北服纖維材料學(xué)專業(yè)實驗指導(dǎo)10熔噴非織造布的制備及其性能表證

實驗十熔噴非織造布的制備及其性能表證一、實驗?zāi)康?.了解熔噴法制備非織造布的設(shè)備特點；2.掌握熔噴法制備非織造布的工藝方法及其表征方法；3.通過本實驗，能夠更加深入地掌握和領(lǐng)會高分子流變學(xué)和高分子成型理論，并將這些理論應(yīng)用于非織造布的制備中；二、實驗原理1.工藝原理熔噴法技術(shù)早在20世紀(jì)90年代就被研究，但是近20年才商品化。據(jù)中國產(chǎn)業(yè)用紡織品行業(yè)協(xié)會(CNITA)統(tǒng)計，2008年中國無紡布總產(chǎn)量達(dá)117.7萬噸，同比增長12.89%，其中紡粘法無紡布生產(chǎn)總量達(dá)42.95萬噸，占總數(shù)的36.47%；熔噴法無紡布總生產(chǎn)量為1.9萬噸，占總量1.62%。另據(jù)美國無紡布協(xié)會(INDA)資料顯示，2004年全球無紡布的巿場需求為440萬噸，亞太區(qū)為140萬噸，占全球無紡布巿場需求的32%。亞太區(qū)無紡布生產(chǎn)和巿場在未來將繼續(xù)保持高速增長，中國無紡布也將繼續(xù)以兩位數(shù)的增長率保持增長勢頭。制備無紡布的方法主要有熔噴法、紡粘法和針刺法三種。紡粘法是在聚合物熔體噴絲后才和拉伸的空氣接觸，而熔噴法則是在聚合物熔體噴絲的同時利用熱空氣以超音速和熔體細(xì)流接觸，使熔體噴出并被拉成極細(xì)的無規(guī)則短纖維。熔噴法成網(wǎng)工藝是一步法生產(chǎn)工藝，即粉狀或粒狀聚丙烯經(jīng)擠壓熔融后定量送入熔噴模頭，熔體從模頭噴板的小孔噴出時與高速熱空氣流接觸，被拉伸成很細(xì)的細(xì)流，然后在周圍的冷空氣的作用下冷卻固化成纖維，其后被捕集裝置捕集，經(jīng)壓輥進(jìn)入鋪網(wǎng)機(jī)成網(wǎng)，切邊后卷裝為成品。熔噴工藝的噴絲孔一般呈矩形截面，每英尺約有20個孔，孔徑為0.2～0.4mm；熱空氣溫度根據(jù)所加工聚合物種類可在150～370度范圍；氣流流速一般為90～230m/s；目前，熔噴設(shè)備的加工幅寬最窄可為0.25m，最寬達(dá)4m；纖維直徑范圍一般在0.25～200m，但常采用2～5m。熔噴工藝主要使用熱塑性聚合物為原料，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。近年來隨其發(fā)展，還開發(fā)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.影響熔噴纖網(wǎng)質(zhì)量的因素影響熔噴纖網(wǎng)質(zhì)量的因素有許多，主要包括噴頭結(jié)構(gòu)設(shè)計、聚合物熔體流動性、熔體和氣體分配均勻性、熱空氣的溫度及壓力和流量、氣流噴吹角度、冷卻速率以及噴頭至接受裝置的距離等。下面簡要介紹幾種影響熔噴纖網(wǎng)質(zhì)量的因素：1)紡絲溫度紡絲溫度是影響熔體流動性能的重要因素，熔體擠出溫度高，流變性能好，形變能力強(qiáng)，有利于得到均質(zhì)產(chǎn)品，但溫度過高會導(dǎo)致大分子嚴(yán)重降解而使熔體粘度大幅度下降，并導(dǎo)致熔噴產(chǎn)品中產(chǎn)生“結(jié)塊”(未拉伸成纖的一種顆粒狀物)；熔體溫度過低，細(xì)流出噴絲板后熔體粘度較高，流動性能差，其在拉伸氣流中難以達(dá)到理想的拉伸倍數(shù)，單纖維線密度大，手感差。為使聚丙烯熔體粘度達(dá)到熔噴要求，即表觀粘度降至10~20Pa·s，通常添加0.1%~0.3%的有機(jī)過氧化物或含硫化合物等對聚丙烯進(jìn)行預(yù)降解。2)熱氣流溫度熱氣流的溫度對熔噴纖維的質(zhì)量也有影響。當(dāng)氣流溫度過低時，會造成纖維的“結(jié)塊”現(xiàn)象，當(dāng)氣流溫度過高時。雖然制備的產(chǎn)品特別柔軟蓬松，但會引起纖維的斷裂，產(chǎn)生“rope”(聚合物熔融塊)現(xiàn)象，一般情況下要求氣流溫度高于模頭溫度10℃左右。表1PP熔噴工藝參數(shù)擠壓機(jī)溫度/℃熔體溫度/℃氣室溫度/℃捕集器轉(zhuǎn)速/r·min-1熔體速度/g·s-1模頭至捕集器距離/m氣體速度/g·s-1熔體壓力/MPa平均纖維直徑/m一區(qū)二區(qū)313313338319450.1350.15224.00.85324330338273280.3670.15226.61.975表2熔噴產(chǎn)品的物理指標(biāo)單位面積質(zhì)量g/m2厚度/mm氣體滲透速度/m3·s-1最大微孔直徑/m最小微孔直徑/m平均纖維直徑/m體積孔隙率/%撕裂強(qiáng)度縱向橫向500.390.02648173868655空氣溫度主要在熔體出噴絲孔后發(fā)揮影響力?？諝鉁囟雀撸裳泳徖w維的冷卻，有利于熱空氣對纖維的牽伸，從而使纖維直徑變細(xì)，有利于纖維間粘合，使纖網(wǎng)結(jié)構(gòu)致密。空氣溫度也可通過噴絲伴隨的熱傳導(dǎo)影響熔體溫度，進(jìn)而對最大孔徑產(chǎn)生間接影響。顯然，與紡絲溫度相比，空氣溫度的影響要小一些。空氣溫度過高使噴出來的漿液高溫降解，使其噴出來的非織造布彈性降低、力學(xué)性能及韌性變差。所以，空氣溫度略低于噴頭溫度，使噴頭溫度穩(wěn)定即可。3)空氣壓力熔噴紡絲主要是靠熱空氣對纖維進(jìn)行牽伸，而空氣壓力則是一個關(guān)鍵因素?？諝鈮毫υ礁?，纖維得到的牽伸越充分，纖維直徑越??；相反，空氣壓力越低，對纖維的牽伸越不充分，則纖維直徑越大。纖維細(xì)，則形成的纖網(wǎng)孔隙小，纖網(wǎng)最大孔徑也小。噴嘴空氣壓力越大，纖維越細(xì)，因此在同樣定量條件下，隨著纖維細(xì)度的降低，則纖維的根數(shù)增加，纖維之間接觸點及接觸面積也增加，相互之間交叉、纏結(jié)和熱粘合點也增多，從而增大了纖維之間相對滑移的阻力，因而增加了非織造布的強(qiáng)力。4)噴絲速率對于固定的噴絲組件，噴絲速率是有螺桿的轉(zhuǎn)速決定的。噴絲速率過高，纖維的直徑相對較大，成形相對困難；而噴絲速率太低，熔體在高壓熱空氣的拉伸下，纖度變小，可能也會影響纖網(wǎng)的形成。3.成網(wǎng)方式目前開發(fā)和使用的熔噴設(shè)備有間歇式和連續(xù)式兩種成網(wǎng)方式。間歇式成網(wǎng)是指非連續(xù)式成網(wǎng)，即采用一個規(guī)定尺寸的滾筒來接收熔噴纖維。這種接收滾筒邊回轉(zhuǎn)邊接收，使纖維均勻地噴鋪在其圓周表面上，形成內(nèi)徑與滾筒外徑相等的筒狀材料，或經(jīng)切開形成寬度等于滾筒長度、長度等于滾筒周長的片狀材料。用這種成網(wǎng)方式可以生產(chǎn)無縫管狀材料，適用于作火車、汽車及空氣和水凈化的濾芯等；切開后展開的片狀材料也可用于蓄電池隔板、絕熱和吸油材料等。連續(xù)式成網(wǎng)式使熔噴纖維凝聚在循環(huán)運轉(zhuǎn)的成網(wǎng)簾上形成連續(xù)的纖網(wǎng)，成網(wǎng)簾通過運轉(zhuǎn)將纖網(wǎng)輸送給卷繞裝置加工成卷裝材料。也可以將纖維噴鋪在一個滾筒接收器上，再把纖網(wǎng)引出進(jìn)行卷繞。這種連續(xù)運轉(zhuǎn)方式，生產(chǎn)效率高，所生產(chǎn)的產(chǎn)品可根據(jù)確定的卷裝尺寸獲得所需的長度。采用卷裝材料可以適于各種不同尺寸的產(chǎn)品用途，而且有利于實現(xiàn)在線或下線復(fù)合，以形成復(fù)合型產(chǎn)品。連續(xù)式熔噴成網(wǎng)工藝流出如下圖所示。圖1連續(xù)式熔噴成網(wǎng)示意圖1-螺桿擠壓機(jī)2-噴頭3-成網(wǎng)簾4-軋輥5-卷繞間歇式成網(wǎng)工藝，成網(wǎng)示意圖如下：圖2間歇式熔噴成網(wǎng)示意圖1-螺桿擠壓機(jī)2-噴頭3-纖維4-接收滾筒工藝流程如圖3所示：電器控制柜設(shè)定螺桿各區(qū)的溫度和螺桿轉(zhuǎn)速、空氣的加熱以及接收滾筒；熱空氣釜的空氣流速由閥門控制；聚丙烯切片在螺桿的帶動下熔融，被擠到噴絲組件處，并從噴絲孔噴出，在熱氣流的拉伸和帶動下，噴到轉(zhuǎn)動的接收滾筒上，形成熔噴非織造布。圖3間歇式熔噴工藝流程圖三、熔噴非織造布的制備1.實驗前準(zhǔn)備1)原材料的準(zhǔn)備：選用高熔融指數(shù)的聚丙烯樹脂，MI>20g/min；2)安裝噴絲組件和噴絲頭；3)螺桿的預(yù)熱，下表提供了螺桿各區(qū)的參考溫度：方位一區(qū)二區(qū)三區(qū)噴頭空氣溫度1902252502602204)熱空氣的預(yù)熱，預(yù)熱溫度見上表。2.實驗成網(wǎng)步驟1)聚丙烯樹脂加入到螺桿擠出機(jī)的加料斗中；2)啟動螺桿，使聚合物熔融，并通過螺桿送入噴絲口；3)吹熱空氣，調(diào)節(jié)熱空氣的溫度和壓力，使之能夠適應(yīng)熔噴的要求；4)啟動接受滾筒，纖網(wǎng)成形。3.實驗結(jié)束1)取樣：不同噴絲條件的熔噴非織造布均需取樣，需要注意的是，非織造布的開始和結(jié)尾部分不能作為測試樣品。2)拆卸組件，并將噴絲組件和噴絲頭清理干凈；3)打掃衛(wèi)生。四、測試和表征1.非織造布力學(xué)性能的測試1)樣品的制備：將熔噴得到的非織造布裁成長條形，測量其長度后稱量重量，計算其纖度(dtex)。2)斷裂強(qiáng)度：將以上樣品在XQ-1型纖維強(qiáng)伸度儀測試其斷裂強(qiáng)力(cN)，再計算其斷裂強(qiáng)度，單位為cN/tex。3)斷裂伸長率：指纖維在斷裂時所達(dá)到的伸長率。單位為%。注意a：每個樣品要測試5次以上，取其平均值。b：要測試每個樣品在橫向和縱向上力學(xué)性能的差別。4)測試方法：見實驗一；2.非織造布的形態(tài)結(jié)構(gòu)在顯微鏡下觀察非織造布的結(jié)構(gòu)。觀測不同噴絲條件(如噴絲速率、空氣溫度和壓力等)對非織造布纖網(wǎng)形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響。五、注意事項1.注意電器控制柜的各個按鈕所對應(yīng)的設(shè)備，開關(guān)順序不要顛倒。2.由于熔噴技術(shù)設(shè)計到高溫高壓，因此實驗時一定要先搞清各個部件的作用和溫度等基本技術(shù)參數(shù)，再行操作。3.在非織造布