PTFE纖維專用梳理機的設(shè)計與試驗

鄭依銘 張旭東 吳海波

1. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院，上海 201620；2. 江蘇東方濾袋股份有限公司，江蘇 鹽城 224400

聚四氟乙烯(PTFE)纖維具有優(yōu)異的耐熱和耐化學(xué)性能[1-2]，其經(jīng)梳理成網(wǎng)和針刺加固后制成的耐高溫?zé)焿m過濾材料，在垃圾焚燒煙氣凈化領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用[3-4]。但PTFE纖維導(dǎo)電效應(yīng)極弱，這與PTFE纖維的分子鏈構(gòu)象為全氟化螺旋狀直鏈，聚集態(tài)結(jié)構(gòu)為高度結(jié)晶狀有關(guān)[5]。電荷一旦被PTFE纖維獲得便難以再逸散出去，且電荷會不斷累積，導(dǎo)致材料靜電壓較高[6]。故PTFE纖維在梳理過程中會因與金屬機件間不可避免的摩擦而造成強烈的靜電效應(yīng)，從而引發(fā)纖維結(jié)團、繞輥、起毛粒，甚至導(dǎo)致纖網(wǎng)出現(xiàn)破洞等問題。

目前，解決PTFE纖維梳理困難的辦法主要是將PTFE纖維與其他纖維混合。例如，杜邦公司將細直徑的玻璃纖維與PTFE纖維混合，生產(chǎn)出了Tefaire過濾氈[7]；廈門三維絲環(huán)保工業(yè)有限公司開發(fā)了聚酰胺纖維(P84)/PTFE復(fù)合針刺過濾氈[8]。但混紡會影響PTFE過濾材料的耐腐蝕性能，因此有學(xué)者對純PTFE纖維梳理過程中靜電的產(chǎn)生與逸散機制進行了研究。例如：鄭幗等[9]、陳錫勇等[10]提出，通過合理使用抗靜電劑和水，保持生產(chǎn)車間一定的溫度與濕度，使設(shè)備接地等方法，能有效消除纖維上的靜電；羅章生[11]指出，梳理過程使用高密矮淺的針布并配合低速強效的分梳參數(shù)，能減少電荷的產(chǎn)生。但實際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，采用常規(guī)非織造梳理機梳理PTFE纖維時，僅改善車間環(huán)境和分梳參數(shù)，效率低、轉(zhuǎn)移難、成網(wǎng)差等問題依舊存在。為此，奧特發(fā)公司通過在單錫林羅拉式梳理機上加裝特別的清潔裝置，安德里茨公司通過在單錫林羅拉式梳理機上加裝消除靜電的裝置，實現(xiàn)了PTFE纖維的順利梳理，而有關(guān)采用彈性針布和風(fēng)輪的PTFE纖維專用梳理機卻鮮有報道。

本文將提出一種PTFE纖維專用梳理機，通過優(yōu)化梳理流程，以解決PTFE纖維梳理效果差的問題。

1 PTFE纖維專用梳理機

1.1 梳理機結(jié)構(gòu)與工作原理

針對PTFE纖維梳理時易聚集電荷且靜電壓高、成網(wǎng)困難等問題，本文設(shè)計了一種帶風(fēng)輪的PTFE纖維專用梳理機。該梳理機的原型為雙錫林羅拉式梳理機，改進后的PTFE纖維專用梳理機機構(gòu)示意如圖1所示，工作單元參數(shù)歸納于表1。梳理機的胸錫林區(qū)域采用金屬針布，承擔(dān)著對PTFE纖維進行開松和初步梳理的工作，能大幅度地減輕后序梳理單元的負擔(dān)。梳理機的主錫林區(qū)域配置彈性針布和負隔距的風(fēng)輪，以減少電荷的產(chǎn)生，增強對纖維的轉(zhuǎn)移。

1——喂棉羅拉；2——刺輥；3——胸錫林；4——剝?nèi)×_拉；5——工作羅拉；6——清潔輥I；7——轉(zhuǎn)移輥；8——主錫林;9——弧形蓋板；10——上擋風(fēng)輥；11——風(fēng)輪；12——下?lián)躏L(fēng)輥；13——清潔輥Ⅱ；14——罩殼；15——道夫；16——斬刀。圖1 PTFE纖維專用梳理機的機構(gòu)示意(圖中隔距的單位為mm)

利用PTFE纖維專用梳理機梳理時，PTFE纖維經(jīng)輸網(wǎng)簾喂入胸錫林區(qū)域，在開松和初步梳理后形成較分散的PTFE纖維。接著，PTFE纖維經(jīng)轉(zhuǎn)移輥喂入主錫林區(qū)域，在風(fēng)輪的作用下，原先因靜電作用而吸附在主錫林上的大量纖維被提升到主錫林的表面，接受道夫充分的梳理。最后，PTFE纖維被轉(zhuǎn)移到道夫上，并由斬刀剝離至輸網(wǎng)簾，形成均勻的纖網(wǎng)。

1.2 關(guān)鍵部件的設(shè)計

1.2.1 針布

金屬針布的開松與梳理效果好，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于非織造梳理機上[12]。但PTFE纖維經(jīng)金屬針布開松和梳理后會產(chǎn)生大量的電荷，加之電荷又難以從PTFE纖維中逸散出去，故將導(dǎo)致PTFE纖維黏附在金屬針布表面，影響進一步的梳理。此外，PTFE纖維強力低，金屬針布易對其造成損傷，形成飛花等雜質(zhì)。因此，在本文設(shè)計的PTFE纖維專用梳理機上，僅胸錫林區(qū)域使用金屬針布(型號為NT5530×6415)，以減輕后序梳理單元的負擔(dān)。主錫林區(qū)域使用梳理過程比較柔和的彈性針布，既減少了電荷的產(chǎn)生，又降低了對PTFE纖維的損傷。在本文設(shè)計的PTFE纖維專用梳理機中，主錫林使用遠東牌29#型彈性針布，道夫使用遠東牌30#型彈性針布。

1.2.2 弧形蓋板

常規(guī)梳理機中，由主錫林和梳理單元組成的分梳區(qū)是主要的梳理工作區(qū)，但這并不適用于PTFE纖維的梳理。這是因為主錫林的速度很高，PTFE纖維在這樣的分梳區(qū)將會因強烈的梳理作用而帶上大量的電荷，并在主錫林表面凝聚形成厚實的纖維層，導(dǎo)致梳理效果差，甚至造成堵塞。

本文設(shè)計的PTFE纖維專用梳理機中，主錫林區(qū)域不配備梳理單元，其梳理作用在主錫林和道夫之間完成，既減少了靜電的產(chǎn)生，又無需犧牲梳理機的工作速度，缺點是這會造成梳理機上方有很大的空間空缺，易形成湍流，故需在主錫林頂部安裝弧形蓋板，并使弧形蓋板與針布表面盡量貼合，以起到控制氣流的作用。

1.2.3 風(fēng)輪及擋風(fēng)輥

常規(guī)梳理機梳理PTFE纖維時將不可避免地積累靜電，導(dǎo)致PTFE纖維黏附在主錫林的針齒深處，不能順利地轉(zhuǎn)移至道夫。

PTFE纖維專用梳理機在主錫林和道夫之間加裝了一個風(fēng)輪(圖2)，起改善PTFE纖維轉(zhuǎn)移效果的作用。風(fēng)輪表面安裝有梳針很長的彈性針布。這種針布能插入主錫林針布內(nèi)部一定深度，并將主錫林針齒深處的纖維提升到主錫林表面，以利于纖維的充分梳理和轉(zhuǎn)移。風(fēng)輪附近配備上擋風(fēng)輥與下?lián)躏L(fēng)輥。兩個擋風(fēng)輥的旋轉(zhuǎn)方向與主錫林的相反，起控制氣流的作用。

圖2 風(fēng)輪裝置

風(fēng)輪及擋風(fēng)輥安裝時需注意風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速、氣流的分布，以及風(fēng)輪針布插入主錫林針布的深度[13]：

(1)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速宜超過主錫林轉(zhuǎn)速 15%～30%，以實現(xiàn)對PTFE纖維的有效提升。風(fēng)輪轉(zhuǎn)速過大則會加速風(fēng)輪針布的磨損，過小則會使主錫林負荷過高，導(dǎo)致主錫林及風(fēng)輪損壞。

(2)主錫林和風(fēng)輪的高速回轉(zhuǎn)會產(chǎn)生強大的氣流，令纖維運動紊亂，飛花增多。因此，PTFE纖維專用梳理機在此處上方采用了全封閉罩殼，其將風(fēng)輪及上、下?lián)躏L(fēng)輥罩在其中，且風(fēng)輪與上擋風(fēng)輥處的罩殼應(yīng)盡量貼近針布表面，以利于對氣流的控制。如圖2所示，氣流離開弧形蓋板后將向主錫林-風(fēng)輪的隔距點間噴射。上擋風(fēng)輥能控制氣流的流動，避免氣流在主錫林-風(fēng)輪上三角區(qū)形成渦流。且由于主錫林與風(fēng)輪間為負隔距，部分氣流將受到阻攔而向上移動形成氣流A，另一部分氣流將通過隔距點形成氣流B進入主錫林-道夫上三角區(qū)。由于氣流A會帶動纖維從上擋風(fēng)輥兩端的間隙噴出，因此在上檔風(fēng)輥兩端還需補充反向氣流以降低纖維的損耗。

(3)風(fēng)輪針布插入主錫林針布的深度影響著纖維的提升效果。但裝配過程中很難直接觀察到風(fēng)輪針布的插入深度，可通過先在主錫林表面均勻撒上粉末以形成色帶，再撥動風(fēng)輪，此時風(fēng)輪針布會因插入主錫林針布中而擦去一部分色帶，最后根據(jù)主錫林表面擦去色帶的弧長計算得到針布的插入深度。如圖3所示，主錫林(含針布)半徑為R(mm)，風(fēng)輪(含針布)半徑為r(mm)，主錫林與風(fēng)輪的圓心距為a(mm)，針布插入深度為d(mm)，主錫林表面被風(fēng)輪擦去色帶的弧長為h(mm)，對應(yīng)的弦長為l(mm)，對應(yīng)的圓心角為θ(rad)。

圖3 風(fēng)輪與主錫林隔距示意

由圖3可知，針布的插入深度d：

d=R+r-a

(1)

1.2.4 輸出裝置

為提高纖網(wǎng)的均勻性，纖維梳理時通常會進行雜亂處理。PTFE纖維易摩擦起電，且纖維間抱合力小，雜亂后纖網(wǎng)的均勻性很差，剝離這種纖網(wǎng)時易出現(xiàn)破洞、分層，導(dǎo)致最后無法成網(wǎng)。因此，為確保PTFE纖網(wǎng)的順利輸出，PTFE纖維專用梳理機后宜不再安裝雜亂羅拉和凝聚羅拉，但可采取交叉鋪網(wǎng)和多次梳理的方式進一步提高纖網(wǎng)的均勻性。

2 梳理試驗

2.1 試驗材料與設(shè)備

膜裂PTFE纖維，強度2.7 cN/dtex，線密度3～5 dtex，長度(50±5)mm。該纖維截面為扁平狀，表面有溝槽，并分裂有細小的原纖。

PTFE纖維專用梳理機，簡稱梳理機1#；無胸錫林區(qū)的PTFE纖維專用梳理機，簡稱梳理機2#；KTPW150-150雙簾夾持式鋪網(wǎng)機，輸出幅寬為150 cm，簡稱交叉鋪網(wǎng)機1#；KTPW270-150雙簾夾持式鋪網(wǎng)機，可分段調(diào)速，輸出幅寬為270 cm，簡稱交叉鋪網(wǎng)機2#。

上述材料及設(shè)備皆由東方濾袋股份有限公司提供。

2.2 梳理鋪網(wǎng)工藝

將膜裂PTFE纖維提前用高濃度的抗靜電劑處理4 d。利用加濕器和熱蒸汽控制車間環(huán)境溫度達到20 ℃、相對濕度達到70%，以利于PTFE纖維梳理加工過程中靜電的逸散。梳理鋪網(wǎng)工藝流程：5 kg膜裂PTFE纖維→手動開松→梳理機1#→交叉鋪網(wǎng)機1#→梳理機2#→交叉鋪網(wǎng)機2#。梳理鋪網(wǎng)機組工藝參數(shù)如表2所示。

表2 梳理鋪網(wǎng)機組工藝參數(shù)

2.3 纖網(wǎng)性能測試及產(chǎn)能計算

使用CCD相機對制得的PTFE纖網(wǎng)的外觀形態(tài)進行拍攝。

依據(jù)GB/T 24218.1—2009 《紡織品 非織造布試驗方法 第1部分：單位面積質(zhì)量的測定》標準，取5塊500 cm2的PTFE纖網(wǎng)試樣，稱取質(zhì)量，計算面密度，并按式(2)計算變異系數(shù)。利用變異系數(shù)表征PTFE纖網(wǎng)的不勻率。

(2)

根據(jù)梳理鋪網(wǎng)機組每小時的產(chǎn)量計算產(chǎn)能。

2.4 測試結(jié)果與分析

2.4.1 外觀形態(tài)

梳理鋪網(wǎng)機組運轉(zhuǎn)試驗發(fā)現(xiàn)，梳理機1#和梳理機2#均能正常輸出純PTFE纖網(wǎng)，且沒有出現(xiàn)繞輥和轉(zhuǎn)移困難的現(xiàn)象。它們輸出的纖網(wǎng)外觀形態(tài)如圖4所示，可以看出，梳理機1#輸出的纖網(wǎng)表面存在少量的棉結(jié)，而梳理機2#輸出的纖網(wǎng)基本無棉結(jié)，表觀均勻性更好。

圖4 梳理鋪網(wǎng)機組中梳理機輸出的纖網(wǎng)外觀形態(tài)

2.4.2 面密度、纖網(wǎng)不勻率及產(chǎn)能

經(jīng)計算得到，梳理鋪網(wǎng)機組中，梳理機1#輸出纖網(wǎng)的面密度為50 g/m2，纖網(wǎng)不勻率為9.10%；交叉鋪網(wǎng)機1#輸出纖網(wǎng)的面密度為400 g/m2，纖網(wǎng)不勻率為5.34%；梳理機2#輸出纖網(wǎng)的面密度為70 g/m2，纖網(wǎng)不勻率為4.25%；交叉鋪網(wǎng)機2#輸出纖網(wǎng)的面密度為350 g/m2，纖網(wǎng)不勻率為2.25%。這些都表明經(jīng)過兩道梳理與兩道交叉鋪網(wǎng)后，最終得到的PTFE纖網(wǎng)均勻且品質(zhì)高。

此外，該梳理鋪網(wǎng)機組的產(chǎn)能在88 m2/h，高于安德里茨公司帶消除靜電裝置的梳理機組輸出PTFE纖網(wǎng)的產(chǎn)能(約42 m2/h)。

3 結(jié)語

PTFE纖維專用梳理機由羅拉式梳理機改造而成，適用于易聚集電荷且靜電壓高的纖維的梳理。其采取強效開松和柔和梳理的方式，減輕了對纖維的損傷，增強了對纖維的轉(zhuǎn)移，梳理效果好，且可采取交叉鋪網(wǎng)和多次梳理相結(jié)合的方式，進一步提高纖網(wǎng)的均勻性。本文設(shè)計的梳理鋪網(wǎng)機組，結(jié)合了兩道梳理與兩道交叉鋪網(wǎng)工藝，最終輸出的纖網(wǎng)面密度達350 g/m2，纖網(wǎng)不勻率僅2.25%，產(chǎn)能達88 m2/h，實現(xiàn)了PTFE纖網(wǎng)高效、均勻且高品質(zhì)地輸出。