熔喷非织造布技术发展及应用

熔喷非织造布技术发展及应用摘要:介绍了熔喷非织造布技术的生产工艺过程及原理,分析了国内外熔喷技术的发展现状和发展趋势,探讨了熔喷产品的应用前景,并就其今后的发展提出了几点建议。关键词:熔喷;非织造布;工艺原理;发展;应用熔喷法是20世纪50年代发展起来,依靠高速、高温气流喷吹聚合物熔体使其得到迅速拉伸而制备超细纤维的一种方法。聚合物切片通过挤压机加热加压成为熔融状态后,经熔体分配流道到达喷头前端的喷丝孔,挤压后再经两股收敛的高速、高温气流拉伸使之超细化。超细化的纤维冷却固化沉积于集网帘装置上形成细度极细的熔喷非织造布1熔喷非织造布生产工艺原理典型或传统的熔喷非织造布工艺过程为:聚合物喂入→熔融挤出→过滤→计量→喷丝→成网→卷取→后加工→成品。生产工艺流程及原理[2]见图1、图2。聚合物(PP切片)或其它原料由输送装置送入计量混合装置,经过计量、混合后,进入螺杆挤压机加热熔融成为熔体。再经过过滤除去杂质,进入纺丝泵(计量泵)计量加压后,即成为压力稳定、流量稳定、分布均匀的熔体,这些高温熔体进入纺丝箱后,由其内部的熔体通道均匀分配至纺丝组件(熔喷头)。另一方面,由空气压缩机或风机产生的压力气体进入空气加热器后,便成为高温的牵伸气流,由管道送入纺丝箱内的牵伸气流通道,然后由布置在喷丝板组件两侧的通道对着从熔喷头喷出的熔体喷射,熔体在这种高温、高速气流的作用下被牵伸成细度仅为1~5μm(实际上纤维的细度呈现对数正态分布,其范围一般在0.3~7μm之间)的细丝。与此同时,这些超细尺寸的纤维被牵伸气流拉断为长度约40~75mm的短纤维。牵伸气流挟持着这些被牵伸的短纤维落在成网机之前,虽然已被周围的环境空气(或人为的冷却气流)冷却降温,但仍然能依靠牵伸气流的热量及本身的余热在成网装置上互相粘合缠结,形成一张连续纤网。为了防止牵伸气流将纤网吹散,在网下设置了吸风系统,可以将牵伸气流及周围环境一定范围内的气流抽走,使纤网贴在成网帘上定型、传输。从成网机过来的纤网可用卷绕机卷绕、分切,成为熔喷布产品。2国内外熔喷技术发展现状及趋势2.1国外熔喷技术发展现状1954年美国海军研究所在研究气流喷射法纺丝时,纺得了极细的纤维,其直径在5μm以下,并制得由这种超细纤维组成的非织造布,随后出现了一些相关的专利。20世纪70年代后期,美国ExxonMobil公司将此技术转为民用,使得熔喷法非织造技术得到迅速的发展。BiaxFi-berfilm、ExxonMobil、ACCURATEProducts、Reif-enhauser、Kimberly-Clark和Nordson等公司都为熔喷技术的发展作出了突出的贡献。目前,ExxonMobil公司和Biax公司设计的熔喷模头结构代表了世界上两种典型的技术类型。ExxonMobil公司的组合式熔喷模头由带有一排喷丝孔、坡口角度呈30~90°的鼻形模头尖和两个气闸组成,两个气闸分布模头尖的两边;Biax公司的组合式熔喷模头则是由多排纺丝喷嘴和同心气孔组成,据称这一特点可以提供较高的生产能力和较好的产品质量[3]。最近几年,由于相继出现新的复合、层压、涂层、驻极化和化学处理等深加工方法,使熔喷法非织造布的品种和应用有了很大的发展。2.2国内熔喷技术发展现状我国对熔喷技术的研究始于20世纪50年代末。20世纪80年代,中国纺织大学研制出了间歇式熔喷法非织造布生产线。20世纪90年代初,北京化工研究院、中国纺织大学、北京超纶公司等单位设计出的熔喷设备,在国内投产了近百台。随后,安徽奥宏、江阴金凤、天津泰达、山东俊富等公司陆续投产了5条引进的连续式熔喷生产线,使我国熔喷法非织造布生产技术上了一个新的台阶。我国熔喷非织造布有连续式和间歇式两种。2006年连续式熔喷非织造布产品的生产企业在我国共有20家30条生产线,比2005年多了4个企业和6条生产线。间歇式熔喷设备也有一定的发展。2006年熔喷非织造布总的生产能力为3.31万t/a,产量为2.16万,t与2005年的1.9万t相比增长了13.2%,在非织造布中所占比重为1.5%。2006年新增连续生产线的来源,一是采用进口的熔喷模头,其它部分由企业自己加以配套组装成线,例如天津泰达的第三条生产线、大连瑞光、山东俊富都是这种做法,他们都是采用从日本卡逊(Kazen)公司进口模头自己配套成线。另外,2006年连续式熔喷法非织造布生产线的国产制造水平有很大提高,由北京宏大贝斯特制造的2.4m单模头和1.6m幅宽双模头的两条熔喷生产线已在浙江桐乡健民滤材公司顺利开车,制成的产品90%出口,取得了很好的经济效益。上海嘉荣、江苏腾达、杭州中南是一个企业联合体。2006年该联合体生产各种熔喷产品共达到3800多,t居国内第一。他们共拥有130~140台间歇式熔喷设备。其中把一部分设备分成多组,每组加装连续往复成卷机构,使产品能适应多样化的要求,并可以提高劳动生产率。这个机构具有自主知识产权,已获得专利。这个企业的主要产品为蓄电池隔板和过滤芯、吸油毡等。间歇式熔喷设备除了嘉荣、腾达、中南以外,估计全国还有100~200台散布在江苏、浙江、山东、河北、广东等地,因较为分散,无法加以详细统计[4]。2.3熔喷技术发展趋势随着各种非织造布加工技术的成熟,各工艺之间相互渗透,向混杂化、复合化方向发展是当前非织造布发展的趋势,尤其是各工艺之间的复合越来越受到大家的重视。进入21世纪以来,国际上熔喷非织造布技术有着突飞猛进的发展,主要包括以下几个方面。2.3.1发展双组份熔喷技术美国Hills公司和Nordson公司较早就开发成功制取皮芯型、并列型、三角形等多种双组份非织造布的熔喷技术,通常纤维纤度接近2μm,熔喷喷丝组件的孔数可以达到100孔/2.54cm,每孔的挤出量可达到0.5g/min。熔喷双组份纤维非织造布和一般熔喷纤维制品相比能进一步改进过滤介质的过滤性,并使过滤介质具有抗静电性、导电性、吸湿性、增强的阻隔性等;或使纤维网的粘结性、蓬松性、透气性提高。目前世界上提供双组份熔喷技术的主要有Hills和Nordson等公司,Hills公司还拥有多组份熔喷技术。据了解,其技术关键在于改变过去采用衣架式分配熔体的方法而采用新的薄板型分配板,采用多路隙缝设计,对不同聚合物流量进行精确分配,按要求通过不同管道把不同聚合物送到各喷丝孔。双组份熔喷纤维纺丝时,两种聚合物熔融温度有相当的差别。在纺丝过程中,占量较少的聚合物其降解温度比占量多的聚合物凝固点低30℃左右,因此,过去不同聚合物难于共同纺丝。Hills公司开发的薄型板工艺以及其纺丝箱体都完全可以胜任,它采用多泵式系统,两种组份分别加热、相互隔离,保证温度可以满足工艺要求。2.3.2发展熔喷纳米纤维过去开发熔喷纤维都基于Exxon的专利技术,最近几年国际上多家公司已突破Exxon技术向更细的纳米纤维发展。表1为熔喷纳米纤维与一般熔喷和纺粘纤维直径的对比。由表1可知,纳米熔喷纤维相对于其它纤维,直径更细,表面积更大。采用纳米熔喷纤维作过滤介质时,能够显著提高过滤效率。同时,由于纳米级熔喷非织造布中的纤维纤度细,可以采用更轻克重的熔喷布与纺粘布复合,仍可承受同样水头的压力,而其制成的SMS类产品可以减少熔喷纤维所占的比重。Hills公司对纳米熔喷纤维作过很深的研究,据称已达到产业化的阶段。其它一些企业例如NonwovenTechnologies(NTI)公司也开发了可生产纳米熔喷纤维的工艺、技术,并已取得了专利。为纺制纳米纤维,NTI公司采用比普通熔喷设备要细得多的喷丝孔,据称采用的喷丝孔细小到63.5μm,模块结构的喷丝板可组合成3m以上的总宽度,这样纺出的熔喷纤维直径大约为500nm,最细的单纤直径可小至200nm。2.3.3改进设备和更新原料改进熔喷设备,提高产品性能和生产效率,开发新型熔喷品种,是熔喷技术发展的必由之路。Nordson等公司提供的一些熔喷设备、纺丝箱体可根据需要转过一定角度,不与生产线垂直配置,从而可较方便地改变幅宽。美国Accurate(现已被Reifenhauser收购)的连续熔喷设备可以生产滤芯,并可自动改变相对速度使内外层形成密度梯度,以使过滤效率提高,滤芯可以自动切换连续运转。同时,摒弃传统的熔喷原料PP、PET等,寻找新型原料,纺制多功能、高附加值的熔喷产品,也是熔喷技术的发展方向。美国CelaneseAG公司推出的可用于熔喷非织造布的聚苯硫醚树脂,在通常使用聚丙烯原料的标准熔喷设备螺杆上就能加工成非织造布,经过长时间连续运转情况良好,但其熔体熔融温度需300~320℃,纺丝时温度需要提高。用此树脂纺制的熔喷纤维的细度,在2~4μm之间的占有一定比重,从细到粗分布较宽。由于其耐高温的特点,可在恶劣环境中如水泥厂、钢铁厂等作过滤之用,很有发展前景。另外,由聚乳酸(PLA)、聚酰胺酯(PEA)等树脂纺制而成的可生物降解的熔喷滤料也将具有广阔的发展前景。3熔喷非织造布的应用由于熔喷技术生产的纤维很细,同时熔喷布具有很大的比表面积,空隙小而空隙率大,故其过滤性、屏蔽性、绝热性和吸油性等应用特性是其它单独工艺生产的非织造布所难以具备的。所以,熔喷非织造布广泛应用于医用和工业用口罩、保暖材料、过滤材料、医疗卫生材料、吸油材料、擦拭布、电池隔板以及隔音材料等领域。3.1医疗卫生用品利用熔喷非织造布和其它材料复合可以制作医疗卫生用品,通常熔喷布可以和透气、透湿膜复合,而更为常用的是和纺粘布复合为SMS、SMMS等。纺粘布主要使复合布具有足够的强力,而熔喷布则防止带有细菌或病毒的血液、污液等侵入人体,其复合制品可以制作一次性或限次使用的防护服、手术衣、口罩、手术洞巾、床单、病室帷幕等。这些产品根据需要可以进行抗静电、防酒精、防血浆、拒水、拒油、抗污、耐酸、耐碱、阻燃、抗紫外线等各种特殊处理。如经过驻极化处理后的熔喷布可以增强其阻隔和屏蔽细菌、病毒、污液的作用,使用它的复合布做成的防护产品可以防止病人与医护人员之间的交叉感染,也可以防止病人与其他健康人之间的传染。3.2保暖材料熔喷非织造布由于其纤维直径特别细、孔径小、孔率高,因而手感柔软,具有非常好的抗风能力,且透气性能良好,重量非常轻,是十分优异的保暖材料。美国3M公司开发的一系列以熔喷布为主体的产品已在世界流行,这种保暖材料的基本组成是65%左右的PP熔喷纤维和35%的粗旦三维卷曲PET纤维,加入的粗旦PET纤维解决了其蓬松性的问题。据称,该产品的保暖性是羽绒的1.5倍,结构亦是仿羽绒的。天津泰达的生态棉实际上就是熔喷纤维构成的。它是一种在二层熔喷布之间具有间隔叠层特殊结构的絮片,因而具有更多的空隙,使其保暖性能更好。目前,生态棉已成为全国知名品牌,受到军队后勤部门的青睐。泰达的熔喷纤维保暖材料带来了中国熔喷非织造布发展的高潮。之后,江阴金凤、安徽奥宏及北京贝斯特等企业都有投入保暖材料领域的研发工作。熔喷非织造布保暖材料在国内民用市场有不可限量的发展前景。3.3过滤材料熔喷非织造布由于其纤维直径细、比表面积大、孔隙小,空隙率高等特点极适合作液固分离或气固分离的过滤材料。在空气过滤中适用于亚高效以上的过滤,如劳保及医疗口罩、防毒面具等,可滤除粉尘、细菌等有害颗粒,亦可作空调、汽车内空气过滤和发动机空气过滤的材料。空气过滤领域,在西方发达国家,由于环保的要求,现已大量采用熔喷非织造布复合型滤材。在我国,随着对环保的逐渐重视,熔喷非织造布必将具有广阔的市场。开发高性能的空气过滤材料,也将具有一定的市场空间,天津泰达的驻极熔喷复合滤材,在32L/min流量、0.3μm粒径的条件下,过滤效率可以达到99.99%,阻力为117.7Pa水柱,达到欧洲H13标准。3.4吸油材料聚丙烯熔喷布的多微孔性与疏水性使其成为吸油材料与揩布的天生候选者,其吸油量可以达到本身重量的20~50倍,具有吸油速度快,吸油后能长期浮于水面不变形,水油置换性能好,可以反复使用长期存放等特点,受到这一领域的欢迎。欧美、日本等国已广泛利用熔喷吸油材料进行工厂设备泄油治理,海洋环境保护,污水治理以及其它油料溢出和油