紡絲組件在氨綸生產(chǎn)過程中的應(yīng)用研究

蔣 宏，張 斌，張 磊

（連云港杜鐘新奧神氨綸有限公司，江蘇 連云港 222000）

目前，氨綸絲的生產(chǎn)過程是通過聚醚二醇（PTMG）和二苯基甲烷二異氰酸酯（MDI）聚合反應(yīng)生成可以使用的聚合體原液，然后通過移送泵、計量泵，再經(jīng)過紡絲組件的噴絲板將氨綸聚合體原液擠壓出去，經(jīng)過甬道，最后通過卷繞機(jī)紡制成很細(xì)的氨綸絲制品。在氨綸絲的生產(chǎn)過程中，氨綸聚合體原液通過噴絲板中的微孔轉(zhuǎn)變成細(xì)流，再經(jīng)過甬道熱風(fēng)吹干固化成絲條，通過卷繞機(jī)完成卷裝。

1 噴絲板

噴絲板作為組件的重要部分之一，對紡絲操作性能和產(chǎn)品質(zhì)量至關(guān)重要[1-2]。本研究重點研究了噴絲板設(shè)計、微孔流動機(jī)理及其對紡絲操作性能的影響，同時列出了噴絲板的幾種缺陷和成因。

1.1 噴絲板設(shè)計

（1）粗糙度：微孔處0.1 μm，導(dǎo)流孔處0.4 μm，氨綸生產(chǎn)過程對噴絲板光潔度的要求非常高，這就要求工作人員平時注意噴絲板鏡面磨損情況。（2）材質(zhì)：不銹鋼SUS316，需要耐腐蝕并且具有很好的可加工性能。

1.2 微孔流動機(jī)理

氨綸絲從噴絲板微孔中擠出成形，內(nèi)應(yīng)力發(fā)生變化，剛出噴絲板時，由于應(yīng)力來不及消失，出現(xiàn)出口脹大現(xiàn)象，其物理形態(tài)和幾何形態(tài)均發(fā)生變化。由圖1可以看出，氨綸聚合體原液進(jìn)入噴絲板后，分別產(chǎn)生了入口效應(yīng)、孔流效應(yīng)、出流脹大效應(yīng)，在整個過程中，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都會影響氨綸絲的操作性能和絲卷指標(biāo)。

圖1 微孔流動示意

氨綸聚合體原液在噴絲板微孔中流動時存在徑向速度梯度，即中心處速度快、孔壁處速度慢，這個過程對微孔內(nèi)壁光潔度要求很高，如果微孔出現(xiàn)劃痕，很容易出現(xiàn)并絲、掛絲、螺旋絲、粗細(xì)絲等。

當(dāng)氨綸聚合體原液進(jìn)入噴絲板微孔時，由于剪切力的作用，內(nèi)聚力突然增大，但當(dāng)其出紡絲孔時，剪切力迅速降低，壓力下降，這種出口現(xiàn)象會導(dǎo)致噴絲板鏡面出現(xiàn)脹大現(xiàn)象，直徑超過噴絲板微孔的2～3倍。如果此時噴絲板微孔附近出現(xiàn)豁口、鏡面磨損、微孔缺損等，就會出現(xiàn)操作性能異常。

1.3 噴絲板微孔結(jié)構(gòu)對氨綸可紡性的影響

當(dāng)噴絲板微孔內(nèi)部空間偏大時，氨綸聚合體原液通過噴絲板產(chǎn)生的內(nèi)聚能不足以讓分子間的鍵全部打開，無法形成有序的張力，在高速紡織過程中會出現(xiàn)斷絲，從而無法進(jìn)行多孔絲生產(chǎn)[3-5]。

根據(jù)聚合體在微孔中流動特性的分析可知，增大長徑比有助于彈性能的松弛，減小出口處的壓力和膨化，紡絲相對穩(wěn)定。

1.4 噴絲板的缺陷及成因

當(dāng)噴絲板存在缺陷時，會對紡絲操作性能和絲的質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重的影響[6-7]，以下是噴絲板經(jīng)常出現(xiàn)的缺陷及成因：（1）孔口喇叭、孔口缺，原因是高溫環(huán)境、鏟板、超聲振蕩。（2）微孔變形，原因是使用年限長。（3）微孔邊緣劃傷、鏡面劃痕，原因是噴絲板組裝、拆卸操作不當(dāng)以及存放環(huán)境不當(dāng)，如使用較堅硬的工具拆卸噴絲板、噴絲板接盤中有鐵屑等異物。（4）孔口通傷。如果使用的通針較為堅硬，硬度大于噴絲板材質(zhì)，用力過猛會使噴絲板微孔壁上產(chǎn)生劃痕。

2 過濾器

目前，常用濾芯、濾網(wǎng)的過濾材料都是金屬燒結(jié)氈，是由一定細(xì)度的金屬絲通過雜亂無序的排列形成細(xì)小的微孔，并且當(dāng)多個纖維層組合在一起時，更多的金屬絲相互纏繞，形成許多微小孔徑，可以起到過濾效果，過濾效率達(dá)99.9%，若使用表面或深層介質(zhì)，效率會更高[8-9]。

2.1 燒結(jié)氈過濾機(jī)理

當(dāng)金屬燒結(jié)氈干凈時，過濾流體通過燒結(jié)氈，流體中的雜質(zhì)會被留在金屬微孔間，使金屬燒結(jié)氈中的微孔變小，隨著滲流的繼續(xù)，流體主要沿著法向的孔道運(yùn)動，這時過濾材料阻力相對穩(wěn)定。本階段實際上比較短暫，很快就會結(jié)束。

隨著流體的不斷增加，留在燒結(jié)氈中的雜質(zhì)越來越多，金屬燒結(jié)氈孔隙變得越來越小，甚至逐漸被堵塞，過濾面積逐漸減小，形成濾餅，構(gòu)成新的過濾層。在這種狀態(tài)下，流體的過濾效果提高，但過濾阻力也不斷增大。因此，在氨綸生產(chǎn)過程中，噴絲板、過濾網(wǎng)更換的前期，過濾效果和穩(wěn)定性不是最好的狀態(tài)，一般情況下，組件更換7～14天過濾效果最好，隨著時間的延長，噴絲板、過濾網(wǎng)堵塞會變得嚴(yán)重，這時會影響氨綸絲的操作性能，出現(xiàn)并絲、掛絲、卷重偏輕等異常情況。

2.2 金屬濾芯特性測試

金屬燒結(jié)氈有報廢標(biāo)準(zhǔn)，在氨綸絲的日常生產(chǎn)過程中，過濾器的壓力隨著時間的延長不出現(xiàn)明顯變化可能是由于金屬燒結(jié)氈的過濾精度發(fā)生變化。檢驗金屬燒結(jié)氈過濾精度的方法是冒泡實驗，依據(jù)是毛細(xì)管表面張力原理：氣泡通過孔隙所需壓力與孔徑大小成反比，冒泡壓力越小，最大孔徑越大。通過群泡點判斷金屬燒結(jié)氈的過濾效果，通過初冒泡點壓力判斷金屬燒結(jié)氈的最小過濾精度。

2.3 濾芯的日常管理

濾芯作為重要的過濾材料，對紡絲的操作性能和產(chǎn)品質(zhì)量起到至關(guān)重要的作用，通過以上分析可知，需要對濾芯進(jìn)行日常管理：（1）嚴(yán)格執(zhí)行過濾器切換程序，由于壓力升高，到期的過濾器會使一些小的凝膠顆粒通過過濾器，超過極限差壓，甚至?xí)p壞過濾器，使其失去過濾作用。（2）嚴(yán)格按照過濾器清洗和檢測程序，必須做到濾芯稱重，通過安排冒泡實驗抽檢，確保過濾器過濾效率和使用壽命。（3）對五層金屬燒結(jié)氈濾網(wǎng)進(jìn)行抽檢，因為不同批次的濾網(wǎng)厚度有所不同，對過濾效率、使用周期、壓差有影響，應(yīng)盡量保證按同一批次使用。（4）由于濾芯的流阻特性，應(yīng)盡量保證同一品種紡前過濾器的使用周期相同，由于壓降差異大，對絲的質(zhì)量有影響。

3 流體流動基本方程

在生產(chǎn)過程中，氨綸聚合體黏度會發(fā)生變化，此時氨綸聚合體原液會在管道輸送過程中產(chǎn)生內(nèi)部壓力的變化，可以通過伯努利流動方程消除不同原液黏度在運(yùn)輸過程中對氨綸絲生產(chǎn)的影響。

3.1 伯努利方程

對不可壓縮流體，伯努利方程如下：

3.2 實例分析

在實際生產(chǎn)過程中，氨綸絲卷重是重要質(zhì)量指標(biāo)之一，影響氨綸卷重的因素有很多，如氨綸原液輸送、管內(nèi)流動（圖2）。

圖2 紡絲組件生產(chǎn)示意

氨綸聚合體原液利用增壓泵通過原液管道內(nèi)輸送到各個生產(chǎn)工位，進(jìn)入紡絲計量馬爾泵之前需經(jīng)過原液管線和紡絲過濾器，經(jīng)過馬爾泵計量之后，需經(jīng)過原液管線、五層濾網(wǎng)，通過噴絲板進(jìn)入紡絲甬道。

由伯努利流體流動方程可知，當(dāng)氨綸原液的黏度發(fā)生變化時，聚合體原液在管道內(nèi)的流動阻力發(fā)生變化，對氨綸絲卷重有很大影響。由圖3可知，當(dāng)紡絲原液黏度增加時，氨綸絲卷重減小。在其他條件不變的情況下，當(dāng)原液黏度為6 000 P（600 Pa·s）時，氨綸絲卷重為525 g；當(dāng)原液黏度增加至7 000 P（700 Pa·s）時，氨綸絲卷重減小到518 g。

圖3 不同黏度下的氨綸絲卷重

根據(jù)伯努利方程和阻力產(chǎn)生的原理可知，主管線末端壓力穩(wěn)定在38 kg，p1、u1不變；z1（馬爾泵高度）、z2（組件高度）的相對位置不變；產(chǎn)生Σhf的主要元件有紡前過濾器、金屬軟管、五層濾網(wǎng)、噴絲板微孔；原液出噴絲孔后的壓力p2為0，當(dāng)紡絲原液黏度增加時，Σhf變大，u2變小，所以會出現(xiàn)卷重偏小、絲偏細(xì)的現(xiàn)象[10]。

因此，控制氨綸絲卷重穩(wěn)定性的方法有組件清洗、黏度控制、上油率穩(wěn)定等。

4 結(jié)論

（1）噴絲板的微孔設(shè)計對氨綸紡絲生產(chǎn)操作性能有很大影響，需要尋找合適的噴絲板微孔規(guī)格以滿足氨綸的生產(chǎn)要求。

（2）噴絲板的存放與使用對氨綸絲的品質(zhì)有較大影響，需要在日常生產(chǎn)中注意保護(hù)氨綸噴絲板。

（3）需要加強(qiáng)氨綸濾芯的日常使用與管理，遵循濾芯的過濾特性。

（4）在日常生產(chǎn)中，需要盡量保持原液黏度的穩(wěn)定，否則會對氨綸絲卷重有較大影響，進(jìn)而影響氨綸絲的后道使用性能。