纤维材料试验设备与装备的创新与发展

纤维材料试验设备与装备的创新与发展

在当今纤维材料领域的研究和科学研究中，试验设备和设备起着非常重要的作用。可以说它是一项新技术诞生前的雏形，也是人们尽快掌握它并服务于市场的培训场所。环境与社会的可持续发展，要求企业不断地向市场投放品质稳定如一的新产品。比如DuPont（杜邦）公司20世纪80年代开发了采用闪纺工艺的“Tyvek”产品，其独特的使用性能为人们所称道。进入新世纪后又推出混合膜（Hybridmembrance）技术，并率先向市场提供了亚微米-纳米纤维材料（单丝直径<1µm）。2008年，杜邦公司研发了电喷法纳米纤维（Electroblowning）新工艺并将其商业化，该技术是将传统的静电纺和热空气喷射技术组合，可制得单丝平均直径为200～1000nm的纤维网材，产品具有常规非织造布或微孔膜无法比拟的性能。如采用聚酰亚胺（PI）电喷法纳米纤维网做的电池隔膜，于高温条件下，其熔融点高于250℃，同时兼有低收缩性和良好的抗化学性。其使用特性显示，在150℃下暴露3h，其收缩率为零。采用电喷法制得的纳米纤维网呈相互粘结的复合结构，非常适宜加工服装、揩布、卫生保健用品、过滤材料以及外科手术用服装。杜邦公司持续不断地向市场提供高技术含量的产品，诸如聚合物细旦-亚微米-纳米纤维系列产品，并始终占据着无人可撼动的市场位置，它清晰地向人们展示了一个长青企业的发展轨迹。也告知世人，企业的发展与核心竞争力的提升不仅靠机遇与胆识，更要靠科学化的经营模式。近年来，在聚合物加工领域，在新产品、新技术和新装备完成工业化运转的同时，相关的试验设备或试验单元也同时进入市场。诸如捷克Elmarco公司的静电纺纳米纤维生产装置投放市场的同时，也提供3种型号的试验设备给用户。Reicofil占据着全球纺熔非织造布设备的主要市场，同时该公司也提供幅宽1000mm的各种试验单元，诸如SB、MB、SMS以及双组分纺熔试验装置。瑞士Buhler（布勒）公司既开发了加工能力为400kg/h的瓶到瓶（BottletoBottle）聚酯瓶片处理设备，同时也有每小时加工几千克的试验装置供用户选择。可以说，当前试验设备的功能和作用趋于广义化，已超出传统开发新产品、新工艺的基本要求，同时增添了如下诸多的技术特征：(1）承担新产品、新工艺的连续性试验，提供商业化生产的技术数据；(2）进行新产品与相关技术不断完善与提高的试验；(3）培训买方技术人员，缩短新技术装备的试运转时间；(4）可提供小量样品供用户鉴定或选择，试验设备的展示功能已融入技术市场的运作范围。以下将简要介绍在开展“空气喷射技术与专件研究”、“高性能单丝技术研究”、“聚合物纳米纤维研究”以及“纺熔非织造布产品研究”中，相关试验设备的配置状况。1中国产业科学院的试验设备1.1变形喷嘴的更新空气喷射技术在化纤生产中已大量使用，主要涉及合成纤维长丝POY和FDY的生产，以及工业长丝（IDY）和地毯丝（BCF）的预网络和主网络加工。短纤维集束的网络处理也是其重要的应用领域。在POY/FDY长丝生产中，网络喷嘴的更新，可以有10%～15%的节能空间。美国IMS公司开发的T-tork型牵伸假捻的网络喷嘴，较之旧型号喷嘴的能耗减少了45%～53%。瑞士Heberlein（赫伯利）公司提供的更新后的工业用丝网络喷嘴耗气量降低了16%。变形喷嘴的结构改进可以有效地提高生产效率。以BCF地毯丝为例，国产BCF设备的变形加工速度通常为1000～1200m/min，而奥地利SML公司BCF设备的变形喷嘴的加工速度可达3000m/min以上。我国每年大约有1800万t长丝，800万t短纤，近130万t工业用丝和8万～10万t地毯丝需要进行网络加工，喷嘴的改进与更新可以改进纤维纱线的品质，同时也存在着巨大的节能潜力。表1为开展空气喷射技术研究与开发的基本试验设备配置。1.2单丝试验设备的应用高性能单丝主要涉及3类产品，即单丝、扁丝和裂膜纤维，其使用涉及到多个产业领域，是近年来发展最快也是最具技术特点的品种，主要特征如下。(1）使用高性能聚合物作原料，制作性能各异的产品，适应特定条件下使用目前已在单丝生产中广泛使用的原料，诸如PEEK、PEN、PPS、PVDF、PTFE等高性能聚合物。单丝产品已广泛用于医用、环境与净化等领域。(2）单丝生产线具有良好的工艺弹性，适合新工艺的探索试验和小批量生产使用该试验设备可以开发诸多新产品，如强力单丝（9～11g/D）、超细旦单丝（直径0.013～0.055mm）、具有两种或3种组分复合结构的人造草坪单丝以及用于胸外科手术的体外循环装置的过滤介质等。(3）单丝试验设备的设计理念基于研究试验并兼顾商业化运转功能单丝试验设备可以作为创新型中小企业技术改造和产品升级的选择。表2为开展高性能单丝技术研究使用的部分试验装置。1.3聚合物纳米纤维成形技术在其他领域的应用进展依据IPAI的研究报告，世界纳米纤维的年增长率为2%～2.5%。自2008年采用静电纺工艺生产纳米纤维的设备投入市场以来，纳米纤维的优良使用性能和巨大的市场潜力已为化纤业界所认可，在环境净化、生命科学、能源贮存和增强复合材料等领域使用均取得了成功。但静电纺工艺生产效率低，成本昂贵，且需要溶剂回收设备投资，增加了回收利用成本，纳米纤维的应用和市场拓展受到一定的限制。近年来，聚合物纳米纤维成形技术在成本和效率方面均取得了突破性进展，诸如熔喷法、电喷法、离心纺丝法和原纤化法制纳米纤维技术都完成了商业化运转。一个生产效率高、加工成本低，并可为市场接受的纳米纤维生产供应链已经形成。据美国工业咨询公司预测，未来数年间，纳米纤维市场的占有率将有大幅提升。目前我国纳米纤维的研究与开发多采用静电纺丝工艺，且基本停留在试验室阶段，纳米纤维的应用研究和使用尚较薄弱。鉴于国内有熔喷法非织造布的生产经验，因此建议可在引进熔喷法纳米纤维试验设备的基础上逐步开展研究。表3为开展聚合物纳米纤维研究使用的部分试验设备。1.4国产纺熔设备的技术水平与经营模式我国目前运转中的纺熔非织造布生产线（SB/NB/SMS）大约在800条左右，其中9成使用国产设备。国产纺熔设备中1600mm幅宽的简易型设备占一半以上，产品品质普遍较差，多用作包装袋材料。从技术水平、企业的经营模式与状况来看，国内纺熔行业正面临升级转型的挑战。但企业应正视现实，在关系行业发展的重要技术课题的研究上进行投入还是十分必要的。表4为开展纺熔非织造布研究使用的部分试验装置。1.5双组分纺丝试验设备的研发双组分纺丝技术成功用于化纤生产仅是近20年的事，这主要源于螺杆挤压机和纺丝组件设计上的进步。目前双组分纺丝已成为开发化纤新产品较为实用的方法之一。双组分纺丝工艺普遍用于合成纤维长丝或短纤、纺粘非织造布、熔喷非织造布、BCF地毯纱及单丝等品种的生产。国内在双组分复合长丝和短纤的研究中已积累了较为丰富的经验，具有设计和加工相关试验设备的能力。考虑到复合纤维的研究需要纺丝工艺与精密机械加工密切合作的技术特点，建议需要配置双组分纺丝试验设备的厂家可参照国外相关设备的特点，立足于国内研究院所和化纤工程公司进行试验设备的设计与加工。表5是部分用于双组分纺丝的试验设备的技术特征。2化纤工业试验设备与市场功能的关系试验室与中间试验设备的建设，始终是化纤企业技术更新和进步的重要条件。近年来，在重大新技术、新工艺和新装备研发和投放市场的同时，都