水性生态合成革聚氨酯合成革工艺技术读本
第一章 水性生态合成革制造基本知识介绍
第五节 水性生态合成革制造对设备的要求
一、水性生态合成革革制造设备的一般知识
合成革制造工艺有许多种类，但最主要的有三类：一是湿法工艺类;二是干法工艺类;三是直涂表处工艺类。由于水性树脂同油性树脂的分散介质有着本质的区别，故对机械要求也存在很大的差异。
关于湿法工艺设备：油性湿法工艺是含有DMF的PU树脂在水槽中凝固，并通过水置换DMF溶剂实现多孔结构，经烘干后形成有弹性的皮状物。而水性湿法工艺中由于溶剂是水分，故无法用水置换的方法进行湿法加工，只能通过特殊水溶液或经过固化成型后的基材在水中部分溶解而实现多孔结构，故工艺和设备需要进行完全不同的调整。
关于干法工艺设备：水性和油性树脂在合成革干法工艺使用中有极为相似的一面。一般都是通过涂覆、烘干、贴合转移、纸革分离、收卷等工艺加工制造，因此用现有的干法线几乎不做改造均可加工水性生态合成革。但同样由于水、油二种物质的本质不同，对干法生产线的要求也会有不同。严格来说，现有的干法生产线均有改造的必要和改造的空间。具体来说有几下几个方面的理由及改造方案：一是由于水、油二种物质的烘干吸热能不同，对烘箱长度的要求不同。一般来讲。水性树脂生产的合成革要求烘箱长度更长些;二是水性树脂和油性树脂成膜机理不同，对设备的要求不同。油性树脂成膜过程中由于溶剂的挥发，能使外界受温较高的表面膜在膜未干透时始终处于溶融状态，因此其在成膜时的表面温度始终是较低的。而水性树脂界面的温度在较高时，则会先成膜，而水又不能溶解水性树脂的皮膜，故在常规烘干条件下有可能界面温度会更高，这样就会在成膜时由于内层水份需挥发而引起很多问题。为了保持较好的能从里到外的成膜温度递变，水性的宜适用中波红外设备，实现红外线穿透皮膜形成里外温度的平衡、改善成膜性能。而油性树脂则不需要用这样的装置，当然也不能用这种装置。因为油性的挥发时存在大量的可燃隐患;三是针对水、油二性的成膜机理不同，水性的尽量要用薄涂多刮的工艺，这对设备的精密度要求会更高。
关于直涂表处工艺设备：直涂如采用刀涂的话，则水性和油性的设备几乎是一样的，只是水性的烘箱长度能长则长，主要是考虑生产效率;如果采用辊涂的话，那么，需要选择恰当的辊涂机和辊涂装置，尽量保证树脂浆料在转移过程中的顺畅。
二、水性生态合成革专用干法生产线介绍
(一)什么是水性生态合成革专用干法生产线?
传统合成革干法生产线(以水蒸气或导热油为烘干介质的热空气对流法)是针对油性树脂生产合成革的要求设计的。近几年来随着社会环保意识的逐渐提高，油性树脂由于含有大量的化学有机溶剂，在制革过程中容易产生有毒有害的气体，残留在皮革制品中的有害化学物质也会给消费者带来极大的健康危害。经过多年的潜心研究，市场上出现了一种可制作合成革的水性聚氨酯树脂。水性聚氨酯树脂以水为分散介质，不含有毒、有害的化学溶剂，制革过程中挥发到大气中的基本是水蒸气，不会伤害周围环境，不会对现场操作人员以及消费者带来身体危害，是一种安全、环保的合成革用树脂。但是，一方面由于水性聚氨酯树脂是以水为分散介质，现市场上所销售水性聚氨酯树脂固含一般在30%-50%之间，也就是说市售水性树脂中含有50%-70%的水;另一方面，与甲苯、DMF等有机溶剂相比，水的挥发性潜热是甲苯的2倍多。因此，在同等制革条件下，使用水性树脂生产合成革比使用油性树脂生产合成革需要更多的能量来烘干制革。若使用传统的热空气对流法制革烘干技术，则烘干效率低、能耗大，达不到烘干要求，同时由于传统的干法生产线的自动化程度较低，制革生产过程中不安全因素明显加大。因此，在合成革行业迫切需要一种全新的带有更高效、低能耗烘干设备的制革生产线来代替传统的制革生产线，适用于用水性树脂生产生态合成革的生产技术要求。
(二)水性生态合成革干法生产线的工作原理
水性生态合成革干法生产线与传统合成革干法生产线的最主要区别在于烘干系统的不同，即生态合成革干法生产线采用的是以中波红外技术为主的烘干系统。
波长比可见光长的光称为红外光。红外光通常分为近红外、中红外和远红外三种。波长在1.0-3.0微米的称为近红外光;波长为3.0-40微米的为中红外光;波长在40-1000微米的则称为远红外光。由于光波能通过辐射直接激活水分子，从而可以将水性树脂中的水分实现快速干燥。光波越短，其激活水分子的速度越快，但由于短波或微波辐射对人体有直接伤害，故生产线上不适合用短波和微波，长波对人体虽然有害，但是激活水分子能力弱，故也不采用。
水性生态合成革干法生产线选择中波红外(波长在3.0-40微米之间)光能干燥水性树脂，既有功能上的考虑又有功效上的考虑。中波红外光不仅具有辐射干燥水性树脂的功能又具有热量传递的烘干功能，发光的温度可以上达上千度。另外从安全性能上考虑，由于甲苯等化学溶剂的挥发潜热低且在气体状态下有易燃、易爆的危险，因此油性树脂是不适宜用中波红外加热技术。而水性树脂因含有大量的具有无毒、不燃的水，故中波红外对水性树脂有了天然的组合应用性能，这为中波红外加热技术应用到水性生态合成革干法生产线上提供了强有力的理论依据。
(三)水性生态合成革干法生产线的结构
按照合成革生产工艺和要求，水性生态合成革干法生产线提供了一种安全、可靠、高效、低能耗的合成革烘干设备，可适用于以水性聚氨酯树脂为原料的水性生态合成革生产线的预热和烘干需要。
另外，任何一条合成革干法生产线，必须具备生产各种干法合成革的能力，而不同合成革的加工主要决定于涂刀和烘箱的结构(制革厂常用有一涂两烘、两涂三烘和三涂四烘生产线)。因此在设计水性生态合成革干法生产线时，为使制革生产线具有一涂两烘、两涂三烘和三涂四烘的使用功能，水性生态合成革干法生产线设定了四个独立的烘箱体系。
第一烘箱设定三个温区，针对不同厚度的上浆量，可以控制不同温度，一般第一烘箱只要达到150℃以内的温度就可以。
第二烘箱同样设定三个温控区。由于第二涂刀上浆量会加厚(做纯干法产品时)，特别是做半PU革产品时，发泡温度要在190℃以上，故第二烘箱采用大功率可变频中波红外装置。
第三烘箱为短烘箱，采用功率可调整装置，根据不同产品加工需要，进行快速调整。
第四烘箱为长烘箱，由于水性树脂必须干透后才能具有良好的物性，而最后一个烘箱烘干的是贴合以后的材料。表面是贝斯或布基，只有穿透以上材料后，才能烘干中间部分的水性树脂。因此必须增加长度，增加红外功率，必要时配套常规烘干装置只有这样才能生产出满意的产品。
在合理设计烘箱长度和功率配备的同时，利用中波红外烘干系统还必须考虑红外管同烘干成膜材料的最佳距离。根据红外辐射的理论根据和反复实践，选择高度在15-30cm之间。
由于合成革生产工艺是连续生产工艺，在同一截面上烘箱内必须保持绝对一致的温度。否则两边和中间温度不一致，一是干燥速度不一致影响皮革加工质量;二则离型纸受热膨胀系数不同而出现两边张力不一致，造成收卷易跑偏，离型纸的损失加重。为此必须采用热源补充平衡的加工措施，特别在烘箱两边应增加中波红外短管，使中间和两边的温度达到一致。
水性生态合成革烘干加工过程中，会产生大量的水蒸气，这些水蒸气必须经过排风、抽湿系统外排。经过反复实践，在设计使用上，每段烘干系统在最后一个烘箱的箱端加装排风抽湿装置就可以将全部水蒸气抽排完全。
在整线设计上，由于水性生态合成革干法生产线设计长度比较长，故对机械部分的精密度上提出了更高的要求，对传动部分的张力控制要求特别严格。同时由于水性树脂流平性能没有油性树脂好，所以对主线三个涂头要求十分高，既要确保上浆量控制精度高，又要刮出平整的涂层。因此，在设计上，特别增加了超声波辅助装置。精良的涂头和精密的设备使整线张力控制达到了良好的效果。
烘干系统设计上，整个烘干系统包括常规烘干装置、中波红外辐射装置、电气控制装置和应急分离装置。中波红外辐射装置主件为中波红外管，应急分离装置包括气缸支架等。气缸是固定在支撑装置上，气缸的活塞与中波红外管断电应急装置相连，当控制电路在生产线断电或故障时向应急分离装置输出控制信号以控制气缸的，使得中波红外管与生产线分离至安全距离。
(四)水性生态合成革干法生产线的技术效果
与传统合成革干法生产线相比，水性生态合成革干法生产线具有以下技术效果：
1.水性生态合成革干法生产线具有优异的加工性能利用中波红外生产线生产，不受锅炉设备的影响，生产线电源开启，15分钟就可以加工制革，具有组织生产灵活、方便、快捷的特点，是任何一条传统合成革干法生产线所不具备的。
2.水性生态合成革干法生产线具有良好的操控和节能性能一方面，由于中波红外生产线生产方便、快捷，可以节约大量的待机状态下的能耗;另一方面，中波红外具有直接辐射和热传导双重功能，所以热效率高，节能明显。根据大量制革厂制革能耗调查，按固含量为30%左右的水性树脂生产合成革计算，平均每米皮革能耗费用为0.3元/米;而中波红外生产线每小时最大电耗为300度，按平均每度电0.82元计算，每小时产皮1000米，则整线电耗为0.24元/米，如果按普通油性皮革整线再加上电耗费用的话，用水性生态合成革干法生产线生产水性合成革，其费用仅为普通生产线加工油性皮革费用的三分之一。
3.水性生态合成革干法生产线具有优异的安全环保性能
由于水性生态合成革干法生产线加工的树脂为水性树脂，整个车间几乎没有味道，车间几乎没有噪音，更没有着火的隐患。所以彻底改变了合成革车间恶臭、噪音、闷热，易燃易爆的恶劣环境。
4.水性生态合成革干法生产线加工的皮革质量更优异
在普通生产线上加工生态合成革，由于仅靠热空气传热，往往皮膜的表面先受热而先成膜，中间的水分则在进一步受热过程中冲破皮面而挥发，故会造成皮膜成形受变。所以，在普通生产线上，有些离型纸纹根本无法加工，其易剥现象和针孔现象十分普遍。而中波红外则主要靠辐射能干燥树脂的。在进行红外干燥时，一部分能量会穿透皮膜使皮膜表面和内部都能得到热量。由于湿膜表面的水分不断蒸发吸收热量，皮膜表面温度会降低，这就会造成皮膜内部温度高于皮膜表面，形成温度梯度，使得皮膜的热扩散由内而外正向扩散;同时，由于皮膜内温度梯度引起的水分移动总是由水分含量较多的内部向水分含量较少的外部扩散，皮膜内部水分的扩散和热扩散方向一致。这样，既加速了水分的扩散，又使皮膜的性能达到了最佳的状态。因此，用中波红外加工合成革，皮革膜性能和质量更优异。
另外，在普通合成革生产线上，通常用大量的热空气循环来控温或恒温，这也会造成皮膜在离型纸上的易剥现象，同样会伤害皮面，而中波红外干燥系统，只需轻微送风循环导热，故对皮革加工和提高皮革质量，也有十分积极的作用。
5.水性生态合成革干法生产线对离型纸伤害更轻微
对离型纸的伤害往往可分为腐蚀伤害、过热伤害、机械伤害等等。用水性树脂加工合成革，腐蚀伤纸是比较轻的。在普通生产线上加工水性生态合成革，对离型纸伤害主要表现为热伤害。而水性生态合成革干法生产线，使用的主体热源是红外线辐射，其温度在正面的一侧达到一定温度就可以了，背面温度会较正面温度低很多。温度对离型低的伤害最主要的是温度对背面离型低的伤害，由于离型纸背面不作处理，故相对容易干燥开裂。在实践中，只要离型纸不长时间在烘箱内静止停留过久，伤纸现象是较为轻微。
(五)小结
水性生态合成革干法生产线是有优耐克集团公司与张家港市元鸿机械有限公司共同合作研制成功采用中波红外烘干系统的一种新型干法制革生产线，并于09年底通过国内专家鉴定，该设备国内外尚属首例。使用水性生态合成革干法生产线生产水性生态合成革，具有优异的加工性能，良好的节能性能，优异的安全环保性能，加工所得的革制品性能优异，并且对离型纸伤害更轻微。这一设备的研制成功，基本上解决了水性生态合成革生产过程中的烘干问题、节能问题和安全问题。
目前，优耐克集团已正式向国家专利局申请水性生态合成革干法生产线等多项专利，并已在丽水市申报水性生态合成革干法生产线制造项目。由优耐克集团公司与张家港市元鸿机械有限公司合作的新型干法生产线不久将面向市场，将为广大的合成革制造企业提供精良的设备和优质的服务。(浙江省丽水生态合成革技术创新服务平台www.xkyjy.com，中国国际合成革网www.cnhcg.org)
