聚乳酸纺粘法非织造布设备及工艺技术研究

计划项目“聚乳酸纺粘法非织造布装备与工艺技术研发”，在对原有双组分复合纺粘法生产线进行部分改造后，形成了一条幅宽 3.2 m、年产 1 000 t的生产线，并通过了项目验收和技术鉴定。

2 聚乳酸纺粘法非织造布的研制

2.1 切片干燥工艺研究

聚乳酸在纺丝前，必须对其切片进行干燥，使切片的含水率达到 50 mg/kg以下，满足高速纺丝的要求。

2.1.1 试验室切片干燥工艺研究

本项目利用真空烘箱对聚乳酸切片的干燥工艺做了基础研究，主要研究干燥时间对聚乳酸切片含水的影响。图 1是在真空度恒定为 30 Pa，干燥温度分别为 70 ℃和 100 ℃时，切片干燥时间与含水率的关系。

试验室切片干燥工艺研究结果表明，当真空度高于 30 Pa，在 70 ℃和 100 ℃下进行干燥时，切片均未出现软化和粘结现象，说明纤维级的聚乳酸切片没有玻璃化转变温度，可以直接在 100 ℃下进行干燥，这样不仅可以提高干燥效率、缩短干燥时间，而且可以进一步提高结晶度并使结晶更加完善，有利于熔融纺丝时的均匀稳定挤出。

2.1.2 试验线切片干燥工艺研究

传统的干燥设备有转鼓、充填和沸腾床等几种形式，转鼓对厂房的层高要求低，但需用蒸汽，操作上比较繁琐，干燥质量和效率也不高，目前使用的已越来越少。而充填干燥和沸腾床干燥装置技术较先进，设备紧凑、结构简单、操作方便，干燥后的切片含水率低，质量稳定。欠缺的是采用这样的干燥装置，整个生产线对厂房的高度要求在 22 m以上。本项目采用的是充填干燥原理，对充填设备作了较大的改进设计，将设备中的预结晶和干燥部分分成独立的 1 个预结晶装置和 2 个结晶装置。采用本装置后，厂房高度仅需 12 m，干燥效果也符合生产要求。分离式干燥装置如图 2 所示。

按年生产时间为 8 000 h，年产量 1 000 t计，干燥能力 220 kg/h，可满足要求。露点温度表征了热空气的干燥程度。露点越低，表示空气含湿越低。干燥时间不含切片预结晶时间。最终切片含水量低于 50 mg/kg可以满足较高速度的纺丝要求。

（2）干燥工艺（表 2）

充填干燥采取的方法是干热空气在干燥和预结晶设备中由下而上，湿切片由上而下的对流形式。由于切片与热空气直接接触，吸附和传热效果好。这一过程中，切片温度提高、逐步脱水达到干燥目的。而干热空气温度降低、含湿量逐步增加，可以通过预结晶出口到主要由蜂巢除湿转轮组成的系统再生后重复利用。

（3）干燥时间和切片含水（图 3）

从图 3 可以看出，在设定的工艺条件下，切片含水率随着干燥时间的延长而降低，4 h后可达到 50 mg/kg以下，能满足生产要求。

2.2 纺丝温度

纺粘法和化纤生产一样，纺丝温度是最重要的工艺参数，它与原料的性能有关，决定着纺丝的状态和产品的指标。本项目对聚乳酸生产中影响纺丝温度的粘流物化能、不同温度下聚乳酸的熔体流动情况和分子量变化、一定气流拉伸压力下温度对细度的影响作了研究。

2.2.1 聚乳酸的粘流物化能

数据显示，聚乳酸的Eη较高，对温度变化较敏感，因此在熔融纺丝过程中应精确控制好温度及生产过程中的粘度变化。

2.2.2 温度对聚乳酸切片流动性能的影响

本项目对不同温度下PLA熔体的流动情况作了试验，结果如图 4 所示。

数据显示，190 ～ 240 ℃之间随着温度的上升，PLA的熔融指数逐步增加。温度超过 230 ℃时，熔融指数值上升幅度加大。说明随着温度的提高，聚乳酸降解程度加大，由此可见，聚乳酸的纺丝温度不宜超过 230 ℃。

2.4 纺丝组件

本项目是在原双组分复合纺粘线上进行的改造项目，原纺丝组件适宜于复合纺丝，所用的PP、PE纺速相对较低，原料成丝性能与PLA不一样，因此本项目在小实验线上对喷丝板做了模拟改造，并进行了纺丝成网试验。

2.4.1 组件的孔径、长径比和布孔密度

在相同的纺丝拉伸条件下，本项目用相同的单孔挤出量和长径比对不同布孔密度的喷丝板做了对比试验，结果如表 3 所示。

从实验结果来看，测出的纤维细度与纺速相当接近，表明纺速在一定条件下与孔径、孔数多少关系不大。

2.4.2 双组分组件改为单组分组件（图 5）

图 5 中下面 3 块为两种组分的熔体分配板，上面 2 块是复合板，将上面第 2 块复合板撤去，换成新设计的一块分配板，阻隔了复合板中皮组分的通道，分配板的厚度与原复合板保持一致，不影响整个组件的安装和使用，改进后的组件在中试线上使用效果良好。

2.5 气流拉伸

气流拉伸由于设备简单、制造成本低，是纺粘法非织造布使用最普遍的拉伸方法。本项目中采用的是正压管式牵伸。

2.5.1 拉伸原理

纺丝熔体从喷丝孔挤出后，受到自重和调节帽口负压的作用进入拉伸管，在拉伸气流粘性摩擦力轴向拉伸作用下，丝条被拉长细化。纺丝线上的粘性摩擦力也被称为气流拉伸力，在气流拉伸中对丝条起主导拉伸作用，它随着拉伸气流的速度增加而增加。同时，在相同气流速度条件下，气流对丝条的推动力有助于提高拉伸效率。

在气流拉伸中，拉伸的效率和纺丝速度除了与材料本身的性能有关外，主要和喷管的结构、拉伸气流的压力、纺丝温度、喷丝板到拉伸管的距离有关。

2.5.2 拉伸管结构

拉伸管结构如图 6 所示。

如前所述，拉伸气流由空压机提供的压缩空气和丝束进口二次气流两部分组成，在压缩空气压力和流量基本恒定的情况下，二次气流越大，拉伸效果越好。而二次气流的大小与调节帽和拉伸管入口的间距和夹角大小有关。初步研究表明间距为 0.8 mm、夹角为 13°左右时，喷管效率 较高。

2.5.3 拉伸气流的压力

保持其它工艺参数不变的情况下，改变进气压力，得到拉伸气流压力对纤维细度和纺丝速度的影响。图 7 是试验室小试的结果。

由图 7 可以看出，拉伸气流压力越高，纺丝速度越快、纤维细度越细；压力越低，纺丝速度越低、纤维越粗。当进气压力超过 3 kg以上时，纺丝速度随着进气压力增大而增大的趋势趋缓。另外，图 7 还表明气流拉伸与机械拉伸不同。机械拉伸中，纤维的细度相当均匀，细度的变化与机械速度的变化是线性关系；气流拉伸中，纤维的细度不是很均匀，细度的变化与气流速度的变化不是线性关系。这主要是机械拉伸速度均匀，打滑现象少。而气流拉伸速度波动大，造成纤维细度的均匀性较差。同时由于拉伸过程中，随着纤维初始强力的不断增加，气流与纤维的打滑系数不断增加，有效拉伸逐步减少，所以尽管气流压力增加，速度提高，但纤维细度变化并不呈线性关系。因此在实际生产中要提高纺丝速度、降低纤维细度，不能单纯提高拉伸空气压力。

2.5.4 纺丝温度对纤维细度的的影响

将纺丝温度控制在 220 ～ 235 ℃的范围内，固定计量泵的转速，分别用各种压力的拉伸气流做了拉伸试验，结果如图 8 所示。

从图 8 可以看出，在相同拉伸压力下，随着纺丝温度的提高，纤维细度逐步下降，这是由于纺丝温度的提高导致聚乳酸熔体温度提高，纤维冷却长度增加，在纺丝线上的流动取向轴向速度梯度减小，有利于牵伸。但温度达到 235 ℃时，由于冷却不够，试验中出现断头现象，不利于牵伸。

2.5.5 喷丝板到喷管口距离

在其它工艺参数不变的情况下，只改变喷丝板到喷管口的距离，得到喷丝板到喷管口距离对纺丝速度的影响，如图 9 所示。

从图 9 可以看出，随着喷丝板到喷管口距离增大，纺丝速度不断下降，而且在 2 m内下降趋势较大。

试验中发现，当喷丝板到喷管口距离小于 1.2 m时，纤维冷却时间不够，出现并丝现象，所以将喷丝板到喷管口距离最小值定为 1.2 m。

在纺粘法中通常将从喷丝板下到牵伸喷管间的区段称冷却区高度。熔体挤出喷丝板后，在冷却区内温度逐渐下降，粘度逐步增加，进入喷管后在气流的作用下很快被拉长变细。由于在整个冷却区区间内，丝速高于风速，对于牵伸来讲是摩擦阻力区。因此，在充分冷却的前提下，喷丝板到喷管口的距离越小，也就是冷却区高度越短，丝束行进方向的空气阻力以及丝束与空气之间产生的摩擦阻力就越小，拉伸的效率就越高，因此纺丝速度就越高。

2.5.6 拉伸速度与纤维结构的关系

本项目将各种不同纺速的纤维样品做了 70 ℃热水试验，结果表明：速度在 4 500 m/min以下的纤维在热水中严重收缩、硬化，说明纤维取向度和结晶度不够，有较大的内应力，不能形成稳定的结构，这种纤维生成的纤维网热轧时容易粘在轧辊上，无法成布；4 500 m/min以上纺速的纤维在热水中仍呈良好的柔软纤维状，可以非常方便地热轧成布。

2.6 摆丝和成网

2.6.1 摆丝

成网是由摆丝装置和成网机完成的。摆丝装置是生产线的关键设备之一，它是由一对成固定角度的摆片组成，可以左右快速摇摆。喷管拉伸后的丝束在摆片的作用下分散成单纤维的平行排列，通过摇摆，形成均匀纤维网。理论上说，决定成网质量的关键与摆片之间的间隙、拉伸丝的速度、摆动幅度、频率和成网速度等 5 个因素有关。其中摆片之间的间隙决定了纤维的分散效果；而拉伸速度与摆动频率、摆动幅度呈正相关的关系。拉伸速度越高，摆丝频率与摆幅的乘积也应提高。若摆丝频率与摆幅的乘积低于拉伸速度，纤维会产生堆积式的成网，形成布面的“云斑”。

目前生产线上的摆丝装置摆幅大于 150 mm，频率超过 800 次/min。

2.6.2 成网

成网机的作用是将摆丝装置扩散后的拉伸气流用负压风机抽去，让纤网固定下来，并向热轧机输送。因此，安装于成网机吸风系统的风机在成网机帘网上产生均匀的负压，也就显得很重要。负压的大小要与到达网面的拉伸气流速度匹配，负压过大，环境风会影响网面的稳定性，特别在成网到热轧机的转移过程中网面会翻卷；负压过小，纤网难以固定。试验中，当拉伸气流压力为 1.5 bar，负压约为 12 mm水柱时，网面速度约为 2 ～ 3 m/min时可得到均匀纤网。

稳定成网有 2 个关键技术，一是在提高抽吸负压的同时，尽量减少不必要的补充气流量；二是要控制好成网机周围的气流走向。因为成网机下排出的气流量要比喷管下来的压缩空气量大好多倍，这些多余的空气量要靠周围的环境气流来补充。这些补充气流如得不到控制，会影响甚至破坏成网。本项目在成网机出口处安装了一组预压辊，它隔断了纤网前进方向上的逆向气流，使补充气流只能从后面和上面进入，不会因此造成翻网和无法成网的现象。

2.7 热轧成布

对纤网的加固采用热轧粘合，其主要由一对有导热油循环加热系统的辊筒组成。在这一工艺过程中，辊筒的温度、辊筒间的压力和速度成为 3 个主要的工艺参数。

当纤维网在喂入热轧辊筒之前、接近滚筒时，因辊筒的热幅射而预热。纤网进入热轧粘合区域时，则与上下辊筒接触而受热升温，同时纤维网中的空气也迅速受热，帮助热量扩散，热量从轧辊表面传向纤维表面，并逐渐传递到纤网的内层，轧辊间的压力使处于轧辊钳口的高聚物产生形变热。热传递和形变热使部分纤维发生熔融，还伴随着熔融高聚物的流动和扩散，有利于形成良好的粘合结构。同时，聚乳酸作为一种高聚物，同样存在着Clapeyron效应，在热轧粘合过程中，钳口将使聚合物的熔融温度升高，因此必须合理选择轧辊温度和压力的配合。热轧温度或轧辊压力过高，会使纤维失去纤维结构而形成结晶和取向均匀性很差的薄膜结构，将导致物理性能的显著下降。而如温度或压力过低，纤维间粘结很差，拉伸强度等都较低。生产速度的提高将导致纤网在轧辊与轧辊间的接触区的接触时间缩短，因此，需要适当提高轧辊的温度和压力来弥补纤维熔融所需热量的不足。

本项目中采用的轧辊上辊有突出的刻花点，下辊为光辊，采用点粘合，在热轧后纤网中仅有部分区域被粘合加固，未粘合区域仍保持纤网原来的蓬松性。因此产品的手感比面粘合要柔软、蓬松。

在试验中，根据聚乳酸的软化温度和熔融温度，为了获得良好的物理性能及柔软的手感，根据不同克重的产品，热轧温度掌握在 100 ～ 130 ℃，热轧压力掌握在 50 ～ 70 kg，制得的产品各项指标均达到要求。

3 结束语

聚乳酸纺粘法非织造布的各项物理指标和手感与涤纶纺粘法非织造布比较接近，是一种很有发展前途的环保新材料。但目前国内聚乳酸切片的供应尚未能产业化，因此影响了聚乳酸纺粘法的产业化发展。