基于噴絲板設(shè)計(jì)加工及生產(chǎn)過(guò)程的熔噴布生產(chǎn)難點(diǎn)分析

李 銳,原海波,李濤英

(1.綿陽(yáng)市纖維檢驗(yàn)所,四川 綿陽(yáng) 621000;2.成都紡織高等?？茖W(xué)校,四川 成都 611731)

新冠疫情下,口罩成為全球緊缺的商品,而熔噴布是口罩最核心的材料。市面上的熔噴布以聚丙烯為主要原料,添加相應(yīng)的輔料然后通過(guò)螺桿擠壓熔融紡絲生產(chǎn)得來(lái),因噴絲頭孔徑小及對(duì)纖維的拉伸,可以使纖維直徑達(dá)到1~5μm。這樣單位體積中擁有更多的纖維數(shù)量,增加了比表面積,纖維網(wǎng)結(jié)構(gòu)柔軟松散、抗皺性能優(yōu)良,從而使熔噴布具有良好的過(guò)濾性、屏蔽性、絕熱性和吸油性等性能。熔噴布在我國(guó)強(qiáng)大的生產(chǎn)能力下很難大規(guī)模生產(chǎn),是因?yàn)槠涮厥獾纳a(chǎn)工藝以及加工設(shè)備核心部件還沒(méi)有掌握。熔噴布的生產(chǎn)難點(diǎn)主要體現(xiàn)在紡絲原料的純度、噴絲模組上噴絲孔的加工、拉伸纖維的熱空氣流速及角度選擇等方面。而熔噴布生產(chǎn)設(shè)備最核心的噴絲板噴嘴的加工難度最大,因其超細(xì)的孔徑,加工時(shí)間需要幾個(gè)月,而且產(chǎn)能非常有限。通過(guò)對(duì)熔噴布生產(chǎn)過(guò)程及核心部件加工過(guò)程中遇到的問(wèn)題來(lái)分析熔噴布的生產(chǎn)難點(diǎn)。

1 熔噴布生產(chǎn)設(shè)備概況及主要部件

熔噴布是將聚合物切片通過(guò)螺桿擠壓機(jī)加壓加熱后成熔融狀態(tài),然后經(jīng)過(guò)計(jì)量泵精準(zhǔn)控制溶體流速,經(jīng)過(guò)濾后將溶體按照分配的流道勻速地到達(dá)噴絲模組前端的噴絲頭,從噴絲孔中高速噴出,噴出后的纖維依靠?jī)墒砸欢ㄋ俣燃笆諗康母邷?、高速氣流將其吹拉伸長(zhǎng)以便制備成超細(xì)纖維,經(jīng)過(guò)細(xì)化的纖維再經(jīng)過(guò)冷卻固化于網(wǎng)簾裝置上形成熔噴非織造布。最后經(jīng)過(guò)駐極處理使其具有靜電吸附效應(yīng)(圖1)。

圖1 熔噴布生產(chǎn)工藝流程圖

1.1 喂料系統(tǒng)

按照生產(chǎn)工藝比例要求將3個(gè)進(jìn)樣器中的白色切片、色母粒、添加劑由3個(gè)計(jì)量泵控制進(jìn)樣量,然后進(jìn)入到混合攪拌器中,充分?jǐn)嚢杌旌暇鶆蚝蠹纯蛇M(jìn)入下道工序。

1.2 螺桿擠壓機(jī)

將混合均勻的原材料通過(guò)螺桿旋轉(zhuǎn)受到擠壓、剪切和攪拌作用等,使原料受熱熔融,并從出口均勻連續(xù)被擠出。

1.3 熔體過(guò)濾器

螺桿擠壓后熔體中含有微小雜質(zhì),將其過(guò)濾,以免堵塞噴絲孔和形成斷絲。

1.4 計(jì)量泵

可以精準(zhǔn)控制流速將熔體連續(xù)輸送到噴絲頭,進(jìn)而控制產(chǎn)量和纖維的細(xì)度,一般為齒輪泵。

1.5 熔噴模頭

熔噴模頭是實(shí)現(xiàn)高聚物拉絲成型的核心組件。包括模頭主體、噴絲板和氣板。將經(jīng)過(guò)計(jì)量后的熔融原料通過(guò)管道送到噴絲孔,纖維噴出后經(jīng)過(guò)兩側(cè)的熱空氣以一定夾角對(duì)噴出的纖維進(jìn)行高速吹掃,將纖維吹細(xì)吹長(zhǎng),使其變成超細(xì)纖維。因此,熔噴模頭是最核心的組件,其設(shè)計(jì)及加工將直接影響纖維的細(xì)度、韌性、均勻度、長(zhǎng)度等方面,從而對(duì)最終的成品質(zhì)量產(chǎn)生決定性影響。

1.6 接收網(wǎng)簾

將熔噴纖維均勻接收鋪在網(wǎng)簾上,向前輸送。其下方有吸風(fēng)機(jī),將上面吹下來(lái)的熱風(fēng)迅速排出。

1.7 駐極處理器

通過(guò)高壓電暈處理,可使纖維帶有持久的靜電荷,從而使熔噴布具有靜電吸附效應(yīng)。

1.8 卷取機(jī)

將熔噴成網(wǎng)的熔噴布全自動(dòng)卷取包裝。

2 熔噴模頭

噴絲模頭由模頭主體、噴絲板和氣板組成,是生產(chǎn)中的核心部件。噴絲板和氣板是單獨(dú)的組件,可在模頭主體內(nèi)拆卸、安裝,便于維護(hù)生產(chǎn)。噴絲板內(nèi)設(shè)計(jì)有一排噴絲孔,噴絲板和氣板之間設(shè)計(jì)有多個(gè)夾縫槽,夾縫槽與氣體通道連通。從氣板吹出的氣流快速均勻地吹到噴絲孔噴出的纖維上進(jìn)行拉伸牽引和凝固(圖2)。

圖2 熔噴模頭結(jié)構(gòu)

3 噴絲板的設(shè)計(jì)及加工

3.1 噴絲板的材料選擇

熔噴噴絲板工作狀態(tài)相當(dāng)苛刻,既要承受高溫高壓,又要保證噴出的纖維質(zhì)量要求,因此噴絲板的材質(zhì)選擇對(duì)其機(jī)械性能和使用壽命有很大的影響,通常材質(zhì)硬度越高,噴絲板的使用壽命就越長(zhǎng),但其加工難度也會(huì)加大,所以需要選用耐高溫、耐腐蝕以及具有優(yōu)良機(jī)械加工性能的不銹鋼材質(zhì)[1]。熔噴模頭大部分采用的是矩形噴絲板,材料一般是SUS316L、SUS304、SUS630、SUS431等不銹鋼(表1)。

表1 噴絲板常用的材料

3.2 噴絲孔的加工

噴絲板上的噴絲孔道作為合成纖維的母體,它的設(shè)計(jì)工藝及加工質(zhì)量是保證合成纖維成品質(zhì)量和具有良好紡絲工藝的重要前提條件。因而,噴絲孔的加工精度至關(guān)重要,要求極高,現(xiàn)在對(duì)纖維的直徑要求越來(lái)越細(xì),對(duì)纖維形狀也提出了更高的要求,從而使得噴絲孔的孔徑越來(lái)越小,加工難度也越來(lái)越大。同時(shí),為了適應(yīng)市場(chǎng)需求,提高纖維的生產(chǎn)效率及加工質(zhì)量,也要求噴絲板上的單板孔數(shù)盡量增加,這些因素都對(duì)噴絲孔的加工工藝及加工技術(shù)提出了更高的要求。因?yàn)榧庸た讖浆F(xiàn)階段主要為0.1~0.5 mm,加工過(guò)程中需要10 000 r/min的主軸機(jī)床。現(xiàn)階段,生產(chǎn)熔噴布的噴絲板主要依賴進(jìn)口,這些供應(yīng)商主要有日本的卡森、德國(guó)恩卡等企業(yè)。

標(biāo)準(zhǔn)(非織造布噴絲板)2.2.2條款下介紹了熔噴法噴絲板的截面結(jié)構(gòu)形式,其出絲孔一般為圓形,直徑范圍為0.10~0.50 mm[2]。

由于噴絲板的形狀并非細(xì)小的圓柱形微孔,對(duì)其加工工藝提出了更高的要求(圖3)。

圖3 熔噴法噴絲板的截面結(jié)構(gòu)

3.2.1 微孔鉆銷加工工藝

N95口罩熔噴布:直徑0.15~0.2 mm,深度2~3 mm;N90口罩熔噴布:直徑0.2~0.25 mm,深度2.8~3.2 mm。生產(chǎn)這種熔噴布的噴絲孔,大部分使用鉆削工藝加工噴絲板的微孔。噴絲板上分布著大約300~2 000個(gè)微孔,但由于孔太小,刀具壽命不穩(wěn)定,一旦發(fā)生無(wú)法預(yù)測(cè)的提前斷刀,在鉆頭無(wú)法取出的情況下,甚至?xí)鹫麎K噴絲板的報(bào)廢。例如加工直徑0.2 mm的噴絲微孔,加工時(shí)間在30 s左右,工藝加工設(shè)備必須是高速精雕機(jī),具有超高速的精密主軸,刀擺必須控制在0.002 mm以內(nèi)。該工藝加工效率不高,因?yàn)殂@頭太細(xì),剛性差,所以在鉆孔時(shí)容易偏斜,產(chǎn)生振動(dòng),使得孔的表面粗糙度和尺寸精度不易保證。加工時(shí)排屑困難,熱量不易排出,轉(zhuǎn)頭排熱差,轉(zhuǎn)速過(guò)快會(huì)導(dǎo)致磨損加劇甚至鉆頭折斷,噴絲板的微孔內(nèi)表面會(huì)留下毛刺[3],而且鉆頭的使用壽命為200~500孔。目前高端產(chǎn)品以日本等外國(guó)企業(yè)占據(jù)主導(dǎo)地位。

3.2.2 電火花加工工藝

為了減少鉆頭斷掉的風(fēng)險(xiǎn)和產(chǎn)生毛刺等問(wèn)題,目前也有使用石墨或滲銅石墨電極來(lái)進(jìn)行電火花微孔加工。電火花微孔加工技術(shù)隨著光學(xué)儀器、精密機(jī)械、現(xiàn)代電子等領(lǐng)域的不斷發(fā)展而得到廣泛應(yīng)用。電火花加工屬于電蝕加工原理,除了加工圓形孔以外,異形孔的加工也越來(lái)越多,這些孔可以采用整體點(diǎn)擊一次性加工成型,孔形精度一次性評(píng)價(jià)好,電火花微孔加工因其在加工中受力小,加工的孔徑和深度可以調(diào)節(jié)電參數(shù)就可得到控制等優(yōu)勢(shì),近年來(lái)該技術(shù)發(fā)展迅猛。但也有很大的局限性,只能加工特定的一種孔形,不同孔形需要不同的電極,微小的改變都將導(dǎo)致電極加工困難,周期長(zhǎng)且價(jià)格昂貴[4]。電火花加工是一個(gè)典型的慢加工,在加工微孔時(shí)表現(xiàn)得尤為明顯,速度隨著加工精度的提高而減慢。對(duì)于少量幾個(gè)的微孔加工可以使用,主要是針對(duì)模具打孔等操作,無(wú)法批量生產(chǎn),費(fèi)用高。

3.2.3 激光微細(xì)加工工藝

超快脈沖激光是一種綠色、無(wú)熱反應(yīng)、無(wú)接觸、無(wú)耗材的加工方式。利用高能量密度的光束,照射到材料表面,使材料升溫氣化去除材料的一種加工方法[5]。在加工過(guò)程中產(chǎn)生非受熱區(qū),短短幾秒即可完成完美的微形孔加工。這種精確的無(wú)毛刺加工可以作用于眾多材料,從鋼、鋁、硬質(zhì)合金、黃銅等多種金屬到石墨、陶瓷、寶石及高分子材料。

但是作為金屬的微孔加工,激光微細(xì)加工也存在著問(wèn)題。主要是由于其加工后會(huì)產(chǎn)生一些燒黑的現(xiàn)象,加工過(guò)程中由于高溫容易改變材料材質(zhì),另外此加工方法中殘?jiān)灰浊謇砘驘o(wú)法清理。因此激光微細(xì)加工不是完美的微孔加工解決方案。如果要求不高,可以試用,但是針對(duì)批量的訂單,激光加工就無(wú)法滿足客戶對(duì)交期和成本的期望值。

4 噴絲板在生產(chǎn)使用中常遇到的問(wèn)題

4.1 噴絲孔不夠光滑

很多生產(chǎn)廠商即使使用同一種熔噴料,相同的參數(shù),噴絲板用久了還是容易堵塞。因?yàn)閲娊z孔用久了會(huì)有毛刺產(chǎn)生,導(dǎo)致內(nèi)壁不夠光滑,噴出的纖維絲產(chǎn)生瑕疵,需要定期清洗拋光,去除噴絲板小孔內(nèi)毛刺,增加內(nèi)壁光潔度,從而避免上機(jī)易堵孔、沙眼及結(jié)晶的問(wèn)題。

4.2 噴絲孔堵塞

為了增加熔噴布的靜電吸附性,有些生產(chǎn)廠家會(huì)添加過(guò)量的駐極母粒,導(dǎo)致噴絲孔堵塞;另外還會(huì)遇到有些生產(chǎn)廠家所采用的聚丙烯原料的熔融指數(shù)不達(dá)標(biāo)也會(huì)導(dǎo)致噴絲孔堵塞。

5 結(jié)語(yǔ)

熔噴布生產(chǎn)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,紡絲主要部件噴絲模頭因其加工工藝特點(diǎn)只有少數(shù)企業(yè)掌握了加工技術(shù),又因其細(xì)小孔徑及特殊材料很難快速高效加工成品,而在熔噴布生產(chǎn)過(guò)程中又因?yàn)槊碳皣婎^堵塞等原因造成停機(jī)檢修,因此熔噴布很難大規(guī)模地生產(chǎn)出來(lái)。