如皋熔噴布模具 | 熔噴布核心生產(chǎn)技術(shù)及"卡脖子"核心部件!

　　熔噴布作為口罩的核心組成部分，成為當(dāng)下的口罩生產(chǎn)鏈中最緊俏的材料。

　　醫(yī)用外科口罩（結(jié)構(gòu)如圖1所示）通常由三層無(wú)紡布構(gòu)成，中間層起到最重要的過(guò)濾和阻隔作用，所用材料即熔噴無(wú)紡布。

　　圖1 口罩結(jié)構(gòu)圖

　　熔噴布看起來(lái)并沒(méi)什么特別，但生產(chǎn)過(guò)程卻十分復(fù)雜，其制作流程可概括為三大環(huán)節(jié)：首先從石油中提煉石腦油，然后化學(xué)加工成聚丙烯，最后經(jīng)熔噴工藝做成布狀物，大體流程如圖2所示。這里主要介紹最后一個(gè)環(huán)節(jié)。

　　圖2  熔噴布制作流程

　　一、原料的選擇

　　聚丙烯（PP）容易成絲，且在熔融指數(shù)較高（MFI≥1500g/10min）的情況下，能成為相當(dāng)細(xì)的纖維（直徑為2~3 μm）。如圖3所示，雖然制得的熔噴布空隙相較于新型冠狀病毒尺寸（0.1 μm左右）而言大得多，但是其對(duì)于環(huán)境中病毒的過(guò)濾能力依然很強(qiáng)。因?yàn)?，第一，病毒無(wú)法獨(dú)立存在，其傳播途徑主要有分泌物和打噴嚏時(shí)的飛沫，飛沫的大小在 5 μm左右；第二，熔噴布本質(zhì)上是一種纖維過(guò)濾器，含有病毒的飛沫靠近熔噴布后，也會(huì)被靜電吸附在表面，無(wú)法透過(guò)。

　　圖3 聚丙烯纖維

　　二、生產(chǎn)工藝

　　熔噴布的生產(chǎn)工藝主要分為熔融擠出、熔噴工藝以及駐極處理三步。具體流程示意圖如圖4所示。

　　圖4 熔噴布的生產(chǎn)工藝

　　依靠螺桿擠出機(jī)將聚合物顆粒熔融送至熔融模頭組合件，包括聚合物分配系統(tǒng)、模頭系統(tǒng)、牽伸熱空氣管路通道和加熱保溫元件，并由模頭的噴絲孔擠出（圖5a、圖5b）。熔噴工藝的噴絲孔直徑遠(yuǎn)小于內(nèi)外層紡粘布中所用的噴絲孔，是因?yàn)槿蹏姴祭w維直徑僅為紡粘布纖維的十分之一。為達(dá)到所需細(xì)度，除了依靠更小的噴絲孔外，還需要在噴絲孔擠出的同時(shí)使熔體纖維受到兩側(cè)高速熱空氣流的牽伸（圖5c），此外兩側(cè)室溫空氣混入了熱流空氣，可以使被拉細(xì)的熔體冷卻固化成形。經(jīng)牽伸和冷卻固化的超細(xì)纖維在牽伸氣流的作用下吹向凝網(wǎng)簾，凝網(wǎng)簾下部有真空抽吸裝置，可以將纖維吸附在凝網(wǎng)簾上，利用自身余熱黏合成網(wǎng)。最后，是至關(guān)重要的是駐極處理，紡絲線上的發(fā)射電極可使熔噴成型纖維帶有持久的靜電荷，從而使熔噴布在不阻礙呼吸的前提下額外具有靜電吸附效應(yīng)。熔噴法生產(chǎn)的無(wú)紡布自身具備35%的過(guò)濾性能，經(jīng)過(guò)駐極處理后過(guò)濾性可提高至95%。

　　圖5 模頭結(jié)構(gòu)

　　三、影響熔噴布質(zhì)量的因素

　　1. 聚合物原料的MFI

　　熔噴布作為口罩最佳阻隔層，是一種極為細(xì)密的材質(zhì)，內(nèi)部由許多縱橫交錯(cuò)的超細(xì)纖維以隨機(jī)方向堆疊而成。以PP為例，MFI越高，熔噴加工時(shí)拉出的絲越細(xì)，過(guò)濾性能越好。

　　2. 熱氣流速度

　　在相同溫度、螺桿轉(zhuǎn)速和接收距離（DCD）等條件下，熱空氣速度越快，纖維直徑越小，無(wú)紡布手感逐漸變軟，纖維纏結(jié)越多，從而導(dǎo)致纖網(wǎng)更加密實(shí)且光滑，強(qiáng)度提高。

　　3. 熱空氣噴射角

　　熱空氣噴射角度（見(jiàn)圖5a）主要影響拉伸效果和纖維形態(tài)。角度變小會(huì)促使細(xì)流形成平行纖維束，從而導(dǎo)致無(wú)紡布均勻性差。若角度趨于90°，將產(chǎn)生高度分散而湍動(dòng)的氣流，有利于纖維在凝網(wǎng)簾上無(wú)規(guī)分布，最終得到的熔噴布各向異性性能好。

　　4. 接收距離（DCD）

　　過(guò)長(zhǎng)的接受距離會(huì)導(dǎo)致縱橫向強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度下降，無(wú)紡布手感蓬松，在熔噴工藝中會(huì)導(dǎo)致過(guò)濾效率和過(guò)濾阻力下降。

　　5. 螺桿擠出速度

　　在溫度恒定的情況下，螺桿擠出速率應(yīng)保持在一定范圍：

　　在某一臨界點(diǎn)之前，擠出速度越快，熔噴布定量越高，強(qiáng)度越大；到超過(guò)該臨界值，熔噴布的強(qiáng)度反而下降，尤其是MFI＞1000時(shí)更為明顯，可能是因?yàn)閿D出速率過(guò)高導(dǎo)致絲條牽伸不充分，并絲嚴(yán)重，從而布面粘結(jié)纖維減少，熔噴布強(qiáng)度降低。

　　熔噴布設(shè)備"卡脖子"部件--噴絲板

　　聚丙烯材料從石油中提煉，目前中石化等企業(yè)可以大量生產(chǎn)，但是將聚丙烯生產(chǎn)為熔噴布的設(shè)備，特別是核心的零部件噴絲板主要依賴進(jìn)口。這些供應(yīng)商主要有日本的卡森噴絲板、德國(guó)恩卡、日本噴絲板等企業(yè)。日本的供應(yīng)商占有最重要的地位。

　　非常時(shí)期，能夠及時(shí)為熔噴布生產(chǎn)設(shè)備商提供可滿足醫(yī)用外科口罩以及KN95、KN99等其他高防護(hù)性口罩熔噴布生產(chǎn)所需的噴絲板就變得非常重要。

　　熔噴布擠出模具

　　微孔要求：Φ0.20~Φ0.25mm，深度2.5~4mm不等

　　工件材料：4Cr13（硬度HRC28~32）

　　微孔鉆頭：Φ0.2x3.5mm、Φ0.25x4mm

　　加工難點(diǎn)：鉆頭壽命低，加工效率不足

　　▲噴絲板

　　（熔噴布加工設(shè)備 圖片來(lái)源網(wǎng)絡(luò)）

　　從專利文獻(xiàn)中可以看到熔噴布的生產(chǎn)原理，利用熱風(fēng)噴射，從噴絲板的噴頭的細(xì)孔中擠出熱聚丙烯，使其呈纖維狀延伸，然后集聚在傳送帶上，根據(jù)其自熔接性形成纖維網(wǎng)。噴絲板上排列很多細(xì)小的噴嘴，直徑只有0 .15mm，噴嘴噴出的熔融聚丙烯流通過(guò)高速空氣流延伸并集中在移動(dòng)的傳送帶上，獲得熔噴布。

　　熔噴布設(shè)備

　　其中最為核心的技術(shù)就是噴絲板上的細(xì)小噴嘴，這種噴嘴不但尺寸細(xì)微，只有0.15mm，還要在如此細(xì)小的噴嘴上加工出復(fù)雜的孔型，加工難度極大，噴嘴加工的過(guò)程需要幾個(gè)月時(shí)間！如果加工精度不高，最后生產(chǎn)出的熔噴布就達(dá)不到相應(yīng)的技術(shù)要求。以目前的幾家企業(yè)的產(chǎn)量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足市場(chǎng)的需求。

　　那么，口罩熔噴布噴絲板上的小孔能用什么設(shè)備加工呢？

　　微孔加工噴絲板制作

　　看看熔噴布是如何生產(chǎn)

　　但是噴絲板不僅僅是生產(chǎn)熔噴布設(shè)備用的，還用于各種化纖的生產(chǎn)設(shè)備。熔噴布生產(chǎn)設(shè)備最核心的噴絲板噴嘴的生產(chǎn)難度非常大，而且高端噴絲板主要供應(yīng)商都在日本和德國(guó)。在中國(guó)也布局相關(guān)的專利，不過(guò)基礎(chǔ)專利基本過(guò)期了。