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§9-1  熔喷工艺应用的原料
一、熔喷工艺对聚合物熔体性能的要求
从理论上讲，凡是热塑性聚合物切片原料均可用于熔喷工艺。聚丙烯是熔喷工艺应用最多的一种切片原料，除此之外，熔喷工艺常用的聚合物切片原料有聚酯、聚酰胺、聚乙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、PBT、EMA、EVA、聚氨基甲酸酯等。
聚合物切片原料的性能与熔喷工艺密切相关，主要的参数有：
l         聚合物种类
l         分子量及其分布
l         聚合物降解性能
l         切片形状
l         含杂
1、聚合物种类
聚合物种类不同时，分子结构差异很大，决定了熔点及流变性能的不同。对于每一种聚合物原料，均有对应的熔喷工艺，如在加热温度、螺杆长径比、螺杆形式、原料干燥工艺等方面都有一定的差异。

烯烃类聚合物原料(如聚丙烯)的聚合度较高，因此加热温度高于其熔点100℃以上方能顺利熔喷，而聚酯加热温度稍高于其熔点就可熔喷。烯烃类聚合物原料几乎不含水，因此熔喷时一般不需要干燥。而聚酯中含有微量水分，加热后由于水分的存在会导致酯类的水解，产生不利于非织造布产品质量的副反应物，因此必须进行切片干燥。
2、分子量及其分布
聚合物原料的分子量及分子量分布是影响熔喷工艺和熔喷法非织造布性能最主要的因素。对熔喷工艺来说，一般认为聚合物原料分子量低、分子量分布窄有利于熔喷纤网的均匀性。聚合物分子量大小与其熔融流动指数(MFI)成反比，与聚合物熔体的熔融粘度成正比。也即聚合物分子量越低，MFI越高，熔体粘度越低，越能适合于熔喷工艺较弱的牵伸作用。
通常，聚丙烯、聚乙烯及其共聚物在熔喷工艺设计时主要考虑MFI。而其他热塑性高聚物熔喷时考虑用熔体粘度或特性粘度来反映原料的分子量大小。
采用MFI较低的聚丙烯原料可生产出强力较高的熔喷法非织造布。但目前的趋势是采用较高的MFI切片原料，这样可提高产量，降低加热温度，从而降低能耗。
分子量分布越集中，大分子的分子量均等性好，便于均匀受热、熔融并得到均匀的纤网，因此，熔喷工艺要求聚合物原料的分子量分布尽量集中。
3、聚合物降解性能
聚合物降解有助于修正聚合物熔体粘度和分子量分布。通常有三种降解方式：化学、机械剪切和热降解。聚合物熔喷时或熔喷前，可采用氧或过氧衍生物来实现化学降解，增加挤压速率、热量和熔体滞留时间均可达到机械剪切降解和热降解的目的。
对于聚合物熔体来说，要求均匀发生降解，避免聚合物熔体降解不一致而造成粘度不均匀，分子量分布离散。同时还要求不能过度降解。
4、含杂
熔喷工艺所用的模头的喷丝孔直径较小，若聚合物原料含杂多，易引起喷丝孔堵塞。因此，改善聚合物切片原料生产环境，优化切片生产工艺，降低切片含杂量，可有效延长熔喷模头更换周期，减少耗能，降低产品生产成本。
二、常用原料
1、聚丙烯(PP)
聚丙烯用于熔喷工艺有以下特点：
(1)聚合物熔体粘度可以按需控制
熔体粘度控制方法主要有：使用氧化剂或过氧化剂；依靠螺杆挤出机的机械剪切作用；控制工作温度进行热降解。对于MFI较低的聚丙烯，通常同时采用以上三种方法来控制熔体粘度，以便熔喷形成超细纤维。
(2)分子量分布(MWD)可控制
熔喷工艺要求聚丙烯分子量分布较窄，以便加工出超细纤维。

(3)较宽的熔融温度范围
聚丙烯具有较宽的熔融温度范围，对非织造工艺中常用的热粘合加工工艺较为有利。常规应用中，聚丙烯的耐热性已足够。
(4)有利于制成超细纤维
与其他聚合物原料相比，如果聚丙烯熔体的粘度很低、分子量分布很窄，则熔喷时，同样的能耗和同样的牵伸条件下可得到较细的纤维。聚丙烯熔喷非织造布纤维细度通常为2～5μm，极端条件下可达到0.3μm。较窄的分子量分布降低了熔体的弹性，因此，熔喷模头喷丝孔挤出的熔体细丝可在热空气流牵伸作用下变得更细。

熔喷工艺中，必须根据最终产品的质量、性能要求以及工艺特性来选择聚丙烯切片原料。重点应考虑以下几方面：
n         添加剂
为了保证聚合物切片的贮存、加工和最终应用的稳定性，聚合物切片生产时一般都加入一些添加剂。根据熔喷非织造布的最终应用要求，熔喷加工时，可在挤出机加料阶段再放入适当的添加剂。例如，如生产用于卫生材料的熔喷法非织造布，则可加入一些耐γ射线照射的添加剂，以便使产品在医院或其他使用场所中可耐射线消毒照射。
n         均匀性
要求切片每包、每桶或每箱的MFI和添加剂等指标保持一致，以保证熔喷生产工艺和产品质量稳定。
n         MFI
美国熔喷工艺常用的聚丙烯切片的MFI达到400、800、1200等，我国尚未批量生产，仍依赖于进口。聚丙烯切片的MFI越高，则熔喷时能耗越小，参见图9-4。如要求熔喷法非织造布的强度高，一般可使用MFI30~35的聚丙烯切片，但生产能耗要高一些。对于吸油材料以及保暖材料等，仅考虑纤维细度的话，可使用高MFI的切片，产量高，能耗低。
n         造粒
普通造粒工艺会造成高MFI切片的特性不均匀性。目前，由于改进了催化剂和添加剂的良好分布，可以直接从反应釜制得具有较窄分子量分布的球粒状切片。这种高MFI的切片具有更好的熔融指数均匀性，而且越过了造粒阶段，减少了树脂受热时间，因此其应用迅速增长。
n         MWD
分子量分布宽度对熔体流动性能有明显影响，分子量分布越窄，越容易制得细纤维。分子量分布宽，造成熔体切变速率下降，增加了熔体的弹性，会影响热空气流对熔体细丝的牵伸，从而影响纤维细度和产品的手感。
某些高MFI的树脂中还加入了降解添加剂，以便在挤出机中降低熔体粘度和缩小分子量分布范围，因此较适合熔喷加工工艺。
n         切片的清洁性
减少切片的含杂量，有利于延长熔喷模头更换周期，降低生产成本。熔喷工艺中，聚合物熔体进入模头之前，应经过过滤，以滤去杂质和聚合反应后残留的催化剂。
2、聚酯(PET)
参见第八章相关内容。
3、聚酰胺(PA)
参见第八章相关内容。
§9-2  熔喷工艺原理与过程
一、熔喷工艺原理与过程
熔喷非织造工艺是采用高速热空气流对模头喷丝孔挤出的聚合物熔体细流进行牵伸，由此形成超细纤维并收集在凝网帘或滚筒上，同时自身粘合而成为熔喷法非织造布。
熔喷工艺过程主要为：
l         熔体准备 l         过滤 l         计量 l         熔体从喷丝孔挤出
l         熔体细流牵伸与冷却 l         成网

熔喷过程
1、熔体准备
熔喷非织造工艺使用聚酯、聚酰胺等切片原料时，必须对切片进行干燥预结晶。聚丙烯切片通常不需要干燥。熔喷工艺主要采用螺杆挤出机对聚合物切片进行熔融并压送熔体。
固体切片进入螺杆后，首先在螺杆进料段被输送和预热，继而经螺杆压缩段压实、排气并逐渐熔化，然后在螺杆计量段中进一步混和塑化，并达到一定的温度，以一定的压力输送到计量泵。
2、过滤
熔喷工艺中，聚合物熔体进入模头之前，应经过过滤，以滤去杂质和聚合反应后残留的催化剂。常用过滤介质有细孔烧结金属、多层细目金属筛网、石英砂等。
3、计量熔喷工艺中采用齿轮计量泵进行熔体计量，高聚物熔体经准确计量后才送至熔喷模头，以精确控制纤维细度和熔喷法非织造布的均匀度。
4、 熔体从喷丝孔挤出
熔喷工艺与传统纺丝具有相似原理，聚合物熔体从模头喷丝孔挤出的历程可分为入口区、孔流区和膨化区。
熔体形成超细纤维首先要通过入口区和孔流区。在入口区，聚合物熔体由锲状导入口缩紧进入喷丝毛细孔之前，在入口处熔体流速加快，散失的部分能量以弹性能贮存在熔体内。其后，熔体细流进入喷丝孔孔流区，在该区域，剪切速率增大，大分子构象发生改变，排列比较规整。
熔体细流的流速在毛细管中呈抛物线分布，孔壁速度小，中心速度大，形成明显的径向速度梯度，这是非牛顿流体的特征。在孔流区，剪切速率达到最大，熔体一出喷丝孔，由于剪切速率和剪切应力迅速减小，由此产生的弹性回复和应力松弛，将导致熔体细流膨化胀大。
膨化区熔体细流直径大于喷丝孔径的膨化现象，表现出熔体弹性和流动曲线的非牛顿性，可解释为高聚物柔性长链分子的粘弹性的宏观表现。和传统聚合物纺丝工艺中存在的膨化现象一样，熔喷工艺过程中聚合物熔体从大的空间进入模头喷丝孔时的弹性变形和通过喷丝孔后的松弛所产生的膨化现象是明显的，尤其是牵伸热空气流速度较低时。

聚合物熔体的膨化胀大与聚合物分子量、熔体温度以及喷丝孔长径比有关，通常，聚合物分子量减小、熔体温度升高以及喷丝孔长径比增大，熔体膨化胀大率减小。根据实验观察，聚丙烯熔喷工艺中最大膨化的位置根据不同工艺条件而变化，通常在距离喷丝孔0.1～5mm的范围内，熔体细流膨化位置和大小与熔喷模头结构、喷丝孔的几何形状以及聚合物熔体在喷丝孔中流动状况等有关。熔喷工艺要求膨化胀大率X的值较小，这样可保证纤维牵伸平稳，断头减小，纤维条干均匀性好。
5、熔体细流牵伸与冷却
熔喷工艺中，从模头喷丝孔挤出的熔体细流发生膨化胀大的同时，受到两侧高速热空气流的牵伸，处于粘流态的熔体细流被迅速拉细。同时，两侧的室温空气掺入牵伸热空气流，使熔体细流冷却固化成形，形成超细纤维。

熔喷工艺中牵伸热空气速度与纤维细度的关系

纺丝成网法工艺中纺丝速度(VF)与纤维细度的关系

纺丝速度可根据VF=Q×9000/d得出与纤度的函数关系。如果用熔喷工艺的气流速度比较纺粘法的纺丝速度，在喷丝孔吐出量为0.35g/hm时，如要制得同样0.7d纤度的纤维，纺粘法纺丝速度约为4500m/min，这在目前纺粘法工艺是可以做到的，但要做到5μm纤度的纤维，按上述函数关系，其纺丝速度为35000m/min，这样传统的纺丝条件就存在极大困难。比较而言，熔喷工艺就比较容易生产超细纤度的纤网，热空气速度400～600(m/s)在实际生产中已被普遍应用。
纺粘法与熔喷法属两种完全不同的牵伸工艺，为了制取更细旦的纤网，纺粘法工艺中结合熔喷的牵伸原理，已有新的工艺突破。
熔喷工艺中，纺丝线上高聚物熔体离开喷丝孔后的流变行为强烈依靠高温高速气流的牵伸，其开放式的气流运动经常会造成纤维明显的力学波动，式9-2所描述的动平衡随之打破，造成断丝现象，因此，熔喷工艺中的纺丝过程是非稳态的。
PET熔喷时，通常在牵伸气流两侧喷水，以加快熔体细流冷却固化的过程。该方法对熔喷纺丝过程的稳定性存在一定的影响。
6、 成网
熔喷工艺中，经牵伸和冷却固化的超细纤维在牵伸气流的作用下，吹向凝网帘或滚筒，凝网帘下部或滚筒内部均设有真空抽吸装置，由此纤维收集在凝网帘或滚筒上，依靠自身热粘合或其他加固方法成为熔喷法非织造布。
模头喷丝孔出口处到接收帘网或滚筒的距离称为熔喷接收距离DCD。
国内间歇式熔喷生产设备的接收方式与进口连续式生产线相比有很大差异，国产间歇式熔喷生产线的接收滚筒由不锈钢钢板卷成，熔喷超细纤维直接接收在滚筒上，没有真空抽吸作用。当需要较大单位面积质量的熔喷法非织造布时，通常将熔喷超细纤维一层层叠加上去，这样，产品的均匀度比进口设备生产的产品好，并可采用较小的接收距离，使产品密度增加，同时产品的弯曲刚度也比进口设备生产的产品大得多。
间歇式熔喷生产线的产品是块状的，产量也比进口设备低。
§9-3  熔喷设备
一、熔喷系统组成
熔喷生产线的设备主要有：
l         上料机
l         螺杆挤出机
l         计量泵
l         熔喷模头组合件
l         空压机
l         空气加热器
l         接收装置
l         卷绕装置
生产聚酯及聚酰胺熔喷非织造材料时，还需要切片干燥保温装置。生产辅助设备主要有模头清洁炉、静电施加装置和喷雾装置等。
1、上料机
安装于挤出机料斗之上。上料机的功能是将聚合物切片抽吸至螺杆挤出机料斗，通常具有自动功能，可按整个生产线的产量来设定单位时间的送料量。
2、螺杆挤出机
参见第八章相关内容。
3、计量泵
参见第八章相关内容。
4、熔喷模头组合件
模头组合件是熔喷设备中最关键的部分，通常由以下各部分组成：
n         聚合物熔体分配系统
n         模头系统
n         伸热空气管路通道
n         加热保温元件
(1)聚合物熔体分配系统
聚合物熔体分配系统的作用是保证聚合物熔体在整个熔喷模头长度方向上均匀流动并具有均一的滞留时间，从而保证熔喷法非织造布在整个宽度上的具有较小的单位面积质量偏差、纤网cv值及其它物理机械性能的差异。目前熔喷工艺中主要采用衣架型聚合物熔体分配系统，详细讨论见§9-5。
(2)模头系统
熔喷模头系统是整个组合件中另一重要部分。熔喷法非织造布的均匀度与模头设计、制造有密切关系。通常，熔喷模头的加工精度要求很高，因此熔喷模头制造成本较昂贵。
Exxon公司早期研制的熔喷模头，共有192个喷丝孔，分成4个区域，每个区域有48个喷丝孔，区域之间被25.4mm宽的空间所隔开，该空间用于固定上下两块模体，因此，该熔喷模头的喷丝孔实际上是由上下模体配合形成的。先在上下模体结合面上各自加工出微细的凹槽，然后上下模体贴合，校正后即可形成一排喷丝孔。
该结构的特点是，可得到较大的喷丝孔长径比，模头清洁较方便，但加工精度和装配精度要求较高，目前已较少应用。
Exxon公司早期研制的熔喷模头

Exxon公司专利U.S.P 3,825,379中有关的熔喷模头，这也是目前熔喷工艺中常用的结构。其喷丝孔采用毛细管，通过焊接与模头成为一体。其他喷丝孔的加工方法有机械钻孔、电弧深孔加工等。对于毛细管焊接模头，喷丝孔长径比大，但模头工作寿命短。对于机械钻孔等，由于加工上的难度，喷丝孔的长径比不能做到很大，但模头寿命较长。

熔喷模头中，牵伸热空气通道的设计也是非常重要的，要求在整个熔喷模头长度方向上保持热空气流喷出速度和流量一致，以获得均匀的熔喷纤网。目前，世界上熔喷非织造生产线的制造商均有自己的设计特点。
通常的方法是尽量保证每孔聚合物和热空气的流量相等，可采用了较长的聚合物熔体分配通道以及迷宫式热空气通道。
熔喷模头清洁处理时应注意防止变形和损伤。
5、空气加热器
熔喷工艺需用大量的热空气。空压机输出的压缩空气经除湿过滤后输送到空气加热器加热，然后再送至熔喷模头组合件。空气加热器是压力容器，同时要抵抗高温空气的氧化作用，因此材料必须选用不锈钢。
空气加热器的发热元件为不锈钢电加热管。加热器内腔设置多个折流板，可延长空气在加热器内腔滞留时间，以提高热交换效率。适当增加加热管数量，提高空气加热器的装机功率，可缩短生产线开车升温时间。熔喷工艺对牵伸空气加热器的温度控制精度要求较高，牵伸空气温度要求稳定在±1℃的范围内。

6、接收装置
熔喷工艺中的接收装置主要有：
l         滚筒式
l         平网式
l         立体成型(芯轴)
美国Accurate公司熔喷生产线的专利接收滚筒，其内部吸风通道分多层，以保证滚筒延轴线方向吸风量的一致。德国Reifenhaeuser公司的熔喷生产线采用了平网接收装置，其帘网周长固定，转动辊可左右移动，以调节帘网成网工作面的水平位置，从而达到改变熔喷接收距离DCD的目的，Reifenhaeuser公司熔喷生产线的模头系统的位置是固定的。美国Accurate公司熔喷生产线的模头系统以及螺杆挤出机等安装在一个升降平台上，通过升降平台来调节熔喷接收距离，接收滚筒的水平位置不可调。
美国Accurate公司熔喷生产线的专利接收滚筒

生产熔喷滤芯时，可采用立体接收装置，分间歇式立体接收和连续式立体接收。
间歇式立体接收装置的特点是，整个接收装置来回移动，熔喷成形的超细纤维多层次地缠绕在转动的芯轴或骨架上；成形时外表面采用成形压辊整形；通过改变接收距离，可生产具有密度梯度的滤芯；改变芯轴尺寸，可生产不同内径的滤芯；调节成形压辊位置，可生产不同外径的滤芯。由于每根滤芯制成后需更换芯轴，因此间歇式立体接收方式的制成率较低。
间歇式立体接收装置

连续式立体接收装置。该装置的接收芯轴呈悬臂梁形式，结构较复杂，接收芯轴呈空心状，内配有用来输出管状滤芯的传动轴，该传动轴头端配有螺纹，依靠管状滤芯(接收芯轴)和螺纹头的速度差产生的推力将管状滤芯从接收芯轴上拔出并输送至定长切割系统。定长切割系统控制较复杂，一是正确计量切割滤芯的长度，二是切割时刀具移动速度应与管状滤芯输出速度保持同步。连续式接收装置生产具有密度梯度的滤芯时，应配置多个不同接收距离的熔喷模头。和间歇式立体接收方式相比，连续式接收装置正常生产时没有边角料，因此制成率要高得多。
连续式立体接收装置

7、辅助设备
熔喷生产线最主要的辅助设备就是模头清洁炉。熔喷模头生产一段时间后会发生堵孔现象，影响产品均匀性和外观，这时需要更换熔喷模头。替换下来的熔喷模头需要用焙烧的方式除去残留在模头内的聚合物和杂质。螺杆和喷丝板等通常均采用焙烧的方法来除去残留聚合物及杂质。
较小的熔喷模头可采用一般的电阻炉加热保温，保温温度420～450℃，保温时间4～8小时，并随炉冷却至常温。大型的熔喷模头通常不采用电阻炉，因为尺寸较大的电阻炉温度控制不精确，而且缺乏温度过高的保护机制。
美国Pollution Control Products公司的SCTR系列清洁炉，可设定的加热温度范围为428～482℃，炉膛最长可达到3.6m，采用推车将模头或螺杆等送入炉膛。该清洁炉采用轻质柴油直燃加热，循环风保证加热温度均匀，自动喷水装置防止炉温过高。
燃油式清洁炉运行成本低于电加热方式，但安装和维护成本较高。
焙烧除去残留聚合物及杂质
二、典型熔喷设备介绍
1、德国Reifenhauser公司熔喷生产线

德国Reifenhauser公司的Reicofil(SMS)生产线

德国Reifenhauser公司的Reicofil单头熔喷生产线

德国Reifenhauser公司的Reicofil双头熔喷生产线

德国Reifenhauser公司的Reicofil离线式SMS复合生产线

§9-4  熔喷产品性能与应用
一、熔喷法非织造布的结构与性能
熔喷法非织造布的特点之一是纤维细度较小，通常小于10μm，大多数纤维的细度在1～4μm。

熔喷工艺是一个非稳态的纺丝过程，从熔喷模头喷丝孔到接收装置的整条纺丝线上，各种作用力不能保持动平衡。由于这种区别于传统纺丝工艺条件的非稳态纺丝过程，造成了熔喷纤维粗细长短的不一致。

从偏光显微镜上观察可知，这种在非均匀牵伸和冷却条件成形的纤维，其结晶和取向也是不均匀的。
纺丝成网法非织造布纤网中纤维直径的均匀度明显好于熔喷纤维，纺粘工艺中，纺丝工艺条件是稳态的，牵伸和冷却条件变化波动较小，纺丝线上各点每一瞬时所流经的聚合物质量相等，纺丝线上某点的聚合物的密度、丝条横截面面积和运动速度的乘积为常数，即服从流动连续性方程所描述的规律，纺粘工艺形成的纤维是连续不断的长丝。

观察熔喷聚丙烯纤维和纺粘聚丙烯纤维的X衍射照片，两者晶区取向程度和晶格大小是不同的。纺粘聚丙烯纤维的德拜环上的弧状斑点比较明显，纤维结晶区取向程度明显要高于熔喷聚丙烯纤维。
熔喷和纺粘聚丙烯纤维的双折射Δn均随拉伸倍数的增加而提高，而且纺粘聚丙烯纤维的双折射比熔喷聚丙烯纤维要高得多。由此，熔喷成形的纤维强度较差，熔喷法非织造布实际应用时，主要是应用其超细纤维的特点。
二、影响熔喷法非织造布产品性能的因素
熔喷工艺的复杂性，决定了影响熔喷法非织造布产品性能的因素较多。聚合物原料性能以及熔喷工艺条件直接影响产品的性能。
影响熔喷法非织造布性能的工艺参数分在线参数和离线参数。在线参数是指在熔喷生产过程中可按需调节的变量，主要有聚合物熔体挤出量与温度、牵伸热空气速度和温度以及熔喷接收距离等。离线参数是指只能在设备不运转时才能调节的变量，如熔喷模头喷丝孔形状、牵伸热空气通道尺寸及导入角度等等。
研究表明，聚丙烯熔指越高，熔喷成形单纤维的强力越低。
聚丙烯熔融指数(MFI)与熔喷法非织造布纵向强力和顶破强力的关系 

聚丙烯熔融指数(MFI)与熔喷法非织造布断裂伸长的关系
熔喷法非织造布的强度与纤网单位面积质量以及密度相关。通常，随着纤网单位面积质量的增加，熔喷法非织造布的纵横向强度均有所增加。
但纤网密度对熔喷法非织造布强力的影响很大，对于一定单位面积质量的熔喷法非织造布，纤网密度越小，拉伸断裂强力越低，而拉伸断裂伸长越大。如纤网密度增加，则对提高纤网的断裂强力有利，但拉伸断裂伸长减小。熔喷纤网中的纤维呈杂乱排列，对纤网强力的贡献除了纤维本身强力外还取决于纤维之间的热粘合程度。根据研究，熔喷纤网中纤维之间的热粘合程度与熔喷工艺条件相关，其中熔喷接收距离(DCD)的影响尤为显著。
熔喷法非织造布纤网定量和拉伸强力的关系

熔喷接收距离(DCD)影响熔喷纤网的蓬松度和纤维之间的热粘合程度。
通常情况下，减小接收距离，牵伸热空气冷却和扩散不充分，熔喷纤维之间的热粘合得到改善，但产品的蓬松度下降，密度增加，此时纤网中的纤维多数呈团聚状排列。当接收距离增大时，纺丝线上纤维丝条和牵伸热空气的温度均迅速下降，造成熔喷纤网中纤维之间热粘合效率降低，纤维之间粘连频度下降，此时熔喷纤网具有较高的蓬松度，纤网强力仅取决于纤维之间的缠结和抱合，同时可观察到多数纤维呈伸直状态，并出现较严重的并丝现象。随着熔喷接收距离的增大，熔喷法非织造布的断裂强力、顶破强力、撕破强力以及弯曲刚度均呈下降趋势，而透气率呈增长趋势。
团聚状排列的熔喷纤维

熔喷接收距离与纵向断裂强度及弯曲刚度的关系

熔喷接收距离与横向断裂强度及弯曲刚度的关系

熔喷接收距离与顶破强度的关系

熔喷接收距离与撕破强度的关系

熔喷接收距离与产品透气率的关系

聚合物熔体挤出量越大，则整条熔喷生产线的产量也越大。但对于一定的熔喷设备来讲，其产量受到工艺条件的制约，如熔喷模头喷丝孔数量、牵伸热空气速度(流量)等。
对于一定的熔喷设备，其牵伸热空气速度存在极限。在其它工艺参数不变的条件下，增加聚合物熔体挤出量，将导致对每个喷丝孔挤出的熔体细流牵伸作用的削弱，最终纤维平均直径变大，相对强力下降。同时由于纤维直径变大，纤维根数减少，使纤维在接收装置上凝聚时相应的接触面积变小，发生自粘的部位也相应减小，从而最终导致熔喷法非织造布的相对强力减小。
螺杆转速、气阀开孔率与熔喷非织造布纵向强度的关系

螺杆转速、气阀开孔率与熔喷非织造布顶破强度的关系

熔喷纤维直径、产量和聚合物熔体挤出量之间的关系

聚合物熔体挤出量、生产速度和纤网面密度之间的关系

熔喷模头喷丝孔每分钟挤出的聚合物熔体克数越高，则纤维越粗。如牵伸热空气速度达到500m/s时，要得到平均直径为1μm的纤维时，则聚合物熔体挤出量只能控制在0.023g/h/min以下。因此，在保证熔喷法非织造布产品纤维细度的前提下，要提高熔喷生产线的产量，必须增加熔喷模头喷丝孔的数量。
牵伸热空气速度是熔喷工艺中重要的工艺参数，直接影响到熔喷纤维细度。对于一定的聚合物熔体挤出量及一定的熔体粘度，牵伸热空气速度越大，则纺丝线上聚合物熔体细丝受到的牵伸作用越大，纤维越易变细。采用MFI为300的聚丙烯切片原料，在5种气阀开孔率 (牵伸热空气速度)与3种螺杆转速 (熔体挤出量)条件下进行熔喷试验，可得到纤维直径、气阀开孔率和螺杆转速之间的关系。
螺杆转速、气阀开孔率与熔喷纤维直径的关系

在每一种螺杆转速条件下，熔喷纤维直径都随牵伸热空气速度增加而减小；随聚合物熔体挤出量增加而增大。同时，牵伸热空气速度增大到一定程度时，对减小纤维直径的作用减弱。从另一方面看，牵伸热空气速度增大到一定程度时，增加聚合物熔体挤出量，纤维直径增大量不显著。因此，在工业化生产中，通常采取高牵伸热空气速度来补偿因聚合物挤出量增加而引起的纤维直径变化，也即牵伸热空气速度与聚合物挤出量必须相匹配。
熔喷工艺中，牵伸热空气速度除了影响纤维细度之外，还影响到产品的强度。通常，提高牵伸热空气速度，有利于提高纤维单强并改善纤网中纤维之间的热粘合程度，从而提高熔喷法非织造布的拉伸强度和顶破强度。熔喷工艺中，在高聚合物熔体挤出量的条件下，需适当提高牵伸热空气速度来补偿高挤出量引起的产品强力下降的不良影响。
熔喷温度是指熔喷模头的工作温度，可用以调节聚合物熔体的粘度。在其它工艺条件不变时，聚合物熔体粘度越低，熔体细丝可牵伸得越细。因此熔喷工艺中采用较高MFI的聚合物切片原料，较易得到超细纤维。但是，熔体粘度过小会造成熔体细丝的过度牵伸，形成的超短超细的纤维会飞散到空中而无法收集，因此熔喷工艺中聚合物熔体粘度并不是越小越好，为了防止熔体在剪切力作用下产生破裂，聚合物熔体粘度应保持在一定的范围内。聚丙烯原料熔喷常用的熔体粘度范围为50～300泊(Pa·s)。
熔喷纤网中常出现没有牵伸成超细纤维的团块状聚合物，称为“shot”现象。造成“shot”现象的原因主要有：
牵伸热空气的速度太小或熔体粘度太高，部分熔体细丝的牵伸不彻底，熔体细丝未及完全牵伸就脱离喷丝孔并与其他纤维一起收集到成网装置上；熔体粘度太低，牵伸热空气速度高时，喷丝孔对熔体的握持作用减弱，造成某些熔体还没有被牵伸成纤维便脱离喷丝孔；正常生产时突然减小挤出量，聚合物原料在螺杆挤出机及熔喷模头中停留时间过长，造成过度热降解而引起熔体粘度减小。
由此可见，要生产出合格的产品，熔喷工艺应根据不同MFI的聚合物原料，正确设置熔体挤出量、熔喷温度和牵伸热空气速度，并应注意到这些工艺参数之间存在着相互依赖的关系。
熔喷纤网中出现的“shot”现象

三、产品应用
目前，熔喷法非织造布的主要用于：
n         过滤材料
n         医疗卫生用材料
n         环境保护材料
n         服装材料
n         电池隔膜材料
n         擦拭材料
其中过滤材料应用最广，其次是医疗卫生用材料、环境保护材料、服装材料、电池隔膜材料以及擦拭材料等。
1、过滤材料
熔喷法非织造布早期的应用主要是过滤材料，熔喷法非织造布具有纤维细、结构蓬松、孔隙多而孔隙尺寸小的优点，通过适当的后整理，是一种性能优良的过滤材料。熔喷法非织造布在过滤领域的应用有气体过滤和液体过滤，气体过滤方面有已经大量推广应用的医用防菌口罩、室内空调机过滤材料、汽水分离过滤材料、净化室过滤材料等。其中医用防菌口罩采用熔喷法非织造布作为过滤介质可大大减少细菌的透过率，其阻菌率高达98％以上，而且佩戴时没有任何不舒服的感觉。在液体过滤方面，熔喷法非织造布可用于饮料和食品过滤、水过滤、贵金属回收过滤、油漆和涂料等化学药品过滤等。熔喷法非织造布可与其它材料复合并制成可换式滤芯或滤袋等用于各种过滤装置中。
一般认为，过滤材料对固体尘埃的阻截作用是5种机理联合作用的结果。未经后整理的熔喷法非织造布作为过滤材料，主要依靠直接捕获、惯性沉积、扩散效应和重力效应的作用。因此，要提高过滤效率，必须减小纤维直径并增加熔喷非织造布的密度，但会造成过滤阻力的明显增加。

熔喷法非织造布的驻极处理是提高其过滤效率的重要后整理技术。经过驻极整理的熔喷法非织造布，带有持久的静电，可依靠静电效应捕集微细尘埃，因此具有过滤效率高，过滤阻力低等优点。驻极熔喷法非织造布除对0.005～1mm的固体尘粒有很好的过滤效果外，对大气中的气溶胶、细菌、香烟烟雾、各种花粉等均有很好的阻截效果。
熔喷工艺中，借助纺丝线上的发射电极可使熔喷成形纤维带有持久的静电荷。聚丙烯具有较高的电阻率(7×1010Ω·cm)，注入电荷的容量较大，射频损耗极小，因此是一种制造驻极纤维的理想材料。实验表明，经驻极整理的聚丙烯熔喷非织造布在自然状态下存放1440小时后，滤效保持不变。

由此可见，纤维单位长度上的电荷与捕集系数成正比，而纤维直径与捕集系数成反比。驻极整理后熔喷法非织造布的过滤阻力并无变化，而滤效却提高很多，这是其它非织造布所无法比拟的。
当纤网单位面积质 •  量不变时，熔喷接收距 •  离增加造成纤网蓬松度 •  增加，则滤效下降，阻 •  力减小；减小螺杆挤出 •  量时，纤维变细，则滤 •  效提高。
2、保暖材料
保暖材料应具有良好的保暖性，可防止或减少由导热、对流和辐射所引起的热损失，并能较长期使用而不改变其保暖性。实验表明，纤网结构是影响保暖材料传热性能的主要因素之一。
熔喷复合保暖材料和聚酯纤维絮片的传热率均随蓬松率的增加而提高。蓬松率提高，纤网中空气流动加快，对流热损失也相应加大。
对于熔喷复合保暖材料，其厚度对透气性能影响较小，而聚酯纤维絮片随厚度减小透气性迅速上升。熔喷复合保暖材料中的熔喷法非织造布具有超细纤维结构，因此抗风能力较强。
保暖材料蓬松率与传热率的关系

保暖材料厚度与透气性能的关系

熔喷复合保暖材料在轻定量时，含聚丙烯超细纤维的比例较高，在厚度与聚酯纤维絮片接近的情况下，其热阻比聚酯纤维絮片大。超细纤维配合一定的纤网密度，容易形成贴附于纤维表面的静止空气层，从而削弱对流热损失。
美国3M公司开发了一种特殊熔喷保暖材料，在聚合物熔喷成形时，采用另外的气流导入聚酯短纤，熔喷成形的超细纤维与聚酯短纤充分混合，形成了具有良好弹性和保暖性的复合保暖材料。
保暖材料厚度与热阻的关系

熔喷保暖材料应用

3、吸油材料
聚丙烯熔喷法非织造布因其材料特性和微纤结构而成为性能良好的吸油材料，在欧美、日本等发达国家已得到广泛应用，如海上溢油事故、工厂设备漏油以及污水处理等。1989年春，美国阿拉斯加附近的威廉王子海峡发生油轮触礁事故，造成大面积漏油。严重污染了海面。当时空运了大约2.6万吨以聚丙烯熔喷法非织造布为主的吸油材料到现场，仅用了几天时间就清理了海面，这是熔喷法非织造布成功用于海上溢油事故处理的典范。
聚丙烯熔喷法非织造布具有疏水亲油的特性，耐强酸强碱，密度比水小，吸油后能长期浮于水面上而不变形，可循环使用和长期存放。聚丙烯熔喷法非织造布制成吸油缆、吸油索、吸油链、吸油枕等，吸油量可达到自身重量的10～50倍。
动态吸油试验中，采用10℃时苯在水中的饱和溶液466.5g(含0.163g苯/100g水)穿透聚丙烯熔喷非织造布(重量为8.21g)，滤液中苯含量降至0.033g/100g水，苯滤除率达到79.75％，动态吸油率达到7.4％。 •       
聚丙烯熔喷法非织造布用于压缩空气油水分离净化器时，过滤精度可达到0.8μm，过滤效率达到99.99％，最高工作压力1.0MPa，压差0.1MPa，使用寿命超过8000h。
吸油材料的应用

4、电池隔膜
隔膜材料是蓄电池的重要组成部件，通常置于正负极板之间，主要功能是绝缘正负极板，并保证电介质的流动。随着蓄电池工业的发展，对隔膜材料的电性能、化学性能和机械性能的要求越来越高。聚丙烯材料具有优良的耐酸碱性能，越来越受到电池行业的亲睐。聚丙烯熔喷法隔膜材料具有孔径小、孔率大、电阻小以及产品变化多样的特点，在我国得到迅速推广应用。

5、复合材料

§9-5  熔喷工艺理论与进展
一、工艺进展
熔喷工艺技术的诞生比纺粘工艺要早，但其商业化却比纺粘法工艺迟，其原因主要是熔喷法非织造布的强度差、生产成本高。因此纺粘法非织造布超前于熔喷法非织造布推广应用是可以理解的。但在产品特性方面，熔喷法非织造布的超细纤维结构是纺粘法非织造布所难以相比的，这也使熔喷法非织造布始终受人关注的原因。
熔喷工艺近期进展主要有工艺自身的拓展及与其他非织造工艺的组合交叉应用。熔喷工艺与设备已有很大的进展，从单一聚合物原料、圆截面纺丝发展为多种原料复合熔喷、异形截面纤维纺丝等，出现了利用高压静电场中的静电力来生产超细纤维的静电熔融纺丝工艺(EMS工艺)。熔喷工艺与其它非织造工艺的结合可扩大熔喷法非织造布的产品品种、拓展其应用领域，如干法梳理工艺引入熔喷工艺，可得到弹性良好的保暖材料。此外，熔喷工艺可与水刺、针刺以及缝编等非织造工艺交叉组合应用，熔喷法非织造布可与其它材料叠层复合。
从德国Reicofil双组分熔喷生产线上制成的双组分聚合物原料熔喷法非织造布的电镜照片中可观察到，双组分熔喷纤维呈卷曲或扭曲的形状，这是因为在纤维成形过程中，双组分中的每一种聚合物熔体的热性能和流变性能是不同的，同时在冷却过程中具有不同的收缩率。研究表明，与单组分熔喷法非织造布相比，双组分熔喷法非织造布具有更好的蓬松性、弹性以及较好的抗渗性，而且，通过纤维分裂的方式可以得到更细的纤维。

二、理论研究的进展
在所有的非织造工艺技术中，熔喷技术比较复杂，理论研究对熔喷新的工艺技术和设备起了积极的支持作用。以下主要介绍聚合物熔体分配、牵伸气流流场数值模拟及熔喷纤维牵伸时振动等方面的理论研究进展。
1、熔喷组合模头衣架型熔体分配系统的有限元分析
熔喷组合模头衣架型熔体分配系统具有线形渐细并倾斜的歧管，可采用有限元方法对整个分配系统中的聚合物熔体流动进行三维分析。采用有限元方法对聚合物加工过程进行数值模拟是今后理论研究发展的趋势，这是因为有限元方法特别适合求解具有复杂几何边界条件的非牛顿流体的流动问题。
熔喷组合模头衣架型熔体分配系统示意图

研究表明，歧管倾斜角度对分配系统出口处的流率分布情况有显著影响。随着歧管倾斜角度的增加，聚合物熔体在分配系统中央处的流率趋于减小，而两边的流率明显增加，其流率分布曲线由典型的中间凸、两边凹转变为中间凹、两边凸的形状。

系统高度对聚合物熔体分配有较明显的影响，系统高度增加，聚合物熔体在分配系统出口处的流率分布更加趋于均匀，特别是对中央熔体输送管道处小范围内较大的流率波动有较好的均匀作用。
由此，聚合物熔体分配系统的几何形状一旦确定，必定对聚合物原料的性能指标有相应的要求，这是熔喷工艺为何要开发专用原料的原因之一。
2、熔喷牵伸气流流场的数值模拟
熔喷工艺中，高温高速的牵伸热空气从熔喷组合模头的空气通道中喷射出来，两股气流发生碰撞，形成了复杂的流场。对此流场的数值模拟，首先是建立理论模型，然后采用有限差分方法对模型进行数值求解。计算结果与实验结果相当吻合，显示了对熔喷关键设备进行计算机模拟设计的应用前景。
研究表明，牵伸气流与喷丝孔轴线夹角为30°时，在喷丝孔附近的气流比较紊乱，在喷丝孔轴线上和邻近区域，气流速度相当高，而且是沿喷丝孔轴线方向平行分布，从而形成了对聚合物熔体细流牵伸的有利条件。气流逐渐远离喷丝孔时，其速度逐渐减小，且逐渐偏离喷丝孔轴线方向。
气流与喷丝孔轴线不同夹角时的气流速度场

气流与喷丝孔轴线不同夹角时的气流速度场

气流与喷丝孔轴线不同夹角时的气流速度场

改变气流与喷丝孔轴线的夹角，其它条件保持不变，数值模拟表明，夹角越小，喷丝孔附近的气流紊乱减弱，气流在喷丝孔轴线方向的分量越大，在模头中心线两侧的分布梯度也越大，有利于对聚合物熔体细流进行牵伸。但是，10°夹角和30°夹角流场产生的效果相差不大，同时，10°夹角在机械结构上较难实现。
改变牵伸气流通道的宽度，其它条件保持不变，数值模拟表明，宽度越大，气流在喷丝孔轴线方向的分量越大，在模头中心线两侧的分布梯度也越大，有利于对聚合物熔体细流进行牵伸，但气流流量增加引起能耗增加。
不同气流通道宽度的气流速度场

不同气流通道宽度的气流速度场

不同气流通道宽度的气流速度场

3、熔喷纤维牵伸时振动的研究
熔喷工艺中对聚合物熔体细流的牵伸过程通常在50微秒的时间内完成，研究熔喷数学模型虽然十分困难，但对指导熔喷工艺和熔喷设备的