新型阻燃非織造布用閃蒸紡絲裝置的研制

紀發達 王敬偉

(山東龍港硅業科技有限公司，山東 濰坊 261300)

非織造布是一種不經紡紗和織造而成的織物，僅由定向或隨機排列的紡織短纖維或長絲形成纖維網結構，通過機械或化學方法進行加固而成[1]。它直接使用高聚物切片、短纖維或長絲，通過各種纖維網成型方法和固化技術，形成柔軟、透氣、平面結構的新型紡織產品。非織造布突破了傳統的紡織原理，具有工藝流程短、生產速度快、產量高、成本低、應用范圍廣、原料來源多等特點。但普通非織造布不具有阻燃性，遇明火容易燃燒，隨著人們安全意識的提高和國家相關法律法規的健全，用于汽車內飾、家居裝飾、電子電器等領域的非織造布要求具有一定的阻燃性能。目前，阻燃非織造布主要是通過對成品織物進行阻燃整理或在成網加固過程中加入阻燃纖維和阻燃黏合劑來完成，存在工藝繁瑣、阻燃效果差、織物手感差、成本高等缺點。

閃蒸紡絲是將高分子溶液處于溶劑的沸點以上，在高壓下經噴絲板擠出而達到常壓的紡絲方法。紡絲時由于壓力突然降低，溶劑急劇蒸發，噴出極細的絲條，用此法可制備超細纖維。現有的閃蒸紡絲方法大多采用螺桿擠壓加熱熔融后加入溶劑，混合后采用噴射的方法進行生產。發展至今，雖然工藝日趨完善,產品性能更加優越,品種更加多樣化，但此法對螺桿的要求較高，需要防止高壓熔融液倒流；高壓加入溶劑對計量泵要求較高，微小誤差或泄漏都會導致溶劑量出現偏差，影響產品質量；溶劑加入后混合不均勻，閃蒸后絲未完全拉伸，導致產品質量差，因此該工藝技術還有進一步的發展空間[2]。

1 閃蒸紡絲技術現狀及應用前景

1.1 閃蒸紡絲技術現狀

閃蒸法非織造布工藝是美國杜邦公司于20世紀90年代初期開發出的一種新型非織造布生產方法，后廣泛應用于工業生產。閃蒸法與傳統的干法紡絲不同的是：閃蒸工藝采用較低的紡絲液濃度，而以極高的壓力和速度從噴絲孔中噴出。由于溶液黏度低、流動性好，液態絲條在高速運動中固化形成極細的纖維絲條，被吸附在成網簾上直接形成纖網。這種特殊工藝形成的纖維非常細，產品具有良好的外觀和手感，并具有防水和透濕的特性。

熔噴技術和紡黏技術的融合在非織造布行業的發展中得到了廣泛認可，這兩種技術的結合極大地促進了熔噴技術的發展。與此同時，熔噴設備也有了很大的發展，采用多噴嘴技術和特殊結構的噴嘴，不僅使單一聚合物原料和圓截面紡絲發展為多原料復合熔噴和異性截面纖維紡絲，同時提高了熔噴產量[3]。

1.2 閃蒸紡絲應用前景

閃蒸法紡絲工藝是非織造技術的“頂級工藝”，具有紡絲速度高、紡絲溶劑量少(與干、濕法比)等優點，由該工藝制造的纖維具有高強、質輕等優點，直徑為400～1 000 nm。目前，美國杜邦公司是全球唯一掌握該技術和產品產業化能力的公司。閃蒸紡絲技術是目前發展前景良好的納米和微米纖維非織造布制備技術，閃蒸非織造布可作為一種理想的防護服面料。發展該技術對提高我國非織造行業技術水平，保護人民生命健康具有重要意義[4]。

閃蒸紡絲法生產的非織造布因具有纖維直徑小、質地均勻以及強度高等獨特的性能而廣受消費者的青睞[5]。纖維網的纖維細，有利于產品非織造布的過濾、防水；纖維強度高，則有利于纖維網直接成網，不需要與其他紡織品復合，因而大大拓展了非織造布的用途。閃蒸紡絲產品具有特殊的物理特性，如輕盈韌性、防水透氣、耐磨抗老化、無黏合劑、不掉屑、可印刷性等，通過建筑節能、包裝輕量化、回收利用等產生顯著的綠色可持續效應，在建筑、防護、醫療、包裝等領域具有廣闊的應用前景。我國已經成為世界紡黏法非織造布生產大國，產能、產量均居世界第一。然而，我國非織造布產業結構不合理，生產的紡黏非織造布大多是中低檔產品，技術含量高的產品長期依賴進口。目前，德國和法國擁有最先進的非織造布生產設備，設備價格也遠高于國內。同時，由于研發時間早、重視程度高，國外非織造布在某些性能上顯著優于國內，價格也相對較高。雖然國內有很多非織造設備制造廠家，但它們在功能上不能滿足一些企業的需求。因此，紡黏行業在高端非織造布技術方面取得實質性突破，才能使我國逐步邁入世界紡黏非織造布強國之列。

現有的非織造布生產用阻燃閃蒸紡絲裝置保溫能力較弱，容易導致物料提前冷卻，影響產品質量，因此研制出了一種非織造布生產用阻燃閃蒸紡絲裝置。為了解決阻燃閃蒸非織造布生產技術要求高、生產設備研發困難、加工工藝復雜等問題，新開發的阻燃非織造布的制備采用熔融共混紡絲技術。以該設備生產的阻燃非織造布具有良好的力學性能和透氣性，實現了生產過程的綠色化、生產設備的智能化、生產工藝的復合化。此外，由于熔融混合液經噴絲頭噴出，溶劑迅速氣化，經分絲部件不規則分散，通過靜電發射器區域后，因帶同種電荷相互排斥而進一步分散。整個紡絲過程溶劑、聚烯烴、阻燃劑混合度好，可以得到纖維直徑較小的非織造布，產品質量及阻燃效果明顯提升。

2 新型阻燃非織造布用閃蒸紡絲裝置

2.1 阻燃非織造布生產用閃蒸紡絲裝置

新型阻燃非織造布用閃蒸紡絲裝置如圖1所示，其分絲部件結構如圖2所示。該裝置包括第一計量罐、第二計量罐、熔融釜、熔融液儲罐、溶劑罐和紡絲設備，其中第一計量罐和第二計量罐分別與熔融釜的第一進料口和第二進料口相連通，熔融釜的出料口與熔融液儲罐相連通，熔融液儲罐(設有夾套)的出料口以及溶劑罐的出料口通過噴射泵與紡絲設備的噴絲頭相連通。

1-第一計量泵；2-第二計量泵；3-熔融釜；30-夾套；31-攪拌裝置；32-壓縮空氣入口；4-熔融液儲罐；5-溶劑罐；6-紡絲設備；60-噴絲頭；62-靜電發射器；63-傳送帶；64-溶劑出口；7-噴射泵；8-溶劑輸送管道；9-熔融液輸送管道；10-溶劑計量泵；11-回流管道；12-溶劑回收器

溶劑罐的出料口通過溶劑輸送管道與熔融液輸送管道相連通，熔融液輸送管道一端與熔融液儲罐的出料口相連通，另一端與紡絲設備的噴絲頭相連通。溶劑輸送管道上設溶劑計量泵；熔融液輸送管道上設噴射泵、回流管道，回流管道的一端與靠近紡絲設備的熔融液輸送管道相連通，另一端與靠近熔融液儲罐的熔融液輸送管道相連通；熔融釜的釜體外部設夾套，內部設攪拌裝置，頂部設壓縮空氣入口。

61-分絲部件；610-轉軸；611-分絲部；6110-錐形板；6111-錐形板；6112-圓形板

紡絲設備箱體的上部一側設噴絲頭，與噴絲頭相對的一側箱體內壁上設分絲部件，分絲部件的下方設靜電發射器，靜電發射器的下方設傳送帶。箱體的頂部一側設有溶劑出口，通過溶劑回收器連通溶劑罐。

噴絲頭為錐形，噴絲頭的端部設噴絲孔。分絲部件包括水平設置的轉軸及設在轉軸上的分絲部，轉軸通過電機驅動，其中噴絲孔與分絲部相對應。分絲部件包括多個交替設置且無縫連接的錐形板，錐形板的底部固定在圓形板上，錐形板的頂部及圓形板與轉軸焊接連接。

2.2 優化設計及其效果

該阻燃非織造布生產用閃蒸紡絲裝置具有如下優化設計及效果。

(1)在紡絲時，聚烯烴顆粒和氣相二氧化硅分別通過第一計量泵和第二計量泵定量加入熔融釜內，導熱油加熱并開啟熔融釜的攪拌裝置對物料進行攪拌熔融，熔融混合液從熔融釜的出料口進入熔融液儲罐內，熔融液和溶劑罐內的溶劑一起通過噴射泵定壓噴射經噴絲頭噴出，溶劑迅速氣化，聚烯烴熔融液成纖維狀，經分絲部件不規則分散，通過靜電發射器區域后，因帶同種電荷相互排斥而進一步分散后散落至傳送帶上，經傳送帶輸出。整個紡絲過程溶劑、聚烯烴、阻燃劑混合度好，不易出現泄漏而導致停產現象，且生產出的非織造布各個方向的抗拉強度均勻，大大提高了產品質量。

(2)通過溶劑計量泵可以精確地加入所需要的溶劑，溶劑以及熔融液通過噴射泵進入箱體，經噴絲頭噴出。溶劑計量泵可以控制所需溶劑量，噴射泵提供壓力使得熔融液和溶劑混合進入紡絲設備內部。

(3)設置了回流管道，當熔融混合液和溶劑混合時有助于維持壓力穩定。

(4)聚烯烴顆粒和氣相二氧化硅進入熔融釜內，向夾套內輸送導熱油，啟動攪拌裝置，對物料攪拌加熱使其熔融，然后向熔融釜內輸入壓縮空氣，將釜內的熔融液恒溫壓出。壓縮空氣入口的設置可以使壓縮空氣將熔融液恒溫壓出。

(5)熔融混合液和溶劑混合后進入箱體的噴絲頭，經噴絲頭噴出后，熔融混合液散布在分絲部件上，然后經分絲部件不規則分散，經過靜電發射器區域后，因帶同種電荷相互排斥而進一步分散后散落至傳送帶上，經傳送帶輸出。上述紡絲設備設計合理、結構簡單，可使熔融混合液經過紡絲設備形成纖維產品。

(6)熔融混合液進入箱體后，溶劑會攜帶熱量揮發出去，從溶劑出口進入溶劑回收器內，然后再進入溶劑罐，重新作為紡絲溶劑使用，實現了對揮發溶劑的回收，避免了溶劑的浪費。

(7)熔融混合液經過噴絲頭的噴絲孔噴出后，經過分絲部件中的分絲部。電機驅動轉軸轉動，分絲部隨著轉軸轉動，熔融液經過分絲部不規則分散，通過靜電發射器區域后，因帶同種電荷相互排斥而進一步分散后散落至傳送帶上，經傳送帶輸出。分絲部件采用這一結構，有助于熔融液的不規則分散，也有助于提高產品質量，增強了纖維疏水性和孔隙率，從而極大地提升了材料的應用性能。

(8)電機驅動轉軸轉動，轉軸帶動分絲部轉動，熔融混合液經兩塊交替設置的錐形板時不規則分散開，從而提高絲束網的取向度和斷裂強度。分絲部采用這一設計，結構簡單，有助于熔融混合液不規則分散開，進一步提高了纖維產品的質量。

3 利用新型裝置生產的阻燃紡絲纖維產品的性能

聚合物先在熔融釜熔解混合，熔解時的溫度為250～280 ℃，壓力為20 MPa，熔解成紡絲用熔融混合液，熔融液和溶劑罐內的溶劑一起通過噴射泵定壓噴射經噴絲頭噴出，溶劑迅速氣化，聚烯烴熔融液成纖維狀。閃蒸阻燃非織造布纖維網絡或纖維各項性能指標見表1。由表1可以看出：閃蒸阻燃紡絲纖維直徑最小達0.1 μm；結晶度高，單纖強度高達5.3 cN/dtex；纖維取向好，制得的纖維成品具有強度高、抗撕裂、耐穿刺、耐撕裂等性能，是其他普通非織造布的2～3倍；阻燃效果好，極限氧指數可達33%。纖維保持單根狀態、質地均勻、表面光滑、尺寸穩定性好、透氣性好及生產纖維連續等優點。

表1 閃蒸阻燃紡絲纖維的性能

4 結語

新研制的阻燃非織造布用閃蒸紡絲裝置可在維持壓力穩定、熔融液恒溫的情況下，實現對揮發溶劑的回收，避免溶劑的浪費，并有助于熔融液不規則分散，提高纖維產品的質量。該裝置制造的非織造布結合了材料自身的優越性能，制得的纖維直徑可控制在0.1～3.0 μm，有利于非織造布的過濾、防水；結晶度高，纖維單纖強度高達5.3 cN/dtex，成品布的強力好，耐撕裂、耐針刺性能極強，有利于纖維網直接成網；質輕、硬挺，阻燃效果好，極限氧指數不低于31%，拓展了非織造布的用途。該閃蒸紡絲裝置具有結構簡單、設計合理、回收效率高、操作簡單、運行穩定的特點，既簡化了操作步驟，又降低了勞動強度和設備維修成本，達到節能降耗、減排增效的目的，且閃蒸紡絲效果好，成品均勻性佳，間接降低生產成本，提高生產效率。目前這項裝置已獲得了市場認可，具有良好的應用前景。