纖維材料試驗設備與裝備的創(chuàng)新與發(fā)展

纖維材料試驗設備與裝備的創(chuàng)新與發(fā)展

在當今纖維材料領域的研究和科學研究中，試驗設備和設備起著非常重要的作用?？梢哉f它是一項新技術誕生前的雛形，也是人們盡快掌握它并服務于市場的培訓場所。環(huán)境與社會的可持續(xù)發(fā)展，要求企業(yè)不斷地向市場投放品質穩(wěn)定如一的新產(chǎn)品。比如DuPont（杜邦）公司20世紀80年代開發(fā)了采用閃紡工藝的“Tyvek”產(chǎn)品，其獨特的使用性能為人們所稱道。進入新世紀后又推出混合膜（Hybridmembrance）技術，并率先向市場提供了亞微米-納米纖維材料（單絲直徑<1μm）。2008年，杜邦公司研發(fā)了電噴法納米纖維（Electroblowning）新工藝并將其商業(yè)化，該技術是將傳統(tǒng)的靜電紡和熱空氣噴射技術組合，可制得單絲平均直徑為200～1000nm的纖維網(wǎng)材，產(chǎn)品具有常規(guī)非織造布或微孔膜無法比擬的性能。如采用聚酰亞胺（PI）電噴法納米纖維網(wǎng)做的電池隔膜，于高溫條件下，其熔融點高于250℃，同時兼有低收縮性和良好的抗化學性。其使用特性顯示，在150℃下暴露3h，其收縮率為零。采用電噴法制得的納米纖維網(wǎng)呈相互粘結的復合結構，非常適宜加工服裝、揩布、衛(wèi)生保健用品、過濾材料以及外科手術用服裝。杜邦公司持續(xù)不斷地向市場提供高技術含量的產(chǎn)品，諸如聚合物細旦-亞微米-納米纖維系列產(chǎn)品，并始終占據(jù)著無人可撼動的市場位置，它清晰地向人們展示了一個長青企業(yè)的發(fā)展軌跡。也告知世人，企業(yè)的發(fā)展與核心競爭力的提升不僅靠機遇與膽識，更要靠科學化的經(jīng)營模式。近年來，在聚合物加工領域，在新產(chǎn)品、新技術和新裝備完成工業(yè)化運轉的同時，相關的試驗設備或試驗單元也同時進入市場。諸如捷克Elmarco公司的靜電紡納米纖維生產(chǎn)裝置投放市場的同時，也提供3種型號的試驗設備給用戶。Reicofil占據(jù)著全球紡熔非織造布設備的主要市場，同時該公司也提供幅寬1000mm的各種試驗單元，諸如SB、MB、SMS以及雙組分紡熔試驗裝置。瑞士Buhler（布勒）公司既開發(fā)了加工能力為400kg/h的瓶到瓶（BottletoBottle）聚酯瓶片處理設備，同時也有每小時加工幾千克的試驗裝置供用戶選擇?？梢哉f，當前試驗設備的功能和作用趨于廣義化，已超出傳統(tǒng)開發(fā)新產(chǎn)品、新工藝的基本要求，同時增添了如下諸多的技術特征：(1）承擔新產(chǎn)品、新工藝的連續(xù)性試驗，提供商業(yè)化生產(chǎn)的技術數(shù)據(jù)；(2）進行新產(chǎn)品與相關技術不斷完善與提高的試驗；(3）培訓買方技術人員，縮短新技術裝備的試運轉時間；(4）可提供小量樣品供用戶鑒定或選擇，試驗設備的展示功能已融入技術市場的運作范圍。以下將簡要介紹在開展“空氣噴射技術與專件研究”、“高性能單絲技術研究”、“聚合物納米纖維研究”以及“紡熔非織造布產(chǎn)品研究”中，相關試驗設備的配置狀況。1中國產(chǎn)業(yè)科學院的試驗設備1.1變形噴嘴的更新空氣噴射技術在化纖生產(chǎn)中已大量使用，主要涉及合成纖維長絲POY和FDY的生產(chǎn)，以及工業(yè)長絲（IDY）和地毯絲（BCF）的預網(wǎng)絡和主網(wǎng)絡加工。短纖維集束的網(wǎng)絡處理也是其重要的應用領域。在POY/FDY長絲生產(chǎn)中，網(wǎng)絡噴嘴的更新，可以有10%～15%的節(jié)能空間。美國IMS公司開發(fā)的T-tork型牽伸假捻的網(wǎng)絡噴嘴，較之舊型號噴嘴的能耗減少了45%～53%。瑞士Heberlein（赫伯利）公司提供的更新后的工業(yè)用絲網(wǎng)絡噴嘴耗氣量降低了16%。變形噴嘴的結構改進可以有效地提高生產(chǎn)效率。以BCF地毯絲為例，國產(chǎn)BCF設備的變形加工速度通常為1000～1200m/min，而奧地利SML公司BCF設備的變形噴嘴的加工速度可達3000m/min以上。我國每年大約有1800萬t長絲，800萬t短纖，近130萬t工業(yè)用絲和8萬～10萬t地毯絲需要進行網(wǎng)絡加工，噴嘴的改進與更新可以改進纖維紗線的品質，同時也存在著巨大的節(jié)能潛力。表1為開展空氣噴射技術研究與開發(fā)的基本試驗設備配置。1.2單絲試驗設備的應用高性能單絲主要涉及3類產(chǎn)品，即單絲、扁絲和裂膜纖維，其使用涉及到多個產(chǎn)業(yè)領域，是近年來發(fā)展最快也是最具技術特點的品種，主要特征如下。(1）使用高性能聚合物作原料，制作性能各異的產(chǎn)品，適應特定條件下使用目前已在單絲生產(chǎn)中廣泛使用的原料，諸如PEEK、PEN、PPS、PVDF、PTFE等高性能聚合物。單絲產(chǎn)品已廣泛用于醫(yī)用、環(huán)境與凈化等領域。(2）單絲生產(chǎn)線具有良好的工藝彈性，適合新工藝的探索試驗和小批量生產(chǎn)使用該試驗設備可以開發(fā)諸多新產(chǎn)品，如強力單絲（9～11g/D）、超細旦單絲（直徑0.013～0.055mm）、具有兩種或3種組分復合結構的人造草坪單絲以及用于胸外科手術的體外循環(huán)裝置的過濾介質等。(3）單絲試驗設備的設計理念基于研究試驗并兼顧商業(yè)化運轉功能單絲試驗設備可以作為創(chuàng)新型中小企業(yè)技術改造和產(chǎn)品升級的選擇。表2為開展高性能單絲技術研究使用的部分試驗裝置。1.3聚合物納米纖維成形技術在其他領域的應用進展依據(jù)IPAI的研究報告，世界納米纖維的年增長率為2%～2.5%。自2008年采用靜電紡工藝生產(chǎn)納米纖維的設備投入市場以來，納米纖維的優(yōu)良使用性能和巨大的市場潛力已為化纖業(yè)界所認可，在環(huán)境凈化、生命科學、能源貯存和增強復合材料等領域使用均取得了成功。但靜電紡工藝生產(chǎn)效率低，成本昂貴，且需要溶劑回收設備投資，增加了回收利用成本，納米纖維的應用和市場拓展受到一定的限制。近年來，聚合物納米纖維成形技術在成本和效率方面均取得了突破性進展，諸如熔噴法、電噴法、離心紡絲法和原纖化法制納米纖維技術都完成了商業(yè)化運轉。一個生產(chǎn)效率高、加工成本低，并可為市場接受的納米纖維生產(chǎn)供應鏈已經(jīng)形成。據(jù)美國工業(yè)咨詢公司預測，未來數(shù)年間，納米纖維市場的占有率將有大幅提升。目前我國納米纖維的研究與開發(fā)多采用靜電紡絲工藝，且基本停留在試驗室階段，納米纖維的應用研究和使用尚較薄弱。鑒于國內有熔噴法非織造布的生產(chǎn)經(jīng)驗，因此建議可在引進熔噴法納米纖維試驗設備的基礎上逐步開展研究。表3為開展聚合物納米纖維研究使用的部分試驗設備。1.4國產(chǎn)紡熔設備的技術水平與經(jīng)營模式我國目前運轉中的紡熔非織造布生產(chǎn)線（SB/NB/SMS）大約在800條左右，其中9成使用國產(chǎn)設備。國產(chǎn)紡熔設備中1600mm幅寬的簡易型設備占一半以上，產(chǎn)品品質普遍較差，多用作包裝袋材料。從技術水平、企業(yè)的經(jīng)營模式與狀況來看，國內紡熔行業(yè)正面臨升級轉型的挑戰(zhàn)。但企業(yè)應正視現(xiàn)實，在關系行業(yè)發(fā)展的重要技術課題的研究上進行投入還是十分必要的。表4為開展紡熔非織造布研究使用的部分試驗裝置。1.5雙組分紡絲試驗設備的研發(fā)雙組分紡絲技術成功用于化纖生產(chǎn)僅是近20年的事，這主要源于螺桿擠壓機和紡絲組件設計上的進步。目前雙組分紡絲已成為開發(fā)化纖新產(chǎn)品較為實用的方法之一。雙組分紡絲工藝普遍用于合成纖維長絲或短纖、紡粘非織造布、熔噴非織造布、BCF地毯紗及單絲等品種的生產(chǎn)。國內在雙組分復合長絲和短纖的研究中已積累了較為豐富的經(jīng)驗，具有設計和加工相關試驗設備的能力。考慮到復合纖維的研究需要紡絲工藝與精密機械加工密切合作的技術特點，建議需要配置雙組分紡絲試驗設備的廠家可參照國外相關設備的特點，立足于國內研究院所和化纖工程公司進行試驗設備的設計與加工。表5是部分用于雙組分紡絲的試驗設備的技術特征。2化纖工業(yè)試驗設備與市場功能的關系試驗室與中間試驗設備的建設，始終是化纖企業(yè)技術更新和進步的重要條件。近年來，在重大新技術、新工藝和新裝備研發(fā)和投放市場的同時，都