CN103111404A - 一种针刺无纺布原位聚合复合的上胶系统及上胶工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种针刺无纺布原位聚合复合的上胶系统及上胶工艺，即把“有机单体聚合成高分子材料的化工过程”与“有机单体浸渍无纺布的喷涂复合过程”原位组合在同一条生产线上。该上胶系统包括制胶装置、浸胶/喷涂施胶装置和烘干装置。利用该上胶系统实现的上胶工艺，步骤如下：1）在配料罐内加入乳化剂、缓冲剂和一部分水，搅拌混合均匀后，加入甲基丙烯酸丁酯和甲基丙烯酸甲酯，搅拌，加入引发剂，在60~70℃温度范围内搅拌1小时形成预聚体；加入剩余的水，搅拌混合均匀后得到水乳液，冷却至室温并引入混料罐，往混料罐中加入多糖化合物，使其与水乳液在连续搅拌下混合，形成悬浮液；2）通过浸胶/喷涂施胶装置对针刺无纺布施胶；3）烘干定型。
Description
技术领域
本发明涉及一种上胶系统，具体涉及一种针刺无纺布原位聚合复合的上胶系统及上胶工艺。属于纤维复合材料的制备领域。
背景技术
近年来，对针刺无纺布上胶而制备的纤维复合材料在医疗卫生、空气净化、污水处理、交通工具、制鞋服装等方面的应用日益扩大；与此同时，石油价格不断攀升，导致无纺布原材料价格不断上涨；此外，无纺布复合材料制备生产线的数量日益增多。因此，开发低成本、高性能的无纺布复合材料制备新工艺备受关注。由于针刺无纺布的上胶工艺过程是无纺布复合材料制备技术的核心环节，其上胶质量与设备、粘结剂的选择密切相关，因此合理、系统地设计工艺过程及其设备和胶粘剂是解决上述问题的关键。
目前广泛应用的对无纺布上胶来制备复合材料的工艺技术是：把“有机单体聚合成高分子材料的化工过程”与“高分子材料浸渍无纺布的复合过程”放在不同的生产线上分别完成（普遍方式是在不同车间甚至不同企业里分别完成的），可以简称为“离位聚合复合工艺”。
具体来说，在通常情况下，针刺无纺布上胶工艺采用的粘结剂是专业制造厂直接聚合好的粘结剂乳液（固形物含量仅约为40%，市场价约为￥8500元/吨），再根据生产工艺的要求加水配制成合适浓度和黏度的稀乳液，经过浸泡、喷涂等方式复合于无纺布表面，最后用烘箱、烘筒等设备烘干定型而制成各种性能的针刺无纺布复合材料产品。
常见的对无纺布施胶的方式主要有浸胶和喷涂两种。浸胶就是把无纺布直接浸入盛满胶粘剂的胶槽内，再通过挤压或其他方式刮掉多余的胶液，此方法适用面广但消耗胶粘剂的量比较大，成本比较高。喷涂就是把粘合剂通过喷洒的方式施加于无纺布表面，再通过渗透，浸入内部，此方法上胶均匀，耗胶量相对较小，可降低施胶环节的成本，固化快捷。除一些特殊产品外，均可采用喷涂方式上胶。
现有的上胶设备采用单一施胶方式，采用浸胶方式成本高，采用喷涂方式不能实现某些产品的生产，如难以瞬间大量施胶或胶粘剂粘度过大时会堵塞喷嘴的细孔。因而设计一种可同时满足上述施胶方式的施胶设备是非常有意义的。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种针刺无纺布原位聚合复合的上胶系统及上胶工艺，即把“有机单体聚合成高分子材料的化工过程”与“有机单体浸渍无纺布的喷涂复合过程”原位组合在同一条生产线上。本发明是一种低成本、高性能制备无纺布复合材料的针刺无纺布原位聚合复合上胶工艺。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种针刺无纺布原位聚合复合的上胶系统，包括制胶装置、浸胶/喷涂施胶装置和烘干装置，所述制胶装置包括高、低位安装的配料罐和混料罐，以使配料罐内的水乳液能自发流入混料罐内；
所述烘干装置包括顺次连接的放卷辊、预热辊、热辊组I、热辊组II、热辊组III、热辊组IV和收卷辊，且在任意相邻的两者之间设有若干个导布辊；其中，热辊组I、热辊组II、热辊组III、热辊组IV均为两个烘筒，两个烘筒之间留有使得针刺无纺布通过的间隙；双面上胶时，将针刺无纺布从放卷辊依次引至收卷辊；单面上胶时，直接将针刺无纺布从放卷辊连接到热辊组I和热辊组II之间的导布辊上，不使用预热辊和热辊组I；
所述浸胶/喷涂施胶装置包括喷胶泵，一侧连接于制胶装置，另一侧连接于缓冲罐，所述缓冲罐与上输送管连接；所述上输送管分别与喷胶头I和喷胶头II连接，所述喷胶头I和喷胶头II安装在自动往复装置上，并且，所述喷胶头I位于放卷辊与预热辊之间的上方，所述喷胶头II位于热辊组I与热辊组II之间的上方，在喷胶头I和喷胶头II对应区域无纺布的下方分别设有胶槽I和胶槽II；所述胶槽I与下输送管连接，所述下输送管直接与制胶装置连接。
所述配料罐和混料罐之间安装有阀门，且配料罐和混料罐内均安装框式搅拌器；所述喷胶头I和喷胶头II上设有阀门，用于调节喷胶量。
所述胶槽I和胶槽II均为梯形槽，且底端设有导出管，导出管上设有阀门，所述胶槽I内设有导布辊以及一对间隙能够调节的转动挤压辊。
所述自动往复装置包括两个相同安装高度、相同转动方向的齿轮及连接两齿轮的链条，喷胶头I或喷胶头II固定在链条上，在两齿轮内侧安装有两个限位开关；喷胶头I或喷胶头II每碰一下限位开关，齿轮转动方向就会改变，完成喷胶头I或喷胶头II的往复运动。
一种针刺无纺布原位聚合复合的上胶工艺，是利用上述上胶系统实现的，步骤如下：
1）在配料罐内加入乳化剂、缓冲剂和一部分水，搅拌混合均匀后，加入丙烯酸甲酯BMA和甲基丙烯酸甲酯MMA，搅拌，加入引发剂，在60~70℃温度范围内搅拌1小时形成预聚体；加入剩余的水，搅拌混合均匀后得到水乳液，冷却至室温并引入混料罐，往混料罐中加入多糖化合物(C6H10O5)n，使其与水乳液在连续搅拌下混合，形成悬浮液；
其中，各物料的质量比为，甲基丙烯酸甲酯：甲基丙烯酸丁酯：多糖化合物：乳化剂：引发剂：缓冲剂：水总量=2.5：1.5：16：1.8：0.4：0.3：125；水分两次加入，第一次加入水总量的2/5；
在一般聚合过程中，引发剂的量是按照有机单体的总质量来计算的，经验值是有机单体质量的0.5%-1%，即可按所需的分子量调整引发剂的用量；乳化剂的用量应超过临界胶束浓度CMC，并且与分子质量、单体用量、要求生产的胶乳粒子的粒径大小等因素有关，一般为有机单体质量的2％～l0％，缓冲剂用量根据PH范围和溶液体积确定，结合实际生产经验，确定了上述的大概物料配比范围；
甲基丙烯酸甲酯MMA，用来增加高分子材料和无纺布纤维间的附着力；甲基丙烯酸丁酯BMA，用来增加复合材料产品的柔韧性；多糖化合物(C6H10O5)n，用来增加复合材料产品的硬挺度；
2）将针刺无纺布引至烘干装置，并将步骤1）中得到的悬浮液通过浸胶/喷涂施胶装置对针刺无纺布施胶；
3）烘干定型：在烘筒的烘干作用下，悬浮液中的有机分子之间发生聚合、交联和糊化反应，生成高分子材料，并牢牢吸附于纤维无纺布的空隙中，从而得到符合质量要求的针刺无纺布复合材料产品。
所述步骤1）中，乳化剂为烷基苯聚醚磺酸钠，引发剂为过硫酸铵，缓冲剂为碳酸氢钠。
所述步骤2）中，浸胶/喷涂施胶装置的工作过程为：喷胶泵将混料罐内的悬浮液高压打出，悬浮液经缓冲罐减压后，通过上输送管经喷胶头I或喷胶头II均匀地喷涂复合于针刺无纺布表面，胶槽I和胶槽II用于收集滴落的悬浮液，或者直接引入胶槽I内对无纺布实施浸胶，无纺布通过导布辊浸入悬浮液中，再经一对转动挤压辊，将多余悬浮液挤出流回胶槽I，其中，悬浮液的量为至少漫过胶槽I中的导布辊。
所述步骤3）中，烘干定型的具体过程是：采用烘筒烘干上胶后的针刺无纺布，在烘干过程中，烘筒的温度在200~250℃之间，通过不同的齿轮组合使得八个烘筒线速度按照针刺无纺布到达的先后顺序依次为4m/min、4.1m/min、4.2m/min、4.3m/min、4.4m/min、4.5m/min、4.6m/min、4.7m/min，以确保在胶液中的水分不断蒸发过程中，有机分子仍具有相对流动性，以利于相互之间发生聚合反应，生成高分子材料，并牢牢吸附于针刺无纺布的空隙中；在确保聚合物大分子的化学合成、实现高分子材料和无纺布纤维复合的同时，水分受热汽化，被从复合材料中蒸出，从而生产出上胶均匀的、干态针刺无纺布复合材料产品。
本发明的有益效果是：
与传统的离位聚合复合工艺相比，本发明的原位聚合复合新工艺可以大幅度地简化生产流程、有效利用聚合反应热效应、显著降低有机单体浸渍针刺无纺布纤维时的黏度和接触角、明显提高上胶均匀性和浸渍深度、增强高分子材料/无纺布的界面结合力、节约用胶量、降低生产成本。
通过使用调速电机和直径不同的齿轮链条组合使得各热辊组的烘筒之间的线速度不断变化，以确保在胶粘剂中的水分不断蒸发过程中，有机分子仍具有相对流动性，以利于有机分子之间发生聚合、交联、糊化等反应，生成高分子材料，并牢牢吸附于纤维无纺布的空隙中。在确保聚合物大分子的化学合成、实现高分子材料和无纺布纤维复合的同时，水分受热汽化，被从复合材料中蒸出，从而生产出高性能的、上胶均匀的、干态无纺布复合材料产品。
施胶方式为喷涂时，由于喷胶头的横向运动宽度大于无纺布宽度，所以会有部分悬浮液直接喷到无布区域，而且由于重力作用已喷到布上的也可能滴落，为避免悬浮液的浪费及防止其污染生产环境，下方安置了用于收集滴落的悬浮液的胶槽I和胶槽II。
施胶方式为浸胶时，针刺无纺布通过导布辊充分浸入悬浮液中，再经一对转动挤压辊，将多余胶液挤出流回胶槽I，胶槽I内悬浮液要及时补充，确保无纺布的浸胶效果。
胶槽I和胶槽II内的悬浮液可通过打开胶槽下方的导出管阀门收集，再次利用。
本发明的胶粘剂组分体系可用于油毡基布、PVC防水基布、空气过滤布、鞋材服装等针刺无纺布的上胶生产。
并且，甲基丙烯酸甲酯MMA、甲基丙烯酸丁酯BMA、多糖化合物(C6H10O5)n的质量配比为2.5：1.5：16，这跟以丙烯酸酯为主要原料的现有胶粘剂比，不但价格低，上胶质量不影响，还与以往的化学反应有明显的不同。
附图说明
图1是烘干装置的结构示意图；
图2是制胶装置的结构示意图；
图3是浸胶/喷涂施胶装置的结构示意图；
图4是自动往复装置的结构示意图；
其中1.放卷辊，2.预热辊，3.热辊组I，4.热辊组II，5.热辊组III，6.热辊组IV，7.喷胶头I，8.喷胶头II，9.导布辊，10.收卷辊，11.框式搅拌器，12.混料罐，13.配料罐，14.喷胶泵，15.缓冲罐，16.上输送管，17.下输送管，18.胶槽I，19.胶槽II，20.导出管，21.转动挤压辊，22.固定点，23.阀门，24.限位开关I，25.限位开关II，26.齿轮，27.链条。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的阐述，应该说明的是，下述说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。
如图1~4所示，本发明包括制胶装置、浸胶/喷涂施胶装置和烘干装置，所述制胶装置包括高、低位安装的配料罐13和混料罐12，以使配料罐13内的预聚体水乳液能自发流入混料罐12内；
所述烘干装置包括顺次连接的放卷辊1、预热辊2、热辊组I3、热辊组II4、热辊组III5、热辊组IV6和收卷辊10，且在任意相邻的两者之间设有若干个导布辊9；其中，热辊组I3、热辊组II4、热辊组III5、热辊组IV6均为两个烘筒，两个烘筒之间留有使得针刺无纺布通过的间隙；双面上胶时，将针刺无纺布从放卷辊1依次引至收卷辊10；单面上胶时，直接将针刺无纺布从放卷辊1连接到热辊组I3和热辊组II4之间的导布辊9上，不使用预热辊2和热辊组I3；
所述浸胶/喷涂施胶装置包括喷胶泵14，一侧连接于制胶装置，另一侧连接于缓冲罐15，所述缓冲罐15与上输送管16连接；所述上输送管16分别与喷胶头I7和喷胶头II8连接，所述喷胶头I7和喷胶头II8安装在自动往复装置上，并且，所述喷胶头I7位于放卷辊1与预热辊2之间的上方，所述喷胶头II8位于热辊组I3与热辊组II4之间的上方，在喷胶头I7和喷胶头II8对应区域无纺布的下方分别设有胶槽I18和胶槽II19；所述胶槽I18与下输送管17连接，所述下输送管直接与制胶装置连接。
所述配料罐13和混料罐12之间安装有阀门，且配料罐13和混料罐12内均安装框式搅拌器11，并且可加热；所述喷胶头I7和喷胶头II8上设有阀门，用于调节喷胶量。
所述胶槽I18和胶槽II19均为梯形槽，且底端设有导出管20，导出管20上设有阀门，所述胶槽I18内设有导布辊9以及一对间隙能够调节的转动挤压辊21。
以喷胶头I7为例，所述自动往复装置包括两个相同安装高度、相同转动方向的齿轮26及连接两个齿轮26的链条27，喷胶头I7固定在链条27的固定点22处，在两个齿轮26的内侧安装有限位开关I24和限位开关II25；喷胶头I7每碰一下限位开关I24或限位开关II25，齿轮转动方向就会改变，完成喷胶头I7的往复运动。喷胶头II8道理相同。
一种针刺无纺布原位聚合复合的上胶工艺，是利用上述上胶系统实现的，步骤如下：
1）在配料罐13内加入乳化剂、缓冲剂和一部分水，搅拌混合均匀后，加入丙烯酸甲酯BMA和甲基丙烯酸甲酯MMA，搅拌，加入引发剂，在60~70℃温度范围内搅拌1小时形成预聚体；加入剩余的水，搅拌混合均匀后得到水乳液，冷却至室温并引入混料罐12，往混料罐12中加入多糖化合物(C6H10O5)n，使其与水乳液在连续搅拌下混合，形成悬浮液；
其中，各物料的质量比为，甲基丙烯酸甲酯：甲基丙烯酸丁酯：多糖化合物：乳化剂：引发剂：缓冲剂：水总量=2.5：1.5：16：1.8：0.4：0.3：125；水分两次加入，第一次加入水总量的2/5；
甲基丙烯酸甲酯MMA，用来增加高分子材料和无纺布纤维间的附着力；甲基丙烯酸丁酯BMA，用来增加复合材料产品的柔韧性；多糖化合物(C6H10O5)n，用来增加复合材料产品的硬挺度；
2）将针刺无纺布引至烘干装置，并将步骤1）中得到的悬浮液通过浸胶/喷涂施胶装置对针刺无纺布施胶；
3）烘干定型：在烘筒的烘干作用下，悬浮液中的有机分子之间发生聚合、交联和糊化反应，生成高分子材料，并牢牢吸附于纤维无纺布的空隙中，从而得到符合质量要求的针刺无纺布复合材料产品。
所述步骤1）中，乳化剂为烷基苯聚醚磺酸钠，引发剂为过硫酸铵，缓冲剂为碳酸氢钠。
所述步骤2）中，浸胶/喷涂施胶装置的工作过程为：喷胶泵14将混料罐12内的悬浮液高压打出，悬浮液经缓冲罐15减压后，通过上输送管16经喷胶头I7或喷胶头II8均匀地喷涂复合于针刺无纺布表面，胶槽I18和胶槽II19用于收集滴落的悬浮液，或者直接引入胶槽I18内对无纺布实施浸胶，无纺布通过导布辊9浸入悬浮液中，再经一对转动挤压辊21，将多余悬浮液挤出流回胶槽I18，其中，悬浮液的量为至少漫过胶槽I18中的导布辊9。
所述步骤3）中，烘干定型的具体过程是：采用烘筒烘干上胶后的针刺无纺布，在烘干过程中，烘筒的温度在200~250℃之间，通过不同的齿轮组合使得八个烘筒线速度按照针刺无纺布到达的先后顺序依次为4m/min、4.1m/min、4.2m/min、4.3m/min、4.4m/min、4.5m/min、4.6m/min、4.7m/min，以确保在胶液中的水分不断蒸发过程中，有机分子仍具有相对流动性，以利于相互之间发生聚合反应，生成高分子材料，并牢牢吸附于针刺无纺布的空隙中；在确保聚合物大分子的化学合成、实现高分子材料和无纺布纤维复合的同时，水分受热汽化，被从复合材料中蒸出，从而生产出上胶均匀的、干态针刺无纺布复合材料产品。
以下内容中，甲基丙烯酸甲酯MMA、甲基丙烯酸丁酯BMA、多糖化合物分别用1号有机分子、2号有机分子、3号有机分子表示
1号有机分子为硬单体，分子式：
1号有机分子的作用是增加高分子材料尤其是含3号有机分子的高分子材料和无纺布纤维间的附着力，并提供一定的硬挺度。
2号有机分子为软单体，分子式：
2号有机分子的主要作用是增加复合材料产品的柔韧性。
3号有机分子，分子式：(C6H10O5)n
3号有机分子的作用是增加复合材料产品的硬挺度，其优势是价格低廉。
原位聚合过程主要发生以下反应：
（1）预聚体的进一步聚合以及与3号有机分子发生接枝聚合反应；
（2）3号有机分子的自聚合；
（3）3号有机分子发生糊化，使粘结剂粘度增大，并易于附着在纤维表面上增加耐磨性和耐热稳定性。
可按照无纺布上胶后的不同软硬度要求，灵活决定1号、2号、3号有机分子具体用量。
本发明的效益测算：
胶粘剂的有机单体总成本约￥6800元/吨（100%固形物含量），然而市场上胶粘剂成品的价格约为￥8500元/吨（40%固形物含量），折算成100%固形物含量的价格约为￥21250元/吨，则每吨胶粘剂可以节约成本约14450元。若胶粘剂使用量按10吨/月计算，则全年节约成本约1734000元，经济效益可观。同时，采用有机单体水悬浮液的喷涂复合方式还可以有效利用聚合反应热效应、显著降低对烘筒加热而消耗的燃煤燃气量，节能减排、降低生产成本。此外，有机单体水悬浮液的黏度和表面张力特别低，所以有机单体/针刺无纺布纤维的接触角特别小，大幅度地提高了上胶均匀性，可以节约每单位质量复合材料产品的用胶量。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (8)
1.一种针刺无纺布原位聚合复合的上胶系统，包括制胶装置、浸胶/喷涂施胶装置和烘干装置，其特征在于，所述制胶装置包括高、低位安装的配料罐和混料罐，以使配料罐内的水乳液能自发流入混料罐内；
所述烘干装置包括顺次连接的放卷辊、预热辊、热辊组I、热辊组II、热辊组III、热辊组IV和收卷辊，且在任意相邻的两者之间设有若干个导布辊；其中，热辊组I、热辊组II、热辊组III、热辊组IV均为两个侧面相切的烘筒；双面上胶时，将针刺无纺布从放卷辊依次引至收卷辊；单面上胶时，直接将针刺无纺布从放卷辊连接到热辊组I和热辊组II之间的导布辊上，不使用预热辊和热辊组I；
所述浸胶/喷涂施胶装置包括喷胶泵，一侧连接于制胶装置，另一侧连接于缓冲罐，所述缓冲罐与上输送管连接；所述上输送管分别与喷胶头I和喷胶头II连接，所述喷胶头I和喷胶头II安装在自动往复装置上，并且，所述喷胶头I位于放卷辊与预热辊之间的上方，所述喷胶头II位于热辊组I与热辊组II之间的上方，在喷胶头I和喷胶头II对应区域无纺布的下方分别设有胶槽I和胶槽II；所述胶槽I与下输送管连接，所述下输送管直接与制胶装置连接。
2.根据权利要求1所述的上胶系统，其特征在于，所述配料罐和混料罐之间安装有阀门，且配料罐和混料罐内均安装框式搅拌器；所述喷胶头I和喷胶头II上设有阀门，用于调节喷胶量。
3.根据权利要求1所述的上胶系统，其特征在于，所述胶槽I和胶槽II均为梯形槽，且底端设有导出管，导出管上设有阀门，所述胶槽I内设有导布辊以及一对间隙能够调节的转动挤压辊。
4.根据权利要求1所述的上胶系统，其特征在于，所述自动往复装置包括两个相同安装高度、相同转动方向的齿轮及连接两齿轮的链条，喷胶头I或喷胶头II固定在链条上，在两齿轮内侧安装有两个限位开关；喷胶头I或喷胶头II每碰一下限位开关，齿轮转动方向就会改变，完成喷胶头I或喷胶头II的往复运动。
5.一种针刺无纺布原位聚合复合的上胶工艺，其特征在于，是利用上述任一项权利要求所述的上胶系统实现的，步骤如下：
1）在配料罐内加入乳化剂、缓冲剂和一部分水，搅拌混合均匀后，加入丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸甲酯，搅拌，加入引发剂，在60~70℃温度范围内搅拌1小时形成预聚体；加入剩余的水，搅拌混合均匀后得到水乳液，冷却至室温并引入混料罐，往混料罐中加入多糖化合物，使其与水乳液在连续搅拌下混合，形成悬浮液；
其中，各物料的质量比为，甲基丙烯酸甲酯：甲基丙烯酸丁酯：多糖化合物：乳化剂：引发剂：缓冲剂：水总量=2.5：1.5：16：1.8：0.4：0.3：125；水分两次加入，第一次加入水总量的2/5；
2）将针刺无纺布引至烘干装置，并将步骤1）中得到的悬浮液通过浸胶/喷涂施胶装置对针刺无纺布施胶；
3）烘干定型：在烘筒的烘干作用下，悬浮液中的有机分子之间发生聚合、交联和糊化反应，生成高分子材料，并牢牢吸附于纤维无纺布的空隙中，从而得到符合质量要求的针刺无纺布复合材料产品。
6.根据权利要求5所述的上胶工艺，其特征在于，所述步骤1）中，乳化剂为烷基苯聚醚磺酸钠，引发剂为过硫酸铵，缓冲剂为碳酸氢钠。
7.根据权利要求5所述的上胶工艺，其特征在于，所述步骤2）中，浸胶/喷涂施胶装置的工作过程为：喷胶泵将混料罐内的悬浮液高压打出，悬浮液经缓冲罐减压后，通过上输送管经喷胶头I或喷胶头II均匀地喷涂复合于针刺无纺布表面，胶槽I和胶槽II还用于收集滴落的悬浮液，或者直接引入胶槽I内对无纺布实施浸胶，无纺布通过导布辊浸入悬浮液中，再经一对转动挤压辊，将多余悬浮液挤出流回胶槽I，其中，悬浮液的量为至少漫过胶槽I中的导布辊。
8.根据权利要求5所述的上胶工艺，其特征在于，所述步骤3）中，烘干定型的具体过程是：采用烘筒烘干上胶后的针刺无纺布，在烘干过程中，烘筒的温度在200~250℃之间，通过不同的齿轮组合使得八个烘筒线速度按照针刺无纺布到达的先后顺序依次为4m/min、4.1m/min、4.2m/min、4.3m/min、4.4m/min、4.5m/min、4.6m/min、4.7m/min。
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