项目技术报告.docx
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项目技术报告
鉴定会材料四
中国纺织工业协会科技指导性项目：
2009079
无机粉体改性聚丙烯纺粘非织造布
工艺技术及产品
项目技术报告
宁波市先进纺织技术与服装CAD重点实验室
东华大学
安徽润维无纺布有限公司
二O一O年七月十三日
1.项目研究开发的目的、意义及国内外发展现状
1.1.产业概况及行业背景
1.2.项目研究开发的意义
1.3.国内外相关研究现状
2．项目主要研究开发内容
3．研发试制技术总结
3.1.原料选用
3.2.开发试制产品规格
3.3.工艺流程与生产设备
3.4.各工序主要技术措施
3.5.新型改性材料测试与性能分析
3.6.改性材料的环境协调性研究
4．创新点与技术关键
4.1.创新点
4.2.关键技术
5．项目考核指标
5.1.产品执行标准
5.2.技术指标检测报告
5.3.示范基地、中试生产线及规模
5.4经济效益指标分析
6.无机粉体改性聚丙烯纺粘非织造布的环境协调性研究
6.1.无机粉体改性聚丙烯纺粘非织造布的原材料是环保的，可以降解
6.2.光老化降解对结晶度与力学性能的影响
6.3.改性纺粘非织造布老化降解试验结果
7.成果应用及推广前景
无机粉体改性聚丙烯纺粘非织造布工艺技术及产品
项目技术报告
1项目研究开发的目的、意义及国内外现状分析
我国加快实施低碳经济模式，主要从两个方面实施：
降低国内资源过度消耗和减少环境污染。
开发无机粉体改性技术生产的聚丙烯纺粘非织造布正是具备了这两个关键点，踏准了低碳经济的步伐。
1.1产业概况及行业背景
随着社会的进步，人们环保意识水平不断提高，随着塑料袋用量的增加，现在国家对一次性的塑料袋开始实行收税政策，以此抑制一次性塑料袋的使用。
例如在欧洲、日本和中国台湾等地，已经兴起了使用非织造布购物袋的热潮，他们把非织造布购物袋定义为环保购物袋，这主要是因为可重复使用和可回收加工。
但是把聚丙烯（PP）纺粘法非织造布归属于环保型的材料，则还需要具有良好的降解功能。
2009年国务院又发布了《纺织工业调整和振兴规划》，为应对国际金融危机的影响，落实党中央、国务院关于保增长、扩内需、调结构的总体要求，推动产业升级，规划出三年的行动方案。
《纺织工业调整和振兴规划》给予产业用纺织品行业清晰的定位，列为全国10个重点关注的行业之一。
规划明确了六大产品领域作为重点发展方向：
装饰包装用材料、医用材料、过滤材料、土工材料、高性能复合材料、农业用材料。
明确了纺织工业调整和振兴的主要任务之一是要提高自主创新能力，实现可降解、可再生新材料的综合开发利用及产业化，加快纺粘、水刺等先进工艺和高性能环保纺织材料生产上的应用，推广纺粘、熔喷、水刺及其复合非织造工艺技术。
1.2项目研究开发的意义
本项目采用的是纺粘法非织造布长丝成网技术，是一种领先的非织造布工艺。
此工艺以热塑性高分子化合物为原料，经过熔融纺丝牵伸铺网，然后用热轧的方法固结而成的布状材料。
广泛应用于包装材料、装饰材料、医用材料、卫生用品、土工布、过滤材料等各个领域。
而且此产品大量使用于一次性用即弃产品。
目前，经使用后丢弃的包装材料、医疗卫生材料造成白色污染，对土壤、生物和人类生活环境带来危害。
因此，开发无机粉体改性纺粘非织造布作为全新的环境友好材料，可以降解成为环境消纳的纺粘PP非织造材料，能成为企业、消费者和监管者三方接受的新型材料。
项目开发的意义：
无机粉体改性纺粘非织造布具有经济性、功能性和环境协调性等基本特性，是一种典型的环境友好材料，其优势在于：
1、以无机粉体作为添加剂，减少高分子聚合物的使用量，节约石油资源，降低生产成本。
2、促进产品使用后的光降解、填埋后降解，使其易于被环境消纳，对土壤无害，也不会对地下水造成污染。
3、可回收再利用。
1.3国内外相关研究现状
本项目以无机粉体作为添加剂的改性纺粘非织造布工艺技术生产可降解环保材料，在国内外的研究和开发尚在起步。
由查新对比分析可知：
1）国内除本课题组成员涉及改性聚丙烯纺粘法非织造材料的有关文献报道外，其它相关文献在改性方法和目的等方面各有差异，有的采用不同方法改性聚丙烯以实现不同功能，也有的采用不同方法改善非织造布的降解性，而未见添加碳酸钙为主的无机粉体改性聚丙烯纺粘法非织造材料生产工艺的文献报道。
2）国外只有一篇文献在聚丙烯溶液中添加少量氧化钛和碳酸钙（0.5-3%）经熔融纺丝形成纺粘非织造布，其它相关文献则集中于将碳酸钙涂覆在聚丙烯纤维表面后进行非织造布生产、聚丙烯纤维纺粘非织造布生产、无机添加剂和矿物添加剂在聚丙烯熔喷纺丝中的研究等。
未见添加碳酸钙为主的无机粉体应用复合偶联剂改性制得母粒后迅速、均匀分散在聚丙烯熔体中进行纺丝及非织造布生产的文献报道,本课题碳酸钙添加量10-33%，达到国际领先水平。
本项目的开发研究将开创非织造布工业与环境协调发展的探索尝试，以无机粉体改性纺粘非织造材料是现阶段具有研究推广价值和应用前景的环境友好材料，通过对无机粉体改性纺粘非织造材料的配方体系研究、工艺技术研究和环境协调性研究，挖掘出这种材料的综合性能，不仅仅是降低成本，更是一项造福子孙后代的可持续发展项目工程。
2项目研究开发主要内容
1）无机粉体的配方研究，考虑到不同粉体具有不同功能，应从性能，成本，环境等多方面考虑。
无机粉体添加量控制，不同无机粉体添加量工艺参数优化。
2）纺粘法改性非织造材料生产工艺技术研究，包括纺粘法改性材料工艺路线设计，粉体配比精度控制和熔体均匀混料技术，纺丝工艺温度、熔体压力、纺丝速度，牵伸工艺、分丝与铺网、固结等工艺技术研究。
3）改性非织造材料的产品结构与性能研究，产品的结晶度及晶型结构的变化。
4）改性非织造材料的降解性能研究。
5）计划达到的技术指标见表1
表2-1无机粉体改性聚丙烯纺粘非织造布计划达到的技术指标
面密度（g/m2）
50
70
80
断裂强力
（N/5cm）
MD
≥60
≥100
≥110
CD
≥50
≥75
≥85
撕破强力
（N）
MD
≥40
≥65
≥70
CD
≥30
≥55
≥60
6）计划达到的经济指标
有机合成切片7500-7800元/吨，无机粉体2000-3000元/吨.
以加入20%无机粉体计算：
（7650×80%+2500×20%）/7650=87%
每吨可降低原料成本13%，考虑到无机粉体材料替代有机合成材料后，材料的重量增加等因素，每吨可降低原料成本10%左右。
本课题从创新研发的角度出发，确定科学、合理的工艺路线，充分发挥企业设备的优势，进行多种工艺优化，配套组合相关加工设备，选择最佳工艺，取得了成功的工艺技术方案。
对改性非织造材料的产品结构与降解性能研究。
3研发试制技术总结
3.1原料选用
聚丙烯PP切片，牌号S900，产地：
兰州石化公司。
熔融指数30
无机粉体改性材料，主要成份：
碳酸钙及其他无机物，复合偶联剂Ⅱ、Ⅲ
3.2开发试制产品规格
本项目通过调节生产工艺，改变复合无机粉体的添加量，实际达到添加量为10%-33%，生产10-120g/m2规格的聚丙烯改性纺粘非织造布共19种。
3.3工艺流程与生产设备
采用的工艺流程为：
粉体选择（品种与用量）→粉体表面活化处理→粉体与聚丙烯共混→螺杆挤压机→计量泵→纺丝箱体→冷却吹风→气流牵伸→分丝→铺网→热轧成布→卷取。
生产设备：
纺粘机：
温州欧海轻工机械二厂生产的纺粘机
混料机：
张家港二轻机械有限公司生产的塑料自动混料机LSH-1500
纺丝成网工艺原理
采用的是熔融纺丝成网工艺：
聚合物切片和无机粉体改性材料送入螺杆挤出机，经熔融、挤压、过滤、计量后，由纺丝孔挤出形成熔体细流在空气中冷却的同时，经气流拉伸细化凝固成长丝，分丝后均匀铺放在凝网帘上形成纤网，经热轧加固后成为纺丝成网法非织造材料。
3.4各工序主要技术措施
3.4.1配料及原料输送
（1）改性母粒制造：
采用无机粉体——以碳酸钙为主体，配以复合偶联剂——含有1%钛酸酯及其他化学助剂，以特定的配方制成改性母粒，复合偶联剂起到了无机粉体与聚丙烯结合的桥梁作用，无机粉体实施表面活化处理技术。
（2）无机粉体选配与在聚丙烯熔体中精确加入方法。
考虑到不同粉体具有不同功能，从性能、成本、环境等多方面考虑。
无机粉体添加量控制，不同无机粉体添加量工艺参数优化。
（3）均匀共混：
无机粉体功能母料与聚丙烯切片按一定的配比加入混料机中，均匀混合后倒入料仓，由吸嘴输送到主螺杆头部的配料装置。
要求严格按照各种材料的设计比例进行均匀共混，无机粉体改性母粒与聚丙烯PP切片搅拌均匀、混和彻底，才能制造出均匀的产品。
一般采用三组分配料装置，一为白色切片，二为无机粉体改性母粒，另一个为色母粒。
采用的是真空上料系统。
3.4.2纺丝螺杆挤压机
采用的是卧式单螺杆挤压机，主要由螺杆、套筒、加热装置、冷却装置、变速机构、控制仪表、机架等部分组成，其中主要的部件之一的螺杆可分为进料段、压缩段（熔融段）和计量段三段。
（1）进料段:
进料段的主要任务是预热，切片基本保持原状。
（2）压缩段（也称塑化段、熔融段）：
其作用是压实物料，使该段的固体物料转变为熔融物料（产生相变）。
物料在螺杆强大剪切、压缩作用下，产生摩擦热，加上机筒传递的热量，足以使物料在压缩最后阶段基本熔融。
（3）计量段（也称均化段）：
其作用是将熔融的物料定量、稳压挤出，进一步加强熔融。
3.4.3纺丝温度
本课题用的纺粘法非织造布生产中挤压机可分为6个加热区，各区的温度按其工作性能而不同。
表3-1为挤压机各区的纺丝工艺温度设定情况。
表3-1螺杆挤压机各区的纺丝工艺温度设定情况
加热区
1区
2区
3区
4区
5区
6区
改性材料工艺温度/℃
195
210
220
235
225
210
普通材料常用温度/℃
190±10
200±10
200±10
220±10
220±10
220±10
工艺温度，考虑到要顺利熔融，由低→高→较高进行控制。
各区设定温度如表1，纺丝箱体温度210℃、熔体温度205℃。
进料区的主要任务是预热，温度较低些，PP切片和CaCO3改性母粒只是粒子间的共混,切片达到半熔化状态，此时PP切片表面处在融化过程中，具有强烈的粘附性，PP半熔体与CaCO3改性母粒进行了表面的粘附与包容。
熔融区达到最高温度，此时PP熔体与CaCO3已均匀混合。
到计量区后，将熔融的混合料定量、稳压挤出，进一步均化。
计量区温度控制为比熔融区稍低些。
温度升高，熔体的流动粘度降低，熔体的均匀性和流变性能好，可纺性提高，但温度太高，会加剧熔体降解，粘度降低过大，使喷出的丝均匀度差。
但温度也不能过低，否则粘度太高，可纺性变差。
加了无机粉体后，会使混合材料粘度有所增加，流动性变小，需要适当提高温度来降低粘度增加流动性。
经过试验，把温度提高，以增加流动性。
同时，经过试验研究，加了无机粉体后，若温度过高，会使纺丝液粘度下降过大，造成喷丝不稳定，容易熔滴、掉浆块，造成网帘污损，且不易刮除。
3.4.4纺丝熔体压力
在聚丙烯纺粘法非织造布生产过程中，熔体压力一般控制在6~10MPa之间。
加入无机粉体后，考虑到压力太大会使无机粉体与聚丙烯结合联系不佳而破裂，压力有所调低，本课题设定：
滤前压力为5.7，滤前压力为5.2。
但压力也不能过低，否则会造成熔体细流粗细不一，成丝粗细不匀。
因此为保证正常生产，在纺丝箱体上都安装有测量范围为0～25MPa的熔体压力传感器，以测量熔体压力。
为了保持熔体的粘度不会因散热、降温而变大，影响熔体的流动，纺丝泵除了有良好的保温措施外，还像其出入口管道一样，设置了必要的加热装置，自动控制熔体的温度，对于聚丙烯熔体，这个温度应在200℃以上。
3.4.5纺丝组件
纺丝组件是由喷丝板、熔体分配板、熔体过滤材料及组装套的结合件、密封件组成，其主要作用是将计量泵送来的熔体进行最后一次过滤，混合均匀后分配到每一个喷丝孔中，形成均匀的细流。
采用的是德国卡尔菲休的喷丝板，单独的整条矩形喷丝板，喷丝板纺丝孔数在10000孔/m以上，利用一条窄缝进行牵伸，成网均匀，布面均匀度很好。
纺丝箱体主要由加热管、导热板、分配管、组件等组成。
纺丝箱体通过导热油循环加热，加热体为油炉。
为节省能源,保证生产所需的工艺温度，纺丝箱体应进行保温保护，以防热量流失。
根据生产要求，为了增加熔体的流动性能，保证喷丝的顺畅，纺丝箱体的温度应稍高些。
但过高的箱体温度会发生大量的断头丝、毛丝，不利于生产的顺利进行。
纺丝箱体通常的工艺温度范围为190℃～265℃，常用温度为225℃±10℃。
实际上，如果想坚持使用熔融指数比较低的原料，我们的办法是在原料中增加0.5%～1%的降温母粒，以保证熔体的流动性。
3.4.6侧吹风系统的工艺控制
本项目采用“狭缝负压牵伸”的工艺技术。
采用的是宽狭缝牵伸工艺，冷却系统是由两面向熔体细流同时吹风冷却，吹风距离短，热量损失小，风速设定在2m/s左右。
风速不能过低，否则达不到冷却的目的，但也不能过大，风速过大丝束会大幅飘荡，并在喷丝板处形成涡流，影响纺丝。
在生产过程中，应根据喷丝孔熔体挤出量的大小、工艺温度高低及环境温度的变化误差±1℃，决定冷却风风温的高低。
根据生产经验，冷却风风温一般设计在8~20℃之间较好。
本课题冷却风温：
18℃。
吹风湿度控制在65%左右。
采用负压法拉伸工艺，利用网下吸风，对纤维进行气流牵伸。
3.4.7热轧
无机粉体改性纺粘布采用热轧加固成布，双辊热轧。
上辊（刻花辊）温度为168-170°C，高于聚丙烯熔点3-5°C；
下辊温度为160°C，低于聚丙烯熔点5°。
热轧机的控温精度要求很高，轧辊表面的温度差异仅在1℃左右。
热轧机线速度83.8m/min，卷绕线速度85.1m/min，这两个速度是根据成网机速度而定。
刻花辊和光辊温度过高或者温差太大都会导致缠辊。
生产过程中，必须合理设定轧辊温度，当光辊温度高于花辊的温度的时候，很容易发生缠辊现象。
因此，在生产低克重的产品时，我们一般使刻花辊的温度稍高于光辊的温度，既降低了缠辊的几率又改善了产品手感。
另外,在生产薄克重产品时，轧机线压力不宜设得太高，因为过高的线压力不仅不利于产品中间部位的粘合，而且很容易造成轧点的磨损，并且导致产品粘连轧辊。
3.4.8工艺参数正交试验与最佳工艺的取得
（1）面密度70g/m2，无机粉体比例12%，工艺参数正交试验分析
表3-2因子-水平
水平
因子
1
2
3
单位
箱体温度（A）
190
200
210
℃
侧吹风速（B）
600
650
680
r/min
上/下压辊温度
（C）
168/160
165/158
162/156
℃
表3-3正交试验安排
水平因素
试验号
A
B
C
1
1
1
1
2
1
2
2
3
1
3
3
4
2
1
2
5
2
2
3
6
2
3
1
7
3
1
3
8
3
2
1
9
3
3
2
表3-4正交试验结果及分析
水平因素
试验号
A
B
C
强力
1
1
1
1
98
2
1
2
2
95
3
1
3
3
100.5
4
2
1
2
106
5
2
2
3
97.5
6
2
3
1
116
7
3
1
3
109
8
3
2
1
99
9
3
3
2
113
K1
293.5
313
315
注：
KN为每列水平对应结果的加和
K2
319.5
291.5
314
K3
321
329.5
307
k1
97.8
104.3
105
注：
kN为KN的算术平均值
k2
106.3
97.2
104.7
k3
107
109.8
102.3
极值
R
9.2
11.8
2.7
R为kN最大值与最小值之差
由上面的实验结果来分析确定最佳方案
以ki为指标，ki值越大，强力越高，则最佳参数组合为：
A3、B3、C1
即最佳条件为：
箱体温度为210℃，侧吹风速为680r/min，上/下压辊的温度为168/160℃
通过极差，考查因子的影响大小，由上表得：
R=11.8，则侧吹风速的影响最大。
（2）面密度70g/m2，无机粉体比例20%，工艺参数正交试验分析
表3-5因子-水平表
水平
因子
1
2
3
单位
箱体温度（A）
200
215
220
℃
侧吹风速（B）
600
650
680
r/min
上/下压辊温度
（C）
168/160
165/158
162/156
℃
表3-6正交试验安排表
水平因素
试验号
A
B
C
1
1
1
1
2
1
2
2
3
1
3
3
4
2
1
2
5
2
2
3
6
2
3
1
7
3
1
3
8
3
2
1
9
3
3
2
表3-7正交试验结果及分析
水平因素
试验号
A
B
C
强力
1
1
1
1
101
2
1
2
2
95
3
1
3
3
105
4
2
1
2
97
5
2
2
3
106
6
2
3
1
110
7
3
1
3
94
8
3
2
1
104
9
3
3
2
100
K1
301
292
315
注：
KN为每列水平对应结果的加和
K2
313
305
292
K3
298
315
305
k1
100.3
97.3
105
注：
kN为KN的算术平均值
k2
104.3
101.7
97.3
k3
99.3
105
101.7
极值
R
5
7.7
7.7
R为kN最大值与最小值之差
由上面的实验结果来分析确定最佳方案
以ki为指标，ki值越大，强力越高，则最佳参数组合为：
A2、B3、C1
即最佳条件为：
箱体温度为215℃，侧吹风速为680r/min，上/下压辊的温度为168/160℃。
通过极差，考查因子的影响大小，由上表得：
R=7.7，则侧吹风速和上/下压辊的温度对强力的影响最大。
3.5新型改性材料测试与性能分析
1、测试样品：
本项目通过调节生产工艺、改变复合无机粉体的添加量等方法，试制的19种规格的聚丙烯改性纺粘非织造布。
2、测试项目：
纵、横向断裂强度和断裂伸长率
3、电子显微镜分析产品表面和内部结构
3.6改性材料的环境协调性研究
1、自然老化试验，将产品试样固定在晒架（自制）上，朝南放置在二楼平台上，倾斜45°，时间7-8月，地点：
宁波。
2、人工气候老化试验（按GB/T16422.2—1999执行）。
将产品试样固定在氙弧灯光下照射。
氙弧灯辐照强度：
60w/m2，黑板温度：
63℃，相对湿度：
50%，喷水时间：
18分钟，喷水间隔：
102分钟。
3、对产品进行广角X射线衍射试验，结晶度分析。
仪器：
D/max-2550PCX射线衍射仪，Cu靶波长λ=0.154056nm
测量角度范围：
2θ=0.5°-145°日本理学公司
4、对产品进行红外线检测和光谱分析
5、综合分析改性纺粘非织造布的降解性能
4创新点与关键技术：
4.1创新点
1．无机粉体改性聚丙烯纺粘非织造布的原料选配技术，以碳酸钙为主的无机粉体用复合偶联剂等进行表面有机化改性后，添加到聚丙烯熔体中，制得的非织造布具有良好的可降解性。
2．无机粉体改性聚丙烯纺粘非织造布的生产工艺技术。
3．无机粉体改性聚丙烯纺粘非织造布的环境协调性分析。
4.2关键技术
（一）纺粘非织造布用无机粉体选配与添加技术
1、配方：
无机粉体以CaCO3为主，复合偶联剂中含有１％的鈦酸酯及其他成分。
2、改性母粒制作与处理技术
a.对无机粉体颗粒的表面有机化改性，
b.用少量复合弹性体包覆大量无机粒子
c.粒径的控制与均匀分散技术
（二）无机粉体在聚丙烯熔体中高比例添加工艺及纺粘技术
（三）聚丙烯纺粘法改性材料生产工艺技术研究实验
研究纺丝温度、熔体压力、冷却风、热轧机工艺的设定与调整，确定最佳工艺，即使无机粉体添加量发生了较大变化，产品也能达到最佳性能，解决了熔滴、掉浆块等难题。
（四）通过新型改性材料测试与性能分析
找出添加了无机粉体后，聚丙烯纺粘法改性材料结晶度和结晶结构的变化规律，利用这个规律可以控制改性材料的结晶度与老化降解相应关系。
5项目考核指标（包括：
主要技术指标、主要经济指标、项目实施中形成的示范基地、中试线、生产线及规模等）
5.1产品执行标准
1、中华人民共和国纺织行业标准《FZ/T 64004－1993 薄型粘合法非织造布》
2、《无机粉体改性聚丙烯纺粘非织造布》企业标准（Q/ARW001-2010）
5.2技术指标检测报告
产品经国家纺织服装产品质量监督检验中心（浙江）检测，所测指标符合：
1、《FZ/T 64004－1993 薄型粘合法非织造布》一等品要求；
2、《无机粉体改性聚丙烯纺粘非织造布》企业标准（Q/ARW001-2010）一等品的指标要求。
3、检验报告编号：
国纺监（委）字第2010-01-09-3072号
国纺监（委）字第2010-01-09-3073号
国纺监（委）字第2010-01-09-3074号
国纺监（委）字第2010-01-09-3076号
国纺监（委）字第2010-01-09-3077号
国纺监（委）字第2010-01-09-3078号
（1）面密度40g/m2，无机粉体含量（质量分数）12%
指标项目
单位
行业标准
FZ/T 64004－1993（一等品）
企业标准
Q/ARW001-
2010（一等品）
实测值
检测结果
断裂强力（纵向）
N
≥42
≥45
62．5
一等品
断裂强力（横向）
N
≥32
≥35
45．3
一等品
撕破强力（纵向）
N
≥30
52．3
一等品
撕破强力（横向）
N
≥23
38．1
一等品
（2）面密度40g/m2，无机粉体含量（质量分数）20%
指标项目
单位
行业标准
FZ/T 64004－1993（一等品）
企业标准
Q/ARW001-
2010（一等品）
实测值
检测结果
断裂强力（纵向）
N
≥42
≥45
65.1
一等品
断裂强力（横向）
N
≥32
≥35
48.7
一等品
撕破强力（纵向）
N
≥30
55.4
一等品
撕破强力（横向）
N
≥23
41.7
一等品
（3）面密度50g/m2，无机粉体含量（质量分数）20%
指标项目
单位
行业标准
FZ/T 64004－1993（一等品）
企业标准
Q/ARW001-
2010（一等品）
实测值
检测结果
断裂强力（纵向）
N
≥57
≥57
72.8
一等品
断裂强力（横向）
N
≥52
≥52
56.1
一等品
撕破强力（纵向）
N
≥35
58.7
一等
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