PTFE纖維專用梳理機的設計與試驗

鄭依銘 張旭東 吳海波

1. 東華大學 紡織學院，上海 201620；2. 江蘇東方濾袋股份有限公司，江蘇 鹽城 224400

聚四氟乙烯(PTFE)纖維具有優異的耐熱和耐化學性能[1-2]，其經梳理成網和針刺加固后制成的耐高溫煙塵過濾材料，在垃圾焚燒煙氣凈化領域發揮著重要作用[3-4]。但PTFE纖維導電效應極弱，這與PTFE纖維的分子鏈構象為全氟化螺旋狀直鏈，聚集態結構為高度結晶狀有關[5]。電荷一旦被PTFE纖維獲得便難以再逸散出去，且電荷會不斷累積，導致材料靜電壓較高[6]。故PTFE纖維在梳理過程中會因與金屬機件間不可避免的摩擦而造成強烈的靜電效應，從而引發纖維結團、繞輥、起毛粒，甚至導致纖網出現破洞等問題。

目前，解決PTFE纖維梳理困難的辦法主要是將PTFE纖維與其他纖維混合。例如，杜邦公司將細直徑的玻璃纖維與PTFE纖維混合，生產出了Tefaire過濾氈[7]；廈門三維絲環保工業有限公司開發了聚酰胺纖維(P84)/PTFE復合針刺過濾氈[8]。但混紡會影響PTFE過濾材料的耐腐蝕性能，因此有學者對純PTFE纖維梳理過程中靜電的產生與逸散機制進行了研究。例如：鄭幗等[9]、陳錫勇等[10]提出，通過合理使用抗靜電劑和水，保持生產車間一定的溫度與濕度，使設備接地等方法，能有效消除纖維上的靜電；羅章生[11]指出，梳理過程使用高密矮淺的針布并配合低速強效的分梳參數，能減少電荷的產生。但實際應用發現，采用常規非織造梳理機梳理PTFE纖維時，僅改善車間環境和分梳參數，效率低、轉移難、成網差等問題依舊存在。為此，奧特發公司通過在單錫林羅拉式梳理機上加裝特別的清潔裝置，安德里茨公司通過在單錫林羅拉式梳理機上加裝消除靜電的裝置，實現了PTFE纖維的順利梳理，而有關采用彈性針布和風輪的PTFE纖維專用梳理機卻鮮有報道。

本文將提出一種PTFE纖維專用梳理機，通過優化梳理流程，以解決PTFE纖維梳理效果差的問題。

1 PTFE纖維專用梳理機

1.1 梳理機結構與工作原理

針對PTFE纖維梳理時易聚集電荷且靜電壓高、成網困難等問題，本文設計了一種帶風輪的PTFE纖維專用梳理機。該梳理機的原型為雙錫林羅拉式梳理機，改進后的PTFE纖維專用梳理機機構示意如圖1所示，工作單元參數歸納于表1。梳理機的胸錫林區域采用金屬針布，承擔著對PTFE纖維進行開松和初步梳理的工作，能大幅度地減輕后序梳理單元的負擔。梳理機的主錫林區域配置彈性針布和負隔距的風輪，以減少電荷的產生，增強對纖維的轉移。

1——喂棉羅拉；2——刺輥；3——胸錫林；4——剝取羅拉；5——工作羅拉；6——清潔輥I；7——轉移輥；8——主錫林;9——弧形蓋板；10——上擋風輥；11——風輪；12——下擋風輥；13——清潔輥Ⅱ；14——罩殼；15——道夫；16——斬刀。圖1 PTFE纖維專用梳理機的機構示意(圖中隔距的單位為mm)

利用PTFE纖維專用梳理機梳理時，PTFE纖維經輸網簾喂入胸錫林區域，在開松和初步梳理后形成較分散的PTFE纖維。接著，PTFE纖維經轉移輥喂入主錫林區域，在風輪的作用下，原先因靜電作用而吸附在主錫林上的大量纖維被提升到主錫林的表面，接受道夫充分的梳理。最后，PTFE纖維被轉移到道夫上，并由斬刀剝離至輸網簾，形成均勻的纖網。

1.2 關鍵部件的設計

1.2.1 針布

金屬針布的開松與梳理效果好，現已廣泛應用于非織造梳理機上[12]。但PTFE纖維經金屬針布開松和梳理后會產生大量的電荷，加之電荷又難以從PTFE纖維中逸散出去，故將導致PTFE纖維黏附在金屬針布表面，影響進一步的梳理。此外，PTFE纖維強力低，金屬針布易對其造成損傷，形成飛花等雜質。因此，在本文設計的PTFE纖維專用梳理機上，僅胸錫林區域使用金屬針布(型號為NT5530×6415)，以減輕后序梳理單元的負擔。主錫林區域使用梳理過程比較柔和的彈性針布，既減少了電荷的產生，又降低了對PTFE纖維的損傷。在本文設計的PTFE纖維專用梳理機中，主錫林使用遠東牌29#型彈性針布，道夫使用遠東牌30#型彈性針布。

1.2.2 弧形蓋板

常規梳理機中，由主錫林和梳理單元組成的分梳區是主要的梳理工作區，但這并不適用于PTFE纖維的梳理。這是因為主錫林的速度很高，PTFE纖維在這樣的分梳區將會因強烈的梳理作用而帶上大量的電荷，并在主錫林表面凝聚形成厚實的纖維層，導致梳理效果差，甚至造成堵塞。

本文設計的PTFE纖維專用梳理機中，主錫林區域不配備梳理單元，其梳理作用在主錫林和道夫之間完成，既減少了靜電的產生，又無需犧牲梳理機的工作速度，缺點是這會造成梳理機上方有很大的空間空缺，易形成湍流，故需在主錫林頂部安裝弧形蓋板，并使弧形蓋板與針布表面盡量貼合，以起到控制氣流的作用。

1.2.3 風輪及擋風輥

常規梳理機梳理PTFE纖維時將不可避免地積累靜電，導致PTFE纖維黏附在主錫林的針齒深處，不能順利地轉移至道夫。

PTFE纖維專用梳理機在主錫林和道夫之間加裝了一個風輪(圖2)，起改善PTFE纖維轉移效果的作用。風輪表面安裝有梳針很長的彈性針布。這種針布能插入主錫林針布內部一定深度，并將主錫林針齒深處的纖維提升到主錫林表面，以利于纖維的充分梳理和轉移。風輪附近配備上擋風輥與下擋風輥。兩個擋風輥的旋轉方向與主錫林的相反，起控制氣流的作用。

圖2 風輪裝置

風輪及擋風輥安裝時需注意風輪的轉速、氣流的分布，以及風輪針布插入主錫林針布的深度[13]：

(1)風輪轉速宜超過主錫林轉速 15%～30%，以實現對PTFE纖維的有效提升。風輪轉速過大則會加速風輪針布的磨損，過小則會使主錫林負荷過高，導致主錫林及風輪損壞。

(2)主錫林和風輪的高速回轉會產生強大的氣流，令纖維運動紊亂，飛花增多。因此，PTFE纖維專用梳理機在此處上方采用了全封閉罩殼，其將風輪及上、下擋風輥罩在其中，且風輪與上擋風輥處的罩殼應盡量貼近針布表面，以利于對氣流的控制。如圖2所示，氣流離開弧形蓋板后將向主錫林-風輪的隔距點間噴射。上擋風輥能控制氣流的流動，避免氣流在主錫林-風輪上三角區形成渦流。且由于主錫林與風輪間為負隔距，部分氣流將受到阻攔而向上移動形成氣流A，另一部分氣流將通過隔距點形成氣流B進入主錫林-道夫上三角區。由于氣流A會帶動纖維從上擋風輥兩端的間隙噴出，因此在上檔風輥兩端還需補充反向氣流以降低纖維的損耗。

(3)風輪針布插入主錫林針布的深度影響著纖維的提升效果。但裝配過程中很難直接觀察到風輪針布的插入深度，可通過先在主錫林表面均勻撒上粉末以形成色帶，再撥動風輪，此時風輪針布會因插入主錫林針布中而擦去一部分色帶，最后根據主錫林表面擦去色帶的弧長計算得到針布的插入深度。如圖3所示，主錫林(含針布)半徑為R(mm)，風輪(含針布)半徑為r(mm)，主錫林與風輪的圓心距為a(mm)，針布插入深度為d(mm)，主錫林表面被風輪擦去色帶的弧長為h(mm)，對應的弦長為l(mm)，對應的圓心角為θ(rad)。

圖3 風輪與主錫林隔距示意

由圖3可知，針布的插入深度d：

d=R+r-a

(1)

1.2.4 輸出裝置

為提高纖網的均勻性，纖維梳理時通常會進行雜亂處理。PTFE纖維易摩擦起電，且纖維間抱合力小，雜亂后纖網的均勻性很差，剝離這種纖網時易出現破洞、分層，導致最后無法成網。因此，為確保PTFE纖網的順利輸出，PTFE纖維專用梳理機后宜不再安裝雜亂羅拉和凝聚羅拉，但可采取交叉鋪網和多次梳理的方式進一步提高纖網的均勻性。

2 梳理試驗

2.1 試驗材料與設備

膜裂PTFE纖維，強度2.7 cN/dtex，線密度3～5 dtex，長度(50±5)mm。該纖維截面為扁平狀，表面有溝槽，并分裂有細小的原纖。

PTFE纖維專用梳理機，簡稱梳理機1#；無胸錫林區的PTFE纖維專用梳理機，簡稱梳理機2#；KTPW150-150雙簾夾持式鋪網機，輸出幅寬為150 cm，簡稱交叉鋪網機1#；KTPW270-150雙簾夾持式鋪網機，可分段調速，輸出幅寬為270 cm，簡稱交叉鋪網機2#。

上述材料及設備皆由東方濾袋股份有限公司提供。

2.2 梳理鋪網工藝

將膜裂PTFE纖維提前用高濃度的抗靜電劑處理4 d。利用加濕器和熱蒸汽控制車間環境溫度達到20 ℃、相對濕度達到70%，以利于PTFE纖維梳理加工過程中靜電的逸散。梳理鋪網工藝流程：5 kg膜裂PTFE纖維→手動開松→梳理機1#→交叉鋪網機1#→梳理機2#→交叉鋪網機2#。梳理鋪網機組工藝參數如表2所示。

表2 梳理鋪網機組工藝參數

2.3 纖網性能測試及產能計算

使用CCD相機對制得的PTFE纖網的外觀形態進行拍攝。

依據GB/T 24218.1—2009 《紡織品 非織造布試驗方法 第1部分：單位面積質量的測定》標準，取5塊500 cm2的PTFE纖網試樣，稱取質量，計算面密度，并按式(2)計算變異系數。利用變異系數表征PTFE纖網的不勻率。

(2)

根據梳理鋪網機組每小時的產量計算產能。

2.4 測試結果與分析

2.4.1 外觀形態

梳理鋪網機組運轉試驗發現，梳理機1#和梳理機2#均能正常輸出純PTFE纖網，且沒有出現繞輥和轉移困難的現象。它們輸出的纖網外觀形態如圖4所示，可以看出，梳理機1#輸出的纖網表面存在少量的棉結，而梳理機2#輸出的纖網基本無棉結，表觀均勻性更好。

圖4 梳理鋪網機組中梳理機輸出的纖網外觀形態

2.4.2 面密度、纖網不勻率及產能

經計算得到，梳理鋪網機組中，梳理機1#輸出纖網的面密度為50 g/m2，纖網不勻率為9.10%；交叉鋪網機1#輸出纖網的面密度為400 g/m2，纖網不勻率為5.34%；梳理機2#輸出纖網的面密度為70 g/m2，纖網不勻率為4.25%；交叉鋪網機2#輸出纖網的面密度為350 g/m2，纖網不勻率為2.25%。這些都表明經過兩道梳理與兩道交叉鋪網后，最終得到的PTFE纖網均勻且品質高。

此外，該梳理鋪網機組的產能在88 m2/h，高于安德里茨公司帶消除靜電裝置的梳理機組輸出PTFE纖網的產能(約42 m2/h)。

3 結語

PTFE纖維專用梳理機由羅拉式梳理機改造而成，適用于易聚集電荷且靜電壓高的纖維的梳理。其采取強效開松和柔和梳理的方式，減輕了對纖維的損傷，增強了對纖維的轉移，梳理效果好，且可采取交叉鋪網和多次梳理相結合的方式，進一步提高纖網的均勻性。本文設計的梳理鋪網機組，結合了兩道梳理與兩道交叉鋪網工藝，最終輸出的纖網面密度達350 g/m2，纖網不勻率僅2.25%，產能達88 m2/h，實現了PTFE纖網高效、均勻且高品質地輸出。