Lyocell纖維噴絲板制造工藝研究

郭慶平

(山西經(jīng)緯化纖機(jī)械股份有限公司 技術(shù)中心，山西 晉中 030601)

0 引言

在化纖紡絲生產(chǎn)線上，無論哪種紡絲工藝方法，噴絲組件中直接參與紡絲原液出絲的噴絲頭、噴絲板的制造質(zhì)量尤為重要。噴絲頭、噴絲板的材質(zhì)、微孔孔形、尺寸精度及孔道表面粗糙度，甚至微孔排列方式都對(duì)纖維成品絲的質(zhì)量起關(guān)鍵作用。因此，噴絲頭制造企業(yè)都以提高噴絲頭產(chǎn)品質(zhì)量為宗旨，在研發(fā)新型產(chǎn)品的同時(shí)，致力于逐步提高微孔自動(dòng)化加工技術(shù)，以與國際同類技術(shù)水平接軌。

目前，國外企業(yè)已基本實(shí)現(xiàn)了數(shù)控加工噴絲頭、噴絲板微孔，且微孔尺寸精度控制較好，而我國正在由傳統(tǒng)手工加工過渡到數(shù)控加工的技術(shù)轉(zhuǎn)變中。在這個(gè)過程中，應(yīng)努力探尋高精度、高效率的先進(jìn)制造工藝方法以提升噴絲頭產(chǎn)品的總體質(zhì)量。

1 Lyocell纖維的發(fā)展

Lyocell纖維是一種再生纖維素纖維，最早由Enka公司研發(fā)。生產(chǎn)工藝為：將木漿粕溶解在NMMO溶劑中，采用干噴濕紡工藝紡絲，對(duì)紡出的絲束進(jìn)行水洗、干燥、卷曲和切斷。因?yàn)樵蠟樘烊荒緷{，整個(gè)紡絲過程無化學(xué)反應(yīng)、不產(chǎn)生毒物，溶劑可反復(fù)回收利用[1]，紡出的絲和制成的織物可生物降解，對(duì)環(huán)境無污染。由于紡絲成品性價(jià)比高、混紡性良好，可與棉、麻、毛等纖維混紡，因此，Lyocell纖維以優(yōu)良的性能和性價(jià)比在中國紡織工業(yè)的發(fā)展中占據(jù)重要地位，被世界公認(rèn)為最具發(fā)展?jié)摿Φ脑偕w維素纖維、綠色環(huán)保纖維。未來，在同類再生纖維素纖維中，其極有可能不斷取代其他粘膠纖維等纖維素纖維。

我國作為紡織工業(yè)大國，面對(duì)市場(chǎng)對(duì)新型纖維的需求，纖維制造企業(yè)為進(jìn)口設(shè)備及其專利技術(shù)付出了昂貴費(fèi)用，迫切需要國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行技術(shù)開發(fā)、改進(jìn)、升級(jí)。因此，Lyocell纖維紡絲成套設(shè)備及其組件的國產(chǎn)化制造成為紡織機(jī)械的發(fā)展趨勢(shì)。這既順應(yīng)市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)，也符合《新材料產(chǎn)業(yè)“十三五”發(fā)展規(guī)劃》中可持續(xù)發(fā)展道路的主導(dǎo)思想。纖維成套設(shè)備及其組件的研發(fā)試制、投產(chǎn)對(duì)中國紡織工業(yè)領(lǐng)域及綠色環(huán)保纖維素纖維的廣泛推廣應(yīng)用具有重要現(xiàn)實(shí)意義。筆者重點(diǎn)闡述纖維噴絲板制造工藝技術(shù)的研究與探索。

2 各類噴絲頭、噴絲板特點(diǎn)

由于紡絲工藝技術(shù)不同，Lyocell纖維噴絲板在結(jié)構(gòu)形式、基體材質(zhì)以及制造工藝上與其他的噴絲頭、噴絲板有不同程度的區(qū)別。

2.1 熔融法紡絲噴絲板

熔融法紡絲是將聚合物加熱熔融、通過噴絲板微孔擠出，同時(shí)在壓力作用下拉伸變細(xì)，并在空氣中冷卻固化成極細(xì)的纖維絲束。經(jīng)熔融紡絲的初生纖維只需拉伸機(jī)熱定型即得到成品纖維，一般用于錦綸、滌綸、丙綸等合成纖維，工作溫度不高于450 ℃。

按纖維絲束長(zhǎng)度，噴絲板分為長(zhǎng)絲噴絲板、短絲噴絲板、大型短絲噴絲板；按外形,噴絲板分為平板形、凸緣形、平板環(huán)形、凸緣環(huán)形。噴絲板的基體材質(zhì)推薦不銹鋼類，如0Cr17Ni12Mo2，1Cr17Ni2，0Cr17Ni4Cu4Nb或0Cr18Ni9[2]等。其微孔孔形為圓形或異形，均由錐形導(dǎo)孔和直孔組成，異形孔采用推薦孔形或由用戶確定；圓形微孔孔徑為0.2 mm～0.5 mm，長(zhǎng)絲噴絲板孔數(shù)為1～80，短絲噴絲板孔數(shù)為100～1260，大型短絲噴絲板孔數(shù)為2000以上，長(zhǎng)徑比為1.5∶1～2∶1。

2.2 溶液法紡絲噴絲板

溶液法紡絲是將纖維漿粕溶解在某種溶劑中，形成濃度適宜的紡絲溶液，再將溶液從噴絲微孔中擠出后進(jìn)入凝固浴或熱氣體中，從而析出固體絲束，經(jīng)拉伸、定型、洗滌、干燥等工藝過程得到成品纖維。根據(jù)纖維絲束凝固方式的不同，溶液法紡絲可分為濕法紡絲、干法紡絲及干濕法紡絲。3種溶液紡絲法所用噴絲頭區(qū)別較大。

2.2.1 濕法紡絲噴絲頭

濕法紡絲噴絲頭的形狀為帽形或瓦形，適用于紡粘膠、腈綸、維綸等纖維[3]。小帽形噴絲頭孔數(shù)一般為1～50，大帽形噴絲頭孔數(shù)為500～12 000，瓦形噴絲頭的孔數(shù)為1000～60 000，孔徑尺寸一般為0.05 mm～0.20 mm，長(zhǎng)徑比為1∶0.8～1∶1.3；噴絲頭材質(zhì)選用金鉑合金、鉭、不銹鋼等。短絲噴絲頭也可采用小帽形噴絲頭組合壓配在圓形或圓環(huán)形的不銹鋼座板組件的方式。

紡制短絲噴絲頭的噴絲面用肉眼觀察在有孔區(qū)不允許有明顯的麻點(diǎn)、傷痕、折痕和波浪形，無孔區(qū)允許有個(gè)別的缺陷；而紡長(zhǎng)絲噴絲頭的噴絲面不允許有缺陷。所以一般情況下，長(zhǎng)絲噴絲頭的成品驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)高于短絲噴絲頭。

2.2.2 干法紡絲噴絲頭

干法紡絲與濕法紡絲的區(qū)別在于干法絲束凝固是通過熱空氣使溶劑快速揮發(fā)而逐漸固化，而不是在凝固浴中固化，干法一般用于紡制腈綸、氯綸、氨綸纖維等，其噴絲頭材質(zhì)選用不銹鋼，孔徑一般為0.07 mm～0.16 mm，孔數(shù)為300～12 000。

2.2.3 干濕法紡絲噴絲頭

將干法紡絲與濕法紡絲結(jié)合起來的紡絲方法稱為干濕法紡絲或干噴濕法紡絲。一般用于紡制腈綸、芳綸、聚苯并咪唑纖維，噴絲頭材質(zhì)選用不銹鋼，其孔徑尺寸及孔數(shù)根據(jù)用戶要求的選擇范圍較大。Lyocell纖維紡絲采用此法。

3 Lyocell纖維噴絲板的制造

Lyocell纖維紡絲屬溶液紡絲中的干濕法紡絲，選用的噴絲組件結(jié)構(gòu)形式有圓環(huán)形組合或長(zhǎng)矩形組合。噴絲組件及噴絲板主體采用1Cr17，2Cr13不銹鋼，噴絲板上的微孔數(shù)為30 000～70 000，孔徑為0.075 mm～0.095 mm，長(zhǎng)徑比為2∶1。

筆者主要研究圓環(huán)形Lyocell纖維噴絲板的制造方法。噴絲板組裝在噴絲組件中使用，噴絲板有孔工作區(qū)域?yàn)棣?97 mm～φ537 mm的環(huán)形區(qū)(如圖1所示)，共排孔30圈，圈距為1.3 mm，排列約73 000個(gè)孔徑為0.095 mm的微孔。微孔由錐形孔與直孔光滑連接，孔壁表面經(jīng)特殊拋光處理、表面粗糙度Ra值較小，微孔間排列均勻規(guī)律、錯(cuò)落有致，且保證直孔長(zhǎng)徑比為2∶1。

圖1 圓環(huán)形Lyocell纖維噴絲板結(jié)構(gòu)

3.1 選材

噴絲板的材質(zhì)一般要求耐腐蝕性好、機(jī)械加工性能好，同時(shí)要有足夠的強(qiáng)度和硬度，以適應(yīng)應(yīng)用環(huán)境，保證微孔的加工粒度且使噴絲板在使用中不變形。Lyocell纖維紡絲原液和溶劑均無毒、無腐蝕性，噴絲組件選用耐輕腐蝕的1Cr17，2Cr13馬氏體不銹鋼板材，比0Cr17Ni12Mo2等奧氏體不銹鋼板材切削加工性能優(yōu)，且可進(jìn)行熱處理，高溫冷卻后有較高的硬度和耐磨性[4]。 Lyocell纖維圓環(huán)形噴絲板選用厚度為1.2 mm的1Cr17不銹鋼板材，利于長(zhǎng)徑比較大的微孔加工。

3.2 制造

3.2.1 制坯

Lyocell纖維噴絲板為φ476 mm～φ556 mm的圓環(huán)形，截面形狀如圖2所示，其底平面為布孔區(qū)。

圖2 Lyocell纖維噴絲板截面

先將600 mm×600 mm、厚度為1.2 mm的不銹鋼板切割成圓環(huán)形后組裝于沖壓模具中，用70 t壓力機(jī)沖壓成型，放置6 h釋放應(yīng)力后將法蘭邊和環(huán)形工作表面整平，以保證有孔區(qū)域平整光滑、無劃痕和毛刺。

3.2.2 沖孔

將坯料安裝在自動(dòng)沖孔夾具中，沖孔程序設(shè)定為由外至內(nèi)逐圈按坐標(biāo)信息沖孔，如：第2圈、第30孔，其坐標(biāo)位置為x=-8.180 8，y=-8.439 0。在沖孔前應(yīng)設(shè)定沖孔的數(shù)據(jù)中心與數(shù)控沖孔機(jī)的工作中心重合，機(jī)械誤差盡量減小以保證微孔位置準(zhǔn)確無誤。

如圖3所示，第1道沖孔采用錐形硬質(zhì)合金沖針在環(huán)形布孔區(qū)沖制錐形盲孔，錐形盲孔與頭道沖針錐形吻合。在沖制其他材質(zhì)且微孔長(zhǎng)徑比較小的噴絲頭時(shí)，一般采取頭道沖孔一次成型，而Lyocell纖維噴絲板板材的厚度為1.2 mm，是其他噴絲頭的3～4倍，沖針長(zhǎng)度增大而直徑較小，若采取1次沖孔即達(dá)到?jīng)_孔深度則沖針極易斷裂。經(jīng)反復(fù)對(duì)比試驗(yàn)后將程序改為單孔20次，每次沖孔深度為15個(gè)脈沖，這樣沖針每次受到?jīng)_擊力很小，從而減少了斷針數(shù)。

1—噴絲板坯料；2—頭道沖針。圖3 第1道沖孔

將全部沖好頭道錐孔的坯料砂光毛刺后，清洗吹干后再進(jìn)行第2道沖孔，采用2道沖針在數(shù)控或手動(dòng)2，3道沖孔機(jī)進(jìn)行2道沖孔，將噴絲板的圓柱形孔部分沖制成型，如圖4所示。圓柱形孔出現(xiàn)仍未到完工最終尺寸，還應(yīng)進(jìn)行第2次擴(kuò)孔以保證各微孔的尺寸穩(wěn)定一致，即第3道沖孔是將拋光清洗好的坯料用3道沖針數(shù)控或手動(dòng)第2，第3道沖孔機(jī)進(jìn)行第3道沖孔，達(dá)到完工要求的微孔尺寸，如圖5所示。在第2和第3道沖孔中，沖針形狀如圖6所示，由圓錐部1、圓柱部和圓錐部2組成，圓柱孔有尺寸精度要求，以保證噴絲板的孔徑尺寸及深度。第2，第3道沖針的各部分總長(zhǎng)度大于噴絲板板材厚度，圓柱長(zhǎng)度應(yīng)為直徑的2倍以上，才能有效保證2∶1的長(zhǎng)徑比。在噴絲板微孔加工中使用全自動(dòng)數(shù)控磨針機(jī)加工的沖針，沖針各部位尺寸精準(zhǔn)可靠、光滑過渡，比人工加工沖針的尺寸一致性好，從而有效地保證整個(gè)噴絲板孔型及尺寸一致性。

1—噴絲板坯料；2—2道沖針。圖4 第2道沖孔

1—噴絲板坯料；2—3道沖針。圖5 第3道沖孔

1—柄部；2—圓錐部1；3—圓柱部；4—測(cè)量位置；5—圓錐部2。圖6 沖針結(jié)構(gòu)

3.2.3 拋光及清潔

沖制了3道孔的噴絲板在平面拋光機(jī)上進(jìn)行砂光和拋光處理，去除沖孔產(chǎn)生的孔口毛刺后，噴絲板出絲面的表面粗糙度Ra值應(yīng)為0.05 μm；必要時(shí)再加入拋光膏，在布輪上多次拋光后再用特制拋光液進(jìn)行拋亮處理。噴絲板的微孔孔道采用磨料流加工技術(shù)和超聲波振動(dòng)相結(jié)合的方式進(jìn)行拋光和清洗，流體介質(zhì)及其攜帶的磨料反復(fù)沖刷工件微孔孔壁以保證對(duì)微孔內(nèi)壁表面的拋光要求[5]。內(nèi)孔表面粗糙度Ra值應(yīng)為0.1 μm，當(dāng)紡絲原液流經(jīng)噴絲微孔時(shí)的可紡性和成型穩(wěn)定性較好，從而使成品絲的品質(zhì)得到提升。經(jīng)過反復(fù)拋光、清洗的Lyocell纖維噴絲板，無論是外觀質(zhì)量，還是各幾何尺寸精度均能達(dá)到預(yù)期效果。

4 結(jié)語

我國近年來對(duì)Lyocell纖維的生產(chǎn)極為重視，其產(chǎn)量也逐年增長(zhǎng)，但是高端紡絲設(shè)備及噴絲組件基本依靠進(jìn)口，紡絲工藝也受技術(shù)制約、發(fā)展緩慢。尤其噴絲板作為化纖紡絲的關(guān)鍵器材，對(duì)紡絲原液的流體成纖能力具有決定性的作用，隨著Lyocell纖維在化纖市場(chǎng)占有率的提高，對(duì)噴絲板微孔加工技術(shù)的創(chuàng)新要求也越來越高。通過了解國內(nèi)外Lyocell纖維紡絲設(shè)備、紡絲工藝方法的技術(shù)現(xiàn)狀，結(jié)合國內(nèi)Lyocell纖維生產(chǎn)線實(shí)際以及用戶需求，對(duì)紡絲設(shè)備及組件的制造技術(shù)進(jìn)行理論分析、深入研究以解決行業(yè)難題。通過加工技術(shù)改進(jìn)和工藝創(chuàng)新提高噴絲板的微孔制造精度，使Lyocell纖維噴絲板從微孔質(zhì)量到出絲面的表面質(zhì)量得到大的提高，從而提高Lyocell纖維紡絲的絲束質(zhì)量。

Lyocell纖維噴絲板制造工藝的微孔單孔多次沖擠法沖孔，能保證微孔的圓柱孔長(zhǎng)徑比，有效減少斷針數(shù)，采用數(shù)控沖孔減小了傳統(tǒng)手工沖孔的人工誤差、提高了加工效率。在整個(gè)沖制過程中優(yōu)化了數(shù)控沖孔機(jī)各項(xiàng)參數(shù)，使噴絲板產(chǎn)品整體質(zhì)量水平達(dá)到預(yù)期效果。Lyocell纖維噴絲板的研發(fā)及試制、投產(chǎn)，對(duì)中國紡織領(lǐng)域綠色環(huán)保纖維素纖維的推廣應(yīng)用具有重大意義。