PTFE纤维专用梳理机的设计与试验

郑依铭 张旭东 吴海波

1. 东华大学 纺织学院，上海 201620；2. 江苏东方滤袋股份有限公司，江苏 盐城 224400

聚四氟乙烯(PTFE)纤维具有优异的耐热和耐化学性能[1-2]，其经梳理成网和针刺加固后制成的耐高温烟尘过滤材料，在垃圾焚烧烟气净化领域发挥着重要作用[3-4]。但PTFE纤维导电效应极弱，这与PTFE纤维的分子链构象为全氟化螺旋状直链，聚集态结构为高度结晶状有关[5]。电荷一旦被PTFE纤维获得便难以再逸散出去，且电荷会不断累积，导致材料静电压较高[6]。故PTFE纤维在梳理过程中会因与金属机件间不可避免的摩擦而造成强烈的静电效应，从而引发纤维结团、绕辊、起毛粒，甚至导致纤网出现破洞等问题。

目前，解决PTFE纤维梳理困难的办法主要是将PTFE纤维与其他纤维混合。例如，杜邦公司将细直径的玻璃纤维与PTFE纤维混合，生产出了Tefaire过滤毡[7]；厦门三维丝环保工业有限公司开发了聚酰胺纤维(P84)/PTFE复合针刺过滤毡[8]。但混纺会影响PTFE过滤材料的耐腐蚀性能，因此有学者对纯PTFE纤维梳理过程中静电的产生与逸散机制进行了研究。例如：郑帼等[9]、陈锡勇等[10]提出，通过合理使用抗静电剂和水，保持生产车间一定的温度与湿度，使设备接地等方法，能有效消除纤维上的静电；罗章生[11]指出，梳理过程使用高密矮浅的针布并配合低速强效的分梳参数，能减少电荷的产生。但实际应用发现，采用常规非织造梳理机梳理PTFE纤维时，仅改善车间环境和分梳参数，效率低、转移难、成网差等问题依旧存在。为此，奥特发公司通过在单锡林罗拉式梳理机上加装特别的清洁装置，安德里茨公司通过在单锡林罗拉式梳理机上加装消除静电的装置，实现了PTFE纤维的顺利梳理，而有关采用弹性针布和风轮的PTFE纤维专用梳理机却鲜有报道。

本文将提出一种PTFE纤维专用梳理机，通过优化梳理流程，以解决PTFE纤维梳理效果差的问题。

1 PTFE纤维专用梳理机

1.1 梳理机结构与工作原理

针对PTFE纤维梳理时易聚集电荷且静电压高、成网困难等问题，本文设计了一种带风轮的PTFE纤维专用梳理机。该梳理机的原型为双锡林罗拉式梳理机，改进后的PTFE纤维专用梳理机机构示意如图1所示，工作单元参数归纳于表1。梳理机的胸锡林区域采用金属针布，承担着对PTFE纤维进行开松和初步梳理的工作，能大幅度地减轻后序梳理单元的负担。梳理机的主锡林区域配置弹性针布和负隔距的风轮，以减少电荷的产生，增强对纤维的转移。

1——喂棉罗拉；2——刺辊；3——胸锡林；4——剥取罗拉；5——工作罗拉；6——清洁辊I；7——转移辊；8——主锡林;9——弧形盖板；10——上挡风辊；11——风轮；12——下挡风辊；13——清洁辊Ⅱ；14——罩壳；15——道夫；16——斩刀。图1 PTFE纤维专用梳理机的机构示意(图中隔距的单位为mm)

利用PTFE纤维专用梳理机梳理时，PTFE纤维经输网帘喂入胸锡林区域，在开松和初步梳理后形成较分散的PTFE纤维。接着，PTFE纤维经转移辊喂入主锡林区域，在风轮的作用下，原先因静电作用而吸附在主锡林上的大量纤维被提升到主锡林的表面，接受道夫充分的梳理。最后，PTFE纤维被转移到道夫上，并由斩刀剥离至输网帘，形成均匀的纤网。

1.2 关键部件的设计

1.2.1 针布

金属针布的开松与梳理效果好，现已广泛应用于非织造梳理机上[12]。但PTFE纤维经金属针布开松和梳理后会产生大量的电荷，加之电荷又难以从PTFE纤维中逸散出去，故将导致PTFE纤维黏附在金属针布表面，影响进一步的梳理。此外，PTFE纤维强力低，金属针布易对其造成损伤，形成飞花等杂质。因此，在本文设计的PTFE纤维专用梳理机上，仅胸锡林区域使用金属针布(型号为NT5530×6415)，以减轻后序梳理单元的负担。主锡林区域使用梳理过程比较柔和的弹性针布，既减少了电荷的产生，又降低了对PTFE纤维的损伤。在本文设计的PTFE纤维专用梳理机中，主锡林使用远东牌29#型弹性针布，道夫使用远东牌30#型弹性针布。

1.2.2 弧形盖板

常规梳理机中，由主锡林和梳理单元组成的分梳区是主要的梳理工作区，但这并不适用于PTFE纤维的梳理。这是因为主锡林的速度很高，PTFE纤维在这样的分梳区将会因强烈的梳理作用而带上大量的电荷，并在主锡林表面凝聚形成厚实的纤维层，导致梳理效果差，甚至造成堵塞。

本文设计的PTFE纤维专用梳理机中，主锡林区域不配备梳理单元，其梳理作用在主锡林和道夫之间完成，既减少了静电的产生，又无需牺牲梳理机的工作速度，缺点是这会造成梳理机上方有很大的空间空缺，易形成湍流，故需在主锡林顶部安装弧形盖板，并使弧形盖板与针布表面尽量贴合，以起到控制气流的作用。

1.2.3 风轮及挡风辊

常规梳理机梳理PTFE纤维时将不可避免地积累静电，导致PTFE纤维黏附在主锡林的针齿深处，不能顺利地转移至道夫。

PTFE纤维专用梳理机在主锡林和道夫之间加装了一个风轮(图2)，起改善PTFE纤维转移效果的作用。风轮表面安装有梳针很长的弹性针布。这种针布能插入主锡林针布内部一定深度，并将主锡林针齿深处的纤维提升到主锡林表面，以利于纤维的充分梳理和转移。风轮附近配备上挡风辊与下挡风辊。两个挡风辊的旋转方向与主锡林的相反，起控制气流的作用。

图2 风轮装置

风轮及挡风辊安装时需注意风轮的转速、气流的分布，以及风轮针布插入主锡林针布的深度[13]：

(1)风轮转速宜超过主锡林转速 15%～30%，以实现对PTFE纤维的有效提升。风轮转速过大则会加速风轮针布的磨损，过小则会使主锡林负荷过高，导致主锡林及风轮损坏。

(2)主锡林和风轮的高速回转会产生强大的气流，令纤维运动紊乱，飞花增多。因此，PTFE纤维专用梳理机在此处上方采用了全封闭罩壳，其将风轮及上、下挡风辊罩在其中，且风轮与上挡风辊处的罩壳应尽量贴近针布表面，以利于对气流的控制。如图2所示，气流离开弧形盖板后将向主锡林-风轮的隔距点间喷射。上挡风辊能控制气流的流动，避免气流在主锡林-风轮上三角区形成涡流。且由于主锡林与风轮间为负隔距，部分气流将受到阻拦而向上移动形成气流A，另一部分气流将通过隔距点形成气流B进入主锡林-道夫上三角区。由于气流A会带动纤维从上挡风辊两端的间隙喷出，因此在上档风辊两端还需补充反向气流以降低纤维的损耗。

(3)风轮针布插入主锡林针布的深度影响着纤维的提升效果。但装配过程中很难直接观察到风轮针布的插入深度，可通过先在主锡林表面均匀撒上粉末以形成色带，再拨动风轮，此时风轮针布会因插入主锡林针布中而擦去一部分色带，最后根据主锡林表面擦去色带的弧长计算得到针布的插入深度。如图3所示，主锡林(含针布)半径为R(mm)，风轮(含针布)半径为r(mm)，主锡林与风轮的圆心距为a(mm)，针布插入深度为d(mm)，主锡林表面被风轮擦去色带的弧长为h(mm)，对应的弦长为l(mm)，对应的圆心角为θ(rad)。

图3 风轮与主锡林隔距示意

由图3可知，针布的插入深度d：

d=R+r-a

(1)

1.2.4 输出装置

为提高纤网的均匀性，纤维梳理时通常会进行杂乱处理。PTFE纤维易摩擦起电，且纤维间抱合力小，杂乱后纤网的均匀性很差，剥离这种纤网时易出现破洞、分层，导致最后无法成网。因此，为确保PTFE纤网的顺利输出，PTFE纤维专用梳理机后宜不再安装杂乱罗拉和凝聚罗拉，但可采取交叉铺网和多次梳理的方式进一步提高纤网的均匀性。

2 梳理试验

2.1 试验材料与设备

膜裂PTFE纤维，强度2.7 cN/dtex，线密度3～5 dtex，长度(50±5)mm。该纤维截面为扁平状，表面有沟槽，并分裂有细小的原纤。

PTFE纤维专用梳理机，简称梳理机1#；无胸锡林区的PTFE纤维专用梳理机，简称梳理机2#；KTPW150-150双帘夹持式铺网机，输出幅宽为150 cm，简称交叉铺网机1#；KTPW270-150双帘夹持式铺网机，可分段调速，输出幅宽为270 cm，简称交叉铺网机2#。

上述材料及设备皆由东方滤袋股份有限公司提供。

2.2 梳理铺网工艺

将膜裂PTFE纤维提前用高浓度的抗静电剂处理4 d。利用加湿器和热蒸汽控制车间环境温度达到20 ℃、相对湿度达到70%，以利于PTFE纤维梳理加工过程中静电的逸散。梳理铺网工艺流程：5 kg膜裂PTFE纤维→手动开松→梳理机1#→交叉铺网机1#→梳理机2#→交叉铺网机2#。梳理铺网机组工艺参数如表2所示。

表2 梳理铺网机组工艺参数

2.3 纤网性能测试及产能计算

使用CCD相机对制得的PTFE纤网的外观形态进行拍摄。

依据GB/T 24218.1—2009 《纺织品 非织造布试验方法 第1部分：单位面积质量的测定》标准，取5块500 cm2的PTFE纤网试样，称取质量，计算面密度，并按式(2)计算变异系数。利用变异系数表征PTFE纤网的不匀率。

(2)

根据梳理铺网机组每小时的产量计算产能。

2.4 测试结果与分析

2.4.1 外观形态

梳理铺网机组运转试验发现，梳理机1#和梳理机2#均能正常输出纯PTFE纤网，且没有出现绕辊和转移困难的现象。它们输出的纤网外观形态如图4所示，可以看出，梳理机1#输出的纤网表面存在少量的棉结，而梳理机2#输出的纤网基本无棉结，表观均匀性更好。

图4 梳理铺网机组中梳理机输出的纤网外观形态

2.4.2 面密度、纤网不匀率及产能

经计算得到，梳理铺网机组中，梳理机1#输出纤网的面密度为50 g/m2，纤网不匀率为9.10%；交叉铺网机1#输出纤网的面密度为400 g/m2，纤网不匀率为5.34%；梳理机2#输出纤网的面密度为70 g/m2，纤网不匀率为4.25%；交叉铺网机2#输出纤网的面密度为350 g/m2，纤网不匀率为2.25%。这些都表明经过两道梳理与两道交叉铺网后，最终得到的PTFE纤网均匀且品质高。

此外，该梳理铺网机组的产能在88 m2/h，高于安德里茨公司带消除静电装置的梳理机组输出PTFE纤网的产能(约42 m2/h)。

3 结语

PTFE纤维专用梳理机由罗拉式梳理机改造而成，适用于易聚集电荷且静电压高的纤维的梳理。其采取强效开松和柔和梳理的方式，减轻了对纤维的损伤，增强了对纤维的转移，梳理效果好，且可采取交叉铺网和多次梳理相结合的方式，进一步提高纤网的均匀性。本文设计的梳理铺网机组，结合了两道梳理与两道交叉铺网工艺，最终输出的纤网面密度达350 g/m2，纤网不匀率仅2.25%，产能达88 m2/h，实现了PTFE纤网高效、均匀且高品质地输出。