【正文】 。 第九章 熔噴法工藝 167。 92 熔噴工藝原理與過(guò)程 一、熔噴工藝原理與過(guò)程 熔噴非織造工藝是采用高速熱空氣流對(duì)模頭噴絲孔擠出的聚合物熔體細(xì)流進(jìn)行牽伸，由此形成超細(xì)纖維并收集在凝網(wǎng)簾或滾筒上，同時(shí)自身粘合而成為熔噴法非織造布。 熔噴工藝過(guò)程主要為： ? 熔體準(zhǔn)備 ? 過(guò)濾 ? 計(jì)量 ? 熔體從噴絲孔擠出 ? 熔體細(xì)流牽伸與冷卻 ? 成網(wǎng) 第九章 熔噴法工藝 167。 92 熔噴工藝原理與過(guò)程 熔噴工藝原理 熱空氣 熱空氣 聚合物熔體 冷卻空氣 冷卻空氣 接收裝置 至后道工序 噴霧裝置 第九章 熔噴法工藝 167。 92 熔噴工藝原理與過(guò)程 熔噴過(guò)程 第九章 熔噴法工藝 167。 92 熔噴工藝原理與過(guò)程 熔噴過(guò)程 第九章 熔噴法工藝 167。 92 熔噴工藝原理與過(guò)程 熔體準(zhǔn)備 熔噴非織造工藝使用聚酯、聚酰胺等切片原料時(shí)，必須對(duì)切片進(jìn)行干燥預(yù)結(jié)晶。聚丙烯切片通常不需要干燥。熔噴工藝主要采用螺桿擠出機(jī)對(duì)聚合物切片進(jìn)行熔融并壓送熔體。 固體切片進(jìn)入螺桿后，首先在螺桿進(jìn)料段被輸送和預(yù)熱，繼而經(jīng)螺桿壓縮段壓實(shí)、排氣并逐漸熔化，然后在螺桿計(jì)量段中進(jìn)一步混和塑化，并達(dá)到一定的溫度，以一定的壓力輸送到計(jì)量泵。 過(guò)濾 熔噴工藝中，聚合物熔體進(jìn)入模頭之前，應(yīng)經(jīng)過(guò)過(guò)濾，以濾去雜質(zhì)和聚合反應(yīng)后殘留的催化劑。常用過(guò)濾介質(zhì)有細(xì)孔燒結(jié)金屬、多層細(xì)目金屬篩網(wǎng)、石英砂等。 第九章 熔噴法工藝 167。 92 熔噴工藝原理與過(guò)程 計(jì)量 熔噴工藝中采用齒輪計(jì)量泵進(jìn)行熔體計(jì)量，高聚物熔體經(jīng)準(zhǔn)確計(jì)量后才送至熔噴模頭，以精確控制纖維細(xì)度和熔噴法非織造布的均勻度。 熔體從噴絲孔擠出 熔噴工藝與傳統(tǒng)紡絲具有相似原理，聚合物熔體從模頭噴絲孔擠出的歷程可分為入口區(qū)、孔流區(qū)和膨化區(qū)。 熔體形成超細(xì)纖維首先要通過(guò)入口區(qū)和孔流區(qū)。在入口區(qū)，聚合物熔體由鍥狀導(dǎo)入口縮緊進(jìn)入噴絲毛細(xì)孔之前，在入口處熔體流速加快，散失的部分能量以彈性能貯存在熔體內(nèi)。其后，熔體細(xì)流進(jìn)入噴絲孔孔流區(qū)，在該區(qū)域，剪切速率增大，大分子構(gòu)象發(fā)生改變，排列比較規(guī)整。 第九章 熔噴法工藝 167。 92 熔噴工藝原理與過(guò)程 熔體細(xì)流的流速在毛細(xì)管中呈拋物線分布，孔壁速度小，中心速度大，形成明顯的徑向速度梯度，這是非牛頓流體的特征。在孔流區(qū)，剪切速率達(dá)到最大，熔體一出噴絲孔，由于剪切速率和剪切應(yīng)力迅速減小，由此產(chǎn)生的彈性回復(fù)和應(yīng)力松弛，將導(dǎo)致熔體細(xì)流膨化脹大。 膨化區(qū)熔體細(xì)流直徑大于噴絲孔徑的膨化現(xiàn)象 ，表現(xiàn)出熔體彈性和流動(dòng)曲線的非牛頓性 ， 可解釋為高聚物柔性長(zhǎng)鏈分子的粘彈性的宏觀表現(xiàn) 。 和傳統(tǒng)聚合物紡絲工藝中存在的膨化現(xiàn)象一樣 ， 熔噴工藝過(guò)程中聚合物熔體從大的空間進(jìn)入模頭噴絲孔時(shí)的彈性變形和通過(guò)噴絲孔后的松弛所產(chǎn)生的膨化現(xiàn)象是明顯的 ，尤其是牽伸熱空氣流速度較低時(shí) 。 第九章 熔噴法工藝 167。 92 熔噴工藝原理與過(guò)程 第九章 熔噴法工藝 167。 92 熔噴工藝原理與過(guò)程 聚合物熔體的膨化脹大與聚合物分子量、熔體溫度以及噴絲孔長(zhǎng)徑比有關(guān)，通常，聚合物分子量減小、熔體溫度升高以及噴絲孔長(zhǎng)徑比增大，熔體膨化脹大率減小。根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察，聚丙烯熔噴工藝中最大膨化的位置根據(jù)不同工藝條件而變化，通常在距離噴絲孔 ～ 5mm的范圍內(nèi)，熔體細(xì)流膨化位置和大小與熔噴模頭結(jié)構(gòu)、噴絲孔的幾何形狀以及聚合物熔體在噴絲孔中流動(dòng)狀況等有關(guān)。熔噴工藝要求膨化脹大率 X的值較小，這樣可保證纖維牽伸平穩(wěn)，斷頭減小，纖維條干均勻性好。 第九章 熔噴法工藝 167。 92 熔噴工藝原理與過(guò)程 熔體細(xì)流牽伸與冷卻 熔噴工藝中，從模頭噴絲孔擠出的熔體細(xì)流發(fā)生膨化脹大的同時(shí)，受到兩側(cè)高速熱空氣流的牽伸，處于粘流態(tài)的熔體細(xì)流被迅速拉細(xì)。同時(shí)，兩側(cè)的室溫空氣摻入牽伸熱空氣流，使熔體細(xì)流冷卻固化成形，形成超細(xì)纖維。 第九章 熔噴法工藝 167。 92 熔噴工藝原理與過(guò)程 熔噴工藝中牽伸熱空氣速度與纖維細(xì)度的關(guān)系 第九章 熔噴法工藝 167。 92 熔噴工藝原理與過(guò)程 紡絲成網(wǎng)法工藝中紡絲速度 (VF)與纖維細(xì)度的關(guān)系 第九章 熔噴法工藝 167。 92 熔噴工藝原理與過(guò)程 紡絲速度可根據(jù) VF=Q 9000/d得出與纖度的函數(shù)關(guān)系。如果用熔噴工藝的氣流速度比較紡粘法的紡絲速度，在噴絲孔吐出量為 ，如要制得同樣，紡粘法紡絲速度約為 4500m/min， 這在目前紡粘法工藝是可以做到的，但要做到 5μm纖度的纖維，按上述函數(shù)關(guān)系，其紡絲速度為 35000m/min， 這樣傳統(tǒng)的紡絲條件就存在極大困難。比較而言，熔噴工藝就比較容易生產(chǎn)超細(xì)纖度的纖網(wǎng)，熱空氣速度 400～ 600(m/s)在實(shí)際生產(chǎn)中已被普遍應(yīng)用。 紡粘法與熔噴法屬兩種完全不同的牽伸工藝，為了制取更細(xì)旦的纖網(wǎng)，紡粘法工藝中結(jié)合熔噴的牽伸原理，已有新的工藝突破。 第九章 熔噴法工藝 167。 92 熔噴工藝原理與過(guò)程 熔噴工藝中，紡絲線上高聚物熔體離開(kāi)噴絲孔后的流變行為強(qiáng)烈依靠高溫高速氣流的牽伸，其開(kāi)放式的氣流運(yùn)動(dòng)經(jīng)常會(huì)造成纖維明顯的力學(xué)波動(dòng)，式 92所描述的動(dòng)平衡隨之打破，造成斷絲現(xiàn)象，因此，熔噴工藝中的紡絲過(guò)程是非穩(wěn)態(tài)的。 PET熔噴時(shí)，通常在牽伸氣流兩側(cè)噴水，以加快熔體細(xì)流冷卻固化的過(guò)程。該方法對(duì)熔噴紡絲過(guò)程的穩(wěn)定性存在一定的影響。 Shambaugh研究了聚丙烯熔噴工藝的能耗，其要點(diǎn)如下： ? 纖維的細(xì)化主要取決于熱空氣的動(dòng)能。 ? 當(dāng)?shù)玫捷^粗的纖維時(shí)，牽伸熱空氣的大部分動(dòng)能未被充分利用而造成浪費(fèi)。 ? 纖維直徑分布呈多分散性時(shí)，將消耗更多的動(dòng)能。 第九章 熔噴法工藝 167。 92 熔噴工藝原理與過(guò)程 當(dāng)聚合物細(xì)化為纖維時(shí)，纖維動(dòng)能可表達(dá)為： ? ?42232 821 dMMVE ????式中： M － 聚合物流量 V － 纖維速度 ρ－ 聚合物密度 d － 纖維直徑 Shambaugh用上式計(jì)算了具有相同平均纖維直徑(10μ m)而直徑分布不同的纖維動(dòng)能 ， 比較如下： ::1:: 321 ?EEE第九章 熔噴法工藝 167。 92 熔噴工藝原理與過(guò)程 其中， E1是纖維直徑為 10μm的單分散分布的纖維動(dòng)能， E2是直徑 3μm和 17μm的 50:50(纖維根數(shù) )混和雙峰分布的纖維動(dòng)能， E3是直徑 1μm和 19μm的 50:50(纖維根數(shù) )混和雙峰分布的纖維動(dòng)能。 計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)于相同平均纖維直徑而言，纖維細(xì)化所消耗的動(dòng)能，單分散性分布纖維比多分散性分布纖維要低得多。 成網(wǎng) 熔噴工藝中 ， 經(jīng)牽伸和冷卻固化的超細(xì)纖維在牽伸氣流的作用下 ， 吹向凝網(wǎng)簾或滾筒 ， 凝網(wǎng)簾下部或滾筒內(nèi)部均設(shè)有真空抽吸裝置 ， 由此纖維收集在凝網(wǎng)簾或滾筒上 ， 依靠自身熱粘合或其他加固方法成為熔噴法非織造布 。 模頭噴絲孔出口處到接收簾網(wǎng)或滾筒的距離稱(chēng)為熔噴接收距離 DCD。 第九章 熔噴法工藝 167。 92 熔噴工藝原理與過(guò)程 國(guó)內(nèi)間歇式熔噴生產(chǎn)設(shè)備的接收方式與進(jìn)口連續(xù)式生產(chǎn)線相比有很大差異，國(guó)產(chǎn)間歇式熔噴生產(chǎn)線的接收滾筒由不銹鋼鋼板卷成，熔噴超細(xì)纖維直接接收在滾筒上，沒(méi)有真空抽吸作用。當(dāng)需要較大單位面積質(zhì)量的熔噴法非織造布時(shí)，通常將熔噴超細(xì)纖維一層層疊加上去，這樣，產(chǎn)品的均勻度比進(jìn)口設(shè)備生產(chǎn)的產(chǎn)品好，并可采用較小的接收距離，使產(chǎn)品密度增加，同時(shí)產(chǎn)品的彎曲剛度也比進(jìn)口設(shè)備生產(chǎn)的產(chǎn)品大得多。 間歇式熔噴生產(chǎn)線的產(chǎn)品是塊狀的，產(chǎn)量也比進(jìn)口設(shè)備低。 第九章 熔噴法工藝 167。 93 熔噴設(shè)備 一、熔噴系統(tǒng)組成 熔噴生產(chǎn)線的設(shè)備主要有： ? 上料機(jī) ? 螺桿擠出機(jī) ? 計(jì)量泵 ? 熔噴模頭組合件 ? 空壓機(jī) ? 空氣加熱器 ? 接收裝置 ? 卷繞裝置 生產(chǎn)聚酯及聚酰胺熔噴非織造材料時(shí)，還需要切片干燥保溫裝置。生產(chǎn)輔助設(shè)備主要有模頭清潔爐、靜電施加裝置和噴霧裝置等。 第九章 熔噴法工藝 167。 93 熔噴設(shè)備 上料機(jī) 安裝于擠出機(jī)料斗之上。上料機(jī)的功能是將聚合物切片抽吸至螺桿擠出機(jī)料斗，通常具有自動(dòng)功能，可按整個(gè)生產(chǎn)線的產(chǎn)量來(lái)設(shè)定單位時(shí)間的送料量。 第九章 熔噴法工藝 167。 93 熔噴設(shè)備 螺桿擠出機(jī) 參見(jiàn)第八章相關(guān)內(nèi)容。 計(jì)量泵 參見(jiàn)第八章相關(guān)內(nèi)容。 熔噴模頭組合件 模頭組合件是熔噴設(shè)備中最關(guān)鍵的部分，通常由以下各部分組成： ? 聚合物熔體分配系統(tǒng) ? 模頭系統(tǒng) ? 牽伸熱空氣管路通道 ? 加熱保溫元件 第九章 熔噴法工藝 167。 93 熔噴設(shè)備 (1)聚合物熔體分配系統(tǒng) 聚合物熔體分配系統(tǒng)的作用是保證聚合物熔體在整個(gè)熔噴模頭長(zhǎng)度方向上均勻流動(dòng)并具有均一的滯留時(shí)間，從而保證熔噴法非織造布在整個(gè)寬度上的具有較小的單位面積質(zhì)量偏差、纖網(wǎng) cv值及其它物理機(jī)械性能的差異。目前熔噴工藝中主要采用衣架型聚合物熔體分配系統(tǒng)，詳細(xì)討論見(jiàn)167。 95。 第九章 熔噴法工藝 167。 93 熔噴設(shè)備 (2)模頭系統(tǒng) 熔噴模頭系統(tǒng)是整個(gè)組合件中另一重要部分。熔噴法非織造布的均勻度與模頭設(shè)計(jì)、制造有密切關(guān)系。通常，熔噴模頭的加工精度要求很高，因此熔噴模頭制造成本較昂貴。 第九章 熔噴法工藝 167。 93 熔噴設(shè)備 Exxon公司早期研制的熔噴模頭，共有 192個(gè)噴絲孔，分成 4個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域有 48個(gè)噴絲孔，區(qū)域之間被 ，該空間用于固定上下兩塊模體，因此，該熔噴模頭的噴絲孔實(shí)際上是由上下模體配合形成的。先在上下模體結(jié)合面上各自加工出微細(xì)的凹槽，然后上下模體貼合，校正后即可形成一排噴絲孔。 該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是，可得到較大的噴絲孔長(zhǎng)徑比，模頭清潔較方便，但加工精度和裝配精度要求較高，目前已較少應(yīng)用。 第九章 熔噴法工藝 167。 93 熔噴設(shè)備 Exxon公司早期研制的熔噴模頭 第九章 熔噴法工藝 167。 93 熔噴設(shè)備 Exxon公司專(zhuān)利 3,825,379中有關(guān)的熔噴模頭，這也是目前熔噴工藝中常用的結(jié)構(gòu)。其噴絲孔采用毛細(xì)管，通過(guò)焊接與模頭成為一體。其他噴絲孔的加工方法有機(jī)械鉆孔、電弧深孔加工等。對(duì)于毛細(xì)管焊接模頭，噴絲孔長(zhǎng)徑比大，但模頭工作壽命短。對(duì)于機(jī)械鉆孔等，由于加工上的難度，噴絲孔的長(zhǎng)徑比不能做到很大，但模頭壽命較長(zhǎng)。 第九章 熔噴法工藝 167。 93 熔噴設(shè)備 Exxon公司專(zhuān)利 3,825,379中有關(guān)的熔噴模頭 第九章 熔噴法工藝 167。 93 熔噴設(shè)備 熔噴模頭中 ， 牽伸熱空氣通道的設(shè)計(jì)也是非常重要的 ， 要求在整個(gè)熔噴模頭長(zhǎng)度方向上保持熱空氣流噴出速度和流量一致 ， 以獲得均勻的熔噴纖網(wǎng) 。 目前 ，世界上熔噴非織造生產(chǎn)線的制造商均有自己的設(shè)計(jì)特點(diǎn) 。 通常的方法是盡量保證每孔聚合物和熱空氣的流量相等 ， 可采用了較長(zhǎng)的聚合物熔體分配通道以及迷宮式熱空氣通道 。 熔噴模頭清潔處理時(shí)應(yīng)注意防止變形和損傷。 第九章 熔噴法工藝 167。 93 熔噴設(shè)備 Nippon Kodoski公司熔噴模頭 第九章 熔噴法工藝 167。 93 熔噴設(shè)備 Reifenhaeuser公司熔噴模頭 第九章 熔噴法工藝 167。 93 熔噴設(shè)備 Accurate公司熔噴模頭 第九章 熔噴法工藝 167。 93 熔噴設(shè)備 Kasen公司熔噴模頭 第九章 熔噴法工藝 167。 93 熔噴設(shè)備 空氣加熱器 熔噴工藝需用大量的熱空氣 。 空壓機(jī)輸出的壓縮空氣經(jīng)除濕過(guò)濾后輸送到空氣加熱器加熱 ， 然后再送至熔噴模頭組合件 。 空氣加熱器是壓力容器 ， 同時(shí)要抵抗高溫空氣的氧化作用 ， 因此材料必須選用不銹鋼 。 空氣加熱器的發(fā)熱元件為不銹鋼電加熱管 。 加熱器內(nèi)腔設(shè)置多個(gè)折流板 ， 可延長(zhǎng)空氣在加熱器內(nèi)腔滯留時(shí)間 ， 以提高熱交換效率 。 適當(dāng)增加加熱管數(shù)量 ， 提高空氣加熱器的裝機(jī)功率 ， 可縮短生產(chǎn)線開(kāi)車(chē)升