基于φ64 mm噴絲板熔體直紡167 dtex/288 f滌綸FDY生產(chǎn)工藝探討

陳 廣 宏

(江蘇恒科新材料有限公司，江蘇 南通 226300)

隨著國(guó)內(nèi)化纖產(chǎn)能的不斷擴(kuò)大，常規(guī)纖維已不能滿足企業(yè)發(fā)展的需求，多孔超細(xì)旦纖維因其具有較高的附加值，已逐步成為差別化纖維市場(chǎng)的主打產(chǎn)品。167 dtex/288 f滌綸大有光多孔超細(xì)旦絲及其織物具有優(yōu)良的手感、懸垂性和華麗的外觀，是具有高附加價(jià)值的紡織原料[1]，廣泛應(yīng)用于沙發(fā)套、床罩、地毯、墻飾、窗簾帷幕、玩具絨、服裝等家紡系列。目前采用φ85 mm噴絲板已經(jīng)能夠穩(wěn)定生產(chǎn)高品質(zhì)的167 dtex/288 f大有光滌綸全拉伸絲(FDY)，而采用φ64 mm噴絲板則主要是通過(guò)合股生產(chǎn)。為了節(jié)約成本，提高機(jī)臺(tái)的使用率，作者基于φ64 mm噴絲板熔體直紡試生產(chǎn)167 dtex/288 f大有光滌綸FDY，從噴絲板設(shè)計(jì)、紡絲工藝和拉伸工藝等方面探討了生產(chǎn)工藝條件對(duì)生產(chǎn)及產(chǎn)品質(zhì)量的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 原料

聚酯熔體：特性黏數(shù)為(0.678±0.003)dL/g，端羧基含量為(29±3)mol/t，二甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.29%～1.32%，恒力石化股份有限公司生產(chǎn)；紡絲油劑：牌號(hào)為DELION HENLI-116，日本竹本油脂株式會(huì)社生產(chǎn)。

1.2 主要設(shè)備及儀器

Ati-Ⅱ614MR/24卷繞機(jī)：日本TMT公司制；YG086型縷紗測(cè)長(zhǎng)機(jī)：溫州百恩儀器有限公司制；YG023B-Ⅲ 型全自動(dòng)單紗強(qiáng)力機(jī)：常州紡織儀器廠制； USTER TESTER-5型條干測(cè)試儀：瑞士USTER公司制；MQ20核磁共振分析儀：德國(guó)BRUKER公司制；HWS28型恒溫水浴鍋：上海一恒科學(xué)儀器有限公司制。

1.3 生產(chǎn)工藝流程

使用φ64 mm噴絲板，通過(guò)熔體直紡生產(chǎn)167 dtex/288 f大有光滌綸FDY，生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

圖1 167 dtex/288 f滌綸FDY生產(chǎn)工藝流程Fig.1 Process flow of 167 dtex/288 f polyester FDY production

1.4 分析與測(cè)試

線密度：采用YG086型縷紗測(cè)長(zhǎng)機(jī)測(cè)試，取樣300 m，通過(guò)天平稱重，計(jì)算線密度。

斷裂強(qiáng)度及斷裂伸長(zhǎng)率：采用YG023B-Ⅲ 型全自動(dòng)單紗強(qiáng)力機(jī)測(cè)試，通過(guò)預(yù)加(0.05±0.01)cN/dtex張力，用強(qiáng)力機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行拉伸、直至斷裂，測(cè)得斷裂強(qiáng)力和伸長(zhǎng)值。

條干不勻率：測(cè)試時(shí)輸入相應(yīng)的試驗(yàn)參數(shù)后條干測(cè)試儀會(huì)自動(dòng)進(jìn)行測(cè)試。輸入的參數(shù)主要包括線密度、捻度、捻向、試驗(yàn)速度等。

含油率：采用核磁共振分析儀測(cè)試?yán)w維的含油率。先用已知含油量的標(biāo)準(zhǔn)試樣，測(cè)定對(duì)應(yīng)的核磁共振信號(hào)強(qiáng)度，繪出定標(biāo)曲線；然后取一定量未知試樣，測(cè)試其信號(hào)強(qiáng)度，并與標(biāo)準(zhǔn)曲線比較，確定被測(cè)試樣的含油量。

沸水收縮率：在縷紗測(cè)長(zhǎng)機(jī)上繞取纖維試樣25 m，并預(yù)加(0.05±0.005)cN/dtex張力測(cè)其長(zhǎng)度,放入100 ℃恒溫水浴鍋中煮30 min，取出晾干后再以同樣方法測(cè)其長(zhǎng)度，計(jì)算2次測(cè)量長(zhǎng)度差與第一次測(cè)量長(zhǎng)度的比值即為試樣的沸水收縮率。

2 結(jié)果與討論

2.1 噴絲板的設(shè)計(jì)

噴絲板的合理設(shè)計(jì)是保證167 dtex/288 f大有光滌綸FDY在φ64 mm噴絲板上正常生產(chǎn)的關(guān)鍵。在φ85 mm噴絲板上排布288孔有足夠的空間排布微孔和孔間距，而在φ64 mm噴絲板上排布288孔不但要滿足噴絲孔的數(shù)量，還需綜合考慮剪切速率、噴頭拉伸比、熔體的膨化比、噴絲板背壓、環(huán)吹風(fēng)冷卻等條件；同時(shí)必須保證噴絲孔孔間距及出絲后絲條在受環(huán)吹風(fēng)冷卻的情況下絲與絲間不發(fā)生碰絲，還應(yīng)盡可能減少外邊緣絲束與環(huán)吹風(fēng)箱四周設(shè)備的碰撞。基于以上原則，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的噴絲板孔徑為0.14 mm，孔間距為2.5 mm。φ85 mm與φ64 mm噴絲板微孔分布具體參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 φ85 mm與φ64 mm噴絲板微孔分布參數(shù)Tab.1 Micropore distribution parameters of φ85 mm and φ64 mm spinnerets

在噴絲板直徑小、孔數(shù)多的情況下，要盡可能高效利用噴絲板面積布孔，同時(shí)要充分考慮環(huán)吹風(fēng)的穿透性，以及在高速紡時(shí)絲條被帶走熱量的效果。從以往的經(jīng)驗(yàn)上看，一般在噴絲板中央留出空間，主要是考慮到環(huán)吹風(fēng)從四周向中部吹風(fēng)的特點(diǎn)，同心圓分布微孔的噴絲板有利于絲條冷卻均勻；若噴絲板設(shè)計(jì)不當(dāng)則也會(huì)造成清板困難，黏板、注頭嚴(yán)重，大大延長(zhǎng)清板作業(yè)難度，同時(shí)也給生產(chǎn)連續(xù)性造成不利影響，產(chǎn)品質(zhì)量難以控制。因此，本試驗(yàn)中φ64 mm噴絲板采用同心圓排布288微孔。

2.2 紡絲溫度

紡絲溫度直接影響紡絲穩(wěn)定性及初生纖維物理機(jī)械性能。紡絲溫度的選擇應(yīng)考慮熔體黏度、相對(duì)分子質(zhì)量分布及產(chǎn)品線密度等[2]，以保證熔體的均勻性和良好的流動(dòng)性能。因試驗(yàn)使用的無(wú)砂組件本身容積較小，腔體無(wú)法蓄存較多的熱量，故紡絲溫度設(shè)定應(yīng)適當(dāng)高點(diǎn)；但紡絲溫度過(guò)高，會(huì)加劇熔體降解，生產(chǎn)過(guò)程中易產(chǎn)生飄絲、斷絲；紡絲溫度過(guò)低，會(huì)因熔體流動(dòng)黏度太高而使熔體在噴絲板孔中剪切應(yīng)力增大，造成熔體破裂，可紡性變差[3]。從表2可知，綜合考慮生產(chǎn)滿卷率及產(chǎn)品質(zhì)量，合適的紡絲溫度為288～290 ℃ 。

表2 紡絲溫度對(duì)生產(chǎn)工況及產(chǎn)品質(zhì)量的影響Tab.2 Effect of spinning temperature on production situation and product quality

2.3 底部加熱器溫度

底部加熱器的作用主要是對(duì)噴絲板周圍進(jìn)行溫度補(bǔ)償，使絲條達(dá)到緩慢冷卻，以保證良好的紡絲工況和產(chǎn)品質(zhì)量。底部加熱器溫度的設(shè)定一般考慮單絲和復(fù)絲線密度及整體冷卻效果，通常為270～320 ℃。底部加熱器溫度對(duì)生產(chǎn)工況及產(chǎn)品質(zhì)量的影響見(jiàn)表3。

表3 底部加熱器溫度對(duì)生產(chǎn)工況及產(chǎn)品質(zhì)量的影響Tab.3 Effect of bottom heater temperature on production situation and product quality

底部加熱器溫度低于240 ℃時(shí)基本無(wú)加熱效果；當(dāng)溫度高于300 ℃時(shí)，停紡之后重新開(kāi)紡較為困難，容易出現(xiàn)滴絲現(xiàn)象，現(xiàn)場(chǎng)鏟板困難；當(dāng)溫度高于320 ℃ 時(shí)，熔體發(fā)生裂解，熔體質(zhì)量不均勻，在噴絲孔內(nèi)發(fā)生切力變稀，使得紡絲條件惡化，從而產(chǎn)生飄絲、斷頭[4]。從表3可知，綜合考慮各方面因素，底部加熱器溫度控制在(290±2)℃ ，生產(chǎn)工況及產(chǎn)品質(zhì)量較好。

2.4 冷卻工藝條件

冷卻工藝條件影響到纖維的條干不勻率、染色均勻性，以及毛絲率、斷絲率等指標(biāo)，這些對(duì)后道織造加工及織物風(fēng)格都有著重要影響。冷卻工藝條件的控制主要包括無(wú)風(fēng)區(qū)高度、環(huán)吹風(fēng)速度等。

無(wú)風(fēng)區(qū)是指從噴絲板到環(huán)吹風(fēng)冷卻上端的距離。在滌綸長(zhǎng)絲生產(chǎn)中，熔體經(jīng)噴絲板擠出后，在環(huán)吹風(fēng)的強(qiáng)制冷卻下固化成形，形成具有一定結(jié)晶取向的初生纖維。無(wú)風(fēng)區(qū)高度的選擇一般結(jié)合考慮產(chǎn)品物理性能、線密度等，根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，通常選擇無(wú)風(fēng)區(qū)高度為55 mm，通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，調(diào)整無(wú)風(fēng)區(qū)高度為35～45 mm，生產(chǎn)工況更好。

對(duì)于生產(chǎn)167 dtex/288 f大有光滌綸FDY，環(huán)吹風(fēng)的冷卻效果對(duì)斷絲率的影響尤為明顯，主要原因是生產(chǎn)初期環(huán)吹風(fēng)整體風(fēng)量不足，環(huán)吹風(fēng)速度最高僅2.40～2.50 m/s，難以帶走絲條多余的熱量，進(jìn)而影響初生纖維的冷卻成形；試驗(yàn)中通過(guò)改進(jìn)環(huán)吹風(fēng)過(guò)濾系統(tǒng)，環(huán)吹風(fēng)速度可達(dá)2.70～2.90 m/s，完全達(dá)到了生產(chǎn)工藝要求，生產(chǎn)狀況得到明顯改善。

2.5 卷繞拉伸工藝

在紡絲過(guò)程中，隨著卷繞速度增加，卷繞張力升高，卷繞絲沸水收縮率增大，但卷繞張力過(guò)大會(huì)影響可紡性[5]。對(duì)于FDY產(chǎn)品，卷繞速度一般由剪切速率來(lái)確定，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，剪切速率控制在11 000 s-1左右時(shí)，對(duì)應(yīng)的卷繞速度3 600～3 900 m/min，生產(chǎn)狀況較好。從表4可以看出，在167 dtex/288 f大有光滌綸FDY生產(chǎn)中，卷繞速度為3 800 m/min時(shí)，生產(chǎn)狀況及產(chǎn)品質(zhì)量較好。

表4 卷繞速度對(duì)生產(chǎn)工況及產(chǎn)品質(zhì)量的影響Tab.4 Effect of winding speed on production situation and product quality

拉伸是初生纖維超分子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變并趨于完善的過(guò)程。在167 dtex/288 f大有光滌綸FDY生產(chǎn)中，拉伸工藝主要指第二熱輥(GR2)和第一熱輥(GR1)的速度之比即拉伸倍數(shù)[6]。試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)拉伸倍數(shù)高于1.50時(shí)，產(chǎn)品毛絲數(shù)量顯著增加；當(dāng)拉伸倍數(shù)小于1.30時(shí)，產(chǎn)品物理機(jī)械性能錠間差異較大，主要表現(xiàn)在同紡位纖維張力、斷裂強(qiáng)度、10%強(qiáng)力差異較大。這是由于167 dtex/288 f大有光滌綸FDY單絲線密度較小，拉伸倍數(shù)過(guò)大容易導(dǎo)致拉伸過(guò)程中產(chǎn)生拉毛、拉斷現(xiàn)象，從而影響產(chǎn)品品質(zhì)；拉伸倍數(shù)過(guò)小則會(huì)導(dǎo)致纖維拉伸不勻，從而產(chǎn)生纖維物理機(jī)械性能錠間差異大的現(xiàn)象。從表5可知，選擇拉伸倍數(shù)在1.40～1.48，生產(chǎn)工況及產(chǎn)品質(zhì)量較好。

表5 拉伸倍數(shù)對(duì)生產(chǎn)工況及產(chǎn)品質(zhì)量的影響Tab.5 Effect of draw ratio on production situation and product quality

2.6 產(chǎn)品質(zhì)量

通過(guò)生產(chǎn)工藝條件的優(yōu)化試驗(yàn)，采用φ64 mm噴絲板生產(chǎn)167 dtex/288 f大有光滌綸FDY，較佳工藝參數(shù)見(jiàn)表6。在此工藝條件下，生產(chǎn)167 dtex/288 f大有光滌綸FDY滿卷率達(dá)到98.5%以上，外觀降等率保持在0.5%左右，產(chǎn)品各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)達(dá)到GB/T 8960—2015《滌綸牽伸絲》[7]規(guī)定的優(yōu)等品標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品物理性能指標(biāo)見(jiàn)表7。

表6 167 dtex/288 f大有光滌綸FDY主要生產(chǎn)工藝參數(shù)Tab.6 Process parameters of 167 dtex/288 f bright polyester FDY

表7 167 dtex/288 f大有光滌綸FDY主要質(zhì)量指標(biāo)Tab.7 Quality index of 167 dtex/288 f bright polyester FDY

3 結(jié)論

a.使用φ64 mm噴絲板熔體直紡生產(chǎn)167 dtex/288 f大有光滌綸FDY，選擇噴絲孔孔徑0.14 mm、孔間距2.5 mm，在φ64 mm噴絲板上同心圓排布288微孔，生產(chǎn)工況和產(chǎn)品品質(zhì)良好。

b.通過(guò)對(duì)生產(chǎn)工藝的優(yōu)化，得出較佳的主要工藝參數(shù)為：紡絲溫度290.4 ℃、底部加熱器溫度290 ℃、無(wú)風(fēng)區(qū)高度35.5 mm、環(huán)吹風(fēng)速度2.80 m/s、卷繞速度3 800 m/min、拉伸倍數(shù)1.40。

c.在較佳工藝條件下生產(chǎn)167 dtex/288 f大有光滌綸FDY，F(xiàn)DY的線密度為167.1 dtex，斷裂強(qiáng)度達(dá)3.74 cN/dtex，斷裂伸長(zhǎng)率為45.2%，條干不勻率為0.91%，沸水收縮率為6.1%，產(chǎn)品滿卷率達(dá)到98.5%以上，外觀降等率保持在0.5%左右，產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)達(dá)到GB/T 8960—2015《滌綸牽伸絲》規(guī)定的優(yōu)等品標(biāo)準(zhǔn)。