甬道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)閃蒸紡絲性能的影響

羅章生 徐俊勇 朱倩沁 朱慧飛

廈門當(dāng)盛新材料有限公司，福建 廈門 361027

閃蒸紡絲成網(wǎng)技術(shù)是美國(guó)杜邦公司在20世紀(jì)50年代發(fā)明的[1]。1962年，杜邦公司提交了第一篇關(guān)于閃蒸紡絲的美國(guó)專利申請(qǐng)。之后的30多年里，杜邦公司不斷改進(jìn)工藝和技術(shù)[2]，確保了其在該技術(shù)領(lǐng)域的壟斷地位。近年，國(guó)內(nèi)有眾多學(xué)者對(duì)閃蒸紡絲技術(shù)進(jìn)行了研究與開(kāi)發(fā)[3]。如李磊等[4]采用不同熔體流動(dòng)速率的高密度聚乙烯，通過(guò)瞬時(shí)釋壓紡絲法，制備了多種聚乙烯非織造材料；夏云霞等[5]以再生聚乙烯為原料，利用閃蒸紡絲法，制備了再生聚乙烯非織造材料。閃蒸法紡絲成網(wǎng)原理如圖1所示[6]，具體為高溫高壓環(huán)境下得到的由聚合物與溶劑組成的混合紡絲溶液，從甬道噴絲孔噴射到常溫常壓環(huán)境中后，溶劑會(huì)迅速蒸發(fā)為氣相，而聚合物也會(huì)因此而破裂，并受到牽伸，形成一條含有很多超細(xì)纖維的紡絲束流；接著，紡絲束流被噴射到擺絲盤上，并在擺絲盤的作用下改變運(yùn)動(dòng)方向，同時(shí)紡絲束流被發(fā)散成網(wǎng)片狀，隨擺絲盤擺動(dòng)；然后，纖維網(wǎng)片在從擺絲盤下降到移動(dòng)網(wǎng)簾的過(guò)程中，會(huì)通過(guò)一個(gè)靜電裝置，在這里纖維網(wǎng)片被進(jìn)一步拉寬，纖維間相互纏結(jié)程度降低，成品中并絲減少；最后，左右擺動(dòng)的纖維網(wǎng)片鋪疊在下方的移動(dòng)網(wǎng)簾上，形成具有一定寬度和多層結(jié)構(gòu)的蓬松纖維網(wǎng)層，再經(jīng)冷壓輥壓光后即形成相對(duì)密實(shí)的預(yù)加固纖維網(wǎng)。后道可對(duì)預(yù)加固纖維網(wǎng)進(jìn)行如熱黏合等處理，形成具有質(zhì)輕、強(qiáng)韌、抗撕裂、防水透氣等優(yōu)點(diǎn)的特種薄片材料。

1——紡絲室；2——溶劑回收管；3——混合紡絲溶液；4——減壓孔；5——減壓室；6——溫度、壓力探測(cè)裝置；7——噴絲孔；8——紡絲束流；9——擺絲盤；10——靜電裝置；11——帶靜電的紡絲束流；12——移動(dòng)網(wǎng)簾；13——蓬松纖維網(wǎng)層；14——冷壓輥；15——預(yù)加固纖維網(wǎng)；16——出網(wǎng)口護(hù)板；17——卷繞輥。圖1 閃蒸紡絲成網(wǎng)示意

1 甬道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 甬道在閃蒸紡絲中的作用

甬道是噴絲組件[7]的一個(gè)重要組成部分(圖2)。閃蒸紡絲過(guò)程中，溶解均勻的紡絲溶液會(huì)先被傳送至減壓室，均相的紡絲溶液在減壓室內(nèi)減壓分相，形成富溶質(zhì)相和富溶劑相；分相后的紡絲溶液通過(guò)噴絲孔快速噴出，形成一條細(xì)小的高速束流。為保證此高速束流到達(dá)擺絲盤時(shí)穩(wěn)定且不分散，同時(shí)溶劑在此過(guò)程中能適當(dāng)膨脹蒸發(fā)，噴絲孔噴出的高速束流會(huì)經(jīng)過(guò)一個(gè)甬道再噴射到擺絲盤上[8]。甬道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將直接影響絲束及成網(wǎng)的質(zhì)量[9]。

1——減壓室；2——噴絲孔；3——甬道。圖2 噴絲組件結(jié)構(gòu)示意

1.2 甬道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

現(xiàn)有閃蒸紡絲成網(wǎng)技術(shù)中，甬道結(jié)構(gòu)有圓柱形結(jié)構(gòu)，即甬道是一個(gè)圓柱體；有喇叭形結(jié)構(gòu)，即甬道如同一個(gè)開(kāi)口的喇叭[10]；還有圓柱形和喇叭形的組合結(jié)構(gòu)等。由于閃蒸紡絲成網(wǎng)技術(shù)的主要難點(diǎn)在于如何保障噴出的絲束性能及形成的纖網(wǎng)均勻性，故甬道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)顯得特別重要。本文將結(jié)合杜邦公司設(shè)計(jì)的喇叭形結(jié)構(gòu)甬道相關(guān)尺寸，分別對(duì)3種甬道結(jié)構(gòu)的尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，研究甬道結(jié)構(gòu)對(duì)閃蒸紡絲性能的影響。其中，圓柱形結(jié)構(gòu)甬道涉及內(nèi)徑和長(zhǎng)度這2個(gè)參數(shù)；喇叭形結(jié)構(gòu)甬道涉及甬道入口內(nèi)徑、開(kāi)口角度和長(zhǎng)度這3個(gè)參數(shù)；圓柱形與喇叭形組合結(jié)構(gòu)甬道涉及圓柱形結(jié)構(gòu)的內(nèi)徑和長(zhǎng)度，以及喇叭形結(jié)構(gòu)的入口內(nèi)徑、開(kāi)口角度和長(zhǎng)度這5個(gè)參數(shù)。

2 樣品的制備

2.1 試驗(yàn)材料

溶質(zhì)：高密度聚乙烯(HDPE)聚合物，工業(yè)級(jí)，福建聯(lián)合石化。

溶劑：二氟一氯甲烷(R22)，優(yōu)級(jí)，浙江巨化；四氟二氯乙烷(R114)，優(yōu)級(jí)，浙江巨化。

2.2 預(yù)加固纖維網(wǎng)和成品布的制備

自制的閃蒸紡絲設(shè)備主要由反應(yīng)釜、輸送管道、噴頭組件、擺絲組件、靜電分絲組件，以及溫度控制裝置、壓力控制裝置、成網(wǎng)裝置等組成。紡絲時(shí)，一定質(zhì)量的溶質(zhì)和溶劑(溶劑中R22與R114的質(zhì)量比為mR22∶mR114=15∶85)先加入反應(yīng)釜中，加熱加壓到230 ℃和12 MPa，混合得到溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%的均勻紡絲溶液；接著，紡絲溶液通過(guò)管道傳送至噴頭組件處并噴出，形成高速的超細(xì)纖維紡絲束流；然后，紡絲束流在擺絲組件和靜電分絲組件的共同作用下，于成網(wǎng)裝置上形成具有一定面密度和一定幅寬的、相對(duì)蓬松的纖維網(wǎng)；最后，蓬松的纖維網(wǎng)經(jīng)過(guò)冷壓輥壓光后，形成相對(duì)密實(shí)的預(yù)加固纖維網(wǎng)。裁取部分預(yù)加固纖維網(wǎng)，由于預(yù)加固纖維網(wǎng)未經(jīng)熱黏合作用，其中的纖維尚未發(fā)生收縮變形，故從中慢慢剝?nèi)〗z束用于后續(xù)的性能測(cè)試。本文還對(duì)預(yù)加固纖維網(wǎng)進(jìn)行了熱黏合加工，制備成品布用于后續(xù)的性能測(cè)試。

3 性能測(cè)試

本文將比較3種甬道結(jié)構(gòu)閃蒸紡絲得到的預(yù)加固纖維網(wǎng)中絲束的強(qiáng)度、分散寬度和分散均勻度，以及預(yù)加固纖維網(wǎng)熱黏合后成品布的斷裂強(qiáng)力、透氣率，并結(jié)合預(yù)加固纖維網(wǎng)的透光均勻度，綜合評(píng)價(jià)甬道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)閃蒸紡絲性能的影響。

3.1 絲束強(qiáng)度

絲束從纖維網(wǎng)中剝離并取出后，參照文獻(xiàn)[10]的測(cè)試方法，先稱量預(yù)加載荷為245 cN時(shí)長(zhǎng)度為180 cm的絲束的質(zhì)量，計(jì)算得到絲束的線密度；然后，按照10 T/(2.54 cm)的捻度值對(duì)絲束加捻，將加捻后的絲束安裝到測(cè)試儀的夾具上；再將絲束線密度輸入Instron YG020A型電子單紗強(qiáng)力機(jī)中，設(shè)置拉伸速率為10.16 cm/min，啟動(dòng)測(cè)試儀直至絲束被拉斷，即得到絲束強(qiáng)度。

3.2 絲束的分散寬度及分散均勻度

單個(gè)絲束從預(yù)加固纖維網(wǎng)上剝?nèi)∠聛?lái)之前，利用直尺測(cè)量絲束兩邊沿的距離，即得絲束分散寬度。

單個(gè)絲束是由很多根超細(xì)纖維組成的，這些超細(xì)纖維的展開(kāi)程度可通過(guò)肉眼來(lái)觀察。若超細(xì)纖維在單個(gè)絲束分散寬度范圍內(nèi)均勻散開(kāi)，呈均勻的漁網(wǎng)狀，則絲束分散均勻度好；若超細(xì)纖維在單個(gè)絲束分散寬度范圍內(nèi)未充分散開(kāi)，存在很多并絲，且還有很多較大的孔洞，則絲束分散均勻度差。

3.3 成品布斷裂強(qiáng)力

參照GB/T 3923.1—2013《紡織品 織物拉伸性能 第1部分：斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定 條樣法》[11]，利用YG020A型電子單紗強(qiáng)力機(jī)，取長(zhǎng)約20 cm、寬5 cm的成品布，兩端用夾具固定，開(kāi)啟儀器直至成品布完全斷裂，即得到成品布斷裂強(qiáng)力。

3.4 成品布透氣率

使用YG461E型數(shù)字式透氣量?jī)x，參照GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測(cè)定》[12]，裁取100 cm2的圓形試樣，將其平整無(wú)皺褶地夾持于試樣圓臺(tái)上，啟動(dòng)吸風(fēng)機(jī)使壓力逐步接近規(guī)定值，約1 min后流量趨于穩(wěn)定，記錄此時(shí)的氣體流量，即得到成品布透氣率。

3.5 預(yù)加固纖維網(wǎng)的透光均勻度

將預(yù)加固纖維網(wǎng)放置于燈箱上方，利用燈光透過(guò)預(yù)加固纖維網(wǎng)呈現(xiàn)出的亮度，判斷預(yù)加固纖維網(wǎng)內(nèi)超細(xì)纖維的分布情況，以此表征預(yù)加固纖維網(wǎng)的透光均勻度。

4 結(jié)果與分析

4.1 圓柱形結(jié)構(gòu)甬道

圓柱形結(jié)構(gòu)是最為簡(jiǎn)單的一種甬道結(jié)構(gòu)，其只涉及2個(gè)參數(shù)——內(nèi)徑和長(zhǎng)度。甬道內(nèi)徑直接關(guān)系到經(jīng)噴絲孔后的紡絲束流的膨脹程度。內(nèi)徑太小，則紡絲束流得不到足夠倍數(shù)的膨脹，這不利于溶劑的充分閃蒸。內(nèi)徑太大，則紡絲束流膨脹過(guò)度，紡絲束流穩(wěn)定性受到影響。因此，設(shè)計(jì)圓柱形結(jié)構(gòu)甬道時(shí)，甬道內(nèi)徑尺寸需參考噴絲孔內(nèi)徑。

本文設(shè)計(jì)了6種圓柱形結(jié)構(gòu)甬道，即甬道內(nèi)徑分別為噴絲孔內(nèi)徑的3.0、4.5和6.0倍，甬道長(zhǎng)度分別為5.20 mm和6.00 mm。閃蒸紡絲時(shí)，其他條件如紡絲溶液配方、環(huán)境條件、噴絲板等都相同。所得絲束及成品布的表觀判斷和性能測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 不同尺寸的圓柱形結(jié)構(gòu)甬道的閃蒸紡絲性能結(jié)果

從表1可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)圓柱形結(jié)構(gòu)甬道長(zhǎng)度不變時(shí)，隨著甬道內(nèi)徑的逐漸增大，絲束的強(qiáng)度、分散寬度增大，分散均勻度提升，成品布的斷裂強(qiáng)力和透氣率也有所提升；當(dāng)圓柱形結(jié)構(gòu)甬道內(nèi)徑不變時(shí)，增加甬道長(zhǎng)度，絲束分散寬度反而略有降低，成品布透氣率下降。

4.2 喇叭形結(jié)構(gòu)甬道

喇叭形結(jié)構(gòu)是目前相對(duì)常見(jiàn)的一種甬道結(jié)構(gòu)，其窄口靠近噴絲孔，寬口向外。喇叭形結(jié)構(gòu)甬道會(huì)涉及3個(gè)參數(shù)，即入口內(nèi)徑、開(kāi)口角度和長(zhǎng)度。甬道入口內(nèi)徑的設(shè)計(jì)參考圓柱形結(jié)構(gòu)甬道內(nèi)徑的設(shè)計(jì)，不宜過(guò)大或過(guò)小。開(kāi)口角度對(duì)喇叭形結(jié)構(gòu)甬道非常重要，離開(kāi)噴絲孔后紡絲束流由于壓力的降低，溶劑快速蒸發(fā)，體積快速膨脹，噴出速度很快，故喇叭形結(jié)構(gòu)甬道能為紡絲溶液提供一個(gè)逐漸膨脹的空間，有利于紡絲束流的閃蒸和超細(xì)纖維的形成。喇叭形結(jié)構(gòu)甬道開(kāi)口角度越小，則形狀越趨向于圓柱形結(jié)構(gòu)甬道，開(kāi)口角度過(guò)大則失去了甬道的作用，紡絲束流會(huì)過(guò)于發(fā)散，不利于后續(xù)的擺絲成網(wǎng)。

本文設(shè)計(jì)了6種喇叭形結(jié)構(gòu)甬道，即甬道入口內(nèi)徑分別為噴絲孔內(nèi)徑的3.0倍和4.5倍，開(kāi)口角度分別為8°、12°和16°。閃蒸紡絲時(shí)，其他條件如紡絲溶液配方、環(huán)境條件、噴絲板等都相同。所得絲束及成品布的表觀判斷和性能測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 不同尺寸的喇叭形結(jié)構(gòu)甬道的閃蒸紡絲性能結(jié)果

從表2可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)喇叭形結(jié)構(gòu)甬道入口內(nèi)徑和長(zhǎng)度保持不變時(shí)，隨著開(kāi)口角度的增加，絲束分散寬度增大，成品布透氣率提升，但開(kāi)口角度過(guò)大，則成品布透氣率會(huì)因絲束分散均勻度下降而有所降低。另外，對(duì)比表1可知，相較于采用圓柱形結(jié)構(gòu)甬道，采用喇叭形結(jié)構(gòu)甬道所得絲束的分散寬度更寬,分散均勻度更好，所得成品布的斷裂強(qiáng)力和透氣率都有所提高。在表2得到的絲束分散均勻度較好的樣品中，B5得到的絲束分散寬度最大，同時(shí)，B5得到的成品布性能最佳，即斷裂強(qiáng)力和透氣率最大。

4.3 圓柱形與喇叭形組合結(jié)構(gòu)甬道

圓柱形與喇叭形組合結(jié)構(gòu)甬道綜合了上述兩種結(jié)構(gòu)甬道的優(yōu)點(diǎn)，是對(duì)甬道結(jié)構(gòu)進(jìn)行的創(chuàng)新。噴絲孔噴出的紡絲束流先經(jīng)過(guò)喇叭形結(jié)構(gòu)的甬道，再經(jīng)過(guò)圓柱形結(jié)構(gòu)的甬道，這樣既有利于紡絲束流閃蒸形成超細(xì)纖維，又能確保紡絲束流以一個(gè)較為穩(wěn)定的、不過(guò)于發(fā)散的狀態(tài)噴向擺絲盤，然后擺絲成網(wǎng)。

圖3為含有圓柱形與喇叭形組合結(jié)構(gòu)甬道的噴絲組件截面示意圖，可以清楚地看到喇叭形結(jié)構(gòu)與圓柱形結(jié)構(gòu)的前后位置。

D1——喇叭形結(jié)構(gòu)入口內(nèi)徑；L1——喇叭形結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度；α——喇叭形結(jié)構(gòu)開(kāi)口角度；D2——圓柱形結(jié)構(gòu)內(nèi)徑；L2——圓柱形結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度。圖3 圓柱形與喇叭形組合結(jié)構(gòu)甬道的噴絲組件截面示意

本文設(shè)計(jì)了6種圓柱形與喇叭形組合結(jié)構(gòu)甬道，即喇叭形結(jié)構(gòu)入口內(nèi)徑分別為噴絲孔內(nèi)徑的3.0倍和4.5倍，喇叭形結(jié)構(gòu)開(kāi)口角度分別為8°、13°和20°，圓柱形結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度固定為2.00 mm。閃蒸紡絲時(shí)，其他條件如紡絲溶液配方、環(huán)境條件、噴絲板等都保持不變。所得絲束及成品布的表觀判斷和性能測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 不同尺寸的圓柱形與喇叭形組合結(jié)構(gòu)甬道的閃蒸紡絲性能結(jié)果

從表3可以發(fā)現(xiàn)：采用喇叭形與圓柱形組合結(jié)構(gòu)甬道所得絲束分散均勻度和成品布透氣性能明顯提升；當(dāng)喇叭形結(jié)構(gòu)入口內(nèi)徑、喇叭形結(jié)構(gòu)和圓柱形結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度都保持不變時(shí)，隨著喇叭形結(jié)構(gòu)開(kāi)口角度的增大，絲束分散寬度有所增大，但角度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致絲束分散均勻度有所下降，這與喇叭形結(jié)構(gòu)甬道閃蒸紡絲試驗(yàn)結(jié)果類似。在表3得到的絲束分散均勻度為較好及以上水平的樣品中，C5得到的絲束分散寬度最大，同時(shí)，C5得到的成品布性能最佳，即斷裂強(qiáng)力和透氣率最大。

4.4 預(yù)加固纖維網(wǎng)透光均勻度

為比較喇叭形結(jié)構(gòu)甬道和組合結(jié)構(gòu)甬道所制得預(yù)加固纖維網(wǎng)的均勻度差異，采取透光法，對(duì)B5和C5兩種甬道得到的預(yù)加固纖維網(wǎng)的均勻度進(jìn)行觀察，所得透光照片如圖4和圖5所示，照片中的“黑線條”能在一定程度上反映預(yù)加固纖維網(wǎng)中的并絲狀況。對(duì)比圖4和圖5可以看出，圖4中的“黑線條”在數(shù)量和長(zhǎng)度上都比圖5中的更多、更明顯，可見(jiàn)組合結(jié)構(gòu)甬道C5閃蒸紡絲制得的預(yù)加固纖維網(wǎng)整體均勻性更優(yōu)。

圖4 采用喇叭形結(jié)構(gòu)甬道B5所得預(yù)加固纖維網(wǎng)透光照片

圖5 采用組合結(jié)構(gòu)甬道C5所得預(yù)加固纖維網(wǎng)透光照片

5 結(jié)論

本文分別利用圓柱形結(jié)構(gòu)甬道、喇叭形結(jié)構(gòu)甬道、喇叭形與圓柱形組合結(jié)構(gòu)甬道進(jìn)行閃蒸紡絲，通過(guò)分析甬道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)閃蒸紡絲所得預(yù)加固纖維網(wǎng)中絲束的強(qiáng)度、分散寬度和分散均勻度，以及預(yù)加固纖維網(wǎng)熱黏合后成品布的斷裂強(qiáng)度和透氣率等的影響，并結(jié)合預(yù)加固纖維網(wǎng)的透光均勻度，得到：

(1)甬道內(nèi)徑需參考噴絲孔內(nèi)徑進(jìn)行設(shè)計(jì)，且當(dāng)甬道內(nèi)徑為噴絲孔內(nèi)徑的3.0～5.0倍時(shí)，噴絲效果較佳；

(2)喇叭形結(jié)構(gòu)甬道有助于提升絲束的分散性，進(jìn)而提升成品布的透氣性和均勻性，但喇叭形結(jié)構(gòu)甬道的開(kāi)口角度不宜過(guò)大，以8°～13°時(shí)噴絲效果較佳；

(3)喇叭形與圓柱形組合結(jié)構(gòu)甬道既有利于紡絲束流閃蒸形成超細(xì)纖維，又能確保紡絲束流以一個(gè)較為穩(wěn)定的、不過(guò)于發(fā)散的狀態(tài)噴向擺絲盤，然后擺絲成網(wǎng)，其所得絲束分散性好，成品布透氣性和整體均勻性均較好，是一種較佳的甬道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。