射頻干燥對(duì)腈綸回潮率影響的研究

竺鋁濤 黃勝德 梅詩(shī)宇

(中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司腈綸部， 200540)

技術(shù)進(jìn)步

射頻干燥對(duì)腈綸回潮率影響的研究

竺鋁濤 黃勝德 梅詩(shī)宇

(中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司腈綸部， 200540)

采用射頻干燥技術(shù)對(duì)腈綸干燥工藝進(jìn)行了試驗(yàn)，探討了射頻作用時(shí)間、電極電壓、絲束堆積密度和絲束含水率對(duì)腈綸纖維回潮率的影響，通過(guò)正交試驗(yàn)研究了這些因素的影響程度。研究結(jié)果表明，射頻作用時(shí)間和電極電壓對(duì)回潮率影響最大，隨著作用時(shí)間的縮短，回潮率具有明顯的上升趨勢(shì);隨著電極電壓的下降，在相同作用時(shí)間下，回潮率呈上升趨勢(shì)。

射頻 回潮率 腈綸 干燥

射頻(Radio Frequency，簡(jiǎn)稱(chēng)RF)是一種高頻交流電磁波。射頻能穿透到物料內(nèi)部，引起物料內(nèi)部帶電離子的振蕩遷移，將電能轉(zhuǎn)化為熱能，從而達(dá)到加熱的目的。射頻技術(shù)具有選擇性加熱、處理過(guò)程高效快速等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于食品加工、紡織品干燥及固色、塑料制品的焊接，醫(yī)藥行業(yè)的局部加熱治療、農(nóng)產(chǎn)品焙后干燥、殺菌和蒸煮等領(lǐng)域［1－3］。

文章從射頻干燥的技術(shù)特點(diǎn)出發(fā)，探討射頻作用時(shí)間、電極電壓、堆積密度和絲束進(jìn)口含水率的波動(dòng)對(duì)腈綸纖維回潮率的影響，并通過(guò)正交試驗(yàn)分析相關(guān)因素的影響程度。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)方法

以NaSCN二步法濕紡工藝為基礎(chǔ)，將射頻干燥作為腈綸生產(chǎn)的二次干燥工藝，對(duì)各種狀態(tài)的絲束進(jìn)行射頻干燥試驗(yàn)［4］。針對(duì)腈綸干燥工藝的特點(diǎn)和纖維質(zhì)量要求，分析射頻干燥的可行性，探索回潮率的控制方法。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及其技術(shù)參數(shù)

試驗(yàn)采用RF型射頻低溫干燥機(jī)，該機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如下:

工作頻率，25.49～28.75 MHz;

最大額定輸出功率，75 kW;

電子管冷卻方式，空氣冷卻;

射頻工作區(qū)長(zhǎng)度，4 m;

鋪絲有效寬度，1.6 m;

輸送帶速度，1～80 m/h。

圖1為射頻干燥機(jī)的結(jié)構(gòu)示意［5］。射頻干燥工藝流程，包括:含水絲束輸入－擺抖鋪絲－射頻干燥－裝箱。

圖1 射頻干燥機(jī)結(jié)構(gòu)示意

2 結(jié)果與討論

回潮率的精確控制有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量和后工序的毛條加工，達(dá)到高效、節(jié)能的目的。根據(jù)前期試驗(yàn)，將進(jìn)口絲束含水率控制在8%。

2.1 射頻作用時(shí)間對(duì)回潮率的影響

射頻作用時(shí)間為腈綸絲束以一定速度通過(guò)射頻工作區(qū)所需的時(shí)間，在實(shí)際應(yīng)用中，一般通過(guò)調(diào)整輸送帶速度來(lái)控制成品回潮率，因此需首先加以確定。

電極電壓是指射頻作用區(qū)上下電極板的電壓差，其大小可通過(guò)調(diào)整電極電感來(lái)實(shí)現(xiàn)。在6 450 V的電極電壓下，堆積密度為8.4 kg/m2、含水率為8%的絲束通過(guò)射頻工作區(qū)，回潮率隨作用時(shí)間的變化見(jiàn)圖2。

圖2 6 450V電極電壓下射頻作用時(shí)間與回潮率的關(guān)系

通過(guò)數(shù)據(jù)分析得知，回潮率隨著射頻作用時(shí)間增加，具有明顯的下降趨勢(shì)。6 250 V和6 050 V電極電壓條件下射頻作用時(shí)間與回潮率的關(guān)系見(jiàn)圖3。

圖3 6 250V和6 050V電極電壓下射頻作用時(shí)間與回潮率的關(guān)系

當(dāng)電極電壓分別降到6 250V和6 050 V時(shí)，成品回潮率隨作用時(shí)間的變化趨勢(shì)與6 450 V條件下基本相似。在相同電壓條件下，當(dāng)射頻作用時(shí)間在3～4 min時(shí)，回潮率隨著作用時(shí)間的增加，具有明顯的下降趨勢(shì);而當(dāng)作用時(shí)間大于4 min時(shí)，回潮率呈現(xiàn)相應(yīng)的波動(dòng)。

2.2 電極電壓對(duì)回潮率的影響

根據(jù)物料在射頻中的升溫速率，絲束的加熱速率與射頻的電場(chǎng)強(qiáng)度的平方成正比［6］。

分別選取68、58和52 m/h等3個(gè)輸送帶速度，得到不同輸送帶速度下回潮率隨電極電壓的變化趨勢(shì)(見(jiàn)圖4)。

圖4 不同輸送帶速度下電壓與回潮率的關(guān)系

由圖4可知，隨著電極電壓的上升，成品回潮率呈不同程度的下降趨勢(shì)，而且在相同電壓下，回潮率隨輸送帶速度的提高而上升，即隨著作用時(shí)間的減少而上升。

在6 050 V電極電壓下，將一段回潮率均勻的絲束分成2份，分別置于輸送帶中部和邊緣，并以最高速度通過(guò)射頻工作區(qū)，2段絲束的回潮率均為1.60%;當(dāng)電極電壓降至5 650 V后，同樣的試驗(yàn)，位于中部和邊緣絲束的回潮率分別為1.75%和2.21%，差異較大，說(shuō)明電壓對(duì)極板邊緣雜散電場(chǎng)產(chǎn)生了一定作用，影響了絲束的回潮率［7－9］。

試驗(yàn)中，在5 650 V和5 850 V電極電壓下，絲束在射頻工作區(qū)停留時(shí)間過(guò)短，射頻機(jī)出口兩側(cè)的絲束有時(shí)會(huì)出現(xiàn)比較明顯的間斷性回潮率不勻現(xiàn)象。多次試驗(yàn)的結(jié)果表明，6 050 V的電極電壓能保證絲束順利通過(guò)，而且回潮率可控。

2.3 絲束堆積密度對(duì)回潮率的影響

在傳統(tǒng)的熱風(fēng)循環(huán)干燥工藝中，絲束堆積密度、鋪絲狀態(tài)以及絲束結(jié)頭都會(huì)對(duì)成品回潮率的均勻性產(chǎn)生影響。為了考察射頻干燥中絲束堆積密度對(duì)回潮率的影響，試驗(yàn)時(shí)，將輸送帶速度提高到最大值(80 m/h)，以減少熱風(fēng)循環(huán)的影響。

在6 050 V電極電壓下不同堆積密度的絲束回潮率數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同堆積密度下的回潮率

表1中回潮率數(shù)據(jù)呈隨機(jī)波動(dòng)狀態(tài)，無(wú)明顯規(guī)律?？紤]到機(jī)臺(tái)負(fù)荷因素，將進(jìn)絲速度保持在140 m/min，降低輸送帶速度至68 m/h，使絲束堆積密度上升至9.9 kg/m2(已接近極板)，測(cè)得的回潮率為1.65%，絲束正常通過(guò)。

經(jīng)分析得知，由于干燥的物料為腈綸絲束，且鋪絲時(shí)依靠其自重下落于輸送帶上，絲束間空隙較大［10－11］。隨著進(jìn)絲速度的提高，進(jìn)口絲束高度有一定增加，但是進(jìn)入射頻干燥區(qū)之前均被門(mén)簾擠壓至同樣的高度，因此鋪絲密度變化不大，成品回潮率波動(dòng)較小。

與常規(guī)干燥熱量由外到里擴(kuò)散的方式不同，射頻干燥時(shí)水分是由物料內(nèi)部擴(kuò)散到表面，溫度梯度和濕度梯度方向一致，水氣易于排出，這使射頻機(jī)能在較短的時(shí)間內(nèi)將堆積密度較大的絲束中的水氣吹離纖維表面。此外，射頻能量穿透深度大，對(duì)于具有較大厚度的卷裝紡織材料，亦可使干燥后產(chǎn)品內(nèi)外含水率均勻。

鋪絲時(shí)分別留出1～2 m空檔，射頻干燥后空檔處絲束回潮率均在1.7%～1.8%之間。此外，通過(guò)射頻干燥后絲束結(jié)頭回潮率并不高于周邊絲束，說(shuō)明射頻干燥對(duì)極端條件下的鋪絲狀態(tài)仍有一定的適應(yīng)能力。

2.4 干燥機(jī)進(jìn)口絲束含水率波動(dòng)對(duì)回潮率穩(wěn)定性的影響

由于射頻干燥機(jī)顯示的輸出功率與干燥機(jī)進(jìn)口絲束含水率有比較直觀的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此只要根據(jù)輸出功率變化適當(dāng)調(diào)整輸送帶速度，就可以控制回潮率。當(dāng)含水率總體超出設(shè)定功率時(shí)，射頻機(jī)電容下降，即射頻機(jī)輸出功率不再隨含水總量增加而繼續(xù)上升。為確保正常生產(chǎn)，試驗(yàn)中采用局部高含水率(含水率為18.6%)的絲束進(jìn)行射頻試驗(yàn)，所得數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

試驗(yàn)表明，當(dāng)停留時(shí)間大于4 min時(shí)，小段高含水率絲束能被正常干燥;但當(dāng)射頻作用時(shí)間小于4 min時(shí)，回潮率開(kāi)始波動(dòng)，其波動(dòng)效應(yīng)在作用時(shí)間小于3.5 min時(shí)顯得特別明顯，如表2所示，回潮率從2.67%波動(dòng)到4.02%。由于射頻干燥具有含水率自平衡效應(yīng)［1］，射頻能量會(huì)集中在局部含水率較大的部分，從而確保加熱過(guò)程中物料含水率均勻，而如果作用時(shí)間過(guò)短，就會(huì)導(dǎo)致濕絲的水氣來(lái)不及外排而仍停留在絲束表面。

表2 高含水率絲束射頻干燥試驗(yàn)結(jié)果(6 050 V)

6 050 V電極電壓下干燥機(jī)進(jìn)口絲束含水率波動(dòng)對(duì)回潮率的影響見(jiàn)表3。

表3 含水率不同的絲束射頻干燥試驗(yàn)結(jié)果

正常試驗(yàn)中，當(dāng)含水率控制在10%以下時(shí)，射頻試驗(yàn)后絲束的回潮率比較均勻;而當(dāng)絲束含水率超過(guò)10%時(shí)，如射頻作用時(shí)間控制在4 min以上，其含水率波動(dòng)對(duì)回潮率影響不大;但當(dāng)作用時(shí)間只有3 min時(shí)，回潮率波動(dòng)效應(yīng)明顯。

3 各因素對(duì)回潮率的影響程度

為了更好地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，驗(yàn)證前期試驗(yàn)中得出的結(jié)論，特引入正交試驗(yàn)分析法確定各因素對(duì)絲束回潮率的影響程度。

根據(jù)前期試驗(yàn)，從射頻干燥試驗(yàn)工藝參數(shù)中篩選出3個(gè)因素(電壓、堆積密度和作用時(shí)間)進(jìn)行比較，每個(gè)因素各取3水平。因素水平表見(jiàn)表4。

表4 回潮率影響因素水平

選用L9(34)正交表，進(jìn)行正交試驗(yàn)，并采用直觀分析法來(lái)分析各個(gè)因素對(duì)回潮率的影響，極差大的因素是主要因素。試驗(yàn)得出電壓的極差數(shù)值為 0.241，堆積密度為 0.089，作用時(shí)間為0.288，由此得到各因素的主次順序?yàn)?作用時(shí)間＞電壓＞堆積密度，可見(jiàn)作用時(shí)間和電壓對(duì)腈綸纖維的回潮率影響最大，這與前期試驗(yàn)得出的結(jié)論相一致。

4 結(jié)論

(1)在電極電壓相同的條件下，回潮率隨著射頻作用時(shí)間減小而呈明顯上升趨勢(shì)。

(2)在作用時(shí)間相同的條件下，回潮率隨著電極電壓的下降而呈上升趨勢(shì)。

(3)絲束堆積密度對(duì)回潮率影響不大，射頻干燥機(jī)對(duì)極端條件下的鋪絲狀態(tài)仍有一定的適應(yīng)能力。

(4)根據(jù)射頻干燥機(jī)輸出功率變化相應(yīng)調(diào)整輸送帶速度就可以控制回潮率，一般的含水率波動(dòng)對(duì)回潮率影響不大。

(5)正交分析試驗(yàn)表明，作用時(shí)間和電壓對(duì)腈綸纖維的回潮率影響最大。

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Study on Effects of Radio Frequency Drying on Moisture Regain in Acrylic Fiber Production

Zhu Lütao，Huang Desheng，Mei Shiyu
(Acrylic Fiber Division，SINOEPC Shanghai Petrochemical Co．，Ltd．200540)

The presented research employed radio frequency drying technology for the drying process of acrylic fibers manufacture．The acting time，electrode voltage，packing density，imported water content fluctuations and other related factors were discussed to analyze their effects on the moisture regain of acrylic fibers．The obtained results showed that the acting time and electrode voltage were the most important affecting factors for the moisture regain of acrylic fibers．With the decrease of action time，the moisture regain had an obvious upward trend．In the same acting time，the moisture regain rose with the decline of electrode voltage．

radio frequency;moisture regain;acrylic fibers;drying

1674－1099 (2012)04－0019－04

TQ342+.31

A

2012-05-24。

竺鋁濤，男，1983年2月出生，2011年畢業(yè)于東華大學(xué)紡織材料與紡織品設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)，博士，主要研究方向?yàn)閺?fù)合材料沖擊動(dòng)力學(xué)。