一種聚醯胺超細纖維網的製備方法與流程
2024-03-27 02:57:05
本發明屬於紡絲材料領域，具體涉及一種聚醯胺超細纖維網的製備方法。
背景技術：
聚醯胺66（PA66）不僅具有耐高溫、自潤滑、機械強度高等特點，而且具有突出的耐油汙和耐化學腐蝕性能，特別是韌性和耐磨性非常優異。廣泛用於生產服裝、地毯、輪胎帘子線等。PA66耐燃油性好，可用於生產燃料濾網、燃料過濾器；另外PA66的耐衝擊性和韌性較好，用其製作散熱器水缸可耐汽車行駛時碎石的衝擊。除此之外，PA66在一些精密儀器上也有應用，如用於輸血、取血、輸液器；電子打字機的傳動齒輪；印刷機的帶式過濾片等。
熔噴法是紡熔法非織造布的一種生產方式，它通過高速的熱氣流將熔體拉伸成平均直徑在0.5-5μm之間的超細纖維，且通過雜亂鋪網直接成布。熔噴纖維的比表面積大且孔隙度高，是性能極佳的過濾和保溫材料。採用熔噴法生產PA66超細纖維具有流程短、生產成本低等特點，製得的PA66超細纖維產品在保留原有高性能纖維的基礎上又具有超細纖維的特徵優勢，提高了過濾效率，進一步拓展了應用領域。
熔噴法生產的非織造材料是各種過濾用的主要材料之一，特別是在汽車燃油方面被廣泛應用。發動機燃油在生產、運輸和存放過程中會產生並混入大量雜質，嚴重汙染的燃油會使得發動機在使用一段時間後耗油量增加，尾氣排放量急驟上升。目前普遍的解決辦法是在發動機上安裝油品過濾器使燃油潔淨，潔淨的燃油可以延長發動機使用壽命，提高燃燒效率降低排放保護環境。
將性能優良的PA66材料採用熔噴工藝加工成超細短纖維網後，作為濾材使用具有納汙能力強、過濾精度高、耐腐蝕、耐高溫以及耐疲勞性等優點。由於工業油品通常都含有烷烴、烯烴、環烷烴、芳香烴、多環芳烴及少量硫、氮化合物等，耐腐蝕性能差的產品長時間的接觸油品會導致溶解腐蝕，溶脹成黏糊狀，失去過濾能力。所以PA66經熔噴工藝加工後可用於傳統油品過濾的優良替代產品。
由於熔噴材料生產過程較為複雜，包括上料、螺杆熔融擠壓、過濾、模頭紡絲、高溫高速氣流牽伸形成超細纖維，然後在成網簾上黏合，冷卻後即得到熔噴非織造布，各個環節的工藝參數至關重要迄今為止還沒有聚醯胺66為原料的熔噴工藝的相關資料。
技術實現要素：
本發明是為了解決現有技術及原料所存在的上述問題，提供一種物理化學性能優良且過濾效率高的PA66熔噴超細纖維生產方法。
實現本發明的技術方案是：一種聚醯胺超細纖維網的製備方法，製備步驟包括切片乾燥、上料、螺杆熔融擠壓、過濾、計量泵精確計量、模頭紡絲、高溫高速氣流牽伸及成網，具體步驟如下：
（1）PA66熔體對水的敏感性強，微量的水分便引起水解，PA66較易受熱氧化而變黃，因此PA66採用真空加熱乾燥，其乾燥溫度為80-90℃，乾燥時間為24-36h，之後將PA66切片；
（2）將步驟（1）PA66切片採用乾燥氣流輸送至進料鬥；
（3）步驟（2）中PA66切片由進料鬥進入螺杆擠出機進行熔融擠壓，熔融擠壓時各區的溫度為255-305℃，熔體壓力為16.9bar；所述螺杆擠出機採用全螺紋等螺距突變型單螺杆，螺紋大經=螺距=45mm，壓縮段為2個螺紋，螺杆的長徑比為30，壓縮比ε為3.5，螺杆稜面寬度為4mm，進料段螺槽深為9.5mm，計量段螺槽深為2.25mm；
PA66的特性決定了其所用螺杆擠壓機的功能的特殊性，PA66由固體熔融至熔體體積變化比較大，應採用快速或中快速壓縮型全螺紋螺杆，即壓縮段短，只有2個螺紋，但由於壓縮段的位置、壓縮比、螺紋深度不同，熔體擠出特性有很大差異。PA66熔點比較高，屬於高溫加熱，螺杆長徑比要達到25以上，才能保證加熱均勻。壓縮段位於螺杆中部左右，計量段相對進料段略長，以保證有較好的擠出穩定性；
（4）熔噴工藝中，聚合物熔體進入模頭之前，應經過過濾，以濾去雜質、聚合反應後殘留的催化劑以及未完全熔融的高聚物粒子，防止其堵塞噴絲板，造成紡絲生產不能正常進行，將步驟（3）中熔融擠壓後的物料進行過濾，過濾器溫度為295-300℃，金屬過濾網的目數為200-400目；
（5）步驟（4）中過濾後的物料進入計量泵，計量泵的溫度為295-300℃；所述計量泵精確計量步驟計量泵的排量對於確定生產線產量高低以及產品定量有重要作用，計量泵運行時的轉速直接影響了單孔擠出量，對纖維細度直接影響所以應減少計量泵的壓力波動；
（6）步驟（5）計量後的物料進入噴絲孔進行紡絲，所述噴絲孔的模頭溫度在295-305℃，機頭壓力為35-36bar；通過噴絲板的噴出的絲，需要高溫高速的氣流將其牽伸成超細短纖維，但是風溫、風壓對絲的成型及手感的軟硬有很大的影響，將噴出的絲利用氣流牽伸成超細短纖維，氣流牽伸的牽伸風壓為0.75bar，牽伸風溫為300-310℃；由於PA66容易發生降解反應，噴絲孔孔徑0.25～0.35mm，熔體擠出速率比較緩慢，即熔體進入模頭後會停留相當長一段時間，若模頭溫度設置過高熔體吸收過多熱量，會導致PA66熔體發生降解，因此模頭各區溫度不能過高，應控制在295～305℃以保證PA66處於熔融狀態而不發生分解反應；
（7）步驟（6）的超細短纖維在室溫空氣下冷卻，冷卻後通過噴絲板直接噴在成網簾上，形成超細纖維網。
熔噴法製備非織造布對原料的流動性要求很高，常規PA66切片不能滿足其要求。因此PA66切片的選擇要採用熔噴專用原料，保證有較高的熔融指數，聚合物的相對分子量也要有嚴格的範圍控制。當相對分子量過低時紡絲困難，不能獲得強韌的非織造布；相對分子量過高時，熔體黏度太高，流動性差，不利於熔噴生產的順利進行。步驟（1）中PA66為中等黏度，熔點為280.94℃，熔體質量流動速率在295℃、負重2840g的條件下為160-180g/10min，PA66的平均相對分子量為20000-22000，相對黏度為2.8-3.0，分散指數為1.85-1.95，PA66中可萃取物含量≤0.6%，萃取物含量多，容易沾汙噴絲板，導致纖維中雜質增多，影響紡絲質量。
所述步驟（1）乾燥後PA66的含水率控制在500-800ppm之間，乾燥後切片含水量的多少對切片黏度有著較大的影響，間接起到了調整切片黏度的作用。乾燥後切片含水率過低，切片在螺杆擠出機內熔融時實際上聚合也在繼續，相當於固相增黏的作用，所以乾燥後切片的含水率不能低於500ppm。切片乾燥後含水率也不能過高，含水率過高，切片在螺杆擠出機內再熔融時水解嚴重，影響熔噴生產的順利進行。
所述步驟（3）中利用螺杆擠出機進行熔融擠壓時分為三個區，分別為螺杆Ⅰ區進料段、螺杆Ⅱ區壓縮段、螺杆Ⅲ區計量段，螺杆Ⅰ區屬於進料段溫度設置在260±5℃，進料段屬於原料預熱階段，發揮壓實以及輸送原料的作用，溫度要相對PA66熔點低10～15℃左右，溫度設置過高容易在料筒內過早出現固體與熔體並存狀態，發生環結阻料現象；螺杆Ⅱ區屬於壓縮段，同樣也是高聚物熔融的階段，物料在該階段進一步壓實熔融並將熔體向前輸送。螺杆Ⅱ區溫度應高於PA66熔融溫度，溫度設置在290±5℃，保證在該段原料處於固體與熔體並存或完全熔融狀態。螺杆Ⅲ區屬於計量段，作用是進一步均勻塑化材料。該段溫度比前一段要高出10～15℃左右，以保證PA66原料完全處於熔融狀態，溫度設置在300±5℃。
由於PA66纖維的生產溫度較高，即噴出的絲溫度較高，因而冷卻時間長，所以成網簾與噴絲板之間的距離要稍大，步驟（7）中成網簾與噴絲板之間的距離為300-350mm，PA66纖維被模頭兩側的室溫空氣冷卻後直接噴在成網簾上，形成超細纖維網。
由於聚醯胺熔體粘度高，因此步驟（6）中噴絲孔的導孔為2-3mm，毛細孔直徑為0.2-0.4mm；噴絲孔密度在16孔/cm，長徑比為10-15。
本發明的有益效果是：1.所採用的PA66十分耐鹼和大多數鹽液，還耐弱酸、機油、汽油，耐芳烴類化合物和一般溶劑，對芳香族化合物呈惰性；能抵禦汽油、油、脂肪、酒精、弱堿等的侵蝕和有很好的抗老化能力，加上所採用的熔噴工藝使得製成的濾材用途廣泛、過濾效率高且使用壽命長；2.本發明產品手感柔軟、具有懸垂性、軟化點高，可在150℃的溫度範圍下長時間使用。除此之外，由於材料的優良特性，改善了傳統熔噴非織造材料不耐磨的特點，因此可廣泛應用於各個領域；3. 本發明採用超高溫熔噴工藝，產品適用於高溫環境過濾等領域。由於PA66自身特性導致其不適用於常規螺杆，由固體熔融至熔體體積變化大，適合採用快速壓縮型全螺紋螺杆即突變型螺杆，壓縮段比常規螺杆短只有2個螺紋，並且計量段相對進料段略長，以保證較好的擠出穩定性。所採用PA66熔點280.94℃，屬於高熔點聚醯胺66，熔體質量流動速率達到160g/10min以上，流動性能優良，適用於熔噴法超細纖維材料的製備；4. 本發明所生產的熔噴超細纖維網與常規聚丙烯熔噴材料相比具有優良的耐腐蝕和耐高溫性能，可以廣泛應用於腐蝕性液體過濾或油品過濾，並且PA66熔噴產品相對於常規產品具有優良的耐磨性能、單絲強力高，一般熔噴法PP纖維的單絲強力1.5cN/dtex左右，而PA66單絲強力達3.5cN/dtex，故而PA66熔噴非織造布強力遠大於聚丙烯熔噴非織造布。
附圖說明
圖1是本發明的工藝流程圖；
圖2是本發明中螺杆擠出機的結構示意圖；
圖3是PA66差熱分析（DSC）曲線。
其中，1-真空乾燥器，2-PA66切片，3-進料鬥，4-螺杆擠出機，5-過濾器，6-計量泵，7-噴絲孔，8-成網簾，9-螺杆Ⅰ區進料段、10-螺杆Ⅱ區壓縮段、11-螺杆Ⅲ區計量段。
具體實施方式
實施例1
本發明的製備步驟包括切片乾燥、上料、螺杆熔融擠壓、過濾、計量泵精確計量、模頭紡絲、高溫高速氣流牽伸及成網，具體步驟如下：
（1）PA66採用真空乾燥器1加熱乾燥，其乾燥溫度為80℃，乾燥時間為36h，之後將PA66切片，乾燥後PA66的含水率控制在500ppm之間；PA66為中等黏度，熔點為280.94℃，熔體質量流動速率在295℃、負重2840g的條件下為160g/10min，PA66的平均相對分子量為20000，相對黏度為2.8，分散指數為1.85，PA66中可萃取物含量≤0.6%；
（2）將步驟（1）PA66切片2採用乾燥氣流輸送至進料鬥3；
（3）步驟（2）中PA66切片由進料鬥3進入螺杆擠出機4進行熔融擠壓，熔融擠壓時分為三個區，分別為螺杆Ⅰ區進料段9、螺杆Ⅱ區壓縮段10、螺杆Ⅲ區計量段11，其中螺杆Ⅰ區進料段9溫度為255℃，螺杆Ⅱ區壓縮段10溫度為285℃，螺杆Ⅲ區計量段11溫度為295℃；熔體壓力為16.9bar；所述螺杆擠出機4採用全螺紋等螺距突變型單螺杆，螺紋直徑D=螺距S=45mm，壓縮段為2個螺紋，L/D=30，壓縮比ε=3.5，稜面寬度E=4mm，進料段螺槽深=9.5mm，計量段螺槽深=2.25mm；
（4）將步驟（3）中熔融擠壓後的物料進行過濾，過濾器5溫度為295℃，金屬過濾網的目數為200目；
（5）步驟（4）中過濾後的物料進入計量泵6，計量泵6的溫度為295℃；
（6）步驟（5）計量後的物料進入噴絲孔7進行紡絲，所述噴絲孔7的模頭溫度在295℃，機頭壓力為35bar；將噴出的絲利用氣流牽伸成超細短纖維，氣流牽伸的牽伸風壓為0.75bar，牽伸風溫為300℃；噴絲孔的導孔為2-3mm，毛細孔直徑為0.2-0.4mm；噴絲孔密度在16孔/cm，長徑比為10；
（7）步驟（6）的超細短纖維在室溫空氣下冷卻，冷卻後通過噴絲板直接噴在成網簾8上，形成超細纖維網。
如圖1所示，本實施例所用原料PA66通過差示掃描量熱法分析，由第一次升溫消除所有熱加工歷史後再次進行第二次升溫與降溫，得到如圖曲線，曲線整體基線呈平直狀態，未出現大幅漂移現象，說明熔融過程中產生的新質相導熱率大致相同。分析熔融吸熱峰得到PA66原料熔點280.94℃，熔融過程溫度為252～295℃左右，熱焓值為26.07J/g，屬於高熔點聚合物，因此熔噴生產過程中熔體溫度應稍高於295℃；分析結晶放熱峰得到PA66結晶溫度在228.9℃，熱焓值為30.87J/g，原料在245℃左右開始出現結晶，因此PA66仍對溫度較為敏感，熔噴成網過程中應嚴格控制溫度以及其餘工藝參數。
實施例2
本發明的製備步驟包括切片乾燥、上料、螺杆熔融擠壓、過濾、計量泵精確計量、模頭紡絲、高溫高速氣流牽伸及成網，具體步驟如下：
（1）PA66採用真空乾燥器1加熱乾燥，其乾燥溫度為85℃，乾燥時間為30h，之後將PA66切片，乾燥後PA66的含水率控制在600ppm之間；PA66為中等黏度，熔點為280.94℃，熔體質量流動速率在295℃、負重2840g的條件下為170g/10min，PA66的平均相對分子量為21000，相對黏度為2.9，分散指數為1.90，PA66中可萃取物含量≤0.6%；
（2）將步驟（1）PA66切片2採用乾燥氣流輸送至進料鬥3；
（3）步驟（2）中PA66切片由進料鬥（3）進入螺杆擠出機4進行熔融擠壓，熔融擠壓時分為三個區，分別為螺杆Ⅰ區進料段9、螺杆Ⅱ區壓縮段10、螺杆Ⅲ區計量段11，其中螺杆Ⅰ區進料段9溫度為260℃，螺杆Ⅱ區壓縮段10溫度為290℃，螺杆Ⅲ區計量段11溫度為300℃，熔體壓力為16.9bar；所述螺杆擠出機4採用全螺紋等螺距突變型單螺杆，螺紋直徑D=螺距S=45mm，壓縮段為2個螺紋，L/D=30，壓縮比ε=3.5，稜面寬度E=4mm，進料段螺槽深=9.5mm，計量段螺槽深=2.25mm；
（4）將步驟（3）中熔融擠壓後的物料進行過濾，過濾器5溫度為298℃，金屬過濾網的目數為300目；
（5）步驟（4）中過濾後的物料進入計量泵6，計量泵6的溫度為298℃；
（6）步驟（5）計量後的物料進入噴絲孔7進行紡絲，所述噴絲孔7的模頭溫度在300℃，機頭壓力為35.5bar；將噴出的絲利用氣流牽伸成超細短纖維，氣流牽伸的牽伸風壓為0.75bar，牽伸風溫為305℃；噴絲孔7的導孔為2-3mm，毛細孔直徑為0.2-0.4mm；噴絲孔密度在16孔/cm，長徑比為13；
（7）步驟（6）的超細短纖維在室溫空氣下冷卻，冷卻後通過噴絲板直接噴在成網簾8上，形成超細纖維網。
實施例3
本發明的製備步驟包括切片乾燥、上料、螺杆熔融擠壓、過濾、計量泵精確計量、模頭紡絲、高溫高速氣流牽伸及成網，具體步驟如下：
（1）PA66採用真空乾燥器1加熱乾燥，其乾燥溫度為90℃，乾燥時間為24h，之後將PA66切片，乾燥後PA66的含水率控制在800ppm之間；PA66為中等黏度，熔點為280.94℃，熔體質量流動速率在295℃、負重2840g的條件下為180g/10min，PA66的平均相對分子量為22000，相對黏度為3.0，分散指數為1.95，PA66中可萃取物含量≤0.6%；
（2）將步驟（1）PA66切片2採用乾燥氣流輸送至進料鬥3；
（3）步驟（2）中PA66切片由進料鬥3進入螺杆擠出機4進行熔融擠壓，熔融擠壓時分為三個區，分別為螺杆Ⅰ區進料段9、螺杆Ⅱ區壓縮段10、螺杆Ⅲ區計量段11，其中螺杆Ⅰ區進料段9溫度為265℃，螺杆Ⅱ區壓縮段10溫度為295℃，螺杆Ⅲ區計量段11的溫度為305℃，熔體壓力為16.9bar；所述螺杆擠出機4採用全螺紋等螺距突變型單螺杆，螺紋直徑D=螺距S=45mm，壓縮段為2個螺紋，L/D=30，壓縮比ε=3.5，稜面寬度E=4mm，進料段螺槽深=9.5mm，計量段螺槽深=2.25mm；
（4）將步驟（3）中熔融擠壓後的物料進行過濾，過濾器5溫度為300℃，金屬過濾網的目數為400目；
（5）步驟（4）中過濾後的物料進入計量泵6，計量泵6的溫度為300℃；
（6）步驟（5）計量後的物料進入噴絲孔7進行紡絲，所述噴絲孔7的模頭溫度在305℃，機頭壓力為36bar；將噴出的絲利用氣流牽伸成超細短纖維，氣流牽伸的牽伸風壓為0.75bar，牽伸風溫為310℃；噴絲孔7的導孔為2-3mm，毛細孔直徑為0.2-0.4mm；噴絲孔密度在16孔/cm，長徑比為15；
（7）步驟（6）的超細短纖維在室溫空氣下冷卻，冷卻後通過噴絲板直接噴在成網簾8上，形成超細纖維網。