非织造热轧工艺：原理、应用与设备

作者: 上海联净

2025-02-23

一、概述

热轧粘合作为热粘合非织造工艺的重要分支，在现代非织造材料生产中占据关键地位。其起源于印染工业的砑光、烫光技术，凭借生产速度快、环保无三废排放等优势，自 20 世纪 80 年代以来发展迅猛。尤其在聚丙烯热轧非织造材料成功替代传统化学粘合法非织造材料用于一次性尿布生产后，热轧工艺的应用领域不断拓展，从医疗卫生用品到工业材料等多个领域均有涉足。

热轧法非织造材料在一次性用品制造领域应用广泛，如手术衣帽、口罩、妇女卫生巾、婴儿尿裤、成人失禁垫等，因其具备良好的卫生性能和经济性，成为这些产品的理想材料。在工业领域，其用于服装衬布、电缆电机绝缘材料、电池隔膜、箱包衬里、包装材料、涂层基布等。不同应用场景对热轧法非织造材料的性能要求各异，如医疗卫生用品注重柔软性和卫生性，而工业材料更强调强度和稳定性。

二、热轧粘合工艺过程及机理

热轧粘合非织造工艺是借助一对或两对钢辊（或包有其他材料的钢辊）对纤网进行加热加压，促使纤网中部分纤维熔融粘结，冷却后纤网得以加固形成产品。该过程复杂，涉及多种物理变化。

1、纤网变形与热传递过程

热传递：

当纤网进入轧辊组成的热轧粘合区域时，由于轧辊具有较高的温度，因此热量将从轧辊表面传向纤网表面，并逐渐传递到纤网的内层。单靠热传递并不能向纤网内层提供足够的温度。

形变热：

向纤网提供热量的另一个重要来源是形变热。轧辊间的压力使处于轧辊钳口的高聚物产生宏观放热效应，导致纤网温度进一步上升。据研究，在轧辊间线压力为2.5～7×10³N/cm下，纤网厚度将从300μm压缩到33μm，纤网产生的形变热可使纤网内层的温度上升35～40℃。但由于聚合物熔融要消耗部分热量，形变热实际上会使纤网内层温度上升30～35℃。

纤网通过轧辊钳口区时沿厚度方向的温度分布：

T_s－上轧辊温度 T_e－下轧辊温度 T_f－纤维软化点T_i－纤网进入热轧区时间 t_d－纤网出热轧区时间T_n－纤网进入热轧区时具有的温度

2、clapeyron效应

高聚物分子受压时熔融所需的热量远比常压下多，这就是所谓的clapeyron效应。对聚丙烯纤维来说，压力使其熔融温度提高的范围约为38℃/kbar。

在热轧粘合过程中，轧辊钳口将使聚合物的熔融温度提高，因此，合理选择轧辊温度和压力的配合是非常重要的。

3、流动过程

在热轧粘合过程中，纤网中部分纤维在温度和压力的作用下发生熔融，同时还伴随着熔融的高聚物的流动过程，这也是形成良好粘合结构的条件之一。轧辊温度升高将有利于熔融高聚物的流动。

4、扩散过程

热轧粘合时，在熔融高聚物的流动过程中，同时存在着高聚物分子向相邻纤维表面的扩散，纤维熔融相互接触部分会产生扩散过程，扩散作用有利于形成良好的粘合。研究结果表明，高聚物在粘合过程中的扩散距离仅为1nm左右，但对于纤网形成良好的粘合有重要的作用。

5、冷却过程

在热轧粘合过程中，由于纤网中纤维受到热和机械作用，因此纤维的微观结构将发生一定的变化，纤维的性能也必然会产生一定程度的变化。加快热轧粘合后纤网的冷却速度，有利于改善产品的强度和手感。

三、热轧粘合的方式

热轧粘合根据其作用，可分为三种加固方式：

1、表面粘合

表面粘合热轧方式适合于生产过滤材料、合成革基布、地毯基布和其他厚重型非织造材料。在表面粘合时，由于输入的非织造材料比较厚，并且具有一定的隔热作用，因此轧辊的热量无法深入到非织造材料的内层，只仅仅对非织造材料的表面进行加热。通常，轧辊温度必须达到热熔纤维的熔点，生产速度快时甚至超过纤维的熔点。非织造材料接触轧辊的表面，突起的纤维绒头均被压平，因此该表面显得很光滑，但并不完全熔融封闭。合成革基布采用表面粘合处理后，可减少涂层材料的用量。针刺非织造材料用作过滤材料时，其迎尘面可进行表面粘合处理，由于光滑，形成滤饼后容易清除，而且可提高过滤效率。

表面粘合热轧采用的热轧机一般采用钢-棉-钢三辊形式，两根钢辊均加热，轧辊线压力视所需非织造材料的密度而定，通常为981～2452N/cm。

采用表面粘合热轧的非织造材料常用针刺非织造工艺进行加固，根据产品的密度要求，可进行轻度针刺或高密度针刺加固。

2、面粘合

面粘合热轧适合于生产婴儿尿片和妇女卫生巾包覆材料、药膏基布、胶带基布及其他薄型非织造材料，其纤网的定量通常为18～25g/m²，少数甚至在10g/m²以下。面粘合热轧制成的非织造材料一般表面多比较光滑。上世纪80年代许多非织造材料生产企业采用这种工艺方法来代替化学浸渍粘合法生产用即弃非织造材料，因为热轧非织造材料产品不含化学粘合剂，更符合卫生要求，投资和生产成本也较低。

面粘合热轧工艺示意

面粘合热轧加固时，纤网中热熔纤维的含量必须超过50％，否则会造成产品的强力不足。同时热轧机不能采用一对钢辊，以防止纤维受到损伤以及造成产品纸样的感觉。

面粘合热轧生产线的最高生产速度可达到200m/min以上，一台2.2m的轧机，正常的总压力可达到40t左右。为了使产品达到足够的强力，当纤网的纤维为聚丙烯时，钢辊表面温度至少要达到165℃，当生产速度较高时，为了补偿纤网与轧辊接触时间的不足，钢辊表面温度甚至可达到185℃。

3、点粘合

点粘合热轧时采用一对钢辊进行热轧，其中一根为刻花辊，另一根为光辊，所以热轧后纤网中仅有局部区域被粘合加固，未粘合区域仍保持纤网原来的蓬松性，因此产品的手感比面粘合要好。

在点粘合热轧中，刻花辊的轧点形状和大小及其分布决定了点粘合热轧的粘合面积占总面积的比例。目前粘合面积比例一般控制在8～28％，粘合面积比例越大，产品的强力就越大，但产品手感同时会变差。生产高档服装衬基布时，粘合面积比例一般较小，为8～12％。大粘合面积比例只有要求产品强力高、硬挺时才用。

以聚丙烯为原料的薄型纺丝成网法非织造材料通常采用点粘合热轧加固。

点粘合热轧加固的纤网最小定量为12g/m²左右，最高定量通常不大于100g/m²，适合于生产用即弃卫生产品的包覆材料、服装衬基布、鞋衬、家用装饰材料、台布、擦布、合成革基布等。

以PP为原料的薄型纺丝成网法非织造材料通常采用点粘合热轧加固。

四、热轧粘合设备

1、热轧机的基本要求

良好的导热油加热装置与油温控制装置

设计良好、加工精度高、材质好的热轧辊

热轧辊主轴承要耐高温

热轧机墙板要坚固，加压和调整轧辊要方便。

2、轧辊加热方式

热轧辊加热方式目前主要有：

电加热

油加热

电磁感应加热

电加热

电加热方式是最老式的加热方式，其利用电热管或电热丝发热使轧辊受热，特点是结构简单，维修方便，升温速度也比较快，但加热均匀性差，温度控制精度较低，不适合宽幅热轧辊，所以已经逐渐退出实际生产应用。

油加热

油加热是目前最常用的加热方式，其采用导热油作为热媒体对轧辊进行加热。导热油加热后通过热轧辊的芯轴的长孔输入热轧辊，热轧辊呈一定壁厚的钢管状，管壁内设有热油导孔，并形成循环的热油回路。导热油通过轧辊内部的热油回路传递热量，使轧辊升温。导热油从轧辊流出后经过滤、加热后再输入轧辊。

导热油可由燃油或燃煤锅炉加热，也可直接采用安装在热轧机边上的电加热油锅炉加热。

意大利Comerio Ercole公司轧辊热油回路示意图

电磁感应加热

由日本Tokuden公司研制，1983年开始用于非织造材料的生产，并长期垄断这一细分领域。随着国内上海联净公司的异军突起，这种垄断被彻底打破。

电磁工艺加热轧辊的特点：

①　无油加热装置、输油管道及阀门等，操作简化，占地小。

②　温度控制精确，工作温度范围为40℃～420℃。

③　不用油加热，工作环境干净，维修保养方便。

④　可分段控温补偿轧辊变形，适应宽幅热轧。

⑤　设备制造成本较高。

电磁感应加热基本原理是利用变压器工作时产生的负效应——发热现象作为轧辊的热源。

（图片来自上海联净公司官网）

电磁感应加热辊结构：

（图片来自上海联净公司官网）

辊体内均匀布置的加热线圈外接电源控制模块，通电后产生交变磁场，金属辊体在交变磁场作用下产生涡流，由于金属固有的电阻而发热，从而达到加热辊体的目的；同时，采用热管均温技术，将辊筒表面工作区域的温度恒定保持在±1℃以内。

3、轧辊变形补偿方式

在热轧粘合时，由于压力较高，热轧辊发生弯曲变形是不可避免的。当轧辊发生弯曲变形时，将导致整个轧辊钳口压力分布不均匀，造成纤网局部受不到热轧粘合加固或粘合效果较差。因此要采取种种措施以减少变形或对变形进行补偿。

常用补偿方式有：

①　中凸辊补偿

②　轴向交叉补偿

③　外加弯矩补偿

④　液压支承芯轴补偿

中凸辊补偿弯曲变形：

中凸辊补偿弯曲变形，是一种简单而有效的方式，但其仅仅适合于特定的轧辊工作压力，因此该补偿方法有一定的局限性。

轴向交叉补偿弯曲变形：

轴向交叉补偿是指将轧辊的主轴承侧向移位，从而使两轧辊的轴线产生一定角度的交叉，这样轧辊两端的钳口尺寸变大，当施加压力时，可达到补偿弯曲变形的目的。调节主轴承的侧向位移大小，可补偿不同工作压力产生的轧辊弯曲变形，因此该方法的适应性要比中凸辊补偿方法更好一些。

目前，有的热轧机同时采用中凸和交叉补偿轧辊的弯曲挠度，如意大利Comerio Ercole公司的热轧机。设计时应根据热轧工艺的最低工作线压力来确定光辊的中凸值，当刻花辊为直辊，光辊为中凸辊时，光辊的中凸值应为两辊挠度之和。热轧工艺所需的最低工作线压力一般为50～60kg/cm，最高工作线压力一般为100～120kg/cm，所以，热轧机的最高工作线压力确定后，可以认为最低工作线压力为最高工作线压力的1/2左右。中凸值确定后，根据轧辊结构与尺寸、所用材料的性能等可计算出不同工作线压力下光辊轴承座补偿弯曲变形的位移值。

外加弯矩补偿弯曲变形：

这种方法是通过在轧辊外端施加弯矩来补偿正常工作压力引起的轧辊弯曲变形，补偿系统是纯机械式的，可根据不同工作压力来调节。

液压支承芯轴补偿弯曲变形：

液压支承芯轴是补偿轧辊弯曲变形的可靠、精确的方法，成功的商业应用有德国Küsters公司的S-Roll浮动轧辊和Ramisch公司的Nip-Co轧辊。

德国Küsters公司的S-Roll浮动轧辊多年来不断改进，但其基本构思一直没有改变。轧辊外壳围绕固定芯轴旋转，一特殊的密封件将轧辊外壳与固定芯轴之间的圆柱状空间分隔成两个半圆柱形空间，在面向轧辊钳口的半圆柱形空间称为压力腔，并采用油加压，轧辊钳口受压，则固定芯轴也受压，由此来保证整个轧辊钳口受力均匀。油逆流有利于轧辊温度均匀。改变压力腔的油压可使轧辊适应不同幅宽的纤网。

德国Küsters公司的S-Roll浮动轧辊逆流原理

Ramisch公司的Nip-Co轧辊：

Nip-Co轧辊是另一种液压支承芯轴轧辊，芯轴固定不转，而外壳回转。固定芯轴上设有长排状排列的柱塞缸，通过高压油，始终对薄壁轧辊外壳施加压力，以补偿轧辊钳口的变形。

电磁感应加热轧辊补偿变形原理：

通过将感应线圈分段设置，分段控制，可按热轧工艺要求使热轧辊在加温时中央部分凸起，以补偿由于加压造成的轧辊变形。

4、刻花轧辊的轧点结构

在点粘合热轧非织造工艺中，刻花辊的轧点结构是至关重要的。

传统轧点其凸台边与轧辊径向夹角较大，热轧时非轧点处的纤网也能与轧辊相接触而得到轻微的粘合，使非织造材料强度增加而柔软度降低。

改进后的轧点，其凸台边分两段，A段角度较小，以减少对轧点外纤维的传热，轧点以外的纤维即成为真正的桥连纤维，它可以使非织造材料的柔软度改善；B段角度较大，可提高轧点的强度。也有将A段和B段连成圆弧状的加工方法，轧点顶面与边接近垂直。近代设计的轧点均采用改进型轧点，以达到最佳强度与柔软度的矛盾统一。改进后的轧点A段角度较小，有利于在修磨轧辊后保持轧点总面积不变。