楊 雷

(中原工學(xué)院 機(jī)電學(xué)院,鄭州 450007)

0 引言

《紡織機(jī)械行業(yè)“十三五”發(fā)展指導(dǎo)性意見》列入了59項(xiàng)“十三五”期間重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目,其中非織造布機(jī)械項(xiàng)目有5項(xiàng)[1]。非織造水刺技術(shù)是通過高壓水流,實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維網(wǎng)加固,形成具有一定面密度和強(qiáng)力的非織造布。水刺法非織造布具有手感柔軟、垂直性好、吸濕性好、外觀光滑、不起毛等特點(diǎn)[2],其全球需求一直呈增長(zhǎng)趨勢(shì)[3]。水刺法非織造布的應(yīng)用領(lǐng)域有衛(wèi)生用品、醫(yī)療用品、工業(yè)用品以及家居用品等[4]。

1 國(guó)外非織造水刺設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀

水刺機(jī)于1975年由美國(guó)杜邦(Dupont)和奇科皮(Chicopee)公司開發(fā)成功,實(shí)現(xiàn)工業(yè)化制造是在1985年。由水刺機(jī)生產(chǎn)的紡織品外觀比其它非織造材料更接近傳統(tǒng)紡織品,盡管水刺法工藝發(fā)展較晚,但其目前也已成為增長(zhǎng)速度最快的非織造工藝之一,且已應(yīng)用于在紡粘非織造材料、機(jī)織物、針織物和紙漿粕材料領(lǐng)域[5]。

1.1 福來司拿(Fleissner)公司

德國(guó)福來司拿公司是國(guó)際上最主要的水刺設(shè)備供應(yīng)商,同時(shí)可提供技術(shù)支持,也設(shè)計(jì)完備的安裝解決方案。該公司與德國(guó)薩克森紡織研究所 (STFI)合作開發(fā)的Fleissner SteamJet生產(chǎn)線,與AquaJet生產(chǎn)線相似,均是利用蒸汽噴射頭上成排的孔中噴出高壓蒸汽對(duì)非織造材料進(jìn)行纏繞,從而使其加固。高壓蒸汽的溫度非常高,可有效地防止產(chǎn)品收縮,并且省略了烘干步驟。

Fleissner SteamJet生產(chǎn)線固結(jié)的優(yōu)點(diǎn):① 在高壓蒸汽沖擊力和熱熔加固同時(shí)進(jìn)行提花或開孔;② 可利用網(wǎng)帶或滾筒進(jìn)行單面或雙面加固;③ 高溫高壓蒸汽可以起到消毒、殺菌的作用;④ 適用于各種合成纖維、長(zhǎng)絲及天然纖維等;⑤ 也適用于克重為15 g/m2～100 g/m2的纖網(wǎng)產(chǎn)品。

此工藝用于加工對(duì)水敏感型纖維(如超吸水性纖維、PVA等)的非織造材料時(shí),表現(xiàn)出良好的性能。工藝為首先利用熱粘合技術(shù),在烘箱內(nèi)進(jìn)行預(yù)加固,再利用Fleissner SteamJet生產(chǎn)線進(jìn)行最終的加固和提花[6]。

對(duì)于實(shí)驗(yàn)室或剛涉足該領(lǐng)域的工廠,Fleissner MiniJet設(shè)備是非常合適的。該設(shè)備幅寬已標(biāo)準(zhǔn)化,有1000 mm和500 mm兩種,性價(jià)比高。其工作壓力可以達(dá)到40 MPa,速度可以達(dá)到55 m/min,其運(yùn)用了一種移動(dòng)式整體安裝系統(tǒng),可使安裝成本降到最低。

福來司拿公司高速泡沫軋液機(jī)使加工速度從60 m/min～70 m/min提高到200 m/min。在原料水刺之前通過軋液機(jī)增加了水刺纏結(jié)預(yù)加固工序,從而提高水刺的加工速度。

福來司拿公司還在水刺生產(chǎn)線上配備了開孔和提花滾筒,這樣可以在水刺生產(chǎn)過程中賦于纖網(wǎng)更多的外形特色、良好的手感以及優(yōu)良的使用性能,如擦拭布的吸濕性或防污性等。

Fleissner AquaJet為了提高非織造材料的橫向強(qiáng)力配備了擴(kuò)幅裝置;利用已獲專利的擺動(dòng)式噴頭可加工出表面均勻且無水紋痕跡的非織造材料,適用于加工涂層底布的厚重非織造材料。

基于英國(guó)利茲大學(xué)的一項(xiàng)專利,福來司拿公司的Hydrospace AquaJet生產(chǎn)線能加工出含有管狀中空結(jié)構(gòu)的非織造材料,這些中空結(jié)構(gòu)在水刺過程中會(huì)填充滿水、凝膠或固體物質(zhì)。其典型的應(yīng)用是填充有液態(tài)皂或洗液的非織造材料。帶有中空結(jié)構(gòu)的Hydrospace纖網(wǎng),其吸音能力大幅增強(qiáng),非常適用于汽車的吸音材料。

此外,福來司拿公司還為加工人造革和高檔運(yùn)動(dòng)紡織品提供一種新型水刺生產(chǎn)線Fleissner Composite AquaJet,此生產(chǎn)線是以靜電紡納米纖網(wǎng)和裂膜聚醋纖維為原料[7]。

1.2 立達(dá)—帕弗杰特(Rieter Perfojet)公司

Rieter Perfojet公司JETlace Essentiel新技術(shù)展示了水刺技術(shù)的新發(fā)展,它可以生產(chǎn)30 g/m2～80 g/m2克重的水刺非織造產(chǎn)品,生產(chǎn)線產(chǎn)能達(dá)2700 kg/h,有4種可供選擇的幅寬,也可根據(jù)地點(diǎn)的不同設(shè)定機(jī)器的具體方位。此套生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和安裝均以節(jié)約維護(hù)、運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用為第一原則。據(jù)了解,該機(jī)器安裝只需4周就可完成,隨后4周完成調(diào)試,該生產(chǎn)線生產(chǎn)效率可達(dá)到預(yù)期的92%。此外,JETlace Essentiel生產(chǎn)線采用可循環(huán)使用水技術(shù),可循環(huán)99%的水資源,能有效降低成本。

目前,世界各地正在使用的Rieter Perfojet水刺生產(chǎn)線有150多套。Rieter Perfojet是唯一可同時(shí)提供紡絲成網(wǎng)與水刺2種技術(shù)的公司,利用這2種技術(shù)相結(jié)合的工藝方法,Rieter Perfojet開發(fā)了SPUNjet生產(chǎn)線。此生產(chǎn)線生產(chǎn)的水刺非織造布首次同時(shí)獲得蓬松度、柔軟性、抗拉強(qiáng)力和MD∶CD值接近1的性能。該工藝方法提高了水刺非織造布的質(zhì)量,增加了水刺非織造布的種類,提高了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力[8]。

1.3 特呂茨勒公司

特呂茨勒集團(tuán)是全球領(lǐng)先的紡織機(jī)械制造商之一,是紡紗準(zhǔn)備、非織造和人造纖維行業(yè)設(shè)備系統(tǒng)制造及紡織機(jī)械零部件制造的專家[9]。

特呂茨勒非織造公司與福伊特造紙公司攜手,開發(fā)、提供濕法水刺非織造布成套方案。福伊特公司是造紙行業(yè)的先行者,而濕法成網(wǎng)非織造布的成網(wǎng)方式與造紙類似,即將纖維和水的懸浮液過濾到穿孔帶上,形成均勻的纖維網(wǎng)。特呂茨勒AquaJet水刺設(shè)備可以獲得完美纏結(jié)的非織造布,且可根據(jù)需要進(jìn)行提花。通過仔細(xì)選擇纖維原料以及設(shè)備的配制,生產(chǎn)出了具有較高濕強(qiáng)的非織造布,只含纖維,不含任何化學(xué)添加劑,高比例的木漿有助于非織造布的可沖散性,少量使用的再生木質(zhì)纖維確保了非織造布的濕強(qiáng)。該產(chǎn)品據(jù)稱是第一個(gè)可在水中分散、使用后可100%降解的非織造布。該產(chǎn)品使用的纖維原料價(jià)格較低或適度,濕強(qiáng)較好且觸感柔軟。目前,福伊特的水壓成型器(HydroFormer)與特呂茨勒非織造板塊的AquaJet、烘干機(jī)、卷取機(jī)以及后道的水處理及纖維回收裝置形成了一個(gè)具有強(qiáng)大競(jìng)爭(zhēng)力的生產(chǎn)線組合,且已不局限于生產(chǎn)濕巾[10]。

特呂茨勒自主研發(fā)的高剛性水刺頭(見圖1)能夠承受高達(dá)40 MPa的水壓,水刺頭內(nèi)部無過濾器,無湍流的雙腔室設(shè)計(jì),流體優(yōu)化,用于水針板的O型自密封圈設(shè)計(jì)可以達(dá)到較低壓力,生產(chǎn)完美的產(chǎn)品,也可以達(dá)到節(jié)能減排的作用。

圖1 水刺頭

特呂茨勒非織造公司可以提供模塊化的Aqua-Jet水刺單元,能切實(shí)地針對(duì)不同產(chǎn)品和材料進(jìn)行配套,獨(dú)特、快速、高效。根據(jù)產(chǎn)品和材料的不同,水刺設(shè)備的加持系統(tǒng)、脫水系統(tǒng)、水刺頭的數(shù)量和位置可以自由設(shè)計(jì)。AquaJet水刺機(jī)能夠有效地對(duì)纖維進(jìn)行纏結(jié)、提花和打孔。在生產(chǎn)中,設(shè)備維護(hù)簡(jiǎn)便、易操作,實(shí)用性也是其重要優(yōu)勢(shì)。

2 國(guó)內(nèi)非織造水刺設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 概況

國(guó)內(nèi)水刺機(jī)自20世紀(jì)90年代開始引進(jìn),21世紀(jì)前后至少安裝了10條水刺法非織造生產(chǎn)線,多為進(jìn)口現(xiàn)代化設(shè)備,投入運(yùn)行后,主要供應(yīng)迅速發(fā)展的革基布、揩布和醫(yī)療用品市場(chǎng)。據(jù)中國(guó)產(chǎn)業(yè)用紡織品行業(yè)協(xié)會(huì)水刺非織造分會(huì)統(tǒng)計(jì),截至2015年末,國(guó)內(nèi)共有水刺法非織造布制造企業(yè)123家,水刺法非織造生產(chǎn)線249條,比2010年的160條增加55.63%,年均增長(zhǎng)9.25%;產(chǎn)能達(dá)到71.2萬t,比2010年的32.5萬t增長(zhǎng)119.08%,年均增長(zhǎng)16.98%;實(shí)際產(chǎn)量約為49.8萬t,比2010年的23.2萬t增長(zhǎng)114.66%,年均增長(zhǎng)16.51%,水刺法非織造布占國(guó)內(nèi)非織造布比例達(dá)10.27%,比2010年提高約2個(gè)百分點(diǎn)[11]。我國(guó)水刺法非織造布產(chǎn)能走勢(shì)見圖2。

圖2 我國(guó)水刺非織造布產(chǎn)能走勢(shì)

水刺法非織造布是非織造布中技術(shù)含量高、產(chǎn)品風(fēng)格好、應(yīng)用領(lǐng)域廣、備受消費(fèi)者青睞的品種之一。水刺技術(shù)通過與不同工藝、不同纖網(wǎng)、不同原材料進(jìn)行復(fù)合,可生產(chǎn)出高性能、多功能性產(chǎn)品,進(jìn)一步提升了水刺非織造布產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域及附加值[12]。

我國(guó)紡織企業(yè)中的上市公司年報(bào)或招股說明書顯示,我國(guó)紡織產(chǎn)業(yè)有3個(gè)弱點(diǎn):① 產(chǎn)品以中低檔為主,附加值不高;② 出口方式一般為代工(OEM)或貼牌(ODM),幾乎無自有品牌(OBM);③幾乎無專利特許的出口。所以,我國(guó)紡織產(chǎn)業(yè)在全球價(jià)值鏈的3個(gè)環(huán)節(jié)中具有比較優(yōu)勢(shì)的仍是生產(chǎn)環(huán)節(jié),在技術(shù)研發(fā)、品牌營(yíng)銷等環(huán)節(jié)還處于相對(duì)劣勢(shì)[13]。國(guó)內(nèi)制造的水刺非織造布成套設(shè)備與國(guó)外先進(jìn)設(shè)備相比仍有一定的差距,主要表現(xiàn)在設(shè)備可靠性低,自動(dòng)化、信息化程度低,工程工藝水平低等方面。目前,主要水刺生產(chǎn)線設(shè)備制造商為恒天重工股份有限公司鄭州紡機(jī)工程技術(shù)有限公司和常熟市飛龍無紡機(jī)械有限公司。

2.2 恒天重工股份有限公司

2017年5月,由恒天重工等單位設(shè)計(jì)制造的“寬幅高產(chǎn)水刺法非織造布成套裝備”通過科技成果鑒定[14]。其推出的水刺機(jī)具有模塊化設(shè)計(jì),不同模塊可按用戶需求進(jìn)行組合,滿足差異化要求;水刺頭壓力高達(dá)50 MPa,可滿足牛皮纖維水刺、針刺布修面等生產(chǎn)要求;采用直軸式抽吸輥筒,透孔率更大,腔內(nèi)負(fù)壓均勻穩(wěn)定,抽吸效果好,具有更低的能源消耗;運(yùn)用整體狹縫式水流通道,水刺更均勻穩(wěn)定;采用水壓自密封形式,密封穩(wěn)定可靠,水刺板更換方便快捷。

恒天重工新型水循環(huán)處理系統(tǒng)適用于將水刺后的污水進(jìn)行回收處理并循環(huán)利用,通常包括氣水分離器、抽吸風(fēng)機(jī)、平流氣浮、砂過濾、單袋過濾、儲(chǔ)水器、高壓泵、球形緩沖器及配套管路。利用抽吸風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的負(fù)壓水刺機(jī)抽吸輥筒或抽吸箱內(nèi)的氣水混合物抽吸到脫水機(jī),在罐體內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)氣水分離。抽吸效率高,抽吸負(fù)壓最高可達(dá)40 kPa。氣浮過濾、砂過濾和單袋過濾組成的多重過濾系統(tǒng),配合水刺頭濾芯的使用,保證水刺用水品質(zhì),減少水針板的堵塞概率。高壓泵變頻控制,方便調(diào)整供水壓力,最高達(dá)50 MPa。合理的管路設(shè)計(jì)和球形緩沖器的使用,保證供水壓力穩(wěn)定,供水管道振動(dòng)小。此系統(tǒng)幾乎可以實(shí)現(xiàn)水刺用水的100%循環(huán)使用[15]。

圓網(wǎng)烘燥機(jī)采用圓網(wǎng)熱風(fēng)穿透式烘干,圓網(wǎng)直徑為1400 mm,1900 mm。加熱方式多樣,如油加熱,飽和蒸汽、天然氣直燃。全機(jī)密封性能好,高效循環(huán)風(fēng)機(jī),抽吸力強(qiáng),風(fēng)量大,熱風(fēng)利用率高。烘房?jī)?nèi)部與熱風(fēng)接觸部分全采用304不銹鋼。參數(shù)模塊化設(shè)計(jì),可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)數(shù)、加熱方式、幅寬等快速組合。

根據(jù)產(chǎn)品適用性的不同,鄭紡機(jī)目前已開發(fā)研制出的水刺生產(chǎn)線主要有:雙梳直鋪水刺生產(chǎn)線、兩梳一鋪水刺生產(chǎn)線、兩梳兩鋪水刺生產(chǎn)線和用于純棉水刺的纖維脫脂生產(chǎn)線。

2.3 常熟市飛龍無紡機(jī)械有限公司

常熟市飛龍無紡機(jī)械有限公司專注非織造工程技術(shù)研發(fā)30多年,已向國(guó)內(nèi)外企業(yè)提供百余條水刺生產(chǎn)線,為我國(guó)水刺行業(yè)發(fā)展作出了顯著貢獻(xiàn)。未來,飛龍無紡機(jī)械的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)非織造機(jī)械的智能化,爭(zhēng)取將目前生產(chǎn)線減少到一條線一個(gè)人,使生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)智能化控制、生產(chǎn)預(yù)警等功能[16]。

飛龍F(tuán)LL-BG118型水刺法非織造生產(chǎn)線機(jī)幅有2.2 m～4.0 m多種選擇,其布卷的速度可以達(dá)到80 m/min。整條生產(chǎn)線的配置方案為:梳理成網(wǎng)+交叉鋪網(wǎng)+水刺。此條生產(chǎn)線采用數(shù)字通訊總線,較傳統(tǒng)模擬控制具有更高的控制精度和抗干擾性,采用閉環(huán)矢量控制,速度精度高,傳動(dòng)輥間的高精度同步保證產(chǎn)品張力恒定,防止意外牽伸。水刺頭采用進(jìn)口不銹鋼材料,內(nèi)置穩(wěn)壓過濾裝置。供水系統(tǒng)有低壓輸出、精濾、高壓泵、穩(wěn)壓器、防腐高壓管輸出,水刺頭流量由壓力PLC自動(dòng)控制。該生產(chǎn)線產(chǎn)品主要有濕巾、擦拭布、美容護(hù)膚、醫(yī)用衛(wèi)生、皮革及植絨布基材料,等。

飛龍F(tuán)LL-BG116型水刺法非織造布生產(chǎn)線的布卷速度可高達(dá)150 m/min。生產(chǎn)線的配置方案為:梳理+高速雜亂成網(wǎng)+水刺。工藝流程:高速雜亂梳理→高速雜亂梳理+合并→水刺→圓網(wǎng)烘燥→在線監(jiān)測(cè)→卷取。高速雜亂型梳理機(jī)MD∶CD可達(dá)3∶1。該生產(chǎn)線生產(chǎn)的產(chǎn)品松軟,主要有濕巾、衛(wèi)生擦拭材料等。此外,該公司還有FLL-BG200型水刺生產(chǎn)線,生產(chǎn)可降解、可沖散環(huán)保水刺布;FLL-BG220型水刺生產(chǎn)線可生產(chǎn)面膜、化妝棉和女性護(hù)理產(chǎn)品,等。

3 國(guó)內(nèi)水刺技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

3.1 智能化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)

放眼全球紡織行業(yè)生產(chǎn)過程,近年來取得的技術(shù)成果主要體現(xiàn)在工序間的連續(xù)化、操作過程的自動(dòng)化、生產(chǎn)管理的信息化等方面[17]。我國(guó)的科研工作者在自動(dòng)化水刺生產(chǎn)線研究方面取得一定的成果。近年來無人化工廠是發(fā)展的一大趨勢(shì),也是“中國(guó)制造2025”發(fā)展戰(zhàn)略的方向。智能化水刺生產(chǎn)線是傳統(tǒng)紡織工藝技術(shù)與現(xiàn)代電子信息技術(shù)的跨學(xué)科融合,將傳感、通信、人工智能等新技術(shù)引入水刺生產(chǎn)過程形成的高科技產(chǎn)品。同時(shí),水刺生產(chǎn)線引入企業(yè)資源計(jì)劃(ERP),形成智能化水刺生產(chǎn)線是未來的一大發(fā)展趨勢(shì)。

實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)計(jì)劃智能化、上料智能化、水刺智能化、搬運(yùn)智能化、包裝智能化和存儲(chǔ)智能化是實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)線的基礎(chǔ),再運(yùn)用ERP系統(tǒng)把現(xiàn)有生產(chǎn)線上的各類智能化紡機(jī)串聯(lián)起來就實(shí)現(xiàn)了智能化水刺生產(chǎn)線。

3.2 現(xiàn)有水刺生產(chǎn)線并行發(fā)展

現(xiàn)有水刺生產(chǎn)線種類繁多,型號(hào)各異,而水刺生產(chǎn)線的多樣化是由產(chǎn)品的多元化決定的,鑒于產(chǎn)品的多元多樣,各型水刺生產(chǎn)線才會(huì)在行業(yè)內(nèi)都占領(lǐng)著特有的市場(chǎng),只有保證現(xiàn)有水刺生產(chǎn)線的并行發(fā)展,才能不被多元的市場(chǎng)淘汰。

3.3 節(jié)能化設(shè)計(jì)

節(jié)能化設(shè)計(jì)包含機(jī)械輕量化設(shè)計(jì)和降低水刺能耗設(shè)計(jì)。

輕量化設(shè)計(jì)包括結(jié)構(gòu)動(dòng)力優(yōu)化設(shè)計(jì)、新材料的選取和多學(xué)科的綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)等。我國(guó)的機(jī)床行業(yè)正在順應(yīng)時(shí)代潮流,響應(yīng)國(guó)家可持續(xù)發(fā)展政策,為此我國(guó)的裝備制造企業(yè)必須突破傳統(tǒng)制造業(yè)的瓶頸,努力研發(fā)新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝等來推動(dòng)裝備制造業(yè)向綠色、健康、節(jié)能、高效、高產(chǎn)的方向發(fā)展。國(guó)家現(xiàn)在提倡綠色制造、綠色生產(chǎn),水刺機(jī)的生產(chǎn)制造環(huán)節(jié),綠色節(jié)能顯得愈加重要。

水刺加固是非織造生產(chǎn)中應(yīng)用較廣泛的一種技術(shù),水刺機(jī)的幅寬和水刺頻率直接影響產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量,因此,水刺壓力很重要,意味著要付出很高的能量消耗。水刺機(jī)水刺耗能占整條生產(chǎn)線的80%以上。

水刺生產(chǎn)線設(shè)備運(yùn)動(dòng)部件實(shí)行輕量化設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)備減重、節(jié)能和提升設(shè)備的動(dòng)力學(xué)性能及可靠性有一定的指導(dǎo)意義。

3.4 降低生產(chǎn)成本

目前國(guó)內(nèi)水刺法生產(chǎn)成本主要有原材料、能源消耗、人力等,其中占比最大的是原材料,原材料占比超過水刺法非織造布總成本的1/2。盡量減少切邊量、減少非正常停機(jī)時(shí)間、提高生產(chǎn)線的可靠性、科學(xué)安排加工品種等都可以有效的降低原材料成本,從而快速拉低總成本,提高制成率。提高生產(chǎn)線的整體自動(dòng)化、智能化可以有效的控制能源消耗和人力成本。

因此,在制造水刺生產(chǎn)線時(shí),考慮降低水刺生產(chǎn)成本的因素也是未來的一大趨勢(shì),以有效地提高水刺生產(chǎn)線在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。

4 結(jié)語

我國(guó)水刺生產(chǎn)線設(shè)備在未來各機(jī)型實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的前提下,保持并行發(fā)展,形成全面自動(dòng)化、智能化水刺生產(chǎn)線,是未來市場(chǎng)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。為了實(shí)現(xiàn)水刺機(jī)穩(wěn)定高效、節(jié)能減排是今后的研究熱點(diǎn)。從環(huán)保、綠色生產(chǎn)的角度,使用新材料、水刺生產(chǎn)新工藝、降低水刺非織造布的生產(chǎn)成本是我國(guó)水刺生產(chǎn)線提升與發(fā)展的必由之路。我國(guó)非織造行業(yè)智能化程度還不夠高,水刺生產(chǎn)線上的設(shè)備智能化發(fā)展空間大,行業(yè)內(nèi)自動(dòng)化、智能化的普及必然是未來發(fā)展的一大趨勢(shì)。