基于喷丝板设计加工及生产过程的熔喷布生产难点分析

李 锐,原海波,李涛英

(1.绵阳市纤维检验所,四川 绵阳 621000;2.成都纺织高等专科学校,四川 成都 611731)

新冠疫情下,口罩成为全球紧缺的商品,而熔喷布是口罩最核心的材料。市面上的熔喷布以聚丙烯为主要原料,添加相应的辅料然后通过螺杆挤压熔融纺丝生产得来,因喷丝头孔径小及对纤维的拉伸,可以使纤维直径达到1~5μm。这样单位体积中拥有更多的纤维数量,增加了比表面积,纤维网结构柔软松散、抗皱性能优良,从而使熔喷布具有良好的过滤性、屏蔽性、绝热性和吸油性等性能。熔喷布在我国强大的生产能力下很难大规模生产,是因为其特殊的生产工艺以及加工设备核心部件还没有掌握。熔喷布的生产难点主要体现在纺丝原料的纯度、喷丝模组上喷丝孔的加工、拉伸纤维的热空气流速及角度选择等方面。而熔喷布生产设备最核心的喷丝板喷嘴的加工难度最大,因其超细的孔径,加工时间需要几个月,而且产能非常有限。通过对熔喷布生产过程及核心部件加工过程中遇到的问题来分析熔喷布的生产难点。

1 熔喷布生产设备概况及主要部件

熔喷布是将聚合物切片通过螺杆挤压机加压加热后成熔融状态,然后经过计量泵精准控制溶体流速,经过滤后将溶体按照分配的流道匀速地到达喷丝模组前端的喷丝头,从喷丝孔中高速喷出,喷出后的纤维依靠两束以一定速度及收敛的高温、高速气流将其吹拉伸长以便制备成超细纤维,经过细化的纤维再经过冷却固化于网帘装置上形成熔喷非织造布。最后经过驻极处理使其具有静电吸附效应(图1)。

图1 熔喷布生产工艺流程图

1.1 喂料系统

按照生产工艺比例要求将3个进样器中的白色切片、色母粒、添加剂由3个计量泵控制进样量,然后进入到混合搅拌器中,充分搅拌混合均匀后即可进入下道工序。

1.2 螺杆挤压机

将混合均匀的原材料通过螺杆旋转受到挤压、剪切和搅拌作用等,使原料受热熔融,并从出口均匀连续被挤出。

1.3 熔体过滤器

螺杆挤压后熔体中含有微小杂质,将其过滤,以免堵塞喷丝孔和形成断丝。

1.4 计量泵

可以精准控制流速将熔体连续输送到喷丝头,进而控制产量和纤维的细度,一般为齿轮泵。

1.5 熔喷模头

熔喷模头是实现高聚物拉丝成型的核心组件。包括模头主体、喷丝板和气板。将经过计量后的熔融原料通过管道送到喷丝孔,纤维喷出后经过两侧的热空气以一定夹角对喷出的纤维进行高速吹扫,将纤维吹细吹长,使其变成超细纤维。因此,熔喷模头是最核心的组件,其设计及加工将直接影响纤维的细度、韧性、均匀度、长度等方面,从而对最终的成品质量产生决定性影响。

1.6 接收网帘

将熔喷纤维均匀接收铺在网帘上,向前输送。其下方有吸风机,将上面吹下来的热风迅速排出。

1.7 驻极处理器

通过高压电晕处理,可使纤维带有持久的静电荷,从而使熔喷布具有静电吸附效应。

1.8 卷取机

将熔喷成网的熔喷布全自动卷取包装。

2 熔喷模头

喷丝模头由模头主体、喷丝板和气板组成,是生产中的核心部件。喷丝板和气板是单独的组件,可在模头主体内拆卸、安装,便于维护生产。喷丝板内设计有一排喷丝孔,喷丝板和气板之间设计有多个夹缝槽,夹缝槽与气体通道连通。从气板吹出的气流快速均匀地吹到喷丝孔喷出的纤维上进行拉伸牵引和凝固(图2)。

图2 熔喷模头结构

3 喷丝板的设计及加工

3.1 喷丝板的材料选择

熔喷喷丝板工作状态相当苛刻,既要承受高温高压,又要保证喷出的纤维质量要求,因此喷丝板的材质选择对其机械性能和使用寿命有很大的影响,通常材质硬度越高,喷丝板的使用寿命就越长,但其加工难度也会加大,所以需要选用耐高温、耐腐蚀以及具有优良机械加工性能的不锈钢材质[1]。熔喷模头大部分采用的是矩形喷丝板,材料一般是SUS316L、SUS304、SUS630、SUS431等不锈钢(表1)。

表1 喷丝板常用的材料

3.2 喷丝孔的加工

喷丝板上的喷丝孔道作为合成纤维的母体,它的设计工艺及加工质量是保证合成纤维成品质量和具有良好纺丝工艺的重要前提条件。因而,喷丝孔的加工精度至关重要,要求极高,现在对纤维的直径要求越来越细,对纤维形状也提出了更高的要求,从而使得喷丝孔的孔径越来越小,加工难度也越来越大。同时,为了适应市场需求,提高纤维的生产效率及加工质量,也要求喷丝板上的单板孔数尽量增加,这些因素都对喷丝孔的加工工艺及加工技术提出了更高的要求。因为加工孔径现阶段主要为0.1~0.5 mm,加工过程中需要10 000 r/min的主轴机床。现阶段,生产熔喷布的喷丝板主要依赖进口,这些供应商主要有日本的卡森、德国恩卡等企业。

标准(非织造布喷丝板)2.2.2条款下介绍了熔喷法喷丝板的截面结构形式,其出丝孔一般为圆形,直径范围为0.10~0.50 mm[2]。

由于喷丝板的形状并非细小的圆柱形微孔,对其加工工艺提出了更高的要求(图3)。

图3 熔喷法喷丝板的截面结构

3.2.1 微孔钻销加工工艺

N95口罩熔喷布:直径0.15~0.2 mm,深度2~3 mm;N90口罩熔喷布:直径0.2~0.25 mm,深度2.8~3.2 mm。生产这种熔喷布的喷丝孔,大部分使用钻削工艺加工喷丝板的微孔。喷丝板上分布着大约300~2 000个微孔,但由于孔太小,刀具寿命不稳定,一旦发生无法预测的提前断刀,在钻头无法取出的情况下,甚至会引起整块喷丝板的报废。例如加工直径0.2 mm的喷丝微孔,加工时间在30 s左右,工艺加工设备必须是高速精雕机,具有超高速的精密主轴,刀摆必须控制在0.002 mm以内。该工艺加工效率不高,因为钻头太细,刚性差,所以在钻孔时容易偏斜,产生振动,使得孔的表面粗糙度和尺寸精度不易保证。加工时排屑困难,热量不易排出,转头排热差,转速过快会导致磨损加剧甚至钻头折断,喷丝板的微孔内表面会留下毛刺[3],而且钻头的使用寿命为200~500孔。目前高端产品以日本等外国企业占据主导地位。

3.2.2 电火花加工工艺

为了减少钻头断掉的风险和产生毛刺等问题,目前也有使用石墨或渗铜石墨电极来进行电火花微孔加工。电火花微孔加工技术随着光学仪器、精密机械、现代电子等领域的不断发展而得到广泛应用。电火花加工属于电蚀加工原理,除了加工圆形孔以外,异形孔的加工也越来越多,这些孔可以采用整体点击一次性加工成型,孔形精度一次性评价好,电火花微孔加工因其在加工中受力小,加工的孔径和深度可以调节电参数就可得到控制等优势,近年来该技术发展迅猛。但也有很大的局限性,只能加工特定的一种孔形,不同孔形需要不同的电极,微小的改变都将导致电极加工困难,周期长且价格昂贵[4]。电火花加工是一个典型的慢加工,在加工微孔时表现得尤为明显,速度随着加工精度的提高而减慢。对于少量几个的微孔加工可以使用,主要是针对模具打孔等操作,无法批量生产,费用高。

3.2.3 激光微细加工工艺

超快脉冲激光是一种绿色、无热反应、无接触、无耗材的加工方式。利用高能量密度的光束,照射到材料表面,使材料升温气化去除材料的一种加工方法[5]。在加工过程中产生非受热区,短短几秒即可完成完美的微形孔加工。这种精确的无毛刺加工可以作用于众多材料,从钢、铝、硬质合金、黄铜等多种金属到石墨、陶瓷、宝石及高分子材料。

但是作为金属的微孔加工,激光微细加工也存在着问题。主要是由于其加工后会产生一些烧黑的现象,加工过程中由于高温容易改变材料材质,另外此加工方法中残渣不易清理或无法清理。因此激光微细加工不是完美的微孔加工解决方案。如果要求不高,可以试用,但是针对批量的订单,激光加工就无法满足客户对交期和成本的期望值。

4 喷丝板在生产使用中常遇到的问题

4.1 喷丝孔不够光滑

很多生产厂商即使使用同一种熔喷料,相同的参数,喷丝板用久了还是容易堵塞。因为喷丝孔用久了会有毛刺产生,导致内壁不够光滑,喷出的纤维丝产生瑕疵,需要定期清洗抛光,去除喷丝板小孔内毛刺,增加内壁光洁度,从而避免上机易堵孔、沙眼及结晶的问题。

4.2 喷丝孔堵塞

为了增加熔喷布的静电吸附性,有些生产厂家会添加过量的驻极母粒,导致喷丝孔堵塞;另外还会遇到有些生产厂家所采用的聚丙烯原料的熔融指数不达标也会导致喷丝孔堵塞。

5 结语

熔喷布生产是一个复杂的系统工程,纺丝主要部件喷丝模头因其加工工艺特点只有少数企业掌握了加工技术,又因其细小孔径及特殊材料很难快速高效加工成品,而在熔喷布生产过程中又因为毛刺及喷头堵塞等原因造成停机检修,因此熔喷布很难大规模地生产出来。