（纺织工程专业论文）聚丙烯纺粘法非织造气流拉伸工艺与产品性能的研究.pdf

摘要 摘要 本文主要研究的是聚丙烯纺粘非织造的整体狭缝式负压气流拉 伸工艺及由此工艺生产出来的纺粘非织造布的性能。熔融纺丝成网 工艺( 纺粘法) 是将高分子聚合物加热熔融，经挤出机熔体从纺丝孔 挤出进入空气中，熔体细流在空气中冷却的同时，以一定速度拉伸变 细变长( 气流或机械作用) ，在该阶段高分子熔体细化同时凝固，而形 成纤维后成网。 聚丙烯是熔融纺丝成网工艺常用的一种聚合物，主要性能参数 有等规度、熔融指数( m f i ) 和灰分。熔融纺丝成网工艺要求聚丙烯的 等规度在9 5 以上，聚丙烯原料的灰分控制在o 0 5 以下，聚丙烯 的熔融指数( m f i ) 大于3 0 。 熔融纺丝成网法( 纺粘法) 区别于普通化纤的熔融纺丝的主要 套? 方面在于拉伸工艺，普通化纤纺丝采用的是机械拉伸，而熔融纺丝 扩 成网法( 纺粘法) 采用的是高速气流拉伸，其特点是：用于拉伸辫 条的介质是抽吸气流，空气质量小且易于扩散，拉伸气流对长丝没 有直接的握持作用。另外，本课题选用的是整体狭缝式负压气流拉 伸工艺，整体狭缝式负压气流拉伸工艺就是熔体从纺丝箱体出来后 经过分配管道和整块矩形喷丝板挤出长丝，侧吹风冷却，然后在整 条狭缝拉伸通道上进行气流拉伸和成网的工艺过程。其特点是：整 块矩形喷丝板纺丝较充分地保持了丝条分布的均匀性，抽吸式结构 需要对喷丝板至成网装置的立面基本实行系统封闭，因此在成网帘 下抽吸风时，就在抽吸风道中形成负压，即抽吸风同时又是拉伸风。 在聚丙烯纺粘非织造的整体狭缝式负压气流拉伸工艺中，主要 的工艺参数有：计量泵转度、侧吹风温度、抽吸风机转速和侧吹风 机转速、成网线速度等。这些参数决定了由此工艺设计生产出的聚 丙烯纺粘非织造布的性能，主要包括：纤维的细度、结晶度：纺粘 非织造布的纵横向断裂强度、断裂伸长、厚度和成网均匀性等指标。 摘要 设计不同的工艺参数，生产不同面密度( 克重) 昀聚丙烯纺粘非织 造布。 比较不同工艺参数与测试出的聚丙烯纺粘非织造布的性能参 数，得出其性能参数与工艺参数的关系。分析形成这些内在关系的 根本原因。 关键词：聚丙烯，纺粘，气流拉伸，工艺，性能 2 a b s t r a ( 玎 a b s t r a c t t h i st e x tm a i n l ys t u d i e so nt h ep o l y p r o p y l e n es p u n b o n d i n gn o n w o w e n s n e g a t i v ep r e s s u r ea i rd r a w i n gt e c h n o l o g yo f t h et y p eo f t h ew h o l en a r r o ws l o ta n dt h e c a p a b i l i t yo ft h es p u n b o n d i n gn o n w o v e n sw h i c ha r ep r o d u c e df r o mt h i st e c h n o l o g y t h em e l t d o w nf i l a t u r ef o r m i n gw e bt e c h n o l o g y ( s p u n b o n d i n g ) i st h a t ：t h ef i r s t ， m a e r o m o l e c u l ep o l y m e r si sh e a t e du pt of u s i l ；t h es e c o n d , t h em e l ti se x t r u d e di n t o t h ea i rf r o mt h es p i n n i n gh o l e sa f t e ri tg o e st h r o u g ht h ee x t r u d e r ；t h et h i r d , t h em e l t s t r e a m l e ti sc o o l e di nt h ec o o la i r ，a tt h es a m et i m e ，t h em e l ts t r e a m l e ti ss t r e t c h e d a n db e c o m ef m e ra n d l o n g e rw i t hac e r t a i ns p e e d ( c u r r e n to f a i ro rm a c h i n ef u n c t i o n ) ， a tt h i ss t a g e ，m a c r o m o l e c u l em e l ti sf i n e ra n dc o n c r e t e d a f t e rt h i ss t a g e ，t h em e l t s t r e a m l e tb e c o m e sf i b e ra n dt h ef i b e rf o r mt h ef i b e rw e b t h ep o l y p r o p y l e n ei sap o l y m e rw h i c hi su s e di n t h em e l t d o w nf i l a t u r ef o r r 避f i l g w e bt e c h n o l o g yf r e q u e n t l y ，t h em a i nc a p a b i l i t yp a r a m e t e r sc o n t a i ni s o t a c t i c i t y ，m e l t f l o wi n d e xf m f i ) a n da s h t h em e l t d o w nf i l a t u r ef o r m i n gw e bt e c h n o l o g yr e q u e s t s t h ei s o t a c t i c i t yo ft h ep o l y p r o p y l e n ei sa b o v e9 5 ，t h ea s ho ft h ep o l y p r o p y l e n 6 ：i s c o n t r o l l e dt o0 0 5 o rl e s s ，t h em e l t f l o wi n d e x 伍i ) o ft h ep o l y p r o p y l e n em u s tb e a b o v e3 0 t h em a i nd i f f e r e n c eb e t w e e nt h em e l t d o w nf i l a t u r ef o r m i n gw e bt e c h n o l o g y ( s p u n b o n d i n g ) a n dt h em e l t d o w nf i l a t u r et e c h n o l o g yo ft h ec o m m o nc h e m i c a lf i b e r i st h ed r a w i n gt e c h n o l o g y ，t h ed r a w i n gt e c h n o l o g yo ft h ec o m m o nc h e m i c a lf i b e ri s t h em a c h i n ed r a w i n g ，t h ed r a w i n gt e c h n o l o g yo ft h em e l t d o w nf i l a t u r ef o r m i n gw e b t e c h n o l o g yi st h eh i g h - s p e e da i rd r a w i n g i t sc h a r a c t e r i s t i c si s ：t h em e d i u mw h i c hi s u s e dt os t r e t c ht h es i l ki st h ep u m p e dc u r r e n to fa i r , t h em a s so ft h ea i ri sv e r ys m a l l a n dt h ea i ri se a s yt od i f f u s e ，t h ed r a w i n ga i rh a sn od i r e c tg r a s p i n gf u n c t i o no nt h e f i l a m e n t m o r e o v e r ，t h i ss u b j e c ta d o p t st h en e g a t i v ep r e s s u r ea i rd r a w i n gt e c h n o l o g y o ft h ew h o l en r r r o ws l o tt y p e ，i ti st h a t ：t h ef i r s t ，t h em e l tf l o w so u to ft h es p i n n i n g b o xa n dt h e np a s s e st h r o u g ht h ea s s i g np i p i n ga n dt h ew h o l ep i e c eo fr e c t a n g u l a r s p i n n i n gb o a r da n de x t r u d e st h es i l k ；t h es e c o n d ，t h em e l ts i l ki sc o o l e db yt h ed o u b l e 3 s i d e sw i n d ；t h et h i r d ，t h es i l ki sd r a w i n gb yt h eh i g h - s p e e da i ra n df o r m st h e 舶e ra n d t h ef i b e r sf o r mt h ef i b e rw e bi nt h ed r a w i n gc h a n n e l so ft h et y p eo ft h ew h o l en a r r o w s l o t i t sc h a r a c t e r i s t i c si s ：t h ew h o l ep i e c eo fr e c t a n g u l a rs p i n n i n gb o a r dc a l lk e e pt h e s i l kd i s t r i b u t ee q u a b l e ，p u m ps t y l es t r u c t u r ed e m a n d st h ev e r t i c a ls u r f a c ef r o mt h e s p i n n i n gb o a r dt ot h ef o r m i n gt a b l ei sc l o s eb a s i c a l l y ，t h e r e f o r et h ep u m pd e v i c ei s b e l o wt h ef o r m i n gt a b l e ，t h e nt h en e g a t i v ep r e s s u r ei sf o r m e di nt h ep u m pw i n d c h a n n e l s ，i tm e a n st h ep u m pw i n di st h ed r a w i n gw i n d i nt h ep o l y p r o p y l e n es p u n b o n d i n gn o n w o w e n sn e g a t i v ep r e s s u r ea i rd r a w i n g t e c h n o l o g yo ft h et y p eo ft h ew h o l en a r r o ws l o t ，t h em a i nt e c h n i c a lp a r a m e t e r s ：t h e r o t a t es p e e do ft h eg e a rp u m p ，t h et e m p e r a t eo ft h ed o u b l es i d e sw i n d ，t h er o t a t e s p e e do ft h ep u m pf a n ，t h er o t a t es p e e do ft h ed o u b l es i d e sf a na n dt h es p e e do ft h e w e bf o r m i n ga n ds oo n t h e s ep a r a m e t e r sd e t e r m i n et h ep r o p e r t i e so ft h e p o l y p r o p y l e n es p u n b o n d i n gn o n w o w e n sw h i c ha l ed e s i g n e da n dp r o d u c e db yt h i s t e c h n i c s t h em a i np r o p e r t i e si n c l u d e jt h ef i n e n e s s ，o ft h ef i b e r , t h ec r y s t a l l i n i t y ：o f t h ef m e r ，t h er u p t u r es t r e n g t ho ft h em da n dc do ft h es p u n b o n d i n gn o n w o v e n s ； r u p t u r ee l o n g a t i o n , t h i c k n e s sa n d t h ec v o ft h ef l b 由w e ba n ds oo n p r o d u c et h e ： s p u n b o n d i n gn o n w o v e n sw i md i f f e r e n ts u r f a c ed e n s i t y ( t h ew e i g h t ：i n g r a m p e r - s q u a r em e t e r ) a c c o r d i n g t h ed i f f e r e n tt e c h n i c a lp a r a m e t e r s c o m p a r i n gt h ed i f f e r e n c eo ft h et e c h n i c a lp a r a m e t e r sa n dt h ed i f f e r e n c e f u n c t i o np a r a m e t e r so ft h es p u n b o n d i n gn o n w o v e n sw h i c hi sp r o d u c e da c c o r d i n gt h e d i f f e r e n tt e c h n i c a lp a r a m e t e r s ，a n dt h e n g e tt h e r e l a t i o nb e t w e e ni t sf u n c t i o n p a r a m e t e ra n dt h ec r a f tp a r a m e t e r s a n a l y z et h eu l t i m a t er e a s o no ft h ei n h e r e n c e r e 】a t i o i l s k e y w o r d s ：p o l y p r o p y l e n e ，s p u n b o n d i n g ，a i rd r a w i n g ，t e c h n i c s ，p r o p e r t y 4 附件一： 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学 位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。 除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写， 我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：玉、7 犯 e l 期：h 酶溯2 , 0e l 附件二： 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密区，在王年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密口。 学位论文作者签名：丑、1 穆 日期：之口。肄狷阳日 指导教师签名 而愿 日跏州 第一章前言 第一章前言 第一节纺丝成网工艺技术及市场 纺丝成网技术包括熔融纺丝成网、干法纺丝成网和湿法纺丝成 网等。本课题要研究的是熔融纺丝成网工艺。熔融纺丝是将高分子 聚合物加热熔融，经挤出机熔体从纺丝孔挤出进入空气中，熔体细流 在空气中冷却的同时，以一定速度拉伸变细变长( 气流或机械作用) ，在 该阶段高分子熔体细化同时凝固，而形成纤维后成网【i 】。目前常见的 聚丙烯、聚酯、聚酰胺和聚丙烯聚乙烯双组份等纺丝成网非织造材 料，均属熔融纺丝成网工艺，也称纺粘法( s p u n b o n dp r o c e s s ) 。5 0 年代末美国杜邦( d u p o n t ) 公司首先研究纺粘法非织造布并获得专 利；7 0 年代刚推出纺粘法时，纤维单丝较粗，铺网不均匀t 2 1 1 3 1 ；9 0 年代纺 丝成网工艺的进步和相关装备技术的突破，使得纤维纤度大幅度下 降，加上一些其他措施，使纺粘法非织造布的均匀度差、手感粗糙等缺 点都有很大改善，纺粘法非织造布得到了广泛应用【3 1 。我国从19 8 6 年 引进第一条生产线，到目前我国纺粘法非织造布生产线达到3 0 0 多 条，生产量达到3 6 万吨【5 1 【6 1 。其中丙纶( p p ) 纺粘法生产线占8 5 以上【6 1 。纺粘法非织造布技术发展迅速的原因是其比传统的非织 造布工艺流程短，劳动生产率高，人均产值大( 达百万元) ，单线生产量 高【4 1 。随着纺粘技术的不断进步和工艺的逐渐更新，一次性投资和能 耗费用将有所降低。纺粘法技术正处于飞速发展阶段，技术研究和生 产线设备制造公司在工艺路线、设备结构上都有独特的技术，所生产 的产品各有特点。 另外，传统的非织造加工技术干法和湿法纺丝技术如下j ：， 干法纺丝是高分子聚合物溶液从纺丝孔挤入加热空气中，使溶 剂蒸发凝固形成纤维的工艺过程，当然在该过程中聚合物是以一定 的速度拉伸而细化纤维。非织造中的闪蒸溶剂纺丝成网法，也成闪 蒸发( f l a s hs p i n n i n gp r o c e s s ) 与传统干法纺丝部分工艺相似。 湿法纺丝是将所选用的高分子聚合物或高分子变性体的溶液从 第一章前言 喷丝孔挤出进入凝固浴中，然后进行脱溶剂或伴有化学反应的脱溶 剂而凝固成纤的工艺过程。为提高纤维的力学等性能，可采用进一 步热拉伸工艺。纤维素纤维纺丝成网就是采用了传统湿法纺丝方法， 然后经特殊的成网和加固制成非织造材料。 2 0 0 4 年我国全年各类非织造布的总产量达到1 0 4 2 6 万吨，比 2 0 0 3 年增长2 4 6 5 ( 2 0 0 3 年为8 3 6 4 万吨) 。其中纺粘非织造布产 量达到3 6 0 l 万吨，比2 0 0 3 年增长3 4 6 7 ( 2 0 0 3 年为2 6 7 4 万吨) 。 同时，纺粘非织造布的产量占各类非织造布总产量的比例也由2 0 0 3 年31 。9 7 增长到2 0 0 4 年的3 4 5 4 【9 1 ，说明了纺粘非织造布占有的 比例在不断增加，纺粘非织造布是所有非织造布种类中在总产量中 占有比例最高的一种，说明其发展前景很好，应用领域很广泛。 第二节纺粘法非织造布的应用和发展前景 2 1纺粘法非织造布的应用 我国纺粘法非织造布在用即弃类领域主要用于医疗手术用品、包 装材料、个人卫生材料和家庭及旅游用品等，与国外发达国家相比这 类产品的用途还较小；在耐久型产品方面，主要用于家具用布、汽车用 布、农业用布、过滤材料、鞋材、箱包衬、土工材料和建筑防水材 料等1 2 】。目前我国纺粘布的用途主要还在耐用型产品市场上。 西欧的纺粘法非织造布中，尤其是丙纶纺粘布的最大用途是医疗 制品和卫生覆面材料，按重量计其所占比例在35 ，其次是土工和建 材用布，屋顶防水材料主要采用聚酯纺粘法非织造布。其它用途包括 家具和家庭用品、汽车用布、地毯底布、农业用布、过滤材料等各 个领域 3 1 。 2 2 前景 从各种生产工艺上看，纺粘法非织造布由于生产效率高、产品性 能优越，尤其在强度和生产成本上是其他非织造布生产工艺所无法比 拟的，因此在今后2 0 年里还将会获得较快发展，其增长速度将高于其 他生产工艺，达到lo 左右。到2 0 5 0 年，其在非织造布总产量中的比 2 第一章前言 例可能达到或超过5 0 【1 。 从应用领域来看，现阶段国内大多数纺粘厂的生产主要集中在卫 生、鞋用及家具材料等领域，几十条生产线都挤到较窄的市场范围内 竞争，结果可想而知。实际上纺粘法非织造布在土工材料、过滤材料、 工业用布、农业用布、包装材料、生活用品等领域市场前景相当广 阔，这些领域的新产品开发大有潜力可挖【1 7 l 。目前中国纺粘布产量已 居亚洲第一，虽质量较低，但价格优势明显，完全有占领亚洲市场的条 件，并可进军欧美市场。现阶段只有广东、江浙等省有部分出口，其他 地区还很少。 第三节气流拉伸的效果及其影响因素 纺丝成网采用气流拉伸工艺，其原理是基于拉伸装置提供的高速 运行气流，通过喷嘴达到气流速度的最大值，对丝条表面的粘性摩 擦力和气流场中紊流造成丝条按一定频率“波动 所出现的气流对 丝条的附加推动力等作用拉伸丝条。其特点是：气流拉伸丝条的介 质是经过压缩的空气或抽吸气流，空气质量小且易于扩散，拉伸气 流对长丝没有直接的握持作用【1 1 。 丝条的拉伸主要是在喷丝板和狭缝之间完成，由于丝条在完全冷 却固化之前所能承受的张力较小，易于发生伸长变形。所以在拉伸 过程中，丝条的抽长拉细主要发生在喷丝板和固化点之间，因此大 分子的取向也主要是在喷丝板和固化点之间的拉伸流动过程中形 成。可见气流拉伸丝结构的形成过程与常规纺初生丝和高速纺预取 向丝的结构形成是相似的，但由于其纺丝张力低于高速纺，所受的 拉伸作用小手高速纺，因此取向度较低 2 2 1 。 影响拉伸作用和取向的因素： ( 1 ) 气流速度：提高气流速度，丝条的速度也会增加，但气流速度 的增大值远大于丝条速度的增大值，将有利于丝条的取向。在 r e i c o f i l 工艺上减小狭缝宽度将会提高气流的速度，提高拉伸作用； 反之则降低拉伸作用。另外，在狭缝宽度和压力不变的条件下增大 3 第一章前言 抽吸风量将会较大地提高拉伸气流的速度，改善拉伸效能。r e i e o f i l 改进型中已将最大抽风量由原来的18 0 0 0 m 3 h 提高到2 7 0 0 0 m 3 h ，拉 伸效果得到改善1 1 9 1 。此外，补风量的大小将直接影响风道内拉伸气 流的压力和流量，因此应和抽吸风量配合调节。 ( 2 ) 拉伸气流的密度：拉伸风道中气流的密度p 越大，作用在丝条 上的摩擦力也越大。而p 与气压p 成正比。因此提高拉伸气流的压 力也有利于提高作用在丝条上的摩擦力，从而改善拉伸效果，提高 纤维的强力【1 4 】。在r e c o f il 工艺中采取了负压拉伸，拉伸气流压力 较低，也是造成其拉伸作用不充分的一个因素。如果适当增大补风 量将有利于提高拉伸作用。 第四节研究的目的及意义 纺粘非织造工艺技术的关键是纺丝。、拉伸、铺网和固结工艺， 从材料和加工技术这个角度上来看，纺粘法是集化工、塑料造纸、 化纤、航空等行业为一体的涉及多学科的综合性技术。因此，研究 影响纺粘法非织造布工艺技术对非织造的技术进步和工程建设具有 重要意义，其中气流拉伸作为纺粘法生产工艺的关键工序，对其最 终产品的影响很大。因此研究气流拉伸工序各个参数对最终产品的 影响很有意义。 4 1 控制产品的性能 一 丝条中分子链的取向度是影响单丝强力、断裂伸长的一个重要 因素。气流拉伸可以使得纤维得到充分的拉伸，分子取向增加，细 度变细，强度增加，断裂伸长变小。 纺粘非织造布的物理性能，除了和纤维的性能有关外，与非织 造布的成网结构关系也很大。可以通过提高工艺过程中的气流拉伸 风压来降低纤维的细度，进而提高非织造布产品的均匀性，同时提 高其机械性能。 4 2 能耗的降低 在纺粘法非织造布的生产过程中，气流拉伸是一个能量消耗的 4 第一章前言 “大户”，其中正压气流拉伸的最高能耗可达15 0 0 k w h t ，负压气流 拉伸一般的能耗在9 0 0 k w h t 左右。如何既能降低气流拉伸的压缩空 气的消耗量又能保证正常的纺丝速度是各设备生产厂家研究和解决 的课题。本课题主要研究的是低能耗的整体狭缝式负压气流拉伸工 艺技术。 4 3 工艺参数的调整 通过课题的研究，尽可能多的发现各种规格和品种的纺粘非织 造布合适的纤维成形和成网工艺参数。本课题主要研究纺粘非织造 工艺中的计量泵转速，抽吸风风量，侧吹风风量，冷却风温和成网 线速度等工艺参数，这些参数对最终的纺粘非织造布的性能产生决 定性作用，其中，计量泵转速影响熔体挤出量的大小，决定了生产 产量的大小，抽吸风风量影响纤维的细度，侧吹风风量和冷却风温 影响成形纤维的结晶度，成网线速度影响最终纺粘非织造布的面密 度等，因此调整这些工艺参数可以设计生产出不同规格和品种的纺 粘非织造布。 5 第二章聚丙烯纺粘非织造工艺与实验方案 第二章聚丙烯纺粘非织造工艺与实验方案 第一节工艺流程设计 1 。1 非织造气流拉伸工艺的特点及关键技术 目前的纺粘法非织造布生产所采用的拉伸工艺类似于普通化纤 的生产工艺，但拉伸方式则不尽相同。归纳起来有三种，即机械拉伸、 气流拉伸和机械与气流相结合的拉伸，其中以气流拉伸技术应用最普 遍。对于气流拉伸技术，世界各非织造布公司目前所采用的形式也有 多种。按气流拉伸装置分，有喷嘴拉伸和窄缝拉伸；按气流拉伸装置供 气种类分，有正压气流拉伸和负压( 抽吸) 气流拉伸，而正压气流拉伸又 可大致分为高压和低压气流拉伸【1 5 】。气流拉伸工艺做为纺粘生产线 的关键，对其最终产品的影响是很显著的。本课题选用的是整体狭 缝式负压气流拉伸装置。 一， 拉伸是纺丝成网制造过程中必不可少的重要工序，它不仅是使纤 维的物理机械性能提高的必要手段，而且拉伸时要求对丝条进行冷 却，防止丝条之间粘连、缠结及减少并丝，以保证后道成网质量稳 定。在拉伸过程中，大分子或聚集态结构单元发生舒展并沿纤维轴 取向排列。即高聚物取向结构是指在某种外力作用下，分子链或其 它结构单元沿着外力作用方向择优排列的结构【1 】【18 】【2 1 1 。在取向的同 时，通常伴随着相态的变化、结晶度的提高以及其它结构特征的变 化。 纺丝成网的纤维拉伸过程不同于对传统化纤初生纤维的拉伸作 用。初生纤维是指不论由熔融纺丝成形所得卷绕丝或湿纺成形所得 的凝固丝，而纺丝成网对纤维的拉伸、成网、加固工序是连续进行 的，即熔融纺丝成网非织造是采用聚合物熔融纺丝、气流拉伸、成 网、加固等过程一次成型技术。熔融纺丝过程与合成纤维纺丝过程 基本相同，但拉伸工艺却显著不同 i s 】【26 1 。在合成纤维生产中多采用 机械拉伸的方式，通过拉伸辊之间的速度差使纤维实现拉伸，并且 是在加热状态下进行。这种拉伸方式易于对纤维控制，拉伸程度也 6 第二章聚丙烯纺粘非织造工艺与实验方案 易于保证。而熔融纺丝成网工艺通常是采用气流拉伸方式，且在常 温环境下对丝条进行拉伸。喷丝孔挤出的聚合物细流，经冷却后由 高速拉伸气流进行较为充分的拉伸，然后经分丝铺设成网。纺丝成 网生产过程中极易受到冷却条件、拉伸风速及气流稳定性等因素的 影响，拉伸效果的控制较为复杂而困难。有关研究表明，几种不同 的化纤纺丝与非织造纺丝成网拉伸纤维取向度、强度和伸长率存在 差别( 见下表) ，而这种差别恰恰是其拉伸工艺不同所造成的【1 1 。 表2 1 不同拉伸工艺制取的聚丙烯纤维的双折射( n ) 、强力和伸长率 高速纺非织造r e c o f i l 性能初生丝拉伸丝 预取向丝气流拉伸丝 anx1 0 一 5 1 23 0 3 52 0 2 51 7 1 9 强度o n xd t e x 1o 8 9 1 3 44 0 4 91 6 2 6 71 0 7 i 8 7 断裂伸长( ) 2 0 02 0 6 01 l o 2 0 0 1 2 0 下表列出了纺丝成网工艺与传统的干法和湿法纺丝工艺的特点： 表2 2纺丝成网工艺与传统的干法和湿法纺丝工艺比较 7 第= 章泉丙烯纺轱非织造工艺与实验方案 1 2 本课题工艺流程的设计 根据上述纺粘非织造工艺的特点，设计出本课题的纺粘工艺流 程如下； p p 切片_ 切片输送一螺杆挤压机斗过滤器呻计量泵一纺丝组件一丝 柬冷却一气流拉伸装置一摆丝铺网装置一成网机一热轧一张力调节 器一卷绕机 本课题设计的p a d h3 2 0 0 型生产( 成形和拉伸部分) 装置如图2 1 所示，共分三层，顶层主要放置料斗、挤出机、熔体过滤器、计量 图2 1p a d h 一3 2 0 0 型成形和拉伸装置 泵和单体抽吸和纺丝箱体等设备， 冷却装置底层有摆丝铺网装置、 绕装置等。 1 3 工艺过程详述 131 熔融挤出部分： 中间层放有气流拉伸器和侧吹风 负压抽吸、成网机、热轧辊和卷 本课题设计的生产流程的熔融挤出部分包含了熔体的吸入、喂 第二章聚丙烯纺牯非织造i 艺与实验方案 八、熔融挤出、过滤和计量几个工序，聚丙烯切片首先经过真空泵 吸八到料斗里面，然后由料斗里面的控制系统控制下料的多少。另 外添加剂料斗是为了提供色母粒和其他添加剂的喂入用的，生产 有颜色的成布或者别的用途( 如阻燃、抗老化等) 的成布需要使用 这两个料斗( 如图2 2 所示) 。然后，熔体进入螺杆，聚丙烯切片 在螺杆内收到挤压和加热而熔融，形成聚丙烯熔体。 图2 2p a d h 一3 2 0 0 型的熔融挤山部分图 润震震蘸? l 图2 3p a d h3 2 0 0 型的熔融挤出部分装置 第二章聚丙烯纺粘非织造工艺与实验方案 另外，由于生产过程中产生的边角料不能直接使用，同时也不能 丢弃，本着节约用料的原则，边角料要回收再利用，在主螺杆的侧 边加了边料挤出螺杆( 如图2 2 所示) 。由于聚合物切片内存在一 定的杂质，这些杂质会对以后的纺丝产成很大的影响，必须除去， 这时就要使用可切换的熔体过滤器来进行对聚丙烯熔体的过滤，过 滤后洁净的熔体才能用来纺丝，经过过滤的熔体为了进行下一步的 纺丝，纺丝挤出量必须要精确控制。本课题使用了熔体计量泵( 齿 轮泵) 来对熔体的挤出量进行精确计量，确保下一步的纺丝的正常 进行。另外，熔体流过的管道必须使用隔热材料包覆，使熔体尽量 不与外界产生热交换，避免熔体温度下降造成的纺丝过程的变故。 ( 1 ) 螺杆挤出机 聚合物切片靠自重从料斗的出料口进入螺杆挤出机。由于螺杆 的转动，切片沿着螺槽向前运动。螺杆套筒外侧安装有加热元件， 通过套筒将热量传递给切片。同时，螺杆挤出机内切片的摩擦和被 挤压、剪切，亦产生一定的由机械能转化成的热能。聚合物切片在 熔化区受热熔融成粘流态的聚合物，并被挤出机压缩而具有- 定的 熔体压力，向熔体管道输送。其原理如下图所示卜 图2 4 螺杆挤出过程示意图 螺杆挤出机的特征主要反映在螺杆结构上，有等距不等深螺杆、 等深不等距螺杆和不等深不等距螺杆等，本课题选用的是等距不等 深螺杆，螺杆的结构特征如螺杆长度l 、螺杆直径d 、长径比l i d 、 第二章聚丙烯纺粘非织造工艺与实验方案 螺杆分段与分段长度、压缩比e 、螺距与螺槽深度等，决定了螺杆 挤出机的使用特性。 螺杆直径d ：通常指螺杆的外径，对挤出机有决定性的影响， 直径加大，挤出机产量增加( 挤出机生产量与螺杆直径d 的平方成 正比) ，但加热和驱动能耗均增加。本课题选用的螺杆直径为“o m m 。 螺杆长径比指螺杆工作长度( 不包括鱼雷头及附件) 与外径之 比。聚合物切片在这个工作长度上被加热熔化、压缩和输送。加热 面积和切片停留时间都与螺杆长度成正比。长径比大，有利于切片 原料的混和塑化、提高熔体压力和减少逆流以及漏流损失。因此， 螺杆挤出机的长径比有不断增大的趋势。但是l d 过大时，会使热 敏性聚合物受热时间过长，引起聚合物树脂过分降解。而且，由于 l d 太大，螺杆的自重增加，悬臂度加大，螺杆挠度增加，容易引起 螺杆与料筒磨损，并增大了挤出机的传动功率及加工制造上的困难二 所以，l d 不能过大。本课题根据工艺需要选用l d = 3 0 。 螺杆分进料段、压缩段和计量段( 如下图所示) ，三段长度韵 分配与被加工的聚合物切片性质有关。加工塑料等非结晶聚合物睡，； 由于此类聚合物没有明显的熔点，而且有明显的高弹形变，因此孺 要螺杆的压缩段较长，一般为螺杆全长的5 0 , - - 5 5 ，聚合物切片原 料在一个较长的距离内逐渐被压缩、软化至熔融。而本课题选用的 聚丙烯是结晶型的成纤高聚物，有熔点而无明显的高弹形变，因此 加工聚丙烯的螺杆的压缩段较短。 图2 5 螺杆的分段示意图 螺杆的压缩比是指螺杆进料口处螺槽容积与计量段最后一个 螺槽容积之比。等距不等深螺杆的压缩比可用下式计算： 第二章聚丙烯纺粘非织造工艺与实验方案 占= d e - - l d 三 d 2 一砰 式中：d 一螺杆直径 幽一进料口螺杆根径 如一出料口螺杆根径 压缩比p 主要取决于聚合物性质、状态和切片截面形状，通常 为2 5 3 5 ，本课题选用的螺杆的占= 3 ，1 。 螺距与螺槽深度 螺杆直径一定时，螺距决定了螺杆的螺旋角，由此影响螺纹的 推进力。通常螺杆的螺旋角取17 。387 ，螺距等于直径，螺杆制造 时较方便。螺槽深度对产量和质量均有较大的影响，深螺槽产量大， 但对熔体压力反应灵敏；螺槽浅则产量小，但塑化作用好，挤出量 稳定。 ( 2 ) 计量泵 计量泵是非织造纺丝成网生产中所使用的高精度部件它的作用 是精确计量聚合物；连续输送成纤高聚物的熔体或液体，确保纺丝 组件具有足够高而稳定的压力，以保证纺丝熔体或液体克服纺丝组； 件或喷丝头的阻力，从喷丝头均匀挤出，在空气、水或凝固浴中形 成初生纤维。 计量泵的工作原理 ， 熔体计量泵是一种高精度的齿轮泵。齿轮是被高精度的驱动系统 带动，泵体外面都具有加热套。加热套通常选择导热油套或特殊蒸 汽加热套进行加热，在外套的外面还 有良好的保温层。 计量泵运转时，齿轮啮合脱开处 为自由空间，构成泵的进料侧。进入 熔体被齿轮强制带入泵体的啮合区 间，即熔体被吸入泵内并填满两轮的 齿谷，齿谷间的熔体在轮齿的带动下 紧贴着“8 字型孔的内壁面转一周后 1 2 图2 6 计量泵工作原理图 第二章聚丙烯纺粘非织造工艺与实验方案 被送出口，此区的高压熔体只能进入出料管，不会带入进料区。( 如 图2 6 所示) 熔体出口压力视出口管路、纺丝组件阻力而异。阻力越大，出口 压力越大，功率消耗也越多。 计量泵的流量 齿轮计量是一种容积计量泵。其输送熔体或溶液的量取决于齿轮 的齿形、间隙与泵的转速。为保证纺丝成网纤维的均匀度，在生产 工艺中计量泵常用方法是随着过滤器阻力增大，自动调节计量泵的 速度，适当加大泵出量，保证进入机头熔体压力不变。计量泵每转 的泵供量是基本恒定的，用变频电机的传动控制系统。 通常在实际生产中就是采用泵供量来表达挤出量，即计量泵单位 时间内输送熔体的质量为泵供量，泵供量可由计算确定，根据实际 修正。 刀：q r r l c 式中：刀一一计量泵转速，r m i n ； ( 2 1 ) q 一一泵供量，g r a i n ； ，一一熔体密度，g e r a 3 ； 巧一一计量泵效率；t c 一一计量泵容量，c m 3 r 。 本课题选用的计量泵容量为15 0c m 3 r ，一共使用两个计量泵。 1 3 2 纺丝、冷却和气流拉伸部分： ， 纺丝、冷却和气流拉伸是本课题设计的工艺流程中的关键工序。 其中的气流拉伸更是体现了纺粘非织造工艺与一般纺丝工艺的差 别。纺丝工序和一般纺丝工序基本一致，主要是将前面计量泵挤出 的熔体平均分配到喷丝板上，然后由喷丝板将熔体均匀挤出成丝。 同时，在这个阶段要将聚合物熔体中的由于高温高压而游历出来的 聚合物单体进行排除，使用单体抽吸风机将喷丝板长度方向上的聚 合物单体抽出、排到外面( 如图2 7 所示) 。 1 3 第= 章聚丙烯纺轱非织避工艺与实验方案 图2 7 本课题设计生产线的纺丝、冷却和气流拉伸部分 图2 8 纺丝、侧冷却部分装置图2 9 气流拉伸部分装置 第二章聚丙烯纺粘非织造工艺与实验方案 这个工序主要在于熔体的均匀分配上，在喷丝板的长度方向上 保持均匀喷丝最关键。喷出丝之后( 如图2 8 所示) ，丝束会收到 双侧侧吹冷风的冷却，附带下面由于抽吸风机形成的负压引发的熔 体细流的拉伸，在这个阶段熔体被迅速冷却和抽长拉细。熔体内部 大分子在这个阶段产生大量结晶。然后，随着丝条的冷却，长丝在 抽吸风机抽吸所形成的负压下，风速远大于丝条的速度，这样造成 的粘性摩擦力会对丝条产生进一步的拉伸，使得丝条内大分子进一 步取向【2 3 1 ，这时，丝条有一定的强力，形成了纤维。进入卞一步的 气流分丝阶段。 ( 1 ) 纺丝组件 熔融纺丝成网的纺丝组件由扩散板、密封圈、过滤层、分配板、 耐压板、喷丝板和组件座等组成。其作用是将计量泵送来的熔体经 过滤和均匀混合，在一定的压力下从喷丝板的喷丝孔中均匀地喷成 细流，再经测吹风冷却或而形成连续长丝。纺丝组件的基本要求为： 能使熔体均匀地分配到喷丝板各个纺丝孔中，保证熔体流量和 阻力相等。 组件各部件密封效果好，耐高压( 7 9 m p a ) ，无漏浆现象。 组件内不宜有死角，以免熔体滞留时间过长而热降解。 过滤效果好，使用周期长。 与熔体直接接触的部分材料应耐高温( 最高工作温度3 0 0 ) 和耐腐蚀。 ， 喷丝板是纺丝组件的核心部件，用来使高聚物变成连续的特定截 面形状的细流，经测吹风冷却而形成长丝。喷丝板材质要能耐热、 抗氧化、耐腐蚀，并具有一定的强度，本课题选用的是合金钢材料。 1 ) 喷丝板喷丝孔的直径 喷丝孔主要由导孔和微孔( 毛细孔) 组成。导孔的作用是引导熔 体连续平滑地进入微孔，避免在入口处产生死角和出现漩涡状的熔 体，保证熔体流动的连续稳定。合理选择直径收缩比，即导孔直径 d r 与微孔直径d o 之比收缩比的降低可提高喷丝板的排孔密度，增 加生产能力。喷丝孔的直径即微孔直径应根据成纤聚合物熔体在喷 l s 第二章聚丙烯纺粘非织造工艺与实验方案 丝孔中流动的剪切速度梯度来决定。通常，喷丝孔直径和长度大一 些，纺丝比较稳定，尤其是对高粘度熔体的纺丝有利。本课题选用 的喷丝板的喷丝孔直径为0 4 5 r a m 。 2 ) 喷丝孔的孔数 喷丝板上的喷丝孔数根据所纺聚合物和长丝线密度而定。由于聚 丙烯的熔化温度较低，骤冷相对比较困难，同时聚丙烯的挤出膨化 比较大，这样聚丙烯纺丝成网用喷丝板上的最多孔数设计通常要比 纺聚酯和聚酰胺的少【2 6 1 。本课题的喷丝板选用的是长度为3 4 6 0 m m ， 宽度为2 1 6 r a m ，喷丝板孔数为16 9 9 1 ，平均每米4 9 1 1 个孔。 3 ) 喷丝孔的长径比 喷丝孔孔道长度l 与微孔直径d o 之比称为长径比( l d o ) ，纺丝 成网工艺中各类聚合物用喷丝孔长径比范围在1 5 10 之间，因为长 径比增大可减少纺丝时熔体细流的膨化现象。实际聚丙烯纺丝成网 工艺中较多采用1 5 4 的长径比，本课题选用的喷丝孔的长径比? 为1 8 。 ( 4 ) 侧吹风冷却 该过程与熔体细流的拉伸变形同时进行。从喷丝板挤出的丝束温 度相当高，冷却可防止丝条之间的粘连和缠结，配合拉伸，使粘流 态的熔体细流逐渐变成稳定的固态纤维。 本课题采用双面侧吹的形式，冷却介质为洁净空调风，风量保证 流动方式为稳定的层流状态，从而避免丝条振动，影响丝条的均匀 性。，： 冷却过程伴随着结晶过程，初期由于温度过高，分子的热运动过 于剧烈，晶核不易生成或生成的晶核不稳定。随着温度的降低，均 相成核的速度逐渐加快，熔体粘度增大，链段的活动能力降低，晶 体生长速度下降。 ( 5 ) 气流拉伸 纺丝成网法非织造工艺使用的拉伸工艺不同于一般纺丝的机械 拉伸，而是使用气流拉伸，其原理是基于拉伸装置提供的高速运行 气流对丝条表面的粘性摩擦力和气流场中的紊流造成的丝条按一定 1 6 第二章聚丙烯纺粘非织造工艺与实验方案 频率“波动所出现的气流对 丝条的附加推动力等作用拉 伸丝条。特点是：气流拉伸丝 条的介质是抽吸气流，空气质 量小且易于扩散，狭缝处拉伸 气流对长丝没有直接的握持 作用。本课题选用的是宽幅 ( 3 2 m ) 整体狭缝式负压气流 拉伸，其工作原理如图2 1 0 所示。整体狭缝式负压气流拉 伸工艺就是熔体从纺丝箱体 出来后经过分配管道和整块 矩形喷丝板挤出长丝，侧吹风 图2 1 0 整体狭缝式负压气流拉伸始1 ， ：” 冷却，然后在整条狭缝拉伸通道上进行气流拉伸和成网的工艺过程。 其