熔體直紡半消光滌綸短纖維紡絲工藝探討

余宗哲，解項東，李長龍

（1.新鳳鳴江蘇新拓新材有限公司，江蘇 徐州 221400；2.安徽工程大學(xué)，安徽 蕪湖 241000）

2017年“禁廢政策”實施后，滌綸短纖維行業(yè)迎來了“春天”，盈利水平位居滌綸產(chǎn)品之首，吸引了一批規(guī)模化、一體化大型裝置相繼投產(chǎn)[1]，導(dǎo)致滌綸短纖維產(chǎn)品同質(zhì)化嚴(yán)重，企業(yè)競爭惡化，供應(yīng)過剩，盈利能力不斷被弱化。因此，企業(yè)迫切需要對產(chǎn)品進行轉(zhuǎn)型升級，朝著質(zhì)量穩(wěn)定、綠色環(huán)保、功能性優(yōu)異、高附加值的差別化方向發(fā)展。差別化滌綸短纖維對紡絲工藝提出了更高的要求[2]，目前，國內(nèi)很多企業(yè)面臨工藝技術(shù)及人才的壁壘，差別化產(chǎn)品的生產(chǎn)明顯不足。因此，熔體直紡滌綸短纖維在品質(zhì)與紡絲工藝技術(shù)的配套上仍具有進一步研究的空間[3]；紡絲工藝參數(shù)的正確選定與優(yōu)化是短纖維獲得優(yōu)良品質(zhì)的保證，可提高生產(chǎn)的平穩(wěn)性和后加工性能。

本研究探討了熔體輸送、紡絲成形、冷卻固化、上油給濕、卷繞往復(fù)等工藝的過程與原理，分析了其對品質(zhì)、紡絲生產(chǎn)的作用機理，以便于對紡絲參數(shù)的優(yōu)化改進，為研發(fā)高端化、智能化、綠色化短纖維提供了參考。

1 生產(chǎn)設(shè)備與工藝

1.1 原料與生產(chǎn)設(shè)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；聚對苯二甲酸乙二醇酯（Polyethylene Terephthalate，PET），半消光，纖維級。

采用熔體直紡生產(chǎn)工藝路線，聚合設(shè)備為生產(chǎn)能力1 600 t/a“一頭兩尾”五釜工藝流程裝置，熔體輸送采用瑞士Maag增壓泵；紡絲設(shè)備為Neumag（德國鈕馬格）全套紡絲設(shè)備，采用0.23 mm×0.46 mm規(guī)格6800孔大板徑噴絲板，中心環(huán)吹冷卻，油環(huán)和油嘴上油；油劑為竹本166/974油劑（日本）；卷繞設(shè)備為八輥牽引機（德國紐馬格）。

1.2 聚酯熔體品質(zhì)指標(biāo)

經(jīng)過聚合后輸送的熔體主要品質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

1.3 紡絲工藝流程

熔體直紡半消光短纖維紡絲工藝流程如圖1所示。

圖1 紡絲工藝流程

2 討論

2.1 熔體輸送

聚合工段將具有特定黏度和溫度的熔體過濾后，通過夾套管輸送到前紡車間三通閥處，熔體被三通閥分成兩股并分配至增壓泵前；經(jīng)增壓泵齒輪加壓以后，熔體依次經(jīng)過熔體冷卻器、六通分配管進入各箱體針型閥，流向各紡位計量泵處。液相熱媒（氫化三聯(lián)苯）、氣相熱媒（聯(lián)苯和聯(lián)苯醚）沿著夾套管殼層逆熔體流向分段循環(huán)，從而對輸送的熔體進行伴熱；熔體主管道、主管靜態(tài)混合器由液相熱媒（大循環(huán)）進行伴熱，增壓泵后熔體冷卻器也由液相熱媒（小循環(huán)）進行伴熱，六通后熔體支管、支管靜態(tài)混合器及紡絲箱體由3個氣相聯(lián)苯爐產(chǎn)生的聯(lián)苯蒸汽分別進行伴熱[4]。通過增壓泵自動調(diào)節(jié)齒輪的轉(zhuǎn)動，確保了熔體輸出的精準(zhǔn)及熔體管道和計量泵入口壓力的恒定；熔體冷卻器和主支管靜態(tài)混合器不僅調(diào)節(jié)了管線溫度，更使熔體獲得了均勻、穩(wěn)定的質(zhì)量。

熔體管線輸送工藝參數(shù)主要有熔體特性黏度、計量泵后熔體壓力和熔體管線溫度、熔體輸送時長等；生產(chǎn)參數(shù)的選定與優(yōu)化需結(jié)合短纖維的品種規(guī)格、紡線產(chǎn)能、設(shè)備狀況進行有針對性的調(diào)控。熔體特性黏度用來表征聚對苯二甲酸乙二醇酯熔體中分子質(zhì)量的大小和分布，其對紡絲成形的順利與否、短纖維原絲的可紡性、原絲生產(chǎn)紡況、后加工性能都有極其關(guān)鍵的作用，特性黏度大，則熔體中大分子鏈鏈節(jié)增加、鏈長增加，分子質(zhì)量變大，分子鏈易雜糅在一起，取向度減小，后牽伸加工倍率增加；反之特性黏度過小，則組件噴絲孔中流出的熔體細(xì)流成形困難，發(fā)脆易斷。特性黏度的均勻穩(wěn)定性也是十分重要的指標(biāo)，不均勻則表示熔體中含有的低聚物等雜質(zhì)較多，紡絲生產(chǎn)狀況較差，需及時采取切換聚酯熔體過濾器、強化組件過濾效果、優(yōu)化調(diào)整大小循環(huán)熱媒或聯(lián)苯爐氣相溫度等措施，進而提高熔體均勻性。增壓泵后熔體壓力用來克服熔體爬升、流動到紡絲箱體計量泵前所需要的壓力降，保持穩(wěn)定是熔體輸送的關(guān)鍵[5]。正常運轉(zhuǎn)的產(chǎn)線需保證增壓泵前熔體壓力不低于20 kPa。為得到恒定的熔體擠出量，保證短纖維原絲纖度及CV指標(biāo)的穩(wěn)定性，一般控制增壓泵后熔體壓力為一定值。熔體管線溫度直接影響熔體的流變性能，同時對單絲纖維成形固化、分子鏈的取向與結(jié)晶、后牽伸性能均有顯著的影響。其溫度的設(shè)定應(yīng)從黏度、黏度降兩個因素綜合考慮，為降低熔體輸送過程中的黏度降，采用大小循環(huán)兩套液相熱媒系統(tǒng)，利用不銹鋼夾套管對輸送熔體進行拌熱，六通以后熔體分配管、針型閥、紡絲箱體等處的熔體溫度是短纖維原絲工藝中重要的參數(shù)。該處熔體溫度合適、受熱均勻，使各紡位熔體的質(zhì)量均勻，有利于紡絲成形，提升原絲強伸度。熔體輸送時長即經(jīng)酯化、縮聚后質(zhì)量穩(wěn)定的熔體從終聚釜輸送泵輸出到紡絲箱體針型閥前的經(jīng)過時間，時間越短，則熔體黏度降和二甘醇（含量）的指標(biāo)值越小，熔體色澤白亮，不易產(chǎn)生低分子揮發(fā)物和凝膠。時長的設(shè)定需綜合考慮單線產(chǎn)量、熔體管線溫度、黏度的控制范圍等因素，對于已投產(chǎn)或安裝的管線，時長與熔體密度成正比，與熔體的質(zhì)量流量成反比。

2.2 紡絲成形

紡絲成形及固化如下：輸送至各支管處的熔體通過針型閥進入箱體，再經(jīng)過各紡位計量泵精確計量進入組件中，熔體細(xì)流被組件中的金屬砂、金屬網(wǎng)片過濾后，鉆出噴絲板毛孔，形成獲得特定截面形狀的單根絲束，之后在中心環(huán)吹風(fēng)和卷繞八輥牽拽作用下，絲束不斷固化，最后凝固成初生纖維。

20世紀(jì)60年代初，波蘭研究者Ziabicki等研究提出內(nèi)聚破壞、毛細(xì)破壞兩種斷裂機理，對可紡性形成了一個完整的定義。聚對苯二甲酸乙二醇酯熔體屬于非牛頓流體（黏彈性），具有松弛時間短、變形能消散快的特點，在較快的生產(chǎn)速度和極高形變比下，也不產(chǎn)生內(nèi)聚斷裂，所以其可紡性較為優(yōu)異，在紡程上，剪切流動、單軸拉伸流動，熔體被擠出噴絲板毛細(xì)孔后，會出現(xiàn)膨大效應(yīng)，其是紡絲成形過程的一個不確定因素[6]。出毛孔后膨大的程度一般用B（出孔后絲條最粗處的直徑/組件噴絲孔直徑）表示，聚對苯二甲酸乙二醇酯熔體B值在1.0～1.5，B值的影響因素有噴絲板孔徑比、熔體在毛孔中的流速，熔體細(xì)流在毛孔中流速過快會造成應(yīng)力松弛不完全，絲條膨大點遠離噴絲板面，妨礙絲條的拉伸，造成絲束DVC指標(biāo)偏大，絲條發(fā)脆易斷，產(chǎn)生飄絲、毛絲現(xiàn)象。同時，B值增大，熔體細(xì)流易粘附在噴絲板面上，剝離性能減弱，板面變差，形成注頭絲，不利于鏟板與生產(chǎn)管理，直接影響短纖維原絲的質(zhì)量。因此，只有將B值、膨大點距離調(diào)控在合理的范圍內(nèi)，才能保證熔體細(xì)流塑性狀態(tài)下拉伸的均勻性、紡絲成形的順利進行。熔體細(xì)流被噴絲板毛孔噴出后，在八輥牽引機的作用下進行穩(wěn)態(tài)和連續(xù)的流動，細(xì)流直徑越來越小，在加速度的作用下，速度逐漸加快，并趨向或接近卷繞速度。從噴絲板毛孔到卷繞點的整個紡絲路徑依次可分為3個區(qū)域：擠出膨大區(qū)、形變區(qū)（拉伸區(qū)）、固化絲條行走區(qū)。其中，形變區(qū)是熔體細(xì)流沿縱向進行拉伸形變的關(guān)鍵區(qū)域，是絲條內(nèi)部結(jié)構(gòu)形成的主要區(qū)域[7]。在一定計量泵轉(zhuǎn)速下，卷繞張力隨卷繞速度的加快而線性增加；卷繞張力對紡絲工藝較為敏感，八輥速度和計量泵轉(zhuǎn)速的變化、環(huán)吹出風(fēng)條件和熔體流變性能的變化都能使其產(chǎn)生變動，所以紡絲成形工藝的穩(wěn)定性可以用卷繞張力表征。從噴絲板中擠出的熔體細(xì)流在成形、固化的過程中，需要與周圍介質(zhì)進行大量的傳熱，其存在軸向、徑向兩個方向的溫度變化，絲條軸向方向溫差較大，在200 ℃以上。聚酯熔體從噴絲板毛孔到固化點這段距離內(nèi)的熱交換狀況直接影響滌綸短纖維原絲的取向和結(jié)晶，進而影響原絲后加工性能和滌綸短纖維制品質(zhì)量。

滌綸短纖維的結(jié)構(gòu)性能取決于熔體性能、紡絲、牽伸、熱定型等，而紡絲成形工序得到的“卷繞絲”結(jié)構(gòu)直接影響短纖維成品絲的質(zhì)量?！熬砝@絲”結(jié)構(gòu)是由熱傳遞、熔體動力學(xué)在紡程上共同作用的結(jié)果，其形成與發(fā)展可以用紡程上大分子鏈的取向度與結(jié)晶度體現(xiàn)。熔體高聚物紡絲過程的取向作用機理如下：熔體在噴絲板毛孔中的剪切流動取向、熔體細(xì)流在黏流態(tài)時的拉伸流動取向和在固化區(qū)時的形變?nèi)∠?，而“卷繞絲”結(jié)構(gòu)的取向度基本源于紡程上的拉伸流動取向，影響取向的因素主要有卷繞速度、環(huán)吹出風(fēng)條件、卷繞張力、噴絲頭拉伸比等，加快卷繞速度，有利于高聚物取向度、結(jié)晶度的提高，但過高的取向度與結(jié)晶度阻礙了絲束后加工的順利進行。

2.3 冷卻固化

熔體細(xì)流被噴絲板毛孔吐出后，在環(huán)吹冷卻風(fēng)作用下，絲束與周圍空氣的對流加強，內(nèi)外層單絲得到均勻充分的冷卻，提升了滌綸短纖維原絲的品質(zhì)與抗拉伸性，有利于設(shè)備生產(chǎn)能力的完全釋放。環(huán)吹風(fēng)冷卻工藝主要包括冷卻風(fēng)溫、冷卻風(fēng)濕度、冷卻風(fēng)量、緩冷區(qū)高度。其中，冷卻風(fēng)溫直接影響滌綸短纖維原絲的強伸度[8]，“卷繞絲”的預(yù)取向度與風(fēng)溫成反比。風(fēng)溫的設(shè)定要根據(jù)聚對苯二甲酸乙二醇酯熔體的玻璃化溫度、卷繞速度、品種規(guī)格、設(shè)備性能等進行綜合考量。中心環(huán)吹風(fēng)溫宜定為19～26 ℃，絲束能得到充分冷卻，風(fēng)溫偏大，單絲冷卻不均勻，易導(dǎo)致絲束產(chǎn)生熔絲、并絲、飄絲、漿塊現(xiàn)象；風(fēng)溫偏低，易吹冷噴絲板面，產(chǎn)生彎角絲、弱絲，加劇絲束斷面不勻性，造成牽伸拉斷、拉伸不勻；而風(fēng)溫波動過大也將導(dǎo)致絲束固化點范圍變寬、結(jié)構(gòu)不勻，易產(chǎn)生飄絲、纏輥現(xiàn)象。環(huán)吹風(fēng)的濕度影響絲束的紡絲成形和大分子鏈的結(jié)晶與取向，可以通過調(diào)整濕度減少絲束在紡程上因摩擦而產(chǎn)生的靜電和單絲晃動。環(huán)吹風(fēng)空氣的濕度提高了其介質(zhì)的熱容量和給熱系數(shù)，有利于絲室溫度的恒定和絲束的及時冷卻[9]。環(huán)吹風(fēng)量是影響絲束固化成形的重要工藝參數(shù)，其變化不僅影響生產(chǎn)線各紡位的風(fēng)速和風(fēng)壓，對產(chǎn)線上各紡位之間風(fēng)速的一致性也有影響，環(huán)吹風(fēng)速與風(fēng)量呈線性關(guān)系。紡位處風(fēng)量過大或過小都會導(dǎo)致絲束品質(zhì)下降和成品纖維疵點增加。增大風(fēng)量，絲束冷卻充分，固化點上移，形變區(qū)域變窄，不易受絲室外氣流的影響，但過大的風(fēng)量容易造成絲束取向不足，易產(chǎn)生晃動、斷裂現(xiàn)象，導(dǎo)致噴絲板面的溫度降低，從而影響斷面不勻指標(biāo)；減小風(fēng)量，固化點遠離噴絲板面，絲束冷卻變緩，冷卻區(qū)域加長，大分子鏈取向增大[10]，但風(fēng)量過小會加劇絲束的抖動，單絲之間易粘連產(chǎn)生并絲現(xiàn)象，絲束自然牽伸比減小，不利于后紡牽伸。為使絲束獲得優(yōu)良的拉伸性能，降低絲條的內(nèi)應(yīng)力和預(yù)取向度，可以使用緩冷區(qū)避免從噴絲板擠出的熔體細(xì)流立即被驟冷，并降低絲束的冷卻速率，增加熔態(tài)區(qū)長度，使固化點遠離板面，降低噴頭拉伸張力和預(yù)取向度，使自然牽伸比增大，有利于提高絲束后加工牽伸倍率和品質(zhì)指標(biāo)，易獲得優(yōu)質(zhì)的高強滌綸短纖維。

2.4 上油給濕

被環(huán)吹風(fēng)冷卻固化后的絲束非常干燥，須經(jīng)紡絲油環(huán)加濕給油后，才能進入紡絲甬道，然后穿過卷繞上油嘴、吸剪器、導(dǎo)絲器，并由導(dǎo)絲羅拉使絲束改為水平方向前進；通過網(wǎng)絡(luò)升頭器，將各紡位絲條匯集成一根卷繞絲束；卷繞絲束依次通過八輥牽引機、導(dǎo)絲輥、葵花輪喂入系統(tǒng)、定長切斷裝置，最終落入盛絲桶內(nèi)。

絲束的上油是由紡絲油環(huán)給油和卷繞上油嘴補油共同完成的，上油后絲束表面獲得了一層油膜，具有平滑、柔韌的特性，降低了絲條的摩擦性能與靜電積累[11]。絲束上油對紡絲生產(chǎn)的穩(wěn)定性和原絲的可紡性具有重要意義，上油均勻，絲束集束性好，毛絲和盛絲桶底絲量少[12]，可提高短纖維原絲的品質(zhì)和均勻性；上油少，易導(dǎo)致卷繞和牽伸工序發(fā)生纏輥現(xiàn)象；上油多，絲條打滑系數(shù)變大，也易粘輥。

2.5 卷繞落桶

卷繞落桶由導(dǎo)絲集束、牽引落桶、往復(fù)橫動等部分組成，作用是將整條線紡位的絲條斂集成束、絲束收集成形、提供牽引力與張力、確保絲條的規(guī)整有序排列。牽引落桶機構(gòu)主要是為絲束提供紡絲速度，保證絲條不纏結(jié)、不松散并順利落桶；加快紡絲速度，紡絲線上速度梯度、絲束受到的摩擦力、絲束中的內(nèi)應(yīng)力增大，熔體細(xì)流固化速度加快，進而使“卷繞絲”大分子鏈取向度增大，雙折射率和沸水收縮率值增加，但絲條最大和自然牽伸比減小，后加工牽伸倍率降低[13]。橫動往復(fù)是盛絲桶以一定速度在往復(fù)臺車上同時進行橫向和縱向兩個方向上的位移，將工藝設(shè)定長度的“卷繞絲”有序鋪在盛絲桶內(nèi)，確保牽伸工序的順利進行；盛絲桶內(nèi)的鋪絲狀況可通過調(diào)整橫向或縱向位移速度等參數(shù)進行優(yōu)化。

3 結(jié)論

滌綸短纖維紡絲的生產(chǎn)工藝主要是熔體輸送、紡絲成形、冷卻固化、上油給濕、卷繞往復(fù)等處參數(shù)的設(shè)定與優(yōu)化，其對短纖維的品質(zhì)、生產(chǎn)的平穩(wěn)性、后加工性能、成本管控與管理水平提升均有重要影響。熔體輸送的關(guān)鍵參數(shù)為熔體黏度、輸送過程的時長和溫度、壓力。參數(shù)的選定與改進要結(jié)合品種規(guī)格、紡線產(chǎn)能、生產(chǎn)設(shè)備狀況等進行有針對性的調(diào)控。紡絲成形的過程主要包括熔體的擠出與細(xì)流的形成、絲束的傳熱與內(nèi)部結(jié)構(gòu)的構(gòu)成，對絲束的品質(zhì)指標(biāo)、成品纖維的性能均有極其重要的影響。冷卻固化的重要參數(shù)有冷卻風(fēng)溫濕度、風(fēng)量和緩冷區(qū)高度；采用合理的溫濕度、合適的風(fēng)量有利于絲束結(jié)構(gòu)與性能的提升。上油給濕不僅增強了絲束的集束性、平滑性，減少了絲條的摩擦與靜電積累，更重要的是保障了各紡位的絲束都能斂集成束，規(guī)整有序地排列在絲桶中。卷繞往復(fù)對絲束的品質(zhì)也有重大影響，保障了絲條不纏結(jié)、不松散并順利落桶，且鋪絲狀況優(yōu)良。