口罩用聚丙烯熔喷布生产设备常见质量问题分析

2021-08-21罗广恒李志宏尹志宏翁继聪

机电工程技术 2021年12期

罗广恒李志宏尹志宏翁继聪

摘要：生产口罩的关键材料为聚丙烯熔喷布，熔喷法是生产该材料最主流的生产工艺。受新冠肺炎疫情影响，2020年初口罩需求量激增，导致其关键材料—聚丙烯熔喷布供不应求，价格波动剧烈，不少商家转行生产聚丙烯熔喷布。同时，不少机械厂也转行生产熔喷布生产设备。然而，由于该类机械厂经验及质量水平不足，导致这些企业所生产的熔喷布生产设备的质量普遍较差。而使用方缺乏生产经验，对于一些常见问题无法解决。因此，针对聚丙烯熔喷布生产设备的质量纠纷层出不穷，大量不达标聚丙烯熔喷布的出现也会造成社会资源浪费和资金流失。为解决上述矛盾，从设备安全和性能两个角度出发，分析聚丙烯熔喷布生产线的常见质量问题，并试探性地给出一些解决问题的建议。

关键词：口罩;聚丙烯熔喷布;质量问题

中图分类号：TS103文献标志码：A文章编号：1009-9492（2021）12-0301-03

Analysis of Common Quality Problems of Polypropylene Melt-blown Cloth Production Equipment for Face Mask

Luo Guangheng ，Li Zhihong ，Yin Zhihong ，Weng Jicong（Guangdong Testing Institute of Product Quality Supervision， Foshan， Guangdong 528300， China）

Abstract： The key material in the production of masks is polypropylene melt-blown cloth， and melt-blown method is the most mainstream production process. Affected by Covid-19， the demand for masks increased rapidly in early 2020， resulting in a shortage of key material polypropylene melt blown fabric and price volatility. Many businesses switched to polypropylene melt spray cloth. At the same time， many machinery factories have also switched to the production of melt blown cloth production equipment. However， due to the lack of experience and quality level of such machinery plants， the quality of melt blown cloth production equipment produced by these enterprises is generally poor. The user lacks production experience and cannot solve some common problems. Therefore， the quality disputes of polypropylene melt blown cloth production equipment emerge one after another. The emergence of a large number of substandard polypropylene melt blown cloth will also cause a waste of social resources and loss of funds. In order to solve the above contradiction，the common quality problems of polypropylene melt blown cloth production line from the perspective of equipment safety and performance were analyzed， and some suggestions to solve the problems were tentatively given.

Key words： mask; polypropylene melt blown cloth; quality problem

0 引言

聚丙烯熔噴布是制造口罩的核心材料，由专用的生产设备使用熔喷工艺制成。受新冠疫情影响，2020年初口罩需求量急剧增加，导致聚丙烯熔喷布供不应求，价格飞涨，需求激增也直接影响生产设备的价格。2020年2—5月，聚丙烯熔喷布的生产设备供不应求，售价暴涨，从原来的十多万涨至数十万甚至数百万，甚至出现有价无市、一机难求的局面。在高额利润的刺激下，熔喷布生产设备的制造企业数量也大量增加，很多企业根据设备的结构，直接采购其配件进行简单组装直接出售。然而，由于设备生产方经验及水平不足，没有足够的能力调试机器，导致这些熔喷布生产设备的企业质量水平普遍较低，许多厂家销售后不能提供正常的设备调试服务，同时使用方也因经验不足，设备运行异常的问题无法得到解决，激发了供需双方的矛盾。因此，2020年下半年起围绕生产设备产生的质量纠纷层出不穷，因设备问题生产出来的不达标熔喷布也大量出现，造成社会资源浪费和资金流失。质量低熔喷布生产设备会直接影响到熔喷布的生产效率及其成品质量，甚至会存在安全隐患。因此，有必要对聚丙烯熔喷布生产设备常见的质量问题进行综合分析。本文将从设备的安全、性能及成品质量等角度分析聚丙烯熔喷非织造布生产设备的常见质量问题，并且试探性给出部分解决方案。

1 熔喷布生产设备

聚丙烯熔喷布是将聚丙烯粒料使用熔喷工艺经熔喷布生产设备制成的片材。熔喷法是目前熔喷布的主流生产工艺，其工艺原理是将聚合物熔体从熔喷模头喷丝孔挤出，形成熔体细流，同时，喷丝孔两侧的高速高温气流对熔体细流进行喷吹与拉伸，从而细化成细度只有1～5μm的细丝[1]，而后细丝被热气流拉断成长约45mm 的短纤维，通过真空抽吸装置，以均匀收集，纤维依靠自黏特性形成熔喷布[2]。生产过程主要有：聚合物的喂入-熔融后挤出-原料过滤-原料计量-喷丝-成网-静电驻极-后加工（裁切）-卷取-成品。为了完成熔喷布的生产流程，熔喷布生产设备主要由上料机、塑料挤出机、换网装置、熔体计量泵、热风系统（热风机与加热器）、熔喷模头、成网机、吸风机、驻极装置、收卷分切装置和电气控制系统等组成[3]。

2 口罩用熔喷布生产设备质量问题

疫情初期，由于熔喷布需求量大，导致价格暴涨，高利润导致不少商家转行生产熔喷布，导致生产设备供不应求，甚至出现一机难求的局面，促使大量的设备制造厂转型生产口罩用熔喷布的生产设备。然而，新入行的设备生产和使用双方缺乏对其使用及调试均经验，双方纠纷伴随着设备质量问题频频出现而产生。此外，由于原料或设备问题使得一大批质量不达标的熔喷布出现，造成原料的浪费以及生产者财产损失，影响熔喷布行业的健康发展。对于熔喷布生产设备，常见的质量问题可分为安全问题及性能问题。

安全问题是指熔喷布生产设备存在安全隐患，如机械安全隐患，电气安全隐患，热安全隐患等。性能问题则是指在生产过程中设备出现一些影响正常生产的问题，如物料外溢，产品厚度不均匀，产品过滤率不达标等。

2. 1 设备安全问题

安全问题是绝大部分聚丙烯熔喷布生产设备或多或少都会出现的质量问题，尽管这个问题一般不是设备的使用方和生产方产生纠纷的内容，监管部门在处理时均以设备安全问题为首。在实际生产中，熔喷布生产设备常见的安全隐患主要有机械安全隐患、电气安全隐患、热安全隐患等。

2. 1. 1 机械安全隐患

机械安全隐患指聚丙烯熔喷布生产设备在运行过程中，人体进入危险区或触及危险运动部件时造成物理伤害的安全隐患。产生该隐患主要原因是防护不到位，生产厂家常因成本控制、操作便利等原因忽视对危险部件的防护。如图1所示，挤出机部分的主电机、减速器及传动皮带等运动部件属于危险部件，但缺乏防护，存在伤人的可能。

因此，对于危险运动部件，生产厂家在制造设备时，应给予足够的防护，配置适当的防护罩或其他安全措施，减少人与部件接触的可能性。例如，位于电机和减速器之间的驱动轴和连接器以及传动带应使用固定式防护装置进行防护[4]，如图2所示。

此外，生产厂家在设计安全防护装置时，应考虑该装置在设计、维护和使用过程中存在的潜在危险，如挤压、剪切、紧固件松动等[5]。

对于一些可能造成压力过高的部件如熔体/齿轮泵、熔体连接体、挤出机头等，需要提供过压保护防止超过标示的最大允许内压。

2. 1. 2 电气安全隐患

电气安全隐患在熔喷布生产设备的生产和使用中较容易出现。由于熔喷布生产设备电路接线不规范或部件质量不足等原因，设备可能存在触电以及损坏的隐患。例如，设备接地不规范，设備在通电时，可能会使外壳带电，触碰外壳可使人触电。没有配置过载、过流等电路保护器件，在设备运行时出现过载、过流、短路等情况时可能会损坏设备电机等部件。

为消除电气安全隐患，熔喷布生产设备在设计电路时应参照国家标准。例如，外露可导电部件均应接地，接地线色标应统一且保证绝对专用，并使用端子连接。动力电路、控制电路均应设置过电流保护;额定功率大于0. 5 kW的电机应配备过载保护[6]。

此外，原料及制品在生产过程中与设备摩擦产生静电电荷储存在设备中，累积到一定程度，人体接触设备会触电。因此，这些区域也需进行接地或通过接地的导体表面进行放电。

2. 1. 3 热安全隐患

热安全隐患体现发热部件无绝热措施，造成表面接触温度过高，易烫伤。熔喷布生产设备的人体可接触热表面基本为金属表面。如图3所示，人体对金属热表面可接触温度的极限值为70℃，同时人体皮肤接触表面时的烧伤阈 Ts 会随着时间 t 的增大而降低[7]。

然而，熔喷布生产设备的高温部件如料筒、熔喷模头、换网装置等发热表面常常会高于人体可接触的极限温度。设备的工作温度一般在200℃以上，而这些发热部件的表面均在70℃以上，甚至达到150℃以上（如熔喷模头）。对于这些发热部件，应在其表面包覆绝热材料或阻挡装置防止人员烫伤。而因操作原因无法进行防护的热表面，应加上警告标示，并在交付使用时告知相关操作人员，以免造成烫伤。

2. 2 设备性能问题

设备性能问题是熔喷布生产设备的使用方和生产方产生质量纠纷的内容。对于熔喷布生产设备，主要的性能问题有物料外溢，产品过滤率不达标等。

2. 2. 1 物料外溢

当熔喷布生产设备没有配备换网装置和过压保护装置时，就存在物料外溢的可能性。设备没有配备换网装置，杂质会堵塞熔喷模头的模孔，使熔体压力升高，当熔体压力超过料腔承压限值且没有过压保护时，熔融的物料会从部件连接处的缝隙溢出，影响设备性能，严重时会损坏部件。

为解决上述问题，需要配置换网装置和压力保护装置。换网装置一般安装在般位于机筒和熔体泵之间，主要用于滤除前系统设备脱落的异物、未熔融物料和熔融物料中的杂质等[8]。换网装置在设备运行时需定期更换滤网，以保证过滤效果。过压保护装置一般使用高温熔体压力传感器，分别安装在该装置通过把熔体压力变量转换成电阻变量，通过换算得出熔体压力值，实现监控熔体压力的功能[9]。

2. 2. 2 产品过滤率不达标

过滤率是口罩的关键指标。口罩作为疫情期间不可或缺的个人防护用品，在疫情防控中发挥了重要作用。保持社交距离和佩戴口罩也是中国在多次出现疫情时能在短时间内取得抗疫胜利的重要经验[10]。疫情期间人们一般佩戴的是医用防护口罩，该类口罩要求过滤率在95%以上[11]。口罩过滤率是否达标，取决于其关键材料聚丙烯熔喷布的过滤率。

作为口罩的关键材料，聚丙烯熔喷布的作用是过滤细菌、病毒等细小颗粒物[12]。目前市场上常见的医用防护口罩一般分为3层和5层，表层用无纺布（S层）作为支撑保护层，芯层用熔喷层（M层）增强口罩的过滤效果[13]。可见，口罩的熔喷层过滤率决定口罩产品整体的过滤效果。然而，由于多方面原因，许多新入行生产熔喷布的企业所造的产品过滤率不达标，造成资源浪费及财产损失。从生产工艺流程来看，熔喷布过滤率不达标主要原因：生产熔喷布的原料不达标;熔喷布的参数不合理。解决上述问题，应从原料配方和熔喷模头入手。

（1）原料配方

生产熔喷布的主要原料是以聚丙烯为主要原料，以二叔丁基过氧化物（ DTBP ）为降解剂，经改性制得的聚丙烯熔喷专用料，其特性为较高的熔体质量流动速率。聚丙烯熔喷专用料的流动速率通常分为450 g/10min、1000 g/10 min、1200 g/10 min、1300 g/10 min、1500 g/10 min[14]。作为生产口罩熔喷层的聚丙烯熔喷专用料，需要较高的流动性，其流动速率应不小于1200 g/10min。

然而，仅使用上述聚丙烯熔喷专用料生产并不足以使熔喷布过滤率达标，还需对其进行静电驻极处理。熔喷布的过滤机理有两种：机械过滤和静电吸附[15]。仅凭机械过滤的话过滤率一般不到50%，不足以达到口罩使用的要求。因此，在生产过程中还需对其进行静电驻极处理。

经静电驻极处理的熔喷布带有电荷，可对气溶胶颗粒产生高效的吸附效果，结合机械过滤可使熔喷布过滤率大大提高[16]。不过，聚丙烯材料储存电荷的能力不足，在短时间内会电荷量会大量流失造成静电衰减，严重影响材料的过滤效果和使用寿命。

对于这种情况，行业通常做法是添加一定比例的驻极母粒使原料改性。添加驻极母粒不会改变纤维形态，但能提高静电过滤性能的稳定性，其原理是：增加熔喷无纺布中电荷捕集能阱的密度和深度，有效释放负离子和储存电荷达到提高熔喷布的综合滤效和抗热衰减的性能，同时，由于静电作用会使熔喷布材料结构变蓬松，过滤阻力也会相应降低。驻极母粒含量一般为2%～5%，具体由熔喷布生产企业按实际情况确定。

（2）熔喷模头

熔喷模头是熔喷布生产设备的关键部件。熔喷模头的参数和精度对形成的布料具有决定性的影响。熔喷模头的设计和精度直接影响熔喷丝的孔径、纤维细度和均匀性，这些参数直接影响熔喷布的过滤性能。在设计上，模头的流道结构型式主要有衣架式、T 字型、管路分配式和鱼尾式等[17]。

熔喷模头在加工上的难点在于喷丝孔及内部流道的加工，而喷丝孔作为熔喷丝成型的终端，是熔喷模头最核心，也是加工难度最大的地方。一般熔喷设备要求喷丝孔直径在0.50 mm以下，而生产口罩用的熔喷模具喷丝孔要求更高，直径在 0.20 mm 以下。在加工喷丝孔时，需保证其精度，与喷丝质量有关的精度包括：喷丝孔各孔的直径偏差、长度偏差、圆度、圆柱度、表面粗糙度、各孔的位置度、孔内同轴度等。除此之外，导风板及喷丝板在装配时与模头间的平行度也对熔喷布的出丝质量和效率有重要影响。检验相关精度需要用到高精度的显微镜和专用测量工具，一般的模具加工厂不具备相关检测能力，在生产的时候凭经验加工，无法判断精度是否合格。因此，熔喷布生产设备的生产企业在采购熔喷模头时宜送到具有相关检测资质的机构检测，作为验收依据。

3 结束语

本文从设备安全及性能角度分析口罩用聚丙烯熔喷布生产设备在生产过程中常见的质量问题，设备常存在的安全问题包括机械安全隐患、电气安全隐患、热安全隐患，常存在的性能问题包括物料外溢、产品过滤率不达标。

对于机械安全隱患，可加上相应安全防护装置;对于电气安全隐患，可对外露导电部件及可能产生静电的区域接地，并配备过电流、过载保护装置;对于热安全隐患，在其热表面包覆绝热材料隔热，因操作原因不能隔热的则应加上警告标示;对于物料外溢问题，应对设备配备换网装置及过压保护装置，换网装置须定期更换滤网;对于产品过滤率不达标问题，可根据生产工艺对原料配方加以调整，此外，应使用设计及精度符合要求的熔喷模头。

参考文献：

[1] 黄景莹.改性熔喷聚丙烯非织造布的制备和性能研究[D].上海：东华大学，2012.

[2] 赫连晓伟，曾泳春.熔喷工艺参数对纤维直径的影响[J].东华大学学报（自然科学版），2012，38（4）：367-372.

[3] 李振军.聚丙烯熔喷法非织造布发展现状（上）[J].橡塑技术与装备，2020，46（20）：25-29.

[4] GB 25431.1-2010，橡胶塑料挤出机和挤出生产线第1部分：挤出机的安全要求[S].

[5] GB/T 30574-2014，机械安全安全防护的实施准则[S].

[6] GB/T 5226.1-2019，机械电气安全机械电气设备第1部分：通用技术条件[S].

[7] GB/T 18153-2000，机械安全可接触表面温度确定热表面温度限值的工效学数据[S].

[8] 马春叶，杜勇.大型挤压机在线自动换网装置在TRICON控制系统中的应用[J].中国仪器仪表，2020（8）：51-55.

[9] 阎宝瑞，朱毅军，郭奕崇，等.挤出过程高温熔体压力传感器的几个应用问题[J].中国塑料，1999（2）：95-99.

[10] 刘克洋，刘思敏，王丹，等.医用外科口罩和防护口罩生物气溶胶过滤效率的评价[J].医疗卫生装备，2021，42（4）：50-57.

[11] GB 19083-2010，医用防护口罩技术要求[S].