國產(chǎn)多功能聚合物重旦單絲紡牽聯(lián)合機(jī)綜述

滿曉東 MAN Xiao-dong

（北京中麗制機(jī)工程技術(shù)有限公司，北京 101111）

0 引言

生產(chǎn)聚合物的起始原料主要來自原油，也有一部分來大自然生物原料。聚合物主要有聚酯和聚酰胺，也有一部分為生物基聚酯和生物基聚酰胺，它們作為產(chǎn)業(yè)用纖維上使用具有機(jī)械強度高、良好的剛度，耐熱，耐摩擦、耐高溫、耐腐蝕等特性，以及良好的抗蠕變性能及較低的干熱收縮率等優(yōu)勢。產(chǎn)業(yè)用纖維上很重要的組成是聚合物單絲，它與短纖、復(fù)絲相比，比表面積較小，與工作物質(zhì)接觸面積小，這將有利于保持某些聚合物的典型性能。目前最重要的用途是：汽車座椅汽車內(nèi)飾布、窄幅織物、農(nóng)用紡織品，地毯，醫(yī)療繃帶，釣魚線，空調(diào)過濾網(wǎng)的定格、電纜芯線的固定、高檔印花網(wǎng)布、新型高強度環(huán)保型窗紗、建筑隔熱隔音材等。

聚合物重旦單絲原料的范圍廣泛，為PET、PTT、PBT、PA6、PA66、PA46、PA1010、PLA、PHA和PA56等。重旦單絲的線密度一般為333dtex/f（0.32-0.36）mm-2222dtex/f（0.45-0.50）mm產(chǎn)品指標(biāo)斷裂強度≥6.5cN/dtex，斷裂伸長率20%-40%，干熱收縮率2.0%-5.0%，沸水收縮率1.5%-3%。

在世界范圍內(nèi)，產(chǎn)業(yè)用紡織品工業(yè)在迅速增長。中麗制機(jī)公司通過已知的紡織技術(shù)與新材料和新觀念的結(jié)合，研制產(chǎn)業(yè)用的創(chuàng)新和高附加值產(chǎn)品。滿足用戶的需求，也促進(jìn)了產(chǎn)業(yè)纖維生產(chǎn)的發(fā)展。國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)聚酰胺6工業(yè)絲的裝備及工藝已經(jīng)相對成熟并有著很好的市場發(fā)展前景，該產(chǎn)品在促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級、擴(kuò)大產(chǎn)業(yè)應(yīng)用、填補國內(nèi)空白、有效降低下游企業(yè)的生產(chǎn)成本等方面具有積極的示范作用。

1 國產(chǎn)多功能聚合物重旦單絲紡牽聯(lián)合機(jī)的工藝流程和設(shè)備特點

1.1 國產(chǎn)多功能聚合物重旦單絲紡牽聯(lián)合機(jī)的工藝流程

國產(chǎn)多功能聚合物重旦單絲紡牽聯(lián)合機(jī)工藝路線為：干燥后的切片經(jīng)料斗→共旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)熱的聚合物擠出→管道分配→聚合物計量分配→熔紡的聚合物通過從具有許多毛細(xì)管的噴孔擠出→高溫延時冷卻→熱風(fēng)緩冷→加熱水浴槽→低溫水浴槽→除水器→油劑上油→喂入輥握持→多級熱牽伸輥→張力導(dǎo)絲盤穩(wěn)定張力→卷繞裝置卷繞收絲。

1.2 原料

聚酯切片采用特性粘度為0.8～1.1dL/g的切片，密度1.42 g/ml。

聚酰胺切片采用特性粘度為2.7-3.4dL/g，密度1.14g/ml。

生物基聚酯（聚乳酸）切片采用特性粘度為3-6（氯仿體系）dL/g，密度1.25g/ml。

生物基聚酰胺（聚酰胺56）切片采用特性粘度為2.7-3.4dL/g，密度1.14g/ml。

1.3 多功能聚合物重旦單絲紡牽聯(lián)合機(jī)設(shè)備技術(shù)參數(shù)和規(guī)格（如圖1、表1）

表1 多功能聚合物重旦單絲紡牽聯(lián)合機(jī)技術(shù)參數(shù)

多功能聚合物重旦單絲紡牽聯(lián)合機(jī)設(shè)備（見圖1），主要由料倉1，螺桿擠壓機(jī)2，擠出頭3，管道分配器4，聚合物計量分配器5，計量泵6-1，紡絲箱加熱器6-2，紡絲箱保溫裝置6-3，毛細(xì)管噴絲板6-4，高溫延時冷卻器7，熱風(fēng)緩冷器8，甬道9，水浴冷卻槽10，導(dǎo)向輥組11，導(dǎo)向輥12，濾水器13，上油裝置14，第一牽伸輥組15，第一牽伸轉(zhuǎn)向?qū)л?5-1，第二牽伸輥組16，第二牽伸轉(zhuǎn)向?qū)л?6-1，第三牽伸輥組17，熱定型裝置18，第四牽伸松弛輥組19，第二張力導(dǎo)向輥20，卷繞裝置21組成。

圖1 多功能聚合物重旦單絲紡牽聯(lián)合機(jī)設(shè)備全機(jī)示意圖

1.4 設(shè)備形式及技術(shù)特點

1.4.1 螺桿擠壓機(jī)

采用共旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)可使原料完成100%的塑化，實現(xiàn)熔融的熔體極為均勻，可確保原料建立壓力，承受較小的剪切力，同時有效避免過熱現(xiàn)象的發(fā)生，從而從根本上優(yōu)化整個擠出過程。為了控制整個擠出機(jī)的壓力波動范圍，提高成品的質(zhì)量，雙螺桿擠壓機(jī)的擠出頭部件3上安裝壓力傳感器，壓力傳感器控制電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速，從而控制雙螺桿擠壓機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到壓力控制的目的，保證了最終輸出原料的均勻度。如圖2所示。

圖2 共旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)示意圖

共旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)所需的機(jī)筒加熱溫度比普通螺桿擠出機(jī)需的加熱溫度要低，這樣會節(jié)約大量能源，同時減少剪切速率和機(jī)頭壓力，可減少聚合物產(chǎn)生熔體破裂等對產(chǎn)品質(zhì)量極為不利的不良現(xiàn)象，故共旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)可使螺桿轉(zhuǎn)速與產(chǎn)量按正比例線性度提高。隨著擠出量的上升，使機(jī)頭積聚的壓力降低，又會使得熔體逆流減少。采用共旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)，采用較低的溫度，能保證物料良好熔融，可提高擠出量，既經(jīng)濟(jì)，又高效。

1.4.2 紡絲箱體

針對聚合物重旦單絲纖度分布范圍寬、不同品種間流量差異大，造成熔體停留時間、剪切速率、熔體壓力降等不同的特點，對紡絲系統(tǒng)中熔體管路的直徑和長度進(jìn)行了系統(tǒng)的流變性優(yōu)化設(shè)計。重旦單絲熔體通過供應(yīng)的螺桿擠壓機(jī)送到紡絲箱中相應(yīng)的熔體管，熔體管路中的熔體，通過熔體支管分別輸送到與熔體管連通的計量泵6-1，每一個計量泵將送入的熔體通過熔體分配管均勻地配送到與其連通的紡絲組件（6-4）中，配送到紡絲組件中熔體通過噴絲頭中的噴絲孔噴出多根單絲可使箱體內(nèi)各相應(yīng)的管路長度差接近最小，使各紡絲組件的熔體配送趨于一致，使紡制出的單絲更加均勻。各個組件所噴絲的單絲能夠均勻集束在熱輥上，為牽伸一致提供前提條件。進(jìn)而達(dá)到各根單絲牽伸一致。有一個包覆有保溫材料的保溫箱體（6-3）的紡絲箱體（6），紡絲箱體（6）呈矩形箱體，采用電加熱實現(xiàn)分區(qū)受熱的技術(shù)手段對計量泵和噴絲頭組件提供熱能。

1.4.3 紡絲組件和噴絲板

1.4.3.1 紡絲組件

重旦單絲組件的結(jié)構(gòu)，采用了新穎的熔體流動溝槽，合理的熔體空腔、適宜的過濾器材、優(yōu)良的噴絲板材質(zhì)以及高精度的加工技術(shù)，從而使紡制的重旦單絲達(dá)到非常均勻的質(zhì)量，在分配板的設(shè)計上開發(fā)出可改變砂腔直徑的活動砂腔內(nèi)套，解決了不同規(guī)格重旦單絲產(chǎn)品熔體停留時間不一的問題。

1.4.3.2 噴絲板

重旦單絲毛細(xì)孔噴絲板的加工方法與長絲、短纖維噴絲板微孔的沖擠法不同。由于其孔徑在（0.32-0.36）mm-（0.45-0.50）mm范圍，便可采用鉆削與精鉸的工藝，目的是要突破“圓整度”這一關(guān)鍵指標(biāo)。當(dāng)噴絲孔的直徑一定時，改變毛細(xì)管L的長度，將影響噴絲孔前后的壓力降及細(xì)流的脹大比。若毛細(xì)管長徑比數(shù)值小，熔體擠出噴絲孔時的脹大比就較大；若將毛細(xì)管的長度L增加后，就使脹大比明顯下降，因此重旦單絲毛細(xì)孔的長徑比可遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的1∶1-1∶3的范圍。隨著L/D比例的增加，對聚合物紡絲成形時-可減少熔體出孔口的脹大（膨化）現(xiàn)象，有利于重旦單絲圓整度的提高。整個孔形符合聚合物流線變化的要求，可以提高重旦單絲的質(zhì)量。我們設(shè)計了長徑比L/D為8∶1-10∶1的噴絲板，噴絲板的孔數(shù)隨著孔徑的減小而增加，反之亦然。紡制（0.32mm-0.36mm）重旦單絲每板選用12-24孔噴絲板；紡制（0.45mm-0.50mm）重旦單絲，每板選用6-10孔。噴絲板微孔如圖3所示。

圖3 噴絲板微孔示意圖

1.4.4 高溫延時冷卻器

在毛細(xì)孔噴絲后，初生纖維的外表皮會快速冷卻，成為張力的承載體，取向較高；而初生纖維的芯部受到的張力較小，取向較低，皮芯加和起來的結(jié)果是取向較低；并且，這種嚴(yán)重的皮芯層結(jié)構(gòu)不一致，還會導(dǎo)致后拉伸倍數(shù)降低，因此綜合起來取向會很低。為了使重旦單絲初生纖維緩慢冷卻，需要裝高溫延時冷卻器。避免在熔體細(xì)流快速細(xì)化區(qū)進(jìn)行急冷，有利于提高絲條的取向均勻性和拉伸時的取向度，同時減少毛絲和斷頭的發(fā)生；并且很好地控制了初生纖維的結(jié)晶度，減少了初生絲的差異。高溫延時冷卻器具有較高的溫度穩(wěn)定性。有效控制噴絲板的板面溫度。

1.4.5 熱風(fēng)緩冷器

各種不同聚合物的初生纖維離開毛細(xì)孔噴絲板后的逐步固化細(xì)節(jié)對紡出的重旦單絲纖維質(zhì)量有顯著影響。噴絲板到水浴槽的距離太短時，聚合物在空氣中的停留時間短，一進(jìn)入水浴槽就被冷卻定型，來不及靠熔體的表面張力的作用形成圓柱；同時不規(guī)整的重旦單絲通過導(dǎo)輥時作用于聚合物熔體的力也是不均勻的，因而導(dǎo)致重旦單絲纖維圓度偏差的增大，當(dāng)距離增大時，聚合物熔體在空氣中的停留時間較長，有足夠的時間靠表面張力的作用形成圓柱，此時聚合物熔體所受的力較均勻，因此圓度偏差變小為使重旦單絲不致過快冷卻，在其逐漸冷卻固化的過程中增加一段熱空氣將重旦單絲纖維緩慢過渡，如圖1中的8所示，采用一個300mm-500mm環(huán)吹熱風(fēng)緩冷器，送入熱風(fēng)經(jīng)過進(jìn)口管道進(jìn)入過濾整流進(jìn)入熱風(fēng)緩冷器箱體，形成一個熱風(fēng)區(qū)域，帶有阻尼材料的環(huán)吹筒可以確保風(fēng)速均勻及保證風(fēng)壓穩(wěn)定并不斷主動補充進(jìn)入的熱空氣。跟絲束接觸后的熱風(fēng)由甬道9出口處的低壓風(fēng)機(jī)抽走。極大的改善熱風(fēng)區(qū)域的氣流擾動和溫度波動的情況，造成紡絲工況可控，提高重旦單絲初生纖維力學(xué)性能的均一性。風(fēng)道壓力：600-800Pa，風(fēng)溫通常控制在（50-60℃）±1℃。風(fēng)速不勻率≤±3%，風(fēng)速0.3-0.6m/s。

1.4.6 水浴冷卻槽

冷卻成形是重旦單絲生產(chǎn)十分重要的過程，紡絲冷卻方式有水冷和風(fēng)冷之分。風(fēng)冷冷卻方式結(jié)構(gòu)簡單、易于控制，但冷卻效率不如水冷，水冷方式冷卻效率高、冷卻均勻，但當(dāng)紡絲速度較高時液體易擾動和飛濺，只當(dāng)單絲直徑大于0.1mm時才能體現(xiàn)出明顯優(yōu)勢，在紡制線徑（0.32-0.36）mm-（0.45-0.50）mm重旦單絲時，在一般條件下，成形比較困難，采用18-25℃的常規(guī)冷空氣吹風(fēng)，不能使聚合物熔體冷卻成形。所以采用水浴方法冷卻成形對紡制重旦單絲是比較有效的。而且由于水的熱容量大，熱交換充分，可實現(xiàn)短程紡絲。聚合物熔體自噴絲板噴出后，經(jīng)過高溫延時冷卻和熱風(fēng)緩冷，被導(dǎo)入水浴中冷凝成形。在相同的預(yù)拉伸條件下，對于重旦單絲水冷成形絲條的預(yù)取向度較高，拉伸倍數(shù)僅為4.4倍時，斷裂強度就可達(dá)到6~7克/旦。而空氣冷卻成形絲條的預(yù)取向度較低，當(dāng)拉伸倍數(shù)高達(dá)7倍時，絲的強度也只有5克/旦左右。聚合物熔體的冷卻條件，對纖維結(jié)構(gòu)及其質(zhì)量是有重大影響。聚合物熔體的冷卻條件與熔體溫度，噴絲板到水浴液面距離及冷凝水溫度有密切關(guān)系，熔體溫度高，冷凝水溫度要相應(yīng)高，熔體溫度低，冷凝水溫度也要相應(yīng)低。紡制聚酯類的重旦單絲，水溫控制在（16-19）℃，紡制聚酰胺類的重旦單絲，水溫控制在（21-25）℃，紡制生物基聚酯類的重旦單絲，水溫控制在（19-22）℃，紡制生物基聚酰胺類的重旦單絲，水溫控制在（20-27）℃。

1.4.7 除水器

重旦單絲從水冷槽出來，經(jīng)過一個扁嘴式空氣吹掃器，隨著絲束運行的方向?qū)⒋蟛糠炙祾吒蓛?。氣?.3-0.8kg/cm2的壓力。

1.4.8 油劑上油

除水器與多級牽伸輥組之間設(shè)置了上油裝置，上油裝置可采用油輪設(shè)計，根據(jù)紡絲品種的不同，選擇相應(yīng)上油速度。上油的供油量由油劑泵通過變頻器精確計量，使上油均勻。上油設(shè)備采用雙上油，使絲束上油更加充分。絲束在經(jīng)過導(dǎo)絲鉤時滴下的油劑滴落接油盒上，接油盒采用油嘴和油輪通用油盒。

1.4.9 多級牽伸定形

重旦單絲采用多級拉伸的工藝，牽伸階段共設(shè)三個牽伸區(qū)和一個定型區(qū)，牽伸采用的輥為自帶控溫加熱的熱輥（HGR）跟以往的水浴采用的溫度牽伸區(qū)及定型區(qū)的加熱介質(zhì)是熱空氣和熱水的不一樣，這些都是借助熱傳遞及熱傳導(dǎo)來加熱運行中的重旦單絲。熱量從重旦單絲的表面向內(nèi)部傳播，重旦單絲截面內(nèi)的溫度擴(kuò)散所需時間正比于距離的平方，因此要溫度均勻需花費時間。特別是重旦單絲直徑大時，生產(chǎn)速度越快，均勻加熱越難。重旦單絲在加熱不勻的狀態(tài)中拉伸時，外力易集中在低溫區(qū)域，容易形成纖維結(jié)構(gòu)不勻。在有溫度分布的狀態(tài)下拉伸，拉伸點的位置發(fā)生改變，使拉伸點附近的纖維截面直徑發(fā)生大幅度變化。拉伸點位置變化，實質(zhì)上拉伸倍數(shù)也發(fā)生變化，導(dǎo)致重旦單絲直徑不勻性增大，所得纖維的結(jié)構(gòu)也發(fā)生變化，造成纖維力學(xué)性能變差。我們設(shè)計是熱牽伸輥直接接觸纖維，可快速均勻地對纖維進(jìn)行加熱。纖維溫度迅速提升，纖維拉伸點位置可精確固定，抑制直徑不勻的發(fā)生。拉伸后的單絲截面內(nèi)溫度盡量均勻，并且固定拉伸點位置，從而抑制直徑不勻的發(fā)生。這些改進(jìn)在技術(shù)上更為先進(jìn)、有效，牽伸熱輥采用獨立的數(shù)值化調(diào)整的數(shù)控驅(qū)動。整個多級牽伸的操縱及控制通過一個控制柜即可完成。自動記錄所有的工藝參數(shù)和當(dāng)前狀態(tài)?？深A(yù)設(shè)的自動啟動程序提供了開始生產(chǎn)的基本條件，可開始多種產(chǎn)品的生產(chǎn)。對所有的溫度、速度標(biāo)準(zhǔn)值實行控制。纖維粗度的計量使纖維的直徑得到自動調(diào)整，并對纖維纖度公差提供統(tǒng)計分析。這種自我優(yōu)化纖維公差的性能是通過反饋和分析所有數(shù)值后實現(xiàn)的。各種不同重旦單絲初生纖維在拉伸過程中發(fā)生的結(jié)構(gòu)變化和性能提高的情況不盡相同，但都是低序態(tài)區(qū)向高序態(tài)區(qū)變化，可以看出，隨著拉伸倍率的提高，纖維的力學(xué)性能得到了增強，這是由于在外力作用下，重旦單絲纖維內(nèi)的大分子沿纖維軸向排列越規(guī)則，取向度提高，同時取向誘導(dǎo)纖維內(nèi)的大分子結(jié)晶。隨著拉伸倍率的提高，纖維內(nèi)大分子的規(guī)整度也進(jìn)一步提高。纖維的強力主要是由大分子的取向程度決定的，增加拉伸倍數(shù)可提高纖維的強度。當(dāng)總的拉伸倍率不變時，通過調(diào)節(jié)一級拉伸的占比。隨著一級拉伸倍率的提高，纖維的力學(xué)性能逐步提高，當(dāng)一級拉伸倍率超過一定值時，重旦單絲的力學(xué)性能呈下降趨勢。由此可以看出，多級拉伸比一級拉伸的效果好，纖維的強度較高。保持總拉伸比為4-6。在總的拉伸倍數(shù)確定的情況下，一般以一級拉伸倍率占總拉伸倍率的75%為好。為了避免重旦單絲在拉伸時打滑，每組采用3個同速的熱輥，熱輥規(guī)格φ220×550mm，后組輥與前組輥的轉(zhuǎn)速比為拉伸比或熱定型收縮比。第一組熱輥組和第二組熱輥組出絲時配有一個導(dǎo)向輥（φ95-φ110）。第二組熱輥組與第一組熱輥組的一級拉伸比為3.0-4.5，聚酯類選擇一級拉伸比為3.3較合適，聚酰胺類選擇一級拉伸比為3.1較合適，生物基聚酯（聚乳酸）選擇一級拉伸比為3.0較合適，生物基聚酰胺（聚酰胺56）選擇一級拉伸比為3.1較合適，第三組熱輥組與第二組熱輥組的二級拉伸比為1.1-1.5，聚酯類選擇二級拉伸比為1.35較合適，聚酰胺類選擇二級拉伸比為1.25較合適，生物基聚酯（聚乳酸）選擇二級拉伸比為1.2較合適，生物基聚酰胺（聚酰胺56）選擇二級拉伸比為1.25較合適，第四組熱輥組與第三組熱輥組的之間為松弛定型，第四熱輥組起到穩(wěn)定定型的作用，此過程用于消除重旦單絲絲束的內(nèi)應(yīng)力。第四組熱輥組與第三組熱輥組的之間拉伸比為1.0-0.95，聚酯類選擇三級拉伸比為0.97較合適，聚酰胺類選擇三級拉伸比為0.98較合適，生物基聚酯（聚乳酸）選擇三級拉伸比為0.99較合適，生物基聚酰胺（聚酰胺56）選擇三級拉伸比為0.98較合適。

同樣重旦單絲多級拉伸的溫度也影響拉伸過程的穩(wěn)定及纖維結(jié)構(gòu)。拉伸溫度過低，拉伸應(yīng)力大，允許的最大拉伸倍數(shù)小，纖維強力低且會使纖維泛白，出現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的分層。拉伸溫度高，纖維的結(jié)晶度增大，溫度過高，分子過度熱運動會導(dǎo)致纖維在取向時強力的增加幅度減小，且會破壞原有的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。

拉伸聚酯類重旦單絲，第一組熱輥組選擇熱輥溫度95℃，第二組熱輥組選擇熱輥溫度185℃，第三組熱輥組選擇熱輥溫度230℃，第四組熱輥組選擇熱輥溫度220℃。拉伸聚酰胺類重旦單絲第一組熱輥組選擇熱輥溫度75℃，第二組熱輥組選擇熱輥溫度145℃，第三組熱輥組選擇熱輥溫度170℃，第四組熱輥組選擇熱輥溫度150℃。拉伸生物基聚酯類重旦單絲，第一組熱輥組選擇熱輥溫度80℃，第二組熱輥組選擇熱輥溫度175℃，第三組熱輥組選擇熱輥溫度210℃，第四組熱輥組選擇熱輥溫度190℃。拉伸生物基聚酰胺類重旦單絲，第一組熱輥組選擇熱輥溫度75℃，第二組熱輥組選擇熱輥溫度145℃，第三組熱輥組選擇熱輥溫度170℃，第四組熱輥組選擇熱輥溫度150℃。

1.4.10 卷繞成形

采用北京中麗公司的摩擦輥主動式i-BWA20T-1200/8型全自動換裝筒卷繞頭。卷繞頭錠長為1200mm，8頭紡卷繞頭，動程120mm；紡絲卷裝速度為400m～1800m/min。

2 主要工藝參數(shù)（見表2、表3）

表2 典型產(chǎn)品纖維的紡絲工藝表

表3 典型產(chǎn)品的拉伸-熱定形-卷繞工藝

3 結(jié)論

多功能聚合物重旦單絲紡牽聯(lián)合機(jī)是把紡絲、風(fēng)冷及水浴冷卻和一步法熱輥拉伸整合到一套設(shè)備上的，采取紡絲-冷卻-拉伸-分絲一步到位的全牽伸工藝路線，在一套聯(lián)合機(jī)上可以生產(chǎn)出各種聚合物重旦單絲。比傳統(tǒng)的水浴拉伸設(shè)備節(jié)約土地占用50%，減少廠房面積二分之一，投資費用節(jié)省40%左右。