口罩用聚丙烯熔噴布生產設備常見質量問題分析

羅廣恒 李志宏 尹志宏 翁繼聰

摘要：生產口罩的關鍵材料為聚丙烯熔噴布，熔噴法是生產該材料最主流的生產工藝。受新冠肺炎疫情影響，2020年初口罩需求量激增，導致其關鍵材料—聚丙烯熔噴布供不應求，價格波動劇烈，不少商家轉行生產聚丙烯熔噴布。同時，不少機械廠也轉行生產熔噴布生產設備。然而，由于該類機械廠經驗及質量水平不足，導致這些企業所生產的熔噴布生產設備的質量普遍較差。而使用方缺乏生產經驗，對于一些常見問題無法解決。因此，針對聚丙烯熔噴布生產設備的質量糾紛層出不窮，大量不達標聚丙烯熔噴布的出現也會造成社會資源浪費和資金流失。為解決上述矛盾，從設備安全和性能兩個角度出發，分析聚丙烯熔噴布生產線的常見質量問題，并試探性地給出一些解決問題的建議。

關鍵詞：口罩;聚丙烯熔噴布;質量問題

中圖分類號：TS103文獻標志碼：A文章編號：1009-9492（2021）12-0301-03

Analysis of Common Quality Problems of Polypropylene Melt-blown Cloth Production Equipment for Face Mask

Luo Guangheng ，Li Zhihong ，Yin Zhihong ，Weng Jicong（Guangdong Testing Institute of Product Quality Supervision， Foshan， Guangdong 528300， China）

Abstract： The key material in the production of masks is polypropylene melt-blown cloth， and melt-blown method is the most mainstream production process. Affected by Covid-19， the demand for masks increased rapidly in early 2020， resulting in a shortage of key material polypropylene melt blown fabric and price volatility. Many businesses switched to polypropylene melt spray cloth. At the same time， many machinery factories have also switched to the production of melt blown cloth production equipment. However， due to the lack of experience and quality level of such machinery plants， the quality of melt blown cloth production equipment produced by these enterprises is generally poor. The user lacks production experience and cannot solve some common problems. Therefore， the quality disputes of polypropylene melt blown cloth production equipment emerge one after another. The emergence of a large number of substandard polypropylene melt blown cloth will also cause a waste of social resources and loss of funds. In order to solve the above contradiction，the common quality problems of polypropylene melt blown cloth production line from the perspective of equipment safety and performance were analyzed， and some suggestions to solve the problems were tentatively given.

Key words： mask; polypropylene melt blown cloth; quality problem

0 引言

聚丙烯熔噴布是制造口罩的核心材料，由專用的生產設備使用熔噴工藝制成。受新冠疫情影響，2020年初口罩需求量急劇增加，導致聚丙烯熔噴布供不應求，價格飛漲，需求激增也直接影響生產設備的價格。2020年2—5月，聚丙烯熔噴布的生產設備供不應求，售價暴漲，從原來的十多萬漲至數十萬甚至數百萬，甚至出現有價無市、一機難求的局面。在高額利潤的刺激下，熔噴布生產設備的制造企業數量也大量增加，很多企業根據設備的結構，直接采購其配件進行簡單組裝直接出售。然而，由于設備生產方經驗及水平不足，沒有足夠的能力調試機器，導致這些熔噴布生產設備的企業質量水平普遍較低，許多廠家銷售后不能提供正常的設備調試服務，同時使用方也因經驗不足，設備運行異常的問題無法得到解決，激發了供需雙方的矛盾。因此，2020年下半年起圍繞生產設備產生的質量糾紛層出不窮，因設備問題生產出來的不達標熔噴布也大量出現，造成社會資源浪費和資金流失。質量低熔噴布生產設備會直接影響到熔噴布的生產效率及其成品質量，甚至會存在安全隱患。因此，有必要對聚丙烯熔噴布生產設備常見的質量問題進行綜合分析。本文將從設備的安全、性能及成品質量等角度分析聚丙烯熔噴非織造布生產設備的常見質量問題，并且試探性給出部分解決方案。

1 熔噴布生產設備

聚丙烯熔噴布是將聚丙烯粒料使用熔噴工藝經熔噴布生產設備制成的片材。熔噴法是目前熔噴布的主流生產工藝，其工藝原理是將聚合物熔體從熔噴模頭噴絲孔擠出，形成熔體細流，同時，噴絲孔兩側的高速高溫氣流對熔體細流進行噴吹與拉伸，從而細化成細度只有1～5μm的細絲[1]，而后細絲被熱氣流拉斷成長約45mm 的短纖維，通過真空抽吸裝置，以均勻收集，纖維依靠自黏特性形成熔噴布[2]。生產過程主要有：聚合物的喂入-熔融后擠出-原料過濾-原料計量-噴絲-成網-靜電駐極-后加工（裁切）-卷取-成品。為了完成熔噴布的生產流程，熔噴布生產設備主要由上料機、塑料擠出機、換網裝置、熔體計量泵、熱風系統（熱風機與加熱器）、熔噴模頭、成網機、吸風機、駐極裝置、收卷分切裝置和電氣控制系統等組成[3]。

2 口罩用熔噴布生產設備質量問題

疫情初期，由于熔噴布需求量大，導致價格暴漲，高利潤導致不少商家轉行生產熔噴布，導致生產設備供不應求，甚至出現一機難求的局面，促使大量的設備制造廠轉型生產口罩用熔噴布的生產設備。然而，新入行的設備生產和使用雙方缺乏對其使用及調試均經驗，雙方糾紛伴隨著設備質量問題頻頻出現而產生。此外，由于原料或設備問題使得一大批質量不達標的熔噴布出現，造成原料的浪費以及生產者財產損失，影響熔噴布行業的健康發展。對于熔噴布生產設備，常見的質量問題可分為安全問題及性能問題。

安全問題是指熔噴布生產設備存在安全隱患，如機械安全隱患，電氣安全隱患，熱安全隱患等。性能問題則是指在生產過程中設備出現一些影響正常生產的問題，如物料外溢，產品厚度不均勻，產品過濾率不達標等。

2. 1 設備安全問題

安全問題是絕大部分聚丙烯熔噴布生產設備或多或少都會出現的質量問題，盡管這個問題一般不是設備的使用方和生產方產生糾紛的內容，監管部門在處理時均以設備安全問題為首。在實際生產中，熔噴布生產設備常見的安全隱患主要有機械安全隱患、電氣安全隱患、熱安全隱患等。

2. 1. 1 機械安全隱患

機械安全隱患指聚丙烯熔噴布生產設備在運行過程中，人體進入危險區或觸及危險運動部件時造成物理傷害的安全隱患。產生該隱患主要原因是防護不到位，生產廠家常因成本控制、操作便利等原因忽視對危險部件的防護。如圖1所示，擠出機部分的主電機、減速器及傳動皮帶等運動部件屬于危險部件，但缺乏防護，存在傷人的可能。

因此，對于危險運動部件，生產廠家在制造設備時，應給予足夠的防護，配置適當的防護罩或其他安全措施，減少人與部件接觸的可能性。例如，位于電機和減速器之間的驅動軸和連接器以及傳動帶應使用固定式防護裝置進行防護[4]，如圖2所示。

此外，生產廠家在設計安全防護裝置時，應考慮該裝置在設計、維護和使用過程中存在的潛在危險，如擠壓、剪切、緊固件松動等[5]。

對于一些可能造成壓力過高的部件如熔體/齒輪泵、熔體連接體、擠出機頭等，需要提供過壓保護防止超過標示的最大允許內壓。

2. 1. 2 電氣安全隱患

電氣安全隱患在熔噴布生產設備的生產和使用中較容易出現。由于熔噴布生產設備電路接線不規范或部件質量不足等原因，設備可能存在觸電以及損壞的隱患。例如，設備接地不規范，設備在通電時，可能會使外殼帶電，觸碰外殼可使人觸電。沒有配置過載、過流等電路保護器件，在設備運行時出現過載、過流、短路等情況時可能會損壞設備電機等部件。

為消除電氣安全隱患，熔噴布生產設備在設計電路時應參照國家標準。例如，外露可導電部件均應接地，接地線色標應統一且保證絕對專用，并使用端子連接。動力電路、控制電路均應設置過電流保護;額定功率大于0. 5 kW的電機應配備過載保護[6]。

此外，原料及制品在生產過程中與設備摩擦產生靜電電荷儲存在設備中，累積到一定程度，人體接觸設備會觸電。因此，這些區域也需進行接地或通過接地的導體表面進行放電。

2. 1. 3 熱安全隱患

熱安全隱患體現發熱部件無絕熱措施，造成表面接觸溫度過高，易燙傷。熔噴布生產設備的人體可接觸熱表面基本為金屬表面。如圖3所示，人體對金屬熱表面可接觸溫度的極限值為70℃，同時人體皮膚接觸表面時的燒傷閾 Ts 會隨著時間 t 的增大而降低[7]。

然而，熔噴布生產設備的高溫部件如料筒、熔噴模頭、換網裝置等發熱表面常常會高于人體可接觸的極限溫度。設備的工作溫度一般在200℃以上，而這些發熱部件的表面均在70℃以上，甚至達到150℃以上（如熔噴模頭）。對于這些發熱部件，應在其表面包覆絕熱材料或阻擋裝置防止人員燙傷。而因操作原因無法進行防護的熱表面，應加上警告標示，并在交付使用時告知相關操作人員，以免造成燙傷。

2. 2 設備性能問題

設備性能問題是熔噴布生產設備的使用方和生產方產生質量糾紛的內容。對于熔噴布生產設備，主要的性能問題有物料外溢，產品過濾率不達標等。

2. 2. 1 物料外溢

當熔噴布生產設備沒有配備換網裝置和過壓保護裝置時，就存在物料外溢的可能性。設備沒有配備換網裝置，雜質會堵塞熔噴模頭的模孔，使熔體壓力升高，當熔體壓力超過料腔承壓限值且沒有過壓保護時，熔融的物料會從部件連接處的縫隙溢出，影響設備性能，嚴重時會損壞部件。

為解決上述問題，需要配置換網裝置和壓力保護裝置。換網裝置一般安裝在般位于機筒和熔體泵之間，主要用于濾除前系統設備脫落的異物、未熔融物料和熔融物料中的雜質等[8]。換網裝置在設備運行時需定期更換濾網，以保證過濾效果。過壓保護裝置一般使用高溫熔體壓力傳感器，分別安裝在該裝置通過把熔體壓力變量轉換成電阻變量，通過換算得出熔體壓力值，實現監控熔體壓力的功能[9]。

2. 2. 2 產品過濾率不達標

過濾率是口罩的關鍵指標。口罩作為疫情期間不可或缺的個人防護用品，在疫情防控中發揮了重要作用。保持社交距離和佩戴口罩也是中國在多次出現疫情時能在短時間內取得抗疫勝利的重要經驗[10]。疫情期間人們一般佩戴的是醫用防護口罩，該類口罩要求過濾率在95%以上[11]。口罩過濾率是否達標，取決于其關鍵材料聚丙烯熔噴布的過濾率。

作為口罩的關鍵材料，聚丙烯熔噴布的作用是過濾細菌、病毒等細小顆粒物[12]。目前市場上常見的醫用防護口罩一般分為3層和5層，表層用無紡布（S層）作為支撐保護層，芯層用熔噴層（M層）增強口罩的過濾效果[13]。可見，口罩的熔噴層過濾率決定口罩產品整體的過濾效果。然而，由于多方面原因，許多新入行生產熔噴布的企業所造的產品過濾率不達標，造成資源浪費及財產損失。從生產工藝流程來看，熔噴布過濾率不達標主要原因：生產熔噴布的原料不達標;熔噴布的參數不合理。解決上述問題，應從原料配方和熔噴模頭入手。

（1） 原料配方

生產熔噴布的主要原料是以聚丙烯為主要原料，以二叔丁基過氧化物（ DTBP ）為降解劑，經改性制得的聚丙烯熔噴專用料，其特性為較高的熔體質量流動速率。聚丙烯熔噴專用料的流動速率通常分為450 g/10min、1000 g/10 min、1200 g/10 min、1300 g/10 min、1500 g/10 min[14]。作為生產口罩熔噴層的聚丙烯熔噴專用料，需要較高的流動性，其流動速率應不小于1200 g/10min。

然而，僅使用上述聚丙烯熔噴專用料生產并不足以使熔噴布過濾率達標，還需對其進行靜電駐極處理。熔噴布的過濾機理有兩種：機械過濾和靜電吸附[15]。僅憑機械過濾的話過濾率一般不到50%，不足以達到口罩使用的要求。因此，在生產過程中還需對其進行靜電駐極處理。

經靜電駐極處理的熔噴布帶有電荷，可對氣溶膠顆粒產生高效的吸附效果，結合機械過濾可使熔噴布過濾率大大提高[16]。不過，聚丙烯材料儲存電荷的能力不足，在短時間內會電荷量會大量流失造成靜電衰減，嚴重影響材料的過濾效果和使用壽命。

對于這種情況，行業通常做法是添加一定比例的駐極母粒使原料改性。添加駐極母粒不會改變纖維形態，但能提高靜電過濾性能的穩定性，其原理是：增加熔噴無紡布中電荷捕集能阱的密度和深度，有效釋放負離子和儲存電荷達到提高熔噴布的綜合濾效和抗熱衰減的性能，同時，由于靜電作用會使熔噴布材料結構變蓬松，過濾阻力也會相應降低。駐極母粒含量一般為2%～5%，具體由熔噴布生產企業按實際情況確定。

（2） 熔噴模頭

熔噴模頭是熔噴布生產設備的關鍵部件。熔噴模頭的參數和精度對形成的布料具有決定性的影響。熔噴模頭的設計和精度直接影響熔噴絲的孔徑、纖維細度和均勻性，這些參數直接影響熔噴布的過濾性能。在設計上，模頭的流道結構型式主要有衣架式、T 字型、管路分配式和魚尾式等[17]。

熔噴模頭在加工上的難點在于噴絲孔及內部流道的加工，而噴絲孔作為熔噴絲成型的終端，是熔噴模頭最核心，也是加工難度最大的地方。一般熔噴設備要求噴絲孔直徑在0.50 mm以下，而生產口罩用的熔噴模具噴絲孔要求更高，直徑在 0.20 mm 以下。在加工噴絲孔時，需保證其精度，與噴絲質量有關的精度包括：噴絲孔各孔的直徑偏差、長度偏差、圓度、圓柱度、表面粗糙度、各孔的位置度、孔內同軸度等。除此之外，導風板及噴絲板在裝配時與模頭間的平行度也對熔噴布的出絲質量和效率有重要影響。檢驗相關精度需要用到高精度的顯微鏡和專用測量工具，一般的模具加工廠不具備相關檢測能力，在生產的時候憑經驗加工，無法判斷精度是否合格。因此，熔噴布生產設備的生產企業在采購熔噴模頭時宜送到具有相關檢測資質的機構檢測，作為驗收依據。

3 結束語

本文從設備安全及性能角度分析口罩用聚丙烯熔噴布生產設備在生產過程中常見的質量問題，設備常存在的安全問題包括機械安全隱患、電氣安全隱患、熱安全隱患，常存在的性能問題包括物料外溢、產品過濾率不達標。

對于機械安全隱患，可加上相應安全防護裝置;對于電氣安全隱患，可對外露導電部件及可能產生靜電的區域接地，并配備過電流、過載保護裝置;對于熱安全隱患，在其熱表面包覆絕熱材料隔熱，因操作原因不能隔熱的則應加上警告標示;對于物料外溢問題，應對設備配備換網裝置及過壓保護裝置，換網裝置須定期更換濾網;對于產品過濾率不達標問題，可根據生產工藝對原料配方加以調整，此外，應使用設計及精度符合要求的熔噴模頭。

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第一作者簡介：羅廣恒（1988-），男，大學本科，工程師，研究領域為機械檢測工作，已發表論文2篇。

（編輯：刁少華）