牵拉机构牵拉机构的作用是将针刺后的纤网从针刺区域输出。牵拉机构一般由一对牵拉辊组成，其表面包覆摩擦系数较大的材料，以增加牵拉辊对纤网的握持。纤网的牵拉速度和喂入速度要适当配合，保持纤网在针刺区即不产生拥塞，也不受到过分牵伸。牵拉机构的传动形式有间歇式和连续式两种，普通针刺机多采用间歇式传动，在刺针刺入纤网时，纤网停止输送;刺针退出纤网时，纤网运行，以确保纤网不受到过度牵伸或出现断针现象。高速针刺机多采用连续式牵拉。二、针刺机的类型及特点（一）针刺机的分类因针刺方式不同，针刺机的类别多种多样。按针刺的角度分为垂直针刺机和斜向针刺机。垂直针刺的“纤维销钉”位于纤维的垂直方向，斜刺可提高针刺深度，如60°斜刺比垂直针刺深度提高13%，刺针穿过纤网的区域大，纤维缠结机会多，且“纤维销钉”斜向插入，纤网的强力更高，断裂伸长较小，且有较大的密度和较小的透气性，还可改善尺寸稳定性。常用的倾斜角度有45°、60°、75°。直刺和斜刺的纤网结构按针板数量分为单针板机、双针板机、多针板机.按针刺方向分为上刺机、下刺机等单向针刺机和对刺式针刺机。单向针刺机可进行纤网一面的加固处理，而对刺式针刺机可实现双面加固。对刺中可分为同位对刺（b）、（c）〕和异位对刺（a）。按加工方式分为预刺机、主刺机。预刺面对的是十分蓬松且无强力的纤网，采用的刺针较粗，植针密度较小。主刺加工的是预刺后的纤网，纤网不再高度蓬松，纤维有一定密度，采用的刺针较细，植针密度较大。按产品形式分平状刺针刺机、环状刺针刺机、管状刺针刺机。平状刺针刺机生产的是平幅状的产品;环状刺针刺机生产的最典型的产品是造纸毛毯，环状长度一般为十几米到几十米;管状刺针刺机则生产直径为几个厘米到上百厘米的产品，如迪罗公司的RONTEX针刺机，由带有与针板孔眼一致孔眼的滚筒代替托网板，纤网连续喂入，滚筒连续回转，形成与滚筒直径一致的管状物。（二）针刺机类型及特点1.预针刺机预针刺机主要是对高度蓬松且纤网间抱合力小的纤网进行针刺，因此，一般预针刺机对送网机构要求较高，为保证蓬松纤网顺利喂入针刺区而不产生拥塞，不同预针刺机采用的送网方式各具特色。对蓬松的纤网进行初次针刺，主要特点为：剥网板与托网板之间的距离较大，有利于蓬松纤网喂入剥网板在入口处呈倾斜状，配有导网装置针刺频率较低针刺动程较大针板植针密度较小，刺针较长较粗预针刺加固工艺过程主传动针梁针板刺针输出辊喂给帘托网板剥网板针刺区预针刺机的送网机构（1）压网辊式:这是针刺机最普通的一种送网方式，如图1-5-11所示。纤网经压网辊压缩喂入针刺区接受针刺，之后由牵拉辊拉出。压网辊式送网装置1—纤网2—输送帘3—压网辊4—针板5—刺针6—剥网板7—托网板8—牵拉辊导网钢丝送网机构导网钢丝Fehrer公司的NL28型预针刺机单针板下刺式预针刺机，喂入辊上圆周上有很多沟槽，间距为60~70mm，每条沟槽嵌入一根导网钢丝，其伸出端尽量接近第一排刺针。蓬松的纤网由喂入辊和导网钢丝的引导很容易地进入针刺区，从而解决蓬松纤网的拥塞问题。导网片送网机构导网片导网片结构Fehrer公司的NL16/B型预针刺机采用表面非常光洁的导网片代替导网钢丝，靠自身弹性卡在喂入辊的沟槽内，两根喂