熔噴非織造布技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用

1、熔噴非織造布技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用摘要:介紹了熔噴非織造布技術(shù)的生產(chǎn)工藝過程及原理,分析了國內(nèi)外熔噴技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢,探討了熔噴產(chǎn)品的應(yīng)用前景,并就其今后的發(fā)展提出了幾點(diǎn)建議。關(guān)鍵詞:熔噴;非織造布;工藝原理;發(fā)展;應(yīng)用熔噴法是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來,依靠高速、高溫氣流噴吹聚合物熔體使其得到迅速拉伸而制備超細(xì)纖維的一種方法。聚合物切片通過擠壓機(jī)加熱加壓成為熔融狀態(tài)后,經(jīng)熔體分配流道到達(dá)噴頭前端的噴絲孔,擠壓后再經(jīng)兩股收斂的高速、高溫氣流拉伸使之超細(xì)化。超細(xì)化的纖維冷卻固化沉積于集網(wǎng)簾裝置上形成細(xì)度極細(xì)的熔噴非織造布1熔噴非織造布生產(chǎn)工藝原理典型或傳統(tǒng)的熔噴非織造布工藝過程為:聚合物喂入熔融擠

2、出過濾計(jì)量噴絲成網(wǎng)卷取后加工成品。生產(chǎn)工藝流程及原理2見圖1、圖2。聚合物(PP切片)或其它原料由輸送裝置送入計(jì)量混合裝置,經(jīng)過計(jì)量、混合后,進(jìn)入螺桿擠壓機(jī)加熱熔融成為熔體。再經(jīng)過過濾除去雜質(zhì),進(jìn)入紡絲泵(計(jì)量泵)計(jì)量加壓后,即成為壓力穩(wěn)定、流量穩(wěn)定、分布均勻的熔體,這些高溫熔體進(jìn)入紡絲箱后,由其內(nèi)部的熔體通道均勻分配至紡絲組件(熔噴頭)。另一方面,由空氣壓縮機(jī)或風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的壓力氣體進(jìn)入空氣加熱器后,便成為高溫的牽伸氣流,由管道送入紡絲箱內(nèi)的牽伸氣流通道,然后由布置在噴絲板組件兩側(cè)的通道對(duì)著從熔噴頭噴出的熔體噴射,熔體在這種高溫、高速氣流的作用下被牽伸成細(xì)度僅為15m(實(shí)際上纖維的細(xì)度呈現(xiàn)對(duì)數(shù)正

3、態(tài)分布,其范圍一般在0.37m之間)的細(xì)絲。與此同時(shí),這些超細(xì)尺寸的纖維被牽伸氣流拉斷為長度約4075mm的短纖維。牽伸氣流挾持著這些被牽伸的短纖維落在成網(wǎng)機(jī)之前,雖然已被周圍的環(huán)境空氣(或人為的冷卻氣流)冷卻降溫,但仍然能依靠牽伸氣流的熱量及本身的余熱在成網(wǎng)裝置上互相粘合纏結(jié),形成一張連續(xù)纖網(wǎng)。為了防止?fàn)可鞖饬鲗⒗w網(wǎng)吹散,在網(wǎng)下設(shè)置了吸風(fēng)系統(tǒng),可以將牽伸氣流及周圍環(huán)境一定范圍內(nèi)的氣流抽走,使纖網(wǎng)貼在成網(wǎng)簾上定型、傳輸。從成網(wǎng)機(jī)過來的纖網(wǎng)可用卷繞機(jī)卷繞、分切,成為熔噴布產(chǎn)品。2國內(nèi)外熔噴技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢2.1國外熔噴技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀1954年美國海軍研究所在研究氣流噴射法紡絲時(shí),紡得了極細(xì)的纖維

4、,其直徑在5m以下,并制得由這種超細(xì)纖維組成的非織造布,隨后出現(xiàn)了一些相關(guān)的專利。20世紀(jì)70年代后期,美國ExxonMobil公司將此技術(shù)轉(zhuǎn)為民用,使得熔噴法非織造技術(shù)得到迅速的發(fā)展。BiaxFi-berfilm、ExxonMobil、ACCURATEProducts、Reif-enhauser、Kimberly-Clark和Nordson等公司都為熔噴技術(shù)的發(fā)展作出了突出的貢獻(xiàn)。目前,ExxonMobil公司和Biax公司設(shè)計(jì)的熔噴模頭結(jié)構(gòu)代表了世界上兩種典型的技術(shù)類型。ExxonMobil公司的組合式熔噴模頭由帶有一排噴絲孔、坡口角度呈3090的鼻形模頭尖和兩個(gè)氣閘組成,兩個(gè)氣閘分布模頭

5、尖的兩邊;Biax公司的組合式熔噴模頭則是由多排紡絲噴嘴和同心氣孔組成,據(jù)稱這一特點(diǎn)可以提供較高的生產(chǎn)能力和較好的產(chǎn)品質(zhì)量3。最近幾年,由于相繼出現(xiàn)新的復(fù)合、層壓、涂層、駐極化和化學(xué)處理等深加工方法,使熔噴法非織造布的品種和應(yīng)用有了很大的發(fā)展。2.2國內(nèi)熔噴技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀我國對(duì)熔噴技術(shù)的研究始于20世紀(jì)50年代末。20世紀(jì)80年代,中國紡織大學(xué)研制出了間歇式熔噴法非織造布生產(chǎn)線。20世紀(jì)90年代初,北京化工研究院、中國紡織大學(xué)、北京超綸公司等單位設(shè)計(jì)出的熔噴設(shè)備,在國內(nèi)投產(chǎn)了近百臺(tái)。隨后,安徽奧宏、江陰金鳳、天津泰達(dá)、山東俊富等公司陸續(xù)投產(chǎn)了5條引進(jìn)的連續(xù)式熔噴生產(chǎn)線,使我國熔噴法非織造布生產(chǎn)技

6、術(shù)上了一個(gè)新的臺(tái)階。我國熔噴非織造布有連續(xù)式和間歇式兩種。2006年連續(xù)式熔噴非織造布產(chǎn)品的生產(chǎn)企業(yè)在我國共有20家30條生產(chǎn)線,比2005年多了4個(gè)企業(yè)和6條生產(chǎn)線。間歇式熔噴設(shè)備也有一定的發(fā)展。2006年熔噴非織造布總的生產(chǎn)能力為3.31萬t/a,產(chǎn)量為2.16萬,t與2005年的1.9萬t相比增長了13.2%,在非織造布中所占比重為1.5%。2006年新增連續(xù)生產(chǎn)線的來源,一是采用進(jìn)口的熔噴模頭,其它部分由企業(yè)自己加以配套組裝成線,例如天津泰達(dá)的第三條生產(chǎn)線、大連瑞光、山東俊富都是這種做法,他們都是采用從日本卡遜(Kazen)公司進(jìn)口模頭自己配套成線。另外,2006年連續(xù)式熔噴法非織造布

7、生產(chǎn)線的國產(chǎn)制造水平有很大提高,由北京宏大貝斯特制造的2.4m單模頭和1.6m幅寬雙模頭的兩條熔噴生產(chǎn)線已在浙江桐鄉(xiāng)健民濾材公司順利開車,制成的產(chǎn)品90%出口,取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。上海嘉榮、江蘇騰達(dá)、杭州中南是一個(gè)企業(yè)聯(lián)合體。2006年該聯(lián)合體生產(chǎn)各種熔噴產(chǎn)品共達(dá)到3800多,t居國內(nèi)第一。他們共擁有130140臺(tái)間歇式熔噴設(shè)備。其中把一部分設(shè)備分成多組,每組加裝連續(xù)往復(fù)成卷機(jī)構(gòu),使產(chǎn)品能適應(yīng)多樣化的要求,并可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。這個(gè)機(jī)構(gòu)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán),已獲得專利。這個(gè)企業(yè)的主要產(chǎn)品為蓄電池隔板和過濾芯、吸油氈等。間歇式熔噴設(shè)備除了嘉榮、騰達(dá)、中南以外,估計(jì)全國還有100200臺(tái)散布在江蘇、

8、浙江、山東、河北、廣東等地,因較為分散,無法加以詳細(xì)統(tǒng)計(jì)4。2.3熔噴技術(shù)發(fā)展趨勢隨著各種非織造布加工技術(shù)的成熟,各工藝之間相互滲透,向混雜化、復(fù)合化方向發(fā)展是當(dāng)前非織造布發(fā)展的趨勢,尤其是各工藝之間的復(fù)合越來越受到大家的重視。進(jìn)入21世紀(jì)以來,國際上熔噴非織造布技術(shù)有著突飛猛進(jìn)的發(fā)展,主要包括以下幾個(gè)方面。2.3.1發(fā)展雙組份熔噴技術(shù)美國Hills公司和Nordson公司較早就開發(fā)成功制取皮芯型、并列型、三角形等多種雙組份非織造布的熔噴技術(shù),通常纖維纖度接近2m,熔噴噴絲組件的孔數(shù)可以達(dá)到100孔/2.54cm,每孔的擠出量可達(dá)到0.5g/min。熔噴雙組份纖維非織造布和一般熔噴纖維制品相比

9、能進(jìn)一步改進(jìn)過濾介質(zhì)的過濾性,并使過濾介質(zhì)具有抗靜電性、導(dǎo)電性、吸濕性、增強(qiáng)的阻隔性等;或使纖維網(wǎng)的粘結(jié)性、蓬松性、透氣性提高。目前世界上提供雙組份熔噴技術(shù)的主要有Hills和Nordson等公司,Hills公司還擁有多組份熔噴技術(shù)。據(jù)了解,其技術(shù)關(guān)鍵在于改變過去采用衣架式分配熔體的方法而采用新的薄板型分配板,采用多路隙縫設(shè)計(jì),對(duì)不同聚合物流量進(jìn)行精確分配,按要求通過不同管道把不同聚合物送到各噴絲孔。雙組份熔噴纖維紡絲時(shí),兩種聚合物熔融溫度有相當(dāng)?shù)牟顒e。在紡絲過程中,占量較少的聚合物其降解溫度比占量多的聚合物凝固點(diǎn)低30左右,因此,過去不同聚合物難于共同紡絲。Hills公司開發(fā)的薄型板工藝以及

10、其紡絲箱體都完全可以勝任,它采用多泵式系統(tǒng),兩種組份分別加熱、相互隔離,保證溫度可以滿足工藝要求。2.3.2發(fā)展熔噴納米纖維過去開發(fā)熔噴纖維都基于Exxon的專利技術(shù),最近幾年國際上多家公司已突破Exxon技術(shù)向更細(xì)的納米纖維發(fā)展。表1為熔噴納米纖維與一般熔噴和紡粘纖維直徑的對(duì)比。由表1可知,納米熔噴纖維相對(duì)于其它纖維,直徑更細(xì),表面積更大。采用納米熔噴纖維作過濾介質(zhì)時(shí),能夠顯著提高過濾效率。同時(shí),由于納米級(jí)熔噴非織造布中的纖維纖度細(xì),可以采用更輕克重的熔噴布與紡粘布復(fù)合,仍可承受同樣水頭的壓力,而其制成的SMS類產(chǎn)品可以減少熔噴纖維所占的比重。Hills公司對(duì)納米熔噴纖維作過很深的研究,據(jù)稱

11、已達(dá)到產(chǎn)業(yè)化的階段。其它一些企業(yè)例如NonwovenTechnologies(NTI)公司也開發(fā)了可生產(chǎn)納米熔噴纖維的工藝、技術(shù),并已取得了專利。為紡制納米纖維,NTI公司采用比普通熔噴設(shè)備要細(xì)得多的噴絲孔,據(jù)稱采用的噴絲孔細(xì)小到63.5m,模塊結(jié)構(gòu)的噴絲板可組合成3m以上的總寬度,這樣紡出的熔噴纖維直徑大約為500nm,最細(xì)的單纖直徑可小至200nm。2.3.3改進(jìn)設(shè)備和更新原料改進(jìn)熔噴設(shè)備,提高產(chǎn)品性能和生產(chǎn)效率,開發(fā)新型熔噴品種,是熔噴技術(shù)發(fā)展的必由之路。Nordson等公司提供的一些熔噴設(shè)備、紡絲箱體可根據(jù)需要轉(zhuǎn)過一定角度,不與生產(chǎn)線垂直配置,從而可較方便地改變幅寬。美國Accurat

12、e(現(xiàn)已被Reifenhauser收購)的連續(xù)熔噴設(shè)備可以生產(chǎn)濾芯,并可自動(dòng)改變相對(duì)速度使內(nèi)外層形成密度梯度,以使過濾效率提高,濾芯可以自動(dòng)切換連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。同時(shí),摒棄傳統(tǒng)的熔噴原料PP、PET等,尋找新型原料,紡制多功能、高附加值的熔噴產(chǎn)品,也是熔噴技術(shù)的發(fā)展方向。美國CelaneseAG公司推出的可用于熔噴非織造布的聚苯硫醚樹脂,在通常使用聚丙烯原料的標(biāo)準(zhǔn)熔噴設(shè)備螺桿上就能加工成非織造布,經(jīng)過長時(shí)間連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)情況良好,但其熔體熔融溫度需300320,紡絲時(shí)溫度需要提高。用此樹脂紡制的熔噴纖維的細(xì)度,在24m之間的占有一定比重,從細(xì)到粗分布較寬。由于其耐高溫的特點(diǎn),可在惡劣環(huán)境中如水泥廠、鋼鐵廠等

13、作過濾之用,很有發(fā)展前景。另外,由聚乳酸(PLA)、聚酰胺酯(PEA)等樹脂紡制而成的可生物降解的熔噴濾料也將具有廣闊的發(fā)展前景。3熔噴非織造布的應(yīng)用由于熔噴技術(shù)生產(chǎn)的纖維很細(xì),同時(shí)熔噴布具有很大的比表面積,空隙小而空隙率大,故其過濾性、屏蔽性、絕熱性和吸油性等應(yīng)用特性是其它單獨(dú)工藝生產(chǎn)的非織造布所難以具備的。所以,熔噴非織造布廣泛應(yīng)用于醫(yī)用和工業(yè)用口罩、保暖材料、過濾材料、醫(yī)療衛(wèi)生材料、吸油材料、擦拭布、電池隔板以及隔音材料等領(lǐng)域。3.1醫(yī)療衛(wèi)生用品利用熔噴非織造布和其它材料復(fù)合可以制作醫(yī)療衛(wèi)生用品,通常熔噴布可以和透氣、透濕膜復(fù)合,而更為常用的是和紡粘布復(fù)合為SMS、SMMS等。紡粘布主要

14、使復(fù)合布具有足夠的強(qiáng)力,而熔噴布則防止帶有細(xì)菌或病毒的血液、污液等侵入人體,其復(fù)合制品可以制作一次性或限次使用的防護(hù)服、手術(shù)衣、口罩、手術(shù)洞巾、床單、病室帷幕等。這些產(chǎn)品根據(jù)需要可以進(jìn)行抗靜電、防酒精、防血漿、拒水、拒油、抗污、耐酸、耐堿、阻燃、抗紫外線等各種特殊處理。如經(jīng)過駐極化處理后的熔噴布可以增強(qiáng)其阻隔和屏蔽細(xì)菌、病毒、污液的作用,使用它的復(fù)合布做成的防護(hù)產(chǎn)品可以防止病人與醫(yī)護(hù)人員之間的交叉感染,也可以防止病人與其他健康人之間的傳染。3.2保暖材料熔噴非織造布由于其纖維直徑特別細(xì)、孔徑小、孔率高,因而手感柔軟,具有非常好的抗風(fēng)能力,且透氣性能良好,重量非常輕,是十分優(yōu)異的保暖材料。美國3

15、M公司開發(fā)的一系列以熔噴布為主體的產(chǎn)品已在世界流行,這種保暖材料的基本組成是65%左右的PP熔噴纖維和35%的粗旦三維卷曲PET纖維,加入的粗旦PET纖維解決了其蓬松性的問題。據(jù)稱,該產(chǎn)品的保暖性是羽絨的1.5倍,結(jié)構(gòu)亦是仿羽絨的。天津泰達(dá)的生態(tài)棉實(shí)際上就是熔噴纖維構(gòu)成的。它是一種在二層熔噴布之間具有間隔疊層特殊結(jié)構(gòu)的絮片,因而具有更多的空隙,使其保暖性能更好。目前,生態(tài)棉已成為全國知名品牌,受到軍隊(duì)后勤部門的青睞。泰達(dá)的熔噴纖維保暖材料帶來了中國熔噴非織造布發(fā)展的高潮。之后,江陰金鳳、安徽奧宏及北京貝斯特等企業(yè)都有投入保暖材料領(lǐng)域的研發(fā)工作。熔噴非織造布保暖材料在國內(nèi)民用市場有不可限量的發(fā)展

16、前景。3.3過濾材料熔噴非織造布由于其纖維直徑細(xì)、比表面積大、孔隙小,空隙率高等特點(diǎn)極適合作液固分離或氣固分離的過濾材料。在空氣過濾中適用于亞高效以上的過濾,如勞保及醫(yī)療口罩、防毒面具等,可濾除粉塵、細(xì)菌等有害顆粒,亦可作空調(diào)、汽車內(nèi)空氣過濾和發(fā)動(dòng)機(jī)空氣過濾的材料?？諝膺^濾領(lǐng)域,在西方發(fā)達(dá)國家,由于環(huán)保的要求,現(xiàn)已大量采用熔噴非織造布復(fù)合型濾材。在我國,隨著對(duì)環(huán)保的逐漸重視,熔噴非織造布必將具有廣闊的市場。開發(fā)高性能的空氣過濾材料,也將具有一定的市場空間,天津泰達(dá)的駐極熔噴復(fù)合濾材,在32L/min流量、0.3m粒徑的條件下,過濾效率可以達(dá)到99.99%,阻力為117.7Pa水柱,達(dá)到歐洲H1

17、3標(biāo)準(zhǔn)。3.4吸油材料聚丙烯熔噴布的多微孔性與疏水性使其成為吸油材料與揩布的天生候選者,其吸油量可以達(dá)到本身重量的2050倍,具有吸油速度快,吸油后能長期浮于水面不變形,水油置換性能好,可以反復(fù)使用長期存放等特點(diǎn),受到這一領(lǐng)域的歡迎。歐美、日本等國已廣泛利用熔噴吸油材料進(jìn)行工廠設(shè)備泄油治理,海洋環(huán)境保護(hù),污水治理以及其它油料溢出和油污治理等,并都有具體法規(guī),要求船只和海港必須配置一定數(shù)量熔噴吸油材料以防止環(huán)境污染。我國在這方面已引起相關(guān)方面的廣泛重視,據(jù)稱一些海港都已開始備有一些熔噴類吸油絮墊、吸油柵、吸油帶等產(chǎn)品,以備必要時(shí)之用,另外一些飯店、甚至包括家庭用途的吸油產(chǎn)品也在逐步推廣。3.5特

18、殊的應(yīng)用領(lǐng)域現(xiàn)今國外一些企業(yè)除了保持熔噴非織造布在常規(guī)應(yīng)用市場的份額外,更多地把眼光放在了一些特殊領(lǐng)域的開發(fā)工作。如Kimberly-clark公司已經(jīng)取得了有關(guān)梯度濾材的專利(USP4714647);Pall公司取得了用于血液過濾的熔噴濾材專利(USP5582907);BBA公司(美國)聚三氟氯乙烯ChemicalFiber&TextileTechnology2007年12月熔噴布Halar打開了高溫過濾用途的領(lǐng)域等等。從國外開發(fā)一些特殊的應(yīng)用領(lǐng)域中得到啟示,國內(nèi)一些企業(yè)也在不斷地開發(fā)研究此應(yīng)用市場。天津泰達(dá)已為美國、歐洲的公司提供一些特殊領(lǐng)域應(yīng)用的熔噴法非織造布,據(jù)稱其在血液過濾領(lǐng)域已經(jīng)有

19、了新的突破,并申請(qǐng)了專利。關(guān)注特殊應(yīng)用領(lǐng)域的市場,必將帶動(dòng)熔噴法非織造布向高新技術(shù)領(lǐng)域挺進(jìn)。4建議首先,隨著國內(nèi)陸續(xù)引進(jìn)的代表先進(jìn)技術(shù)的熔噴生產(chǎn)線、SMS復(fù)合生產(chǎn)線及雙組分熔噴生產(chǎn)線,我們亟需要做的是消化吸收、掌握與硬件設(shè)備相適應(yīng)的軟件技術(shù),培訓(xùn)出一批自己的技術(shù)人員,發(fā)揮出先進(jìn)設(shè)備的技術(shù)優(yōu)勢,使產(chǎn)品獲得最大的優(yōu)化。其次,解決原料供應(yīng)問題。根據(jù)熔噴工藝的原理,在生產(chǎn)過程中,要選用熔融指數(shù)比紡粘工藝大得多的聚丙烯切片,熔融指數(shù)(MFI)在4003000g/10min左右(常用8001200g/min),切片的等規(guī)度要求大于95%,MWD(分子量分布Mw/Mn)較窄(22.5),灰分小于2.510-