靜電分絲器對(duì)薄型PET紡粘產(chǎn)品均勻度的影響

劉 力，張初陽(yáng)

（東華大學(xué)，上海201620）

PET紡粘非織造布由于在斷裂伸長(zhǎng)率、抗拉強(qiáng)力、撕裂強(qiáng)力等力學(xué)性能方面表現(xiàn)突出，使得其廣泛應(yīng)用于民用、醫(yī)用、產(chǎn)業(yè)用等方面［1－3］。而在紡絲成網(wǎng)工藝中，熔體經(jīng)過(guò)拉伸后所形成的長(zhǎng)絲須在極短的時(shí)間內(nèi)鋪設(shè)成網(wǎng)，其長(zhǎng)絲運(yùn)動(dòng)的速度達(dá)千米級(jí)，纖維束中的纖維相互粘結(jié)并絲傾向嚴(yán)重［4］，在該過(guò)程中由于速度快、距離短，想要通過(guò)控制氣流來(lái)達(dá)到均勻分絲的目的存在很大難度。目前在非織造工藝技術(shù)中，采用機(jī)械分絲和氣流分絲的方法來(lái)提高薄型PET紡粘產(chǎn)品均勻度的現(xiàn)象較為普遍，但對(duì)于較為先進(jìn)的，并且在國(guó)外早已有相關(guān)專(zhuān)利公布并且用于實(shí)際生產(chǎn)［5－8］的靜電分絲器了解甚少，在國(guó)內(nèi)針對(duì)靜電分絲器的學(xué)術(shù)研究罕見(jiàn)報(bào)道，嚴(yán)重阻礙了靜電分絲器在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用。本文選用面密度CV值作為表征產(chǎn)品均勻度的指標(biāo)，通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)研究了靜電電壓、電流和放電針板與接地輥之間的距離對(duì)產(chǎn)品均勻度的影響得出，靜電電壓是影響靜電分絲器效果的最主要的因素。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料與裝置

高壓靜電發(fā)生器，放電針板，接地輥，大狹縫紡粘機(jī)器，PET長(zhǎng)絲，AL104電子天平。

1.2 靜電分絲器的原理

靜電分絲器是由與高壓靜電發(fā)生器相連的裝有放電針排的放電針板和與地相接的以一定速度旋轉(zhuǎn)的接地輥組成。由于接地輥接地電勢(shì)為零，當(dāng)高壓靜電發(fā)生器接通電源時(shí)，由于電勢(shì)差的存在，使它們之間產(chǎn)生了一個(gè)高壓靜電場(chǎng)，空氣中大量的自由電子在高壓靜電場(chǎng)的作用下受力加速，撞擊周?chē)臍怏w原子。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到氣體電離的閥值時(shí)，受高壓強(qiáng)電場(chǎng)加速運(yùn)動(dòng)的自由電子會(huì)擁有足夠能量從氣體原子中撞擊出電子而產(chǎn)生新的離子，此時(shí)局部空氣開(kāi)始電離［9］。由于電子于空氣中粒子的碰撞過(guò)程中發(fā)生激發(fā)、復(fù)合過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中會(huì)輻射大量的光子，宏觀表現(xiàn)為黑暗中的藍(lán)色暈光及嘶嘶的聲音，即電暈［10］。靜電分絲器就是利用高壓電場(chǎng)條件下產(chǎn)生的電暈放電現(xiàn)象，在這個(gè)過(guò)程中，一方面局部空氣存在大量電荷，這些電荷雪崩式地與其它粒子發(fā)生碰撞；另一方面，PET長(zhǎng)絲在是在放電針板與接地輥之間，由于PET電性質(zhì)相同，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)會(huì)吸引電離出來(lái)的與其電性值相反的離子，使其吸附在PET長(zhǎng)絲上，當(dāng)PET長(zhǎng)絲表面上所擁有的電荷數(shù)足夠多時(shí)，會(huì)使得PET長(zhǎng)絲在靜電力的作用下，相互之間發(fā)生移動(dòng)，靜電力與電荷關(guān)系表現(xiàn)如下：

式中：K 為常數(shù)；Q1、Q2為電荷電量，是一個(gè)矢量；R為電荷之間的距離。

當(dāng)F為正數(shù)，兩電荷相互靠近時(shí)表現(xiàn)為斥力，兩電荷有相互遠(yuǎn)離對(duì)方的趨勢(shì)；當(dāng)F為負(fù)數(shù)，兩電荷相互靠近時(shí)表現(xiàn)為引力，兩電荷有相互吸引的趨勢(shì)；另一方面，當(dāng)Q1、Q2都帶等量同種電荷時(shí)，R越小，F(xiàn)越大；R越大，F(xiàn)越小，即間距小的兩電荷所受斥力大；間距大的兩電荷所受的斥力小。因此，在PET絲束都帶著等量的同種電荷條件下，距離較遠(yuǎn)的絲束之間的斥力較小，絲束之間因斥力而發(fā)生移動(dòng)的幅度較??；距離較近的絲束之間的斥力較大，絲束之間因斥力而發(fā)生移動(dòng)的幅度較大［8］。

1.3 PET紡粘非織造布的制備

生產(chǎn)PET紡粘非織造布的設(shè)備為擁有3m長(zhǎng)大狹縫紡粘機(jī)器，靜電分絲器安裝在大狹縫牽伸器的入口上方（見(jiàn)圖1）；靜電分絲器由與高壓靜電發(fā)生器相連的裝有放電針排的放電針板和與地相接的接地輥組成。接地輥以一定的速度勻速轉(zhuǎn)動(dòng)以便及時(shí)轉(zhuǎn)移電荷，避免電荷過(guò)于集中而影響分絲效果，PET長(zhǎng)絲穿過(guò)放電針板與接地輥中間區(qū)域不與之相接觸（見(jiàn)圖2、圖3）。

圖1 紡粘工藝圖

圖2 靜電分絲器示意圖

生產(chǎn)的主要工藝流程：熔融擠壓→計(jì)量→噴絲→側(cè)吹風(fēng)冷卻→靜電分絲器分絲→氣流牽伸→成網(wǎng)→熱軋。

1.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)采用L9（34）正交試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)?？紤]靜電分絲器電壓、電流、放電針板與接地輥之間的距離，以及成網(wǎng)高度對(duì)靜電分絲器分絲效果的影響程度，采用4因素3水平實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，另一方面由于工廠生產(chǎn)的限制，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程保持成網(wǎng)高度不變?yōu)?00mm，重點(diǎn)研究電壓、電流和放電針板與接地輥之間距離對(duì)分絲效果的影響。

圖3 靜電分絲器照片

表1 L9（34）因素水平表

1.5 樣品測(cè)試

根據(jù)正交試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，本文進(jìn)行了9次試驗(yàn)，收集了在各種電壓、電流和間距條件下所生產(chǎn)的試驗(yàn)布樣9塊（120cm×120cm），每塊布樣被平均分為36塊小布樣，對(duì)每一塊小布樣進(jìn)行面密度測(cè)試，同時(shí)還對(duì)一塊未加電壓的布樣（120cm×120cm）進(jìn)行了測(cè)試作為對(duì)比。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)品面密度CV值

將測(cè)試所得各樣品面密度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，分別計(jì)算0＃～9＃這10個(gè)樣品的面密度的分布情況。根據(jù)計(jì)算所得，按面密度CV值遞增順序排列結(jié)果為：7＃、9＃、8＃、5＃、6＃、4＃、2＃、3＃、1＃，0＃，CV值越大，說(shuō)明分析對(duì)象分布越分散，即面密度CV越大，越不均勻。其中0＃是未經(jīng)靜電分絲器分絲生產(chǎn)的樣品，它的面密度CV值最大，因此它的均勻度最差，7＃樣品均勻度表現(xiàn)最佳（見(jiàn)圖4）。

2.2 正交試驗(yàn)分析

本實(shí)驗(yàn)的試驗(yàn)號(hào)與樣品號(hào)相對(duì)應(yīng)，根據(jù)正交試驗(yàn)分析表（見(jiàn)表2），可得電壓對(duì)產(chǎn)品均勻度的影響最顯著，其次是放電針板與接地輥間距D1，電流次之。同時(shí)，由于面密度CV值越小，其產(chǎn)品均勻度越好，可得最佳工藝參數(shù)為電壓26kV，電流1mA，間距50mm。

圖4 0?！?＃試樣均勻度分布情況

表2 L9（34）正交試驗(yàn)分析

電壓之所以是對(duì)產(chǎn)品均勻度影響最顯著的因素，是因?yàn)樵陟o電分絲器系統(tǒng)中，電壓是由直流靜電分絲器提供，是唯一的能量來(lái)源，它的改變直接影響到靜電場(chǎng)的情況，是最敏感的因素；而放電針板與接地輥之間的距離作為第二個(gè)敏感因素是因?yàn)楦鶕?jù)公式（2）可知，當(dāng)電壓U一定時(shí)，間距D就成了影響靜電場(chǎng)強(qiáng)的關(guān)鍵因素了；對(duì)于直流電流，在本實(shí)驗(yàn)中，可以將它看作是一個(gè)表征指標(biāo)存在。

根據(jù)9組實(shí)驗(yàn)可得產(chǎn)品均勻度與電壓之間的關(guān)系（見(jiàn)圖5），在本實(shí)驗(yàn)中，產(chǎn)品的均勻度是與直流電靜電電壓成正比的，電壓越高，產(chǎn)品均勻度表現(xiàn)越優(yōu)秀，這是因?yàn)楫?dāng)電壓升高時(shí)，靜電場(chǎng)強(qiáng)變大，場(chǎng)強(qiáng)中電離和遭受碰撞的粒子越多，PET長(zhǎng)絲吸附的帶點(diǎn)電荷的概率就越大，PET長(zhǎng)絲之間受到的斥力就越大，分絲就越明顯，均勻度改善越好。

圖5 均勻度－電壓之間的關(guān)系

2.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在靜電電壓為26kV，電流1mA，間距50 mm時(shí)，生產(chǎn)第10＃PET紡粘非織造布，尺寸為120cm×120cm，并將其平均分成20cm×20cm尺寸共36小塊試樣，分別測(cè)試其面密度，得到其面密度CV值為1.823%，該條件下產(chǎn)品均勻度表現(xiàn)最優(yōu)（見(jiàn)圖6）。

圖6 0?！?0＃試樣均勻度分布情況

3 結(jié)論

3.1 靜電分絲器能明顯改善薄型PET紡粘非織造產(chǎn)品均勻度。

3.2 靜電分絲器的三個(gè)工藝參數(shù)中：電壓、電流和放電針板與接地輥間距，按照其對(duì)產(chǎn)品均勻度影響的顯著程度從高到低依次排列為：電壓、電流、放電針板與接地輥間距。

3.3 實(shí)際應(yīng)用時(shí)，重點(diǎn)控制電壓，電壓為整個(gè)裝置唯一的能量來(lái)源，對(duì)產(chǎn)品的均勻度有著直接的影響。

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