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宜兴熔喷布模具 | 熔喷布核心生产技术及"卡脖子"核心部件!

  宜兴熔喷布模具 | 熔喷布核心生产技术及"卡脖子"核心部件!

  

  熔喷布作为口罩的核心组成部分,成为当下的口罩生产链中最紧俏的材料。

  

  医用外科口罩(结构如图1所示)通常由三层无纺布构成,中间层起到最重要的过滤和阻隔作用,所用材料即熔喷无纺布。

  

  图1 口罩结构图

  

  熔喷布看起来并没什么特别,但生产过程却十分复杂,其制作流程可概括为三大环节:首先从石油中提炼石脑油,然后化学加工成聚丙烯,最后经熔喷工艺做成布状物,大体流程如图2所示。这里主要介绍最后一个环节。

  

  图2  熔喷布制作流程

  

  一、原料的选择

  

  聚丙烯(PP)容易成丝,且在熔融指数较高(MFI≥1500g/10min)的情况下,能成为相当细的纤维(直径为2~3 μm)。如图3所示,虽然制得的熔喷布空隙相较于新型冠状病毒尺寸(0.1 μm左右)而言大得多,但是其对于环境中病毒的过滤能力依然很强。因为,第一,病毒无法独立存在,其传播途径主要有分泌物和打喷嚏时的飞沫,飞沫的大小在 5 μm左右;第二,熔喷布本质上是一种纤维过滤器,含有病毒的飞沫靠近熔喷布后,也会被静电吸附在表面,无法透过。

  

  图3 聚丙烯纤维

  

  二、生产工艺

  

  熔喷布的生产工艺主要分为熔融挤出、熔喷工艺以及驻极处理三步。具体流程示意图如图4所示。

  

  图4 熔喷布的生产工艺

  

  依靠螺杆挤出机将聚合物颗粒熔融送至熔融模头组合件,包括聚合物分配系统、模头系统、牵伸热空气管路通道和加热保温元件,并由模头的喷丝孔挤出(图5a、图5b)。熔喷工艺的喷丝孔直径远小于内外层纺粘布中所用的喷丝孔,是因为熔喷布纤维直径仅为纺粘布纤维的十分之一。为达到所需细度,除了依靠更小的喷丝孔外,还需要在喷丝孔挤出的同时使熔体纤维受到两侧高速热空气流的牵伸(图5c),此外两侧室温空气混入了热流空气,可以使被拉细的熔体冷却固化成形。经牵伸和冷却固化的超细纤维在牵伸气流的作用下吹向凝网帘,凝网帘下部有真空抽吸装置,可以将纤维吸附在凝网帘上,利用自身余热黏合成网。最后,是至关重要的是驻极处理,纺丝线上的发射电极可使熔喷成型纤维带有持久的静电荷,从而使熔喷布在不阻碍呼吸的前提下额外具有静电吸附效应。熔喷法生产的无纺布自身具备35%的过滤性能,经过驻极处理后过滤性可提高至95%。

  

  图5 模头结构

  

  三、影响熔喷布质量的因素

  

  1. 聚合物原料的MFI

  

  熔喷布作为口罩最佳阻隔层,是一种极为细密的材质,内部由许多纵横交错的超细纤维以随机方向堆叠而成。以PP为例,MFI越高,熔喷加工时拉出的丝越细,过滤性能越好。

  

  2. 热气流速度

  

  在相同温度、螺杆转速和接收距离(DCD)等条件下,热空气速度越快,纤维直径越小,无纺布手感逐渐变软,纤维缠结越多,从而导致纤网更加密实且光滑,强度提高。

  

  3. 热空气喷射角

  

  热空气喷射角度(见图5a)主要影响拉伸效果和纤维形态。角度变小会促使细流形成平行纤维束,从而导致无纺布均匀性差。若角度趋于90°,将产生高度分散而湍动的气流,有利于纤维在凝网帘上无规分布,最终得到的熔喷布各向异性性能好。

  

  4. 接收距离(DCD)

  

  过长的接受距离会导致纵横向强度、弯曲强度下降,无纺布手感蓬松,在熔喷工艺中会导致过滤效率和过滤阻力下降。

  

  5. 螺杆挤出速度

  

  在温度恒定的情况下,螺杆挤出速率应保持在一定范围:

  

  在某一临界点之前,挤出速度越快,熔喷布定量越高,强度越大;到超过该临界值,熔喷布的强度反而下降,尤其是MFI>1000时更为明显,可能是因为挤出速率过高导致丝条牵伸不充分,并丝严重,从而布面粘结纤维减少,熔喷布强度降低。

  

  熔喷布设备"卡脖子"部件--喷丝板

  

  聚丙烯材料从石油中提炼,目前中石化等企业可以大量生产,但是将聚丙烯生产为熔喷布的设备,特别是核心的零部件喷丝板主要依赖进口。这些供应商主要有日本的卡森喷丝板、德国恩卡、日本喷丝板等企业。日本的供应商占有最重要的地位。

  

  非常时期,能够及时为熔喷布生产设备商提供可满足医用外科口罩以及KN95、KN99等其他高防护性口罩熔喷布生产所需的喷丝板就变得非常重要。

  

  熔喷布挤出模具

  

  微孔要求:Φ0.20~Φ0.25mm,深度2.5~4mm不等

  

  工件材料:4Cr13(硬度HRC28~32)

  

  微孔钻头:Φ0.2x3.5mm、Φ0.25x4mm

  

  加工难点:钻头寿命低,加工效率不足

  

  ▲喷丝板

  

  (熔喷布加工设备 图片来源网络)

  

  从专利文献中可以看到熔喷布的生产原理,利用热风喷射,从喷丝板的喷头的细孔中挤出热聚丙烯,使其呈纤维状延伸,然后集聚在传送带上,根据其自熔接性形成纤维网。喷丝板上排列很多细小的喷嘴,直径只有0 .15mm,喷嘴喷出的熔融聚丙烯流通过高速空气流延伸并集中在移动的传送带上,获得熔喷布。

  

  熔喷布设备

  

  其中最为核心的技术就是喷丝板上的细小喷嘴,这种喷嘴不但尺寸细微,只有0.15mm,还要在如此细小的喷嘴上加工出复杂的孔型,加工难度极大,喷嘴加工的过程需要几个月时间!如果加工精度不高,最后生产出的熔喷布就达不到相应的技术要求。以目前的几家企业的产量,远远不能满足市场的需求。

  

  那么,口罩熔喷布喷丝板上的小孔能用什么设备加工呢?

  

  微孔加工喷丝板制作

  

  看看熔喷布是如何生产

  

  但是喷丝板不仅仅是生产熔喷布设备用的,还用于各种化纤的生产设备。熔喷布生产设备最核心的喷丝板喷嘴的生产难度非常大,而且高端喷丝板主要供应商都在日本和德国。在中国也布局相关的专利,不过基础专利基本过期了。


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