基于噴絲板設計加工及生產過程的熔噴布生產難點分析

李 銳,原海波,李濤英

(1.綿陽市纖維檢驗所,四川 綿陽 621000;2.成都紡織高等專科學校,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,添加相應的輔料然后通過螺桿擠壓熔融紡絲生產得來,因噴絲頭孔徑小及對纖維的拉伸,可以使纖維直徑達到1~5μm。這樣單位體積中擁有更多的纖維數量,增加了比表面積,纖維網結構柔軟松散、抗皺性能優良,從而使熔噴布具有良好的過濾性、屏蔽性、絕熱性和吸油性等性能。熔噴布在我國強大的生產能力下很難大規模生產,是因為其特殊的生產工藝以及加工設備核心部件還沒有掌握。熔噴布的生產難點主要體現在紡絲原料的純度、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。而熔噴布生產設備最核心的噴絲板噴嘴的加工難度最大,因其超細的孔徑,加工時間需要幾個月,而且產能非常有限。通過對熔噴布生產過程及核心部件加工過程中遇到的問題來分析熔噴布的生產難點。

1 熔噴布生產設備概況及主要部件

熔噴布是將聚合物切片通過螺桿擠壓機加壓加熱后成熔融狀態,然后經過計量泵精準控制溶體流速,經過濾后將溶體按照分配的流道勻速地到達噴絲模組前端的噴絲頭,從噴絲孔中高速噴出,噴出后的纖維依靠兩束以一定速度及收斂的高溫、高速氣流將其吹拉伸長以便制備成超細纖維,經過細化的纖維再經過冷卻固化于網簾裝置上形成熔噴非織造布。最后經過駐極處理使其具有靜電吸附效應(圖1)。

圖1 熔噴布生產工藝流程圖

1.1 喂料系統

按照生產工藝比例要求將3個進樣器中的白色切片、色母粒、添加劑由3個計量泵控制進樣量,然后進入到混合攪拌器中,充分攪拌混合均勻后即可進入下道工序。

1.2 螺桿擠壓機

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

1.3 熔體過濾器

螺桿擠壓后熔體中含有微小雜質,將其過濾,以免堵塞噴絲孔和形成斷絲。

1.4 計量泵

可以精準控制流速將熔體連續輸送到噴絲頭,進而控制產量和纖維的細度,一般為齒輪泵。

1.5 熔噴模頭

熔噴模頭是實現高聚物拉絲成型的核心組件。包括模頭主體、噴絲板和氣板。將經過計量后的熔融原料通過管道送到噴絲孔,纖維噴出后經過兩側的熱空氣以一定夾角對噴出的纖維進行高速吹掃,將纖維吹細吹長,使其變成超細纖維。因此,熔噴模頭是最核心的組件,其設計及加工將直接影響纖維的細度、韌性、均勻度、長度等方面,從而對最終的成品質量產生決定性影響。

1.6 接收網簾

將熔噴纖維均勻接收鋪在網簾上,向前輸送。其下方有吸風機,將上面吹下來的熱風迅速排出。

1.7 駐極處理器

通過高壓電暈處理,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。

1.8 卷取機

將熔噴成網的熔噴布全自動卷取包裝。

2 熔噴模頭

噴絲模頭由模頭主體、噴絲板和氣板組成,是生產中的核心部件。噴絲板和氣板是單獨的組件,可在模頭主體內拆卸、安裝,便于維護生產。噴絲板內設計有一排噴絲孔,噴絲板和氣板之間設計有多個夾縫槽,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行拉伸牽引和凝固(圖2)。

圖2 熔噴模頭結構

3 噴絲板的設計及加工

3.1 噴絲板的材料選擇

熔噴噴絲板工作狀態相當苛刻,既要承受高溫高壓,又要保證噴出的纖維質量要求,因此噴絲板的材質選擇對其機械性能和使用壽命有很大的影響,通常材質硬度越高,噴絲板的使用壽命就越長,但其加工難度也會加大,所以需要選用耐高溫、耐腐蝕以及具有優良機械加工性能的不銹鋼材質[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,它的設計工藝及加工質量是保證合成纖維成品質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重要,要求極高,現在對纖維的直徑要求越來越細,對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越小,加工難度也越來越大。同時,為了適應市場需求,提高纖維的生產效率及加工質量,也要求噴絲板上的單板孔數盡量增加,這些因素都對噴絲孔的加工工藝及加工技術提出了更高的要求。因為加工孔徑現階段主要為0.1~0.5 mm,加工過程中需要10 000 r/min的主軸機床。現階段,生產熔噴布的噴絲板主要依賴進口,這些供應商主要有日本的卡森、德國恩卡等企業。

標準(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構形式,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小的圓柱形微孔,對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構

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個微孔,但由于孔太小,刀具壽命不穩定,一旦發生無法預測的提前斷刀,在鉆頭無法取出的情況下,甚至會引起整塊噴絲板的報廢。例如加工直徑0.2 mm的噴絲微孔,加工時間在30 s左右,工藝加工設備必須是高速精雕機,具有超高速的精密主軸,刀擺必須控制在0.002 mm以內。該工藝加工效率不高,因為鉆頭太細,剛性差,所以在鉆孔時容易偏斜,產生振動,使得孔的表面粗糙度和尺寸精度不易保證。加工時排屑困難,熱量不易排出,轉頭排熱差,轉速過快會導致磨損加劇甚至鉆頭折斷,噴絲板的微孔內表面會留下毛刺[3],而且鉆頭的使用壽命為200~500孔。目前高端產品以日本等外國企業占據主導地位。

3.2.2 電火花加工工藝

為了減少鉆頭斷掉的風險和產生毛刺等問題,目前也有使用石墨或滲銅石墨電極來進行電火花微孔加工。電火花微孔加工技術隨著光學儀器、精密機械、現代電子等領域的不斷發展而得到廣泛應用。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越多,這些孔可以采用整體點擊一次性加工成型,孔形精度一次性評價好,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節電參數就可得到控制等優勢,近年來該技術發展迅猛。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,微小的改變都將導致電極加工困難,周期長且價格昂貴[4]。電火花加工是一個典型的慢加工,在加工微孔時表現得尤為明顯,速度隨著加工精度的提高而減慢。對于少量幾個的微孔加工可以使用,主要是針對模具打孔等操作,無法批量生產,費用高。

3.2.3 激光微細加工工藝

超快脈沖激光是一種綠色、無熱反應、無接觸、無耗材的加工方式。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]。在加工過程中產生非受熱區,短短幾秒即可完成完美的微形孔加工。這種精確的無毛刺加工可以作用于眾多材料,從鋼、鋁、硬質合金、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,激光微細加工也存在著問題。主要是由于其加工后會產生一些燒黑的現象,加工過程中由于高溫容易改變材料材質,另外此加工方法中殘渣不易清理或無法清理。因此激光微細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,但是針對批量的訂單,激光加工就無法滿足客戶對交期和成本的期望值。

4 噴絲板在生產使用中常遇到的問題

4.1 噴絲孔不夠光滑

很多生產廠商即使使用同一種熔噴料,相同的參數,噴絲板用久了還是容易堵塞。因為噴絲孔用久了會有毛刺產生,導致內壁不夠光滑,噴出的纖維絲產生瑕疵,需要定期清洗拋光,去除噴絲板小孔內毛刺,增加內壁光潔度,從而避免上機易堵孔、沙眼及結晶的問題。

4.2 噴絲孔堵塞

為了增加熔噴布的靜電吸附性,有些生產廠家會添加過量的駐極母粒,導致噴絲孔堵塞;另外還會遇到有些生產廠家所采用的聚丙烯原料的熔融指數不達標也會導致噴絲孔堵塞。

5 結語

熔噴布生產是一個復雜的系統工程,紡絲主要部件噴絲模頭因其加工工藝特點只有少數企業掌握了加工技術,又因其細小孔徑及特殊材料很難快速高效加工成品,而在熔噴布生產過程中又因為毛刺及噴頭堵塞等原因造成停機檢修,因此熔噴布很難大規模地生產出來。