熔喷非织造布的发展现状.docx

1、熔喷非织造布的发展现状熔喷非织造技术发展现状董家斌 陈廷（苏州大学纺织与服装工程学院 2010级纺织工程 苏州215021）摘 要：简要介绍了熔喷非织造技术的生产工艺过程和原理，分别从熔喷非织造生产技术、熔喷新材料及熔喷非织造产品应用等方面分析了近年来熔喷非织造技术的发展状况。关键词：熔喷，非织造布 ，新技术，新材料 熔喷非织造工艺是聚合物挤压成网法的一种，起源于20世纪50年代初。20世纪50年代初，美国海军实验室为收集核试验产生的放射性微粒，开始研制具有超细过滤效果的过滤材料，1954年发表研究成果1。20世纪60年代中期，美国埃克森(Exxon)公司进一步对这一工艺进行研究，与精确(Ac

2、curate)公司合作制造出了第一台熔喷设备原型机，并申请了专利。目前，除了埃克森公司拥有熔喷技术的专有技术外，其它一些公司(如美国3M公司，美国Hills公司，德国Freudenberg公司等)也成功开发出了自己的熔喷非织造技术。从20世纪80年代开始，熔喷非织造材料在全球增长迅速，保持了10%-12%的年增长率2。熔喷非织造材料在过滤、阻菌、吸附、保暖、防水、医疗卫生等方面性能优异，受到国内外企业的广泛关注。近年来熔喷非织造新材料、新工艺、新产品不断涌现，应用领域在不断拓展。1 熔喷非织造工艺原理熔喷非织造工艺是依靠高速、高温气流喷吹聚合物熔体使其得到迅速拉伸而制备超细纤维的一种方法。如图

3、1所示聚合物切片通过挤压机加热加压成为熔融状态后,经熔体分配流道到达喷头前端的喷丝孔,挤压后再经两股收敛的高速、高温气流拉伸使之超细化。超细化的纤维冷却固化沉积于集网帘装置上，依靠自身粘合或其他加工方法形成细度极细的熔喷非织造材料2。 图1 熔喷非织造工艺原理2 熔喷非织造技术的新进展随着工业的飞速发展以及世界各国对于环境保护意识的加强，熔喷法非织布市场越来越大，其超细纤维的特点所表现的特性，在许多工业、民用领域被人们发现并得到广泛应用。近几年，熔喷非织造技术发展迅速，各种可用于熔喷的原材料不断涌现，这些都促进了熔喷非织造行业的发展。2.1亚微米纤维熔喷技术Nanoval分裂纺是德国Nanov

4、al公司开发的一项纺制超细和纳米纤维的新技术。该技术是基于一种不同的细旦长丝生产机理：一根单丝分裂成若干根细丝(一般是50根左右，但可多到几百根)。如图 2所示：聚合物流体在气体层流产生的剪切力作用下不断加速，通过一个先收缩后扩张的喷嘴，即拉伐尔(Laval)喷嘴。根据气体动力学原理，气体在加速的过程中压力不断减小，而聚合物内部的压力不断增加(该现象与多数技术的流体现象相反，而与油封轴承内的现象一致)，当两者的压力差达到一个临界值时聚合物流体将发生分裂，由一根分裂成多根纳米级连续长丝。据了解，在一般纤维平均直径范内，Nanoval工艺的产量可与熔喷相竞争，而能耗占有优势；在超细和纳米纤维生产中

5、能耗可以降低一个数量级3-4。 图 2 图 32011年东华大学研发了一种制备亚微米纤维的熔喷模头装置，包括模头喷丝板，喷丝板上部和下部对称分布一个气流入口，所述的气流入口各连接一个矩形槽，两个矩形槽分别通过气流通道连接到喷丝孔。如图3所示喷丝孔包括圆柱形的喷丝孔后段和与喷丝孔后段相接的截面逐渐变大的矩形截面柱体。这种发明结构非常简单，不需添加任何额外配件，也非常适合在常规熔喷模头上改进。当原料为聚丙烯，熔融指数为1800；熔喷非织造设备及工艺参数为：喷丝孔直径0.06 mm,熔喷熔体温度为350，空气压力为0.3 MPa时,经过熔喷工艺制备纤维平均直径约为500 nm，而利用这种熔喷模头形成

6、的纤维平均直径约为430 nm,比原来减小约20%左右，具有直径更细，直径分布窄等优点5。在生产超细纤维领域，双组分熔喷生产技术越来越受关注。由于单组分熔喷生产工艺中受喷丝板加工的限制，难以通过改变纺丝孔尺寸的方法使纤维进一步细化。双组分纤维为改变纤维细度创造了条件，通过化学或物理的方法使双组分纤维发生裂离，从而使纤维达到理想的细度。常用的开纤方法有热处理法、机械法、化学法，然而这些方法都在不同程度上对熔喷非织造产品造成负面影响。超声波法作为一种新的开纤方法逐渐展现其优势。超声波作为一种纵向波,其作用于纤维的界面处引起共振,使纹隙进一步扩大,随着作用时间的增加,导致纤维的最终裂离，尤其再结合适

7、当的开纤试剂,这种效果就更加明显，并且经超声波处理后的试样更加紧密,空隙率降低,更能发挥熔喷非织造布的高效过滤性能6-7。2.2 纺熔复合技术纺熔复合非织造布生产技术是将纺粘法和熔喷法非织造工艺集成而产生的一种新的复合非织造生产工艺。纺熔工艺充分利用两种不同技术的优势，将熔喷非织造布强度低、纺粘非织造布均匀性差的缺点通过复合互相弥补消除，使得纺熔产品既有纺粘层固有的高强耐磨性，又有中间熔喷层的良好过滤效率、阻隔性能、抗粒子穿透性、抗静水压、屏蔽性以及外观均匀性，大大拓展了非织造布的应用领域8。为了达到高产、高效的目的，近几年多模头在线复合技术受到国内外企业广泛关注。如SMMS、SMMMS、SS

8、MMMMSS等,其中“S”是非织造布生产技术中纺粘法的缩写，“M”则是熔喷法的缩写。目前最多的多箱体复合产品可达7层。多个模头的加入在提高产量的同时，也改善了纺熔产品的质量。德国Reifenhauser公司在Reicofil III型机的基础上研制出了Reicofil IV型纺熔设备，该设备在冷却、牵伸、铺网等工艺方面得到进一步优化，并且生产线配有在线检测、自动分切、无菌包装等配套技术，生产效率在很大程度上得到了提高。与此同时非织造布生产企业正越来越多地将双组分纺粘技术与多头纺熔技术相结合，开发出双模头双组分纺粘生产线和双组分复合SMS生产线及其产品。Kasen公司则将特有的双组分复合熔喷和双

9、组分复合纺粘结合，形成了皮芯型双组分复合SMS生产线，成为多头纺熔技术中的一大亮点9-10。3熔喷聚合物原料的开发熔喷非织造技术的发展和产品应用领域的拓展促进了高性能聚合物的使用，以满足产业用纺织品的特别需求，如耐高温、耐化学性、良好的强度和弹性、医疗用产品舒适性、与食品接触的安全性等要求。众多熔喷非织造设备生产商提供的生产设备除使用传统聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚乙烯(PE)、聚酰胺(PA)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚对二甲苯酸丙二醇酯(PTT)外，一些高性能的成纤高聚物在纺粘、熔喷非织造产品中也得以使用。 3.1高性能熔喷材料 熔喷工艺的复杂性决定了影响熔喷非织

10、造材料物理机械性能的因素较多。聚合物原材料性能以及熔喷工艺条件直接影响产品的性能，因此在不断改善熔喷工艺的同时，一些公司长期致力于开发新型高性能聚合物材料以适应于更多领域的应用。日本Toyobo(东洋纺)公司利用其专利技术开发了一种名为“Tsunooga”的高强熔喷聚乙烯纤维。根据测试，Tsunooga纤维质轻，其抗切割能力优于对位芳纶，因此有望用于各种工业领域。此外，它还具有耐光、耐水和很好的化学稳定性，同时也适于各种颜色的纺前染色。美国Celanese AG公司推出了一种可用于熔喷非织造布的聚苯硫醚树脂 Fortron PPS 0203HS。据称，这种原料在标准的通常使用PP原料的熔喷设备

11、上就能加工成非织造布，但其熔体的熔融温度需300-320，纺丝时温度需要提高。据Celanese公司介绍，这种PPS熔喷纤维的细度大都在2-4 m，从细到粗分布较宽。由于PPS具有耐高温的特点，可适应在恶劣环境中作过滤材料，因此很有发展前景，可用于水泥厂、钢铁厂等的烟气过滤11。3.2 弹性体熔喷材料 据Freedonia集团研究报告称，全球热塑性弹性体(TPE)需求预计将以6.3的年均增速继续增长，到2015年将增至560万吨12。熔喷弹性非织造布的生产主要以热塑性弹性体为原料,理论上几乎所有的热塑性弹性体都可以应用于熔喷非织造工艺,目前熔喷弹性非织造布的聚合物切片主要有聚氨酯、聚酯类、聚酰

12、胺类、A-B-A型嵌段共聚物(B为弹性段)、乙烯和-烯烃共聚物、聚醚酯类等,并以聚氨酯弹性体为最佳13。日本Idemitsu Kosan公司采用自有的单活性中心催化剂开发了一种由丙烯和丁烯合成的新型软质聚烯烃，称为LMPO，其抗张模量 60 MPa，断裂伸长达到 600%-900%，据称，由LMPO制成的非织造布无需其他支撑就具有极好的弹性。此外，该材料还具有热稳定性高、熔融粘度低、无味、不粘连、无色透明、与PP相容等特性，且适用于某些溶剂。另外还可根据需要来控制其分子量和熔融粘度。LMPO适用于纺粘和熔喷工艺，该弹性材料在德国Saxon纺织研究所Reicofil IV双组分试验设备上，顺利纺

13、出弹性熔喷非织造布产品，以LMPO为原料的纺粘或熔喷非织造布主要用于尿片的主体部分(正面和侧翼)，同时有望打入医疗和运动产品领域。此外LMPO也可作为聚苯聚合物或添加剂用于热溶胶、粘结剂、薄膜或其它纤维11。3.3 改性熔喷材料传统的熔喷材料往往存在一些缺点，如聚丙烯熔喷非织造布虽具有纤维孔径小、过滤效率高等优异的性能特点，但是由于聚丙烯吸水性差使其非织造布的使用性能受到限制，因此对聚合物进行改性处理变得十分重要。目前，国内的亲水改性剂种类虽多，但是可用于熔喷加工的熔融添加剂还比较少，并且性能不稳定，制成的熔喷非织造布所具有的亲水效果短暂。CHA(Commercial Hydrophilic

14、Additive)是一种能够赋予聚丙烯熔喷非织造布亲水性能的熔融添加剂。与局部处理的方式相比，熔融添加剂能够提供长效的亲水效果，并且经CHA改性后的聚丙烯熔喷非织造布还具有良好的柔软性能和抗静电效果14。东华大学非织造发展中心于2010年研发了一种新型的具有抗菌功能的水过滤熔喷滤芯。聚丙烯和2, 4-二氨基-6-二烯丙基氨基-1, 3, 5-三嗪(NDAM)抗菌单体在引发剂的作用下接枝共聚制成树脂切片(简称PP-g-NDAM)，通过改进熔喷工艺参数,提高聚丙烯与NDAM接枝率等可进一步提高熔喷过滤材料的抗菌性能,从而制成具有高滤率高杀菌率的饮用水滤芯15。3.4可生物降解熔喷材料 生物降解是指

15、在具有微生物的污泥菌种的河流等自然环境下，聚合物可以被分解为CO2和H2O,对环境没有二次污染。随着世界各国对于环保意识的增强，一些可生物降解的聚合物材料更加受到开发商的青睐。2009 年 美国Nature Works 在国际非织造布技术会议(INTC)上推 出 两 种 PLA 树 酯 ，IngeoTM 6252D 和 6201D，是熔喷成形专用树酯。2010年初在美国Biax 公司的熔喷设备上完成了成网实验。IngeoTM生物材料取材于植物而非石油，是用可再生的植物资源为原料制造而成。其生产过程与用传统的石油原料生产相比，消耗更少的燃料并减少二氧化碳等温室气体的排放，更环保、更节能。用Bia

16、x fiberfilm公司特有的Biax熔喷生产线，使用IngeoTM与PHA混合材料通过熔喷方法制造的湿纸巾，不仅延长了纸巾的保质期，而且也加强了其在河水、泥土中的降解能力16。 国内衡龙科技有限公司在其发明专利中提到一种聚丙烯熔喷非织造布可降解专用复合材料，这种复合材料主要由纳米碳酸钙、玉米淀粉、表面处理剂、POE、聚丙烯和聚异丁烯制成。利用这种复合材料制成的非织造布不仅过滤性能好、可纺性好、不滴浆、着色性能好、铺网均匀、克重正常、拉伸强度、柔软性能好、表面光泽度好，而且具有环保功能17。4熔喷非织造产品的应用进展 由于熔喷技术生产的纤维很细，同时熔喷布具有很大的比表面积、孔隙小而空隙率大

17、，故其过滤性、屏蔽性、绝热性和吸油性等应用特性是用其它单独工艺生产的非织造布所难以具备的。所以熔喷法非织造布广泛应用于医用和工业用口罩、保暖材料、过滤材料、医疗卫生材料、吸油材料、擦拭布、电池隔板以及隔音材料等领域。随着新型熔喷材料的出现以及纺熔复合技术的发展，熔喷以及纺熔复合非织布的应用领域变的更加广泛。4.1过滤材料熔喷非织造材料早期的应用主要是过滤材料，熔喷非织造布由于其纤维直径细、比表面积大、孔隙小，空隙率高等特点极适合作液固分离或气固分离的过滤材料。在空气过滤中可适合作亚高效以上的过滤。如劳保及医疗口罩、防毒面具，滤除粉尘、细菌等有害颗粒，亦可作空调、汽车内空气过滤和发动机空气过滤，

18、特别当熔喷纤维经驻极化处理后，空气过滤的过滤效率可超过99%，甚至可达99.999%，这种材料在通风、空调和净化工程中具有广阔的应用前景。过去，一些高要求的空气过滤普遍采用微细玻纤的滤料，近几年来的研究表明：玻纤容易折断脱落，对人体有害，甚至可能会致癌。世界卫生组织IARC把玻纤划归IB类，即是可能致癌物质。另外玻纤又不能加上静电荷进行驻极化，因此随着时间的推移，熔喷过滤材料应用将越来越广泛。由天津大学主持研究的863计划项目“掺杂纳米电气石双组分熔喷法制备耐久驻极纳微纤维高效过滤材料的关键技术研究”，利用纳米掺杂技术制备了电气石改性聚丙烯熔喷母粒，掌握了双组分熔喷纳微纤维非织造布生产及开纤技

19、术，开发出了纳微纤维非织造布高效过滤材料。这种滤材具有手感柔软、强度大、蓬松度高、保暖性能好、过滤效率高等特点，能广泛应用于高效低阻过滤材料18。4.2 保暖材料 由于熔喷非织造布中的纤维属于超细纤维，重量轻、手感柔软、保暖性好，同时熔喷非织造布纤维间空隙小，而空隙率大，透气性十分优越，这就决定了熔喷非织造布是十分优异的保温材料。 天津工业大学材料学院研制了一种 PP/PET 混合型熔喷保暖材料，这种混合型熔喷非织造布纤网呈三维网状结构，纤维排列错乱，孔隙率大，具有良好的透气性能，且随着 PET 短纤维比例的增加，透气性能有所增加，提高了作为保暖絮片的穿着舒适性。PP/PET 混合型熔喷非织造

20、布与传统的保温材料相比，具有更好的保温性能，在保暖性能测试中，它的保温率最大可达 62.47%，比其它保温材料增加了5%-8%。除了作为服装絮片起保暖作用外，熔喷纤维絮片还可以包卷在输汽管道、输液管道或其它需要绝热的贮存器具外表以作为有效的保温层，不使热量或冷量散失19。4.3 吸油材料 聚丙烯熔喷非织造布由于其超细纤维的结构，具有疏水亲油性，比重轻，吸水率为0.01%，耐强酸强碱等特性，其吸油量可以达到本身重量20倍至50倍，因此被广泛用于海上、港口、河道溢油事故、工厂设备漏油以及污水处理等场合。 Exxon公司开发的由茂金属AchieveTM基制成的非织造布吸油垫、吸油卷、短袜、枕头 可处

21、理大多数燃油外溢、油泄漏、油脂集结。在熔喷应用中，Achieve 6936G1树脂具有出色的吸附和阻隔性能,可以与一系列聚合物兼容，也可以直接与聚合物粘合。可萃取物少、无过氧化物、高达1550 g/10min的高熔体流动速率和分子量分布低等特点使织物加工更快、更干净、更有效20。4.4 医疗卫生材料目前医疗用纤维材料及制品在医疗领域的地位越来越突出，非织造材料在生物学、医学纺织品中发挥着重要的作用，这类产品的医用效果好、价格合理，受到医疗保健及护理行业的青睐。2009年，甲型H1N1流感袭来时，大街上随处可见戴着薄薄的白色、淡蓝色或淡粉色像纸一样的口罩的人。这种轻薄但是阻隔效果很好的“纸”口罩

22、就是由熔喷无纺布制成。近年来纺熔复合非织布产品被广泛应用于医疗卫生领域，国内江阴金凤特种纺织品有限公司在其专利中提到一种防渗透、高透气、超柔软、超薄型复合无纺布，它是由外层纺粘法非织造布和内层两层熔喷法非织造布层按照纺粘、熔喷、熔喷、纺粘的顺序组合并热合在一起的，表面纺粘非织造布手感柔软，与皮肤接触时舒适性能高，中间熔喷非织造布层，具有较强的拒水性，双层熔喷叠加，可弥补单层熔喷不均匀的缺点，且柔软舒适，透气性和防渗漏性能好，因此广泛用于制作婴儿尿不湿、成人失禁垫、妇女卫生巾等一次性产品21。4.5 工业及家庭用擦拭布 据英国Euromonitor InterNational公司调查，自2003

23、年以来中国的擦拭布市场一直以10%的年增长率增长，2008年其零售额达到1.58亿美元，预计在2013年将达到2.3亿美元22。由于熔喷非织造布去污能力强、手感柔软、不损伤被擦拭的表面，因此很有发展前景。 日本Uni-Charm公司取得了一项专利改进了家用擦拭布，其主要特点在于把2层非织造布粘合到一起，并赋予擦拭布结构更高强度的熔融粘合线纹。与以前技术相比，这种改良擦拭布抗弯曲(折曲)性能得到提高，表面擦拭性能得到改进,蓬松性也得以实现。发明者指出，该擦拭布可干用，也可以用清洁液浸渍制成湿擦拭布。擦拭布若用由乙醇、表面活性剂与乙二醇组成的溶液浸渍，可生产一种有效的清洁擦拭布23。 超细纤维非织

24、造布的成功引入，为非织造擦拭布的应用与发展开辟了新纪元。同时非织造擦拭布作为用即弃或者短期使用材料，会造成环境压力，不利于可持续性发展，因此，寻求新的易降解纤维作为非织造擦拭布原料已成为目前新的研究方向之一。4.6 隔音材料 在公众最讨厌的事物中，噪音是最普遍、最难解决的问题。近年来，建筑物内的噪音，排风管道的噪音，运输业内的噪音等各种各样的噪音越来越受到公众的重视和关注，虽然已有相关的措施及方法可以控制噪音，但还未出现一种令人满意的、通用的材料来减少噪音。选择一种合适的减噪材料，不只是单纯的考虑其吸音能力，还要考虑更多的因素，包括成本、重量、厚度、阻燃性、环保性等等。目前，汽车车厢内的阻音材

25、料主要采用毛毡、发泡、压缩纤维等，这些材料都存在各种各样的问题。熔喷非织造布由于其本身存在很多的空隙，可有效吸收声波的传递，且其加工方便，质量较轻，因此存在很大的发展空间。候慕毅在其专利中发明了一种熔喷超细纤维双组份隔音材料，这种隔音材料主体是熔喷超细纤维与卷曲纤维混合而成的混合体，混合体的厚度至少0.5cm，熔喷超细纤维直径不大于15 m,面密度不大于500 g/m2，混合体可以与其他材料如无纺布、金属膜、醋酸乙烯酯共聚物，硬质棉等形成两层或三层结构，另外混合体表面设有蜂窝状的花纹24。这种隔音材料可用于汽车、飞机、火车内的隔音，也可应用于建筑行业，具有重量轻、无污染、隔音性能好、可塑性好、

26、易于黏贴的优点。4.7 其他 日本可乐丽公司利用聚芳酯(Polyarylate)液晶聚合物生产出了Vecrus 熔喷布。该产品的零湿气吸收与低介电系数使该产品能够应用在信息技术设备电路板、绝缘与锂离子电池隔板等领域。较高的抗热性使其可用于工业抛光机械、重型发动机与航空航天蜂窝材料。该公司指出，高频信号现正越来越多地用在移动电话上与其他精密设备上25。因此，Vecrus 将有可能取代电路板上的玻璃与有机材料。可乐丽还生产苯乙烯弹性体聚合物熔喷布，可用于松紧带、粘性药膏与伤口护理。Pall公司取得了用于血液过滤的熔喷滤材专利(USP5582907); BBA公司(美国)聚三氟氯乙烯熔喷布Halar

27、打开了高温过滤用途的领域等等26。5结语从当前熔喷非织造技术的发展来看，其发展趋势可归结如下：(1)基于新的原理开发新的技术以提高产品质量或开发新产品，如采用Nanoval分裂纺、超声波裂离技术等获取直径更细，性能更优的熔喷纤维；(2)考虑到世界性能源危机和环境压力问题，寻找可生物降解可循环利用的熔喷原料将一直是熔喷行业的目标；(3)随着各种非织造加工技术的日益完善，各工艺之间相互渗透，向混杂化、复合化方向发展是当前熔喷非织造技术发展的一个十分明显的趋势。参考文献 ：1 Shambaugh R L. A macroscopic view of the meltblowing process o

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