1、熔喷工艺知识熔喷工艺知识2022-12-62内容8-1 熔喷工艺应用的原料 8-2 熔喷工艺原理与过程 8-3 熔喷设备 8-4 熔喷产品性能与应用 8-5 熔喷工艺理论与进展 3一、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.LittllInc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
2、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。熔喷非织造工艺发展概况4二、从20世纪80年代开始，熔喷法非织造布增长迅速，保持了1012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
3、造布的年产量已超过10万吨。5 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。我国现有熔喷法非织造布生产线60多条，其中引进1.5m2.5m幅宽生产线6条，其余为国产间歇式生产线，生产能力为1万吨/年。由于间歇式与连续式熔喷非织造布产品相互间具有不可替代性，因此两种工艺方法仍将相辅相成。三、我国熔喷非织造工艺的发展情况6 1 1、能耗大；2 2、超细纤维纤网结构；3 3、过滤、阻菌、吸附方面有突出的优点；4 4、纤维取向度较差；5 5、纤维强力低；四、熔喷非织造工艺的特点：78-1 熔喷聚
4、合物原料及性能一、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、含杂等。8二、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
5、熔喷工艺的差异 9 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100100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。三、分子量及其分布（P267-268）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体指数(MFI)成反比，与聚合物熔体的熔融粘度成正比。也即
6、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。10 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。11 聚丙烯切片的MFI、MWD与牵伸空气温度的关系12四、聚合物熔体粘度与流动特性熔体粘度是熔体流变性能的表
7、征，影响纤维成形好坏；温度升高，熔体粘度下降；熔体粘度与分子质量有关，聚酯分子量低于20000时，熔体粘度与温度呈线性关系；而高于20000时呈非线性关系；切力变稀-剪切速率提高，剪切应力增长缓慢。原因：随着剪切速率提高，拆散聚合物大分子链之间缠结点的作用越来越强，缠结点数量减少相应使熔体粘度下降；（P270图9-7）单体含量增加，熔体粘度降低。13 MFI为800的聚丙烯切片在不同温度下的熔体粘度与切变率的关系14五、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
8、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。15六、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。16作业与思考题178-2 熔喷工艺与设备一、熔喷工艺原理 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拉伸，然后冷却空气在模头下方一定位置从两侧补入，使纤维冷却结晶，再对形成的超细纤维
9、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。18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19二、熔喷工艺流程与设备1 1、熔喷非织造工艺过程：（P271P271）熔体准备过滤计量熔体从喷丝孔挤出熔体细流拉伸冷却成网 2、熔喷非织造设备及工作原理（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
10、度，以一定的压力输送到计量泵。20（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。21（4）熔喷模头组合件及工作原理模头组合件是熔喷设备中最关键的部分；聚合物熔体分配系统的作用：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和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
11、合物熔体分配系统；图9-10歧管倾斜角影响：增加，熔体在分配系统中央处的流动速率减小，两边流动速率增加，倾斜角须保证分配系统出口处流动速率一致；22熔喷组合模头衣架型熔体分配系统示意图 23歧管倾斜角度对分配系统出口处熔体流率分布的影响 24 分配系统高度影响：系统高度增加，熔体在系统出口处的流动速率更加均匀；聚合物熔体分配系统几何形状一旦确定，必须确定相应的聚合物原料性能指标。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。喷丝孔直径0.20.20.4mm0.4mm，长径比1010，要求整
12、个宽度上每个喷丝孔挤出聚合物量相等；25分配系统高度对分配系统出口处熔体流率分布的影响 26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。熔喷工艺对拉伸空气加热器的温度控制精度要求较高，要求稳定在1的范围内。拉伸热空气风道夹角为60，保证整个工作宽度上热空气喷出速度和流量一致，对熔体细流均匀拉伸，采用迷宫式热空气分配系统；P273图9-1227Nippon Kodoski公司迷宫式熔喷模头28熔喷模头设备Exxon公司早期研制的熔喷模头，共有192个喷丝孔，分
13、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是由上下模体配合形成的。先在上下模体结合面上各自加工出微细的凹槽，然后上下模体贴合，校正后即可形成一排喷丝孔。该结构的特点是，可得到较大的喷丝孔长径比，模头清洁较方便，但加工精度和装配精度要求较高，目前已较少应用。29Exxon公司早期研制的熔喷模头30 Exxon公司专利U.S.P 3,825,379中有关的熔喷模头，这也是目前熔喷工艺中常用的结构。其喷丝孔采用毛细管，通过焊接与模头成为一体。其他喷丝孔的加工方法有机械钻孔、电弧深孔加工等。对于毛细管焊接模头，喷
14、丝孔长径比大，但模头工作寿命短。对于机械钻孔等，由于加工上的难度，喷丝孔的长径比不能做到很大，但模头寿命较长。31Exxon公司专利U.S.P 3,825,379中有关的熔喷模头32Reifenhaeuser公司熔喷模头33 熔喷模头中，牵伸热空气通道的设计也是非常重要的，要求在整个熔喷模头长度方向上保持热空气流喷出速度和流量一致，以获得均匀的熔喷纤网。目前，世界上熔喷非织造生产线的制造商均有自己的设计特点。通常的方法是尽量保证每孔聚合物和热空气的流量相等，可采用了较长的聚合物熔体分配通道以及迷宫式热空气通道。熔喷模头清洁处理时应注意防止变形和损伤。34（5 5）熔喷超细纤维成形机理1）熔体从
15、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。35熔体从喷丝孔挤出历程 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。36 熔体细流的流速在毛细管
16、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，尤其是拉伸热空气流速度较低时。37 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
17、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，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0.10.15 5mmmm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 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。382 2）熔体细流拉伸与冷却高温高速拉伸热空气从喷丝模头的风道中喷射出来，两股气流发生碰撞，形成复杂的流场，Harpham和Shambaugh采用粘性流体的定常运动，通过k-紊流模型来建立数学方程：质量连续方程；（P274式9
18、-1）动量方程：x方向和y方向；（P274式9-2）能量方程：紊流动能方程、紊流动能耗散率方程；（P275式9-4）Shambaugh经验公式；（P275式9-7）数学模型、经验公式与实验结果能较好的吻合一致。（P275图9-15）39气流风道夹角和风道宽度对熔体拉伸影响：风道夹角越小，喷丝孔附近气流紊流减弱，气流在喷丝孔轴线方向的分量越大，在模头中心线两侧分布梯度也越大，有利于对聚合物熔体细流进行气流拉伸；风道宽度越大，气流在喷丝孔轴线方向的分量越大，在模头中心线两侧分布梯度也越大，有利于熔体细流进行气流拉伸，但气流流量增加引起能耗增大。40气流与喷丝孔轴线不同夹角时的气流速度场 4142
19、43不同气流通道宽度的气流速度场 4445拉伸气流速度与熔喷纤网中纤维平均直径关系Vf=1.273106Q/(d2)；纺丝成网法工艺很难纺制5m直径以下的超细纤维，而熔喷法拉伸热空气速度在400600m/s就可以实现超细纤维；（P277图9-18）46纺丝成网法工艺中纺丝速度(VF)与纤维细度的关系 47熔喷工艺中牵伸热空气速度与纤维细度的关系 48 纺丝速度可根据VF=Q9000/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（10m）纤度的纤维，纺粘法纺丝速度约为4500m/min，这在目前纺粘法工艺是可以做到
20、的，但要做到5m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400600(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。493 3）熔喷纺丝线上的力平衡 熔体细流从喷丝孔挤出，立即受到左右两侧高速热气流拉伸，不存在空气对运动丝条的摩擦阻力F Ff f;50 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
21、-9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。熔喷工艺对熔体细流拉伸在5 51010-4-4s s时间内完成，纤维垂直于纺丝线运动；（P278P278图9-9-2121）51 熔喷工艺采用振动的气流拉伸方式，当气流振动频率高于25Hz时，纤维直径显著减小；拉伸空气流量增加也可减小纤维直径。（P278图9-22和9-23）52熔喷模头下2cm处纺丝线多次曝光的频闪照片 53纤维振动显著时的熔喷工艺 54熔喷数学模型模拟的纤维横向运动位置 预示了二十五次
22、频闪(间隔时间为0.01秒)的纤维位置，拟合结果较精确。55气流流量为54L/min时气流振动频率对纤维直径的影响 56气流流量为100L/min时气流振动频率对纤维直径的影响 57作业与思考题583 3、成网 （1）熔喷工艺中，经拉伸和冷却固化的超细纤维在拉伸气流的作用下，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。（2 2）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。59 滚筒式 平网式 立体成型(芯轴)美国Accurate公司熔喷生产线的专利接收滚筒，其内部吸风通道分多层，以保证
23、滚筒延轴线方向吸风量的一致。美国Accurate公司熔喷生产线的模头系统以及螺杆挤出机等安装在一个升降平台上，通过升降平台来调节熔喷接收距离，接收滚筒的水平位置不可调。德国Reifenhaeuser公司的熔喷生产线采用了平网接收装置，其帘网周长固定，转动辊可左右移动，以调节帘网成网工作面的水平位置，从而达到改变熔喷接收距离DCD的目的，Reifenhaeuser公司熔喷生产线的模头系统的位置是固定的。（3）熔喷工艺中的接收装置主要有：60美国Accurate公司熔喷生产线的专利接收滚筒61 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
24、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。62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63 连续式立体接收装置。该装置的接收芯轴呈悬臂梁形式，结构较复杂，接收芯轴呈空心状，内配有用来输出管状滤芯的传动轴，该传动轴头端配有螺纹，依靠管状滤芯(接收芯轴)和螺纹头的速度差产生的推力将管状滤芯从接收芯轴上拔出
25、并输送至定长切割系统。定长切割系统控制较复杂，一是正确计量切割滤芯的长度，二是切割时刀具移动速度应与管状滤芯输出速度保持同步。连续式接收装置生产具有密度梯度的滤芯时，应配置多个不同接收距离的熔喷模头。和间歇式立体接收方式相比，连续式接收装置正常生产时没有边角料，因此制成率要高得多。64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654 4、熔喷工艺的能耗 Shambaugh研究了聚丙烯熔喷工艺的能耗，其要点如下：（1）纤维的细化主要取决于热空气的动能；（2）当得到较粗的纤维时，拉伸热空气的大部分动能未被充分利用而造成浪费；（3）纤维直径分布呈多分散性时，
26、将消耗更多的动能；（4）熔体指数提高，可有效降低熔喷工艺的能耗。（P279P279图9-259-25）66聚丙烯切片的MFI与熔喷能耗的关系675、熔喷工艺的发展熔喷工艺自身的拓展和其它非织造工艺组合交叉应用；由单一聚合物原料、圆形截面向多种原料、异形截面纤维熔喷纺丝发展；发展静电熔融纺丝非织造工艺；熔喷与水刺、针刺非织造工艺组合应用；熔喷与其它材料叠层复合应用。68三、典型熔喷生产设备1、德国Reifenhauser公司熔喷生产线 德国Reifenhauser公司1984年开始生产纺粘法非织造布生产线，1988年与美国Exxon公司签订了技术转让协议，开始研制熔喷法非织造布生产线。熔喷生产线
27、模头水平位置固定，通过平网式接收装置传动辊的左右移动来调节熔喷工艺接收距离，目前，该公司可提供单独的纺粘生产线、熔喷生产线和生产SMS复合非织造布产品生产线中的熔喷部分以及全套SMS生产线。69德国Reifenhauser公司的熔喷生产线 70德国Reifenhauser公司的Reicofil(SMS)生产线 71德国Reifenhauser公司的Reicofil单头熔喷生产线 72德国Reifenhauser公司的Reicofil双头熔喷生产线 73德国Reifenhauser公司的Reicofil离线式SMS复合生产线 74 德国Reifenhauser公司的Reicofil熔喷生产线的熔
28、喷模头 75 美国Accurate公司与Exxon公司在熔喷领域的合作始于1967年，当时Accurate公司根据Exxon公司的要求制作了第一个10英寸（24.5cm24.5cm）的熔喷模头。1970年1980年期间，Accurate公司向几乎所有的Exxon专利被许可者提供熔喷模头，规格从10英寸实验室用熔喷模头、20英寸、40英寸、68英寸，一直到106英寸熔喷模头，106英寸熔喷模头于1976年提供给Kimberly-Clerk公司在美国密西西比省的Corinth工厂使用。2、美国Accurate公司熔喷生产线 76Accurate公司熔喷模头 77 2020世纪80年代初，Accur
29、ate公司运用流体动力学方面的知识，并利用公司为航天工业提供精密机械加工的经验与技术，设计并制造出新型的组合式熔喷模头系统。该组合式熔喷模头在熔喷成网均匀性、牵伸空气速度一致性以及操作维护的简单性等方面取得了显著的效果。1984年Accurate公司开发出第一条20英寸宽的熔喷生产线，包括空压机、空气加热器、树脂喂料机、挤出机、过滤网切换装置、计量泵、组合式熔喷模头系统、收集装置、卷绕机等，全套设备由计算机控制。78 Accurate公司目前可提供Accuweb标准熔喷系统以及Ffwcm纤维成网系统，后者包括熔喷生产线主要部件和软件部分，客户可使用已有的挤出机和卷绕机等。Accurate公司的
30、熔喷设备目前作了一些改进，在原来连续生产卷材的设备上可生产滤芯，而且滤芯的生产实现了自动切换。其次，熔喷模头可与纤网输出方向垂直安装，也可以斜装，因此改变产品门幅十分方便，1.6m宽的生产线可以生产11.6m宽的任何产品。793 3、美国Biax fiberfilm公司熔喷系统 美国Biax fiberfilm公司开发出一种具有多排喷丝孔并列排列的熔喷设备。该熔喷系统的结构与Exxon公司不同，已申请美国专利(USP 5476616；USP 4380570)。Biax fiberfilm公司熔喷系统结构紧凑，熔喷模头系统的加热依靠牵伸热空气，没有其他的电加热装置，设备投资较小。80Biax f
31、iberfilm熔喷模头原理：聚合物熔体1从毛细管3中挤出，空气腔2中的牵伸热空气4从筛网5与毛细管3组成的缝隙中喷出，并将从毛细管3中挤出的聚合物熔体牵伸成超细纤维7。由于采用多排喷丝孔，因此熔喷模头每英寸长度上最多可有332孔，这样就大大提高了生产速度，增加了产量。工作宽度较大时，配置多个计量泵，以保证熔喷纤网单位面积质量的均匀性。该系统通过更换模头，可生产150m纤维细度范围的熔喷非织造布，模头工作宽度为20英寸时，产量为300kg/h(纤维直径10m)。81美国Biax fiberfilm公司的熔喷系统 82美国Biax fiberfilm公司熔喷系统原理图 83美国Biax fibe
32、rfilm公司熔喷模头示意图 844、NKK熔喷生产线 日本高度纸(N.K.K)工业株式会社1986年起进行熔喷工艺技术研究，目前已经可以提供商业化的熔喷生产线。其熔喷生产线的特点是适应各种原料，如聚丙烯、聚酯、聚乙烯、生物降解树脂等均可使用，纤维细度可达到1m，纤网单位面积质量为3300g/m2，纤网均匀度由于特殊的气流分布系统而达到极高的水平。85NKK熔喷生产线 865、美国J&M公司熔喷设备 876、其他熔喷工艺与设备 （1 1）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
33、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。88离心法熔喷工艺89（2 2）利用两股空气流的熔喷工艺 聚合物熔体由泵打入喷丝器2并从喷丝孔中挤出，一股高压空气流由管道3导入喷丝孔的外侧喷口，同时另一股空气流进入成网管道5，喷丝孔挤出的聚合物熔体细流牵伸成短纤维并收集在成网帘6上，形成纤网7后卷成布卷8。由于纤维在成网时尚未完全冷却，因此纤维间可粘合，使纤网具有一定的强力，此外纤网的结构也较蓬松、孔隙度高。90利用两股空气流的熔喷工艺 919-3 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
34、织造布的特点之一是纤维细度较小，通常小于10m，大多数纤维的细度在14m。92 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。93 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
35、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。94 熔喷聚丙烯纤维的X光衍射图只有2个明显的衍射峰，峰形不尖锐，且有平台出现，所表征的晶胞结构主要是近于拟六方酝晶结构和晶型的2种变体，其中酝晶变体占优势。(P283(P283图9-36-a)9-36-a)纺粘聚丙烯纤维具有4个明显的衍射峰，比较尖锐衍射峰所表征的晶胞结构主要是晶型，属单斜晶系。(P283(P283图9-36-b)9-36-b)95纺粘聚丙烯纤维的X X衍射强度显著高于熔喷聚丙烯纤维。熔喷纺粘普纤96 熔喷和纺粘聚丙烯纤维的双折射n均随拉伸倍数的增加而提高，而且纺粘聚丙烯纤维的双折射比熔喷聚丙烯纤维要高得多。由此，熔喷成形
36、的纤维强度较差，熔喷法非织造布实际应用时，主要是应用其超细纤维的特点。(P284(P284图9-38)9-38)熔喷纤维的强度差，常规聚丙烯短纤维强度为3.96.4cN/dtex；纺丝成网聚丙烯纤维强度为2.94.9cN/dtex；而熔喷单纤维强度为1.52.0cN/dtex。97双组分熔喷非织造材料纤维呈卷曲形状，由每一种聚合物熔体的热性能和流变性能差异引起；双组分熔喷非织造材料具有更好的蓬松性、弹性和抗渗性。（P284P284图9-39)9-39)98双组分聚合物原料熔喷非织造布的纤网结构99双组分聚合物原料熔喷非织造布的纤网结构100聚丙烯熔喷非织造布透气率与熔喷工艺接收距离呈线性正比关
37、系；原因是熔喷工艺接收距离增大，熔喷纤维运行速度变慢，在成网帘上形成蓬松纤网，纤网蓬松度增加，使聚丙烯熔喷非织造材料最大孔径和平均孔径变大；聚丙烯熔体指数对纤网透气率和最大孔径影响较小，但对纤网平均孔径影响显著；较低熔体指数造成熔喷纤维变粗，纤网平均孔径变大；聚丙烯熔喷非织造材料最大孔径、平均孔径和透气率随纤网面密度增加而减小，纤网面密度超过50g/m2，平均孔径和透气率变化平缓。（P285P285图9-419-41和9-42)9-42)101熔喷接收距离与产品透气率的关系 102二、熔喷非织造材料的物理机械性能(一)、熔喷工艺的复杂性，决定了影响熔喷非织造布产品性能的因素较多。聚合物原料性能
38、以及熔喷工艺条件直接影响产品的性能。1 1、影响熔喷非织造布性能的工艺参数可分为在线参数和离线参数。在线参数是指在熔喷生产过程中可按需调节的变量，主要有聚合物熔体挤出量与温度、牵伸热空气速度和温度以及熔喷接收距离等。离线参数是指只能在设备不运转时才能调节的变量，如熔喷模头喷丝孔形状、牵伸热空气通道尺寸及导入角度等。103 2 2、熔喷法非织造布的强度与纤网单位面积质量以及密度相关。通常，随着纤网单位面积质量的增加，熔喷法非织造布的纵横向强度均有所增加。但纤网密度对熔喷法非织造布强力的影响很大，对于一定单位面积质量的熔喷法非织造布，纤网密度越小，拉伸断裂强力越低，而拉伸断裂伸长越大。如纤网密度增
39、加，则对提高纤网的断裂强力有利，但拉伸断裂伸长减小。熔喷纤网中的纤维呈杂乱排列，对纤网强力的贡献除了纤维本身强力外还取决于纤维之间的热粘合程度。根据研究，熔喷纤网中纤维之间的热粘合程度与熔喷工艺条件相关，其中熔喷接收距离(DCD)的影响尤为显著。104熔喷非织造纤网面密度和拉伸强力的关系 105 3 3、熔喷接收距离(DCD)影响熔喷纤网的蓬松度和纤维之间的热粘合程度：通常情况下，减小接收距离，牵伸热空气冷却和扩散不充分，熔喷纤维之间的热粘合得到改善，但产品的蓬松度下降，密度增加，此时纤网中的纤维多数呈团聚状排列。（P286P286图9-44)9-44)当接收距离增大时，纺丝线上纤维丝条和牵伸
40、热空气的温度均迅速下降，造成熔喷纤网中纤维之间热粘合效率降低，纤维之间粘连频度下降，此时熔喷纤网具有较高的蓬松度，纤网强力仅取决于纤维之间的缠结和抱合，同时可观察到多数纤维呈伸直状态，并出现较严重的并丝现象。随着熔喷接收距离的增大，熔喷法非织造布的断裂强力、顶破强力、撕破强力以及弯曲刚度均呈下降趋势，而透气率呈增长趋势。106团聚状排列的熔喷纤维 107熔喷接收距离与纵向断裂强度及弯曲刚度的关系 108熔喷接收距离与横向断裂强度及弯曲刚度的关系 109熔喷接收距离与顶破强度的关系 110熔喷接收距离与撕破强度的关系 111 4 4、聚合物熔体挤出量越大，则整条熔喷生产线的产量也越大。但对于一定
41、的熔喷设备来讲，其产量受到工艺条件的制约，如熔喷模头喷丝孔数量、牵伸热空气速度(流量)等。对于一定的熔喷设备，其牵伸热空气速度存在极限。在其它工艺参数不变的条件下，增加聚合物熔体挤出量，将导致对每个喷丝孔挤出的熔体细流牵伸作用的削弱，最终纤维平均直径变大，相对强力下降。同时由于纤维直径变大，纤维根数减少，使纤维在接收装置上凝聚时相应的接触面积变小，发生自粘的部位也相应减小，从而最终导致熔喷非织造布的相对强力减小。112 螺杆转速、气阀开孔率与熔喷非织造布纵向强度的关系 113 114熔喷纤维直径、产量和聚合物熔体挤出量之间的关系 115聚合物熔体挤出量、生产速度和纤网面密度之间的关系 116
42、5 5、熔喷模头喷丝孔每分钟挤出的聚合物熔体克数越高，则纤维越粗。如牵伸热空气速度达到500m/s时，要得到平均直径为1m的纤维时，则聚合物熔体挤出量只能控制在0.023g/（孔min）以下。因此，在保证熔喷法非织造布产品纤维细度的前提下，要提高熔喷生产线的产量，必须增加熔喷模头喷丝孔的数量。牵伸热空气速度是熔喷工艺中重要的工艺参数，直接影响到熔喷纤维细度。对于一定的聚合物熔体挤出量及一定的熔体粘度，拉伸热空气速度越大，则纺丝线上聚合物熔体细丝受到的牵伸作用越大，纤维越易变细。采用MFI为300的聚丙烯切片原料，在5种气阀开孔率(拉伸热空气速度)与3种螺杆转速(熔体挤出量)条件下进行熔喷试验，
43、可得到纤维直径、气阀开孔率和螺杆转速之间的关系。（P289P289图9-53)9-53)117 螺杆转速、气阀打开率与熔喷纤维直径的关系 118 6 6、在每一种螺杆转速条件下，熔喷纤维直径都随牵伸热空气速度增加而减小；随聚合物熔体挤出量增加而增大。同时，牵伸热空气速度增大到一定程度时，对减小纤维直径的作用减弱。从另一方面看，牵伸热空气速度增大到一定程度时，增加聚合物熔体挤出量，纤维直径增大量不显著。因此，在工业化生产中，通常采取高拉伸热空气速度来补偿因聚合物挤出量增加而引起的纤维直径变化，也即拉伸热空气速度与聚合物挤出量必须相匹配。熔喷工艺中，拉伸热空气速度除了影响纤维细度之外，还影响到产品
44、的强度。通常，提高拉伸热空气速度，有利于提高纤维单强并改善纤网中纤维之间的热粘合程度，从而提高熔喷法非织造布的拉伸强度和顶破强度。熔喷工艺中，在高聚合物熔体挤出量的条件下，需适当提高拉伸热空气速度来补偿高挤出量引起的产品强力下降的不良影响。119 7、熔喷温度是指熔喷模头的工作温度，可以调节聚合物熔体的粘度。在其它工艺条件不变时，聚合物熔体粘度越低，熔体细丝可牵伸得越细。因此熔喷工艺中采用较高MFI的聚合物切片原料，较易得到超细纤维。但是，熔体粘度过小会造成熔体细丝的过度牵伸，形成的超短超细的纤维会飞散到空中而无法收集，形成“飞花”现象。因此熔喷工艺中聚合物熔体粘度并不是越小越好，为了防止熔体
45、在剪切力作用下产生破裂，聚合物熔体粘度应保持在一定的范围内。聚丙烯原料熔喷常用的熔体粘度范围为50300帕(Pas)。120 8 8、熔喷纤网中常出现没有拉伸成超细纤维的团块状聚合物，称为“shot”现象。造成“shot”现象的原因主要有：拉伸热空气的速度太小或熔体粘度太高，部分熔体细丝的牵伸不彻底，熔体细丝未及完全拉伸就脱离喷丝孔并与其他纤维一起收集到成网装置上；熔体粘度太低，拉伸热空气速度高时，喷丝孔对熔体的握持作用减弱，造成某些熔体还没有被拉伸成纤维便脱离喷丝孔；正常生产时突然减小挤出量，聚合物原料在螺杆挤出机及熔喷模头中停留时间过长，造成过度热降解而引起熔体粘度减小。由此可见，要生产出
46、合格的产品，熔喷工艺应根据不同MFI的聚合物原料，正确设置熔体挤出量、熔喷温度和拉伸热空气速度，并应注意到这些工艺参数之间存在着相互依赖的关系。121熔喷纤网中出现的“shot”（料滴）现象122三、熔喷非织造材料的过滤性能 目前，熔喷法非织造布的主要用途：过滤材料医疗卫生用材料环境保护材料服装材料电池隔膜材料擦拭材料 其中过滤材料应用最广，其次是医疗卫生用材料、环境保护材料、服装材料、电池隔膜材料以及擦拭材料等。123（一）过滤材料 1、熔喷法非织造布早期的应用主要是过滤材料，熔喷法非织造布具有纤维细、结构蓬松、孔隙多而孔隙尺寸小的优点，通过适当的后整理，是一种性能优良的过滤材料。熔喷法非织
47、造布在过滤领域的应用有气体过滤和液体过滤，气体过滤方面有已经大量推广应用的医用防菌口罩、室内空调机过滤材料、汽水分离过滤材料、净化室过滤材料等。其中医用防菌口罩采用熔喷法非织造布作为过滤介质可大大减少细菌的透过率，其阻菌率高达98以上，而且佩戴时没有任何不舒服的感觉。在液体过滤方面，熔喷法非织造布可用于饮料和食品过滤、水过滤、贵金属回收过滤、油漆和涂料等化学药品过滤等。熔喷法非织造布可与其它材料复合并制成可换式滤芯或滤袋等用于各种过滤装置中。124 一般认为，过滤材料对固体尘埃的阻截作用是5 5种机理联合作用的结果。未经后整理的熔喷法非织造布作为过滤材料，主要依靠直接捕获、惯性沉积、扩散效应和
48、重力效应的作用。因此，要提高过滤效率，必须减小纤维直径并增加熔喷非织造布的密度，但会造成过滤阻力的明显增加。2、熔喷非织造材料过滤机理1253 3、熔喷非织造材料的驻极处理 熔喷非织造布的驻极处理是提高其过滤效率的重要后整理技术。经过驻极整理的熔喷法非织造布，带有持久的静电，可依靠静电效应捕集微细尘埃，因此具有过滤效率高，过滤阻力低等优点。驻极熔喷法非织造布除对0.0051mm的固体尘粒有很好的过滤效果外，对大气中的气溶胶、细菌、香烟烟雾、各种花粉等均有很好的阻截效果。（P290图9-55）熔喷工艺中，借助纺丝线上的发射电极可使熔喷成形纤维带有持久的静电荷。聚丙烯具有较高的电阻率(71010c
49、m)，注入电荷的容量较大，射频损耗极小，因此是一种制造驻极纤维的理想材料。实验表明，经驻极整理的聚丙烯熔喷非织造布在自然状态下存放1440小时后，滤效保持不变。126熔喷非织造材料对微颗粒的捕集127 4 4、根据库仑沉积原理，可用EQq表示因库仑力而产生的捕集系数：034UddQqEfpQq式中：q微粒电荷 Q纤维每单位长度上的电荷 dp微粒直径 df 纤维直径 U0流体速度 动力粘度128 由此可见，纤维单位长度上的电荷与捕集系数成正比，而纤维直径与捕集系数成反比。驻极整理后熔喷非织造布的过滤阻力并无变化，而滤效却提高很多，这是其它非织造材料所无法比拟的。当纤网单位面积质 量不变时，熔喷接
50、收距 离增加造成纤网蓬松度 增加，则滤效下降，阻 力减小；减小螺杆挤出 量时，纤维变细，则滤 效提高。129驻极整理对熔喷法非织造布滤效及阻力的影响 130（二）保暖材料1 1、保暖材料应具有良好的保暖性，可防止或减少由导热、对流和辐射所引起的热损失，并能较长期使用而不改变其保暖性。实验表明，纤网结构是影响保暖材料传热性能的主要因素之一。2 2、熔喷复合保暖材料和聚酯纤维絮片的传热率均随蓬松率的增加而提高。蓬松率提高，纤网中空气流动加快，对流热损失也相应加大。3 3、对于熔喷复合保暖材料，其厚度对透气性能影响较小，而聚酯纤维絮片随厚度减小透气性迅速上升。熔喷复合保暖材料中的熔喷非织造布具有超细
