熔體直紡半消光POY紡絲工藝探討

解項(xiàng)東，李長(zhǎng)龍，孫建杰，杜楊洋，張寅斌，程金亮

（1.桐鄉(xiāng)市中辰化纖有限公司，浙江桐鄉(xiāng) 314500；2.安徽工程大學(xué)，安徽蕪湖 241000；3.湖州中躍化纖有限公司，浙江湖州 313000；4.桐鄉(xiāng)中欣化纖有限公司，浙江桐鄉(xiāng) 314500）

目前，熔體直紡滌綸POY新增產(chǎn)能持續(xù)極速增加，產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)愈演愈烈，常規(guī)產(chǎn)品盈利越來(lái)越難，迫切需要企業(yè)不斷優(yōu)化紡絲工藝，向高附加值、高品質(zhì)、功能性的差別化方向發(fā)展。國(guó)內(nèi)經(jīng)過(guò)數(shù)十年的差別化生產(chǎn)重點(diǎn)推進(jìn)，滌綸POY差別化取得了豐碩的成果，但與日韓等發(fā)達(dá)國(guó)家的差別化纖維仍有一定的差距[1]，紡絲工藝仍有待于優(yōu)化。差別化纖維具有單絲纖度低、異形截面、含有功能性母粒等特點(diǎn)，因此紡絲難度大，對(duì)紡絲工藝要求更加嚴(yán)格[2]。因而，熔體直紡滌綸POY在成品品質(zhì)與紡絲工藝技術(shù)配套上仍具有進(jìn)一步的研究空間[3]。紡絲工藝參數(shù)的合理選擇是確保熔體直紡滌綸半消光POY獲得優(yōu)良品質(zhì)指標(biāo)的保障，有助于提升紡絲生產(chǎn)的穩(wěn)定性，保證后紡加工的順利進(jìn)行。

本研究探討了緩冷區(qū)、冷卻條件、插板、集束位置、含油率、卷繞速度、網(wǎng)絡(luò)加工、卷繞張力等紡絲工藝對(duì)品質(zhì)指標(biāo)、紡絲生產(chǎn)的影響，分析它們對(duì)品質(zhì)指標(biāo)、紡絲生產(chǎn)的作用規(guī)律，以求幫助工藝參數(shù)的優(yōu)化。本研究為在紡品種紡絲工藝的優(yōu)化、新品種紡絲工藝條件的設(shè)定提供了參考依據(jù)。

1 生產(chǎn)設(shè)備與工藝

1.1 原料與生產(chǎn)設(shè)備

原料：精對(duì)苯二甲酸（PTA）、乙二醇（EG）（工業(yè)級(jí)），乙二醇銻（優(yōu)級(jí)純）；二氧化鈦（化纖，優(yōu)級(jí)純）；PET（半消光，纖維級(jí)）。

聚合設(shè)備：800 t/a三釜流程連續(xù)聚合裝置；輸送設(shè)備：瑞士Maag增壓泵；紡絲設(shè)備：德國(guó)巴馬格全套紡絲設(shè)備（十頭紡），0.23×0.69規(guī)格104 mm大板徑噴絲板，環(huán)吹風(fēng)冷卻，油嘴上油，DRYFIL165M油劑（德國(guó)）。

1.2 聚酯熔體品質(zhì)指標(biāo)

經(jīng)過(guò)三釜縮聚后的PET熔體主要品質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 PET熔體主要品質(zhì)指標(biāo)

1.3 紡絲工藝流程

熔體直紡半消光POY紡絲工藝流程見(jiàn)圖1所示。

圖1 紡絲工藝流程圖

2 討論

2.1 緩冷區(qū)

從組件中擠出的熔體細(xì)流處于塑化狀態(tài)，具有溫度高、流動(dòng)性好的特點(diǎn)為保護(hù)組件板面溫度，避免熔體細(xì)流受到擾動(dòng)，防止其流變性與均勻性的降低、結(jié)晶過(guò)快、取向不均勻，保證成品POY具有優(yōu)良的品質(zhì)和后加工性能[4]，從組件中擠出的絲條不應(yīng)首先進(jìn)入環(huán)吹風(fēng)筒內(nèi)冷卻，而應(yīng)進(jìn)入緩冷區(qū)，延緩絲束的冷卻。緩冷區(qū)也稱(chēng)無(wú)風(fēng)區(qū)、密閉區(qū)域，高度為熔體從噴絲板出來(lái)到開(kāi)始冷卻時(shí)的距離[5]，其高度及密封條件對(duì)POY生產(chǎn)的穩(wěn)定性、品質(zhì)指標(biāo)均有重要影響，一般品種規(guī)格不同，高度也不相同。緩冷區(qū)高度可通過(guò)更換箱體下方不同厚度的鋁板或硬質(zhì)隔熱墊進(jìn)行調(diào)整，高度增加，組件噴絲板面溫度、解取向程度增大，細(xì)流冷卻速度、異形截面的保持度降低，取向度降低，斷裂伸長(zhǎng)率增大，沸水收縮率降低；但高度過(guò)大時(shí)，易造成絲束拉伸不足，染色不良，且對(duì)環(huán)吹冷卻條件要求更高，風(fēng)壓增大，冷卻均勻性降低，將對(duì)紡絲生產(chǎn)和品質(zhì)指標(biāo)產(chǎn)生不利影響。高度減少，有利于提高斷裂強(qiáng)度、異形度，但長(zhǎng)絲韌性降低。高度過(guò)小，POY強(qiáng)伸度降低，后加工性能降低，斷頭、飄絲、外觀不良增多，不利于紡絲生產(chǎn)的平穩(wěn)運(yùn)行。

2.2 冷卻條件

采用環(huán)吹風(fēng)對(duì)離開(kāi)緩冷區(qū)的絲條進(jìn)行降溫、凝固，絲條在卷繞機(jī)拽絲張力的牽引下進(jìn)行均勻的熱傳遞，溫度漸漸降低，發(fā)生形變，獲得一定的取向度和結(jié)晶度，黏度增大，流動(dòng)性減弱，最終凝固成形。風(fēng)壓的大小及穩(wěn)定性直接影響長(zhǎng)絲的內(nèi)在品質(zhì)及后加工性能，單絲平穩(wěn)從風(fēng)筒內(nèi)穿過(guò)，不產(chǎn)生抖動(dòng)、碰撞、劇烈晃動(dòng)現(xiàn)象作為選擇環(huán)吹風(fēng)壓的標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)品種規(guī)格、噴絲板孔的排列方式和間距進(jìn)行風(fēng)壓的選擇[6]。風(fēng)壓增大，風(fēng)速隨之增加，熱交換速度加快，加速了單絲的冷卻，進(jìn)一步抑制了熔體細(xì)流的降解現(xiàn)象，形變區(qū)縮短，取向度略微降低，絲束凝固點(diǎn)上移，氣流干擾減弱，單絲受到的空氣摩擦阻力加劇，在紡絲上表現(xiàn)為T(mén)1張力明顯升高，在品質(zhì)指標(biāo)上表現(xiàn)為斷裂伸長(zhǎng)率增大、條干均勻性改善。但風(fēng)壓過(guò)大，單絲冷卻速度過(guò)快，容易使單絲徑向產(chǎn)生較大的溫差，生成皮芯結(jié)構(gòu)[7]，造成彎角絲、斷頭、毛絲、飄絲等，不利于生產(chǎn)的平穩(wěn)運(yùn)行。

2.3 插板

正常紡絲時(shí)，插板安裝在環(huán)吹風(fēng)筒的中間位置，有鋁制、鋼制兩種類(lèi)型，鋁制插板上裝和拆卸過(guò)程中在外力作用下易產(chǎn)生變形。鋼插板減小了風(fēng)筒中心區(qū)域湍流的形成，有利于均勻風(fēng)速，減少絲束抖動(dòng)，使絲束冷卻充分、均勻，單絲漂移、振動(dòng)的因素減小，絲路順暢，平穩(wěn)運(yùn)行，抑制了一板兩餅產(chǎn)品交叉絲或單絲偏移絲路現(xiàn)象的產(chǎn)生，提高了條干均勻度，改善了自密封組件細(xì)旦產(chǎn)品外觀質(zhì)量，減少了飄絲、斷頭，提高了生產(chǎn)的穩(wěn)定性。但鋼插板的上裝與拆卸需要一定的垂直空間，限制了集束位置的抬升高度。鋼插板位置出現(xiàn)偏差或未插到位時(shí)，單絲靠近插板，易產(chǎn)生刮擦，也會(huì)使插板兩邊絲束冷卻不均勻，引起飄絲、斷頭、毛絲等不良狀況。鋼插板使用一定時(shí)間后，插板兩側(cè)都會(huì)集聚很多白色粉塵，集聚嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響風(fēng)筒內(nèi)氣流的流動(dòng)，鏟板拆卸插板時(shí)，應(yīng)對(duì)插板進(jìn)行水洗及壓縮空氣的吹干處理。

2.4 集束位置

集束位置高度可通過(guò)紡絲窗內(nèi)的支架進(jìn)行調(diào)節(jié)，對(duì)產(chǎn)品外觀、品質(zhì)指標(biāo)、滿(mǎn)卷率均有重要影響。絲束在集束時(shí)，主要受到流變阻力、慣性力、空氣摩擦阻力，因集束時(shí)絲條已凝固，集束位置高度的改變，絲條受到的空氣摩擦阻力隨之變化，而流變阻力、慣性力基本無(wú)變化。適當(dāng)?shù)靥恢?，減弱了單絲與空氣、絲束與紡絲瓷件的摩擦，單絲的晃動(dòng)性、紡絲T1張力明顯降低，絲束穩(wěn)定性、條干均勻度得到改善。但集束位置抬升到一定高度后，紡絲T1張力降低緩慢，單絲與油嘴瓷件的摩擦加劇，油嘴及出油口溫度快速上升，油嘴發(fā)燙，白粉增多，嚴(yán)重時(shí)會(huì)堵塞出油口，造成噴油、絲束上油與冷卻不均勻、條干均勻度下降、成品外觀不良等[8]。降低集束位置，紡絲T1張力增大，絲條凝固點(diǎn)上移，空氣摩擦阻力上升為重要影響因素。過(guò)大的紡絲T1張力易使絲條取向度增加，位置過(guò)低，單絲抖動(dòng)大，出現(xiàn)嚴(yán)重晃動(dòng)，易產(chǎn)生并絲、飄絲、斷頭等。應(yīng)充分考慮POY品種規(guī)格、凝固點(diǎn)位置進(jìn)行集束位置高度的合理選擇。一般來(lái)講，細(xì)旦多孔絲應(yīng)適當(dāng)?shù)靥恢酶叨龋值┥倏捉z的集束位置應(yīng)合理降低[9]。

2.5 含油率

含油率對(duì)POY生產(chǎn)的平穩(wěn)運(yùn)行、成品優(yōu)等率、品質(zhì)指標(biāo)、后加工性能、后加工生產(chǎn)的穩(wěn)定性及產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量的控制均有關(guān)鍵性影響。油嘴噴油孔噴出的油劑在瞬間均勻地附著在高速運(yùn)動(dòng)的絲束上，在單絲表面形成均勻一致的油膜，使絲束獲得較高的潤(rùn)滑性，減弱單絲之間、絲束與絲路上的瓷件及金屬等的摩擦。POY在生產(chǎn)、包裝存儲(chǔ)、運(yùn)輸、后加工過(guò)程中，受摩擦電荷易積累，產(chǎn)生負(fù)電性的靜電。絲束上油后具有良好的抗靜電性，使絲條緊密，不易產(chǎn)生放電現(xiàn)象，后加工性能得到提高。冷卻凝固后的絲條較干燥，后加工困難，經(jīng)過(guò)油嘴上油潤(rùn)濕后，絲束上具有一定的油劑和水分，增強(qiáng)了單絲相互之間的抱合力，使絲條易于集束，有利于拉伸變形加工的順利進(jìn)行[10]。在成品POY靜置存儲(chǔ)時(shí)，絲條上的油劑可均勻擴(kuò)散，緩解內(nèi)應(yīng)力。提高絲束含油率，成品優(yōu)等率提高，紡絲斷頭數(shù)減少。絲條含油率較低時(shí)，會(huì)導(dǎo)致絲束長(zhǎng)度方向的含油率不一致[11]，油膜缺乏對(duì)絲束的保護(hù)，當(dāng)單絲瞬間或某一部分受到的摩擦較大時(shí)，易使單絲斷裂，誘發(fā)交叉絲、飄絲、斷頭、外觀不良等；含油率較高時(shí)，POY后加工時(shí)，車(chē)間空氣中煙量增大，不利于生產(chǎn)的安全、平穩(wěn)運(yùn)行，另外，POY生產(chǎn)成本隨之上漲，成品利潤(rùn)降低。應(yīng)根據(jù)品種規(guī)格、后加工性能、品質(zhì)指標(biāo)、油劑類(lèi)型、上油方式、生產(chǎn)與管理方式等選擇合理的含油率。

2.6 卷繞速度

卷繞速度是關(guān)鍵的工藝參數(shù)之一，對(duì)POY的超分子結(jié)構(gòu)、內(nèi)在質(zhì)量、后加工性能、生產(chǎn)穩(wěn)定性、成本控制均有重要影響。提高卷繞速度有利于釋放設(shè)備潛力，增產(chǎn)增效，噴絲頭拉伸倍率、紡絲與卷繞張力、拉伸流動(dòng)的應(yīng)力、取向度、雙折射值均會(huì)提高。但速度過(guò)高，POY分子鏈上的拉伸力增強(qiáng)，取向度增加明顯[12]，后紡拉伸倍數(shù)減小，結(jié)晶均勻性降低，易造成后加工產(chǎn)品染色不勻，且對(duì)后紡加工設(shè)備、設(shè)定的工藝參數(shù)要求提高。卷繞速度對(duì)POY內(nèi)在質(zhì)量的影響主要體現(xiàn)條干U值、強(qiáng)伸度等物理指標(biāo)上。提高卷繞速度，紡絲張力增大，絲束受到的干擾減弱，冷卻成形均勻性提高，條干U值降低，POY的取向度、斷裂強(qiáng)度增大[13]，剩余拉伸倍率、斷裂伸長(zhǎng)率減小，絲條受到的摩擦加劇。過(guò)高的卷繞速度對(duì)紡絲與卷繞設(shè)備要求較高，后紡拉伸范圍變窄，生產(chǎn)可控性、紡絲穩(wěn)定性減弱，飄絲、斷頭、不良絲數(shù)增加，不利于生產(chǎn)的平穩(wěn)運(yùn)行。

2.7 網(wǎng)絡(luò)加工

網(wǎng)絡(luò)加工廣泛地應(yīng)用于滌綸POY長(zhǎng)絲生產(chǎn)及后加工過(guò)程中，絲束經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)器時(shí)，在垂直噴射氣流作用下，絲條開(kāi)松，單絲被捆扎和加速，單絲之間發(fā)生碰撞、交絡(luò)、纏結(jié)，沿絲條軸線(xiàn)方向上產(chǎn)生周期性的網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)加工能顯著地增強(qiáng)單絲相互之間的抱合性能，促進(jìn)絲束上的油劑均勻擴(kuò)散，降低絲條不勻率，改善POY退繞性能，提高其后加工性能，降低拉伸變形加工時(shí)形成的斷頭和外觀不良。測(cè)試網(wǎng)絡(luò)加工效果的指標(biāo)主要為：網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)數(shù)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)牢度，其主要受?chē)娚錃饬鲗?duì)POY長(zhǎng)絲產(chǎn)生的高頻率振動(dòng)波的頻率的影響[14]。網(wǎng)絡(luò)壓力是對(duì)網(wǎng)絡(luò)度和網(wǎng)絡(luò)牢度起決定性的工藝條件。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)空氣壓力升高，單絲之間易于松開(kāi)、纏繞，絲條易于形成交絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)加工質(zhì)量顯著提高，但壓力較大時(shí)，絲條易于產(chǎn)生壁障現(xiàn)象，絲束難于回轉(zhuǎn)、交絡(luò)，反而不利于網(wǎng)絡(luò)加工。因而，選擇合適的網(wǎng)絡(luò)壓力對(duì)于POY的外觀、內(nèi)在品質(zhì)、后加工性能、質(zhì)量與成本控制、生產(chǎn)與管理方法的優(yōu)化都有著顯著的影響。

2.8 卷繞張力

卷繞張力的大小及穩(wěn)定性對(duì)POY生產(chǎn)的穩(wěn)定性、優(yōu)等率、物理指標(biāo)、后加工性能、加工成品品質(zhì)均有重要的影響。本研究采用的巴馬格WINGS卷繞機(jī)具有雙導(dǎo)絲盤(pán)，減少了卷繞張力的波動(dòng)，提升了絲束條干均勻度，便于卷繞張力的調(diào)節(jié)。卷繞張力值可通過(guò)調(diào)整導(dǎo)絲盤(pán)圓周速度與卷繞速度的差值進(jìn)行調(diào)控。[15]卷繞張力較大時(shí)，POY成品卷裝較緊，絲餅出現(xiàn)端面不齊、蛛網(wǎng)、凸肩等的不良現(xiàn)象增多[16]，條干不勻率上升，后加工性能變差，絲條與接觸的金屬、陶瓷部件的摩擦阻力增大，易產(chǎn)生外觀不良，同時(shí)也增加崗位工卷繞生頭的難度。張力較小時(shí)，POY絲餅較軟，后加工時(shí)易脫圈，絲餅出現(xiàn)塌邊、跳滑輪等的不良現(xiàn)象增多，同時(shí)也易使絲條斷頭，不利于紡絲生產(chǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行。所以，應(yīng)根據(jù)品種規(guī)格、工藝條件、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、管理方式等選擇合理的卷繞張力。

3 結(jié)語(yǔ)

紡絲工藝對(duì)熔體直紡半消光POY的品質(zhì)指標(biāo)、生產(chǎn)穩(wěn)定性、后加工生產(chǎn)、質(zhì)量與成本控制均有關(guān)鍵性的影響。緩冷區(qū)保護(hù)了組件板面溫度，增強(qiáng)了絲束的韌性，改善了絲束的品質(zhì)指標(biāo)，但高度增加不利于異形纖維異形度的保持。環(huán)吹風(fēng)通過(guò)均勻的熱傳遞對(duì)絲條進(jìn)行降溫和凝固，提高了強(qiáng)伸度，降低了條干不勻率。環(huán)吹風(fēng)筒內(nèi)插入插板，有利于均勻風(fēng)速，減少絲束抖動(dòng)，使絲束冷卻充分、均勻，絲束受到的空氣摩擦阻力隨著集束位置高度的變化而改變，抬升集束位置，絲束受到的摩擦減弱，穩(wěn)定性和條干均勻度提高，紡絲張力降低。上油使絲束獲得良好的潤(rùn)滑性、抗靜電性、易于集束，緩解了內(nèi)應(yīng)力，降低不良率，減少斷頭、飄絲。卷繞速度主要影響POY的取向度、結(jié)晶度，體現(xiàn)在條干U值、強(qiáng)伸度等指標(biāo)上。網(wǎng)絡(luò)加工增強(qiáng)了絲條的抱合性能，促進(jìn)油劑均勻擴(kuò)散，降低絲條不勻率，改善后加工性能。合適的卷繞張力是POY獲得優(yōu)良的退繞和后加工性能、外觀質(zhì)量的保證。