北服纤维材料学专业实验指导10熔喷非织造布的制备及其性能表证

实验十熔喷非织造布的制备及其性能表证一、实验目的1.了解熔喷法制备非织造布的设备特点；2.掌握熔喷法制备非织造布的工艺方法及其表征方法；3.通过本实验，能够更加深入地掌握和领会高分子流变学和高分子成型理论，并将这些理论应用于非织造布的制备中；二、实验原理1.工艺原理熔喷法技术早在20世纪90年代就被研究，但是近20年才商品化。据中国产业用纺织品行业协会(CNITA)统计，2008年中国无纺布总产量达117.7万吨，同比增长12.89%，其中纺粘法无纺布生产总量达42.95万吨，占总数的36.47%；熔喷法无纺布总生产量为1.9万吨，占总量1.62%。另据美国无纺布协会(INDA)资料显示，2004年全球无纺布的巿场需求为440万吨，亚太区为140万吨，占全球无纺布巿场需求的32%。亚太区无纺布生产和巿场在未来将继续保持高速增长，中国无纺布也将继续以两位数的增长率保持增长势头。制备无纺布的方法主要有熔喷法、纺粘法和针刺法三种。纺粘法是在聚合物熔体喷丝后才和拉伸的空气接触，而熔喷法则是在聚合物熔体喷丝的同时利用热空气以超音速和熔体细流接触，使熔体喷出并被拉成极细的无规则短纤维。熔喷法成网工艺是一步法生产工艺，即粉状或粒状聚丙烯经挤压熔融后定量送入熔喷模头，熔体从模头喷板的小孔喷出时与高速热空气流接触，被拉伸成很细的细流，然后在周围的冷空气的作用下冷却固化成纤维，其后被捕集装置捕集，经压辊进入铺网机成网，切边后卷装为成品。熔喷工艺的喷丝孔一般呈矩形截面，每英尺约有20个孔，孔径为0.2～0.4mm；热空气温度根据所加工聚合物种类可在150～370度范围；气流流速一般为90～230m/s；目前，熔喷设备的加工幅宽最窄可为0.25m，最宽达4m；纤维直径范围一般在0.25～200m，但常采用2～5m。熔喷工艺主要使用热塑性聚合物为原料，最常采用的有聚丙烯、聚酰胺和聚酯，也可采用聚苯乙烯、聚乙烯。近年来随其发展，还开发使用了聚氨酯、乙烯－醋酸乙烯共聚物、聚四氟乙烯、聚碳酸酯、可溶性聚合物等。2.影响熔喷纤网质量的因素影响熔喷纤网质量的因素有许多，主要包括喷头结构设计、聚合物熔体流动性、熔体和气体分配均匀性、热空气的温度及压力和流量、气流喷吹角度、冷却速率以及喷头至接受装置的距离等。下面简要介绍几种影响熔喷纤网质量的因素：1)纺丝温度纺丝温度是影响熔体流动性能的重要因素，熔体挤出温度高，流变性能好，形变能力强，有利于得到均质产品，但温度过高会导致大分子严重降解而使熔体粘度大幅度下降，并导致熔喷产品中产生“结块”(未拉伸成纤的一种颗粒状物)；熔体温度过低，细流出喷丝板后熔体粘度较高，流动性能差，其在拉伸气流中难以达到理想的拉伸倍数，单纤维线密度大，手感差。为使聚丙烯熔体粘度达到熔喷要求，即表观粘度降至10~20Pa·s，通常添加0.1%~0.3%的有机过氧化物或含硫化合物等对聚丙烯进行预降解。2)热气流温度热气流的温度对熔喷纤维的质量也有影响。当气流温度过低时，会造成纤维的“结块”现象，当气流温度过高时。虽然制备的产品特别柔软蓬松，但会引起纤维的断裂，产生“rope”(聚合物熔融块)现象，一般情况下要求气流温度高于模头温度10℃左右。表1PP熔喷工艺参数挤压机温度/℃熔体温度/℃气室温度/℃捕集器转速/r·min-1熔体速度/g·s-1模头至捕集器距离/m气体速度/g·s-1熔体压力/MPa平均纤维直径/m一区二区313313338319450.1350.15224.00.85324330338273280.3670.15226.61.975表2熔喷产品的物理指标单位面积质量g/m2厚度/mm气体渗透速度/m3·s-1最大微孔直径/m最小微孔直径/m平均纤维直径/m体积孔隙率/%撕裂强度纵向横向500.390.02648173868655空气温度主要在熔体出喷丝孔后发挥影响力。空气温度高，可延缓纤维的冷却，有利于热空气对纤维的牵伸，从而使纤维直径变细，有利于纤维间粘合，使纤网结构致密。空气温度也可通过喷丝伴随的热传导影响熔体温度，进而对最大孔径产生间接影响。显然，与纺丝温度相比，空气温度的影响要小一些。空气温度过高使喷出来的浆液高温降解，使其喷出来的非织造布弹性降低、力学性能及韧性变差。所以，空气温度略低于喷头温度，使喷头温度稳定即可。3)空气压力熔喷纺丝主要是靠热空气对纤维进行牵伸，而空气压力则是一个关键因素。空气压力越高，纤维得到的牵伸越充分，纤维直径越小；相反，空气压力越低，对纤维的牵伸越不充分，则纤维直径越大。纤维细，则形成的纤网孔隙小，纤网最大孔径也小。喷嘴空气压力越大，纤维越细，因此在同样定量条件下，随着纤维细度的降低，则纤维的根数增加，纤维之间接触点及接触面积也增加，相互之间交叉、缠结和热粘合点也增多，从而增大了纤维之间相对滑移的阻力，因而增加了非织造布的强力。4)喷丝速率对于固定的喷丝组件，喷丝速率是有螺杆的转速决定的。喷丝速率过高，纤维的直径相对较大，成形相对困难；而喷丝速率太低，熔体在高压热空气的拉伸下，纤度变小，可能也会影响纤网的形成。3.成网方式目前开发和使用的熔喷设备有间歇式和连续式两种成网方式。间歇式成网是指非连续式成网，即采用一个规定尺寸的滚筒来接收熔喷纤维。这种接收滚筒边回转边接收，使纤维均匀地喷铺在其圆周表面上，形成内径与滚筒外径相等的筒状材料，或经切开形成宽度等于滚筒长度、长度等于滚筒周长的片状材料。用这种成网方式可以生产无缝管状材料，适用于作火车、汽车及空气和水净化的滤芯等；切开后展开的片状材料也可用于蓄电池隔板、绝热和吸油材料等。连续式成网式使熔喷纤维凝聚在循环运转的成网帘上形成连续的纤网，成网帘通过运转将纤网输送给卷绕装置加工成卷装材料。也可以将纤维喷铺在一个滚筒接收器上，再把纤网引出进行卷绕。这种连续运转方式，生产效率高，所生产的产品可根据确定的卷装尺寸获得所需的长度。采用卷装材料可以适于各种不同尺寸的产品用途，而且有利于实现在线或下线复合，以形成复合型产品。连续式熔喷成网工艺流出如下图所示。图1连续式熔喷成网示意图1-螺杆挤压机2-喷头3-成网帘4-轧辊5-卷绕间歇式成网工艺，成网示意图如下：图2间歇式熔喷成网示意图1-螺杆挤压机2-喷头3-纤维4-接收滚筒工艺流程如图3所示：电器控制柜设定螺杆各区的温度和螺杆转速、空气的加热以及接收滚筒；热空气釜的空气流速由阀门控制；聚丙烯切片在螺杆的带动下熔融，被挤到喷丝组件处，并从喷丝孔喷出，在热气流的拉伸和带动下，喷到转动的接收滚筒上，形成熔喷非织造布。图3间歇式熔喷工艺流程图三、熔喷非织造布的制备1.实验前准备1)原材料的准备：选用高熔融指数的聚丙烯树脂，MI>20g/min；2)安装喷丝组件和喷丝头；3)螺杆的预热，下表提供了螺杆各区的参考温度：方位一区二区三区喷头空气温度1902252502602204)热空气的预热，预热温度见上表。2.实验成网步骤1)聚丙烯树脂加入到螺杆挤出机的加料斗中；2)启动螺杆，使聚合物熔融，并通过螺杆送入喷丝口；3)吹热空气，调节热空气的温度和压力，使之能够适应熔喷的要求；4)启动接受滚筒，纤网成形。3.实验结束1)取样：不同喷丝条件的熔喷非织造布均需取样，需要注意的是，非织造布的开始和结尾部分不能作为测试样品。2)拆卸组件，并将喷丝组件和喷丝头清理干净；3)打扫卫生。四、测试和表征1.非织造布力学性能的测试1)样品的制备：将熔喷得到的非织造布裁成长条形，测量其长度后称量重量，计算其纤度(dtex)。2)断裂强度：将以上样品在XQ-1型纤维强伸度仪测试其断裂强力(cN)，再计算其断裂强度，单位为cN/tex。3)断裂伸长率：指纤维在断裂时所达到的伸长率。单位为%。注意a：每个样品要测试5次以上，取其平均值。b：要测试每个样品在横向和纵向上力学性能的差别。4)测试方法：见实验一；2.非织造布的形态结构在显微镜下观察非织造布的结构。观测不同喷丝条件(如喷丝速率、空气温度和压力等)对非织造布纤网形态结构的影响。五、注意事项1.注意电器控制柜的各个按钮所对应的设备，开关顺序不要颠倒。2.由于熔喷技术设计到高温高压，因此实验时一定要先搞清各个部件的作用和温度等基本技术参数，再行操作。3.在非织造布