如皋熔噴布模具 | 熔噴布核心生產技術及"卡脖子"核心部件!

　　熔噴布作為口罩的核心組成部分，成為當下的口罩生產鏈中最緊俏的材料。

　　醫(yī)用外科口罩（結構如圖1所示）通常由三層無紡布構成，中間層起到最重要的過濾和阻隔作用，所用材料即熔噴無紡布。

　　圖1 口罩結構圖

　　熔噴布看起來并沒什么特別，但生產過程卻十分復雜，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，然后化學加工成聚丙烯，最后經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，且在熔融指數較高（MFI≥1500g/10min）的情況下，能成為相當細的纖維（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，但是其對于環(huán)境中病毒的過濾能力依然很強。因為，第一，病毒無法獨立存在，其傳播途徑主要有分泌物和打噴嚏時的飛沫，飛沫的大小在 5 μm左右；第二，熔噴布本質上是一種纖維過濾器，含有病毒的飛沫靠近熔噴布后，也會被靜電吸附在表面，無法透過。

　　圖3 聚丙烯纖維

　　二、生產工藝

　　熔噴布的生產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 熔噴布的生產工藝

　　依靠螺桿擠出機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小于內外層紡粘布中所用的噴絲孔，是因為熔噴布纖維直徑僅為紡粘布纖維的十分之一。為達到所需細度，除了依靠更小的噴絲孔外，還需要在噴絲孔擠出的同時使熔體纖維受到兩側高速熱空氣流的牽伸（圖5c），此外兩側室溫空氣混入了熱流空氣，可以使被拉細的熔體冷卻固化成形。經牽伸和冷卻固化的超細纖維在牽伸氣流的作用下吹向凝網簾，凝網簾下部有真空抽吸裝置，可以將纖維吸附在凝網簾上，利用自身余熱黏合成網。最后，是至關重要的是駐極處理，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。熔噴法生產的無紡布自身具備35%的過濾性能，經過駐極處理后過濾性可提高至95%。

　　圖5 模頭結構

　　三、影響熔噴布質量的因素

　　1. 聚合物原料的MFI

　　熔噴布作為口罩最佳阻隔層，是一種極為細密的材質，內部由許多縱橫交錯的超細纖維以隨機方向堆疊而成。以PP為例，MFI越高，熔噴加工時拉出的絲越細，過濾性能越好。

　　2. 熱氣流速度

　　在相同溫度、螺桿轉速和接收距離（DCD）等條件下，熱空氣速度越快，纖維直徑越小，無紡布手感逐漸變軟，纖維纏結越多，從而導致纖網更加密實且光滑，強度提高。

　　3. 熱空氣噴射角

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

　　4. 接收距離（DCD）

　　過長的接受距離會導致縱橫向強度、彎曲強度下降，無紡布手感蓬松，在熔噴工藝中會導致過濾效率和過濾阻力下降。

　　5. 螺桿擠出速度

　　在溫度恒定的情況下，螺桿擠出速率應保持在一定范圍：

　　在某一臨界點之前，擠出速度越快，熔噴布定量越高，強度越大；到超過該臨界值，熔噴布的強度反而下降，尤其是MFI＞1000時更為明顯，可能是因為擠出速率過高導致絲條牽伸不充分，并絲嚴重，從而布面粘結纖維減少，熔噴布強度降低。

　　熔噴布設備"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，但是將聚丙烯生產為熔噴布的設備，特別是核心的零部件噴絲板主要依賴進口。這些供應商主要有日本的卡森噴絲板、德國恩卡、日本噴絲板等企業(yè)。日本的供應商占有最重要的地位。

　　非常時期，能夠及時為熔噴布生產設備商提供可滿足醫(yī)用外科口罩以及KN95、KN99等其他高防護性口罩熔噴布生產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：鉆頭壽命低，加工效率不足

　　▲噴絲板

　　（熔噴布加工設備 圖片來源網絡）

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

　　熔噴布設備

　　其中最為核心的技術就是噴絲板上的細小噴嘴，這種噴嘴不但尺寸細微，只有0.15mm，還要在如此細小的噴嘴上加工出復雜的孔型，加工難度極大，噴嘴加工的過程需要幾個月時間！如果加工精度不高，最后生產出的熔噴布就達不到相應的技術要求。以目前的幾家企業(yè)的產量，遠遠不能滿足市場的需求。

　　那么，口罩熔噴布噴絲板上的小孔能用什么設備加工呢？

　　微孔加工噴絲板制作

　　看看熔噴布是如何生產

　　但是噴絲板不僅僅是生產熔噴布設備用的，還用于各種化纖的生產設備。熔噴布生產設備最核心的噴絲板噴嘴的生產難度非常大，而且高端噴絲板主要供應商都在日本和德國。在中國也布局相關的專利，不過基礎專利基本過期了。