熔喷布生产工艺及产品性能分析培训教材课件

熔喷布生产工艺及产品性能分析培训教材

2023/6/612第一节概述第二节熔喷的工艺原理与设备第三节熔喷用原料第四节熔喷产品性能和应用第五节熔喷产品的质量管理检测第六节熔喷的技术进展目录2023/6/6熔喷非织造布工艺特点：熔喷工艺流程短，设备简单(不需要固结纤网的设备)，生产效率高；能耗大，成本较高，对其应用领域的扩大有一定的消极影响；纤维极细(纤维直径达微米级甚至纳米级)，比表面积大，纤网孔隙率高，纤网均匀度好，柔软蓬松，尤其适用于过滤、吸液和保暖材料等；纤维和纤网强度低，取向度低，耐磨性差。第一节概述2023/6/634一、熔喷的工艺原理

熔喷非织造工艺是利用高速热空气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凝聚在凝网帘或滚筒上，并依靠自身粘合而成为非织造布。第二节熔喷工艺原理与设备热空气热空气聚合物熔体冷却气流冷却气流接收装置熔喷工艺原理示意图2023/6/65熔喷纤维和纺粘纤维比较：纤维长度：纺粘为长丝，熔喷为短纤维。纤维强力：纺粘纤维强力>熔喷纤维强力。纤维细度：

熔喷纤维比纺粘纤维细。

2023/6/66熔喷装置按放置方式分有水平式和垂直式。热空气热空气聚合物熔体冷却气流冷却气流接收装置水平式垂直式2023/6/67熔喷过程

纺粘法2023/6/68二、工艺流程与设备（一）熔喷的工艺流程聚合物准备→熔融挤压→计量泵→熔喷模头组合件→熔体细流拉伸→冷却→接收装置（二）熔喷设备主要设备：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。生产聚酯等原料，还需要切片干燥装置。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。2023/6/691.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。2023/6/6102.螺杆挤出机参见第六章相关内容。3.计量泵参见第六章相关内容。4.熔喷模头组合件模头组合件是熔喷设备中最关键的部分，其中最重要的部分包括：(1)聚合物熔体分配系统(2)模头系统2023/6/611（1）聚合物熔体分配系统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具有较均匀的性质。目前熔喷工艺中主要采用衣架型聚合物熔体分配系统（T型分配系统不能均匀分配流体）。2023/6/612衣架型熔体分配系统示意图

歧管2023/6/613研究表明，歧管倾斜角度对分配系统出口处的流率分布情况有显著影响。α增加，聚合物熔体在分配系统中央处的流速减小，而两边的流速增加。另外熔体本身的性质对熔体流速的均匀性也有影响，因此分配系统的几何形状一旦确定，必定要求聚合物原料具有相应的性能，故熔喷必需开发专用原料。α歧管2023/6/614（2）模头系统（模头－die）喷丝板、气板、加热保温元件等组成。熔喷产品的均匀度与模头密切关系。通常，熔喷模头的加工精度要求高，故模头制造成本昂贵。

喷丝孔常呈单排排列，长径比大于10。

2023/6/615该种结构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高，目前应用较少。Exxon公司早期研制的熔喷模头，上下模体结合面上各自加工出微细的凹槽，然后上下模体贴合即可形成一排喷丝孔。2023/6/616Kasen公司熔喷模头2023/6/6175.空气加热器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。U形发热元件折流板测温点接线端2023/6/6186.接收装置

熔喷工艺接收装置的类型主要有：

滚筒式

平网式

立体成型(芯轴)：生产滤芯用装置

2023/6/6192023/6/620美国J&M公司熔喷设备2023/6/621滤芯滤芯的结构为外层纤维粗，内层纤维细，外层疏松，内层紧密的渐变径渐紧结构。独特的梯度深层过滤形成了立体滤渣效果，具有高孔隙率、高截留率、大纳污量、大流量、低压降的特点。2023/6/622立体成型(芯轴)：

采用立体接收装置，分间歇式接收和连续式接收。(1)间歇式接收装置接收装置来回移动，纤维多层缠绕在芯轴上；改变接收距离，生产具有密度梯度的滤芯；改变芯轴尺寸，生产不同内径的滤芯。

每根滤芯制成后需更换芯轴，因此生产效率较低。熔喷模头接收芯轴管状滤芯往复移动活顶针2023/6/623管状滤芯输出螺纹头熔喷模头1熔喷模头2管状滤芯接收芯轴螺纹头传动轴（2）连续式接收装置接收芯轴呈悬臂梁形式，内有输出管状滤芯的传动轴，传动轴头端有螺纹，将管状滤芯从接收芯轴上拔出并输送至切割系统。生产有密度梯度的滤芯时，应配多个不同接收距离的模头。2023/6/6247.辅助设备

熔喷生产线最主要的辅助设备就是模头清洁炉。熔喷模头生产一段时间后会发生堵孔现象，这时需要更换熔喷模头。

替换下来的熔喷模头需要用焙烧的方式除去残留在模头内的聚合物和杂质。螺杆和喷丝板等通常均采用焙烧的方法来除去残留聚合物及杂质。

2023/6/625焙烧除去残留聚合物及杂质2023/6/626SCTR清洁炉2023/6/627理论上讲，凡是热塑性（高温熔融，低温固化）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等。第三节熔喷用原料2023/6/6熔喷2023/6/62829聚合物的种类决定了其熔点及流变性能。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。原料品种

模头温度热空气温度干燥工艺烯烃类较高较高一般不需要酯类较低较低需要烯烃类和酯类聚合物原料熔喷工艺的差异2023/6/630

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。烯烃类原料一般不需要干燥。而聚酯必须进行切片干燥。2023/6/631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。聚合物分子量越低，熔融流动指数(MFI,meltflowindex,指在一定的压力及温度下,10分钟所流出的融体的重量克数)越高，熔体粘度越低，越能适合于熔喷工艺较弱的牵伸作用。2023/6/632第四节熔喷产品性能和应用本节主要内容：一、熔喷非织造布的结构与性能二、影响熔喷产品性能的因素三、熔喷产品的应用2023/6/633一、熔喷非织造布的结构与性能

熔喷法非织造布的特点之一是纤维细度较小，通常小于10μm，大多数纤维细度在1～4μm。

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无法保持平衡（高温高速气流的拉伸力波动、冷却空气的速度和温度等的影响），使熔喷纤维细度大小不一。纺粘法非织造布纤网中纤维直径的均匀度明显好于熔喷纤维，因纺粘工艺中，纺丝工艺条件是稳态的，牵伸和冷却条件变化波动较小。2023/6/634熔喷非织造纤网的扫描电镜2023/6/635

熔喷纤维的结晶度和取向度比纺粘法的小。因此熔喷纤维的强度较差，故纤网的强力也较差。几种PP纤维的强度如下表：PP短纤维纺粘PP纤维熔喷PP纤维纤维单强（cN/dtex）3.9~6.42.9~4.91.5~2.0因熔喷成形的纤维强度较差，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。2023/6/636

二、影响熔喷产品性能的因素

熔喷产品的性能主要指物理机械性能，如产品的强力、透气性、纤维直径等，因熔喷工艺复杂故影响因素较多。

影响产品性能因素聚合物原料工艺参数在线参数离线参数2023/6/637

在线参数：在熔喷生产过程中可按需要调节的参数，如熔体挤出量、熔体温度、拉伸热空气的温度和初始速度、接收距离等。离线参数：只能在设备不运转时才能调节的参数，如喷丝孔的形状、拉伸热空气通道尺寸和夹角等。

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熔融指数(MFI)与熔喷非织造布拉伸强力和顶破强力的关系（一）聚合物聚合物分子量越低，熔融流动指数(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。

熔融指数越高，熔喷形成单纤维的强力越低，纤网的强力也低。2023/6/639

熔融指数(MFI)与熔喷非织造布断裂伸长的关系2023/6/640实际生产中，应选用MFI大的聚丙烯还是小呢？

MFI小：可生产强力较高的熔喷非织造布。

MFI大：产量高、能耗低。因此当前趋势是采用较高的MFI原料。最早应用的聚丙烯，其分子量高，MFI较低（12g/10min）。

随科技的进步，MFI为12的聚丙烯很快就为MFI35的所取代，同时出现了专为熔喷工艺所用的聚丙烯，其MFI高达1500（进口）。2023/6/641

1、喷孔直径

孔径小有利于纺制造超细纤维。但小的孔径加工较为困难。2、热空气喷射角度

气流与模头底面的夹角θ。

（二）离线参数2023/6/642

气流喷射角度的大小对拉伸效果有很大影响。高温高速的牵伸热空气从熔喷组合模头的空气通道中喷射出来，两股气流发生碰撞，形成了复杂的流场。对此流场的数值模拟，首先是建立理论模型，然后进行数值求解，最后用实验结果进行验证。2023/6/643流场计算结果的速度矢量图气流气流

气流喷射角度为60°2023/6/644数值模拟的结果表明：喷丝孔轴线上和邻近区域，气流速度高，且沿喷丝孔轴线平行，对熔体细流牵伸的有利条件；远离喷丝孔，速度减小；夹角越大，气流在喷丝孔轴线方向的分量越大。但是，80°夹角和60°夹角流场产生的效果相差不大，同时，80°夹角在机械结构上较难实现。

因此生产上常采用60°的夹角。2023/6/645

1、热空气的速度（压力）直接影响熔喷纤维细度。生产中用气流的压力来表示气流的速度，压力大则速度大。热空气速度↑：纤维直径↓；单纤维相对强力↑；纤网中纤维间的粘合效果↑，非织造布强度↑。

（三）在线参数2023/6/646气流压力(MPa)纤维直径(μm)气流速度对纤维细度的影响2023/6/647

2、熔喷温度（熔体温度）指熔喷模头的温度。温度越高，熔体粘度越低，纤维越细。但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，因此熔喷工艺中聚合物熔体粘度并不是越小越好。

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纤网强力除取决于纤维本身的强力外还取决于纤维之间的热粘合程度。热粘合程度受接收距离(DCD)的影响尤为显著。3、接收距离（DCD-DistanceofCollectortoDie）热空气热空气聚合物熔体冷却气流冷却气流接收装置2023/6/649

热空气热空气聚合物熔体冷却气流冷却气流接收装置

DCD↓，热空气冷却和扩散不充分，粘合效果得到改善，产品蓬松度下降（纤维多呈团聚状）。产品强力提高。

DCD↑，熔喷非织造布强力（拉伸、顶破撕破强力）及弯曲刚度均下降；透气率增长。

2023/6/650团聚状排列的熔喷纤维2023/6/6514、熔体挤出量单位：g/hole/min该参数如何调节？如何测试？挤出量增加，纤维直径增加，熔喷非织造布的相对强度减小。挤出量增加气流作用力削弱，纤维直径增加纤维相对强度下降纤维根数减少纤网相对强力下降粘合部位减小，纤网相对强力下降2023/6/652挤出量(g/hole/min)纤维直径(μm)挤出量与纤维直径的关系2023/6/653熔喷纤网中常出现没有牵伸成超细纤维的团块状聚合物，称为“shot”现象。（亮点）熔喷纤网中出现的“shot”现象2023/6/654“shot”现象成因主要有：空气速度太小或熔体粘度太高，部分熔体细丝未完全牵伸；熔体粘度太小：空气速度高时，喷丝孔对熔体的握持作用减弱，熔体还没有被牵伸成纤维便脱离喷丝孔；可见，要生产出合格的产品，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、熔喷温度和牵伸热空气速度，并应注意到这些工艺参数之间存在着相互依赖的关系。2023/6/655三、熔喷产品的应用目前，熔喷法非织造布主要用于：过滤材料医疗卫生材料环境保护材料服装材料电池隔膜材料2023/6/656过滤就是将分散于气体或液体中的颗粒状物质分离出来。过滤机理：筛滤沉积、静电沉积、扩散沉积等。

1、过滤材料2023/6/657是否颗粒大于过滤材料的孔径尺寸才能被筛滤？研究表明：孔径尺寸在十至几十微米之间的过滤材料，能捕集1µm的尘埃。

提高筛滤沉积效果就要减小滤材孔径，即减小纤维细度、提高材料的密度。2023/6/65758熔喷非织造材料具有纤维细、孔隙多而孔隙尺寸小的优点。应用：气体过滤：医用口罩、室内空调机过滤材料。液体过滤：饮料过滤、水过滤。

为提高过滤效果，可减小纤维细度、增加滤材的密度，但会造成过滤阻力的明显增加。因此让熔喷非织造材料带静电，可通过静电效应提高其过滤效果，即进行驻极处理。2023/6/659驻极处理的熔喷非织造布，因带有持久的静电，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。

聚丙烯具有较高的电阻率(7×1010Ω·cm)，注入电荷的容量较大，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。2023/6/660驻极整理对熔喷法非织造布滤效及阻力的影响接收距离(mm)100150200250驻极

未驻极

驻极

未驻极

驻极

未驻极

驻极

未驻极

螺杆转速(8rpm)滤效(％)97.7553.2994.8836.594.1341.2592.543.5阻力(Pa)3.683.682.942.942.212.212.152.15螺杆转速(12rpm)滤效(％)94.525.7591.023.084.517.7583.7520.0阻力(Pa)2.942.941.961.960.980.980.980.98可见，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，这是其它非织造布所无法比拟的。2023/6/661

2、医疗卫生材料医用口罩：里外两层用纺粘材料，中间用熔喷材料制成的复合材料（SMS）。2023/6/66162H1N1病毒大小：80nm～120nm

。2023/6/66263

3、环境保护材料（吸油材料）聚丙烯熔喷法非织造布因其材料特性和微纤结构而成为良好的吸油材料，在欧美、日本等发达国家已得到广泛应用，如海上溢油事故、工厂设备漏油以及污水处理等。2023/6/6641989年春，美国阿拉斯加附近的威廉王子海峡，埃克森公司的“瓦尔德斯”号油轮触礁事故，造成大面积漏油，原油泄漏导致成千上万只海鸟和海洋生物死亡。当时空运了大约2.6万吨以聚丙烯熔喷非织造布为主的吸油材料到现场，仅用了几天时间就清理了海面，这是熔喷法非织造布成功用于海上溢油事故处理的典范。溢出5000万升原油，污染2000多公里的海岸线工作人员在拯救一只被漏油污染的海鸟2023/6/66465聚丙烯熔喷法非织造布具有疏水亲油的特性，耐强酸强碱，密度比水小，吸油后能长期浮于水面上而不变形，可循环使用和长期存放。聚丙烯熔喷法非织造布制成吸油索、吸油链、吸油枕等，吸油量可达到自身重量的10～50倍。吸油索2023/6/666吸油材料的应用2023/6/667

4、服装材料（保暖材料）保暖材料应具有良好的保暖性，并能较长期使用而不改变其保暖性。2023/6/66768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。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。因此熔喷复合保暖材料抗风能力较强。2023/6/66869

5、电池隔膜隔膜材料是蓄电池的重要组成部件，常置于正负极板之间，主要功能是绝缘正负极板，保证电介质的流动。聚丙烯材料具有优良的耐酸碱性能，聚丙烯熔喷法隔膜材料具有孔径小、孔率大、电阻小以及产品变化多样的特点。正极板上是二氧化铅（PbO2），负极板上是绒状铅（Pb）。每一个正、负极板之间都隔着多孔的超细纤维物质（电池隔膜），其中吸附着硫酸（H2SO4）电解液，这个纤维物质（或硅胶物质）是电化学反应过程中液相传输和气相传输的通道，它和正、负极板群被紧密地装配在一起，形成一个2V的电池单体。图中6个2V的单格串联成12V的电池

2023/6/670第五节熔喷产品的的质量管理检测2023/6/6一、熔指检测熔体在2.16kg的标准载荷下，10min流过固定内径（a、熔指小于400g/10min的纺粘料选用口模直径为2.096mm。b、熔指大于400g/10min的熔喷料选用口模直径为1.18mm），毛细管的重量。即为熔体的流动速率（又称熔融指数）2023/6/671二、克重检测克重是非织造布的基本指标，其定义为单位面积产品的重（质）量，我国法定的计量单位g/㎡（克每平方米）。克重的大小反应了产品的厚、薄。但因称呼及表示方法未得到统一，甚至不同企业表示方法也不一样，如有人将“单位面积产品质量”称为“基重”，或“BasisWeight”,或称作“面密度”，也有写为GSM（即英文每平方米的克数的缩写），更有直呼为“单位面积质量”2023/6/672三、防水性检测（静水压法）当测试过程中出现下列情况时，根据情况分别进行处理A、很好的液滴，但液滴形成后不再继续产生，应视为无效B、从密封圈边缘5mm内穿透出的单独的液滴，将忽略不计C、水向喷泉或柱状透出将被视为无效D、从同一个小孔内或离的非常近的孔内连续渗透出三个不同的液滴，则从同样的取样区重新取一块样本重新实验。2023/6/673四、静电衰减检测抗静电性是表征产品耗散静电能力的指标。抗静电性能越好，静电就越不容易在产品上集聚，产品的使用安全性也越高。对于防静电材料的电荷泄露方法测试有两种：电阻测定法、电荷衰减测定法。2023/6/674五、断裂强力及伸长率检测①断裂强力表示产品进行强度（拉伸）实验时，拉断产品所需的最大作用力，单位为N(牛顿，简称牛)。②断裂伸长率指产品进行拉伸强力实验时，因拉力作用引起长度增量，其断裂时的增量长度与初始长度之比。单位%2023/6/675六、耐磨性测试（马丁代尔法）A、样品测试面（压花面）对着模头B、选择合适的砝码（9KPa）C、内测转数（120转）2023/6/676七、渗水性检测（喷淋冲击法）样品在冲击力的作用下，对水的穿透力的阻挡性能。也是一种反应动态情况下，样品的抗水性能。A、喷淋专用滤纸称重B、滤纸连同样品夹在测试平台上（样品在上）C、500ml蒸馏水，漏斗与底座距离为800mmC、喷淋后计算滤纸前后差值2023/6/677八、透气性能检测产品两侧在规定压力差的条件下透过气体的能力，用单位时间内透过的气体量来表示，其单位为mm/s或L/(㎡*s)透气量大，表明气体越容易透过非织造布。透气性与透湿性是两个不同的指标，透湿性是两个不同的指标，透湿量是指产品两侧在规定温度差的条件下，含有水分的湿空气透过非织造布的量，类似汗气透过衣服的能力，这是医用防护服穿着舒适度的一个指标，而透气量则跟衣服的保暖性能有关。2023/6/678九、渗透性能检测（亲水性）这是在卫生材料中反应产品亲水能力的一个指标，表示液体通过产品的能力（快、慢）渗透性能还分一次渗透及多次渗透两种。常用时间（s）表示，越短越好。2023/6/679十、均匀度均匀度用定量值的离散系数“CV值”来表示。反映了产品的“厚薄”不均情况。CV值越大，产品质量越差。对于单模头生产线，CV值可能会大于6%。对于双模头生产线，一般小于6%，技术水平高的多纺丝系统生产线，如SMS生产线，其产品的CV值都比较小。可以不高于2%.2023/6/680十一、幅宽幅宽是指产品的横向（即生产线的CD方向）宽度，产品的最大宽度由生产线的规格决定，最小宽度则受分切装置的最小间距限制。常用的幅宽的单位为m（米）或mm（毫米）。2023/6/681十二、卷长是指成卷产品展开后的长度，产品的最小卷长及最大卷长均受卷绕机的性能限制。在同样卷径的状态下，不同定量规格的产品、其卷长是不同的。2023/6/68283第六节熔喷技术的发展趋势2023/6/684一、模头宽度和个数的增加

1967：精确公司制造世界首个254mm(10’’)宽喷头；1969：……1016mm的喷头；1970~1979：……254