高強滌綸工業(yè)絲生產(chǎn)中毛絲的產(chǎn)生原因及控制措施

唐兵兵,楊 勇,施玉琦,劉樹生

(江蘇恒力化纖股份有限公司,江蘇 蘇州 215226)

高強滌綸工業(yè)絲具有強度高、模量大、伸長小、耐熱性能好、耐沖擊及耐疲勞性能好等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于安全帶、海洋纜繩、消防水帶等特殊設(shè)備中[1]。隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展,滌綸工業(yè)絲的需求量逐年增加,但高性能滌綸工業(yè)絲的生產(chǎn)對技術(shù)軟件和設(shè)備硬件都有著極高的要求[2]。

因熔體質(zhì)量、紡絲溫度、拉伸工藝、上油方式等工藝條件的影響,滌綸工業(yè)絲生產(chǎn)中容易產(chǎn)生毛絲[3]。毛絲是指絲條受傷呈毛絨現(xiàn)象或因單絲斷裂絲頭凸出于復(fù)絲表面,通常是檢驗絲筒的表面,以每個絲筒累計毛絲根數(shù)進行表征。圈絲(單絲未斷裂)也是毛絲的一種類型,是指露于絲筒表面成弧狀的單根絲、且長度大于2 mm的絲條,檢驗時也計入毛絲根數(shù)[4]。產(chǎn)品出現(xiàn)毛絲直接影響其后道加工工序,斷頭增加,形成疵點,嚴(yán)重影響用戶使用。因此,解決毛絲問題是提高滌綸工業(yè)絲產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。

目前,國內(nèi)對滌綸民用絲生產(chǎn)中毛絲的形成原因研究較多,這為滌綸工業(yè)絲生產(chǎn)中毛絲產(chǎn)生的原因分析和控制措施提供了借鑒。黃凱等[5]在滌綸工業(yè)絲生產(chǎn)中使用拉伸點定位器使拉伸過程更為順利,降低了由于快速拉伸對纖維造成的毛絲、斷頭等損傷。李驚濤[6]提出從上油方式、拉伸輥排布、網(wǎng)絡(luò)器壓力等方面進行控制,可以減少滌綸工業(yè)絲生產(chǎn)中毛絲的形成。曹劍[7]分析了滌綸工業(yè)絲生產(chǎn)中毛絲的形成原因,提出及時更換組件及導(dǎo)絲器等可以有效減少毛絲的產(chǎn)生。李曉東[8]研究了紡絲溫度、螺桿溫度、組件過濾精度和冷卻風(fēng)等對毛絲產(chǎn)生的影響,適當(dāng)提高紡絲溫度,控制紡絲速度在3 200 m/min以內(nèi),并適當(dāng)提高紡絲組件的過濾精度,可以有效減少毛絲的產(chǎn)生。

滌綸工業(yè)絲由于應(yīng)用在特殊領(lǐng)域,毛絲過多不僅影響其斷裂強度,還對后道加工產(chǎn)生影響,通常要求產(chǎn)品斷裂強度大于8.40 cN/dtex,毛絲降等率小于等于2.0%。作者以特性黏數(shù)1.100～1.150 dL/g的高黏聚酯切片為原料,生產(chǎn)3 300 dtex/384 f高強滌綸工業(yè)絲,從工藝和設(shè)備兩方面分析了生產(chǎn)中毛絲產(chǎn)生的原因,并提出了控制措施。

1 試驗

1.1 原料

高黏聚酯切片：特性黏數(shù)1.100～1.150 dL/g,熔點(261.0±2.0)℃,端羧基含量(13.0±3.0)mol/t,二甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0.92±0.10)%,江蘇恒力化纖股份有限公司生產(chǎn);滌綸工業(yè)絲油劑：日本竹本公司生產(chǎn)。

1.2 主要設(shè)備及儀器

紡絲及卷繞設(shè)備：包括紡絲箱體、冷卻風(fēng)箱、ATi-412HR/4型卷繞機,日本TMT公司制;HL-IND-001型全自動外檢系統(tǒng)：東華大學(xué)制;SF-1型微量水分測定儀：常州八方力士紡織儀器有限公司制。

1.3 高強滌綸工業(yè)絲的生產(chǎn)

以特性黏數(shù)1.100～1.150 dL/g的高黏聚酯切片為原料,通過螺桿擠壓熔融、五輥熱拉伸生產(chǎn)3 300 dtex/384 f高強滌綸工業(yè)絲,生產(chǎn)工藝流程見圖1,紡絲工藝參數(shù)見表1。

表1 紡絲工藝參數(shù)Tab.1 Spinning process parameters

圖1 高強滌綸工業(yè)絲生產(chǎn)工藝流程Fig.1 Flow chart of high-strength polyester industrial yarn

1.4 分析與測試

特性黏數(shù)：按照GB/T 14190—2017《纖維級聚酯切片(PET)試驗方法》,采用烏氏黏度計測定。

含水率：按照GB/T 14190—2017《纖維級聚酯切片(PET)試驗方法》,采用SF-1型微量水分測定儀測定。

毛絲降等率：按照GB/T 16604—2017《滌綸工業(yè)絲》外觀要求進行判定,統(tǒng)計一段時間內(nèi)的毛絲降等絲餅數(shù)量和滿卷絲餅數(shù)量,毛絲降等絲餅數(shù)量占滿卷絲餅數(shù)量的百分?jǐn)?shù)為毛絲降等率。

2 結(jié)果與討論

2.1 原料對毛絲的影響

2.1.1 聚酯切片特性黏數(shù)對毛絲的影響

聚酯切片特性黏數(shù)較低,熔體黏度低,拉伸時容易出現(xiàn)單絲拉斷,產(chǎn)生毛絲甚至斷頭;聚酯切片特性黏數(shù)過大,熔體黏度高,流動性變差,熔體在出噴絲板時膨化率較大,容易產(chǎn)生注頭絲,斷頭率增加。由表2可知：在其他工藝條件一定時,當(dāng)聚酯切片特性黏數(shù)為1.100 dL/g時,毛絲降等率為12.26%;聚酯切片特性黏數(shù)提高到1.123 dL/g時,毛絲降等率降低至8.92%,毛絲現(xiàn)象有所改善;繼續(xù)提高聚酯切片黏數(shù)至1.138～1.150 dL/g時,毛絲降等率反而升高至12.0%。因此,滌綸工業(yè)絲生產(chǎn)中聚酯切片特性黏數(shù)控制在1.120～1.130 dL/g較為合適。聚酯切片特性黏數(shù)提高后,相應(yīng)地需要提高螺桿紡絲溫度,使熔體流動性變好,提高可紡性。實際生產(chǎn)中,需要保證聚酯切片質(zhì)量的穩(wěn)定性,選擇合適的紡絲溫度。

表2 聚酯切片特性黏數(shù)對毛絲降等率的影響Tab.2 Effect of intrinsic viscosity of polyester chip on broken filament rate

2.1.2 聚酯切片含水率對毛絲的影響

聚酯分子鏈中含有大量的酯鍵和端羧基,高溫環(huán)境下受到水分子和端羧基的影響,聚酯分子很容易發(fā)生逆反應(yīng),導(dǎo)致分子鏈斷裂,纖維經(jīng)熱輥拉伸時單絲易拉斷,產(chǎn)生毛絲。從圖2可以看出：在其他工藝條件一定時,聚酯切片含水率小于25 μg/g時,毛絲降等率在2.00%～2.20%;當(dāng)含水率超過25 μg/g時,毛絲降等率迅速上升,含水率為30 μg/g時毛絲降等率達(dá)到3.29%,且斷頭增多,可紡性變差。因此,在生產(chǎn)過程中應(yīng)控制聚酯切片含水率小于25 μg/g。

圖2 聚酯切片含水率與毛絲降等率的關(guān)系Fig.2 Relationship between moisture content of polyester chip and broken filament rate

2.2 組件結(jié)構(gòu)對毛絲的影響

該生產(chǎn)裝置配套紡絲組件由原設(shè)備供應(yīng)商提供,其結(jié)構(gòu)主要包括殼體、緊固環(huán)、上蓋、壓蓋、分配板、噴絲板等。在壓蓋與分配板之間有上下兩層濾網(wǎng),起到過濾作用;分配板與噴絲板之間放置單層網(wǎng)片;熔體進入紡絲組件,通過上蓋、壓蓋進入分配板,從孔深65 mm、直徑2.5 mm的分配板孔道流出后經(jīng)過單層網(wǎng)片迅速分配到直徑為190～200 mm的噴絲板上。分配板孔道長徑比大,熔體在孔道中存儲的能量不能及時釋放,熔體無法均勻分配到噴絲板板面上,從而導(dǎo)致噴絲板出絲不勻,毛絲、斷頭增加[9]。為了改善熔體的流動性,在分配板下方增設(shè)導(dǎo)流板,導(dǎo)流板上下設(shè)有一定的角度,使經(jīng)過分配板孔道的熔體存儲的能量能夠充分釋放,同時也對熔體起到再混合重新分配的作用。從表3可知,在其他工藝條件一定時,通過使用增設(shè)導(dǎo)流板后的組件,在考察生產(chǎn)周期28 d內(nèi),生產(chǎn)的滌綸工業(yè)絲毛絲降等率下降明顯,未加導(dǎo)流板時毛絲降等率為4.63%,增設(shè)導(dǎo)流板后毛絲降等率為3.21%,毛絲降等率明顯降低。

表3 組件結(jié)構(gòu)對毛絲降等率的影響Tab.3 Effect of spin pack structure on broken filament rate

2.3 無風(fēng)區(qū)多孔板對毛絲的影響

滌綸工業(yè)絲單絲線密度較大,絲條內(nèi)部熱量不容易傳導(dǎo)至表面,纖維出噴絲板冷卻時容易產(chǎn)生“皮芯”結(jié)構(gòu),不利于纖維的進一步拉伸和熱定型,因此,在生產(chǎn)滌綸工業(yè)絲時使用緩冷區(qū)、無風(fēng)區(qū)、側(cè)吹風(fēng)冷卻區(qū)等多級冷卻結(jié)構(gòu),從而減少絲條“皮芯”結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生,使單根絲束冷卻更加均勻,最大限度降低初生纖維的取向和結(jié)晶,以利于拉伸倍數(shù)的提高,從而獲得高強力、高質(zhì)量的纖維[10]。為了進一步改善冷卻效果,在緩冷區(qū)與無風(fēng)區(qū)之間增設(shè)多孔板,增設(shè)多孔板主要有以下作用：(1)避免紡絲成型過程中紊流的產(chǎn)生,降低黏絲、并絲發(fā)生的可能性,以減少毛絲;(2)降低初生纖維之間取向、結(jié)晶不同引起的內(nèi)應(yīng)力差異,進而降低由此引起的拉伸不均勻程度;(3)可有效減少黏附在噴絲板表面的單體和低聚物,提高熔體剝離噴絲板能力,減少熔體黏附在噴絲板表面形成斷絲的可能性。從表4可知,在其他工藝條件一定時,與未增加多孔板相比,使用多孔板后毛絲降等率明顯降低,在考察生產(chǎn)周期5 d內(nèi),毛絲降等率從5.33%降至3.96%。因此,在滌綸工業(yè)絲的生產(chǎn)中,為了減少毛絲的產(chǎn)生,可在緩冷區(qū)與無風(fēng)區(qū)之間增設(shè)多孔板。

表4 多孔板對毛絲降等率的影響Tab.4 Effect of perforated plate on broken filament rate

2.4 油劑及上油方式對毛絲的影響

滌綸工業(yè)絲油劑應(yīng)具備以下條件[11-13]：(1)良好的勻附性,易于在纖維表面吸附并迅速鋪展開;(2)優(yōu)良的平滑性,使纖維易于拉伸,減少毛絲、斷頭;(3)優(yōu)良的抱合性,使絲束集束性好。原油具有較高的表面張力,在絲條表面形成的油膜不易破損,從而降低絲條與金屬表面、絲條與絲條的動摩擦系數(shù),單絲不易被拉斷。乳液油中含有大量的水分,絲束經(jīng)過高溫?zé)彷仌r,水分蒸發(fā)導(dǎo)致油劑中不同組分發(fā)生共蒸發(fā)現(xiàn)象,油膜容易破裂,同時由于水分的蒸發(fā),絲束抖動加劇,絲與絲之間碰撞增加,更容易產(chǎn)生毛絲。從表5可知,使用乳液油、油輪上油方式時毛絲降等率為9.31%,而使用原油、油嘴上油方式時毛絲降等率為1.98%,毛絲降等率大幅度降低。因此,在滌綸工業(yè)絲的生產(chǎn)中,選擇使用原油、油嘴上油方式可有效減少毛絲的產(chǎn)生。

表5 油劑及上油方式對毛絲降等率的影響Tab.5 Effect of spinning finish and oiling method on broken filament rate

2.5 第二熱輥溫度對毛絲的影響

滌綸工業(yè)絲生產(chǎn)中采用五輥熱拉伸定型工藝,其中第二熱輥的作用是將絲束加熱到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上,以便于在第三熱輥開始拉伸。第二熱輥溫度太低,絲束在離開第二熱輥時未能充分預(yù)熱,拉伸時會出現(xiàn)“冷拉伸”,導(dǎo)致單絲拉伸不勻,出現(xiàn)弱絲,后續(xù)拉伸時會被拉斷出現(xiàn)毛絲;第二熱輥溫度過高,絲束在第二熱輥上過熱,會導(dǎo)致拉伸點前移,絲束在第二熱輥上出現(xiàn)部分拉伸,離開第二熱輥后受到第三熱輥的高倍拉伸時就會導(dǎo)致拉伸不勻的發(fā)生。因此,選擇合適的第二熱輥溫度對絲束的拉伸很重要。從表6可知：隨著第二熱輥溫度的升高,毛絲降等率呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢;第二熱輥溫度為85 ℃時,毛絲降等率為3.51%;當(dāng)?shù)诙彷仠囟壬咧?1 ℃時,毛絲降等率最低,為2.22%;繼續(xù)升高第二熱輥溫度,毛絲反而增加,第二熱輥溫度為97 ℃時,毛絲降等率為3.10%。因此,在滌綸工業(yè)絲的生產(chǎn)中,應(yīng)合理選擇第二熱輥溫度,控制第二熱輥溫度在91 ℃左右,毛絲較少。

表6 第二熱輥溫度對毛絲降等率的影響Tab.6 Effect of second hot roller temperature on broken filament rate

3 結(jié)論

a.在高強滌綸工業(yè)絲生產(chǎn)中,控制高黏聚酯切片特性黏數(shù)在1.120～1.130 dL/g,含水率小于25 μg/g,有利于降低毛絲降等率。

b.高強滌綸工業(yè)絲生產(chǎn)中,在紡絲組件分配板下方增加導(dǎo)流板,在緩冷區(qū)與無風(fēng)區(qū)之間增設(shè)多孔板,均可減少毛絲的產(chǎn)生,降低毛絲降等率。

c.高強滌綸工業(yè)絲生產(chǎn)中,采用原油、油嘴上油,控制第二熱輥溫度為91 ℃左右,毛絲較少,毛絲降等率大幅度降低。