纖維材料試驗(yàn)設(shè)備與裝備的創(chuàng)新與發(fā)展

纖維材料試驗(yàn)設(shè)備與裝備的創(chuàng)新與發(fā)展

在當(dāng)今纖維材料領(lǐng)域的研究和科學(xué)研究中，試驗(yàn)設(shè)備和設(shè)備起著非常重要的作用?？梢哉f(shuō)它是一項(xiàng)新技術(shù)誕生前的雛形，也是人們盡快掌握它并服務(wù)于市場(chǎng)的培訓(xùn)場(chǎng)所。環(huán)境與社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，要求企業(yè)不斷地向市場(chǎng)投放品質(zhì)穩(wěn)定如一的新產(chǎn)品。比如DuPont（杜邦）公司20世紀(jì)80年代開(kāi)發(fā)了采用閃紡工藝的“Tyvek”產(chǎn)品，其獨(dú)特的使用性能為人們所稱道。進(jìn)入新世紀(jì)后又推出混合膜（Hybridmembrance）技術(shù)，并率先向市場(chǎng)提供了亞微米-納米纖維材料（單絲直徑<1μm）。2008年，杜邦公司研發(fā)了電噴法納米纖維（Electroblowning）新工藝并將其商業(yè)化，該技術(shù)是將傳統(tǒng)的靜電紡和熱空氣噴射技術(shù)組合，可制得單絲平均直徑為200～1000nm的纖維網(wǎng)材，產(chǎn)品具有常規(guī)非織造布或微孔膜無(wú)法比擬的性能。如采用聚酰亞胺（PI）電噴法納米纖維網(wǎng)做的電池隔膜，于高溫條件下，其熔融點(diǎn)高于250℃，同時(shí)兼有低收縮性和良好的抗化學(xué)性。其使用特性顯示，在150℃下暴露3h，其收縮率為零。采用電噴法制得的納米纖維網(wǎng)呈相互粘結(jié)的復(fù)合結(jié)構(gòu)，非常適宜加工服裝、揩布、衛(wèi)生保健用品、過(guò)濾材料以及外科手術(shù)用服裝。杜邦公司持續(xù)不斷地向市場(chǎng)提供高技術(shù)含量的產(chǎn)品，諸如聚合物細(xì)旦-亞微米-納米纖維系列產(chǎn)品，并始終占據(jù)著無(wú)人可撼動(dòng)的市場(chǎng)位置，它清晰地向人們展示了一個(gè)長(zhǎng)青企業(yè)的發(fā)展軌跡。也告知世人，企業(yè)的發(fā)展與核心競(jìng)爭(zhēng)力的提升不僅靠機(jī)遇與膽識(shí)，更要靠科學(xué)化的經(jīng)營(yíng)模式。近年來(lái)，在聚合物加工領(lǐng)域，在新產(chǎn)品、新技術(shù)和新裝備完成工業(yè)化運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)，相關(guān)的試驗(yàn)設(shè)備或試驗(yàn)單元也同時(shí)進(jìn)入市場(chǎng)。諸如捷克Elmarco公司的靜電紡納米纖維生產(chǎn)裝置投放市場(chǎng)的同時(shí)，也提供3種型號(hào)的試驗(yàn)設(shè)備給用戶。Reicofil占據(jù)著全球紡熔非織造布設(shè)備的主要市場(chǎng)，同時(shí)該公司也提供幅寬1000mm的各種試驗(yàn)單元，諸如SB、MB、SMS以及雙組分紡熔試驗(yàn)裝置。瑞士Buhler（布勒）公司既開(kāi)發(fā)了加工能力為400kg/h的瓶到瓶（BottletoBottle）聚酯瓶片處理設(shè)備，同時(shí)也有每小時(shí)加工幾千克的試驗(yàn)裝置供用戶選擇?？梢哉f(shuō)，當(dāng)前試驗(yàn)設(shè)備的功能和作用趨于廣義化，已超出傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品、新工藝的基本要求，同時(shí)增添了如下諸多的技術(shù)特征：(1）承擔(dān)新產(chǎn)品、新工藝的連續(xù)性試驗(yàn)，提供商業(yè)化生產(chǎn)的技術(shù)數(shù)據(jù)；(2）進(jìn)行新產(chǎn)品與相關(guān)技術(shù)不斷完善與提高的試驗(yàn)；(3）培訓(xùn)買方技術(shù)人員，縮短新技術(shù)裝備的試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間；(4）可提供小量樣品供用戶鑒定或選擇，試驗(yàn)設(shè)備的展示功能已融入技術(shù)市場(chǎng)的運(yùn)作范圍。以下將簡(jiǎn)要介紹在開(kāi)展“空氣噴射技術(shù)與專件研究”、“高性能單絲技術(shù)研究”、“聚合物納米纖維研究”以及“紡熔非織造布產(chǎn)品研究”中，相關(guān)試驗(yàn)設(shè)備的配置狀況。1中國(guó)產(chǎn)業(yè)科學(xué)院的試驗(yàn)設(shè)備1.1變形噴嘴的更新空氣噴射技術(shù)在化纖生產(chǎn)中已大量使用，主要涉及合成纖維長(zhǎng)絲POY和FDY的生產(chǎn)，以及工業(yè)長(zhǎng)絲（IDY）和地毯絲（BCF）的預(yù)網(wǎng)絡(luò)和主網(wǎng)絡(luò)加工。短纖維集束的網(wǎng)絡(luò)處理也是其重要的應(yīng)用領(lǐng)域。在POY/FDY長(zhǎng)絲生產(chǎn)中，網(wǎng)絡(luò)噴嘴的更新，可以有10%～15%的節(jié)能空間。美國(guó)IMS公司開(kāi)發(fā)的T-tork型牽伸假捻的網(wǎng)絡(luò)噴嘴，較之舊型號(hào)噴嘴的能耗減少了45%～53%。瑞士Heberlein（赫伯利）公司提供的更新后的工業(yè)用絲網(wǎng)絡(luò)噴嘴耗氣量降低了16%。變形噴嘴的結(jié)構(gòu)改進(jìn)可以有效地提高生產(chǎn)效率。以BCF地毯絲為例，國(guó)產(chǎn)BCF設(shè)備的變形加工速度通常為1000～1200m/min，而奧地利SML公司BCF設(shè)備的變形噴嘴的加工速度可達(dá)3000m/min以上。我國(guó)每年大約有1800萬(wàn)t長(zhǎng)絲，800萬(wàn)t短纖，近130萬(wàn)t工業(yè)用絲和8萬(wàn)～10萬(wàn)t地毯絲需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)加工，噴嘴的改進(jìn)與更新可以改進(jìn)纖維紗線的品質(zhì)，同時(shí)也存在著巨大的節(jié)能潛力。表1為開(kāi)展空氣噴射技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)的基本試驗(yàn)設(shè)備配置。1.2單絲試驗(yàn)設(shè)備的應(yīng)用高性能單絲主要涉及3類產(chǎn)品，即單絲、扁絲和裂膜纖維，其使用涉及到多個(gè)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，是近年來(lái)發(fā)展最快也是最具技術(shù)特點(diǎn)的品種，主要特征如下。(1）使用高性能聚合物作原料，制作性能各異的產(chǎn)品，適應(yīng)特定條件下使用目前已在單絲生產(chǎn)中廣泛使用的原料，諸如PEEK、PEN、PPS、PVDF、PTFE等高性能聚合物。單絲產(chǎn)品已廣泛用于醫(yī)用、環(huán)境與凈化等領(lǐng)域。(2）單絲生產(chǎn)線具有良好的工藝彈性，適合新工藝的探索試驗(yàn)和小批量生產(chǎn)使用該試驗(yàn)設(shè)備可以開(kāi)發(fā)諸多新產(chǎn)品，如強(qiáng)力單絲（9～11g/D）、超細(xì)旦單絲（直徑0.013～0.055mm）、具有兩種或3種組分復(fù)合結(jié)構(gòu)的人造草坪?jiǎn)谓z以及用于胸外科手術(shù)的體外循環(huán)裝置的過(guò)濾介質(zhì)等。(3）單絲試驗(yàn)設(shè)備的設(shè)計(jì)理念基于研究試驗(yàn)并兼顧商業(yè)化運(yùn)轉(zhuǎn)功能單絲試驗(yàn)設(shè)備可以作為創(chuàng)新型中小企業(yè)技術(shù)改造和產(chǎn)品升級(jí)的選擇。表2為開(kāi)展高性能單絲技術(shù)研究使用的部分試驗(yàn)裝置。1.3聚合物納米纖維成形技術(shù)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展依據(jù)IPAI的研究報(bào)告，世界納米纖維的年增長(zhǎng)率為2%～2.5%。自2008年采用靜電紡工藝生產(chǎn)納米纖維的設(shè)備投入市場(chǎng)以來(lái)，納米纖維的優(yōu)良使用性能和巨大的市場(chǎng)潛力已為化纖業(yè)界所認(rèn)可，在環(huán)境凈化、生命科學(xué)、能源貯存和增強(qiáng)復(fù)合材料等領(lǐng)域使用均取得了成功。但靜電紡工藝生產(chǎn)效率低，成本昂貴，且需要溶劑回收設(shè)備投資，增加了回收利用成本，納米纖維的應(yīng)用和市場(chǎng)拓展受到一定的限制。近年來(lái)，聚合物納米纖維成形技術(shù)在成本和效率方面均取得了突破性進(jìn)展，諸如熔噴法、電噴法、離心紡絲法和原纖化法制納米纖維技術(shù)都完成了商業(yè)化運(yùn)轉(zhuǎn)。一個(gè)生產(chǎn)效率高、加工成本低，并可為市場(chǎng)接受的納米纖維生產(chǎn)供應(yīng)鏈已經(jīng)形成。據(jù)美國(guó)工業(yè)咨詢公司預(yù)測(cè)，未來(lái)數(shù)年間，納米纖維市場(chǎng)的占有率將有大幅提升。目前我國(guó)納米纖維的研究與開(kāi)發(fā)多采用靜電紡絲工藝，且基本停留在試驗(yàn)室階段，納米纖維的應(yīng)用研究和使用尚較薄弱。鑒于國(guó)內(nèi)有熔噴法非織造布的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，因此建議可在引進(jìn)熔噴法納米纖維試驗(yàn)設(shè)備的基礎(chǔ)上逐步開(kāi)展研究。表3為開(kāi)展聚合物納米纖維研究使用的部分試驗(yàn)設(shè)備。1.4國(guó)產(chǎn)紡熔設(shè)備的技術(shù)水平與經(jīng)營(yíng)模式我國(guó)目前運(yùn)轉(zhuǎn)中的紡熔非織造布生產(chǎn)線（SB/NB/SMS）大約在800條左右，其中9成使用國(guó)產(chǎn)設(shè)備。國(guó)產(chǎn)紡熔設(shè)備中1600mm幅寬的簡(jiǎn)易型設(shè)備占一半以上，產(chǎn)品品質(zhì)普遍較差，多用作包裝袋材料。從技術(shù)水平、企業(yè)的經(jīng)營(yíng)模式與狀況來(lái)看，國(guó)內(nèi)紡熔行業(yè)正面臨升級(jí)轉(zhuǎn)型的挑戰(zhàn)。但企業(yè)應(yīng)正視現(xiàn)實(shí)，在關(guān)系行業(yè)發(fā)展的重要技術(shù)課題的研究上進(jìn)行投入還是十分必要的。表4為開(kāi)展紡熔非織造布研究使用的部分試驗(yàn)裝置。1.5雙組分紡絲試驗(yàn)設(shè)備的研發(fā)雙組分紡絲技術(shù)成功用于化纖生產(chǎn)僅是近20年的事，這主要源于螺桿擠壓機(jī)和紡絲組件設(shè)計(jì)上的進(jìn)步。目前雙組分紡絲已成為開(kāi)發(fā)化纖新產(chǎn)品較為實(shí)用的方法之一。雙組分紡絲工藝普遍用于合成纖維長(zhǎng)絲或短纖、紡粘非織造布、熔噴非織造布、BCF地毯紗及單絲等品種的生產(chǎn)。國(guó)內(nèi)在雙組分復(fù)合長(zhǎng)絲和短纖的研究中已積累了較為豐富的經(jīng)驗(yàn)，具有設(shè)計(jì)和加工相關(guān)試驗(yàn)設(shè)備的能力?？紤]到復(fù)合纖維的研究需要紡絲工藝與精密機(jī)械加工密切合作的技術(shù)特點(diǎn)，建議需要配置雙組分紡絲試驗(yàn)設(shè)備的廠家可參照國(guó)外相關(guān)設(shè)備的特點(diǎn)，立足于國(guó)內(nèi)研究院所和化纖工程公司進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)備的設(shè)計(jì)與加工。表5是部分用于雙組分紡絲的試驗(yàn)設(shè)備的技術(shù)特征。2化纖工業(yè)試驗(yàn)設(shè)備與市場(chǎng)功能的關(guān)系試驗(yàn)室與中間試驗(yàn)設(shè)備的建設(shè)，始終是化纖企業(yè)技術(shù)更新和進(jìn)步的重要條件。近年來(lái)，在重大新技術(shù)、新工藝和新裝備研發(fā)和投放市場(chǎng)的同時(shí)，都