探討聚丙烯熔噴無紡布專用料擠出設(shè)備及工藝

王璟鈺

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

關(guān)鍵詞：聚丙烯;無紡布;熔噴法

引言

無紡布亦稱“不織布”，是一種新型、環(huán)保的纖維制品，且具備良好的透氣、過濾、阻燃、防潮等性能，因此被廣泛運用于化工、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等多個領(lǐng)域。在新冠疫情的背景下，醫(yī)用口罩這一無紡布制品得到了社會各界的極大重視，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，我們有必要對丙烯熔噴無紡布專用料擠出設(shè)備及其工藝展開探究討論。

一、聚丙烯熔噴無紡布的用途原理

聚丙烯材料具備無毒、無害、無臭的清潔性特點，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)用價值?，F(xiàn)階段，聚丙烯熔噴無紡布常作為醫(yī)用口罩的過濾層出現(xiàn)，承擔(dān)著過濾空氣、阻隔細菌的重要任務(wù)?，F(xiàn)階段，以聚丙烯為原料、以熔噴法為手段的無紡布制作原理為：利用高溫使聚丙烯轉(zhuǎn)化為熔融狀態(tài)，再通過高溫度、高速度的氣流，把聚丙烯吹成極細的纖維絲，并使其沿隨機方向飛至凝網(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，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)為無紡布。結(jié)合生產(chǎn)實際來看，當(dāng)前口罩過濾層所用聚丙烯熔噴無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，隨機交疊的纖維網(wǎng)絡(luò)可同時形成物理過濾與靜電過濾作用，從而將飛沫、細菌阻隔在聚丙烯熔噴無紡布以外，達到防塵、防病菌的效果。但需要注意的是，水洗會較嚴重地破壞纖維網(wǎng)絡(luò)的靜電吸附能力，繼而降低口罩的過濾質(zhì)量。所以，以聚丙烯熔噴無紡布為材料的口罩通常為一次性防護用具。

二、聚丙烯熔噴無紡布專用料擠出設(shè)備的主要構(gòu)成

在聚丙烯噴熔無紡布專用料擠出設(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、振動篩等構(gòu)成部分，整體機組的常規(guī)參數(shù)為：（1）螺桿直徑：φ90mm;（2）螺桿長徑比：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)計與運行當(dāng)中，關(guān)鍵點主要有兩個方面：第一，要保證液體助劑進入設(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)動作用下實現(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，以防止對聚丙烯熔噴無紡布的成品效果產(chǎn)生負面影響。結(jié)合實踐經(jīng)驗來看，盡量減小材料擠出后進入冷卻水槽的距離，可有效降低料絲粘連的故障發(fā)生幾率?；诖耍蓪郾┤蹏姛o紡布專用料擠出設(shè)備的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行如下設(shè)計：

（一）助劑加入系統(tǒng)的設(shè)計

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行均勻、充分的混合，才能達到最佳的熔噴料生產(chǎn)效果。在設(shè)計實踐中，助劑加入系統(tǒng)應(yīng)包含進料裝置、助劑注入閥與電氣控制系統(tǒng)三個部分。設(shè)備運行時，主要通過往復(fù)式計量泵產(chǎn)生壓力，促使料流完成由進入到擠出的整體過程，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、高效地進入機筒內(nèi)部，并與聚丙烯實現(xiàn)充分混合，應(yīng)將助劑進料口設(shè)置在操作側(cè)遠端螺桿的上部。究其原因，主要是在聚丙烯熔噴無紡布專用料擠出設(shè)備運行時，雙螺桿結(jié)構(gòu)中遠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)，所以不會對助劑進入產(chǎn)生較大阻礙[1]。

此外，還需對液體注入閥進行細化設(shè)計。注入閥通常由閥主體、閥芯、閥帽以及密封件四個部分構(gòu)成。其中，閥芯與閥主體進行螺紋連接，可通過螺紋轉(zhuǎn)動實現(xiàn)兩者連接距離的控制，從而實現(xiàn)助劑進入量的調(diào)整。密封件應(yīng)設(shè)置在閥芯與閥主體之間，對閥芯上部進行密封保護，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，進一步提高助劑進入的通暢性。

（二）料絲擠出系統(tǒng)的設(shè)計

由于聚丙烯的熱塑性極高，所以其在設(shè)備擠出初期，仍然具備較強的粘性，故而易發(fā)生料絲、料條的粘連故障。對此，主要應(yīng)從兩個角度入手進行設(shè)備擠出系統(tǒng)的優(yōu)化：一方面，應(yīng)將聚丙烯熔噴無紡布專用料的擠出孔間距進行擴大設(shè)計，以保證同時擠出的物料不會相互接觸。另一方面，應(yīng)縮短物料擠出后的入水距離，以促進聚丙烯的快速硬化。以此為基礎(chǔ)，可設(shè)計出機頭寬度為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、13.5mm，并使料絲擠出方向設(shè)置在下方。經(jīng)過實踐檢驗，在200kg/h產(chǎn)量的工況下，聚丙烯熔噴無紡布專用料擠出設(shè)備的料絲粘連問題可得到有效解決，且出料均勻，即表明設(shè)計思路合理。

三、聚丙烯熔噴無紡布專用料擠出工藝的運用要求

（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題發(fā)生，還可對聚丙烯熔噴無紡布專用料擠出工藝中的出料溫度參數(shù)進行控制，以便降低聚丙烯的熱塑性，使其在入水后最短時間內(nèi)實現(xiàn)完全冷卻。但需要注意的是，若出料溫度設(shè)置過低，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準化產(chǎn)出。同時，也會導(dǎo)致聚丙烯與EnoxDTBP無法充分反應(yīng)，進而降低熔噴專用料的阻燃、強韌等性能水平。反之，若溫度過高，則無法達到出料故障的控制效果。基于此，有學(xué)者將進料至出料的流道整體分成了T1至T16共 16個區(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。通過這樣的工藝溫度控制方式，可使聚丙烯實現(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，實現(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）長徑比的控制

在聚丙烯熔噴無紡布專用料擠出工藝的應(yīng)用過程中，用于物料混合與擠出的雙螺桿系統(tǒng)可對熔噴專用料的最終質(zhì)量產(chǎn)生影響，因此有必要對其長徑比進行合理控制。據(jù)相關(guān)研究顯示，當(dāng)螺桿長徑比處于36∶1時，聚丙烯原料與助劑在設(shè)備內(nèi)部的停留時間比較短，所以聚丙烯并不能完全進入熔融狀態(tài)，其混合反應(yīng)也無法充分。此時，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)螺桿長徑比處在44∶1時，聚丙烯及助劑均能在擠出設(shè)備內(nèi)實現(xiàn)有效的分散與混合，因此其各項性能也隨之處在峰值狀態(tài);當(dāng)螺桿長徑比處在48∶1時，由于聚丙烯在高溫環(huán)境中停留時間過長，所以會發(fā)生相應(yīng)的降解反應(yīng)。此時，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熱塑性特點，其擠出加工的設(shè)備與工藝要求也比較高。在實踐中，相關(guān)人員應(yīng)堅持趨優(yōu)性的設(shè)計原則，力求達到最佳的設(shè)備質(zhì)量與工藝參數(shù)，以避免料絲粘連、產(chǎn)品低質(zhì)等負面情況發(fā)生。

參考文獻：

[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，王國宏，謝鳳輝.擠出設(shè)備及擠出工藝對膨脹型阻燃聚丙烯的影響[J].廣東化工，2019，46（06）：56-58.