熔喷机喷丝板、其制造方法及熔喷机喷头
技术领域
本发明涉及熔喷非织造技术领域，特别涉及一种熔喷机喷丝板、其制造方法及熔喷机喷头。
背景技术
熔喷法非织造布主要用作复合材料、过滤材料、保暖材料、卫生用品、吸油材料及电池隔膜等，广泛应用于医疗卫生、汽车工业、过滤材料等，其中尤以医用口罩相对要求较高。医用外科口罩和N95口罩采用的是高端熔喷布(BFE99级)，BFE99级的熔喷布是在普通熔喷布的基础上做静电驻极处理，这样能够极大提升熔喷布的过滤效率，针对BFE(BacterialFiltration Efficiency，细菌过滤效果)能达到99％滤效，并且可使阻力降低到20pa/cm2以内，让佩戴口罩者感觉更加舒适。BFE99医用口罩是美国Nelson实验室针对空气中0.3微米左右粒径大小的颗粒物的过滤数据，达到了BFE99级的口罩可以防住PM2.5，同时也能防住细菌，BFE大于95％即达到了医用标准。BFE数值越高表明过滤性能越好，口罩一定程度上可以防病毒、雾霾，主要作用是病毒细菌过滤与阻隔。
熔喷布能否达到BFE99级，取决于熔喷机的核心部件-喷丝板。通常熔喷布的丝的直径在1-5微米之间，过往研究表明，越细的丝可以获得更高等级的熔喷布，但这会大大增加喷丝板的制造难度。同时越细的丝会导致单位时间的产能较低，能耗较高。
目前常用的熔喷喷丝板均为单排喷丝孔设计，其源于美国埃克森公司20世纪60年代的技术，该设计是使气体从单排喷丝孔的两侧流出，高速高温的牵伸气流使喷丝孔挤出的聚合物熔体迅速地拉伸变细，最终形成纤维网。但是，该种熔喷喷丝板具有如下缺点：1)产能低。通常该种喷丝板的喷丝孔密度为984～1968/米，孔直径为0.125～0.2mm之间，喷丝孔少、孔径小导致单位时间挤出的聚合物量少，这直接导致产能下降。2)出口处的涡团会导致聚合物熔体细化不利，进而导致喷丝稳定性差。由于喷丝板气流从两侧流出，气流在喷丝板口处形成有夹角的对流，这就必然导致喷丝孔出口两侧附近存在“反向回流区”，此处的气流方向恰好与主气流方向相反，这就导致喷丝细化不利，进而导致最终形成的纤维网细丝率低。3)加工工艺导致喷丝板容易堵塞。堵塞的原因在于，喷丝板的喷丝孔最大直径仅为0.2mm，如果要想保证喷丝孔长径比(喷丝孔的孔深与直径的比值)在20以上，那么喷丝孔的孔深最少应控制在4mm，而制造如此微小且深的孔，如果采用钻孔的方式，必然会由于钻头、卡具甚至地面共振等颤动，导致孔大、内壁不光滑甚至偏斜，加工难度极大；如果采用放电方式开孔，即使可做到0.2mm直径，亦会导致孔内壁不光滑，进而卡料，喷丝不均匀。
发明内容
为了解决现有熔喷喷丝板存在的产能低、喷丝稳定性差及易堵塞的问题，本发明提供了一种熔喷机喷丝板，所述喷丝板上设有多排小孔，所述多排小孔互相呈交错平行排布；所述多排小孔内均焊接有微孔型的毛细管，所述毛细管垂直于所述喷丝板上表面。
所述多排小孔的孔排数为2-10排。
本发明还提供了一种上述熔喷机喷丝板的制造方法，包括如下步骤：
将喷丝板基板进行固溶处理并加工成设计的形态，对所述喷丝板基板打孔；
将微孔型的毛细管进行硬化和封口处理，并竖直插入所述喷丝板基板孔内；
将焊剂涂抹在所述毛细管与所述喷丝板基板之间的缝隙内；
采用真空钎焊对所述毛细管和所述喷丝板基板进行焊接。
所述喷丝板基板的材料为奥氏体不锈钢或模具钢；所述打孔的方式为钻头打孔或电火花打孔。
所述将微孔型的毛细管进行硬化处理的步骤具体为：将焊剂均匀地涂抹在微孔型的毛细管外壁上，并采用真空钎焊对所述毛细管进行加工。
所述将微孔型的毛细管进行封口处理的步骤具体为：将熔点温度大于所述焊剂熔点的材料塞入微孔型的毛细管内，实现封口处理。
所述焊剂为镍基焊剂或者金基焊剂，所述焊剂的形态为膏状或粉状。
所述采用真空钎焊对所述毛细管和所述喷丝板基板进行焊接的步骤具体包括：
将所述毛细管和喷丝板基板在真空钎焊炉中加热到预设温度并保温；
将所述毛细管和喷丝板基板在真空钎焊炉中再次加热到钎焊温度并保温；
待所述喷丝板在所述真空钎焊炉中真空冷却后，向所述真空钎焊炉中通入高纯度保护性气体，并启动所述真空钎焊炉的风机，使所述喷丝板快速冷却。
所述真空钎焊炉的真空度小于等于1×10-4Pa；所述预设温度为750℃～850℃；所述加热到预设温度的加热时间为50min，保温时间为30min；所述加热到钎焊温度的加热时间为30min，保温时间为30min；所述钎焊温度为所述焊剂的熔点；所述真空冷却的冷却温度为300℃；所述快速冷却的冷却温度为50℃；所述高纯度保护性气体为高纯度氮气或高纯度惰性气体。
本发明还提供了一种由上述熔喷机喷丝板组成的熔喷机喷头，包括喷丝板、气流通道、风刀板和进料槽；所述喷丝板上设有多排小孔，所述多排小孔互相呈交错平行排布，所述多排小孔内均焊接有微孔型的毛细管，所述毛细管垂直于所述喷丝板上表面；所述进料槽与所述多排小孔连通；所述风刀板位于所述多排小孔的两侧；所述气流通道位于所述风刀板、多排小孔与进料槽形成的空腔；所述风刀板与所述多排小孔的交汇处呈梯形面；所述气流通道沿着气流运动方向呈下宽上窄形状。
本发明提供的熔喷机喷丝板，通过多排互相呈交错平行排布的小孔，极大地增加了单位米数下的小孔密度，提高了单位时间的产能。本发明提供的熔喷机喷丝板的制造方法，通过真空钎焊工艺将微孔型的毛细管焊接于喷丝板基板上的多排小孔内，有效地提高了小孔的长径比，解决了喷丝板易堵问题，使喷丝板出丝稳定、细丝率高，提高了纤维网的产能，并且工艺简单易行。本发明提供的熔喷机喷头，有效地消除了涡团气流，进而保证熔喷出的纤维网的细丝率。
附图说明
图1a是本实施例提供的熔喷机喷丝板的主视图；
图1b是本实施例提供的熔喷机喷丝板的俯视图；
图2是本实施例提供的熔喷机喷丝板的使用状态示意图；
图3是本实施例提供的熔喷机喷丝板的制造方法流程图；
图4是本实施例提供的熔喷机喷头的结构剖视图；
图5是本实施例采用真空钎焊对毛细管和喷丝板基板焊接的工艺流程。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明技术方案作进一步描述。
参见图1a和图1b，本实施例提供的熔喷机喷丝板上设有多排小孔1，多排小孔互相呈交错平行排布，并且多排小孔内均焊接有微孔型的毛细管7，毛细管垂直于喷丝板上表面。在具体应用中，多排小孔的孔排数可为2-10排，本实施例为5排小孔。需要说明的是：多排小孔1及其内的微孔型的毛细管7的俯视图投影均为圆形，在图1b中被共同标记。
在具体应用中，本实施例微孔型的毛细管的外径为0.35mm、内径为0.2mm。微孔型的毛细管的内径越细，喷出的纤维丝越细。微孔型的毛细管的材料可为不锈钢。毛细管通常内壁光滑，可做到远远大于20的长径比，并且直线度较好，因此可有效解决由于长径比不足导致的喷丝不均匀和由于孔内壁不光滑导致的喷丝板易堵塞等问题。
本实施例多排小孔的设计极大地增加了单位米数下的小孔密度，小孔密度为目前所使用喷丝板的2～10倍。这样，在单位时间内，聚合物熔体的挤出量亦提高了2-10倍，进而使单位时间产能提高2～10倍。另外，多排小孔互相呈交错平行排布，这种排布方式可保证气体由双侧的气流通道气流交汇后，气体可均匀地进行分配，不会产生临近微孔型的毛细管的遮挡气流的现象，以保证气流可均匀地从每根微孔型的毛细管周围流出，从而使气流从微孔型的毛细管周围均匀地拉伸从孔内挤出的聚合物熔体，最终形成均匀的纤维网。
参见图3，本实施例还提供了上述熔喷机喷丝板的制造方法，具体包括如下步骤：
步骤S301、将喷丝板基板进行固溶处理。
喷丝板基板的材料可选奥氏体不锈钢或模具钢。本实施例选用奥氏体不锈钢，例如304或316L不锈钢，其导热系数低，温度均匀性好，耐腐蚀，使用寿命长。固溶处理的目的是释放金属应力，保证喷丝板基板在后续加工时，金属变形量减少，进而保证整体喷丝板的精度。
步骤S302、将固溶处理后的喷丝板基板加工成设计的形态，并对喷丝板基板打孔。
喷丝板基板打孔方式可采用钻头打孔或电火花打孔，打孔的直径要大于微孔型的毛细管的外径，例如可选为0.4mm，并且打孔深度不易过长，由于长径比是由插入孔的微孔型的毛细管的长度和直径决定，因此可大大降低打孔加工的难度。
步骤S303、将微孔型的毛细管进行硬化处理。
将镍基焊剂均匀地涂抹在微孔型的毛细管外壁上，焊剂形态可为粉状或膏状。通过真空钎焊的方式对毛细管进行加工，加工后，由于微孔型的毛细管外表面有一层焊剂，导致其硬度大大提高。硬度提高的好处在于：1)保证后续加工时，不影响微孔型的毛细管对于喷丝板上平面的垂直度；2)避免微孔型的毛细管被双侧的气流通道吹出的高温高速气流吹弯折或倾倒。
步骤S304、将硬化处理后的微孔型的毛细管进行封口处理。
在后续进行真空钎焊时，由于焊剂有可能通过液态金属的表面张力和焊剂自身重力，流入微孔型的毛细管内表面，导致微孔型的毛细管堵孔。因此在真空钎焊之前，需要将熔点温度大于所使用焊剂熔点的材料(例如钛丝等)塞入微孔型的毛细管内，实现封口处理。由于钛丝等材料未达到其自身的焊接熔点温度，因此不会被焊接上。在真空钎焊完成后，只需将钛丝等材料从微孔型的毛细管内抽出即可。
步骤S305、将封口处理后的微孔型的毛细管竖直插入喷丝板基板孔内。
在喷丝板基板孔内竖直插入微孔型的毛细管时，应保证微孔型的毛细管的垂直度，并保证所有微孔型的毛细管露出喷丝板基板的长度均相同。插毛细管顺序应为由上至下、由内到外，全部插管完成后，利用高倍投影精密测量仪进行测准，以保证所有毛细管露出喷丝板基板的长度均相同。
步骤S306、将焊剂涂抹在毛细管与喷丝板基板之间的缝隙内。
在实际应用中，焊剂可为镍基焊剂或者金基焊剂，焊剂形态可为膏状或粉状。在涂抹镍基焊剂或者金基焊剂时，应保证焊剂涂抹的效果成“火山口”形态，其作用是对露出喷丝板基板的毛细管进行加固，防止由于气流导致的毛细管弯折或倾倒。
步骤S307、采用真空钎焊对毛细管和喷丝板基板进行焊接。
参见图5，本实施例真空钎焊采用下述工艺流程进行：
1)抽真空阶段
真空度应为1×10-4Pa以下。其目的是使钎焊炉内处于高真空的状态，防止高温焊接时，喷丝板和毛细管等金属材料的氧化。
2)加热阶段
将毛细管和喷丝板基板在真空钎焊炉中缓慢加热到750℃～850℃，加热时间为50min；加热时间是根据整体喷丝板重量和材质计算而得出。
3)保温阶段
在850℃下保温30min，使工件充分受热，达到温度均匀的目的；保温时间也是根据整体喷丝板重量和材质计算而得出。
4)再次加热阶段
将毛细管和喷丝板基板在真空钎焊炉中再次缓慢加热到钎焊温度。钎焊温度是根据焊剂的熔点进行设定，加热时间为30min。加热时间也是根据整体喷丝板重量和材质计算而得出。
5)再次保温阶段
在钎焊温度下保温30分钟，使钎料元素充分扩散，此时间为焊接时间，焊接时间的长短取决于焊接孔位的多少和整体喷丝板的体积。
6)真空缓慢冷却
采用真空缓慢自冷方式，喷丝板在真空钎焊炉中从钎焊温度下降到300℃，目的是使钎焊接头在高温下利用蠕变松弛效应而释放部分残余应力，防止裂纹的产生，提高结构的强度。
7)充气快冷
向真空钎焊炉中充入高纯度氮气或高纯度惰性气体(例如氩气)，同时启动真空钎焊炉的风机，使喷丝板快速冷却到50℃以下后出炉。
本实施例提供的熔喷机喷丝板的制造方法，通过真空钎焊工艺将微孔型的毛细管焊接于喷丝板基板上的多排小孔内，有效地提高了小孔的长径比，解决了喷丝板易堵问题，使喷丝板出丝稳定、细丝率高，提高了纤维网的产能，并且工艺简单易行。
参见图2和图4，本实施例还提供了由上述熔喷机喷丝板组成的熔喷机喷头，包括喷丝板、气流通道2、风刀板3和进料槽4；喷丝板上设有多排小孔1，多排小孔互相呈交错平行排布，并且多排小孔内均焊接有微孔型的毛细管，毛细管垂直于喷丝板上表面；进料槽4与多排小孔1连通；风刀板3位于多排小孔1的两侧；气流通道2位于风刀板3、多排小孔1与进料槽4形成的空腔；风刀板3与多排小孔1的交汇处呈梯形面；气流通道2沿着气流运动方向呈下宽上窄形状。
参见图2和图4，本实施例双侧的气流通道沿着气流运动方向呈下宽上窄形状，并且双侧的风刀板之间的间隙小于双侧的气流通道上方缝隙，这样可保证气体始终是从宽缝流入窄缝，进而使气流喷射压力更为稳定，且气体压力在喷出之前，压力无衰减，牵引风速更高。
参见图2和图4，本实施例提供的熔喷机喷头可以有效消除涡团气流：多排小孔内的微孔型的毛细管高于喷丝板上平面，风刀板与多排小孔的交汇处呈梯形面，使得小孔处气流方向呈垂直水平面向上，双侧的气流通道气流交汇的位置处于小孔的根部，从而消除涡团气流，进而保证熔喷出的纤维网的细丝率。
参见图4，本实施例熔喷机喷头的工作原理是：聚合物通过挤料机进行融化并挤出，挤出的聚合物熔体进入进料槽4，通过小孔1沿挤出方向6被挤出；同时，空压机将空气压缩成高压气体，并通过加热炉对空气加热，加热后的气体通过管路连接到进气气道5，在进气气道5内，气体压力得到短时间的缓冲，以使整个喷丝板的气体压力相对平均；风刀板3与喷丝板主体之间仅有双侧的气流通道2，气体仅可在喷丝板顶部进行交汇，交汇后的气体，由于风刀形态，气流只能垂直向上高速流动；高速的气流将小孔挤出的聚合物熔体进行牵伸，以形成超细纤维，纤维直径一般为1～5μm；数条超细纤维在气流的作用下随机交错排布，进而形成纤维网；纤维网经过冷却、静电驻极、收卷、切割等操作后，成为成品熔喷布。
本实施例提供的熔喷机喷头，通过多排互相呈交错平行排布的小孔，极大地增加了单位米数下的小孔密度，极大地提高了单位时间的产能。本实施例提供的熔喷机喷头，通过风刀板与多排小孔的交汇处呈梯形面，使得小孔处气流方向呈垂直水平面向上，可以有效消除涡团气流，进而保证熔喷出的纤维网的细丝率。本实施例提供的熔喷机喷头，气流通道沿着气流运动方向呈下宽上窄形状，并且双侧的风刀板之间的间隙小于双侧的气流通道上方缝隙，这样可保证气体始终是从宽缝流入窄缝，进而使气流喷射压力更为稳定，且气体压力在喷出之前，压力无衰减，牵引风速更高。本实施例提供的熔喷机喷头，通过小孔内的微孔型的毛细管，有效地提高了小孔的长径比，解决了喷丝板易堵问题，使喷丝板出丝稳定、细丝率高，提高了纤维网的产能。
本发明实施例提供的熔喷机喷丝板，通过多排互相呈交错平行排布的小孔，极大地增加了单位米数下的小孔密度，提高了单位时间的产能。本发明实施例提供的熔喷机喷丝板的制造方法，通过真空钎焊工艺将微孔型的毛细管焊接于喷丝板基板上的多排小孔内，有效地提高了小孔的长径比，解决了喷丝板易堵问题，使喷丝板出丝稳定、细丝率高，提高了纤维网的产能，并且工艺简单易行。本发明实施例提供的熔喷机喷头，有效地消除了涡团气流，进而保证熔喷出的纤维网的细丝率。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
