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生产涤纶低缩丝的工艺探索

1工艺流程

聚酯切片→干燥→螺杆挤压机→熔体分配管→静态混合器→纺丝箱体→组件→冷却成形→上油集束→预网络→卷绕成型→成品丝筒

2结果与讨论

2.1组件准备组件是纺丝的关键,为保证熔体良好的挤出性能,必须选择好合适的喷丝孔和长径比,以及合适的粗、细砂的配比,这是保证熔体的过滤效果和流动性能的关键。2.1.1喷丝板选择熔体纺丝时,高聚物流体在纺丝加工中有两种基本流场,以喷丝孔为界,出喷丝孔之前基本上属于剪切流动,在出喷丝孔后的纺丝线上属于单轴拉伸流动。熔体在喷丝孔道中流动可视为二维简单剪切流动。根据常规POY生产经验,高速纺熔体出喷丝孔的剪切速率应在104数量级内,一般以(1~3)×104s-1为好,同时应满足喷丝头拉伸倍数在80~180的范围。由于超高速纺熔体流量大,喷丝孔内剪切较大,在高剪切速率作用下,会使熔体弹性效应显著,熔体流经喷丝孔道时弹性内应力来不及松弛,产生较多的弹性内应力储存在熔体中,加剧孔口膨化现象,易造成熔体破裂。采用较大孔径喷丝板可有效降低剪切速率,缓解出口膨胀现象,保证稳态纺丝。通过几种孔径喷丝板的试用,孔径0.30mm的喷丝板既能保证较低的剪切速率,在常规POY卷绕头可及的速度范围内,又可保证较高的喷丝头拉伸比,有效增加了纺程的张力。沸水收缩率在卷绕速度一定时,随孔径的增大下降明显。

2.1.2组件装砂配比组件上机压力和熔体过滤混炼的效果是制定组件装砂工艺必须要考虑的问题,组件上机压力过高会造成组件漏浆、熔体温升大等问题,组件上机压力过低,影响组件的过滤性能,且熔体流动不均匀,会造成生产过程不稳定。通过不同目数金属砂的组合,试验各种上机压力下的纺丝状况。由于纺速提升,低缩丝泵供量较大,熔体经过组件后温升大,按照常规高速纺上机压力控制,生产过程中飘丝较多。通过试验,最终将组件压力控制在10MPa左右时,飘丝状况有了明显改观,同时较低的上机组件压力可以延长组件使用时间。

2.2切片干燥干切片的含水率直接影响熔体的可纺性,只有尽可能地降低切片含水率,才能减少熔体降解。另外熔体中的微量水分易产生微小的气泡,在超高速卷绕的过程中,更易产生毛丝和飘丝。在低缩丝的生产中,主要通过干燥温度和干燥风量的调整,将干切片含水控制在23~28mL/m3。但干燥温度过高有可能造成切片色值变化和粘度降低,不同干燥温度下的干燥效果和纺丝情况见表4所示。干燥温度越高,切片含水率越低,但进风温度超过185℃,干燥塔中表层切片结块严重,干切片还有泛黄现象。

2.3侧吹条件冷却成形是纺丝的重要过程,也是决定纤维内部结构的关键。侧吹风速是冷却成型的主要工艺参数,风速过小,冷却效果不好,凝固点上下飘移造成条干值偏高,严重时甚至造成飘丝。低缩丝生产过程中,由于纺速高,有效冷却时间变短,必须提高侧吹风速加强冷却。但过高的风速又可能造成丝条的剧烈晃动,传递至喷丝板造成初生纤维的抖动同样会造成条干升高。因此为保证冷却效果,在生产线上加装了风筒自吸风冷却装置,即在喷丝板下方安装一个表面有特定孔眼的风筒,当从喷丝板挤出的丝条冷却到一定程度,速度会突然增加,丝的界面层会带动风筒中的空气沿丝条运动的方向移动,风筒外的空气经孔眼整流,从四周均匀地和定向地补入风筒内。在低缩丝生产中,纺程张力是产生高结晶和高取向的关键,而空气阻力正是决定纺程张力的主要影响因素。因此在整流风筒设计上有别于一般产品,下部整流孔有细微仰角,补入的气流对丝束的阻力会增大,在保证冷却效果的同时增加纺程张力。为进一步保证冷却效果,在增加整流装置后,侧吹温度选择在20~22℃之间。增加整流风筒后,侧吹温度选择在20~22℃之间,侧吹风速选择在0.65m/min左右,可保证获得充分的冷却,沸水收缩率也较低。为抑制超高速纺工艺产生的“皮芯层”结构,在喷丝板下方安装了密闭式保温插板,并适当延长了无风区距离,在抑制皮芯层结构的同时,还增加了纤维的结晶度。

2.4纺丝温度和常规纺丝工艺一样,熔体温度也是低缩丝工艺中的重要参数。熔体温度的高低直接影响到高聚物熔体成形及纤维的超分子结构。从中看出,温度升高,熔体粘度按指数关系下降,因此可适当提高纺丝温度,降低熔体粘度,改善熔体流动性能。由于超高速纺工艺路线卷绕速度高,熔体流动速度加快,在纺丝过程中要求熔体的流变性能更好。纺丝熔体的流变性能主要取决于聚酯的本性和纺丝熔体的温度。随着温度的升高,熔体的自由体积增加,链段的活动能力增加,分子间的相互作用力减弱,使高聚物的流动性增大,表观粘度下降,熔体弹性效应变弱,细流出喷丝孔的膨化现象减弱,有利于纺丝。然而熔体温度过高,会造成熔体粘度降增大,使可纺性变差,纤维的机械性能下降,严重时甚至产生飘丝、毛丝和断头现象,影响纺丝的顺利进行。表6为纺丝速度4750m/min时,不同纺丝温度下产品的物理指标。纺丝温度的升高对纤维的物理性能影响不大,但对可纺性影响较大,过高或过低的纺丝温度都会影响纺丝过程的稳定。试验表明,纺丝温度控制在288℃左右时,纺丝状态较稳定。

2.5纺丝速度纺丝速度是超高速工艺路线的主要工艺参数,也是低缩丝产品能否具有较低热收缩率的关键参数,其主要机理是通过较高纺速产生足够的纺丝张力,使丝束在纺程上一次完成丝条的细化拉伸和结晶取向。采用超高速工艺路线生产的纤维之所以热收缩率小于FDY主要是由于其非晶区取向小于经拉伸热处理的纤维。根据清水二郎等人对超高速纺丝研究[2],纺丝速度超过5000m/min时制得的纤维的应力应变曲线已观察不到明显细颈现象,同时DSC曲线表明在这一速度范围内,低温结晶峰已消失,主要是由于在这一速度附近分子链取向诱导了大量结晶,大部分取向程度高、排列规整的取向态转为结晶态,非晶区取向随之下降。因此结合卷绕头实际工况,将低缩丝的加工速度定于5000m/min左右。不同纺速对纤维指标的影响见表7所示。从表7可以看出,纺丝速度从4250m/min提至5250m/min,沸水收缩率逐渐降低,但从4750m/min开始,沸水收缩率降幅逐渐减小,结晶度随纺速提高逐渐增加,纺速提至4750m/min以上后,其增幅也逐渐放缓,随着纺丝速度进一步提升,沸水收缩率将继续降低而结晶度也将进一步上升。根据文献记载[3],纺丝速度在7000m/min时,沸水收缩率将降至2%。另外随着纺丝速度的增加,喷丝头拉伸比和纺程张力进一步增加,单丝断裂现象逐渐增多,结合沸水收缩率等指标综合考虑,最终将纺丝速度定为4750m/min。在此速度范围内纤维已经具有了一定的结晶度且取向较高,虽然断裂伸长较DTY和FDY高,但已完全满足织造要求。经客户试用,完全满足其使用需求。

2.6纺丝上油自喷丝孔吐出的丝条含水率低,运行速度快,致使纤维间的抱合力差,影响纺丝和卷绕的顺利进行。为此,丝条在冷却成形后,需要进行集束上油,以增加纤维的抱合力,改善丝条与金属之间的润滑性和抗静电性。低缩丝产品由于纺速高,张力大,摩擦也大,因此整个丝道上所有与丝条接触的瓷件均采用低摩擦系数的犁地瓷件,减少了丝条的磨损。

3工艺参数设定

根据上述讨论和试验,250dtex/48f产品的主要工艺参数设定。4结论a)喷丝板的孔径对喷丝头拉伸比和喷丝孔内剪切速率有直接影响,综合试验结果,喷丝微孔L/d为0.30mm×0.6mm的喷丝板适合该产品的生产;b)冷却条件在低缩丝生产中作用较大,直接决定了纤维结构的构成和纺丝稳定性,保温插板和风筒自吸风冷却装置的使用对抑制纤维皮芯层结构和纺丝稳定性作用明显;c)在保证熔体流变性能的前提下,纺丝温度不易过高,综合试验结果,最终纺丝温度选定在287~289℃;d)纺丝速度在4750m/min左右时,纤维已具有一定的取向和结晶度,沸水收缩率也大幅度下降至4.1%,运行和染色性能良好。因此最终低缩产品的纺丝速度根据单丝纤度不同可选择在4750~5250m/min。

作者:时文单位:中国石化仪征化纤股份有限公司长丝加弹中心

 

  发布时间:2013/6/16 10:32:58  阅读人次