王璟鈺

摘要：文章首先對(duì)聚丙烯熔噴無(wú)紡布的制作用途與制作原理進(jìn)行了簡(jiǎn)要闡述;其后，圍繞助劑加入系統(tǒng)與料絲擠出系統(tǒng)兩個(gè)部分，研究了聚丙烯熔噴無(wú)紡布擠出設(shè)備的主要構(gòu)成;最后，從工藝溫度與螺桿長(zhǎng)徑比兩個(gè)角度入手，分析了聚丙烯熔噴無(wú)紡布專用料擠出工藝的運(yùn)用要求。

關(guān)鍵詞：聚丙烯;無(wú)紡布;熔噴法

引言

無(wú)紡布亦稱“不織布”，是一種新型、環(huán)保的纖維制品，且具備良好的透氣、過(guò)濾、阻燃、防潮等性能，因此被廣泛運(yùn)用于化工、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等多個(gè)領(lǐng)域。在新冠疫情的背景下，醫(yī)用口罩這一無(wú)紡布制品得到了社會(huì)各界的極大重視，相關(guān)制作設(shè)備、制作工藝也隨之受到充分關(guān)注。在此背景下，我們有必要對(duì)丙烯熔噴無(wú)紡布專用料擠出設(shè)備及其工藝展開(kāi)探究討論。

一、聚丙烯熔噴無(wú)紡布的用途原理

聚丙烯材料具備無(wú)毒、無(wú)害、無(wú)臭的清潔性特點(diǎn)，且具有良好的熱塑性，因此在醫(yī)療領(lǐng)域有著很高的應(yīng)用價(jià)值?，F(xiàn)階段，聚丙烯熔噴無(wú)紡布常作為醫(yī)用口罩的過(guò)濾層出現(xiàn)，承擔(dān)著過(guò)濾空氣、阻隔細(xì)菌的重要任務(wù)。現(xiàn)階段，以聚丙烯為原料、以熔噴法為手段的無(wú)紡布制作原理為：利用高溫使聚丙烯轉(zhuǎn)化為熔融狀態(tài)，再通過(guò)高溫度、高速度的氣流，把聚丙烯吹成極細(xì)的纖維絲，并使其沿隨機(jī)方向飛至凝網(wǎng)簾、凝網(wǎng)滾筒等構(gòu)件處，從而將纖維絲編織成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。這樣一來(lái)，在構(gòu)件高溫粘合或聚丙烯自粘合的作用下，纖維絲便可固結(jié)為無(wú)紡布。結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際來(lái)看，當(dāng)前口罩過(guò)濾層所用聚丙烯熔噴無(wú)紡布的纖維直徑多在0.5μm至10μm之間，約為正常人發(fā)絲直徑的1/30。在此基礎(chǔ)上，隨機(jī)交疊的纖維網(wǎng)絡(luò)可同時(shí)形成物理過(guò)濾與靜電過(guò)濾作用，從而將飛沫、細(xì)菌阻隔在聚丙烯熔噴無(wú)紡布以外，達(dá)到防塵、防病菌的效果。但需要注意的是，水洗會(huì)較嚴(yán)重地破壞纖維網(wǎng)絡(luò)的靜電吸附能力，繼而降低口罩的過(guò)濾質(zhì)量。所以，以聚丙烯熔噴無(wú)紡布為材料的口罩通常為一次性防護(hù)用具。

二、聚丙烯熔噴無(wú)紡布專用料擠出設(shè)備的主要構(gòu)成

在聚丙烯噴熔無(wú)紡布專用料擠出設(shè)備的結(jié)構(gòu)體系中，主要包含固體加料系統(tǒng)、助劑添加系統(tǒng)、雙螺桿擠出系統(tǒng)、切粒機(jī)、振動(dòng)篩等構(gòu)成部分，整體機(jī)組的常規(guī)參數(shù)為：（1）螺桿直徑：φ90mm;（2）螺桿長(zhǎng)徑比：44∶1;

（3）???? 螺桿最大轉(zhuǎn)速：330r/min;（4）物料擠出流速：120g/min～150g/min。

在擠出設(shè)備結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與運(yùn)行當(dāng)中，關(guān)鍵點(diǎn)主要有兩個(gè)方面：第一，要保證液體助劑進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部后的壓力、流速處于穩(wěn)定狀態(tài)，并使雙螺桿構(gòu)件可在轉(zhuǎn)動(dòng)作用下實(shí)現(xiàn)液體助劑與聚丙烯原料的完全混合與充分反應(yīng);第二，要保證聚丙烯材料的擠出質(zhì)量，避免出現(xiàn)料絲粘連的情況，以防止對(duì)聚丙烯熔噴無(wú)紡布的成品效果產(chǎn)生負(fù)面影響。結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，盡量減小材料擠出后進(jìn)入冷卻水槽的距離，可有效降低料絲粘連的故障發(fā)生幾率?；诖耍蓪?duì)聚丙烯熔噴無(wú)紡布專用料擠出設(shè)備的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行如下設(shè)計(jì)：

（一）助劑加入系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在目前，業(yè)內(nèi)主要使用的聚丙烯助劑為EnoxDTBP溶液，其與聚丙烯原料的比例通常為1∶19。由于助劑的用量較少，所以必須要將其與原料進(jìn)行均勻、充分的混合，才能達(dá)到最佳的熔噴料生產(chǎn)效果。在設(shè)計(jì)實(shí)踐中，助劑加入系統(tǒng)應(yīng)包含進(jìn)料裝置、助劑注入閥與電氣控制系統(tǒng)三個(gè)部分。設(shè)備運(yùn)行時(shí)，主要通過(guò)往復(fù)式計(jì)量泵產(chǎn)生壓力，促使料流完成由進(jìn)入到擠出的整體過(guò)程，其泵壓通常在0.2MPa左右。在此基礎(chǔ)上，為了保證EnoxDTBP溶液可順暢、高效地進(jìn)入機(jī)筒內(nèi)部，并與聚丙烯實(shí)現(xiàn)充分混合，應(yīng)將助劑進(jìn)料口設(shè)置在操作側(cè)遠(yuǎn)端螺桿的上部。究其原因，主要是在聚丙烯熔噴無(wú)紡布專用料擠出設(shè)備運(yùn)行時(shí)，雙螺桿結(jié)構(gòu)中遠(yuǎn)端螺桿的原料充盈程度比較低，其腔體內(nèi)的壓力值也處于較低狀態(tài)，所以不會(huì)對(duì)助劑進(jìn)入產(chǎn)生較大阻礙[1]。

此外，還需對(duì)液體注入閥進(jìn)行細(xì)化設(shè)計(jì)。注入閥通常由閥主體、閥芯、閥帽以及密封件四個(gè)部分構(gòu)成。其中，閥芯與閥主體進(jìn)行螺紋連接，可通過(guò)螺紋轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)兩者連接距離的控制，從而實(shí)現(xiàn)助劑進(jìn)入量的調(diào)整。密封件應(yīng)設(shè)置在閥芯與閥主體之間，對(duì)閥芯上部進(jìn)行密封保護(hù)，以避免助劑從縫隙處溢出。在該設(shè)備結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)應(yīng)用中，相關(guān)人員可先旋緊閥主體的連接件，在逐漸擰松。通過(guò)這樣的方式，可有效釋放出液體注入閥內(nèi)部的壓力，使其腔體內(nèi)部壓力與外部大氣壓力相一致，進(jìn)一步提高助劑進(jìn)入的通暢性。

（二）料絲擠出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

由于聚丙烯的熱塑性極高，所以其在設(shè)備擠出初期，仍然具備較強(qiáng)的粘性，故而易發(fā)生料絲、料條的粘連故障。對(duì)此，主要應(yīng)從兩個(gè)角度入手進(jìn)行設(shè)備擠出系統(tǒng)的優(yōu)化：一方面，應(yīng)將聚丙烯熔噴無(wú)紡布專用料的擠出孔間距進(jìn)行擴(kuò)大設(shè)計(jì)，以保證同時(shí)擠出的物料不會(huì)相互接觸。另一方面，應(yīng)縮短物料擠出后的入水距離，以促進(jìn)聚丙烯的快速硬化。以此為基礎(chǔ)，可設(shè)計(jì)出機(jī)頭寬度為700mm的自落式物料擠出裝置，將擠出孔的數(shù)量、間距分別設(shè)置為49個(gè)、13.5mm，并使料絲擠出方向設(shè)置在下方。經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)，在200kg/h產(chǎn)量的工況下，聚丙烯熔噴無(wú)紡布專用料擠出設(shè)備的料絲粘連問(wèn)題可得到有效解決，且出料均勻，即表明設(shè)計(jì)思路合理。

三、聚丙烯熔噴無(wú)紡布專用料擠出工藝的運(yùn)用要求

（一）工藝溫度的控制

聚丙烯的熱塑性與加工溫度通常呈現(xiàn)正比關(guān)系。所以，要想降低料絲粘連的故障問(wèn)題發(fā)生，還可對(duì)聚丙烯熔噴無(wú)紡布專用料擠出工藝中的出料溫度參數(shù)進(jìn)行控制，以便降低聚丙烯的熱塑性，使其在入水后最短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)完全冷卻。但需要注意的是，若出料溫度設(shè)置過(guò)低，將很難保證聚丙烯處于理想的熔融狀態(tài)狀態(tài)中，不利于熔噴專用料的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)出。同時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致聚丙烯與EnoxDTBP無(wú)法充分反應(yīng)，進(jìn)而降低熔噴專用料的阻燃、強(qiáng)韌等性能水平。反之，若溫度過(guò)高，則無(wú)法達(dá)到出料故障的控制效果。基于此，有學(xué)者將進(jìn)料至出料的流道整體分成了T1至T16共 16個(gè)區(qū)段，其最佳控制溫度分別為170℃、160℃、225℃、225℃、225℃、225℃、225℃、200℃、180℃、160℃、150℃、145℃、145℃、140℃、170℃、160℃。其中，T2為流道的助劑加入口，T10、T12為流道的真空排氣口。通過(guò)這樣的工藝溫度控制方式，可使聚丙烯實(shí)現(xiàn)加工溫度的先升后降，從而在保證聚丙烯熔融反應(yīng)與混合反應(yīng)充分完成的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)熔噴專用料擠出溫度的降低，以便最大程度地防止料絲粘連。

（二）長(zhǎng)徑比的控制

在聚丙烯熔噴無(wú)紡布專用料擠出工藝的應(yīng)用過(guò)程中，用于物料混合與擠出的雙螺桿系統(tǒng)可對(duì)熔噴專用料的最終質(zhì)量產(chǎn)生影響，因此有必要對(duì)其長(zhǎng)徑比進(jìn)行合理控制。據(jù)相關(guān)研究顯示，當(dāng)螺桿長(zhǎng)徑比處于36∶1時(shí)，聚丙烯原料與助劑在設(shè)備內(nèi)部的停留時(shí)間比較短，所以聚丙烯并不能完全進(jìn)入熔融狀態(tài)，其混合反應(yīng)也無(wú)法充分。此時(shí)，熔噴專用料在擠出后的韌性、沖擊抗性、助劑特性均處于較低水平;當(dāng)螺桿長(zhǎng)徑比處在44∶1時(shí)，聚丙烯及助劑均能在擠出設(shè)備內(nèi)實(shí)現(xiàn)有效的分散與混合，因此其各項(xiàng)性能也隨之處在峰值狀態(tài);當(dāng)螺桿長(zhǎng)徑比處在48∶1時(shí)，由于聚丙烯在高溫環(huán)境中停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，所以會(huì)發(fā)生相應(yīng)的降解反應(yīng)。此時(shí)，聚丙烯的加工消耗量增大，熔噴專用料的整體性能也有所下滑。所以，應(yīng)將設(shè)備長(zhǎng)徑比控制為48∶1這一最佳參數(shù)[2]。

四、結(jié)論

總而言之，基于聚丙烯材料的強(qiáng)熱塑性特點(diǎn)，其擠出加工的設(shè)備與工藝要求也比較高。在實(shí)踐中，相關(guān)人員應(yīng)堅(jiān)持趨優(yōu)性的設(shè)計(jì)原則，力求達(dá)到最佳的設(shè)備質(zhì)量與工藝參數(shù)，以避免料絲粘連、產(chǎn)品低質(zhì)等負(fù)面情況發(fā)生。

參考文獻(xiàn)：

[1]?? 陶永亮，陳曦，向科軍.聚丙烯材料在醫(yī)用口罩中的應(yīng)用[J].橡塑技術(shù)與裝備，2020，46（08）：33-36.

[2]?? 蔡智勇，張翼翔，劉俊，陳新泰，劉鵬輝，王國(guó)宏，謝鳳輝.擠出設(shè)備及擠出工藝對(duì)膨脹型阻燃聚丙烯的影響[J].廣東化工，2019，46（06）：56-58.