摘要：随着时代的快速发展，人类在工控智能化设备上的设计越来越先进，操作界面越来越简单明了。但尽管在如此经济突飞猛进的时代，人类在自然灾害或生物病毒面前，仍然显得是那么的渺小。2020年的人类在历史大河中留下了新冠病毒的脚步，同时给经济市场及实体制造行业带来巨大的冲击。在面对疫情面前，我们才发现我的医疗医药、设备技术及工艺水平还需要快速的提升。本文针对N95口罩原材料高溶脂PP的切粒生产设备及工艺流程进而阐述及论证，从而保证制造出质量更高的预防性更好的口罩，来预防通过空气传播传染的病毒，切实做到为人民服务。
关键词：COVID-19新冠病毒；口罩原材料PP；机械设计制造及自动化；服务
引 言：
随着我国经济水平的飞速发展以及科学技术水平的不断提升，我国的机械设计制造及其自动化专业的发展也非常的迅速，取得了非常优异的发展成果。其技术也得到了各行各业的广泛认可并且都及时的应用到了其中，非常有效的推动了我国传统机械制造行业的优化升级，不仅如此，由于各行各业不断增长的喜爱，这也同时完善了我国的机械制造业技术，并且不断的突破自身的技术限制，实现了许多以往所不能实现的技术。但是2020突来的一场新冠疫情，掀起了人类的一场没有硝烟的战争，尤其是医疗消耗品核酸检测、医用口罩、医疗设备这一块。所以高质量的设备、工艺生产才能对病毒做到更好的预防治疗。
1.高溶脂PP制造熔喷布的工艺过程
高熔指PP在制造的时候首先是被喂入双螺杆挤出机，在剪切力作用下融化为液态，随后又通过熔体泵建立模头的一个压力由熔喷模头喷出，在压缩空气的作用下，将熔喷料喷成细丝，这就解释了为什么熔喷料需要1500左右的高熔指。在整个高熔指pp粒子制造的过程中首先要将不同的原料，包括PP的基材原料、用于提高熔指的过氧化物，以及增加静电电荷的硬质碳酸钙等原料一块投入到喂料秤中，再通过喂料秤的精密计量，以一定的比例投入到挤出机中。在整个挤出的过程中，材料大概在挤出机中的时间会在一分钟以下，从挤出机模头挤出之后进入这个冷却系统进行了冷却，然后进行了切粒。以下详细介绍整个过程中一些比较关键的环节。
普通pp基材在挤出机内如何一步步转化为高熔指pp的反应机理，总的说来有三步。
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图1
第一步是过氧化物在挤出机内受热分解生成了烷氧自由基；第二步在加热之后，烷氧自由基进一步会和pp主链上的碳链进行一个连接，第三步，环氧自由基会取代主链上的碳原子，从而打断pp主链，进而pp链的长度就会变短，由于分子量的下降从而实现熔指的提升。要特别指出的就是在整个过程中要注意整个反应的关系，因为一旦挤出机需要提升产能，就意味着它的速度需要加快，就会使整个反应变得不充分，因此在产能和反应充分之间需要取到一个平衡点。这实际上也是在整个高熔指pp制造过程中一个核心的部分。
在说明挤出机和切粒机之间的一个互动关系时，过氧化物母粒的掺入比例与最终实现pp熔指之间的对应关系就显得非常重要。过氧化物母粒的掺入比例越高，pp的熔指也会更高。为了实现pp所需要的1500—1800之间的熔指，对应的比例是控制在1.6%—1.8%之间。同时少量的掺入比例的变化对于熔指的波动也有相当的影响，并且由于挤出机在一停一开之间的变动也会对熔指会有一个巨大的影响，因此如何保证挤出机工作的稳定，对于切粒设备也是至关重要的。
2.高溶脂PP应用研究
所有聚合物的熔体在不同剪切力之下，物料的粘度及温度都会随之而变化。
如下图，每一条曲线都代表了一种熔指的pp材料，我们可以看到黑色曲线是熔指从mfi1.6—mfi32的不同熔指pp材料的粘度曲线，黄色曲线代表的是mfi1500的pp的黏度曲线。通过这张曲线，意在说明一点：在挤出机的启动和停止的各个阶段，由于pp的MFI处于不同的水平，因此其粘度的变化也是非常大，对于切粒的稳定性的影响也非常大。
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图2
如果粘度的变化在10%左右，那么切粒比较稳定，可以有效处理；但如果粘度的变化过大，会造成粒子的尺寸有一些明显的变化，最糟糕的情况是有可能会堵掉模头的模孔。因此，我们一般建议使用客户，在挤出机出口的过渡阀门上，加装在线的测试设备以确保切粒的品质一致性。
以上，我们了解了高熔指pp的特性，那么针对高熔指pp的特性，A公司会有哪些对应的解决方案呢？在输送及切粒设备做了哪些特殊的结构设计？
3.针对高溶脂PP输送设备设计及应用
首先我们来看一下熔体泵和换网器应用上提供了哪些对应的这个解决方案？
我们知道在熔喷布的制造过程中，计量泵为熔喷布的熔喷头提供压力，是必不可少的。对于高熔指pp的这个特性呢，为保证产品的长期的使用寿命以及物料的高品质，A公司提供了以下两个特殊的结构设计作为他们一个独创的技术解决方案。
图3
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如上图所示，设计的特殊的齿轮轴和轴承之间的间隙，解决了开机过程中pp材料的熔指的变化对齿轮泵的影响；设计了特殊的密封装置，高熔指的PP流动性是特别好的，如果密封不是特别妥当的话，材料有可能会跑出来。合适的密封对于提高高熔指pp的密封效果起着至关重要的作用。
在熔喷布的制造过程中，熔喷布的模头孔很小，有时只有0.1毫米。因此，如果粒子中有任何杂质，就非常容易使熔喷孔堵口。这也就是要求粒子有足够的纯净度，在造粒的过程中使用换网器，将会是一个很有效的保证粒子品质的做法。
我们前面有了解到，由于高熔指pp的特性，起初挤出机的起停对于整个系统的稳定有非常巨大的影响，因此如何实现整个换网器的过滤网更换，但又不影响挤出机的工作，就显得非常重要，A公司设计的CSC双柱塞换网器就能很好地解决这个问题。在正常工作的状态下，双柱塞同时工作，如果换网器的过滤网脏了需要更换，这时我们可以将一个柱塞伸出，另一个柱塞可以继续保持工作，这样挤出机的工作就能不受影响。挤出机的工作稳定对于后道切粒的稳定、粒子的形态都有至关重要的作用。
4.针对高溶脂PP切粒设备设计及应用
4.1高溶脂PP小产能拉条切粒设备设计及应用
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图4
如上图展示的是小产能在1200公斤/小时以下的生产量，一般在这种情况下采用传统的拉条造粒的方法会有哪些要点呢？红色的部分是针对高熔指pp我们设计的解决方案，这些要点主要包括哪些呢？
第一个是特殊竖直出料模头。我们知道传统的模头是采用45°角的角度，对于高浓度的pp，由于它的流动性非常好，因此需要设计配合90°的模头，并且模头距离水面的距离应该控制得越接近越好；另外水槽的长度也需要相应的增加，增加到八到十米；水槽的温度也是很有讲究的，温度要尽可能的低；对于干切机的动刀和定刀，我们建议选用WS和TC的材质，这样的粒子不容易粘在这个动刀上，避免造成切粒的反复切削而产生的细粉料。
目前在市场上小产能运用传统的拉条造粒应用的也比较多。一般，客户是根据不同的产量配以不同型号的机型，且在设计方面动刀跟两个压辊之间的距离越小，料调的跳动会越小，粒子也会越规整,呈现出比较完美的一个粒子的形态。
采用传统拉条造粒技术方案最大的优点就是投资比较低，同样它的最大的缺点也伴随而来，就是噪声比较大，产量相对来说较小，并且容易断条，需要大量的人工进行重新牵引，操作人工的工作负荷也会比较大。下将针对这些传统拉条造粒的缺点和痛点，那么A公司有没有产量又比较大、声音又能比较小、操作人员又相对来说比较轻松的方案呢？
4.2高溶脂PP大产能拉条切粒设备设计及应用
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图5
如上图展示，为A公司所使用到的大产能M-USG切粒方案，即水下拉条切粒系统方案。红色标注部分是对高熔指PP的解决方案，主要包括首先是模头，它采用热煤加热的方式能确保模头的温度一致，模头温度的一致性对于粒子的形状是有着非常重要的影响。
除此之外,接下来看到六米的一个导流槽，这样的设计能确保这个料条有足够的冷却,并且选用的是PM材质的动刀和TC的定刀,可以保证切粒动刀间隙跳动，从而切出均匀高质量的粒子。一般来说，对于拉条切粒的方案实际上不太需要熔体泵，因为在拉条的过程中模头的压力降幅实际上是很小的，大概只有几个bar。
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图6
如上图，M-USG的大产能切粒方案的一个特点，首先是它的产能非常大；其次它的切粒的声音会比较小；第三是高度自动化的一个生产线，由于使用了这种比较硬质的切刀，它能够整个生产线能够连续运转六到七个月都可以；第四就是操作人员非常轻松，即便是在切刀需要更换维修的时候，A公司也专门为此设计了非常便捷的方案，采用了可以整体切换的切粒室，操作人员基本在五分钟之内就能更换好一个新的切粒室，对于保证产线的连续运转是非常非常的重要。
4.3高溶脂PP水下切粒设备设计及应用
上面我们有了解了两种拉条切粒的技术，A公司针对大小产能分别提出了不同的切粒解决方案。它们的一个共同特点就是粒子的形状都是圆柱形的，但是市面上的除了圆柱形的粒子之外，有些客户还更偏好球形的粒子，因为球形的粒子在整个传输的过程中相对来说产生的粉料比较小，并且堆积密度也比较好。那么，如何才能生产出球形的粒子呢？接下来我们来了解一下针对不同的产能，A公司分别提供了什么样的水下切粒的技术，这些水下切技术都有哪些技术要点
首先我们来看一下小产能的情况，如果采用水下切粒，要点主要是两点：
（1）采用TC的模头和PM的刀片；
（2）采用冷却水温相应的要求是30—40摄氏度。
因为水下造粒的投资很高，但是产能又显得不是那么大，那么A公司如何能提高产能？要特别注意哪些技术要点？
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图7
如上图展示了大产能使用的水下造粒机的技术要点，红色部分也是针对高熔指pp的解决方案，主要要点有哪些呢？第一个是热煤加热的模头，模头温度在水下造粒中是非常非常的关键，我们采用TC的模面和PM的刀片；第二，由于高熔指pp在水里非常不容易工艺成型，在这种情况下，模头的设计上会非常讲究，选用定制的一个模头板。
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图8
水下切粒使用的工具的一些技术特点，特别是模面以及切刀。由于高熔指pp的流动性非常好，因此在水下切粒的过程中，模面上所形成的熔料的膜非常的薄，因此采用特殊的这种流道设计，并且刀片跟模头之间的间隙要精准的控制，能够避免出现刀片过快的磨损，因为如果刀片过快磨损，粒子就会出现这种拖尾的现象。
如下图为A公司新设计的PEARLO系列的一个产品线，这个产品线的最高产能非常的惊人，对于高熔指pp这样的材料，它可以做到九吨。从PEARLO 160到PEARLO220到PEARLO 350，它的产能分别是2500公斤、4200公斤以及九吨。标号如160是指模面的尺寸，也就是模面的直径。
PEARLO这种大产能水下切粒方案的一个特点，就是它的声音非常小。在现场几乎你听不到水下切粒的声音，因为切粒的过程是在水下切粒室内完成的。PEARLO方案的自动化程度同样非常的高，操作人员操作起来非常轻松，在设计上刀头更换的时间也非常的短，这些功能和设计都有效地保证了整个生产线比较平稳的运行。基本上我们如果选用比较硬的刀头和合适的刀片，整个生产线能保持几周的连续运转。
结论：
下图为各种切粒方案性能对比。
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图9
对于小产能的一个需求，A公司更建议客户选用传统干式拉条造粒的这一个方式，相对来说相比水下拉条造粒与水下切，传统的干式拉条造粒由于不需要使用熔体泵，因此它的总体的投资会更低一些，对于最终用户来说竞争力也会更强一点。如果有要涉及到这个产能提高甚至客户希望做成一个标杆性的项目或者大的实力的企业，那么他就需要用到大产能，A公司会建议客户用到全自动的这样一个水下拉条切粒M—USG的方案，或者是水下造粒PEARLO方案，这两个方案的优点是生产的连续性非常好。
A公司拥有众多的这种切粒方案，因此对于切粒方案的偏好更多是中性的。?更多的会根据市场实际的需要、未来产能的需要、客户未来的规划。针对市场需求，提出相应的解决方案作为参考，随后在经过多次试验线论证验收后，才会进一步投入市场。再次还需要和市场用户保持良好的沟通，了解设备设计及各种切粒方案的优缺点，也只有这样才能设计出更好的设备，很好的方案，生产出更好的产品，从而为民服务。