熔喷生产线设备技术要求
熔喷生产线设备技术要求
一、熔喷法
熔喷非织造是依靠高速、高温气流喷吹聚合物熔体使其得到迅速拉伸而制备超细纤维的一种方法。
熔喷是一种长丝拉伸工艺。聚合物经由直线排列的小孔挤出，在呈一定角度的高速热气流喷射下形成纤维。这些纤维因拉伸或延伸变细，经由空气冷却，在运动着的带有真空抽吸的传送带上形成一张多孔结构的平网。
二、熔喷设备关键因素
1、原料
评测熔喷原料不能光看熔融指数（只代表一个点的数据）和灰分，其实很重要的是看压力升（流变），这个进口熔喷线都有机头压力在线实时显示，需要观测压力波动曲线，判断原料熔融指数稳定性和杂质控制水平。熔压的在线检测和实时显示很重要。波动控制在允许范围内才会有均匀而柔软的优质布料。
因此，对原料的把控十分重要，熔融指数越高、灰分越低越好，原料性质越稳定，杂质越少，纺出的丝才会细且均匀。同时对生产车间环境的要求也非常高，无尘车间这是一个基本的要求。
2、上料系统以及管道的设计
考虑到无尘车间，上料系统采用全封闭模式，计量要精准，误差不得超过10g。螺杆挤压机和溶体过滤器按照FZ/T9206的规定进行检测和设计。聚丙烯分解温度为350℃~380℃，降解温度为450℃左右，温度升高，熔体的粘度降低，流动性能变好，粘度越低，纺丝也就越容易，因此对温度把控的的精细度与稳定度，成为了管道设计的一个标准，要求温度误差在±1℃以内。
主料最大吸料能力：最大200kg/hr：包含吸料真空泵，真空缓冲罐，料斗，吸枪以及吸料管路；采用吸料自动控制装置；吸料管路采用不锈钢管路和高强度软管；采用3kw 的真空泵。
3、模头
对纺丝模头的设计要求首先是保证聚合物熔体在整个幅宽方向上均匀分配,也就是要求熔体在模头出口横向全宽方向上,熔体流速均匀一致,或者是熔体等流量流出;其次,要求物料流经整个模头流道的压力降要适当,还要求熔体在整个流道内的停留时间要尽可能短,且无滞料现象发生。
纺丝模头衣架式流道,它综合了T形流道和鱼尾形流道的优点,也是对T形流道和鱼尾形流道的综合改进设计。它主要由歧管区、扇形区、稳压区和平衡区组成。
衣架式流道与T形流道相比,岐管半径较小,熔体流经其中的停留时间短,这对热稳定性或流变性对时间有依赖关系的材料尤为适宜。此外,衣架式流道的岐管半径沿流动方向递减,并与稳压区截面形成一定倾角。这就更有利于熔体沿模头幅宽方向的均匀分配,使熔
喷布的均匀性更趋完善。衣架式流道与鱼尾形流道相比都有一扇形区,引导熔体沿模头幅宽方向起扩散分配作用。但衣架式流道的扇形区扩散角更大,扩散分配作用更明显,更适合于宽幅熔喷布生产。此外,正是由于衣架式流道的扩散角较大,致使模头整体高度缩短,熔体在流道中的压力损失减少,从而使产量提高。同时利用ANSYS仿真了聚酯熔体在纺丝模头衣架形流道内流动过程的压力分布和流速分布情况。仿真结果表明,衣架形流道符合设计要求。
因此，采用衣架型模头已然成为必然的趋势，但又不同于大众趋势，我们的模头是根据原不同的原料、不同的熔融指数、不同的粘温曲线来设计流道以及扇形取夹缝的大小，根据精准的计算和模拟，测绘出流道和夹缝的大小，然后进行设计，这样流体在流道中的滞留时间短，在模头幅宽山分布的更加均匀。
纺丝箱体均能将熔体对称等压地进行熔体分配，配备PP熔喷模头，使熔喷丝在高速热风气流夹持下得到拉伸。加热方式电压、功率、分区情况：采用不锈钢加热棒，电压 220 V，50 Hz，每区功率 5 KW，模体全封闭接线，模头分 11 区加温。
4、喷丝板
按照喷丝板的外形分，有圆形、扇形和矩形三种形式。目前国内外使用较多的是圆形板和矩形板。为适合不同品种化纤纺丝场合，圆形喷丝板又分为平板型、凸缘平板型、平板环形、凸缘环形等；矩形喷丝板又分为凸缘矩形及凸缘凹槽矩形等，多用于孔数较多的短纤维纺丝。
4.1喷丝孔的排列
可以分为 5种主要的形式：即同心圆形、正方形、菱形、一字形、分区均布等。
喷丝孔的排列应该注意到以下几个方面的问题：各小孔的出液量应该均匀一致，因此所有的喷丝孔都要均匀地分组排列，尽量避免采用密集式排列；每根单丝应能得到均匀的冷却，所以要有足够的孔间距，外层空的密度因此要比内层的稀疏。这样有利于冷风吹人到内层，提高冷却效果；喷丝板要有足够的刚度，以避免加工过程中发生形变，保证在高温下具有足够的耐压能力。采用分区排列，区与区间的无孔带有加强筋加固。
4.2 喷丝板的微孔的设计
4.2.1喷丝板上微孔的直径微孔直径的计算公式为：do=2(4Q／πγR) 1/3
式中：do为微孔的直径(cm)；Q为单孔流量(cm3／s)，γR为理想孔的剪切速率 (1/s) 一般情况下。各种物质的理想剪切速率一般情况下溶液的粘度越高，微孔的直径宜越大，其次喷丝板微孔的设计还应该考虑到喷丝头的拉伸比。熔体从喷丝板微孔挤出后，由于喷丝速度与卷曲速度间的速度差，使得熔体细流沿着喷射方向变细。喷丝头拉伸过小、丝束拉伸不足、条干不均，都影响产品的力学及染色性能；喷丝头拉伸过大也会造成单丝断裂，形成毛丝，生产状况恶化。
4.2.2微孔长径比根据熔体在微孑L中流动特性的分析可知，增大长径比有助于弹性
能的松弛，减小出口处的压力和膨化，纺丝相对稳定。选择长径比的原则是：熔体在孔道中的停留时间 t必须大于熔体的松弛时间；同样直径，微孔越长，加工和清洗越困难，因此必须考虑喷丝板的加工的可行性和清洗条件。
4.3导孔的设计
喷丝板导孔形状有带锥底的圆柱形、圆锥形、双锥形、双曲线形和平底圆柱形等几种。考虑加工方便，以带锥孔的圆柱形用的最多。圆锥角θ的大小在 60～120o，减小圆锥角，可缓和熔体的收敛程度，因此，常选用90°和60°的锥角。从流体流动的流畅程度来看，以锥形和双曲线形为好，但是它们的加工难度比较大，因此用于孔数较少的喷丝头或者喷丝板。孔数多的都采用直孔形导孔。直孔形导孔的直径在
1.6～
2.5mm，深度为20mm左右，其垂直度误差，孔壁表面粗糙度≤Rz
3.6，孔径误
差≤0.002mm，孔壁表面粗糙度≤Rz0.4，孔的位置误差≤0.05ram。而喷丝孔的加工精度取决于导孔的加工精度。
4.4微孔的直径收缩比
圆柱形导孔的直径 d与微孔直径 do之比为直径收缩比。直径收缩比越小，熔体在入口处获得的弹性能就越小。但是直径收缩比还与出口的稳定性有关，导孔越小，出口压力降波动越大。当导孔直径 d大于 2mm，出口压力降变化很小，因此导孔直径 d不能太小，常用的 d值为 2ram、2.5ram、2.8am、3ram等几种规格。常规长丝用 2ram的导孔直径，短纤维的用 2.5mm、2.8mm、3mm等。
为了喷出超细纤维，直径<5um,喷丝板的微孔大小以及长径比和加工的精度成为了我们设计的一个基本要求，抛光度必须达到0.02um以上，同时长径比在12：1的情况下尽量增大，达到15:1，这样减小出口处的压力和膨化，对纺丝的稳定性起到至关重要的作用。
5、风道设计
成功生产均匀纤网的关键可能与汇合于喷丝头出口处的聚合物流体和拉伸气流的均匀供给直接相关。借助于两种同样可靠的技术，可以成功地完成聚合物的分配。第一种是直接计量方法，聚合物经一组精密的齿轮泵计量进入喷丝孔，这是人们熟知的计量分配方法。第二种是采用夹套吊架（coathanger）分配法。聚合物经计量送到一个相当宽的被称作夹套吊架的分配腔室中，通过其独特的尺寸可以将聚合物按照流量、停留时间和温度条件均衡地输送到纺丝箱体中的所有纺丝孔。采用两种同样可靠的技术可以顺利完成空气分配。第一种是高压低容量分配，施加高压空气，通过简单的空气分配管，使气隙出口处空气等量分配。第二种是低压高容量分配，利用一个独特的腔室设计，使空气均等分布。上述两种情况中，空气在进入气隙之前都进行了一系列的膨胀和压缩。
6、成网设备
值得注意的是这套设备可以增加或缩短纺丝距离，而纺丝距离通常是与纺丝组件到收集网帘的距离（DCD）相关的。DCD的调节与聚合物、温度、产出量及工艺空气量的变化有关，以使该设备可生产各种实用的产品。我们设计的DCD一般在50mm~350mm之间。
同时根据根据无纺布的克重、静水压以及纤维直径来调节DCD。
其功能为利用负压收集纤维并不断地向前输送,获得连续不断的纤网. 本装置由变速装置及机架,传动网帘和配套空气抽吸装置组成。1 套抽气系统,与钢结构架结合设计。抽
风风机速度可调，总风量：20000 立方米/小时,风机功率：55KW。
7、静电驻极设备
普通空气过滤材料对于细小微粒，如PM5以下的呼吸性粉尘的去除不够彻底，且滤除这些粉尘粒子需采用处于夯实状态的纤维，这样极大地增加了流阻，给使用者带来不适。驻极体是指具有长期储存电荷功能的电介质材料，具有高效率，低流阻、抗菌、节能等优点，过滤效率远远高于常规过滤材料。在过滤过程中，驻极体空气过滤材料依靠库仑力直接吸引气相中的带电微粒并将其捕获，或诱导中性微粒产生极性再将其捕获，从而更有效地过滤具有致癌作用的亚微米级粒子。利用高压电晕放电技术对聚丙烯熔喷非织造过滤材料进行驻极处理，讨论了驻极电压、驻极时间以及电极与被处理试样之间的距离等对熔喷非织造材料性能的影响；驻极处理后材料在不同湿度环境中存储静电荷的稳定性。
聚丙烯熔喷非织造材料经过驻极处理后，纤维表面略显粗糙。聚丙烯熔喷非织造材料的表面电位随着驻极电压的提高而增大，但随着电压进一步增加，材料表面的静电电荷减少；随着电极之间距离的增加，材料表面静电电位降低；随着驻极处理时间的增加，材料的表面电位增加，但处理时间过长时，材料的表面电荷达到饱和。经过驻极处理后材料的过滤效率显著提高，材料的透气性未发生显著变化。
高压静电电源采用美国进口芯片，输入电压：220V ，输出功率 0~100KV 可调，电流：0~15mA。
8、电气控制系统
关键的电气控制元器件采用进口外，低压电器采用优质的中外合资通过3C认证的电气材料以保证电气系统的可靠性。
驱动电机控制：主挤出机交流变频调速,采用恒压力控制,由螺杆压力传感器检测的变化信号自动控制螺杆转速的模式，具有过载，过流，超速等的保护装置，压力传感器采用国产 2 套(网前和模具部分)和进口1套，变频器采用西门子或汇川或美国派克变频调速。
温度控制：温控表主要采用日本 RKC控制原料挤出机的加热及各区温度，过滤器的加热及各区温度，熔体管线和箱体的加热及温度，纺丝机的加热及各区温度控制。
PLC 及触摸屏控制：采用西门子 PLC+触摸屏和软件形成设备的中央控制系统，通过触摸屏可以操作所有的电机，调节电动机速度，显示电机运行状态，电机运行电流，报警复位，所有温度控制，压力显示，产品克重计算。
三、结语
由于熔喷技术生产的纤维超细化，同时熔喷非织造布具有很大的比表面积、孔隙率大，故其过滤性、屏蔽性、绝热性和吸油性等是用其它单独工艺生产的非织造布所难以企及的，因此广泛应用于医用和工业用口罩、保暖材料、过滤材料、医疗卫生材料、吸油材料、擦拭布、电池隔板及隔音材料等领域。随着新型熔喷材料的出现以及纺熔复合技术的发展，熔喷以及纺熔复合非织布的应用领域变得更加广泛。