熔喷

1§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。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。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。二、常用原料1、聚丙烯(PP)2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。(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。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。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。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3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。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。§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成网熔喷过程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。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。熔体细流的流速在毛细管中呈抛物线分布，孔壁速度小，中心速度大，形成明显的径向速度梯度，这是非牛顿流体的特征。在孔流区，剪切速率达到最大，熔体一出喷丝孔，由于剪切速率和剪切应力迅速减小，由此产生的弹性回复和应力松弛，将导致熔体细流膨化胀大。膨化区熔体细流直径大于喷丝孔径的膨化现象，表现出熔体弹性和流动曲线的非牛顿性，可解释为高聚物柔性长链分子的粘弹性的宏观表现。和传统聚合物纺丝工艺中存在的膨化现象一样，熔喷工艺过程中聚合物熔体从大的空间进入模头喷丝孔时的弹性变形和通过喷丝孔后的松弛所产生的膨化现象是明显的，尤其是牵伸热空气流速度较低时。聚合物熔体的膨化胀大与聚合物分子量、熔体温度以及喷丝孔长径比有关，通常，聚合物分子量减小、熔体温度升高以及喷丝孔长径比增大，熔体膨化胀大率减小。根据实验观察，4聚丙烯熔喷工艺中最大膨化的位置根据不同工艺条件而变化，通常在距离喷丝孔0.1～5mm的范围内，熔体细流膨化位置和大小与熔喷模头结构、喷丝孔的几何形状以及聚合物熔体在喷丝孔中流动状况等有关。熔喷工艺要求膨化胀大率X的值较小，这样可保证纤维牵伸平稳，断头减小，纤维条干均匀性好。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。熔喷工艺中牵伸热空气速度与纤维细度的关系纺丝成网法工艺中纺丝速度(VF)与纤维细度的关系纺丝速度可根据VF=Q×9000/d得出与纤度的函数关系。如果用熔喷工艺的气流速度比较纺粘法的纺丝速度，在喷丝孔吐出量为0.35g/hm时，如要制得同样0.7d纤度的纤维，纺5粘法纺丝速度约为4500m/min，这在目前纺粘法工艺是可以做到的，但要做到5μm纤度的纤维，按上述函数关系，其纺丝速度为35000m/min，这样传统的纺丝条件就存在极大困难。比较而言，熔喷工艺就比较容易生产超细纤度的纤网，热空气速度400～600(m/s)在实际生产中已被普遍应用。纺粘法与熔喷法属两种完全不同的牵伸工艺，为了制取更细旦的纤网，纺粘法工艺中结合熔喷的牵伸原理，已有新的工艺突破。熔喷工艺中，纺丝线上高聚物熔体离开喷丝孔后的流变行为强烈依靠高温高速气流的牵伸，其开放式的气流运动经常会造成纤维明显的力学波动，式9-2所描述的动平衡随之打破，造成断丝现象，因此，熔喷工艺中的纺丝过程是非稳态的。PET熔喷时，通常在牵伸气流两侧喷水，以加快熔体细流冷却固化的过程。该方法对熔喷纺丝过程的稳定性存在一定的影响。6、成网熔喷工艺中，经牵伸和冷却固化的超细纤维在牵伸气流的作用下，吹向凝网帘或滚筒，凝网帘下部或滚筒内部均设有真空抽吸装置，由此纤维收集在凝网帘或滚筒上，依靠自身热粘合或其他加固方法成为熔喷法非织造布。模头喷丝孔出口处到接收帘网或滚筒的距离称为熔喷接收距离DCD。国内间歇式熔喷生产设备的接收方式与进口连续式生产线相比有很大差异，国产间歇式熔喷生产线的接收滚筒由不锈钢钢板卷成，熔喷超细纤维直接接收在滚筒上，没有真空抽吸作用。当需要较大单位面积质量的熔喷法非织造布时，通常将熔喷超细纤维一层层叠加上去，这样，产品的均匀度比进口设备生产的产品好，并可采用较小的接收距离，使产品密度增加，同时产品的弯曲刚度也比进口设备生产的产品大得多。间歇式熔喷生产线的产品是块状的，产量也比进口设备低。§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。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。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6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伸热空气管路通道加热保温元件(1)聚合物熔体分配系统聚合物熔体分配系统的作用是保证聚合物熔体在整个熔喷模头长度方向上均匀流动并具有均一的滞留时间，从而保证熔喷法非织造布在整个宽度上的具有较小的单位面积质量偏差、纤网cv值及其它物理机械性能的差异。目前熔喷工艺中主要采用衣架型聚合物熔体分配系统，详细讨论见§9-5。(2)模头系统熔喷模头系统是整个组合件中另一重要部分。熔喷法非织造布的均匀度与模头设计、制造有密切关系。通常，熔喷模头的加工精度要求很高，因此熔喷模头制造成本较昂贵。Exxon公司早期研制的熔喷模头，共有192个喷丝孔，分成4个区域，每个区域有48个喷丝孔，区域之间被25.4mm宽的空间所隔开，该空间用于固定上下两块模体，因此，该熔喷模头的喷丝孔实际上