第九章--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。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。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。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。第九章熔喷法工艺§9-1熔喷工艺应用的原料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。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。第九章熔喷法工艺§9-1熔喷工艺应用的原料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。§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、多层细目金属筛网、石英砂等。第九章熔喷法工艺§9-2熔喷工艺原理与过程3、计量熔喷工艺中采用齿轮计量泵进行熔体计量，高聚物熔体经准确计量后才送至熔喷模头，以精确控制纤维细度和熔喷法非织造布的均匀度。4、熔体从喷丝孔挤出熔喷工艺与传统纺丝具有相似原理，聚合物熔体从模头喷丝孔挤出的历程可分为入口区、孔流区和膨化区。熔体形成超细纤维首先要通过入口区和孔流区。在入口区，聚合物熔体由锲状导入口缩紧进入喷丝毛细孔之前，在入口处熔体流速加快，散失的部分能量以弹性能贮存在熔体内。其后，熔体细流进入喷丝孔孔流区，在该区域，剪切速率增大，大分子构象发生改变，排列比较规整。第九章熔喷法工艺§9-2熔喷工艺原理与过程第九章熔喷法工艺§9-2熔喷工艺原理与过程5、熔体细流牵伸与冷却熔喷工艺中，从模头喷丝孔挤出的熔体细流发生膨化胀大的同时，受到两侧高速热空气流的牵伸，处于粘流态的熔体细流被迅速拉细。同时，两侧的室温空气掺入牵伸热空气流，使熔体细流冷却固化成形，形成超细纤维。§9-3熔喷设备一、熔喷系统组成熔喷生产线的设备主要有：•上料机•螺杆挤出机•计量泵•熔喷模头组合件•空压机•空气加热器•接收装置•卷绕装置生产聚酯及聚酰胺熔喷非织造材料时，还需要切片干燥保温装置。生产辅助设备主要有模头清洁炉、静电施加装置和喷雾装置等。第九章熔喷法工艺§9-3熔喷设备1、上料机安装于挤出机料斗之上。上料机的功能是将聚合物切片抽吸至螺杆挤出机料斗，通常具有自动功能，可按整个生产线的产量来设定单位时间的送料量。第九章熔喷法工艺§9-3熔喷设备2、螺杆挤出机参见第八章相关内容。3、计量泵参见第八章相关内容。4、熔喷模头组合件模头组合件是熔喷设备中最关键的部分，通常由以下各部分组成：聚合物熔体分配系统模头系统牵伸热空气管路通道加热保温元件第九章熔喷法工艺§9-3熔喷设备Exxon公司早期研制的熔喷模头第九章熔喷法工艺§9-3熔喷设备Exxon公司专利U.S.P3,825,379中有关的熔喷模头第九章熔喷法工艺§9-3熔喷设备Accurate公司熔喷模头第九章熔喷法工艺§9-3熔喷设备5、空气加热器熔喷工艺需用大量的热空气。空压机输出的压缩空气经除湿过滤后输送到空气加热器加热，然后再送至熔喷模头组合件。空气加热器是压力容器，同时要抵抗高温空气的氧化作用，因此材料必须选用不锈钢。6、接收装置•滚筒式•平网式•立体成型(芯轴)7、辅助设备熔喷生产线最主要的辅助设备就是模头清洁炉。熔喷模头生产一段时间后会发生堵孔现象，影响产品均匀性和外观，这时需要更换熔喷模头。第九章熔喷法工艺§9-3熔喷设备间歇式立体接收装置熔喷模头接收芯轴管状滤芯传动顶针往复移动活顶针第九章熔喷法工艺§9-3熔喷设备连续式立体接收装置熔喷模头1熔喷模头1管状滤芯管状滤芯输出螺纹头接收芯轴螺纹头传动轴第九章熔喷法工艺§9-3熔喷设备二、典型熔喷设备介绍1、德国Reifenhauser公司熔喷生产线第九章熔喷法工艺§9-3熔喷设备德国Reifenhauser公司的Reicofil(SMS)生产线第九章熔喷法工艺§9-3熔喷设备德国Reifenhauser公司的Reicofil单头熔喷生产线第九章熔喷法工艺§9-3熔喷设备德国Reifenhauser公司的Reicofil双头熔喷生产线第九章熔喷法工艺§9-3熔喷设备德国Reifenhauser公司的Reicofil离线式SMS复合生产线第九章熔喷法工艺§9-3熔喷设备德国Reifenhauser公司的Reicofil熔喷生产线的熔喷模头第九章熔喷法工艺§9-3熔喷设备2、美国Biaxfiberfilm公司熔喷系统第九章熔喷法工艺§9-3熔喷设备美国Biaxfiberfilm公司熔喷系统原理图第九章熔喷法工艺§9-3熔喷设备美国Biaxfiberfilm公司熔喷模头示意图第九章熔喷法工艺§9-3熔喷设备3、NKK熔喷生产线第九章熔喷法工艺§9-3熔喷设备4、美国J&M公司熔喷设备第九章熔喷法工艺§9-3熔喷设备6、其他熔喷工艺与设备离心法熔喷工艺：利用离心力使聚合物熔体变成短纤维并成网的熔喷法工艺。聚合物由输送管3经过泵的作用而压入到旋转喷丝器2中，从喷丝孔挤出，形成细丝。熔体细丝受到旋转喷丝器转动产生的离心力而牵伸成为短纤维，并向四周飞散，凝集在环绕旋转喷丝器周围的凝网帘1上，形成纤网后再经过轧辊5加固后卷绕成布卷6。第九章熔喷法工艺§9-3熔喷设备离心法熔喷工艺第九章熔喷法工艺§9-3熔喷设备利用两股空气流的熔喷工艺§9-4熔喷产品性能与应用一、熔喷法非织造布的结构与性能熔喷法非织造布的特点之一是纤维细度较小，通常小于10μm，大多数纤维的细度在1～4μm。第九章熔喷法工艺§9-4熔喷产品性能与应用熔喷工艺是一个非稳态的纺丝过程，从熔喷模头喷丝孔到接收装置的整条纺丝线上，各种作用力不能保持动平衡。由于这种区别于传统纺丝工艺条件的非稳态纺丝过程，造成了熔喷纤维粗细长短的不一致。第九章熔喷法工艺§9-4熔喷产品性能与应用从偏光显微镜上观察可知，这种在非均匀牵伸和冷却条件成形的纤维，其结晶和取向也是不均匀的。纺丝成网法非织造布纤网中纤维直径的均匀度明显好于熔喷纤维，纺粘工艺中，纺丝工艺条件是稳态的，牵伸和冷却条件变化波动较小，纺丝线上各点每一瞬时所流经的聚合物质量相等，纺丝线上某点的聚合物的密度、丝条横截面面积和运动速度的乘积为常数，即服从流动连续性方程所描述的规律，纺粘工艺形成的纤维是连续不断的长丝。第九章熔喷法