超高速纺丝工艺及技术分析1.pdf

第 1 期(2 0 0 2)盘山油化纤 超高速纺丝工艺及技术分析 严国良虞建冲(合成纤维国家工程研究 中心，上海，2 0 0 5 4 0)介绍超高建纺丝(H O Y)的技术特点 H 0 Y纺丝速度超过 6 0 0 0 m m i n 对纺墼设备、工艺蔬程有较高的要求一由于 H O Y成形机理的特殊性，生产的纤维在伸长、强度，韧始横量和沸水收缩辜等物性指标方面与常规 F D Y有较走差异，幽此 后加工方面应根据纤维特点，扬长避短，开发出风格迥异的 H O Y 织物。关键词：涤纶H 0 Y 工艺 1 高速纺丝发展动态 2 超高速纺丝的技术特点 以涤纶 和尼龙 为中心的合成纤维 产业在近 3 0年中有了很大 的发展，特别是纺丝技术，经历 了从低速、中速、高速到超高速，从 U D Y到 P 0 Y、F D Y、H0 Y，从切片纺到直接纺发展。随着高速及 超高速卷绕机在工业生产中应用，一步法纺丝由 于投资少、效率高、产品质量优、经济效益明显等 特点而得到了纤维生产厂 的青睐，发展迅速。目 前民用丝生产中，一步法纺丝工艺主要有热拉伸 辊拉伸工艺(V D Y)、热管拉 伸工艺(F OY)和超高 速纺丝直接拉伸工艺(H 0 Y)。由于三种工艺成形机理上 的差别，加工条件、产品性能方面差距较大。尤其是 H O Y产品，纺丝 速度超过 6 0 0 0 ra m i n后，纤维的微细结构发生 了根本性变化，纤维性能完全迥然(见表 1)。表 1 一步法工艺生产的涤纶性能比较 热辊浩(F D Y)热营法(F 0 Y)超高速(H o Y 纺丝速度 m-rai n 适纺纤度 d t e x 单丝纤度d t e x 强度 e N d t e x 伸 长，条干、沸水收缩率，初始模量 e Y d t e x 染色性 染色均匀性 4 8 0 35D0 4 5 0 35 5 00 6 0 0 07D0 3 3 2 2 2 3 31 6 7 4 4 l 0 0 n 8 9 6 6 7 O 5 63 3 3 1 一3 3 3 4 14 4 4 04 2 3 43 6 2 53 5 3 0 -3 5 3 540 0 70 _ 9 n 5 0 7 0 40 6 7 5 9 5 5 0 6 0 02 5 9 0 1 0 0 6 0 7 0 5 06 0 正常 较好 易染 好 好 优 2 1 H0Y工艺特点 2 1，1 物，指标 变化 随着纺丝速度提高，纤维 的物性指标 出现 明 显变化，在 4 5 0 0 m m i n附近纤维密度急剧增大，出现了取向结晶化现象，沸水收缩率急居 下降，纺 出的纤维强度随速度的增加而增加，伸度则下降。2 1 2 产生细颈(断面收缩)现 象 细颈状变形是在速度 达到一定值 以上发生 的，涤纶大约在 4 0 0 0 I m i n以上发生，细颈点以 后，纤维直径不再细化，与最终纤维直径相等 速 度越高，颈缩产生点离喷丝板越近。2，1 3 皮芯 结构 对于聚对 苯二 甲酸 乙二 醇酯(P E T)纤 维来 说，在 7 o o o r v mi n时，从纤维断面上可看见明显 的皮芯结构。皮层的双折射较高，芯层的很低。速度为 1 0 0 0 0 m m i n时，芯层双折射率(A n)约 为 0，0 6，即停止在 P 0 Y的取 向水平上，皮层 自身 的双折射直到速度达到 8 0 0 0 re ra i n，仍是增加 的，A n 上升到约 0 1 3，但超过该速度后，A n又减 小到 0 1以下 收稿 日期：2 0 3 1 1 11 0。作者 简舟：严 国良，男，1 9 6 5年 1 1月 出生，1 9 8 6年 7月毕业 于华南理工大学化学纤堆专业，高级工程师，主要腹事化纤 新产品开发和管理工作，发表论 文6篇 维普资讯 http:/ 金山油化纤 第2 J 卷 2 1 4 超 高速纺纤维特点 超高速纺纤维与过去的拉伸丝相 比存在以下 特征：1)强度偏低；2)伸度偏高，拉伸负荷曲线存在着一次屈服 点，因此纤维较柔软；3)结晶区取向充分，但非晶区取向很低，因 而染色性 比 F D Y优异；4)密度大而熔点高，沸水收缩率也低，这是 由于结晶区增大使结构稳定所致；5)广角 x衍射图象清晰，结晶区与非晶区的 区分很明确 2 2 HOY对原料及工艺设备要求 目前，国外许多公 司(如 巴马格、纽马格、吉 玛、东丽、帝人等)能够提供全套 H O Y生产线。与普通的 P O Y、F D Y生产线相比，在熔体的制备、冷却成形、工艺流程等方面都作了一定改进 2 2 1 熔体 制备 为了满足超高速纺丝要求，制备高质量熔体 是成功的关键，这就要求使用高质量的聚合物；采 用全 自动的切片结晶和干燥系统，使切片含水率 2 0 1 0 一；熔体管理系统设计最佳化，无任何死 角，尽量缩短熔体在管路中的总停留时间，使用静 态混合器；使用过滤精度为 l O tx m的中央过滤器 对熔体进行预过滤，在喷丝组件中对熔体作进一 步精密过滤。德国巴马格公 司(B a r ma g)紧凑型超高速 纺 丝机的设计充分满足 了上述要求。巴马格在 H O Y生产线上采用 了 E l 0系列挤压机，这种型号 的挤压机带有超温冷却系统，使得切片在较低的 熔化温 度 下 温 和 而均 匀地 熔 融。纺丝 头 采 用 S P S O系列。纺丝系统采用模块化设计方法，将纺 丝泵、具有相同长度及较大弯曲半径的熔体管道 和白密封下装式纺丝组件结合在一起，周围充满 联苯蒸汽以获得极高的热传递效率，保证了熔体 流经受相同的压 力降以及相同的处理温度，保证 对每一纺丝组件提供同样高质量的聚合物 2 2 2 冷 却 系统 在高速熔融纺丝中，一般都采用侧吹风。由 于冷却不对称，容易造成丝束内外层冷却不均匀。对于超高速纺丝而言，这个问题尤为突出。1 9 9 5 年阿克苏诺贝尔公司开发出了一种全新的冷却装 置，用于装备他们 的新 型超高速纺丝机，使纺丝速 度达到 6 0 0 0 8 0 0 0 m ra i n。其冷却方法是利用 运行丝束 自 抽吸空气进行冷却：将一多孔管用适 当的密封方式固定在热箱或纺丝组件上，当丝条 从喷丝板出来，在向卷绕方向运动过程中同时冷 却。其原理是利用丝束在运动过程中要带走大量 空气，作为补充，周围空气将 向丝束方 向流动。通 过适当设计 的多孔冷却管，使丝束运 动方 向上空 气的供给是柔和而 自调 的，因而丝束 冷却十分均 匀 由于减少 了侧吹应力，使丝束应力减少，有利 于增加 纺速及 减少 设备高度。从表 2数 据可看 出，超高速纺丝法 所纺 的丝的均匀性 明显优于常 规 F D Y。表 2 两种全拉伸丝的产 品性能 比较 2 2 3丝 路 在超高速纺丝时，使用有导丝盘 的卷绕装置 在生头和纺丝安全性等方面存在着一些 问题，所 以巴马格、吉玛等公 司开发出了无导丝盘操 作技 术，为降低卷绕张力必须使用紧凑而结构高度较 低的纺丝机。巴马格、吉玛等公司根据直排式原 理，使喷丝板与卷绕机相距仅2 m，纺丝箱体和卷 绕头可装在同一层楼板上。纺丝箱体、骤冷系统、上油装置、网络装置、吸丝装置和卷绕头以水平方 向平行排列，丝路上纤维无 需转折、接触磨擦小 因此生产出的纤维质量均匀。但帝人公司 H O Y 中仍采用导丝盘来调节卷绕张力，使纤维成形达 到最佳状态。2 2 4卷 绕装置 过去，长丝卷绕装置都采用沟槽式导丝机构，导丝采用兔子头形式，如巴马格 S W 系列，纺制的 P O Y、F D Y卷绕成形十分良好。然而随着卷绕速 度进一步提高，导丝器往复频率大幅度增加，使丝 维普资讯 http:/ 第 1 期(2 0 0 2)严国良等 超高速纺丝工艺及技术分析 条卷绕张力增大，这种导丝器由陶瓷或其它耐磨 材料制成，易损坏，维修费用大。因此世界上各大 化纤机械厂纷纷采用多叶片拨叉式横动机构来代 替原先沟槽式导丝机构 采用这种导丝装置，在 相同的纺速下往复频率大幅度下降，大大减少了 维修费，也降低了噪音。从近年在来北京、上海等 地举办的国际纺织 机械展览会 看，国外各家公 司卷绕机都采用定轴式全自动换筒卷绕头，导丝 系统取消了兔子头，采用了多叶片拨叉式横动机 构。因采用了这种机构，许多公司卷绕机机械速度 达到 8 0 0 0 m m i n，实际运转速度为 7 0 0 0 m ra i n，如巴马格 c w、C W8型，日本 东丽 公司 T W5 0 1、T W5 0 3，瑞士立达公司的 A 6系列等。超高速纺丝牛产线的设计方案如图 1所示 选择方章 I 切片纺 选择方睾 2：直接纺 e R 仓 V 囱 l 三三；三三；三 幸 串申 静 态 褐 台 切 片 薷冒 嚷八 j j f I j；：控 制 板 =。图 l 超高速纺丝生产线 设计 方案 3 超高速纺丝法的经济效益评价 超高速纺丝结构简单，工艺流程短，与引进同 价位 F D Y生产线 比较，H O Y设 备总价可 降低 1 0，而H O Y产量 比 普通 F D Y高3 5 左右，因此 实际吨纤维投资额比F D Y降低3 3 左右，再加上 H O Y可布置在同一楼层，节省了厂房及公用工程 投入，整个项目投资费用可更低。根据墨西哥半工业化的 p r e s t o v X V I装置试验 结果，对 H O Y、P O Y+l y r、F D Y(热辊法)经济效益 进行 了测算(见图 2)。生 产费用包括设备折 旧 (资产成本利率 以 1 0 计)以及劳力、能耗、厂房 和其它辅助消耗和周转资金。以P O Y两步法费 用为 1 0 0 比较，F D Y费用为 P O Y两步法 9 5，而 H O Y费用比 F D Y叉约低 1 5，在经济效益上 比普通 F D Y、P O Y+D T有明显的优势。德国吉玛 公司在完成该工艺过程最优化之后，已成功设计 出数个大规模的生产装置。0。，。：4 超高速纺纤维在纺织加工中的应用 罩 l i 串 图 2 三种不同方法生产 玎)Y经济性 比较 超高速纺丝由于成形机理与通常的拉伸丝、F D Y不一样，因此其纤 维 与常规 拉伸丝 差异 较 大，利用这些特异的性能可开发 出许 多风格特殊 的织物。1)日本旭化 成公 司采 用超高速纺丝生产 涤 纶 lt o Y(商标名为T E C)，已在商业开发上取得很 大成功。T E C的可染温度 比普通 P E T纤维宽，特 别是在低于 1 0 0 的温度下，普通 P E T纤维是染 不了色的。用 T E C织造 的浅色和 中等色泽 的织 国 蚌 丽 ：雌 维普资讯 http:/ 金山油化纤 第 2 1 卷 物十分美丽。T E C的易染性使得它可以和其它织 物材料(如真丝、毛、棉、氨纶等)混合染色，而这 一点 对普 通 P E T长丝 来 说是 不可 能 的。另 外 T E C的收缩 率、强度、模 量(见表 3)比普 通 P E T 纤维或尼龙低得多，T E C的这些特点在纺织染整 生产过程中会产生很好的抽褶和优 良的起绒性，可以消除普通纱织物的硬板性缺陷。2)墨西哥 p r e s t o v X V I 装置上生产 HO Y，只要 表 3 T E C与普通 P E T纱 的韧理性能 比较 在加工中考虑这类纤维模量稍低、网络数较少、沸 水收缩率和热空气收缩较低等因素，其他加工条 件可 以与普通 F D Y一样。纤 维在 R P大园机、R L 针织机、经编机以及窄幅、宽幅喷水、喷气、箭杆织 机上都能顺利织造，所有的染色试验结果都较好，未出现 色花 现象。染色 工艺 最佳 化后，可节 省 5 0 染剂，也可以进行低温无载体染色 3)帝人公 司生产 H O Y在汽车装饰材料 中，利用其伸长大等特点，生产需变形的车顶装饰材 料；利用其染色性能好，与普通 F D Y、D T Y并股生 产复合纱及装饰布等。4)我 国山东万杰化纤厂从巴马格引进有 2 0 个纺位 的超高速纺丝生产线生产 HO Y，已被吴 江 新联、新生丝织厂用于生产仿真丝 面料。目前该 厂的纤维按照普通 F D Y价格销售。1 9 9 6年运行 至今，产品一直畅销。表4 由增加 S L H而纺制的HOY物性改良情况 5)超高速纺制的纤维强度低，不适合在产业 领域使用，另外在织造及设计织物时也必须充分 考虑其模量低、沸水收缩率低等因素。为了改变 H O Y丝强度低、伸长大缺点，帝人 公司在超高速 纺丝线上增加了热板、热辊或加压蒸汽箱的组合 体(S p i n l l n e h e a r t i n g 简称 S L H)强度和伸长有明 显的改观(见表 4)。5 结论 a 超高速纺丝由于纺丝张力高、熔体质量要 求高，对加工设备、工艺流程等方面有特殊要求。b 超高速 纺丝 由于产量大、投资成本低、生 产成本低，与常规生产方式相 比经济效益显著。C 超高速纺丝 由于与常规纤维 成形机理上 的差异，制得的纤维具有染色性能好、模量低、沸 水收缩率低、强度低、伸长大的特点，在后加工织 造时应充分考虑这几个方面的因素。d HO Y技术无论从经 济还是产品应用上来 说，都具有较强的市场竞争能力。上 海石化作为 国内大型化纤生产企业，应关注世界化纤技术发 展动态，加紧如超高速纺丝这类先进技术开发，形 成具有上海石化特色的成套技术。参考文献略 An a l y s i s o n p r o c e s s a nd t e c h no l o g y o f hi g h o r i e nt e d y a r n Ya n Gu o l i a n g Y ua n c h o n g (N a t i o n a l S y n t h e t i c F i b e r E n g i n e e r i n g R e s e a r c h C e n t e r，S h a ngh a i，2 0 0 5 4 0)Ab s t r a c t T h i s p a p e r i n t r o d u c e s t e c h n o l o g i c a l f e a t u r e s o f h i g h o ri e n t e d y a r n(H O Y)，w h o s e s p e e d e x c e e d s 6 O I3 0 m rai n，a n d t h e r e f o r e h a s s t ric t r e q u l r e me n t s f o r s g e q u i p me n t an d p r o c e s s D u e t o t h e p a r i c u l a r l t i e s o f HOY，t h e fi b e r s p r o d u c e d h a v e a g r e a t d i ff e r e n c e i n p h y s i c a l p r o p e r ti e s s u c h a s e l o n g a t i o n，s t r e n g t h，i n i t i a l mo d u l u s a n d b o i l i n gwa t e r c o n t r a c t i b i l i t y r a t e，c o mp a r e d t o c o n v e n t i o n a l F D YS o，d u ri n g p o s t p r o c e s s i n g，v a r i o u s HO Y w o v e n s w i t h d i ff e r e n t s t y fo ma y be d e v e l o p e d，t a k i n g t h e p r o p e r t i e s o f fi b e r i n t o c o n s i d e rat i o n Ke y wo r d s：p o l y e s t e r fib e r，HOY，p r o c e s s 维普资讯 http:/