CN109208171B - 一种多晶氧化铝纤维针刺型衬垫的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及纤维衬垫的制作方法领域，特别是涉及一种多晶氧化铝纤维针刺型衬垫的制备方法，采用PCW长纤维进行编织后干法成型得到针刺型衬垫，包括以下步骤：(1)初步开松纤维；(2)集棉；(3)梳理铺网；(4)针刺；(5)高温烘干；(6)裁切成设定的尺寸即得多晶氧化铝纤维针刺型衬垫。本发明选择PCW长纤维进行编织干法成型，不含胶水。保障高温填充密度及支撑力维持恒定，编织交叠的长纤维，也有效避免了衬垫本身被发动机尾气气流吹蚀的可能性。本发明提供的这种多晶氧化铝纤维针刺衬垫的制备方法，填补目前国内的空白，解决进口产品的高成本的问题。

Description

一种多晶氧化铝纤维针刺型衬垫的制备方法

技术领域

本发明涉及纤维衬垫的制作方法领域，特别是涉及一种多晶氧化铝纤维针刺型衬垫的制备方法。

背景技术

随着人们越来越重视环境保护，国家在法律法规方面也加大了控制力度；汽车行业作为重要的支柱产业，其尾气排放一直都受到特别多的关注，排放标准国五、国六也在稳步推进和实施；正因为国家宏观政策的调整，那么汽车相关产业和技术也必须更新换代，满足国家法律更严格的要求。

衬垫是作为汽车尾气排放系统里面非常关键的零部件，衬垫的好坏直接影响排气系统的设计，效率和稳定。而多晶氧化铝纤维针刺型非膨胀衬垫是目前全球范围内最高端的产品，基本上被日本和美国企业垄断，这类产品能满足国内外最苛刻的排气应用环境和最严格的环保法规要求；所以此种衬垫技术含量非常高。国内目前能做出普通非膨胀型衬垫的企业寥寥无几，能满足几大主流车厂高标准要求的国产产品目前也没有，所以此产品有很大的机会和市场空间。为了满足汽车行业对衬垫的要求，降低进口产品的价格，加快产品交货周期，开发一款能媲美国外先进水平的产品，显得尤为重要。

面对此研发方向，最大的挑战是：

1、普通衬垫产品高温退胶后，衬垫填充密度降低，支撑力下降，且结构松散容易被发动机尾气气流吹蚀，不利用长期耐久使用。

2、衬垫应用在排气系统内，不仅仅需要纤维有隔热性能，还需要纤维有一定的支撑力。纤维经过一系列的加工作用之后，其完整性会被破坏，而破坏之后，衬垫产品的支撑力会大大降低，限制了此类产品在汽车三元催化器上的使用。因此，保护纤维的完整性相当重要。

3、目前国内只能制作纤维针刺毯，纤维衬垫方面还是空白，而纤维毯生产的厚度大于10mm，在低于10mm的三元催化器衬垫还是瓶颈。

发明内容

本发明为了克服上述技术问题的不足，提供了一种多晶氧化铝纤维针刺型衬垫的制备方法，可以完全解决上述技术问题。

解决上述技术问题的技术方案如下：

一种多晶氧化铝纤维针刺型衬垫的制备方法，采用PCW长纤维进行编织后干法成型得到针刺型衬垫，包括以下步骤：

1.开包：纤维原棉经过包装，纤维缠结。此过程主要对纤维原棉进行初步开松。

此过程主要涉及的技术思路是：纤维原棉经过纤维原产商压缩和包装后，纤维表面由于静电效应，纤维趋向于缠结，而缠结后的纤维难以剥离，形成团聚现象，从而影响成型过程中纤维稳定性，最终导致成型难度提高，制品不合格率提高。目前国内普遍的生产方式是一体式生产，即将纤维原材料生产和产品制造整合，降低了纤维制造的灵活性。而开包过程即是通过开松的方式改变纤维缠结状态，将缠结的纤维团分散成单根纤维或者纤维丝束，降低制造工程中的不稳定性。

2.集棉：将初步开松的纤维原棉进行收集，提高纤维的使用率，降低纤维成本。

3.梳理铺网：梳理铺网机包含梳理和气流成网部分。

①纤维梳理主要依赖于梳理铺网机的纤维梳理部分，此梳理部分是按照特殊方法设计，能在极大的范围内保证纤维的长度。锡林是梳理机的主要元件，其作用是将刺辊初步分梳过的纤维剥取并带入锡林盖板工作区作进一步细致的分梳，伸直和均匀混和，并将纤维转移给道夫。道夫的作用是将锡林表面的纤维凝聚成纤维层，并在凝聚过程中对纤维进一步分梳和均匀混和。锡林和道夫对纤维的破坏效果较强，不同的锡林和道夫组合对纤维的保护效果不一样。而我司从纤维保护角度出发，对锡林和道夫组合进行优化，采用单锡林和双道夫的方式，同时钝化刺辊上的刺条，保证纤维长度的同时降低了纤维的缠结。

②气流成网是采用负压吹风、吹铺等系统组成。在陶瓷纤维生产中存在布棉不均、通风不良等原因造成容重偏差比较大。根据生产中存在的实际问题，设备采用了上箱体流线弧形机构设计，静态布棉，使纤维能够均匀分布在网带上。铺网后在进入针刺机之前，使用负风压吹铺纤维，两侧容易产生厚度差，需要对纤维进行收边处理。

4.针刺：针刺制毯是借鉴无纺针刺工艺技术开发而成，散状纤维原棉送入针刺机针刺时，由于刺针上钩状针脚，使纤维层互相紧密交织，以提高纤维毯的抗拉强度及抗风蚀性能。针刺机有三部分结构比较关键：针布，刺针和机体设计。

针刺机采用棱边上带有刺钩的刺针对纤维网反复进行穿刺。由交叉成网或气流成网形成的纤维网，在喂入针刺机时十分蓬松，只是由纤维与纤维之间的抱合力而产生一定的强度，当多枚刺针刺入纤维网时，刺针上的刺钩就会带动纤维网表面及次表面的纤维，所述的次表面是指下层纤维，具体层数不定，根据刺针不同，可牵拉的纤维束的数量也不同；由纤维网的平面方向向纤维网的垂直方向运动，使纤维产生上下移位，而产生上下位移的纤维对纤维网就产生一定挤压，使纤维网中纤维靠拢而被压缩。当刺针达到设定的深度后，刺针开始回升，由于刺钩顺向的缘故，产生移位的纤维脱离刺钩而以几乎垂直状态留在纤维网中，犹如许多的纤维丝束编织进了纤维网，从而使纤维网产生的压缩不能恢复，就把相当数量纤维束刺入了纤维网，纤维网内纤维与纤维之间的摩擦力加大，纤维网层强度升高，密度加大，形成了具有一定拉力、密度、弹性等性能的非织造品。

目前国内只能制作纤维针刺毯，而纤维衬垫方面还是空白，而纤维毯生产的厚度大于10mm，而我司的产品可以设计到5mm，拓宽了产品应用领域和范围。同时拉伸强度范围为50Kpa-200Kpa，容重为60-300Kg/m³.厚度为5-20mm。

厚度主要通过以下方式控制(针布和机体设计)：

①针刺毯的产品的工艺方式为针刺机同位对刺。而我司设计的思路为异位对刺。同位对刺的缺陷是纤维网两侧的植针密度必须一致，而异位对刺纤维网上下层植针密度可调整，这就使纤维在针刺过程中产生更高的密实度。

②在针布前端设置预针刺过程，可以降低在针刺过程中纤维网的厚度。

预刺过程有向下刺和向上刺两种，一般都采用向下刺的机型。向上刺的机型主要在生产面密度较低的产品时采用。采用向上刺的机型时，纤维网是从下方受到向上方向的针刺，所以纤维网会随着刺针贴近上面的托网板，并在托网板和剥网板间随刺针的作用而振动，这有利于纤维网顺利通过针刺机。如果采用向下刺的机型，纤维网在刺针作用下紧贴在下方的托网板上，纤维网不容易前移，造成纤网堵塞，从而影响生产的顺利进行。

根据上述问题，公司采用椭圆形机体设计，相较于目前的针刺机组，其优点是可以顺利引导纤维网的迁移，同时可以提高针刺深度，从而提高纤维网的强度。经过验证，其针刺深度较国内常规产品提高10％-30％。

椭圆形设计补偿了纤维网的停留时间而保证生产速度和产品质量。这种针刺技术可以减少拉伸，降低纤维的不匀性；提高生产速度，改善了产品的表观质量(减小针刺痕迹)，减少断针，使纤维获得更好的缠结。

刺针设计：

常见的刺针针形有三角形刺针、叉形刺针、十字星形刺针、锥形刺针和水滴形刺针。目前国内纤维针刺厂商所使用的较常见的刺针为锥形刺针。

刺针包括针叶、针腰和针柄三部分，三部分的粗细分别以针叶号、针腰号以及针柄号来表示。生产中经常提到的针号是指的针叶号，针号越大，刺针越细，刺针强度越低，加工时刺针越容易断裂。

我司的三角形刺针在针体部分有较为特殊的设计：刺突处有较为明显的向上弯曲的弧度，可以最大限度地保护纤维状态的稳定，防止由于刺突尖锐而造成大批量的纤维破碎。螺旋形刺针有良好的针刺效果，在勾刺时各方向均有纤维带出，可以有效提升针刺强度。

5.高温烘干：在400-700℃，进行烘干，烘20-40min以除去多余的胶粘剂；

6.裁切：将纤维制品裁切成客户需要的尺寸。

本发明的有益效果：

本发明提供了一种多晶氧化铝纤维针刺型衬垫的制备方法，选择PCW长纤维进行编织干法成型，不含胶水。保障高温填充密度及支撑力维持恒定，编织交叠的长纤维，也有效避免了衬垫本身被发动机尾气气流吹蚀的可能性。本发明提供的这种多晶氧化铝纤维针刺衬垫的制备方法，填补目前国内的空白，解决进口产品的高成本的问题。

由于多晶氧化铝纤维，具有非常好的物理特性，而针刺工艺又赋予了产品非常优秀的应用特性，因此才能满足如此严格的要求。相比目前所使用的普通非膨胀型衬垫，此产品几乎不含有有机胶水，高温性能衰减很小，长期使用稳定性高，并且能耐吹蚀，抗化学腐蚀，隔热性能好，很强的拉伸性，优异的弯折性。可以应用在汽油车三元催化器，GPF；柴油车的DOC,SCR,DPF；天然气LNG等各种环境。另外也可以应用在航空航天，环保设备，轮船净化设备，钢铁化工等很多高温处理行业。最典型的是包裹在汽油车三元催化器的外部，再由金属壳固定。

本发明方法制备的多晶氧化铝纤维针刺型衬垫，替换了目前市场上的含胶非膨胀型衬垫。因为含胶的衬垫在高温环境下，胶粘剂燃烧后，会导致衬垫收缩加大，对三元催化器载体和壳体的正常工况下行驶寿命存在挑战。而针刺型衬垫，不含胶水，全部为无机纤维，在高温下性状稳定，受热收缩变化较小，可以降低封装过程中存在的风险。高温下可提升50％稳定性。

本发明采用椭圆形机体设计，相较于目前的针刺机组，其优点是可以顺利引导纤维网的迁移，降低断纤概率。同时可以提高针刺深度，从而提高纤维网的强度。经过验证，其针刺深度较国内常规产品提高10％-30％，可提高30％左右拉伸强度。梳理和刺针的设计，可以降低纤维由于强剪切而断裂，提升纤维本身的强度，通过比克值测试，其值从150ml/L，提升到了400ml/L，保护了纤维，可以让纤维有足够的支撑力和避免在实际工况下，因长期的气流冲刷而使纤维出现缺失，导致三元催化器失效。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：

采用PCW长纤维进行编织后干法成型得到针刺型衬垫，所述的PCW长纤维具有以下物性参数：

最高使用温度为1600℃，化学组成按照质量比为Al₂O₃占72％，SiO₂占28％，比重为3.4g/cm³，烧失为0.5％，纤维直径为3-7μm，纤维含量为＞92％，纤维长度为5～10cm，拉伸强度＞1500Mpa，拉伸模量为9.8×10⁴Mpa，所述的烧失为火烧之后失去有机物的含量，所述的纤维含量为＞92％是指PCW长纤维中渣球或其他杂质含量＜8％。

包括以下步骤：

(1)初步开松纤维：

将纤维原产商供应的纤维原棉通过开松的方式改变纤维缠结状态，将缠结的纤维团分散成单根纤维或者纤维丝束；

(2)集棉：

将初步开松的纤维原棉进行收集；

(3)梳理铺网：

梳理铺网过程包括梳理和气流成网两部分，

通过梳理铺网机对纤维进行梳理，具体为，将刺辊初步分梳过的纤维剥取并带入锡林盖板工作区作进一步细致的分梳，伸直和混合均匀；并将纤维转移给道夫，道夫将锡林表面的纤维凝聚成纤维层，并在凝聚过程中对纤维进一步分梳和均匀混合；所述的锡林和道夫采用单锡林和双道夫配合方式，同时钝化刺辊上的刺条；

气流成网由负压吹风、吹铺系统组成，采用上箱体流线弧形机构的设备，静态布棉，使纤维能够均匀分布在网带上，铺网后在进入针刺机之前，使用负风压吹铺纤维；

使用负风压吹铺纤维时，需要对纤维进行收边处理，所述的负风压表现为控制风速在7m/s。

(4)针刺：

针刺机采用棱边上带有刺钩的刺针对纤维网反复进行穿刺，由交叉成网或气流成网形成的纤维网，在喂入针刺机时呈现蓬松状态，只是由纤维与纤维之间的抱合力而产生强度，当多枚刺针刺入纤维网时，刺针上的刺钩就会带动纤维网表面及次表面的纤维，由纤维网的平面方向向纤维网的垂直方向运动，使纤维产生上下移位，而产生上下位移的纤维对纤维网就产生挤压，使纤维网中纤维靠拢而被压缩；当刺针达到设定的深度后，刺针开始回升，由于刺钩顺向的缘故，产生移位的纤维脱离刺钩而以几乎垂直状态留在纤维网中，犹如许多的纤维丝束编织进了纤维网，从而使纤维网产生的压缩不能恢复，就把相当数量纤维束刺入了纤维网，纤维网内纤维与纤维之间的摩擦力加大，纤维网层强度升高，密度加大，形成了具有一定拉力、密度、弹性性能的非织造品；针刺过程将纤维衬垫的厚度控制在5mm。

厚度通过以下方式控制：

首先，针刺机采用异位对刺；其次，在针布前端还包括预针刺过程，从而降低在针刺过程中纤维网的厚度，所述的预针刺过程包括向下刺和向上刺两种方式，所述的机体采用椭圆形结构，从而顺利引导纤维网的迁移，同时提高针刺深度和强度；再次，采用三角形刺针，在刺针的刺突处具有向上弯曲的弧度，最大限度地保护纤维状态的稳定。

(5)高温烘干：

在400℃，进行烘干，烘40min即可除去多余的胶粘剂；

(6)裁切成650×150mm尺寸即得多晶氧化铝纤维针刺型衬垫。

实施例2：

采用PCW长纤维进行编织后干法成型得到针刺型衬垫，所述的PCW长纤维具有以下物性参数：

最高使用温度为1600℃，化学组成按照质量比为Al₂O₃占72％，SiO₂占28％，比重为3.4g/cm³，烧失为0.5％，纤维直径为3-7μm，纤维含量为＞92％，纤维长度为5～10cm，拉伸强度＞1500Mpa，拉伸模量为9.8×10⁴Mpa，所述的烧失为火烧之后失去有机物的含量，所述的纤维含量为＞92％是指PCW长纤维中渣球或其他杂质含量＜8％。

包括以下步骤：

(1)初步开松纤维：

将纤维原产商供应的纤维原棉通过开松的方式改变纤维缠结状态，将缠结的纤维团分散成单根纤维或者纤维丝束；

(2)集棉：

将初步开松的纤维原棉进行收集；

(3)梳理铺网：

梳理铺网过程包括梳理和气流成网两部分，

通过梳理铺网机对纤维进行梳理，具体为，将刺辊初步分梳过的纤维剥取并带入锡林盖板工作区作进一步细致的分梳，伸直和混合均匀；并将纤维转移给道夫，道夫将锡林表面的纤维凝聚成纤维层，并在凝聚过程中对纤维进一步分梳和均匀混合；所述的锡林和道夫采用单锡林和双道夫配合方式，同时钝化刺辊上的刺条；

气流成网由负压吹风、吹铺系统组成，采用上箱体流线弧形机构的设备，静态布棉，使纤维能够均匀分布在网带上，铺网后在进入针刺机之前，使用负风压吹铺纤维；

使用负风压吹铺纤维时，需要对纤维进行收边处理，所述的负风压表现为控制风速在20m/s。

(4)针刺：

针刺机采用棱边上带有刺钩的刺针对纤维网反复进行穿刺，由交叉成网或气流成网形成的纤维网，在喂入针刺机时呈现蓬松状态，只是由纤维与纤维之间的抱合力而产生强度，当多枚刺针刺入纤维网时，刺针上的刺钩就会带动纤维网表面及次表面的纤维，由纤维网的平面方向向纤维网的垂直方向运动，使纤维产生上下移位，而产生上下位移的纤维对纤维网就产生挤压，使纤维网中纤维靠拢而被压缩；当刺针达到设定的深度后，刺针开始回升，由于刺钩顺向的缘故，产生移位的纤维脱离刺钩而以几乎垂直状态留在纤维网中，犹如许多的纤维丝束编织进了纤维网，从而使纤维网产生的压缩不能恢复，就把相当数量纤维束刺入了纤维网，纤维网内纤维与纤维之间的摩擦力加大，纤维网层强度升高，密度加大，形成了具有一定拉力、密度、弹性性能的非织造品；针刺过程将纤维衬垫的厚度控制在5mm。

厚度通过以下方式控制：

首先，针刺机采用异位对刺；其次，在针布前端还包括预针刺过程，从而降低在针刺过程中纤维网的厚度，所述的预针刺过程包括向下刺和向上刺两种方式，所述的机体采用椭圆形结构，从而顺利引导纤维网的迁移，同时提高针刺深度和强度；再次，采用三角形刺针，在刺针的刺突处具有向上弯曲的弧度，最大限度地保护纤维状态的稳定。

(5)高温烘干：

在700℃，进行烘干，烘20min即可除去多余的胶粘剂；

(6)裁切成450×90mm尺寸即得多晶氧化铝纤维针刺型衬垫。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质上对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种多晶氧化铝纤维针刺型衬垫的制备方法，其特征在于，采用PCW长纤维进行编织后干法成型得到针刺型衬垫，包括以下步骤：

(1)初步开松纤维：

将纤维原产商供应的纤维原棉通过开松的方式改变纤维缠结状态，将缠结的纤维团分散成单根纤维或者纤维丝束；

(2)集棉：

将初步开松的纤维原棉进行收集；

(3)梳理铺网：

梳理铺网过程包括梳理和气流成网两部分，

通过梳理铺网机对纤维进行梳理，具体为，将刺辊初步分梳过的纤维剥取并带入锡林盖板工作区作进一步细致的分梳，伸直和混合均匀；并将纤维转移给道夫，道夫将锡林表面的纤维凝聚成纤维层，并在凝聚过程中对纤维进一步分梳和均匀混合；所述的锡林和道夫采用单锡林和双道夫配合方式，同时钝化刺辊上的刺条；

气流成网由负压吹风、吹铺系统组成，采用上箱体流线弧形机构的设备，静态布棉，使纤维能够均匀分布在网带上，铺网后在进入针刺机之前，使用负风压吹铺纤维；

(4)针刺：

针刺机采用棱边上带有刺钩的刺针对纤维网反复进行穿刺，由气流成网形成的纤维网，在喂入针刺机时呈现蓬松状态，只是由纤维与纤维之间的抱合力而产生强度，当多枚刺针刺入纤维网时，刺针上的刺钩就会带动纤维网表面及次表面的纤维，由纤维网的平面方向向纤维网的垂直方向运动，使纤维产生上下移位，而产生上下位移的纤维对纤维网就产生挤压，使纤维网中纤维靠拢而被压缩；当刺针达到设定的深度后，刺针开始回升，由于刺钩顺向的缘故，产生移位的纤维脱离刺钩而以几乎垂直状态留在纤维网中，使得许多的纤维丝束编织进了纤维网，从而使纤维网产生的压缩不能恢复，就把相当数量纤维束刺入了纤维网，纤维网内纤维与纤维之间的摩擦力加大，纤维网层强度升高，密度加大，形成了具有一定拉力、密度、弹性性能的非织造品；

(5)高温烘干：

在400-700℃，进行烘干，烘20-40min；

(6)裁切成设定的尺寸即得多晶氧化铝纤维针刺型衬垫；

步骤 (4)的针刺过程将纤维衬垫的厚度控制在5mm；

所述的厚度通过以下方式控制：

首先，针刺机采用异位对刺；其次，在针布前端还包括预针刺过程，从而降低在针刺过程中纤维网的厚度，所述的预针刺过程包括向下刺和向上刺两种方式，所述的针刺机机体采用椭圆形结构，从而顺利引导纤维网的迁移，同时提高针刺深度和强度；再次，采用三角形刺针，在刺针的刺突处具有向上弯曲的弧度，最大限度地保护纤维状态的稳定。

2.根据权利要求1所述的多晶氧化铝纤维针刺型衬垫的制备方法，其特征在于，所述的PCW长纤维具有以下物性参数：

最高使用温度为1600℃，化学组成按照质量比为Al2O3占72％，SiO2占28％，密度为3.4g/cm³，烧失为0 .5％，纤维直径为3-7μm，纤维含量为＞92％，纤维长度为5～10cm，拉伸强度＞1500Mpa，拉伸模量为9 .8×104Mpa，所述的烧失为火烧之后失去有机物的含量，所述的纤维含量为＞92％是指PCW长纤维中渣球或其他杂质含量＜8％。

3.根据权利要求1所述的多晶氧化铝纤维针刺型衬垫的制备方法，其特征在于，步骤

(3)中所述的使用负风压吹铺纤维时，需要对纤维进行收边处理，所述的负风压表现为控制

风速在7-20m/s。