紡絲工藝對熔體直紡滌綸半消光POY品質(zhì)的影響分析

解項東，李長龍，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 紡織服裝學院，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)

滌綸POY紡絲成形經(jīng)歷熔體從組件中擠出、熔體細流的內(nèi)應力松弛與牽伸變細，到絲束的冷卻固化與上油、卷繞成形的過程。紡絲成形過程中熔體中聚合物的物理形態(tài)、化學結(jié)構(gòu)均會發(fā)生變化，且這種物理與化學上的變化會相互交叉、相互影響，所以滌綸POY紡絲成形對紡絲工藝條件及其穩(wěn)定性的要求較為嚴格[1]，以防工藝條件對成品品質(zhì)性能產(chǎn)生不利影響。滌綸POY的品質(zhì)指標主要包括強伸度、含油率、條干不勻率、網(wǎng)絡度與牢度、線密度等，決定著POY的內(nèi)在質(zhì)量，對POY的后加工性能與產(chǎn)品質(zhì)量具有重要影響[2]。目前熔體直紡滌綸POY向高附加值、高品質(zhì)的差別化方向發(fā)展，具有單絲纖度低、異形截面、含有功能性母粒等特點，但紡絲難度增大，生產(chǎn)工藝更加嚴格，且品質(zhì)指標易受紡絲工藝的影響[3]。因而，熔體直紡滌綸POY在成品品質(zhì)與紡絲工藝技術配套上仍具有進一步的研究空間[4]；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)指標的保障，從而提升紡絲生產(chǎn)的穩(wěn)定性，保證后紡加工順利進行。為此，研究以130 dtex/48 f熔體直紡半消光POY為例，探討了冷卻條件、插板、集束位置、上油、網(wǎng)絡加工、卷繞張力等紡絲工藝對POY品質(zhì)指標的影響；通過在合理范圍內(nèi)調(diào)整上述參數(shù)，考察它們對品質(zhì)指標的作用規(guī)律，以對工藝參數(shù)進行優(yōu)化。優(yōu)化后的工藝參數(shù)有望為生產(chǎn)的平穩(wěn)運行，產(chǎn)品內(nèi)在品質(zhì)的提高，后加工的順利進行提供保障。

1 實驗

1.1 原料與生產(chǎn)設備

精對苯二甲酸(PTA)：工業(yè)級；乙二醇(EG)：工業(yè)級；乙二醇銻：優(yōu)級純；二氧化鈦(化纖)：優(yōu)級純；PET(半消光)：纖維級。

采用熔體直紡生產(chǎn)工藝路線，聚合設備：生產(chǎn)能力800 t/a三釜流程連續(xù)聚合裝置，熔體輸送采用瑞士Maag增壓泵；紡絲設備：德國巴馬格全套紡絲設備，采用0.23*0.69規(guī)格104 mm大板徑噴絲板，環(huán)吹風冷卻，油嘴上油，DRYFIL165M油劑(德國)；拉伸變形設備：FK6-1000V型加彈機(巴馬格)。

1.2 聚酯熔體品質(zhì)指標

經(jīng)過三釜縮聚后的PET熔體其主要品質(zhì)指標如表1所示。

表1 PET熔體主要品質(zhì)指標

1.3 紡絲工藝流程

熔體直紡半消光POY紡絲工藝流程與拉伸變形加工工藝流程分別如圖1、圖2所示。紡絲工藝參數(shù)：終聚釜出口熔體溫度289.1 ℃，箱體溫度284.5 ℃，組件濾網(wǎng)采用綜合網(wǎng)，組件壓力140.0 Kg/cm2，無風區(qū)高度70 mm，風濕度75±5%，風溫22.5±0.5 ℃；拉伸變形加工工藝參數(shù)：車速750 m/min，牽伸比1.70，速比1.65，第一熱箱185 ℃，第二熱箱165 ℃。

圖1紡絲工藝流程圖

圖2拉伸變形加工工藝流程圖

1.4 分析測試

測試儀器：YG023B-Ⅲ型全自動單紗強力機，CT800C條干均勻度測試分析儀，Tension star手持式電子張力儀，TC9300TCA含油測試儀。

測試方法：采用YG023B-Ⅲ型全自動單紗強力機，按GB/T14344-2008標準進行測試；采用CT800C條干均勻度測試分析儀，按GB/T14346-1993標準進行測試；采用電子張力儀測試長絲在線張力，測量3次并取均值；采用TC9300TCA含油測試儀測試長絲含油率，測量3次并取均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 冷卻條件

采用環(huán)吹風對離開緩冷區(qū)的絲條進行降溫、凝固；絲條在卷繞機拽絲張力牽引下，進行均勻的熱傳遞，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，流動性減弱，最后凝固成形[5]。過高或過低的風壓均易引起絲條振蕩、飄動，造成單絲間冷卻長度存在差異，絲束條干不勻率增大，拉伸變形絲染色不勻[6]。為探究冷卻條件對于半消光POY及其拉伸變形絲品質(zhì)的影響，測試了不同風壓工藝下的POY及其拉伸變形絲的物理指標如表2所示。由表2可知，風壓對POY及后加工成的DTY的品質(zhì)指標具有顯著的影響；風壓增大，風速隨之增加，熱交換速度加快，加速了單絲的冷卻，進一步抑制了熔體細流的降解，形變區(qū)縮短，取向度略微降低，絲束凝固點上移，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T1張力增大，在品質(zhì)指標上表現(xiàn)為斷裂伸長率增大、條干均勻性明顯改善。然而，風壓過大，單絲冷卻速度過快，易使單絲徑向產(chǎn)生較大的溫差，生成皮芯結(jié)構(gòu)，造成彎角絲、斷頭、毛絲、飄絲等，不利于生產(chǎn)的平穩(wěn)運行。結(jié)合實際生產(chǎn)工藝、管理方式、設備運行狀態(tài)分析得出：風筒長度在260 mm，風壓在40 Pa左右，POY品質(zhì)指標優(yōu)良，能夠滿足DTY的生產(chǎn)要求。

2.2 插板

正常紡絲時，插板安裝在環(huán)吹風筒的中間位置，鋼插板減小了風筒中心區(qū)域湍流的形成，使單絲間不發(fā)生碰撞，絲路順暢，平穩(wěn)運行，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，改善了自密封組件產(chǎn)品外觀和品質(zhì)質(zhì)量，減少了飄絲、斷頭，提高了生產(chǎn)穩(wěn)定性。為探究插板對于半消光POY及其拉伸變形絲品質(zhì)的影響，測試了環(huán)吹筒內(nèi)有無插入插板工藝下的POY及其拉伸變形絲物理指標如表3所示。由表3可知，環(huán)吹風筒內(nèi)插入插板對POY及后加工成的DTY的品質(zhì)指標影響較小，但是插入插板后的POY品質(zhì)略優(yōu)，主要體現(xiàn)在斷裂伸長率及其CV值、條干U值等品質(zhì)指標上；風筒內(nèi)插入插板有利于均勻風速，減少絲束抖動，使絲束冷卻充分、均勻，單絲漂移、振動的因素減小，斷裂伸長率值增大，條干不勻率降低，且絲束受到空氣摩擦阻力增大，紡絲張力隨之增大。結(jié)合實際生產(chǎn)工藝、管理方式、設備運行狀態(tài)分析得出：環(huán)吹風筒內(nèi)插入插板有利于提高POY品質(zhì)指標、產(chǎn)品優(yōu)等率，使生產(chǎn)穩(wěn)定運行。

表2 風壓(Pa)對主要物理指標的影響

表3 插板對主要物理指標的影響

2.3 集束位置

集束位置高度對產(chǎn)品外觀、品質(zhì)指標、滿卷率均有關鍵性影響。抬升集束位置減弱了絲束受到的摩擦，單絲的晃動性、紡絲T1張力明顯降低，絲束穩(wěn)定性、條干均勻度得到顯著改善；但隨著抬升，紡絲T1張力降低緩慢，單絲受到的摩擦增大，油嘴發(fā)燙，白粉增多，易造成油嘴噴油、絲束上油與冷卻不均勻、條干均勻度下降、成品外觀不良等[7]。降低集束位置，紡絲T1張力增大，絲條凝固點上移，空氣摩擦阻力上升為重要影響因素，過大的紡絲T1張力易使絲條取向度增加[8]，位置過低，單絲抖動大，將出現(xiàn)嚴重晃動，產(chǎn)生并絲、飄絲、斷頭等。為探究集束位置對于半消光POY及其拉伸變形絲品質(zhì)的影響，測試了不同集束位置高度工藝下的POY及其拉伸變形絲物理指標如表4所示。由表4可知，集束位置高度對POY斷裂強度、斷裂伸長率、T1與T3張力、后加工產(chǎn)品品質(zhì)均有重要影響，對POY 60%強力、條干U值、DTY斷裂伸長率的影響存在一個最優(yōu)值。較小的紡絲張力有利于減緩張力對絲條凝固點前的影響，優(yōu)化POY品質(zhì)指標，降低斷頭率；在其他工藝條件不變的前提下，集束高度在900 mm時，POY具有較高的斷裂強度、斷裂伸長率、60%強力，條干均勻度最優(yōu)，完全能夠滿足后加工品質(zhì)要求，且后加工成的DTY品質(zhì)指標較優(yōu)。結(jié)合實際生產(chǎn)工藝、管理方式、設備運行狀態(tài)分析得出：集束位置高度選擇900 mm時，有利于提高POY品質(zhì)指標、產(chǎn)品優(yōu)等率，使生產(chǎn)穩(wěn)定運行。

絲束在集束時，主要受到流變阻力、慣性力和空氣摩擦阻力，因集束時絲條已凝固，集束位置高度的改變，使絲條受到的空氣摩擦阻力隨之變化，而流變阻力、慣性力基本無變化。所以應充分考慮POY品種規(guī)格、凝固點位置進行集束位置高度的選擇。一般，細旦多孔絲應適當?shù)靥恢酶叨?，粗旦少孔絲的集束位置應合理降低[9]。

表4 集束位置高度(mm)對主要物理指標的影響

2.4 上油

含油率對POY生產(chǎn)的平穩(wěn)運行、成品優(yōu)等率、品質(zhì)指標、后加工性能、后加工生產(chǎn)的穩(wěn)定性及產(chǎn)品的內(nèi)在質(zhì)量均有關鍵性影響。油劑在單絲表面形成均勻一致的油膜，使絲束具有較高的潤滑性，減弱受到的摩擦，獲得良好的抗靜電性，增強單絲相互之間的抱合力[10]，易于集束，緩解內(nèi)應力，后加工性能得到提高。提高含油率，成品優(yōu)等率提高，條干不勻率降低，斷頭、外觀不良減少。但含油率較高時，后加工時發(fā)煙量增大，不利于生產(chǎn)的安全、平穩(wěn)運行；含油率較低時，會導致絲束長度方向的含油率不一致[11]，油膜缺乏對絲束的保護，易使單絲斷裂，誘發(fā)交叉絲、飄絲、斷頭、外觀不良等狀況。為探究上油對于半消光POY及其拉伸變形絲品質(zhì)的影響，測試了不同含油率工藝下的POY及其拉伸變形絲物理指標如表5所示。由表5可知，提高POY含油率，對斷裂強度和斷裂伸長率及其CV值、T1和T3張力、條干均勻度均產(chǎn)生重要影響；提高含油率改善了POY上油的均勻性，減小了紡程張力的波動，單絲之間及受到外界的摩擦作用減弱，主要表現(xiàn)為，條干均勻度明顯提高，斷裂強度和斷裂伸長率的CV值都顯著降低，紡絲T1和卷繞T3張力也略有減少，這些都有利于減少斷頭，提高成品優(yōu)等率和POY后加工性能；由上述分析可知，含油率在0.4%左右時，POY內(nèi)在品質(zhì)指標較優(yōu)，后加工成的DTY指標符合生產(chǎn)要求。結(jié)合實際生產(chǎn)工藝、管理方式、設備運行狀態(tài)分析得出：含油率選擇0.43%時，有利于提高POY品質(zhì)指標、產(chǎn)品優(yōu)等率，使生產(chǎn)穩(wěn)定運行。

2.5 網(wǎng)絡加工

網(wǎng)絡加工廣泛地應用于滌綸長絲生產(chǎn)及后加工過程中。網(wǎng)絡加工能顯著地增強單絲相互之間的抱合性能，促進絲束上的油劑均勻擴散，降低絲條不勻率，改善POY退繞性能[12]，提高其后加工性能，減少后加工時產(chǎn)生的斷頭和外觀不良現(xiàn)象，提升拉伸變形絲品質(zhì)指標。為探究網(wǎng)絡加工對于半消光POY及其拉伸變形絲品質(zhì)的影響，測試了不同網(wǎng)絡壓力工藝下的POY及其拉伸變形絲物理指標如表6所示。由表6可知，提高網(wǎng)絡中空氣壓力，有利于提高POY及后加工成的DTY的內(nèi)在品質(zhì)，POY強伸度、60%強力值明顯提高，而斷裂伸長率CV值及條干U值降低，對T1與T3張力值影響較小。但壓力較大時，反而降低了POY及后加工成的DTY的品質(zhì)指標，其主要體現(xiàn)在絲束強伸度、60%強力值呈下降趨勢。由上述分析可知，網(wǎng)絡壓力在0.6～0.8 MPa時，POY內(nèi)在品質(zhì)指標較優(yōu)，后加工成的DTY指標符合生產(chǎn)要求。結(jié)合實際生產(chǎn)工藝、管理方式、設備運行狀態(tài)分析得出：網(wǎng)絡壓力選擇0.7 MPa時，有利于提高POY品質(zhì)指標、產(chǎn)品優(yōu)等率，使生產(chǎn)穩(wěn)定運行。

網(wǎng)絡加工效果主要受噴射氣流對POY長絲產(chǎn)生的高頻率振動波的頻率的影響[13]，所以網(wǎng)絡壓力是對加工效果起決定性的工藝條件。進而選擇合適的網(wǎng)絡壓力對于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。網(wǎng)絡內(nèi)空氣壓力升高，單絲之間易于松開、纏繞，絲條易于形成交絡，網(wǎng)絡加工質(zhì)量顯著提高，但壓力較大時，絲條易產(chǎn)生壁障現(xiàn)象，單絲易貼附在網(wǎng)絡器絲道璧上，絲束難于回轉(zhuǎn)、交絡，且易受到損傷，網(wǎng)絡加工的質(zhì)量下降。

表5 含油率(%)對主要物理指標的影響

表6 網(wǎng)絡壓力(MPa)對主要物理指標的影響

2.6 卷繞張力

卷繞張力的大小及穩(wěn)定性對POY生產(chǎn)的穩(wěn)定性、優(yōu)等率、品質(zhì)指標、后加工性能、加工成品品質(zhì)均有重要的影響。卷繞張力較大時，POY成品卷裝較緊，絲餅成形不良增多[14]，條干不勻率上升，后加工性能變差，絲束受到的摩擦阻力增大，易導致外觀不良；張力較小時，POY絲餅較軟，絲餅易出現(xiàn)塌邊、跳滑輪、卷徑偏大等現(xiàn)象，后加工時易脫圈，同時極易使絲條產(chǎn)生斷頭，不利于紡絲生產(chǎn)的穩(wěn)定運行。為探究卷繞張力對于半消光POY及其拉伸變形絲品質(zhì)的影響，測試了不同卷繞張力工藝下的POY及其拉伸變形絲物理指標如表7所示。由表7可知，卷繞張力對POY及加工成的DTY品質(zhì)指標均有重要的影響。隨著卷繞張力增大，導絲盤速度降低，紡絲過程絲束受到的拉伸力減小，進而對POY性能產(chǎn)生影響，品質(zhì)指標主要體現(xiàn)在斷裂強度、60%強力隨之減小，而斷裂伸長率隨之增大，但增大和減小幅度都較??；卷繞張力的變化對紡絲張力的影響不明顯，但對斷裂強度、斷裂伸長率、60%強力、條干均勻度影響顯著，且卷繞張力在15 g時，斷裂強度、斷裂伸長率、60%強力、條干均勻度等指標較好，紡絲張力較小，有利于減弱摩擦。由上述分析可知，卷繞張力在15 g左右時，POY內(nèi)在品質(zhì)指標較優(yōu)，后加工成的DTY指標符合生產(chǎn)要求。結(jié)合實際生產(chǎn)工藝、管理方式、設備運行狀態(tài)分析得出：卷繞張力選擇15 g時，有利于提高POY品質(zhì)指標、產(chǎn)品優(yōu)等率，使生產(chǎn)穩(wěn)定運行。

2.7 產(chǎn)品質(zhì)量指標

綜上所述可得優(yōu)化的工藝條件：采用環(huán)吹風筒冷卻，風筒內(nèi)插入鋼制插板，風壓40 Pa；集束位置高度900 mm；油嘴上油，含油率0.43%；網(wǎng)絡壓力0.7 MPa；卷繞張力15 g。生產(chǎn)獲得的130 dtex/48 f滌綸半消光POY產(chǎn)品優(yōu)等率較高，生產(chǎn)斷頭少，生產(chǎn)運行平穩(wěn)、良好，其具體品質(zhì)指標如表8所示。由表8可知，生產(chǎn)出的POY產(chǎn)品具有優(yōu)良的物理指標，品質(zhì)質(zhì)量優(yōu)異，能夠滿足客戶后加工的性能需求；上述綜合的優(yōu)化工藝條件適合130 dtex/48 f滌綸熔體直紡半消光POY的規(guī)模化生產(chǎn)。

表7 卷繞張力(g)對主要物理指標的影響

表8 主要物理指標

3 結(jié)論

紡絲工藝參數(shù)中風壓、集束位置高度、含油率、網(wǎng)絡壓力對熔體直紡半消光POY品質(zhì)指標具有決定性的影響，表現(xiàn)為提高風壓與網(wǎng)絡壓力，POY強伸度增大，條干均勻性改善；含油率的提高有利于降低條干U值、斷裂強度CV值和斷裂伸長率CV值；集束位置高度增加有利于絲束充分冷卻，提升斷裂強度，降低條干不勻率。

通過采用DIO組件生產(chǎn)一板兩餅熔體直紡半消光130 dtex/48 f滌綸POY的優(yōu)化工藝參數(shù)為：采用環(huán)吹風筒冷卻，風筒內(nèi)插入鋼制插板，風壓40 Pa；集束位置高度900 mm；油嘴上油，含油率0.43%；網(wǎng)絡壓力0.7 MPa；卷繞張力15 g。最優(yōu)紡絲工藝下，生產(chǎn)運行穩(wěn)定，成品品質(zhì)指標優(yōu)良，后加工性能良好。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定提供了參考依據(jù)。