環(huán)吹風(fēng)冷卻法生產(chǎn)PBT毛刷絲的工藝研究*

司徒建崧，李雪梅，郭銘信，林　海，王增喜

（廣東省化學(xué)纖維研究所，廣東廣州510245）

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科研與實(shí)踐

環(huán)吹風(fēng)冷卻法生產(chǎn)PBT毛刷絲的工藝研究*

司徒建崧，李雪梅，郭銘信，林海，王增喜

（廣東省化學(xué)纖維研究所，廣東廣州510245）

摘要：探索了環(huán)吹風(fēng)冷卻法生產(chǎn)單絲直徑0.05～0.08mmPBT毛刷絲的工藝技術(shù)，研究了與之相對應(yīng)的紡絲工藝條件。研究結(jié)果表明，當(dāng)采用90孔噴絲板，卷繞速度600m/min，生產(chǎn)單絲直徑0.06 mm （相當(dāng)于48dtex）的PBT刷用絲時，環(huán)吹風(fēng)速為0.3~0.5m/s，環(huán)吹風(fēng)溫為15~20℃，環(huán)吹風(fēng)濕度為60%~70%。為加強(qiáng)絲條的冷卻速率，采用增加霧化冷卻裝置的方法來提高冷卻介質(zhì)的傳熱效率。

關(guān)鍵字：毛刷絲；聚對苯二甲酸丁二醇酯；環(huán)吹風(fēng)冷卻；紡絲工藝

進(jìn)入新世紀(jì)以來，較細(xì)刷毛絲的市場潛力引起刷毛行業(yè)的廣泛注意，特別是合成纖維的性能多樣性和可加工性使其在化妝毛刷和各種筆類用途方面開始全面替代動物毛的使用，大大推動了較細(xì)刷毛生產(chǎn)的快速發(fā)展[1]。刷毛絲的生產(chǎn)通常采用水浴冷卻、水平牽伸的生產(chǎn)工藝。這種生產(chǎn)工藝紡絲速度在30～50m/min左右，由于生產(chǎn)速度低，所以生產(chǎn)較細(xì)的刷毛絲，產(chǎn)量小、生產(chǎn)成本高，而且水溫控制不當(dāng)，容易產(chǎn)生皮芯結(jié)構(gòu)，對絲條品質(zhì)產(chǎn)生不良影響[2]。因此，如何提高紡制單絲直徑在0.05～0.08 mm毛刷絲的生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，是一個需要考慮的問題。本文以48dtex（直徑約0.06 mm）PBT絲束為對象，探討采用風(fēng)冷垂直紡絲工藝生產(chǎn)的可能性。

1　實(shí)驗(yàn)部分

考慮到絲束生產(chǎn)纖維根數(shù)較多，為了保證冷卻均勻，經(jīng)研究，決定采用外環(huán)吹冷卻方式，具體工藝路線如下：

切片→干燥除濕→熔融擠出→環(huán)吹冷卻→熱牽伸→上油→熱定型→冷卻→卷繞 （→切條→梳理→包裝）

在整個工藝過程中，冷卻是最為關(guān)鍵的步驟[3]。初生絲條要在較短時間內(nèi)均勻固化成形，所以環(huán)吹冷卻效果如何，關(guān)系到整個工藝是否可行。為此，風(fēng)量、風(fēng)溫和風(fēng)濕的控制非常重要。風(fēng)量增大，冷卻快，但太大會引起絲條的擾動；風(fēng)溫低有利于絲條的冷卻，濕度增加可以增加絲條冷卻效率。所以，降低溫度、加大濕度是提高冷卻效果的有效手段。必要時，通過冷卻水霧化冷卻方式，增加強(qiáng)制冷卻效果。工藝的最終流程示意圖如圖1所示。

圖1　風(fēng)冷工藝生產(chǎn)流程圖

1.1冷卻效果試驗(yàn)

試驗(yàn)原料：PBT切片。

主要試驗(yàn)設(shè)備：φ=45mm螺桿擠壓機(jī)，長徑比25:1；熔體計(jì)量泵，6cc/r；外環(huán)吹冷卻器；七輥牽伸機(jī)。

主要工藝控制：PBT切片采用充填干燥，時間4～6h，溫度130～140℃；螺桿溫度，進(jìn)料段小于180℃，一區(qū)240～250℃，二區(qū)245～255℃，三區(qū)240～250℃，模頭240～250℃；噴絲板，孔數(shù)40孔，孔徑0.6mm，計(jì)量泵擠出量是 6cm3/r，工作轉(zhuǎn)速一般不能低于 15r/ min，以此轉(zhuǎn)速計(jì)算，噴絲孔熔體擠出速度為15 m/min；第一牽伸機(jī)線速度：100～180m/min。

1.2紡絲效果試驗(yàn)

試驗(yàn)原料：PBT切片。

主要設(shè)備條件：充填干燥塔容量100kg；螺桿的最大擠出量是25kg/h，工作轉(zhuǎn)速最好不要超過70r/min；計(jì)量泵擠出量是6cm3/min，工作轉(zhuǎn)速最好不要超過30r/min；第一牽伸輥的線速度最高是300m/min，第二和第三牽伸輥線速度最高是800m/min，卷繞輥線速度最高是700 m/min，還要考慮環(huán)吹冷卻能力和升頭吸槍的吸絲能力。綜合以上因素，選擇直徑160mm，90孔，孔徑0.8mm的噴絲板進(jìn)行紡絲試驗(yàn)。

采用以上原料，根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備條件，經(jīng)過多次試驗(yàn)來確定環(huán)吹風(fēng)冷卻下的紡絲工藝參數(shù)。

2　結(jié)果與討論

2.1冷卻效果試驗(yàn)結(jié)果與討論

PBT熔點(diǎn)大約為235℃，是結(jié)晶型材料，結(jié)晶度可達(dá)40%，結(jié)晶速度快[4]。為了使材料在高溫下降解少，熔融前要經(jīng)過干燥除濕，使含水率控制在1×10-4以下。為了保證切片在螺桿中均勻熔融，可適當(dāng)提高第二區(qū)溫度。PBT的分解溫度為280℃，PBT在熔融狀態(tài)下流動性好，黏度低，在噴出時易發(fā)生 “流延”現(xiàn)象[5]，紡絲溫度宜往低控制，在紡絲時為了保持一定的紡絲張力，紡絲溫度一般控制在240～250℃之間。為了使熔體能均勻擠出，紡絲壓力選擇為50～80MPa。

環(huán)吹風(fēng)冷卻時風(fēng)速不能太高，否則絲條晃動太大，影響紡絲的穩(wěn)定性，控制在0.5m/s以下為宜。冷卻效果隨風(fēng)溫、風(fēng)濕的變化而變化，風(fēng)溫越低，風(fēng)濕越高，有利于絲條的冷卻。但風(fēng)溫太低、風(fēng)濕太高，環(huán)吹出風(fēng)板容易結(jié)露，造成出風(fēng)板小孔堵塞，影響出風(fēng)的均勻。因此，出風(fēng)溫度一般控制在15～20℃，濕度控制在60%～70%為宜。為了保證足夠的熱交換冷量，必須提供足夠的冷卻風(fēng)量，也就是說，環(huán)吹風(fēng)出風(fēng)面積要足夠大。噴絲板孔數(shù)越多，環(huán)吹風(fēng)面積越大。

當(dāng)冷卻條件不變，逐漸增加熔體擠出量，絲條的擠出冷卻固化情況隨擠出量的變化情況如表1和圖2所示。

表1　不同擠出量絲條的冷卻情況

絲條在離噴絲板約1000mm處開始凝固變成乳白色，隨著計(jì)量泵轉(zhuǎn)速增加、擠出量增大時，絲條冷卻固化距離加大，絲條下落速度加快。當(dāng)擠出量增加到一定值，超過4g/（min.孔）時，冷卻固化距離明顯加長，絲條下落速度明顯加快，成形纖度卻變化不大，顯示在試驗(yàn)條件下環(huán)吹冷卻能力接近極限水平。

圖2　不同擠出量絲條的冷卻情況圖

2.2紡絲效果試驗(yàn)結(jié)果與討論

為了紡絲的穩(wěn)定性，必須具有一定的紡絲張力，也就是說紡絲速度要大于絲條下落速度，按試驗(yàn)條件推算，擠出量在3.0～3.5g/（min.孔）時，紡絲速度最小要在150m/min左右。試驗(yàn)結(jié)果表明，基本可以滿足紡制單絲纖度0.06 mm（相當(dāng)于48dtex）絲束的冷卻條件。

經(jīng)過多次反復(fù)試驗(yàn)，最后確定環(huán)吹風(fēng)冷卻條件下紡絲的主要工藝參數(shù)如表2所示。

表2　紡絲工藝條件

由于牽伸和卷繞速度的限制，最終速度不能超過700m/min，為了保證足夠的牽伸倍數(shù)，所以只能盡可能從降低熔體擠出速度和第一牽伸速度方面進(jìn)行考慮。從試驗(yàn)結(jié)果分析，要使最終產(chǎn)品具有足夠的強(qiáng)度和適當(dāng)?shù)纳扉L，牽伸倍數(shù)必須達(dá)到4.5左右，因此，第一輥的速度只能控制在150m/min左右。這樣的話，（1）必須保證環(huán)吹冷卻具有足夠的冷卻能力，在不影響均勻送風(fēng)的前提下，風(fēng)溫盡量低些，濕度稍為大些，在不引起絲條晃動的前提下，風(fēng)速高些，但最好是通過加大吹風(fēng)面積來加強(qiáng)冷卻效果；（2）紡絲模頭溫度往低控制，使絲條能夠更快速冷卻固化；（3）噴絲孔孔徑選擇大些，在保證足夠熔體壓力的前提下，噴絲孔熔體擠出速度相對低些，以保證較大的噴絲頭牽伸倍數(shù)，從而提高紡絲張力，增加初生絲條的取向度，有利于減少后道牽伸的斷頭率。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在現(xiàn)有條件下，基本能夠紡制0.06mm（相當(dāng)于48dtex）單絲纖度的毛刷絲絲束。但纖度超過0.07mm （相當(dāng)于55 dtex）的產(chǎn)品，噴絲頭孔數(shù)超過100孔時，紡絲生產(chǎn)困難。原因是，采用現(xiàn)有的環(huán)吹風(fēng)冷卻裝置，冷卻風(fēng)量不夠，冷卻速度達(dá)不到要求；另外，紡絲和牽伸速度必須進(jìn)一步提高，才能滿足工藝和產(chǎn)品性能的要求。

3　工藝設(shè)備的改進(jìn)

根據(jù)紡絲試驗(yàn)出現(xiàn)的一些問題，對整個工藝流程作了一些調(diào)整和改進(jìn)。

（1）增加霧化冷卻裝置。如果紡制的絲條較粗、根數(shù)較多，單靠環(huán)吹風(fēng)冷卻很難達(dá)到理想的冷卻效果。為了在冷卻方面有較大的突破，我們研究開發(fā)了霧化冷卻裝置，強(qiáng)化絲條冷卻作用。霧化冷卻裝置是使用冷水 （最低可以達(dá)到10℃）通過超聲霧化器形成煙霧狀的水霧，經(jīng)特別設(shè)計(jì)的環(huán)吹套筒噴出對絲束進(jìn)行冷卻。由于是水霧作為冷卻介質(zhì)，水的導(dǎo)熱系數(shù)是空氣的20倍以上，傳熱效率更高，所以紡制44～78dtex單絲纖度的產(chǎn)品，增加霧化冷卻裝置可以大大加快絲條的冷卻速度。具體做法是：在環(huán)吹風(fēng)筒下方加裝特殊設(shè)計(jì)的霧化冷卻器，使擠出的熔體細(xì)流經(jīng)環(huán)吹表層冷卻后，再經(jīng)水霧強(qiáng)制冷卻，減少固化時間，縮短凝固距離，提高紡絲張力。而且凝固后的絲條表層覆蓋有一層水霧，有利于消除絲條摩擦產(chǎn)生的靜電，使絲條在后道高速運(yùn)行中不會沾輥和并絲，減少斷頭，使生產(chǎn)更加正常。

（2）增加轉(zhuǎn)向輥。為了使初生絲條有足夠的冷卻時間，在進(jìn)入第一牽伸輥前，加裝轉(zhuǎn)向輥，一是延長絲條的冷卻時間，使絲條在進(jìn)入牽伸前芯層能夠完全固化。二是經(jīng)過轉(zhuǎn)向輥把絲條表面多余的水分甩干凈，不至于影響后面的牽伸加熱。

（3）熱箱定型機(jī)采取往復(fù)導(dǎo)絲方式。為了使最終產(chǎn)品有較好的性能穩(wěn)定性，必須保證絲條有足夠的定型時間，經(jīng)試驗(yàn)證明，定型時間最好是在3～4s以上 （根據(jù)絲條的粗細(xì)決定），按常規(guī)的直線熱箱布置長度最少是30米，顯然一般的廠房很難達(dá)到要求，也造成用電的極大浪費(fèi)。因此，可以采用10m長的熱箱，通過來回導(dǎo)輥使絲條分3層或5層布置，這樣就大大減少了占地面積，也大大減少了用電消耗。

4　結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)研究了采用環(huán)吹風(fēng)冷生產(chǎn)單絲直徑0.05～0.08mm毛刷絲的工藝技術(shù)。這種工藝有別于水浴冷卻、水平牽伸的傳統(tǒng)工藝，為生產(chǎn)較細(xì)刷毛絲束提供了新的思路，也為提高刷毛絲束生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本提供了廣闊的空間。

針對風(fēng)冷工藝，研究了與之相配套的后續(xù)紡絲、牽伸、定型、卷繞工藝，提出了一整套與現(xiàn)有工藝和設(shè)備不同的技術(shù)設(shè)計(jì)方案。

研究了采用噴霧環(huán)吹冷卻裝置提高絲條冷卻效率的方法，通過溫度較低的水霧對絲條進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，大大提高了冷卻效率，在一定程度上彌補(bǔ)了較粗絲條使用風(fēng)冷冷卻固化難的問題，為本工藝的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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[3] 李允成，徐心華.滌綸長絲生產(chǎn)：第二版 [M].北京:中國紡織出版社，1994.

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中圖分類號：TQ342.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

doi:10.3969／j.issn.1672-500x.2016.02.001

文章編號：1672-500X(2016)02-0001-04

收稿日期：2016-04-28

作者簡介：司徒建崧 （1955-），男，廣東陽江人，高級工程師，主要從事紡織化纖研究和技術(shù)服務(wù)工作。

基金項(xiàng)目：廣東省直科研機(jī)構(gòu)創(chuàng)新能力建設(shè)項(xiàng)目 （2013B060600016）。

CIRCULAR BLOW COOLING PROCESS IN THE PRODUCTON OF PBT BRUSH FIBER

SITU Jian-song， LI Xue-mei， GUO Ming-xin， LIN Hai， WANG Zeng-xi
( Guangdong Province Chemical Fiber Research Institute， Guangzhou 510245， China )

Abstract:Researched the processes of brush fiber production by circular blow cooling method， the corresponding spinning conditions were also discussed. Results show that， when product 0. 06 mm ( 48dtex ) PBT brush fiber in 90 hole spinneret and 600 m/min winding speed， the corresponding air cooling conditions are wind speed 0. 3 ~ 0. 5 m/s， wind temperature 15 ~ 20 ℃， wind relative humidity 60 ~ 70%. To enhance the cooling rate， water atomization cooling device can be used to increase the cooling media’s heat transfer efficiency.

Keywords:brush fiber， PBT， circular blow cooling， spinning process