熱軋粘合三要素對非織造產(chǎn)品質(zhì)量的影響分析

張煌忠

（三明職業(yè)技術(shù)學(xué)院，三明 365000）

在非織造材料的生產(chǎn)工藝中，熱軋粘合技術(shù)隨著低熔點合成纖維的出現(xiàn)而迅速發(fā)展，目前已經(jīng)成為應(yīng)用范圍較廣的一種纖網(wǎng)固結(jié)方法，一般適合加工15～25 g/m2的薄型纖網(wǎng)，特殊產(chǎn)品甚至可以在10 g/m2以下，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療衛(wèi)生用品、尿布、藥膏基布和膠帶基布等。這種技術(shù)利用大多數(shù)高分子聚合物具有的熱塑性，通過熱軋輥對混有一定比例的低熔點熱熔纖維或熱熔粉劑的纖網(wǎng)進(jìn)行加熱，使熱熔材料發(fā)生軟化、熔融，并在高壓下產(chǎn)生流動，將熱熔材料與主體纖維以及熱熔材料之間粘連起來，冷卻后使纖網(wǎng)得到加固而成為熱軋法非織造產(chǎn)品。熱軋粘合是一個非常復(fù)雜的工藝過程，是熱學(xué)—力學(xué)機理共同作用的結(jié)果，通過加熱加壓，促使纖網(wǎng)發(fā)生了一系列的變化，包括熱軋輥熱量的傳遞、纖網(wǎng)被壓緊產(chǎn)生的形變、纖網(wǎng)中熱熔材料發(fā)生的軟化熔融、熔融高聚物的擴散流動以及冷卻成形，具有安全、高效、低耗、靈活的特點，生產(chǎn)速度快、無三廢問題，使產(chǎn)品更加符合衛(wèi)生要求，因而具有良好的發(fā)展前景[1]。熱軋粘合加固的粘合材料可以是熱熔纖維、熱塑性聚合物粉劑和薄膜、膜裂非織造材料等，其中使用最多的是低熔點熱熔纖維，如聚丙烯、聚乙烯、共聚酯以及雙組分纖維等。熱軋工藝直接影響非織造產(chǎn)品的物理性能指標(biāo)和生產(chǎn)效率，包括熱軋溫度、軋輥壓力、生產(chǎn)速度、纖維特性、熱熔纖維與主體纖維的配比、纖網(wǎng)面密度、刻花輥軋點尺寸和分布以及冷卻條件等[1]。在設(shè)備已定的條件下，熱軋溫度、軋輥壓力、生產(chǎn)速度是影響熱軋粘合非織造產(chǎn)品質(zhì)量（特別是力學(xué)性能）、能耗、生產(chǎn)效率的主要要素，三者互相影響和制約[2]。為了生產(chǎn)出符合性能要求的非織造產(chǎn)品，節(jié)省能耗、提高效率，在生產(chǎn)中調(diào)整好溫度、壓力、速度三者之間的關(guān)系，有必要來定性分析熱軋粘合三要素對非織造產(chǎn)品質(zhì)量的影響。

1 試驗條件

圖1 德國Küsters公司的四軋輥熱軋粘合生產(chǎn)線

原料：采用50%的聚酯纖維（主體纖維）和50%的聚丙烯纖維（熱熔纖維），通過干法成網(wǎng)技術(shù)制成幅寬為3.2 m、面密度為16.7 g/m2的雜亂纖網(wǎng)。粘合設(shè)備：采用如圖1所示的德國基士特（Küsters）公司生產(chǎn)的四軋輥熱軋粘合生產(chǎn)線，導(dǎo)熱油加熱（溫度偏差 ±1℃），采用液壓支承芯軸補償彎曲變形。為使產(chǎn)品兩面都具有光滑平整的外觀且提高粘合效果，通過兩組由鋼輥和棉輥組成的加熱加壓區(qū)進(jìn)行雙面熱軋，如圖2。測試方法：根據(jù)國家非織造布斷裂強力及斷裂伸長的測定標(biāo)準(zhǔn)（FZ／T 60005—91），采用K97-T201多功能紡織品強力測試儀。在樣品的縱向和橫向各裁取5塊試樣，試樣的寬度為50 mm，夾持距離200 mm，拉伸速度為100 mm／min，沿試樣長度方向拉伸至斷裂，記錄斷裂強力和斷裂伸長，并求其平均值。

2 測試結(jié)果與分析

圖2 兩組鋼輥和棉輥組成的加熱加壓區(qū)

2.1 熱軋溫度對非織造產(chǎn)品性能的影響

為分析熱軋溫度對非織造產(chǎn)品性能的影響，在其他因素不變的條件下，采用軋輥壓力40 N/mm，生產(chǎn)速度120 m/min，測試在不同熱軋溫度條件下獲得的產(chǎn)品力學(xué)性能，結(jié)果如表1所示。測試結(jié)果表明，隨著軋輥溫度的升高，產(chǎn)品的縱橫向斷裂強力和斷裂伸長率都表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢。這是因為在軋輥溫度較低時，熱熔纖維（聚丙烯）的熔融不夠充分，熱熔纖維與主體纖維（聚酯）以及熱熔纖維之間的粘結(jié)不足，冷卻固化后粘合牢度較小，造成產(chǎn)品的強力和伸長率較低；隨著軋輥溫度的提高，熱熔纖維逐漸完全軟化熔融，增加了纖維間的粘結(jié)牢度，導(dǎo)致產(chǎn)品的強力和伸長率顯著增大；但當(dāng)軋輥溫度超過某一溫度點時，熱熔纖維的粘結(jié)特性遭到破壞，反而使產(chǎn)品的強力和伸長率降低。

本試驗采用的熱熔纖維是聚丙烯，其熔點溫度在155～160℃間，主體纖維是聚酯，熔點溫度在255～260℃之間。測試結(jié)果表明，樣品的縱橫向斷裂強力和斷裂伸長達(dá)到最大值時對應(yīng)的軋輥表面溫度在150℃左右（稱為臨界粘合溫度）。這是因為當(dāng)纖網(wǎng)在室溫條件下進(jìn)入由熱軋輥鉗口組成的熱軋粘合區(qū)時，軋輥表面的大部分熱量被纖網(wǎng)表層吸收，并逐漸傳遞到纖網(wǎng)內(nèi)部；在熱傳遞的同時，纖網(wǎng)受兩軋輥間高壓作用產(chǎn)生形變，厚度變薄，密度增大，由于兩軋輥間的壓力和剪切力作用，使喂入到鉗口處的纖維高分子產(chǎn)生宏觀放熱效應(yīng)，并且纖網(wǎng)在鉗口處的停留時間很短（約10～15 μs），這也使纖網(wǎng)特別是中間層纖網(wǎng)溫度進(jìn)一步上升（有研究表明形變熱會使纖網(wǎng)的實際溫度升高30～35℃[1]）。但高聚物的熔融要消耗一部分熱量以及高壓時存在的Clapeyron效應(yīng)，在多因素的綜合作用下，導(dǎo)致熱熔纖維在稍低于其熔點溫度時就獲得了最佳的粘結(jié)效果。

2.2 軋輥壓力對非織造產(chǎn)品性能的影響

為分析軋輥壓力對非織造產(chǎn)品性能的影響，我們在其他因素不變的條件下，采用軋輥溫度150℃，生產(chǎn)速度120 m/min，測試在不同軋輥壓力條件下獲得的產(chǎn)品力學(xué)性能，結(jié)果如表2所示。測試結(jié)果表明，隨著軋輥壓力的增大，樣品的縱橫向斷裂強力和斷裂伸長大體表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢。這是因為在一定范圍內(nèi)增大壓力有利于軋輥與纖維間的接觸，減少了熱量的流失，使熱量的傳遞更充分，同時壓力增大也進(jìn)一步改善了高聚物熔體的流動和擴散狀況，使纖維表面熔融粘結(jié)的效果變好，強力和伸長率也越大；但是過高的軋輥壓力一方面造成Clapeyron效應(yīng)加劇，另一方面兩軋輥間的剪切力會在粘合區(qū)與非粘合區(qū)交界處造成纖維的嚴(yán)重?fù)p傷，產(chǎn)生弱點，反而會使非織造產(chǎn)品的強力和伸長率下降。

表1 不同熱軋溫度條件下獲得的產(chǎn)品力學(xué)性能

表2 不同軋輥壓力條件下獲得的產(chǎn)品力學(xué)性能

在熱軋粘合時，由于壓力是施加在軋輥軸向兩端的，所以熱軋輥發(fā)生內(nèi)凹彎曲變形是不可避免的，這將導(dǎo)致整個軋輥鉗口壓力分布不均勻，造成纖網(wǎng)局部受不到熱軋粘合加固或粘合效果較差 （如圖3所示）。因此需要采取種種措施以減少變形或?qū)ψ冃芜M(jìn)行補償，但補償方法有一定的局限性[3]。為避免過大的軋輥壓力造成嚴(yán)重的軋輥內(nèi)凹彎曲變形，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)降低軋輥壓力以得到性能均一的產(chǎn)品，同時可以在一定范圍內(nèi)提高軋輥溫度來彌補壓力降低造成的產(chǎn)品性能下降。

2.3 生產(chǎn)速度對非織造產(chǎn)品性能的影響

為分析生產(chǎn)速度對非織造產(chǎn)品性能的影響，在其他因素不變的條件下，采用軋輥溫度150℃，軋輥壓力40 N/mm，測試在不同生產(chǎn)速度條件下獲得的產(chǎn)品力學(xué)性能，結(jié)果如表3所示。測試結(jié)果表明，隨著生產(chǎn)速度的提高，樣品的縱橫向強力和斷裂伸長率均表現(xiàn)出不同程度的減小。這是因為合理的熱傳遞以及熔融聚合物產(chǎn)生流動和擴散效果是形成良好的粘合結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，而熱傳遞以及熔融聚合物的流動和擴散需要一定的時間。當(dāng)溫度和壓力不變時，隨著軋輥線速度加快，雖然生產(chǎn)效率提高了，但同時也造成熱傳遞時間縮短，使纖網(wǎng)接收的熱量大幅度減少，熱熔纖維的熔融和流動擴散不夠充分，纖維間的粘結(jié)效果變差，造成產(chǎn)品強力和伸長率降低。熱軋粘合中熱傳遞的時間取決于軋輥的表面線速度、軋輥直徑和軋輥壓力。軋輥直徑大，表面曲率小，可增大纖網(wǎng)的預(yù)熱時間；軋輥壓力大，兩軋輥接觸面寬度增大，使纖網(wǎng)與軋輥接觸時間延長；而對于給定的設(shè)備和條件，軋輥的線速度則決定了纖網(wǎng)在加熱加壓鉗口區(qū)的停留時間[3]。在軋輥溫度和壓力不變的情況下，軋輥線速度一般需要隨所制產(chǎn)品面密度的增大而減小。因此在生產(chǎn)高面密度產(chǎn)品時，在一定范圍內(nèi)為了保證生產(chǎn)速度不降低，可適當(dāng)提高軋輥溫度和軋輥壓力來維持產(chǎn)品性能的相對穩(wěn)定。

圖3 高壓下軋輥鉗口彎曲變形示意圖

表3 不同生產(chǎn)速度條件下獲得的產(chǎn)品力學(xué)性能

3 結(jié)論

熱軋粘合是利用粘合材料受熱熔融的特性，通過同時加熱加壓，使熱熔材料變形、熔融、流動，從而將熱熔纖維與主體纖維以及熱熔纖維之間在交叉點相互粘連在一起，再經(jīng)過冷卻使熔融的聚合物得以固化，從而生產(chǎn)出具有一定強力的熱軋粘合非織造產(chǎn)品。熱軋非織造產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中的粘結(jié)點是質(zhì)量和性能的關(guān)鍵，主要取決于熱熔纖維與主體纖維以及熱熔纖維之間的粘結(jié)強度。①在其他條件不變的情況下，適當(dāng)提高軋輥溫度（一般不超過臨界粘合溫度）能促使高聚物充分軟化、熔融，增加粘結(jié)牢度，提高了非織造產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。②在其他條件不變的情況下，適當(dāng)提高軋輥壓力有助于熱量的傳遞，促進(jìn)了熔體的流動和擴散，從而改善了非織造產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。③從測試結(jié)果分析，適當(dāng)提高熱軋溫度和軋輥壓力都有利于熱軋粘合效果，所以這兩個工藝具有一定的互補性。但在實際生產(chǎn)中，軋輥溫度和軋輥壓力的互補空間是有限的，不能用過高的軋輥溫度來彌補軋輥壓力的不足，同樣不能用過高的軋輥壓力來彌補軋輥溫度的不足[4]。④當(dāng)軋輥溫度和壓力不變時，提高軋輥線速度，會造成非織造產(chǎn)品的強力和伸長率下降。在一定范圍內(nèi)為保證產(chǎn)品性能，可通過適當(dāng)提高軋輥溫度和壓力來維持產(chǎn)品質(zhì)量的相對穩(wěn)定。⑤最佳的軋輥溫度、壓力和線速度取決于所用纖維的品種及其配比、纖網(wǎng)面密度、軋輥直徑、冷卻條件等[2]，因此在實際生產(chǎn)中，熱軋粘合三要素必須根據(jù)產(chǎn)品要求和實際情況通過反復(fù)試驗加以確定。

[1] 馬建偉，陳韶娟.非織造布技術(shù)概論[M].2版.北京：中國紡織出版社，2008：69-84.

[2] 張月慶，錢曉明.熱軋工藝對紡粘熱軋非織造布力學(xué)性能的影響[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品，2011(5)：21-23.

[3] 梁睦，張友綱，張琳芳.非織造布熱軋工藝與設(shè)備研討[J].紡織機械，2004（2）：16-18.

[4] 王延偉.薄型聚酯非織造布熱軋工藝的探討[J].非織造布，2002（4）：20-21.