新型阻燃非织造布用闪蒸纺丝装置的研制

纪发达 王敬伟

(山东龙港硅业科技有限公司，山东 潍坊 261300)

非织造布是一种不经纺纱和织造而成的织物，仅由定向或随机排列的纺织短纤维或长丝形成纤维网结构，通过机械或化学方法进行加固而成[1]。它直接使用高聚物切片、短纤维或长丝，通过各种纤维网成型方法和固化技术，形成柔软、透气、平面结构的新型纺织产品。非织造布突破了传统的纺织原理，具有工艺流程短、生产速度快、产量高、成本低、应用范围广、原料来源多等特点。但普通非织造布不具有阻燃性，遇明火容易燃烧，随着人们安全意识的提高和国家相关法律法规的健全，用于汽车内饰、家居装饰、电子电器等领域的非织造布要求具有一定的阻燃性能。目前，阻燃非织造布主要是通过对成品织物进行阻燃整理或在成网加固过程中加入阻燃纤维和阻燃黏合剂来完成，存在工艺繁琐、阻燃效果差、织物手感差、成本高等缺点。

闪蒸纺丝是将高分子溶液处于溶剂的沸点以上，在高压下经喷丝板挤出而达到常压的纺丝方法。纺丝时由于压力突然降低，溶剂急剧蒸发，喷出极细的丝条，用此法可制备超细纤维。现有的闪蒸纺丝方法大多采用螺杆挤压加热熔融后加入溶剂，混合后采用喷射的方法进行生产。发展至今，虽然工艺日趋完善,产品性能更加优越,品种更加多样化，但此法对螺杆的要求较高，需要防止高压熔融液倒流；
高压加入溶剂对计量泵要求较高，微小误差或泄漏都会导致溶剂量出现偏差，影响产品质量；
溶剂加入后混合不均匀，闪蒸后丝未完全拉伸，导致产品质量差，因此该工艺技术还有进一步的发展空间[2]。

1.1 闪蒸纺丝技术现状

闪蒸法非织造布工艺是美国杜邦公司于20世纪90年代初期开发出的一种新型非织造布生产方法，后广泛应用于工业生产。闪蒸法与传统的干法纺丝不同的是：闪蒸工艺采用较低的纺丝液浓度，而以极高的压力和速度从喷丝孔中喷出。由于溶液黏度低、流动性好，液态丝条在高速运动中固化形成极细的纤维丝条，被吸附在成网帘上直接形成纤网。这种特殊工艺形成的纤维非常细，产品具有良好的外观和手感，并具有防水和透湿的特性。

熔喷技术和纺黏技术的融合在非织造布行业的发展中得到了广泛认可，这两种技术的结合极大地促进了熔喷技术的发展。与此同时，熔喷设备也有了很大的发展，采用多喷嘴技术和特殊结构的喷嘴，不仅使单一聚合物原料和圆截面纺丝发展为多原料复合熔喷和异性截面纤维纺丝，同时提高了熔喷产量[3]。

1.2 闪蒸纺丝应用前景

闪蒸法纺丝工艺是非织造技术的“顶级工艺”，具有纺丝速度高、纺丝溶剂量少(与干、湿法比)等优点，由该工艺制造的纤维具有高强、质轻等优点，直径为400～1 000 nm。目前，美国杜邦公司是全球唯一掌握该技术和产品产业化能力的公司。闪蒸纺丝技术是目前发展前景良好的纳米和微米纤维非织造布制备技术，闪蒸非织造布可作为一种理想的防护服面料。发展该技术对提高我国非织造行业技术水平，保护人民生命健康具有重要意义[4]。

闪蒸纺丝法生产的非织造布因具有纤维直径小、质地均匀以及强度高等独特的性能而广受消费者的青睐[5]。纤维网的纤维细，有利于产品非织造布的过滤、防水；
纤维强度高，则有利于纤维网直接成网，不需要与其他纺织品复合，因而大大拓展了非织造布的用途。闪蒸纺丝产品具有特殊的物理特性，如轻盈韧性、防水透气、耐磨抗老化、无黏合剂、不掉屑、可印刷性等，通过建筑节能、包装轻量化、回收利用等产生显著的绿色可持续效应，在建筑、防护、医疗、包装等领域具有广阔的应用前景。我国已经成为世界纺黏法非织造布生产大国，产能、产量均居世界第一。然而，我国非织造布产业结构不合理，生产的纺黏非织造布大多是中低档产品，技术含量高的产品长期依赖进口。目前，德国和法国拥有最先进的非织造布生产设备，设备价格也远高于国内。同时，由于研发时间早、重视程度高，国外非织造布在某些性能上显著优于国内，价格也相对较高。虽然国内有很多非织造设备制造厂家，但它们在功能上不能满足一些企业的需求。因此，纺黏行业在高端非织造布技术方面取得实质性突破，才能使我国逐步迈入世界纺黏非织造布强国之列。

现有的非织造布生产用阻燃闪蒸纺丝装置保温能力较弱，容易导致物料提前冷却，影响产品质量，因此研制出了一种非织造布生产用阻燃闪蒸纺丝装置。为了解决阻燃闪蒸非织造布生产技术要求高、生产设备研发困难、加工工艺复杂等问题，新开发的阻燃非织造布的制备采用熔融共混纺丝技术。以该设备生产的阻燃非织造布具有良好的力学性能和透气性，实现了生产过程的绿色化、生产设备的智能化、生产工艺的复合化。此外，由于熔融混合液经喷丝头喷出，溶剂迅速气化，经分丝部件不规则分散，通过静电发射器区域后，因带同种电荷相互排斥而进一步分散。整个纺丝过程溶剂、聚烯烃、阻燃剂混合度好，可以得到纤维直径较小的非织造布，产品质量及阻燃效果明显提升。

2.1 阻燃非织造布生产用闪蒸纺丝装置

新型阻燃非织造布用闪蒸纺丝装置如图1所示，其分丝部件结构如图2所示。该装置包括第一计量罐、第二计量罐、熔融釜、熔融液储罐、溶剂罐和纺丝设备，其中第一计量罐和第二计量罐分别与熔融釜的第一进料口和第二进料口相连通，熔融釜的出料口与熔融液储罐相连通，熔融液储罐(设有夹套)的出料口以及溶剂罐的出料口通过喷射泵与纺丝设备的喷丝头相连通。

1-第一计量泵；
2-第二计量泵；
3-熔融釜；
30-夹套；
31-搅拌装置；
32-压缩空气入口；
4-熔融液储罐；
5-溶剂罐；
6-纺丝设备；
60-喷丝头；
62-静电发射器；
63-传送带；
64-溶剂出口；
7-喷射泵；
8-溶剂输送管道；
9-熔融液输送管道；
10-溶剂计量泵；
11-回流管道；
12-溶剂回收器

溶剂罐的出料口通过溶剂输送管道与熔融液输送管道相连通，熔融液输送管道一端与熔融液储罐的出料口相连通，另一端与纺丝设备的喷丝头相连通。溶剂输送管道上设溶剂计量泵；
熔融液输送管道上设喷射泵、回流管道，回流管道的一端与靠近纺丝设备的熔融液输送管道相连通，另一端与靠近熔融液储罐的熔融液输送管道相连通；
熔融釜的釜体外部设夹套，内部设搅拌装置，顶部设压缩空气入口。

61-分丝部件；
610-转轴；
611-分丝部；
6110-锥形板；
6111-锥形板；
6112-圆形板

纺丝设备箱体的上部一侧设喷丝头，与喷丝头相对的一侧箱体内壁上设分丝部件，分丝部件的下方设静电发射器，静电发射器的下方设传送带。箱体的顶部一侧设有溶剂出口，通过溶剂回收器连通溶剂罐。

喷丝头为锥形，喷丝头的端部设喷丝孔。分丝部件包括水平设置的转轴及设在转轴上的分丝部，转轴通过电机驱动，其中喷丝孔与分丝部相对应。分丝部件包括多个交替设置且无缝连接的锥形板，锥形板的底部固定在圆形板上，锥形板的顶部及圆形板与转轴焊接连接。

2.2 优化设计及其效果

该阻燃非织造布生产用闪蒸纺丝装置具有如下优化设计及效果。

(1)在纺丝时，聚烯烃颗粒和气相二氧化硅分别通过第一计量泵和第二计量泵定量加入熔融釜内，导热油加热并开启熔融釜的搅拌装置对物料进行搅拌熔融，熔融混合液从熔融釜的出料口进入熔融液储罐内，熔融液和溶剂罐内的溶剂一起通过喷射泵定压喷射经喷丝头喷出，溶剂迅速气化，聚烯烃熔融液成纤维状，经分丝部件不规则分散，通过静电发射器区域后，因带同种电荷相互排斥而进一步分散后散落至传送带上，经传送带输出。整个纺丝过程溶剂、聚烯烃、阻燃剂混合度好，不易出现泄漏而导致停产现象，且生产出的非织造布各个方向的抗拉强度均匀，大大提高了产品质量。

(2)通过溶剂计量泵可以精确地加入所需要的溶剂，溶剂以及熔融液通过喷射泵进入箱体，经喷丝头喷出。溶剂计量泵可以控制所需溶剂量，喷射泵提供压力使得熔融液和溶剂混合进入纺丝设备内部。

(3)设置了回流管道，当熔融混合液和溶剂混合时有助于维持压力稳定。

(4)聚烯烃颗粒和气相二氧化硅进入熔融釜内，向夹套内输送导热油，启动搅拌装置，对物料搅拌加热使其熔融，然后向熔融釜内输入压缩空气，将釜内的熔融液恒温压出。压缩空气入口的设置可以使压缩空气将熔融液恒温压出。

(5)熔融混合液和溶剂混合后进入箱体的喷丝头，经喷丝头喷出后，熔融混合液散布在分丝部件上，然后经分丝部件不规则分散，经过静电发射器区域后，因带同种电荷相互排斥而进一步分散后散落至传送带上，经传送带输出。上述纺丝设备设计合理、结构简单，可使熔融混合液经过纺丝设备形成纤维产品。

(6)熔融混合液进入箱体后，溶剂会携带热量挥发出去，从溶剂出口进入溶剂回收器内，然后再进入溶剂罐，重新作为纺丝溶剂使用，实现了对挥发溶剂的回收，避免了溶剂的浪费。

(7)熔融混合液经过喷丝头的喷丝孔喷出后，经过分丝部件中的分丝部。电机驱动转轴转动，分丝部随着转轴转动，熔融液经过分丝部不规则分散，通过静电发射器区域后，因带同种电荷相互排斥而进一步分散后散落至传送带上，经传送带输出。分丝部件采用这一结构，有助于熔融液的不规则分散，也有助于提高产品质量，增强了纤维疏水性和孔隙率，从而极大地提升了材料的应用性能。

(8)电机驱动转轴转动，转轴带动分丝部转动，熔融混合液经两块交替设置的锥形板时不规则分散开，从而提高丝束网的取向度和断裂强度。分丝部采用这一设计，结构简单，有助于熔融混合液不规则分散开，进一步提高了纤维产品的质量。

聚合物先在熔融釜熔解混合，熔解时的温度为250～280 ℃，压力为20 MPa，熔解成纺丝用熔融混合液，熔融液和溶剂罐内的溶剂一起通过喷射泵定压喷射经喷丝头喷出，溶剂迅速气化，聚烯烃熔融液成纤维状。闪蒸阻燃非织造布纤维网络或纤维各项性能指标见表1。由表1可以看出：闪蒸阻燃纺丝纤维直径最小达0.1 μm；
结晶度高，单纤强度高达5.3 cN/dtex；
纤维取向好，制得的纤维成品具有强度高、抗撕裂、耐穿刺、耐撕裂等性能，是其他普通非织造布的2～3倍；
阻燃效果好，极限氧指数可达33%。纤维保持单根状态、质地均匀、表面光滑、尺寸稳定性好、透气性好及生产纤维连续等优点。

表1 闪蒸阻燃纺丝纤维的性能

新研制的阻燃非织造布用闪蒸纺丝装置可在维持压力稳定、熔融液恒温的情况下，实现对挥发溶剂的回收，避免溶剂的浪费，并有助于熔融液不规则分散，提高纤维产品的质量。该装置制造的非织造布结合了材料自身的优越性能，制得的纤维直径可控制在0.1～3.0 μm，有利于非织造布的过滤、防水；
结晶度高，纤维单纤强度高达5.3 cN/dtex，成品布的强力好，耐撕裂、耐针刺性能极强，有利于纤维网直接成网；
质轻、硬挺，阻燃效果好，极限氧指数不低于31%，拓展了非织造布的用途。该闪蒸纺丝装置具有结构简单、设计合理、回收效率高、操作简单、运行稳定的特点，既简化了操作步骤，又降低了劳动强度和设备维修成本，达到节能降耗、减排增效的目的，且闪蒸纺丝效果好，成品均匀性佳，间接降低生产成本，提高生产效率。目前这项装置已获得了市场认可，具有良好的应用前景。

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