年产一万吨抗菌超细PP纤维的合成工艺设计.docx

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年产一万吨抗菌超细PP纤维的合成工艺设计

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年产一万吨抗菌超细PP纤维的合成工艺设计

中文摘要

本设计是年产一万吨抗菌超细PP纤维的合成工艺设计，开篇进行了超细PP纤维的介绍以及赋予纤维抗菌功能性的抗菌剂的介绍，然后讲述了超细PP纤维国内外发展状况、应用前景以及生产工艺的介绍。

综合文献所得的超细PP纤维的抗菌改性处理方法、超细PP纤维的生产工艺路线以及生产方法，选择熔融混合改性方法改性超细PP纤维，和直接纺丝生产工艺，并讲述其纺丝原理以及制备方法、配方等，明确指出具体的工艺参数，并根据工艺路线绘制出工艺流程图。

通过物料衡算，设计基准，计算出生产时每个工段的物料损耗量与投料量。

通过能量衡算，可以算出供给纺丝箱的能量。

通过设备选型，基本确定生产各个阶段所用设备。

根据以上内容整合，设计出合理的工厂车间布置，包括厂房布置与车间设备布置，并且绘制出车间布置的平面图。

设计最后进行了成本核算。

关键词：

超细PP纤维；抗菌剂；熔融混合抗菌改性；直接纺丝

Designofsynthetictechnologyfor10,000tonsofantibacterialultrafineppfiberperyear

Abstract

Thisdesignisanannualproductionof10,000tonsofantibacterialultra-fineppfibersyntheticprocessdesign,theintroductionoftheintroductionofultra-fineppfiberandgivefiberantibacterialtheintroductionofantimicrobialagents,andthendescribedthedomesticandforeigndevelopmentofultra-fineppfiber,applicationprospectsandproductiontechnology.theantibacterialmodificationtreatmentmethodofultrafineppfiberobtainedfromtheliterature,theproductionprocessrouteandproductionmethodofultrafineppfiber,theselectionofmeltmixedmodificationmethodtomodifyultrafineppfiber,andthedirectspinningproductionprocess,andthedescriptionofitsspinningprinciple,preparationmethod,formula,etc.,clearlypointoutthespecificprocessparameters,anddrawtheprocessflowchartaccordingtotheprocessroute.

Throughmaterialbalanceanddesigndatum,themateriallossandfeedingquantityofeachsectionarecalculated.Theenergysuppliedtothespinningboxcanbecalculatedbyenergybalance.Throughtheequipmentselection,basicallydeterminetheequipmentusedineachstageofproduction.Accordingtotheabovecontentintegration,designthereasonablefactoryworkshoplayout,includingtheworkshoplayoutandworkshopequipmentlayout,anddrawtheworkshoplayoutplan.thedesignfinallycarriesonthecostaccounting.

Keywords:

Ultrafineppfiber;Antimicrobial;MoltenMixedAntibacterialModification;Directspinning

1绪论

1.1超细聚丙烯（pp）纤维及抗菌剂的介绍

1.1.1超细聚丙烯（pp）纤维的介绍

1、超细pp纤维的分类

纺织工业部根据不同的线密度，对超细纤维进行了分类，主要分为以下四种：

[1]

（1）短纤维0.5～1.3dtex

（2）丙纶长丝0.5～2.2dtex

（3）涤纶长丝0.5～1.3dtex

（4）锦纶长丝0.5～1.7dtex

因此，超细pp纤维属于单丝线密度低于1.3dtex（直径约20μm）的细旦纤维。

目前单丝线密度最好的超细旦纤维细度已经可以达到0.001dtex。

2、超细pp纤维的特点

第一，超细pp纤维具有更低的刚度。

利用极细的纤维纤度，使得超细pp纤维刚度较大程度的降低，其柔软度也就大大提高。

非常适合作为织物的原材料，制作出来的织物手感非常柔软。

第二，超细pp纤维具有更良好的层状结构。

极细的纤维纤度还有利于增加丝的层状结构，增大比表面积，增强毛细效应。

纤维内部反射光在表面分布更细腻，并具有良好的吸湿散湿性。

特别适用于制作服饰[2]，其制品具有透气、保暖、舒适、美观的优良特点。

第三，超细pp纤维具有较大的比表面积以及质地松软。

超细pp纤维可以被设计成不同的组织结构，其制成的服装能够更良好地吸收阳光的热能，或者能使体温更快地散失到外界，起到冬暖夏凉的作用。

第四，超细旦pp纤维具有良好的芯吸效应。

其制作的织物具有导湿排汗、透气滑爽的特点，因此，是制造运动衣、内衣的优良材料[3]，在服装市场上的前景广阔。

3、超细pp纤维的化学和物理性能

超细pp纤维有许多独特的化学和物理性能，主要表现如下：

（1）比重轻

pp纤维在所有化学纤维中是最轻的，其密度通常为0.90-0.92g/cm，比锦纶轻20%，比涤纶轻30%，比粘胶纤维轻40%。

[4]而超细pp纤维继承了这个优点，因此很适合做冬季服装的絮填料或滑雪服、登山服等的面料。

[5]

（2）强度高

超细pp纤维的强度较高（干态、湿态下相同），适合制作干湿情况下的工具材料。

如渔网、缆绳。

（3）回潮率低、吸湿性小

在标准温湿度状态下（21℃，湿度65%），pp纤维是吸湿性最小的纤维，超细pp纤维也继承了其优点，使得其制成品易洗快干。

（4）导热系数低

超细pp纤维具有较低的导热系数，相较于其他纤维，其保暖性更优。

（5）耐磨性好

超细pp纤维在干态和湿态下，其耐磨性能几乎相同。

耐磨性和纤维强力決定纤维制品的使用寿命。

显著表现在服装的剧烈运动部位。

（6）回弹性好

超细pp纤维的弹性恢复率最高可达96%~100%。

其织物具有较好的抗皱性。

（7）耐化学性

在室温下，超细pp纤维具有耐氯、耐酸、耐碱等的多种耐化学性能，是实验用防护服、游泳衣等这些耐化学性要求较高的织物的理想原材料。

（8）导湿性好

超细pp纤维能把湿气以气相的方式引导到织物的表面，使得织物内部通透干爽，不会粘着在皮肤表面。

因此穿着超细PP纤维制品，夏季无闷热感，冬天无湿冷感。

1.1.2抗菌剂的介绍

1、抗菌剂的分类

根据抗菌剂的原材料，抗菌剂的3种类型见表11。

表11抗菌剂的类型

天然抗菌剂

有机抗菌剂

有机抗菌剂

近代用生物技术从甲売类动物中提取的脱乙酰壳多糖等

如有机卤化物，季胺及胍类等

包括两大类，一类为含抗菌活性金属如银、铜、锌等的无机类，另一类是近年发展起来的光催化半导体陶瓷抗菌剂。

2、抗菌纤维的制备方法及其特点

抗菌纤维可通过多种方法进行制备。

其中较常用的方法是熔融共混纺丝法等。

通常，pp纤维的抗菌改性采用共混纺丝法，而理想的抗菌剂是其中的关键之处。

[6]具体来说，就是要求选用具有相容性好、分散性好、耐高温性能的抗菌剂。

根据共混纺丝法的工艺特点，抗菌剂可以有效地均匀分散于纤维的内部。

这样一来即可有效提高其抗菌寿命。

1.2超细PP纤维的国内外发展现状

由于市场需求，粗旦的pp纤维已经无法满足生活需要。

pp纤维慢慢从粗旦逐步向超细旦发展。

在外国，超细PP纤维的发展比较早，在20世纪中叶，超细PP纤维的的开发就已经逐渐从当时的纤维制造大国兴起，如美国、意大利、捷克等。

在我国，东华大学集中精力在超细PP纤维的研制上。

在20世纪末期，成功研制出优质的超细pp长丝。

另外，丹麦的维顺公司FiberVisions与比利时的Atofina公司也合作开发出了新的超细纤维，这种新超细纤维的制造得益于一种新的聚合物工艺：

二茂金属络合物催化剂系统及新的纺丝方法。

开发出来的超细纤维，单丝线密度可达1.2dtex，可用于生产更轻、更柔软的织物以及更高过滤效率的过滤材料。

[7]

超细PP纤维是聚丙烯纤维的一种新品种，继承了常规PP纤维的优点，如比重轻、强度高、耐化学性等，还具有其独特的改良之处，如柔软、导湿等特点。

非常适合制作运动服、内衣等服饰，以及工业用过滤介质。

1.3超细pp纤维的应用前景

根据人们的生活需求、工业需求，以及超细pp纤维的特点，超细pp纤维的应用主要可以分成以下几类：

（1）服饰织物

（2）过滤材料

（3）清洁用品

根据超细pp纤维的特点细分，可分为以下应用：

1、吸水性高

超细pp纤维所制作的织物孔隙明显增多，利用其芯吸效应，可使织物的吸水效果增强，实现快速吸水和干燥的功能。

根据此特点，超细pp纤维可制作干爽吸汗的服饰织物，如内衣、T恤等，也可制作吸水需求高的清洁用品，如抹布、澡巾等。

2、去污性强

得益于超细pp纤维的极细纤维细度，其横断面比较特殊，能够捕捉到更小的颗粒。

根据此特点，超细pp纤维可制作去油污需求较高的清洁用品，如厨用抹布等，也可制作除尘性需求高的清洁用品，如眼镜擦拭布等，对镜面毫无损伤。

3、强度高

超细pp纤维长丝强度较高，不易断裂，结合优良的编制工艺，可实现不脱毛的效果。

根据此特点，超细pp纤维可制作清洁环境要求较高的清洁用品，如玻璃、屏幕用擦拭布，能有效提高贴膜效果或精密仪器的清洁效果。

4、光滑度高

超细pp纤维具有极细纤维细度，使得其织物的光滑度能有效提高。

根据此特点，超细pp纤维可制作超高密织物，如适用于高速运动的运动服，可有效减少空气阻力或水流阻力。

5、韧性强

超细pp纤维具有韧性强、不水解的特点，能够承受更大的塑性变形，减小脆性断裂的可能性，也能防止发霉腐烂的情况。

因此其寿命是普通纤维的几倍。

根据此特点，超细pp纤维可制作高韧性需求的服饰，如运动强度较高的运动服，如球赛类运动服等，也可制作厨用清洁用品和个人卫生用品。

6、易清洗

一般情况下，随着使用时间的增长，尘埃和颗粒会逐步吸收到织物纤维的内部，最终使得织物失去弹性。

而超细pp纤维可以把尘埃和颗粒吸附到纤维之间，防止尘埃颗粒进入纤维内部，配合清洁剂，可有效清洗油污、灰尘。

1.4超细pp纤维的生产工艺介绍

目前，超细pp纤维的制备方法主要有直接纺丝法、熔喷法、闪蒸、离心纺丝法、静电纺丝法等。

[8]

主要制备方法介绍见表12。

表12主要制备方法介绍

直接纺丝法

熔喷法

离心纺丝法

静电纺丝

直接纺丝法制备超细纤维的生产技术，直接纺丝法是通过优化纺丝工艺对传统纺丝方法的改进。

直接纺丝是将聚合物熔体直接在常规的FDY纺丝机上通过微细孔直接形成超细纤维，工艺简单，生产成本低，节能环保。

[9]

熔喷法属于聚合物挤压法非织造工艺，工艺原理就是用高速热空气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凝聚在凝网帘或滚筒上，依靠自身粘合成为非织造布。

离心纺丝法是溶胶凝胶法中的一中，先通过溶胶凝胶法配制具有一定粘度的前驱体溶液，然后利用离心过程中的离心力将纺丝液从容器中甩出，在甩出过程中，因为前驱体溶液的大粘度和溶液的快速挥发性，得到pp前驱有机纤维，然后通过热处理得到超细pp纤维。

静电纺丝能有效地制备聚合物超细纤维。

在静电场下，射流从泰勒锥喷出，其直径逐渐变小。

根据电流体动力学，射流的表面电荷在电场下产生切向电应力，从而使得射流加速，直径变细。

最终射流被接收板接收并固化为超细pp纤维。

静电纺丝的原材料可用聚合物溶液或聚合物熔体。

[10]

1.5超细pp纤维发展存在的问题

超细pp纤维具有很多方面的卓越性能，甚至一度超越天然纤维，然而它们也有很多局限性。

比如，海岛纤维虽然在开纤后能够达到极小的细度，但是开纤必须用碱处理，而这种开纤方式对环境污染比较大。

另一种超细纤维—橘瓣超细纤维，不需要采用碱进行开纤采用水刺或者针刺开纤），这样对于环境污染小，但是它所能达到的细度不够细。

很多其他种类的超细纤维也都存在一定的局限性，在不污染环境的基础上，开发更高应用价值的超细纤维，比如加入抗菌剂的超细pp纤维使其具有更持久的抗菌性，并在逐步完善和创新已有技术、生产体系以及调研市场的情况下，逐步扩大产能。

不应盲目新建或改建复合超细纤维项目，要努力提高自己的技术力量和产品研发能力，提高产品质量及其应用性，提升市场竞争力。

[11]

1.6本设计的目的、意义及待解决问题

1.6.1设计的目的

设计一种具有抗菌功能性的超细pp纤维，并设计出可用于实际生产的设计方案。

设计目标为：

（1）简化生产工艺：

通过优化传统的纺丝工艺，对纺丝方法的改进。

（2）降低生产成本：

通过科学设计产品和机器的标准化，制订成本标准，监督成本的形成，节省一切不必要的开支，可降低生产成本。

（3）提高生产效率：

改善和利用纺丝设备来提高效率。

（4）提高产品品质：

严格控制产品质量，控制纤维的粗细均匀度，对原料要求严格。

1.6.2设计的意义

随着工业的发展和人们生活水平的提高，抗菌功能纤维及其织物的需求更为迫切。

由于聚丙烯纤维原料丰富、生产成本较低，易于成型加工，具有优良的物理机械性能，特别是细旦纤维具有良好的导湿透气性、保暖性和卫生性能，因此在医疗卫生、服装、及非织造布领域有广泛的应用前景。

[12]

2020年的一场疫情爆发使得抗菌的织物如防护性医用品包含的口罩、手术衣、病员服、病床被单、消毒用包布等变得及其短缺。

作为优良原材料的抗菌PP专用料，其具有内在抗菌性，所制成的抗菌非织造布可以将玷污在纤维和布面上的细菌很快杀死或抑制其繁殖，保持自身清洁的状态。

预防或降低疾病传播，从而提高人民健康水平。

[13]因此，研究抗菌功能PP纤维有巨大社会价值。

1.6.3待解决问题：

1、如何实现超细PP纤维抗菌的功能

添加抗菌剂使其具有杀灭或抑制生物繁殖的新型添加剂，添加微量抗菌剂即赋予聚丙烯长期的抗菌和杀菌能力。

2、如何缩短超细PP纤维的直径问题

在一定范围内，缩短纺丝距离、提高纺丝温度，都有利于减小所有纤维直径，提高纺丝环境温度不仅有助于减小纤维直径，同时会导致纤维的自粘结现象；用滚筒来代替平板收集纤维，纤维排列规整，且滚筒转速越高，所得纤维越细。

3、如何控制纤维直径的均匀度

控制毛细孔长径比L/D≥6且进口设计正确，可纺出0.5d-2.7d直径比较均匀的单丝。

2抗菌超细pp纤维的生产工艺流程设计

2.1组分原料选择与配方设计

PP切片的选定：

T30S超细旦高速纺专用PP切片，熔融指数（MI）为40g/10min

产自宁波富德能源有限公司。

PP切片原料技术数据见表2-1。

表21PP原料技术数据

切片性能

测试方法

条件

数据值

熔体流动速率

ISO1133-1

230℃，2.16kg

40g/10min

等规指数

GB/2412-80

—

≥97.6%

灰分

ISO3451-1

850℃

250ppm

挥发分

ISO1269

110℃

0.03%

分子量分布

ISO16014-4

—

3

熔点

DSC

10℃/min

165℃

拉伸屈服强度

GB/T1040-92

—

≥36.0MPa

鱼眼

GB6595-86

0.4mm

≤7个/1520

抗菌剂的选定：

银离子抗菌剂粉体KP-J67，产自佛山科普因生物技术有限公司

PP抗菌剂KP-J67具体参数见表2.2。

表22抗菌剂的参数

项目

参数

外观

白色粉末

粒径

D50＜2.4μm，D90＜10μm

密度

3.3g/ml

耐热性

＞300℃

白度

≥97

银含量

9.99%-10.01%

ISO22196

达标

超细PP纤维成品规格：

0.5dtex，抗菌性99%。

配方设计：

99.7%专用pp切片+0.3%银离子抗菌剂。

改性方法与抗菌机理见表23。

表23改性方法与抗菌机理

改性方法

抗菌机理

pp抗菌剂与pp切片熔融共混法。

抗菌基团能消除细菌一种重要的离子梯度，而细菌就是通过这种离子梯度进行正常呼吸和获得营养，由于离子梯度的消除，细菌不能进行呼吸和获得营养，最终必然死亡。

而它在杀死细菌的同时本身并未被消耗，保证了抗菌效果的持久性。

[14]抗菌基团是经过精心设计和优选，对日常生活环境常见的细菌、真菌、霉菌等都有优异的抑制效果，可有效抑制易导致常见病、多发病的细菌以及常造成的黑点粘滑和臭气的霉菌。

其中抗菌机理图例见图2.1。

图2.1银离子抗菌剂抗菌机理

2.2生产方法选择

1、直接纺丝法

（1）具体原理

将聚合物熔体直接在常规的FDY纺丝机上通过微细孔直接形成超细纤维。

（2）主要特点

●工艺简单，生产成本低，节能环保；

●卷绕速度高、不需要溶剂和沉淀剂；

●设备简单，工艺流程短；

●兼容性高，熔点低于分解温度，可熔融形成热稳定熔体的成纤聚合物均适用这一方法成形。

[16]

（3）注意事项

●在熔体纺丝时要适当降低聚合物粘度，提高熔体纯净度，减少聚合过程的杂质形成。

[17]

●降低喷丝板下方的环境温度，使冷却加速并提高冷却吹风的均匀程度，减少单体挥发量。

[17]

2、切片纺丝法

可分为两种方法：

切片纺一步法、切片纺二步法。

（1）切片纺一步法

专用pp切片+抗菌剂→熔融纺丝→高速牵伸卷绕→抗菌超细pp纤维丝

（2）切片纺二步法

专用pp切片+抗菌剂→熔融纺丝→卷绕→平衡→牵伸→抗菌超细pp纤维丝

（3）主要特点

工艺流程较短，设备较少，在成本较低的情况下，能保证效率。

3、选择结果

根据需求，在追求工艺流程路线短的基础上，需控制成本，以求生产经济性。

而切片纺一步法的的特点满足此需求，并且生产效率较高，产品的质量优良。

因此本设计采用切片纺一步法生产。

2.3本设计采用工艺流程的参数

通过所查文献资料综合考虑，本设计所得到纺丝工艺的参数为：

纺丝工艺参数见表24。

表24纺丝工艺参数

项目

工艺参数

螺杆温度

260-280℃

熔体温度

268℃

螺杆压力

85bar

计量泵转速

12-40r/min

纺丝箱温度

260-285℃

喷丝头拉伸倍速

500倍

纺丝速度

3000m/min

侧吹风风速

0.5m/s

侧吹风风压

800Pa

侧吹风湿度

60%

计量泵规格

3.0cc/rev

油剂

TFP-40

油剂浓度

12%

油轮转速

12r/min

导丝辊速度

2700m/min

后牵伸倍数

1.6倍

拉伸辊1速度

4500m/min

拉伸辊2速度

5000m/min

网络压力

0.3Mpa

卷绕速度

5000m/min

卷重

15kg

喷丝板规格

PRB-85×192×0.25

2.4工艺流程简图

1.

图2.2工艺流程简图

2.5工艺流程图（见附录一）

2.6工艺流程详细叙述

2.6.1切片输送与混合料喂入

1、工艺过程

超细纺专用PP切片经人工拆袋后投入原料间切片料槽，经由xn-354管式螺旋输送机将pp切片输送到全自动称量计量PLD800配料斗，同样将银离子抗菌剂经人工拆袋后投入配料斗，根据设计的配方（99.7%切片与0.3%抗菌剂）自动完成配料，再由配料斗进入SJ200/25螺杆挤出机入口的混合料斗，经搅拌混合后连续喂入到螺杆挤压机，混合转速为30r/min，混合10min。

2、工艺参数控制

配料过程中配料斗机器的启动和停止由混合器的内料位自动控制。

2.6.2螺杆挤出机熔融挤压

1、工艺过程

混合料通过SJ200/25螺杆挤压机的电加热融化和螺杆旋转挤压形成具有恒定压力的热熔体。

[18]

2、工艺参数控制

（1）熔体温度：

268℃；

（2）螺杆温度：

260-280℃；

（3）联苯温度：

270℃；

（4）螺杆压力：

85bar。

2.6.3熔体的过滤

1、工艺过程

熔体从螺杆剂压机出来经过一个型号为CPF-PT2双位熔体过滤装置过滤。

2、工艺参数控制

因为超细PP纤维的单丝纤度要求小于0.5dtex（直径约8μm），所以生产过程对原料的杂质含量要求严格。

[19]

解决方案：

（1）采用15μm预过滤器滤芯；

（2）在组件结构中采用过滤精度为15μm的金属纤维烧结毡，加强过滤效果；

（3）使用过滤网、海砂来减小组件的容腔。

[19]

2.6.4计量泵定量计量、熔体分配、纺丝箱体

1、工艺过程

熔体过滤后进入巴马格FDY纺丝箱体，通过一段有电加热的熔体管道对熔体保温并通过精确计量泵，使熔体可以精确定量计量，并形成稳定的纺丝压力，均等进入每个熔体分配管，均匀分配到每个纺丝头。

2、工艺参数控制

（1）计量泵转速为40r/min；

（2）有多段的电加热装置确保熔体纺丝温度均匀稳定使纺丝箱温度控制为220℃；

（3）纺丝箱外的熔体保温依靠熔体管道的夹套的传热媒介保温；

（4）纺丝箱内的熔体管道依靠纺丝箱内的热媒为其保温；

（5）需保证熔体到各纺丝位的时间相同，即熔体在管道的停留时间相同，使得纺丝质量均匀。

2.6.5喷丝板喷丝

1、工艺过程

熔体从德国巴马格纺丝组件进入（由喷丝板、分配板、熔体过滤材料组成），先经过过滤网过滤装置为20μm进入分配板，再进入喷丝板PRB-85×96×0.25喷出，熔体在喷丝板上微孔形成熔体细流，形成初生纤维。

2、工艺参数控制

（1）纺丝机头压力15MPa；

（2）喷丝板压力25Mpa，喷丝板的压力主要来源于烧结金属过滤网，其网层很薄，过滤网的毛细孔不仅多而且密集，制造精度高，所以能满足较高的喷丝板压力要求。

[20]

（3）纺丝温度268-280℃，电加热控制，通过调节加热电压，改变加热功率，控制纺丝温度。

2.6.6冷却成型

1、工艺过程

由喷丝板挤出的初生纤维，通过巴马格EVO环吹风装置进行冷却成型。

2、工艺参数控制

（1）环吹风筒高度120mm；

（2）进风方式为环吹冷却套筒；