超声波焊接满足日益增长的无纺布需求

出于防护COVID-19需要，全球个人防护用品 (PPE) 的需求急剧增加，无纺布行业正在经历巨大变化。据预测，未来五到七年，口罩及相关个人防护用品的购买率仍呈上升趋势。然而，无纺布产品需求的增长并不仅限于个人防护用品PPE，市场驱动因素还包括扩大卫生用品的供应以满足全球人口老龄化的需求、控制传染病的传播、以及持续推进无纺布生产和加工工艺。除了PPE，无纺布还越来越多地应用于各种医疗和非医疗应用，包括：手术床单和手术衣；X射线防护服和病号服；消毒包、纸张/薄膜；床单、枕套、吸水垫和窗帘的亚麻替代品；尿布和失禁产品；汽车滤清器、隔音隔热棉。

世界多国都意识到提高无纺布产品产量的必要性，纷纷出台政策推动行业发展，鼓励更多企业投身该领域。与此同时，无纺布制造商，尤其是那些刚涉足这个行业的厂商，正面临着各种加工工艺和技术的挑战：

● 在某些地区，环境因素会影响生产力，因此制造商需要具备能应对环境挑战的焊接技术。
● 无纺布材料焊接过程中如果施加过多热量，塑料成分过度熔化会导致其变质和硬化，致使其产品不合格。
● 制造商面临着在不影响质量或生产效率的条件下增加产量的压力，他们希望尽可能降低在耗材（例如胶水或针和线）上所花费的时间和成本，因为这些可能成为污染物，而且会降低生产效率。
● 面对日益提高的质量标准，制造商需要安全、清洁的焊接工艺对重复性生产的无纺布产品进行可靠的高质量粘合。

超声波焊接：行之有效的解决方案

超声波焊接是一种材料连接技术，可以最大限度地提高无纺布加工的质量和效率，同时还可以克服其他粘合工艺存在的挑战，例如：
● 超声波焊接不需要通过加热来连接织物层。加热是导致塑料树脂化、硬化和织物烧焦的主要原因。
● 超声波能耗更少，仅在执行每个焊接的瞬间才需要电能，而热熔工艺在预热、生产和待机时均需要消耗大量电能。
● 与热熔和胶粘工艺相比，超声波焊接技术不需要任何耗材。

超声波技术工作原理

超声波焊接设备将电能转换为高频机械振动，然后通过超声组件将高频振动传递到热塑性材料中。高频振动产生摩擦热从分子层面改变塑料结构，再以机械压合的方式将多层材料瞬间连接到一起。此技术可用于：
● 将大卷无纺布切割成窄条状（切割的同时使其边缘缝合/密封）；
● 将多层无纺布材料“覆合”成叠层产品，例如多层口罩；
● 将多层无纺布粘合成为产品的焊缝（口罩的边缘），或将无纺系带或弹性无纺布耳带连接在口罩边缘。
● 将单层或多层材料冲孔（超声波还可用于一些特殊材料冲孔，比如夹层材料，对中间材料冲孔而不会损伤外层材料）。
用于无纺布焊接的超声波设备，其基本结构在许多方面类似于缝纫机。超声波提供两种焊接无纺布的基本方法：平面或旋转轮。在任何一种情况下，材料层都是从一侧的焊接单元（焊头）和另一侧的平面或旋转轮（砧）之间被连续拉动。焊接单元的组件（换能器、调幅器、焊头）安装在一个可移动的机架上，该机架提供适合的压力连续地将无纺布压紧到砧座上，当砧座与焊头工作面在产品接缝处受力时，超声波能量快速将各层材料瞬间焊接在一起。
焊接过程的自动化控制——超声波发生器为焊接单元供电并提供焊接能量及可编程控制——通过电缆与焊接组件连接。除了铁砧（平面或旋转轮）之外，其他关键的焊接系统组件是焊接“三联组”，包括：
● 换能器，将发生器输出的电能转换为适合焊接的高频机械振动。
● 调幅器，可根据焊接的需要增强或减弱振幅。
● 焊头，专为无纺布切割或粘合任务而设计的形状和结构。

应用于无纺布的超声波焊接技术通常使用20KHz - 40 kHz频率的可编程控制的超声波发生器，该发生器提供闭环振幅控制、并带有先进的诊断功能和易操作的可配置功能。发生器可通过人机界面 (HMI) 或计算机连接进行编程。

例如在生产口罩时，典型的口罩在其宽度和长度方向各需要两道焊缝（顶部和底部）——以及两侧各有两个粘合点用以固定系带或弹性耳带。一台全自动口罩机结合了多个超声波焊接工位。在焊接的第一个工位，超声波焊接机连续缝合口罩的顶部和底部区域，接着将材料层压并切割成口罩的形状，然后转向移动并穿过下一个平行的焊接工位，当材料穿过旋转砧时，再次使用连续焊接从两侧把产品缝合。最后，预先切割的带子被定位在顶部和底部（这次是在平砧上）进行插入或“点焊”，完成口罩的全部构造。

超声波技术的优势

与其他粘合工艺相比，超声波的优势使其成为加工无纺布材料的必要技术。这些优势包括：
● 卓越的速度和生产力。超声波无纺布焊接技术在连续生产线上切割、接缝和粘合，可在瞬间完成。目前采用超声波焊接尿裤和女性经期裤的全自动生产线，产量已经达到1000-1200片/分钟。
● 零耗品、杜绝污染物和无需外部热源。与粘合剂和热熔工艺相比，超声波工艺取消了购买和使用耗材所需的额外费用、精力和时间，更不会产生暴露于热源或化学污染物的额外风险。
● 高能效。超声波通过高频振动可瞬间产生焊接所需的摩擦热，因此不需要预热和维护加热刀辊或加热工装，不会产生能量消耗或浪费。
● 精密的焊接控制。操作人员可以通过对超声波发生器进行编程来触发超声，从而保证每次都能为每个单独焊点提供准确的振幅、持续时间和位置——所有这些都基于具体的应用需求。
● 无污染。例如与传统缝纫工艺相比，超声波焊接在织物上没有线和机械孔，不会藏匿微生物或污染物。
● 可穿透/渗透：对于一些特殊的应用，超声波可以穿透中间层而不会对外层的材料造成损伤，可以达到无损焊接或冲孔的效果。另外，超声波还可以将无纺布的分子渗透到其它不具有相熔的材料与其连接，如皮革、棉、弹性材料等。

高速灵活性的旋转焊接技术

当高速生产变得至关重要时，旋转焊接技术具有明显的优势。在垂直振动的情况下，超声波焊头是固定的，对材料输送产生轻微的阻力。在使用旋转系统的情况下，焊头和砧座以恒定速度向同一方向旋转，这使得材料可以自由地通过机器。材料的这种自由流动使得进行连续或间歇焊接成为可能，其速度是使用垂直振动焊接技术无法实现的。旋转焊接速度明显高于其他技术，可用于层压、切片或密封无纺布。此外，由于旋转焊机的宽度通常较窄，因此可以并排安装焊头和砧座以焊接宽幅无纺布材料。此外，旋转技术对可以粘合的层数没有限制，它仅受每平方米织物的克重限制。

事实证明，在以下情况下，旋转焊接技术更加高效和多产：适应各种焊接模式和设计；层压两层、三层或多层无纺布材料；复杂的角度和形状。

旋转技术的另一大优势是灵活性。例如，在需要更厚、多层或高速处理的应用中（例如口罩），可对焊头和砧座使用旋转轮。也可以将多组焊接单元组合成一个大的旋转轮，在这种配置中，焊机提供清洁、稳定、连续的焊接，不会拉扯、起皱或扭曲。它通过上下旋转来适应材料的类型、厚度、柔软度或层数，同时还提供最快的处理速度。

总结

无纺布市场近来发生的巨大变化驱使无纺布产品制造商不断提高生产效率。随着无纺布被用于新的和不同的应用，对口罩和其他个人防护用品PPE以及卫生产品、无菌包装、轻质绝缘材料等的需求将继续扩大。
超声波焊接技术是加工无纺布的成熟技术，满足了制造商对于增加产量的需求，尤其是通过旋转技术实现高速输出。与其他化学粘合工艺相比，超声波焊接技术不仅能产生更牢固、更可靠的机械连结，而且还能节省时间、减少能源消耗、无需耗材，并提供更可靠的人员安全。

然而，最重要的是，它是一种能够提供高质量的无纺布焊接技术，并且能够跟上行业飞速增长的焊接技术。

来源：汤雄召，必能信超声波塑料焊接应用专家，艾默生

来源：荣格-《国际非织造工业》