第五章 水刺

第五章水刺法加固纤网
水刺法工艺技术的特点：
柔性缠结，不影响纤维原有特征，不损伤纤维
外观比其它非织造材料更接近传统纺织品
强度高、低起毛性
高吸湿性、快速吸湿
透气性好
手感柔软、悬垂性好
外观花样多变
无需粘合剂加固、耐洗
生产流程长、占地面积大
设备复杂、水质要求高
能耗大
§5-1 水刺法加固纤网原理
水刺法加固纤网原理
水刺法加固纤网原理与针刺工艺相似，但不用刺针，而是采用高压产生的多股微细水射流喷射纤网。

水射流穿过纤网后，受托持网帘的反弹，再次穿插纤网，由此，纤网中纤维在不同方向高速水射流穿插的水力作用下，产生位移、穿插、缠结和抱合，从而使纤网得到加固。

§5-2 水刺工艺过程
一、水刺法非织造工艺流程：
A. 纤维原料→开松混和→梳理→交叉铺网→牵伸→→预湿→正反水刺→后整理→烘燥→卷绕
↑↑
水处理循环
B. 纤维原料→开松混和→梳理杂乱成网→→预湿→正反水刺→后整理→烘燥→卷绕
↑↑
水处理循环
不同成网方式影响最终产品的纵横向强力比，流程A对纤网纵横向强力比的调节较好，适合于水刺合成革基布的生产；流程B适合于水刺卫材生产。

二、预湿
经成形的纤网送入水刺机加固，首先是预加湿处理。

预湿的目的是压实蓬松的纤网，排除纤网中的空气，使纤网进入水刺区后能有效地吸收水射流的能量，以加强纤维缠结效果。

常见预湿方式：
双网夹持式
带孔滚筒与输网帘夹持式
预湿工艺水压力一般在0.5~60Bar之间选择。

双网夹持式
该方式可减少纤网中纤维在预湿过程中产生意外位移，并有效压缩蓬松纤维网输入预湿区。

纤网控制和预湿效果比带孔滚筒与输网帘夹持方式好，而且适合于200m/min以上线速度的生产工艺。

带孔滚筒与输网帘夹持式
水通过带孔滚筒和脱水器的作用迅速、充分地润湿纤网，对纤网的控制和压缩效果不如双网夹持式。

三、水刺
经预湿的纤网进入水刺区，水刺头喷水板的喷水孔喷射出多股微细水射流，垂直射向纤网。

水射流使纤网中一部分表层纤维发生位移，包括向纤网反面的垂直运动，当水射流穿透纤网后，受到托网帘或转鼓的反弹作用，以不同的方位散射到纤网的反面。

在水射流直接冲
击和反弹水流的双重作用下，纤网中的纤维发生位移、穿插、缠结、抱合，形成无数个柔性缠结点，从而使纤网得到加固。

水射流对纤网垂直喷射可防止破坏纤网结构，并最大程度地利用水射流的能量，从而有利于提高水刺法非织造材料的性能。

水刺加固方式主要有平网水刺加固、转鼓水刺加固和转鼓与平网相结合的水刺加固三种形式。

(一)平网水刺加固
平网水刺加固工艺中，水刺头通常位于一个平面上，纤网由托网帘输送作水平运动，并接受水刺头垂直向下喷出的水射流的喷射。

设置过桥输送机构可使纤网反面接受水刺。

托网帘的编织结构可采用平纹、半斜纹和斜纹等，从而使产品得到不同的外观效果。

平网水刺加固机械结构简练，维护保养方便，但占地面积大。

平网水刺加固工艺中，松边、张力变化以及导辊不平行等原因致使托网帘反复游动而需纠偏，同时导辊对托网帘的磨损较大，致使托网帘变形，也影响托网帘的使用寿命。

托网帘对水射流的反弹作用没有转鼓强，导辊传动方式也不适合高速。

托网帘与产品外观结构的关系
在水刺非织造工艺过程中，纤维向托网帘聚酯丝交织凹处运动聚集，造成编织丝凸处无纤维而形成网眼，其主要影响因素是水射流的速度和流量，适当提高水压可使水刺法非织造材料的网眼变的清晰。

托网帘编织丝排列凹凸尺寸差异与纤网单位面积质量及密度的配合也是非常重要的，采用不同粗细的聚酯丝相间排列编织或采用特别的编织结构可使托网帘编织丝排列凹凸尺寸差异变大，凹处容积变大，容纳纤维的能力加大，则水刺非织造布的网眼加大，接触托网帘的表面产生凹凸起伏的立体效果。

当采用目数很大的托网帘(较平整)以及纤网单位面积质量很大时，则水刺非织造材料不易形成清晰的网眼。

(二)转鼓水刺加固
转鼓水刺加固工艺中，水刺头沿着转鼓圆周排列，纤网吸附在转鼓上，接受水刺头喷出的水射流的喷射。

纤网吸附在转鼓上，不存在跑偏现象，有利于高速生产，同时纤网在水刺区内呈曲面运动，接受水刺面放松，反面压缩，这样有利于水射流穿透，有效地缠结纤维。

转鼓为金属圆筒打孔结构，内设脱水装置，与平网水刺加固的托网帘相比，对水射流有很好的反弹作用。

转鼓式水刺工艺可在很小空间位置内完成对纤网多次正反水刺，通常平网水刺工艺的占地面积是转鼓水刺工艺的两倍。

转鼓水刺工艺适合加工单一外观效果特别是平纹的水刺非织造材料，不适合加工不同外观效果特别是开孔的水刺非织造材料，这是转鼓结构所决定的。

(三)转鼓与平网相结合的水刺加固
在水刺加固工艺中，平面式与转鼓式组合使用可扬长避短，发挥各自的优势，通常第一级、第二级为转鼓式水刺，第三级为平网式水刺。

(四)水刺头数与水压
水刺加固工艺中常用水刺头数为7~12只，常用水压为60~250Bar，视纤网单位面积质量、生产速度等而定，水刺头压力设置通常为低→高→低。

(五)水射流的结构分析
根据流体力学，水从喷水孔中喷出，可称为非淹没性自由紊流射流。

水射流从喷水孔中喷出后，由于紊流射流的横向脉动和空气对流束的摩擦阻力，从集束的射流逐步转变为分散的水滴。

区域1称为核心区，可保持射流出口速度。

区域2称为掺气区，速度逐渐下降。

区域3称为水滴区。

S为起始段长度，L为主体段长度。

主体段中虽已掺入空气，但仍可保持较紧密的射流结构。

水刺工艺中，将喷水板到纤网的水刺工艺距离设在水射流的起始段长度加主体段长度内，有利于能量集中，达到较好的缠结效果。

起始段和主体段长度与水压、喷水孔孔径和结构有关。

射流集束性越好，起始段和主体段长度越长。

(六)伯努利能量守恒原理
四、脱水
脱水的目的是及时除去纤网中的滞留水，以免影响下道水刺时的缠结效果。

当纤网中滞留水量较多时，将引起水射流能量的分散，不利于纤维缠结。

水刺工序结束后将纤网中水分降至最低，有利于降低烘燥能耗。

平网水刺加固的脱水箱结构和转鼓水刺加固不同，但原理是一样的，均利用真空吸水，常用真空度为16000~37000Pa。

五、水处理和循环
(一)水刺非织造工艺用水要求
杂质对水刺工艺会造成下列影响：
悬浮物含量高时，会缩短滤袋、滤芯的使用寿命。

溶解或胶体分散状态的有机物易使水浑浊并产生颜色。

这些物质易沉积在喷水孔孔壁，粘附在纤维上，从而影响产品最终的白度。

微生物形成的腐浆团，经高压水泵输送后，会快速堵塞喷水孔，造成水刺头压力突然上升，严重时引起停车。

溶解在水中的无机盐类，不管是其中的阴离子还是阳离子，对水刺工艺都有影响。

钙、镁离子在管路中和设备上产生污垢，铁、锰、铜等离子容易生成有色物质，对于白色卫生材料生产，应严格控制其含量。

氯离子含量较多时容易引起设备腐蚀。

(二)水刺非织造工艺用水质量指标
酸碱度PH值6.5~7.5
水质硬度≤4°dH*
水中固体物含量≤5ppm
颗粒尺寸≤10μm
氯化物含量≤100mg/l，
碳酸钙含量＜40mg/l(＜4 °dH)
如果水质硬度过高，应安装水软化装置，对有较大杂质，可在进水口安装5μm精度的预过滤装置。

(三)水刺非织造工艺用水的循环处理
水刺工艺中水过滤可分为两大类，一类是合成纤维包括粘胶纤维水刺的水过滤系统，另一类是棉纤维包括浆粕纤维水刺的水过滤系统。

两个系统的主要区别是所加工的原料不同，由此对水过滤系统的要求不同。

因此，必须合理选配水过滤系统来满足水刺工艺条件。

棉纤维浆粕纤维水刺的水过滤系统往往增加砂过滤装置，并采用絮凝气浮的技术。

该类装置和技术是专为过滤天然纤维短绒、杂质而设计的。

水刺工艺中水净化处理的方法很多，如沉淀、筛分和过滤，过滤方式包括袋式过滤、芯式过滤、膜过滤等。

絮凝与气浮
气浮法的原理是使水中的固体物吸附空气，降低其表观密度，使表面能减少，从而能挤开水膜，漂浮集聚于液面而与水分离。

其流程是，水刺后水首先进入相应的反应池，与含絮凝剂的溶气水反应而形成较大的纤维絮团，然后进入气浮池。

压缩空气通入气浮池或使经过溶处理的水减压释放出溶解的空气会形成气泡，气浮池水中的纤维和固体物吸附后，上浮到表面而被刮板刮入排污口，澄清水通过下方溢流管进入下道过滤系统。

当压力为0.3Mpa、温度为20℃时，空气在水中的溶解度为62ml/l，而常压下溶解度仅为20ml/l。

疏水性纤维(物质)不易被水润湿，易附着于气泡上，容易气浮。

而亲水性较强的颗粒其表面被水润湿，在水中不易粘附到气泡上。

要使这些颗粒附着在气泡上，常进行疏水化处理，即加入浮选剂。

通常气浮池深为1.5m~2.5m，固体物上升速度为4~10cm/min。

能够使水中的胶体微粒相互粘结的物质称为絮凝剂，它具有破坏胶体的稳定性和促进胶体絮凝的功能。

絮凝剂分为无机类和有机类。

常用絮凝剂
用于水刺生产线中的水循环系统的絮凝剂一般由聚合氯化铝和聚丙烯酰胺组成。

聚合氯化铝(PAC)分子式为：Al n(OH)m Cl3n-m。

PAC是一种多价电解质，能显著降低水中悬浮物杂质的胶体电荷。

由于分子量大，吸附能力强，具有优良的凝聚能力，形成的絮凝体较大，凝聚沉淀性优于其他絮凝剂。

该物质聚合度较高，形成絮凝体的时间较短，且受水温影响较小，对水的PH值影响很小。

适宜的PH值范围为5～9。

聚丙烯酰胺(PAM)是一种高聚合物，具有凝聚速度快，用量少，絮凝体粒大强韧等特点，与PAC合用，其目的是利用无机絮凝剂对胶体微粒电荷的中和作用和高分子絮凝剂优异的絮凝作用，处理效果更佳。

絮凝原理
1、双电层作用
这一原理主要是低分子电解质对胶体微粒产生电中和，以引起胶体微粒凝聚。

例如Al3+在水中最后生成Al(OH)3胶体。

Al(OH)3是带电胶体，当PH<8.2时，带正电。

它与水中带负电的胶体微粒互相吸引，中和其电荷，凝结成较大的颗粒而沉淀。

另外Al(OH)3胶体具有条形结构，表面积很大，活性较高，能吸附水中的悬浮物质，成为更粗大的絮凝体。

2、化学架桥原理
当水中加入少量的高分子聚合物是，聚合物分子即被迅速吸附结合在胶体微粒表面。

高分子链体两端同时吸附两个以上胶体微粒表面，各微粒依靠高分子的连接作用构成某种聚集体，结合为絮状物，这种作用称为粘接架桥作用，实质上仍是絮凝作用，起架桥作用的物质称为絮凝剂。

六、后整理
主要有水刺提花、印花、染色、拒水整理和卫生整理等。

正常水刺加工后，可增加一道提花水刺，由提花水刺机构来实现。

镍质圆网的花纹采用照相雕刻而成，水刺头安装在圆网内，喷射出的高速水射流可将圆网花纹复制到非织造材料上。

印花和染色可从传统纺织移植过来。

水刺非织造材料用作合成革基布时，必须进行上色上浆整理。

水刺手术服材料必须进行拒水整理，以防止手术时血液等对医护人员的感染。

某些水刺卫生材料还要进行抗菌整理。

七、烘燥
(一)水刺纤网中水的存在形式
水刺加固后的非织造材料中水分的存在形式有三种，即游离水、毛细管水和结合水。

游离水存在于纤维细胞腔体中和纤网的毛细管中。

需提出的是纤维素纤维的非织造材料通常是一种吸湿材料，当非织造材料长时间和一定温度与湿度的空气接触时，材料的含湿量会达到一种平衡状态。

结合水是以化学结合的形式存在于非织造布中的，有严格的重量比，它实质上属于材料本身结构的一个部分。

这种水不能用加热干燥的方法除去，而只能通过燃烧或其他的化学作用来破坏和除去。

结合水占纤维素纤维非织造材料重量的1%左右。

吸附水和纤维之间的结合形式具有物理—化学性质，它没有严格的重量比，但在吸附过程中常常伴有热效应和纤网收缩现象。

(二)烘燥
水刺加固后，可采用抽吸装置和脱水辊压榨脱除水刺非织造材料中的大部分水。

然后采用烘燥机烘干水刺非织造材料。

水刺工艺中主要采用烘缸式烘燥和热风穿透式烘燥两种烘干方式，取决于非织造布产品规格、性能要求、产量、车速等因素。

烘缸式烘燥
由多组烘缸组成，烘干过程为间歇式，由一系列反复交替的周期性干燥过程所组成，在每个周期里都发生有短暂的升温和蒸发的过程，其时间只有十分之几到百分之几秒。

由于非织造材料的干燥存在升温、降温的周期循环过程，因此多烘缸干燥的效率较低。

多组烘缸式烘燥可分段控温，产品表面较平整，特别适合烘燥上粘合剂的水刺非织造材料，如合成革基布。

热风穿透式烘燥
加热方式有燃气加热、导热油加热、蒸汽加热、电加热等，结构上有单鼓、双鼓和多鼓等形式，并可设置红外预热装置。

与烘缸式烘燥相比，热风穿透式烘燥效率高，产品柔软，产品外观结构保持较好。

§5-3 水刺设备
一、水刺机
主要由水刺头、托网帘(或转鼓)、脱水箱、传动系统及控制系统等组成。

(一)水刺头
水刺头是水刺非织造工艺中产生高速水射流的关键部件，尽管各个生产厂家制造的水刺头结构有些差异，但一般均由过滤装置、均流装置、密封装置、喷水板和外壳等组成。

水刺头材质为高级不锈钢。

1、水刺头的密封方式
水刺头的喷水板可以快速更换，由此产生了高压水的密封问题。

根据高压水的密封原理，水刺头可分为两类，一类是附加油压密封，另外一类是水压自密封。

2、喷水板
水刺头形成高速水射流的核心零件。

(1)性能要求
几何尺寸正确，平直度好。

喷水孔孔径一致，喷水孔出口应保持锋利的状态，无毛刺，孔与板面的垂直性好。

良好的耐腐蚀性。

良好的强度和韧性，耐磨性好。

(2)喷水孔孔型
由工程流体力学可知，水射流从喷水板喷水孔中喷出，称为管嘴出流。

喷水孔按其形状可分为圆柱型、圆锥收缩型、流线收缩型三类。

受制造工艺局限，无论是圆锥型还是流线型喷水孔，其出口端均为圆柱型。

根据流体力学的原理，流线不可突然拐弯，因此圆柱型喷水孔入口处存在收缩断面，由工程流体力学实验可知，当水头＞7m时，此真空发生破裂现象，对喷水孔内的水流造成扰动，并影响喷水孔出口处水流边界的稳定性，从而造成水射流起始段长度缩短，扩散程度增加，水射流能量分散。

对于流线型喷水孔，其不存在收缩断面，故其喷出的水流集束性最佳，有利于水射流能量集中。

比较：
在流速系数上：φ流线＞φ圆锥＞φ圆柱
在流量系数上：μ流线＞μ圆锥＞μ圆柱
在阻力系数上：ξ流线＜ξ圆锥＜ξ圆柱
在效率系数上：e流线＞e圆锥＞e圆柱
在射流扩散程度上：流线型＜圆锥型＜圆柱型
由以上分析可知，水刺法工艺主要是利用水射流的集中能量，在喷水孔出口孔径和水压不变的条件下，首选为流线型喷水孔，其次是圆锥型喷水孔，圆柱型喷水孔不宜采用。

(3)喷水孔孔径与排列
喷水孔出口直径通常为0.08~0.15mm，排列形式有单排和双排，排列密度为16~24孔/cm，双排间距为1.2mm。

喷水孔出口直径和排列密度与高压泵的流量相匹配时，可在水刺头内建立接近高压泵标定压力的水压，从而保证一定的水射流速度，达到较好的纤维缠结效果。

(4)喷水板的清洗
可利用超声波通过液体产生的空化作用来清洗喷水板，除去粘附在喷水孔孔壁上的杂质。

固体微粒可采用射流反冲清洗。

空化作用：
当一定强度的超声波通过液体时，液体内部产生大量的小泡，尺寸适宜的小泡会发生共振现象。

原来小于共振尺寸的小泡，在超声作用下逐渐变大。

接近共振尺寸时，声波的稀疏阶段使小泡迅速地涨大，然后在声波的压缩阶段中，小泡又突然被绝热压缩直至破灭和分裂。

在破灭过程中，小泡内部可达几千度的高温和几千个大气压的高压，并且由于小泡周围的液
体高速冲入小泡而形成强烈的局部冲击波。

在小泡涨大时由于摩擦而产生的电荷，也在破灭过程中进行中和而产生放电现象。

以上所述即为超声波在液体中的空化作用。

(5)喷水板的发展趋势
材质改进↑强度和韧性
表面处理↑耐磨性
减小厚度↓能量损耗
喷水孔剖面及冲针
(二)托网帘
1、托网帘的作用
水刺机中托网帘主要有三个重要功能：
顺利输送和有效托持纤网进入水刺区。

能有效滤水并有利于水柱的反弹，提高纤网的缠结效果。

按不同的编织结构(目数与花纹)使产品产生相应的外观结构。

2、托网帘的结构与材质
托网帘主要由聚酯材料编织而成，也可用聚酰胺材质。

要求托网帘性能稳定(不易变形)，耐磨性和耐腐蚀性好(尤其是抗酸性)，通过对托网帘表面树脂处理，可有效防止油剂和微细纤维的附着。

(三)转鼓
主要由转鼓套、塑料密封件和内胆等组成。

转鼓套筒体有两种结构，一为薄钢板打孔，开孔率为50%左右；另一种为蜂巢结构，蜂巢结构的开孔率高于钢板打孔，一般可达到90%以上。

筒体外面套上一至数层金属丝编织圆网或一层开有微孔的镍网即构成转鼓套。

实验表明，采用微细圆孔镍网的转鼓套，水射流的反弹效果优于聚酯平网，水刺非织造材料的强度比采用聚酯平网提高了15%左右。

加工不同外观结构的水刺非织造材料时，需更换转鼓套。

转鼓内胆一端连接气水分离器，对应每个水刺头开设吸水槽，塑料密封件安装在内胆和转鼓套之间，起密封和托持转鼓套的作用。

转鼓工作时，内胆固定不转，而转鼓套回转。

(四)脱水箱
平网水刺加固的每个水刺头采用独立的脱水箱，而转鼓水刺加固中，数个水刺头共用一个转鼓内胆进行脱水。

脱水箱或转鼓内胆与气水分离器相连，内部真空度由与气水分离器相连的风机形成。

平网水刺加固脱水箱的要求：
沿纤网横向脱水均匀一致
避免箱体吸水口对托网帘的磨损
脱水机理：
靠纤网两面压力差挤压脱水及空气流穿过纤网层时将水带走。

脱水箱吸水口形式可设计成多圆孔排列、多长圆孔排列和长窄缝形等。

长窄缝形宽度通常为8~12mm，抽吸面积最大，脱水量大，脱水较均匀。

平网水刺加固脱水过程中托网帘受吸力后在窄缝处产生轻微的凹陷，可将附于网底来不及被吸走的水刮下，但同时造成对托网帘的磨损。

改进方法：
吸水口由两哈夫塑料衬条构成，可减少对托网帘的磨损，并可快速调节窄缝宽度。

转鼓水刺加固中，转鼓套筒体与安装在内胆和转鼓套之间的塑料密封件之间有摩擦作用，套在转鼓套筒体外的金属丝圆网仅需抵抗抽吸引起的变形即可。

因此，目数较大的金属丝圆网应衬目数较小的金属丝圆网，以防止变形。

§5-4 水刺工艺与产品性能
一、产品结构与性能
水刺加固纤网利用高速水射流连续不断地冲击纤维，纤网中纤维在水力作用下相互缠结，因此水刺非织造材料纤网中纤维为柔性缠绕结构。

相对而言，针刺加固纤网则为刚性缠绕结构。

托网帘编织结构与纤网单位面积质量及密度的配合可得到各种外观结构效果。

二、工艺参数及其对产品结构与性能的影响
水刺加工中的主要的工艺参数有：水刺头数量、水压、水刺距离、喷水孔的直径、喷水孔排列密度、生产速度、托网帘(或转鼓)结构、产品单位面积质量、脱水箱真空度等，这些参数相互关联，影响水刺非织造材料的结构和性能。

此外，纤维原料对产品性能也有较大的影响。

(一)纤维原料对工艺和产品性能的影响
纤维强度↑→水刺非织造材料强度↑
弯曲模量↓→纤维缠结↑
细度↓→纤维缠结↑
长度↑→纤维缠结↑
纤维卷曲度↑→纤维缠结↓
扁平截面比园截面有更好的纤维缠结效果
油剂不利于水过滤
(二)工艺参数对产品性能的影响
水压↑水刺头数量↑→水刺非织造材料强度↑
水压超过一定范围后→强度增加趋于平缓
水压、水流量↑→水刺非织造材料网眼清晰↑
水刺距离↓→水刺非织造材料强度↑
生产速度↓→水刺非织造材料强度↑
喷水孔直径↓排列密度↑→水刺非织造材料外观↑
不同托网帘结构→不同外观结构效果。