熱風(fēng)非織造材料生產(chǎn)線中分切機(jī)的技術(shù)改造和工藝優(yōu)化

河北維嘉無(wú)紡布有限公司， 河北 石家莊 050500

1 熱風(fēng)非織造材料的生產(chǎn)及應(yīng)用概況

非織造技術(shù)是源于紡織但又超越了紡織的一門(mén)材料加工技術(shù)。不同的非織造技術(shù)都有著各自的工藝原理，但從宏觀角度來(lái)說(shuō)，其基本原理是一致的，工藝過(guò)程大體可概括為纖維選擇→成網(wǎng)→纖網(wǎng)加固→后整理[1]。

熱風(fēng)非織造材料是眾多非織造材料中的一種，由干法成網(wǎng)中的機(jī)械梳理成網(wǎng)再經(jīng)熱熔黏合工藝加工而成。它主要以ES復(fù)合短纖維(即PP/PE組分的纖維)[2]為原料，通過(guò)喂入、混合、開(kāi)松、梳理等工序，使塊狀或團(tuán)狀的纖維分梳成具有一定密度且網(wǎng)面均勻的纖網(wǎng)，然后利用化學(xué)纖維普遍具有的熱塑性，通過(guò)熱風(fēng)烘箱定型，使纖網(wǎng)受熱，部分纖維熔融，纖維間產(chǎn)生粘連，再經(jīng)冷卻后得到熱風(fēng)非織造材料。熱風(fēng)非織造材料工藝流程一般為A、B開(kāi)包機(jī)(角釘式、自動(dòng)稱重)→一道開(kāi)松機(jī)(刀片式)→二道開(kāi)松機(jī)(鋸齒針布)→末道給棉箱→負(fù)壓棉箱→雙錫林雙道夫梳理機(jī)→梳出平簾→圓網(wǎng)(平網(wǎng))熱風(fēng)烘箱→定型機(jī)→卷取機(jī)→分切機(jī)→纏繞打包。

目前，熱風(fēng)非織造材料主要應(yīng)用于一次性婦幼衛(wèi)生用品領(lǐng)域，具體有婦女衛(wèi)生巾(護(hù)墊)的面層、拒水隔邊及導(dǎo)流層，嬰兒紙尿褲的面層、復(fù)合底層、導(dǎo)流層及復(fù)合芯體等。近年，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的提高，一次性衛(wèi)生用品市場(chǎng)迅猛發(fā)展。尤其是2010年后，隨著人們健康理念的變化，婦女衛(wèi)生巾市場(chǎng)在穩(wěn)步增長(zhǎng)的同時(shí)，嬰兒紙尿褲的需求量越來(lái)越大，成人紙尿褲的市場(chǎng)也潛力驚人，這些都直接促進(jìn)和帶動(dòng)了作為上游的衛(wèi)生材料用熱風(fēng)非織造材料行業(yè)的發(fā)展。

且衛(wèi)生用品的面層由于直接與人體接觸，還需兼具液體滲透性好、反滲小、潔凈透氣、體感舒適、安全衛(wèi)生等特性，所以在熱風(fēng)非織造材料眾多應(yīng)用中，對(duì)衛(wèi)生材料用熱風(fēng)非織造材料的品質(zhì)要求最高。下文將主要以面層用熱風(fēng)非織造材料為例進(jìn)行探討。

2 分切機(jī)在熱風(fēng)非織造材料生產(chǎn)中的重要性

在熱風(fēng)非織造材料的生產(chǎn)中，分切機(jī)擔(dān)負(fù)著分切和成卷兩大作用：分切是將卷取機(jī)卷好的整幅布，分切成一定幅寬的產(chǎn)品；成卷是在分切過(guò)程中，將切好的非織造布卷成一定卷長(zhǎng)和直徑、切面整齊、布幅尺寸穩(wěn)定的布盤(pán)。分切機(jī)性能的高低、工藝參數(shù)的是否合理，對(duì)熱風(fēng)非織造材料產(chǎn)品的外觀質(zhì)量影響很大。

在FZ/T 64005—2011《衛(wèi)生用薄型非織造布標(biāo)準(zhǔn)》中，非織造材料的等級(jí)劃分主要依據(jù)有兩大項(xiàng)，外觀性能指標(biāo)就是其中之一(表1)。

表1 外觀質(zhì)量分等規(guī)定[3]

注：1) 異色纖維是指與主體原料顏色有差異的纖維；

2) 拼接的最短長(zhǎng)度不小于200.00 m

表1中，卷邊不齊、邊不良、明顯折痕、幅寬偏差率及拼接次數(shù)等各項(xiàng)指標(biāo)，均和分切機(jī)的運(yùn)行是否穩(wěn)定、性能是否滿足產(chǎn)品分切要求直接相關(guān)。分切機(jī)不僅決定著下游用戶的生產(chǎn)過(guò)程是否穩(wěn)定，同時(shí)關(guān)乎著終端產(chǎn)品的品質(zhì)：

(1) 卷邊不齊和邊不良會(huì)造成下游生產(chǎn)時(shí)廢片增加，嚴(yán)重者甚至無(wú)法使用；

(2) 明顯折痕會(huì)造成次品、廢品；

(3) 幅寬太窄會(huì)造成用戶無(wú)法使用，太寬又會(huì)使成本增高；

(4) 拼接次數(shù)太多會(huì)造成后續(xù)生產(chǎn)中被迫停機(jī)，效能下降。

因此，在實(shí)際的生產(chǎn)中，許多國(guó)內(nèi)龍頭企業(yè)都在表1的基礎(chǔ)上，對(duì)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了細(xì)化，如在外觀指標(biāo)中增加了圓柱度、端面平整率、卷徑、厚度等，對(duì)分切提出了更高要求。

3 我國(guó)非織造材料生產(chǎn)線中分切機(jī)的發(fā)展歷程

20世紀(jì)80年代，婦女衛(wèi)生巾在中國(guó)出現(xiàn)，顛覆了人們的消費(fèi)習(xí)慣，開(kāi)創(chuàng)了衛(wèi)生用品新時(shí)代。在市場(chǎng)需求的引領(lǐng)下，我國(guó)衛(wèi)生材料用非織造材料生產(chǎn)線經(jīng)歷了從無(wú)到有的發(fā)展，生產(chǎn)線中的分切機(jī)也大致經(jīng)歷了3個(gè)發(fā)展階段。

3.1 20世紀(jì)80年代初—2000年

這一階段，衛(wèi)生材料用非織造生產(chǎn)設(shè)備大多以從我國(guó)臺(tái)灣引進(jìn)的設(shè)備為主，也包括少量的從日本及歐洲引入的生產(chǎn)線。產(chǎn)品主要是短纖梳理成網(wǎng)熱軋非織造布。這類產(chǎn)品依靠軋輥(一般為1個(gè)刻花輥和1～2個(gè)光輥)加壓熱黏而成，故布面有明顯的黏合點(diǎn)，材料密度大、布質(zhì)薄，如面密度為20 g/m2的熱軋非織造布厚度一般為0.3～0.5 mm(依據(jù)《FZ/T 60004—1991非織造布厚度的測(cè)定》)，但表面柔軟度和滑爽度一般，無(wú)蓬松，幾乎無(wú)回彈性，且斷裂伸長(zhǎng)率低。因此，在分切與成卷時(shí)，相貼合的兩層非織造布之間不易產(chǎn)生滑移，成卷切面平齊，里層和外層尺寸無(wú)明顯差異，且卷緊很容易。這一時(shí)期的分切機(jī)，結(jié)構(gòu)相對(duì)較簡(jiǎn)單，加之當(dāng)時(shí)的衛(wèi)生巾多為直條式，所以分切機(jī)能滿足絕大部分客戶要求。

3.2 2001—2008年

這一階段，隨著衛(wèi)生用品市場(chǎng)的快速發(fā)展，我國(guó)江蘇常熟、山東青島、河南鄭州等地的眾多企業(yè)相繼研發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的非織造設(shè)備。產(chǎn)品仍以熱軋非織造布為主，但熱風(fēng)工藝已嶄露頭角，熱風(fēng)非織造材料市場(chǎng)份額開(kāi)始逐步擴(kuò)大。這一時(shí)期的熱風(fēng)非織造材料原料多為普通ES纖維，其特性是布面無(wú)軋點(diǎn)，布質(zhì)較蓬松，且柔軟度和表面滑爽度相較于熱軋非織造材料有一定的提升。此階段的分切機(jī)仍以原熱軋非織造材料用分切機(jī)或改良機(jī)型為主，也有一些廠家消化吸收了部分國(guó)外的分切機(jī)技術(shù)，研制出適用于分切普通ES纖維熱風(fēng)非織造材料的分切機(jī)。

3.3 2010年至今

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，衛(wèi)生用品已從簡(jiǎn)單的婦幼衛(wèi)生用品(如衛(wèi)生巾、護(hù)墊、嬰兒隔尿巾等)向高檔衛(wèi)材(如更高端的衛(wèi)生巾、嬰兒紙尿褲、拉拉褲、成人紙尿褲及功能性衛(wèi)生護(hù)理用品)發(fā)展，應(yīng)用越來(lái)越廣。而高端衛(wèi)材對(duì)熱風(fēng)非織造材料的要求體現(xiàn)在：

(1) 產(chǎn)品追求舒適性和“零觸感”，表層用非織造材料要求手感更柔軟、觸感更滑爽、視覺(jué)更細(xì)膩；

(2) 嬰兒紙尿褲類產(chǎn)品的底層要求保持一定的蓬松度，面層要求滲透快、反滲小，這就要求非織造材料在生產(chǎn)時(shí)要注重布的手感和蓬松度，分切成卷時(shí)松緊要適中；

(3) 從下游產(chǎn)品加工角度看，除了要保證成卷外觀質(zhì)量外，更要注重里外尺寸的穩(wěn)定性，要求幅寬差異?。?/p>

(4) 為適應(yīng)高速機(jī)的生產(chǎn)，生產(chǎn)卷徑由原來(lái)的580.0～600.0 mm普遍增大到750.0～800.0 mm，以減少換卷次數(shù)。

此外，人們對(duì)這類產(chǎn)品的安全性、功能性、舒適性提出了更高的要求。各纖維原料廠家為滿足市場(chǎng)需求，紛紛加大了研發(fā)力度，相繼推出超柔纖維(PE/PET纖維)、超柔增白纖維、超細(xì)纖維(1.110～1.667 dtex)等各種高檔、差異化的功能性纖維。由這些纖維生產(chǎn)的產(chǎn)品具有柔軟、蓬松、表面滑爽等優(yōu)點(diǎn)，但斷裂伸長(zhǎng)大、易變形、尺寸穩(wěn)定性差。

此階段，國(guó)產(chǎn)分切機(jī)雖在機(jī)型上有所改進(jìn)，如放卷采用張力全自動(dòng)閉環(huán)控制、采用雙摩擦軸單獨(dú)傳動(dòng)、選用固定缸和壓布缸雙加壓方式等，但因我國(guó)熱風(fēng)非織造材料生產(chǎn)設(shè)備企業(yè)在初期一直把研究的重點(diǎn)放在梳理和烘箱兩方面，注重于梳理機(jī)的高速高產(chǎn)、梳理的棉網(wǎng)品質(zhì)及烘箱技術(shù)的改良，對(duì)分切成卷沒(méi)有投入足夠的人力、物力、財(cái)力，造成了目前使用的分切機(jī)往往不能達(dá)到現(xiàn)有高端衛(wèi)材所要求的上述分切質(zhì)量。

4 我國(guó)熱風(fēng)非織造生產(chǎn)線中分切機(jī)存在的問(wèn)題及影響

以河北維嘉無(wú)紡布有限公司2013年購(gòu)進(jìn)的國(guó)產(chǎn)圓網(wǎng)熱風(fēng)非織造生產(chǎn)線所配備的分切機(jī)為例，探討我國(guó)熱風(fēng)非織造生產(chǎn)線中分切機(jī)存在的問(wèn)題及影響。

4.1 存在的問(wèn)題

購(gòu)進(jìn)的分切機(jī)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

如圖1所示，分切機(jī)的工藝流程為磁粉制動(dòng)器控制放卷→導(dǎo)輥→張力輥→擴(kuò)展輥→切刀分切→雙軸(主軸和副軸)摩擦成卷，其存在的問(wèn)題：

(1) 卷取采用雙軸單獨(dú)傳動(dòng)，故只能依靠同步控制器保持主軸和副軸的固定轉(zhuǎn)速比，無(wú)法實(shí)現(xiàn)線性調(diào)整；

(2) 熱風(fēng)非織造材料的張力依靠張力傳感器+張力控制器+磁粉制動(dòng)器的方式加以控制，控制精度不高；

(3) 卷布軸兩端采用固定氣缸加壓固定、布卷成卷采用壓布輥加壓，但固定氣缸的壓力和壓布輥的壓力不能自動(dòng)跟蹤調(diào)整，故無(wú)法實(shí)現(xiàn)線性控制；

(4) 人機(jī)交互界面不能實(shí)現(xiàn)參數(shù)的設(shè)定和控制。

4.2 影響

這種分切機(jī)對(duì)產(chǎn)品造成的影響：

(1) 布盤(pán)內(nèi)外張力分布不均勻，易造成產(chǎn)品最外層寬度尺寸達(dá)標(biāo)時(shí)內(nèi)層尺寸偏大。以嬰兒紙尿褲用增白超柔產(chǎn)品(幅寬145.0 mm，面密度23 g/m2)的生產(chǎn)為例，幅寬誤差要求為±2.0 mm，實(shí)測(cè)外層幅寬合格，但經(jīng)破壞性試驗(yàn)切割測(cè)量發(fā)現(xiàn)，越往芯層尺寸逐漸變大，最里層幅寬在150.0～152.0 mm。這既增加了用戶生產(chǎn)成本，又造成了產(chǎn)品品質(zhì)隱患，如側(cè)漏、復(fù)合尺寸錯(cuò)位等，影響最終產(chǎn)品品質(zhì)。

(2) 切邊易脫落(圖2)并卷入產(chǎn)品中，造成該盤(pán)產(chǎn)品切面不齊而導(dǎo)致降等，嚴(yán)重者會(huì)導(dǎo)致卡軸、被迫停車等，致使整軸布斷頭或分切不齊。

(3) 因張力分布不合理，內(nèi)松外緊，造成內(nèi)層打折或端面菊花芯(圖3)。

圖3 端面菊花芯

(4) 布軸兩端容易跑軸脫盤(pán)或凸出呈圓弧狀(圖4)，導(dǎo)致用戶無(wú)法使用，廢品率增加。

圖4 圓弧狀端面

(5) 由于分切過(guò)程只依靠張力傳感器+張力控制器+磁粉制動(dòng)器的方式來(lái)調(diào)節(jié)熱風(fēng)非織造材料纏繞的松緊，故易造成張力波動(dòng)大、尺寸不穩(wěn)定，這在處理各類疵點(diǎn)需中間停機(jī)時(shí)尤為明顯(圖5)。

圖5 停機(jī)造成的端面不齊

5 分切機(jī)的原理分析及改造措施

5.1 原理分析

傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，成卷的松緊主要是依靠張力控制器調(diào)整布的張力的，張力越大則成卷越緊。這一點(diǎn)對(duì)熱軋非織造材料是行之有效的，但對(duì)于超柔軟、蓬松的新型熱風(fēng)非織造材料而言，單純的增加張力只能使布拉緊，幅寬變窄，加上放卷軸到成卷軸之間較長(zhǎng)的距離，使得所得熱風(fēng)非織造材料仍較蓬松，芯層很難卷緊，這便無(wú)法實(shí)現(xiàn)張力由內(nèi)到外的線性分布(圖6)。

因此，要保持布盤(pán)切面平齊、不脫邊、不跑軸，內(nèi)外尺寸差異小，最關(guān)鍵的是起步成卷要緊，越往外層張力越小，且這種張力變化應(yīng)呈線性。

圖6 布卷張力的線性分布

5.2 改造措施

基于對(duì)國(guó)外先進(jìn)分切機(jī)原理的消化與吸收，并結(jié)合多年積累的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出影響分切機(jī)成卷張力的5項(xiàng)因素：(1)磁粉制動(dòng)器制動(dòng)對(duì)布產(chǎn)生的張力；(2)施加于卷布軸上來(lái)自壓輥、軸及固定缸等的壓力；(3)主軸和副軸之間的速差；(4)主軸和副軸的表面摩擦力；(5)導(dǎo)布輥對(duì)布的摩擦力。

且鑒于河北維嘉無(wú)紡布有限公司分切機(jī)的實(shí)際情況，第(4)、第(5)項(xiàng)滿足使用要求，因此，特針對(duì)前3項(xiàng)制定以下改造方案，并委托國(guó)內(nèi)某知名紡織院校自動(dòng)化研究所負(fù)責(zé)其中PLC編程工作：

(1) 升級(jí)PLC程序，通過(guò)數(shù)字電位器調(diào)節(jié)主軸變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速、計(jì)米器的模擬量輸入單元檢測(cè)當(dāng)前主軸轉(zhuǎn)速，計(jì)算當(dāng)前分切長(zhǎng)度及主軸轉(zhuǎn)速，利用PLC中rs485通信實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)副軸變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速呈線性變化。

(2) 增加模擬量輸入輸出模塊和數(shù)字式比例閥。實(shí)現(xiàn)壓布?xì)飧住⒐潭飧讐毫Τ跏贾岛湍繕?biāo)值設(shè)定，并根據(jù)當(dāng)前分切長(zhǎng)度，利用模擬量輸出單元使固定氣缸和壓布?xì)飧椎臍鈮焊鶕?jù)分切長(zhǎng)度實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)，呈線性變化。

(3) 改變氣動(dòng)電路的控制，結(jié)合PLC控制，實(shí)現(xiàn)固定氣缸和壓布?xì)飧椎陌踩陆岛涂焖偕稹?/p>

(4) 確定分切機(jī)上電初始狀態(tài)，緊急情況下按下“急?！卑粹o，固定氣缸和壓布?xì)飧卓焖偕稹?/p>

(5) 完善張力控制系統(tǒng)，升級(jí)擴(kuò)展輥和張力控制器，提高張力控制精度，保持張力平穩(wěn)。

(6) 優(yōu)化工藝。在參數(shù)控制界面中增加了一些工藝控制參數(shù)，如固定氣缸開(kāi)始?jí)毫εc最小壓力、壓布?xì)飧组_(kāi)始?jí)毫εc最小壓力、固定氣缸下降時(shí)間、壓布?xì)飧紫陆禃r(shí)間、副軸最大速度和開(kāi)始速度、轉(zhuǎn)速上限等；在主頁(yè)面中實(shí)現(xiàn)了對(duì)分切機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和相關(guān)參數(shù)設(shè)定，具體包括主軸和副軸的速度、卷長(zhǎng)、報(bào)警長(zhǎng)度、卷長(zhǎng)清零及分切長(zhǎng)度的實(shí)時(shí)監(jiān)控等。

6 分切機(jī)改造前后的對(duì)比

6.1 工藝優(yōu)化

以分切幅寬165.0 mm、面密度20 g/m2面層用熱風(fēng)非織造材料工藝為例，分切機(jī)改造前后的工藝如表2所示。

6.2 改造前后效果對(duì)比

分切機(jī)改造后，在切面平整度、尺寸穩(wěn)定性、切邊脫落、邊不良、邊盤(pán)成形不良等方面均有明顯改善，分切質(zhì)量明顯提高，由分切造成的降等和次品大幅度下降(表3)。

表3 分切機(jī)改造前后二等品率

7 結(jié)語(yǔ)

分切對(duì)熱風(fēng)非織造材料的外觀質(zhì)量具有非常重要的影響。且隨著衛(wèi)生用品的快速發(fā)展，設(shè)備的智能化越來(lái)越高，制造工藝也越來(lái)越復(fù)雜，所以，未來(lái)對(duì)熱風(fēng)非織造材料的需求會(huì)更加趨向于個(gè)性化和差異化。卷徑、內(nèi)外幅寬偏差率、成卷張力操控性等是衡量分切機(jī)的幾項(xiàng)重要指標(biāo)。重視分切質(zhì)量，加大對(duì)分切機(jī)的研究和工藝優(yōu)化，對(duì)熱風(fēng)非織造材料的生產(chǎn)很重要。

[1] 柯勤飛，靳向煜.非織造學(xué)[M].上海：東華大學(xué)出版社，2010：1-2.

[2] 郭秉臣.非織造布的性能與測(cè)試[M].北京：中國(guó)紡織出版社，1998：42.

[3] 中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部.衛(wèi)生用薄型非織造布：FZ/T 64005—2011[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.