年产5万吨熔喷布生产工艺设计毕业论文.docx

年产5万吨熔喷布生产工艺设计毕业论文.docx

《年产5万吨熔喷布生产工艺设计毕业论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《年产5万吨熔喷布生产工艺设计毕业论文.docx（42页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

年产5万吨熔喷布生产工艺设计毕业论文

---文档均为word文档，下载后可直接编辑使用亦可打印---

摘要

2020年新冠疫情之下，熔喷布的短缺为人们敲响警钟，提高产量满足市场需要称为当下紧迫问题。

本设计通过科学合理规划设计出一条年产5万吨熔喷布的生产工艺流程，并进行了相关工艺计算。

计算出实际年产量为50010285.6kg，采用的加热方式主要为电加热，输入总能量为1877332.79kJ/h。

对车间进行了合理化布局，满足生产需要。

采用的主体设备为熔喷模头，三废处理采用活性炭吸附等方法，处理效果达标。

最后对成本进行核算，年利润为122418.051万元。

本设计数据为熔喷布的工业化生产提供了重要的数据参考。

本设计首先进行了生产工艺设计，本设计首先进行了生产工艺设计，对熔喷布的生产工艺进行了一定调整，然后通过物料衡算、热量衡算等工作，得到了能够满足目标产量的生产线。

本设计的关键是对原料PP进行热处理，同时使用一些助剂避免产品品质的损失。

此外，为了达到设计目标--年产5万吨熔喷布，需要定制加长款熔喷模头组件，通过计算与合理布局设计，需要9条生产线才能完成任务。

关键词：

熔喷法；非织造布；高产量；工厂设计

Annualproductionprocessdesignof50,000tonsofmelt-sprayingcloth

Abstract

Underthecovid-19outbreakin2020,theshortageofmelt-sprayingclothhassoundedthealarmforpeople,anditisanurgentproblemtoincreaseproductiontomeetthemarketdemand.Thedesignofascientificandreasonableplanninganddesignofanannualoutputof50,000tonsofmelt-sprayingclothproductionprocess,andtherelevantprocesscalculation.Theactualannualoutputwascalculatedtobe50010285.6kg.Theheatingmethodwasmainlyelectricheating,andthetotalenergyinputwas1877332.79kJ/h.Theworkshopwasrationalizedtomeettheproductionneeds.Themainequipmentusedisthemeltingspraydiehead,thethreewastetreatmentmethodssuchasactivatedcarbonadsorption,thetreatmenteffectisuptostandard.Finally,theannualprofitis122.48051millionyuan.Thedesigndataprovidesanimportantdatareferencefortheindustrialproductionofmeltsprayingcloth.

Thisdesignfirstcarriedontheproductionprocessdesign,thedesignfirstcarriedontheproductionprocessdesign,tothemeltsprayingclothproductionprocesshascarriedonthecertainadjustment,thenthroughthematerialbalance,theheatbalancecalculationandotherwork,hasbeenabletomeetthetargetoutputoftheproductionline.

ThekeyofthisdesignistoheattreattherawmaterialPPandusesomeadditivestoavoidthelossofproductquality.Inaddition,inordertoachievethedesigngoal--anannualoutputof50,000tonsofmelt-sprayingcloth,itisnecessarytocustomizeandaddlong-stylemelt-sprayingdieheadcomponents.Throughcalculationandreasonablelayoutdesign,9productionlinesareneededtocompletethetask.

Keywords:

Melt-blownmethod;Non-woven;Highyield;Plantdesign

1前言

1.1概述

2020年新冠肺炎的阴影席卷全球，在疫情之下，为了保障自身及他人生命安全，战胜病毒，人们开始抢购各类防疫用品。

此时，作为多种防疫用品核心材料的熔喷布也开始受到人们的广泛关注。

其中最受瞩目的用途便是作为医用外科口罩及N95口罩中间的过滤层，堪称“口罩的心脏”，熔喷布发挥出相当优秀的过滤性能。

因为熔喷布具有无规则的相互交织粘结的超细纤维结构，在单位面积内纤维数量多，表面积大，孔隙极细，这些特性导致了熔喷布具有很强的过滤性，可通过其面料物理结构吸附直径大于10μm的颗粒物。

如果通过高压驻极的静电处理，熔喷布的纤维将带有静电吸附功能，其过滤能力更上一层，其吸附范围甚至能够扩大到吸附直径小于0.1μm的纳米级非油性颗粒物。

国内常用的医用外科口罩有三层（SMS）或五层（SMMMS）结构，其中S层为纺粘无纺布，M层就是起到核心作用的熔喷层。

一般来说，熔喷层越厚的能起到的过滤作用越大。

我国常使用0.3μm的氯化钠颗粒物检测熔喷布的过滤性能，研究表明，即使厚度不足0.1㎜，熔喷无纺布也可以过滤掉至少70%的0.3μm氯化钠颗粒物。

众所周知，病毒常依附在飞沫和气溶胶状态的飞沫核上进行传播，而绝大部分的飞沫核直径在0.74μm-2.12μm的范围内，因此熔喷布能够有效地对病毒起到隔离作用，在医疗、卫生领域其地位不可替代。

1.2熔喷布的简介

熔喷布即以熔喷技术制造出来的非织造布，将高聚物原料熔融之后喷成细丝，让细丝堆叠相互黏粘就能得到熔喷布。

熔喷布可以被应用到生活的方方面面，除众所周知的作为口罩“核心层”之外，在工农业、在军事上、在电池行业里也能看到它的身影。

1.2.1熔喷布的原料

目前绝大多数的熔喷布采用PP作为原料，除此之外，聚酯基PBT、PET、TPU、PE、PLA、PEA等也可以熔喷法作为原料进行生产。

本设计选用最常见的PP作为原料，其强度高、吸水率低、绝缘性好、密度小、耐油耐酸碱、廉价易得。

而作为熔喷专用料的PP还需满足下面几条特点：

（1）拥有较高的熔融指数（至少大于400g/10min）；

（2）拥有相对较窄的相对分子质量；（3）拥有较低的灰分。

高熔融指数的PP熔体黏度小，使挤出机在较小压力下就能够顺利将料挤出喷丝孔，降低机器的能耗，且熔体喷出后就能够得到充分的牵伸细化，形成超细纤维比较容易。

较窄的相对分子质量分布说明原料中含有较少的低分子质量的PP，PP应力开裂的情况会有所减轻，在生产过程中断丝的情况也会有所降低；同时超高相对分子质量的PP较少，会降低原材料的粘度，避免生成凝胶颗粒，降低生产过程的困难程度。

较低的灰分可以增加熔喷模头的寿命，使PP使用过程中的换网周期延长，能够降低设备成本。

1.2.2熔喷布的制备原理

作为一种长丝拉伸工艺[1]，熔喷布生产工艺中需要先使用螺杆挤出机将高聚物原料加热挤压使其充分熔融，然后进入喷丝板的高聚物熔体需要先经过计量泵的精准计量，防止因一次送入熔体过多堵塞喷丝孔或因送入模头的熔体过少而出现熔喷断层，熔体会在自身压力的作用下经由喷丝孔喷出。

同时，在喷丝孔两侧气孔中喷出高压热气流，经过这些高压热气流的牵伸作用，熔丝进一步拉伸细化形成极细的纤维，并被高速气流带着粘附在接收装置上形成纤网，纤网堆叠，受热空气流过的余热影响互相粘合，再在外侧室温相对较冷空气作用下，冷却固化[2]。

1.2.3熔喷布的应用情况

熔喷布的功能很大程度上是依据其物理结构来决定的，如上文所提，熔喷布由极细的高聚物短纤维粘合加固而成，具有很大的比表面积，且其孔隙非常小、孔隙率又很大，故自熔喷法非织造布的技术开发以来，便被广泛应用于医疗卫生领域，除此之外，在吸油、保暖、擦拭、电池隔板等领域也有应用。

（1）医疗卫生用布

在医疗卫生领域，熔喷布通常与其他材料在一起使用被制作成医疗卫生用品，除众所周知的口罩之外，还有消毒包布、手术衣、防护服、尿片、妇女卫生巾等。

因为其易于复合及功能化设计[3]，例如与纺粘布在一起使用制成的产品中，纺粘布使产品足够强韧，熔喷布则能够对细菌病毒起到有效隔离。

根据不同的产品功能需要还可以对熔喷布进行静电驻极、抗静电、防血浆、拒水油等特殊手段处理，使产品能够适应各种环境下的需求。

经过2003年的SARS、2009年的H1N1以及今年（2020年）的COVID-19肆掠，熔喷滤材的过滤效果得到人们的广泛认可与高度重视，可以预见的是，随着我国医疗卫生系统的发展、人们对健康的需求增加，熔喷非织造布及其复合产品在医疗卫生领域的应用将会越来越多。

（2）保温材料

由于熔喷布的超细纤维结构孔隙小而空隙率大，能够很好的保留不流动空气，而不流动空气是隔热的良好介质，且其比表面积比普通纤维大了几倍到几十倍，比表面积大热量流失慢，所以熔喷布也是很好的保温材料。

同时其独特的不规则立体网状多孔结构以及纤维的疏水特性，在透气透湿方面熔喷布同样性能优越。

因为这些性能，熔喷非织造布被广泛应用于工业、农业、服装等领域，例如定型棉、包覆布、粘合衬、各种合成革底布、衬里、絮片、保温幕帘、作物保护布、育秧布等。

例如由丙纶熔喷纤维构成的新型保暖材料，也称泰达生态棉，就是由天津泰达洁净材料有限公司与解放军后勤部军需装备研究所联合研制开发而出，目前该产品已形成系列化应用于风雪衣、防寒服、睡袋、床上用品、雪地靴等日常用品上，且应用于解放军军服，已装备我国寒冷地区部队[4]。

（3）吸油材料

同样由于熔喷布的超细纤维结构，比重轻，孔隙率高，且具有疏水（吸水率为0.01%）亲油的特性，熔喷非织造布还被应用在水域内，如油轮发生溢油事故时就常使用熔喷布处理泄露的油污。

因为熔喷布不仅不溶于油类而且具有良好的耐酸碱化学稳定性，可以超倍吸收自身重量20倍至50倍的油，并且拥有相当快的吸收速度，可以反复被使用并耐长期存放，吸油后也能够长期保持原型在水面漂浮，易于回收，不会造成二次污染，无毒无害。

所以熔喷布制成的吸油片、毡、卷、枕、索等产品，在含油层易聚集的海湾、沿海港口及水域上得到大量的应用[5]。

（4）其他用途

除上文所提及的几个应用领域之外，熔喷布还广泛应用于蓄电池隔板、汽车工业、家庭装饰、隔音等领域。

1.3熔喷布的研究现状与发展趋势

1.3.1国外熔喷布的发展现状

熔喷技术最早是由美海军研究所意外发现的，大概是在1954年的时候，研究者发现以这种技术可以将高聚物熔丝拉到极细（直径5μm）。

过了大概20年后，在美国ExxonMobil公司的技术支持下，这项纺丝技术渐渐走入民间。

又过了10年的样子，熔喷布的市场渐渐打开，需求逐渐增多，年增长率大概在10%-12%，可谓增长迅速。

随着人们对熔喷技术的不断探索，熔喷设备与工艺也在不断进步，例如最初的熔喷模头是固定式的，造价昂贵且无法拆换，而现在的摸头组件大多是活动的，可单独拆装，除此之外喷丝孔的制造也越来越微细化高精度化，例如Hills公司制造的100孔/英寸的喷丝板，其制造出的克重为7.75g/m2的熔喷布拥有平常克重在15~20g/m2的熔喷布差不多的静水压值[6]。

NonwovenTechnologieS（NTI）公司开发的“模块化模头技术”[7]使纳米级熔喷纤维有了希望。

1.3.2国内熔喷布的研究现状

同样在20世纪50年代时，我国开始研究熔喷技术，到了20世纪80年代，我国已经可以自主生产熔喷布，只是使用的是间歇式的方法，产能不高。

在之后的十年间，虽然始终无法攻克关键部位核心零件的制造技术，我国仍然制造出了近百台熔喷设备，国内熔喷技术在这段时间得到显著提升。

但是在当时，由于熔喷布的市场占有率并不高、国产设备始终无法达到连续化生产的要求、引进进口设备成本过高等一系列问题，在这之后我国熔喷技术的发展进入了平缓期。

熔喷布的产能与技术进展总是和灾难时期出现大爆发，例如2003年非典之后，国家将熔喷布列为战略物资，熔喷技术与熔喷布的产能也随之有了一定的提升。

而在和平时期，需求不那么紧迫的情况下，技术进展就会变得缓慢，产能甚至会缩水。

例如在2018年，我国熔喷布的产能达到83240吨，但实际产量仅为53523吨，占当年国内全部非织造布产量的0.90%。

，这种产能在疫情之下远远无法满足人们的需求，故拓大产能迫在眉睫。

1.3.3熔喷布的发展趋势

无论是国内还是国外，熔喷布的发展趋势都是向着复杂化和功能化前进的，随着熔喷布技术的发展，人们渐渐将熔喷技术和其他纺粘工艺结合在一起，开发功能更加强大的复合产品，例如SMS就是两层纺粘夹一层熔喷，纺粘层的加入使产品更加牢固，韧性更好，熔喷层则使过滤效果提升了一个台阶。

除此之外，研究者们还在熔喷技术本身上下功夫，从单一原料向多种原料复合发展，熔喷设备也在向着多喷头、特殊结构喷头发展。

1.4设计目的、意义及欲解决关键问题

1.4.1设计目的与意义

自2003年非典时期熔喷布在多个领域大放异彩（过滤、屏蔽、绝热、吸油）之后，我国就将熔喷布列为战时储备物资进行储备。

随着新冠肺炎疫情的全球化，全世界对熔喷布的需求也在不断上升。

本设计拟借鉴国内外已知的熔喷布厂家的生产工艺技术基础，通过合理设计，优化生产工艺，达到年产50000吨熔喷布的设计目标，旨在提高产能为实际生产提供技术支持。

通过本次设计，笔者将对熔喷布行业有一个深入的了解，并为熔喷工业的发展提供一个思路。

作为纺织工业的一部分，熔喷布的发展与国民生活息息相关，深入研究熔喷生产工艺，为提高国民生活水平添砖加瓦。

1.4.2本设计应达到的技术要求

生产能力：

年产50000吨熔喷布

工艺要求：

使用高熔融指数PP作为原料

质量要求：

纤维细度0.5-1.0μm，孔隙率≥75%；符合标准FZ/T64041-2014或FZ/T64034-2014

1.4.3本设计拟应解决的关键问题

上文提到，根据2018年的数据统计我国熔喷布的产量在5万多吨，产能很低，在病毒全球大流行，熔喷布被国家列为战略物资储备的当下，这个产量是远远不够的，提高熔喷布的产能刻不容缓。

那么如何提高产能，并保证在产量提升的同时质量不下降则成为了研究者拟解决的关键问题。

2熔喷布生产工艺流程设计

2.1工艺路线

2.1.1生产所需主要设备

（1）螺带混合机

螺带混合机带有加热功能和搅拌桨，能对原料进行预热并将多种原材料混合均匀。

（2）螺杆挤出机

将切片物料熔融、压缩、挤压成型，一般使用的是单螺杆挤出机，结构简单价格低，操作简易。

为提高产量，也可选用价格较高操作较复杂的双螺杆挤出机，混炼塑化能力好、挤出速度快、单位产量能耗低。

（3）计量泵

采用可精准计量的齿轮计量泵，为防止送入模头的熔体过多对喷丝孔造成堵塞或过少影响成布的均匀度，此处需要精准计量。

（4）熔喷装置（熔喷模头组合件）

作为整个熔喷设备中最精密最关键的部分，模头组合件由以下几部分组成：

模头系统、聚合物熔体分配系统、加热保温元件、牵伸热空气管路通道。

模头系统主要为高精度的喷丝板，熔体通过喷丝板上的喷丝孔喷出；聚合物熔体分配系统的作用是保证熔体的均匀流动且滞留时间均一，从而使得制造的熔喷布整体拥有较小的物理机械性能差异。

衣架型聚合物熔体分配系统是目前熔喷工艺中常采用的；加热保温元件使模头具有较稳定的温度，使得熔体在模头内质量均一；牵伸热空气管路通道使高速热气流成一定角度顺畅通过，使熔丝得到充分牵伸。

熔喷模头组合件可谓是整个熔喷工艺设备中最为重要的部分，目前随着科学技术的发展，熔喷模头已经可以活动安装并可与纤网输出方向成任意角度，气道的形状亦是多变，喷丝孔越发高密度化微细化，

（5）接收装置

熔喷工艺中的接收装置主要有滚筒式和平网式，可根据产品的需要来进行选择，滚筒式更易成型连续的布料，适应大产量的生产。

平网式易成型块状布料，相对而言质量更高，适应对质量有较高要求时的生产。

因本设计产量目标较高，所以选用滚筒式接收装置。

（6）卷绕装置

卷绕装置的主要功能就是将接收装置上成型的非织造布卷绕起来，空出接收位置，保证连续生产。

2.1.2熔喷原料

可以用于熔喷生产的原材料种类很多，常用的为PP（聚丙烯），此外PET、PE、PLA、PBT、PU、NL6、PEA、PPS等均可作为原料进行熔喷布的生产。

综合考虑之后本设计选用最常见的PP作为原料，因为其强度高、吸水率低、绝缘性好、密度小、耐油耐酸碱、廉价易得。

而如果要用作熔喷非织造布专用料，PP还需满足以下特点：

本色颗粒、无杂质、灰分含量不超过0.03%、挥发分含量不超过0.2%、二叔丁基过氧化物（DTBP）的残留量不超过5%、分子量分布在2-4之间。

根据NoynaertN[8]的研究，所使用的聚丙烯专用料熔体流动指数（MFR）越高，就能得到越细的纤维，且得到的制品重量轻、柔软、成布孔隙小，在卫生和过滤领域拥有优越性能、加工能耗低、产量大。

而根据独山子石化的报道，目前我国已研发出MFR为1500克/10分钟的超高熔喷指数的聚丙烯熔喷专用料，并已积极推动生产，故本设计拟用该规格聚丙烯进行生产设计。

2.1.3改性

熔喷布的改性一般有三种思路，一是从原料入手，根据制品性能的需求在原料中加入相关助剂或是使用两种及以上复合原料。

另一种方式则是直接对成布进行处理，例如用在卫生及过滤领域时需要对成布进行静电驻极化处理等。

除此之外，还可从设备入手，如美国Hills公司就在熔喷设备上做文章，开发研制了具有多种类型模头的双组分熔喷设备，例如三角型、皮芯型、并列型等。

除此之外还对喷丝板进行改造，改造后的喷丝板精度大大提升，孔数甚至可以达到100孔/2.54cm的程度，每孔的挤出量可以达到0.52g/min，可产出直径接近2微米的纤维[9]。

因为本设计的主要目的是提高熔喷布的产量，而复杂的改性会增加生产工序，从而使得产量也会受到影响，所以本设计只做简单易操作的改性。

据黄景莹[10]研究发现，熔喷原料经一定温度（110℃左右）的热处理后所制得的熔喷布，其力学性能、透气性、表面静电势及过滤效果等均有一定水平的提升。

故本设计选择在加料前对熔喷原料进行110℃、10分钟的热处理。

为提升熔喷料的流动性，提升熔指，选择在原材料中加入0.1%的自由基引发剂DCP（过氧化二异丙笨），降低PP的分子量；为防止生产出来的熔喷布发脆、发干，选择在原材料中加入0.2%的抗氧剂1010；为减轻因降解不稳定造成的发黄现象、加速结晶、提高生产率、使熔喷布纤维结构更致密、过滤效果更佳，选择在原材料中加入1%的透明成核剂；为减轻熔融料对熔喷模头的堵塞现象，选择在原材料中加入0.2%的润滑剂；改性过后的原料配方如下图所示：

表2.1原料配方表

组分

比例

PP

98.5%

自由基引发剂（DCP）

0.1%

润滑剂（芥酸酰胺）

0.2%

抗氧剂1010

0.2%

透明成核剂（瑞奇特RQT-CH）

1%

2.2熔喷法生产工艺要点

（1）预处理

如使用聚酯、聚酰胺等切片原料以熔喷非织造工艺进行生产的话必须在原料进入螺杆挤出机前对切片进行干燥预结晶处理，而使用聚丙烯切片的话则通常不需要这一步。

本设计为简化工艺流程，故使用聚丙烯为主要原料。

预处理过程分两步进行，一是将主要原料PP在110℃下热处理10分钟；二是将其他助剂与PP按表2.1配方所示比例混合均匀。

选择使用带有加热功能的螺带混合机与加料机，先是装有PP的加料机将PP送入混合机内，混合机升温至110℃加热并搅拌10分钟。

然后装有其他助剂的加料机分别将相应助剂按配方比例送入混合机内，期间不断搅拌使混合均匀。

混合均匀的原料由螺带送入螺杆挤出机内进行下一个工艺操作。

预计该过程花费20分钟，该过程为一条生产线一次进料的预处理过程，为达到设计目标，本设计为连续化生产，具体加料量、加料次数见第三章物料衡算。

（2）熔体准备

熔体准备阶段主要使用螺杆挤出机，预热并混合均匀后的原材料进入螺杆挤出机，在螺杆挤出机内物料变化过程如下：

在螺杆进料段被输送和预热--压缩段压实、排气并逐渐融化--PP发生自由基降解，由大分子转化为小分子--在螺杆计量段中进一步混合塑化--达到一定温度后，以一定压力被输送到计量泵。

螺杆挤出机1区温度设为172℃，2区和3区温度均设为218℃，螺杆主频设为6.15Hz。

（3）过滤

在熔喷工艺中，聚合物熔体在出螺杆挤出机进入模头（喷头）之前还需要经过过滤处理，使未降解的大分子PP被滤去，防止在接下来的工段造成喷丝孔堵塞。

常使用的过滤介质如多层细目金属筛网、细孔烧结金属、石英砂等，根据生产实际情况需要定期更换过滤用的筛网。

过滤过程选择使用两头装有多层细目金属筛网的过滤池，过滤池尺寸见第五章仪器及辅助设备选型及说明。

（4）计量

在熔喷工艺中通常使用齿轮计量泵进行熔体计量，计量的目的是为了确保熔体流压力稳定，为防止送入模头的熔体过多堵塞喷丝孔或过少使成布不均，螺杆挤出机挤出的高聚物熔体经过滤后还需被齿轮计量泵准确计量，以一定时间间隔一定容量被送至熔喷模头处。

（5）熔体进入模头组件

熔体进入模头组件，在入口区，导入口将高聚物熔体流缩紧变成细流，流速加快；然后进入喷丝孔孔流区，多孔结构将增大熔体细流的剪切速率，改变熔体内部大分子的排列，渐渐向规整化转变；最后在膨化区，排列规整的细流膨化胀大，形成短纤维。

模头组件内还设有保温元件，可以保持模头的温度，使高聚物熔体质量保持稳定，模头温度设为220℃。

（6）熔体细流的牵伸与冷却

在短纤维被喷丝孔挤出的同时，喷丝板两侧的气孔会喷出的高速热空气气流，在热空气的作用牵伸下，短纤维被进一步迅速拉细，形成超细纤维，同时熔丝会接触到室温气流，冷却固化成型。

喷丝板规格设为100孔/英寸，喷丝孔孔径0.18mm，喷丝孔伸出2mm，热空气温度设为275℃，压力设为0.22MPa，气缝大小设为0.2mm，热空气流通速度为550m/s。

（7）熔喷布成型

在熔喷工艺中接收方式通常分为两种，间歇式和连续式。

国产熔喷生产线大多为间歇式，里面的接收装置由不锈钢钢板卷成，没有设置真空抽吸装置，熔喷出的超细纤维直接被接收在滚筒上。

这种生产线的优点是产品均匀度相比连续式的要好，并且可以采用较小的DCD，节约空间的同时使产品的密度增加，得到的制品弯曲刚度也比连续式的要好，缺点是产量较低。

为达到设计目标，本设计采用连续式生产线。

选择使用传送带接收，传送带为金属材质，并带有超细微孔，传送带内设有网底吸风装置，吸收剩余高速热风，