纖維材料試驗設(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，試驗設(shè)備和設(shè)備起著非常重要的作用?？梢哉f它是一項新技術(shù)誕生前的雛形，也是人們盡快掌握它并服務(wù)于市場的培訓(xùn)場所。環(huán)境與社會的可持續(xù)發(fā)展，要求企業(yè)不斷地向市場投放品質(zhì)穩(wěn)定如一的新產(chǎn)品。比如DuPont（杜邦）公司20世紀80年代開發(fā)了采用閃紡工藝的“Tyvek”產(chǎn)品，其獨特的使用性能為人們所稱道。進入新世紀后又推出混合膜（Hybridmembrance）技術(shù)，并率先向市場提供了亞微米-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，其熔融點高于250℃，同時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)不斷地向市場提供高技術(shù)含量的產(chǎn)品，諸如聚合物細旦-亞微米-納米纖維系列產(chǎn)品，并始終占據(jù)著無人可撼動的市場位置，它清晰地向人們展示了一個長青企業(yè)的發(fā)展軌跡。也告知世人，企業(yè)的發(fā)展與核心競爭力的提升不僅靠機遇與膽識，更要靠科學(xué)化的經(jīng)營模式。近年來，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)化運轉(zhuǎn)的同時，相關(guān)的試驗設(shè)備或試驗單元也同時進入市場。諸如捷克Elmarco公司的靜電紡納米纖維生產(chǎn)裝置投放市場的同時，也提供3種型號的試驗設(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，同時該公司也提供幅寬1000mm的各種試驗單元，諸如SB、MB、SMS以及雙組分紡熔試驗裝置。瑞士Buhler（布勒）公司既開發(fā)了加工能力為400kg/h的瓶到瓶（BottletoBottle）聚酯瓶片處理設(shè)備，同時也有每小時加工幾千克的試驗裝置供用戶選擇?？梢哉f，當(dāng)前試驗設(shè)備的功能和作用趨于廣義化，已超出傳統(tǒng)開發(fā)新產(chǎn)品、新工藝的基本要求，同時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，提供商業(yè)化生產(chǎn)的技術(shù)數(shù)據(jù)；(2）進行新產(chǎn)品與相關(guān)技術(shù)不斷完善與提高的試驗；(3）培訓(xùn)買方技術(shù)人員，縮短新技術(shù)裝備的試運轉(zhuǎn)時間；(4）可提供小量樣品供用戶鑒定或選擇，試驗設(shè)備的展示功能已融入技術(shù)市場的運作范圍。以下將簡要介紹在開展“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)試驗設(shè)備的配置狀況。1中國產(chǎn)業(yè)科學(xué)院的試驗設(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絲POY和FDY的生產(chǎn)，以及工業(yè)長絲（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IMS公司開發(fā)的T-tork型牽伸假捻的網(wǎng)絡(luò)噴嘴，較之舊型號噴嘴的能耗減少了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)改進可以有效地提高生產(chǎn)效率。以BCF地毯絲為例，國產(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3000m/min以上。我國每年大約有1800萬t長絲，800萬t短纖，近130萬t工業(yè)用絲和8萬～10萬t地毯絲需要進行網(wǎng)絡(luò)加工，噴嘴的改進與更新可以改進纖維紗線的品質(zhì)，同時也存在著巨大的節(jié)能潛力。表1為開展空氣噴射技術(shù)研究與開發(fā)的基本試驗設(shè)備配置。1.2單絲試驗設(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，其使用涉及到多個產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，是近年來發(fā)展最快也是最具技術(shù)特點的品種，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和小批量生產(chǎn)使用該試驗設(shè)備可以開發(fā)諸多新產(chǎn)品，如強力單絲（9～11g/D）、超細旦單絲（直徑0.013～0.055mm）、具有兩種或3種組分復(fù)合結(jié)構(gòu)的人造草坪單絲以及用于胸外科手術(shù)的體外循環(huán)裝置的過濾介質(zhì)等。(3）單絲試驗設(shè)備的設(shè)計理念基于研究試驗并兼顧商業(yè)化運轉(zhuǎn)功能單絲試驗設(shè)備可以作為創(chuàng)新型中小企業(yè)技術(shù)改造和產(chǎn)品升級的選擇。表2為開展高性能單絲技術(shù)研究使用的部分試驗裝置。1.3聚合物納米纖維成形技術(shù)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用進展依據(jù)IPAI的研究報告，世界納米纖維的年增長率為2%～2.5%。自2008年采用靜電紡工藝生產(chǎn)納米纖維的設(shè)備投入市場以來，納米纖維的優(yōu)良使用性能和巨大的市場潛力已為化纖業(yè)界所認可，在環(huán)境凈化、生命科學(xué)、能源貯存和增強復(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)用和市場拓展受到一定的限制。近年來，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)化運轉(zhuǎn)。一個生產(chǎn)效率高、加工成本低，并可為市場接受的納米纖維生產(chǎn)供應(yīng)鏈已經(jīng)形成。據(jù)美國工業(yè)咨詢公司預(yù)測，未來數(shù)年間，納米纖維市場的占有率將有大幅提升。目前我國納米纖維的研究與開發(fā)多采用靜電紡絲工藝，且基本停留在試驗室階段，納米纖維的應(yīng)用研究和使用尚較薄弱。鑒于國內(nèi)有熔噴法非織造布的生產(chǎn)經(jīng)驗，因此建議可在引進熔噴法納米纖維試驗設(shè)備的基礎(chǔ)上逐步開展研究。表3為開展聚合物納米纖維研究使用的部分試驗設(shè)備。1.4國產(chǎn)紡熔設(shè)備的技術(shù)水平與經(jīng)營模式我國目前運轉(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成使用國產(chǎn)設(shè)備。國產(chǎn)紡熔設(shè)備中1600mm幅寬的簡易型設(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)營模式與狀況來看，國內(nèi)紡熔行業(yè)正面臨升級轉(zhuǎn)型的挑戰(zhàn)。但企業(yè)應(yīng)正視現(xiàn)實，在關(guān)系行業(yè)發(fā)展的重要技術(shù)課題的研究上進行投入還是十分必要的。表4為開展紡熔非織造布研究使用的部分試驗裝置。1.5雙組分紡絲試驗設(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和紡絲組件設(shè)計上的進步。目前雙組分紡絲已成為開發(fā)化纖新產(chǎn)品較為實用的方法之一。雙組分紡絲工藝普遍用于合成纖維長絲或短纖、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)。國內(nèi)在雙組分復(fù)合長絲和短纖的研究中已積累了較為豐富的經(jīng)驗，具有設(shè)計和加工相關(guān)試驗設(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械加工密切合作的技術(shù)特點，建議需要配置雙組分紡絲試驗設(shè)備的廠家可參照國外相關(guān)設(shè)備的特點，立足于國內(nèi)研究院所和化纖工程公司進行試驗設(shè)備的設(shè)計與加工。表5是部分用于雙組分紡絲的試驗設(shè)備的技術(shù)特征。2化纖工業(yè)試驗設(shè)備與市場功能的關(guān)系試驗室與中間試驗設(shè)備的建設(shè)，始終是化纖企業(yè)技術(shù)更新和進步的重要條件。近年來，在重大新技術(shù)、新工藝和新裝備研發(fā)和投放市場的同時，都