熔体直纺222 dtex_72 f扁平涤纶拉伸丝的生产工艺优化.pdf

实践与经验合成纤维工业,2023,46(2):79CHINA SYNTHETIC FIBER INDUSTRY 收稿日期:2022-07-23;修改稿收到日期:2023-02-24。作者简介:陈蕾(1987),女,硕士研究生,主要从事聚酯生产技术及管理工作。E-mail:lr 。通信联系人。E-mail:wangchunyan3 。熔体直纺 222 dtex/72 f 扁平涤纶拉伸丝的生产工艺优化陈 蕾1,王春燕2,邱中南2,陆建伟2(1.桐昆集团股份有限公司,浙江 桐乡 314500;2.桐昆集团浙江恒通化纤有限公司,浙江 桐乡 314500)摘 要:采用熔体直纺工艺路线生产 222 dtex/72 f 扁平涤纶拉伸丝,针对生产过程中容易产生毛丝、断头等现象,重点对所用喷丝板、纺丝温度、冷却条件、拉伸工艺和上油工艺等进行了优化。结果表明:选择扁平孔喷丝板微孔长宽比 101、组件初始压力(17.00.5)MPa,生产稳定性较好;在纺丝温度 288、冷却风速0.80 m/s、无风区高度 65 mm、集束位置 1 200 mm、拉伸倍数 2.60、第一热辊温度 92、第二热辊温度 132、油剂质量分数 20%、纤维含油率 1.00%、主网络气压 0.35 MPa、油嘴与导丝钩间距为 20 cm 的工艺条件下,生产 222 dtex/72 f 扁平涤纶拉伸丝过程中毛丝和断头显著减少,满卷率达 98.0%以上,且产品各项质量指标符合 FZ/T 540392018异形涤纶牵伸丝规定的优等品要求,纤维断裂强度为 3.80 cN/dtex,断裂伸长率为 27.5%,扁平度为 4.0。关键词:聚对苯二甲酸乙二酯纤维 拉伸丝 扁平异形纤维 熔体直纺 生产工艺 优化中图分类号:TQ342+.21 文献标识码:B 文章编号:1001-0041(2023)02-0079-05 涤纶长丝是合成纤维中产量最大、用途最广的品种,主要用于家纺、服装和产业用等领域。近年来,随着涤纶长丝产量的增加,长丝品种也逐步增加,主要分为常规、细旦、差别化、柔性化、高性能等系列产品。其中,差别化、柔性化产品主要通过物理改性和化学改性对纤维的性能进行改善,而物理改性主要是通过纤维截面异形化,即采用扁平、三叶、三角、中空、十字、王字等异形喷丝孔的喷丝板纺制异形纤维1。扁平纤维是最常见的一种异形纤维,是通过物理改性即聚酯熔体经“一”字长方形喷丝孔纺制而成。该方法不需要添加化学助剂,在保留涤纶优良性能的基础上,又具有独特的闪光性、抗弯刚度、耐污性和手感舒适性等性能2,其后道加工产品主要为珊瑚绒、桃皮绒等绒类服装及家纺面料,具有非常广阔的市场前景3。基于此,桐昆集团在以 300 kt/a“一头两尾”四釜聚合装置(“一头两尾”即第一酯化反应釜和第二酯化反应釜分别为一套设备,但从第二酯化釜反应系统出料开始分两条线路,并联差别生产涤纶长丝4)生产细旦圆孔涤纶拉伸丝为主的基础上进行了 222 dtex/72 f 扁平涤纶拉伸丝的试生产。因该品种为异形截面,其比表面积大,在纺丝时受多种因素的影响5,容易出现冷却不匀、丝束张力不匀等问题,生产过程中容易产生毛丝、断头、松圈丝、飘丝和产品性能不均匀等问题。为此,作者通过从喷丝板设计、纺丝工艺和卷绕工艺等方面对生产工艺进行了优化,生产出性能优良的 222 dtex/72 f 扁平涤纶拉伸丝。1 试验1.1 原料聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)半消光熔体:特性黏数为(0.6550.010)dL/g,端羧基含量为(38.03.0)mol/t,二甘醇质量分数为(1.320.05)%,桐昆集团浙江恒通化纤有限公司生产。1.2 主要设备及仪器300 kt/a“一头两尾”四釜聚合装置:上海聚友化工有限公司制;侧吹冷却设备及 TMT 高速卷绕机:日本 TMT 机械株式会社制;YG023B-型全自动单纱强力机:常州八方力士纺织仪器有限公司制;MQC23-10 型核磁共振含油率分析仪:英国牛津公司制;YG368 型全自动长丝卷缩率测试仪:常州八方力士纺织仪器有限公司制;RAPID 600V 型全自动网络仪:奥地利兰精仪器公司制;FJQ-1 纤维显微图像检测仪:杭州方检科技有限公司制。1.3 扁平涤纶拉伸丝生产工艺以精对苯二甲酸(PTA)和乙二醇(EG)在催化剂 的 作 用 下,经 酯 化、缩 聚 生 成 特 性 黏 数(0.6550.010)dL/g 的 PET 半消光熔体,通过“一”字长方形喷丝孔的喷丝板熔融挤出、冷却成形、上油和卷绕工艺,生产得到 222 dtex/72 f 扁平涤纶拉伸丝,生产工艺流程见图 1。酯化PTAEG缩聚熔体输送纺丝箱体冷却成形油嘴上油预网络加热拉伸卷绕FDY图 1 扁平涤纶拉伸丝生产工艺流程Fig.1 Production process of flat polyester drawn yarn1.4 分析与测试力学性能:依据 GB/T 143442022化学纤维 长丝拉伸性能试验方法进行测试。将测试试样在温度(202)和相对湿度(655)%环境下调湿 4 h 后,用全自动单纱强力机拉伸试样。夹持长度 500 mm,预张力 0.05 cN/dtex,试验速度500 mm/min。通过数据处理得到试样的断裂强度和断裂伸长率。含油率:称取约 2 g 试样,依据 GB/T 65042017化学纤维 含油率试验方法,采用 MQC23-10 型核磁共振含油率分析仪进行测试。沸水收缩率:依据 GB/T 65052017化学纤维 长丝热收缩率试验方法(处理后),采用绞丝法测试。在规定测试条件下,用沸水处理试样,测量处理前、后试样长度的变化,计算其对原丝长度的百分比,从而得到沸水收缩率。网络度:依据 FZ/T 500012016合成纤维 长丝网络度试验方法测试,试样通过预张力系统调节至合适张力,将分丝针在规定长度的丝条中缓慢移动,当网络节点撞击到分丝针,针停止移动,计算为网络结数。扁平度:通过显微镜放大纤维的横截面,通过测量其长度和宽度,计算出纤维的扁平度。2 结果与讨论2.1 喷丝板及组件的设计222 dtex/72 f 扁平涤纶拉伸丝生产采用 72孔喷丝板,其喷丝孔截面为“一”字长方形,将长方形的四个直角棱角面改为圆弧状,以减少因直角产生的熔体滞留。通过“一”字形截面大大增加了丝的比表面积,从而实现了产品的差异化性能6。喷丝板微孔的长宽比和排列方式等对可纺性、纤维质量、纤维扁平度至关重要。目前,扁平喷丝孔常见的长宽比为(812)1,当长宽比过小时,纤维截面形状接近为圆形,扁平度较小;长宽比越大,纤维的扁平度越大,其织物的光泽度好、蓬松性及毛感强。但是随着喷丝孔长宽比的增加,丝束的可纺性变差,容易产生单丝断裂、毛丝、断头和染色不良等问题7。综合考虑选择扁平孔喷丝板微孔的长宽比为 101。同时,因采用侧吹风设备对丝束进行冷却,对板径为 105 mm 的喷丝板的喷丝孔采用同心圆形中心辐射排列方式,并且为保证每根单丝冷却效果均匀一致,则尽可能增加孔与孔之间的间距。另外,异形截面的熔体出口胀大效应严重,而影响孔口膨化效果的原因之一是微孔长径比,当微孔直径相同时,微孔深度(长度)越大,孔口膨化程度越低。但由于异形喷丝板微孔加工难度、加工成本相对圆孔大大增加,导致其相对微孔深度降低,造成了膨化程度增加。因此,通过调整金属砂配比提高组件的内压力,改善熔体的流变性能及孔与孔之间出料均匀性8,经综合考虑生产稳定性和组件更换周期,设定组件初始压力(17.00.5)MPa 为宜。2.2 纺丝温度纺丝温度对异形纤维的异形度、可纺性有着重要影响。一般情况下,“一”字形扁平纤维适宜稍低的纺丝温度,这是由于当纺丝温度升高时,初生纤维的凝固点下移,纺丝冷却时间和丝的变形时间增加,导致纤维截面更易向圆形截面方向变化6;同时,由于“一”字形扁平纤维的比表面积大,在喷丝孔附近的热降解程度大于常规圆孔纤维,当纺丝温度提高时,更会加剧初生纤维的热降解,不但造成喷丝板周围单体凝聚,缩短纺丝铲板周期8,而且生产时也容易产生断头、飘丝等问题。但当纺丝温度降低时,熔体黏度高,流动不畅阻力大,也易出现熔体破裂现象,生产表现为纺丝时产生注头丝、断头、飘丝等4。从表 1 可知:随着纺丝温度的增加,断头次数逐渐减少,但当纺丝温度超过 288 后,断头次数会有略微增加;而随着纺丝温度的增加,纤维的扁平度呈现缓慢递减的趋势。因此,在保证生产稳定性的前提下兼顾扁平度,纺丝温度控制在 288 较适宜。08 合 成 纤 维 工 业 2023 年第 46 卷表 1 纺丝温度对生产稳定性和纤维扁平度的影响Tab.1 Effect of spinning temperature on productionstability and fiber flatness纺丝温度/断头/次扁平度2858.124.62873.584.32882.674.02892.903.82913.753.7 注:断头次数以 18 纺位、24 h 计。2.3 冷却条件冷却成形条件是影响纤维扁平度和物理性能的关键工艺参数,冷却速度越快,纤维扁平度越高。222 dtex/72 f 扁平涤纶拉伸丝的单丝线密度高达 3.08 dtex,比较适合侧吹风冷却。影响侧吹冷却的条件主要有侧吹风速度、侧吹风温度、无风区高度、集束位置。当提高侧吹风速度、降低无风区高度、降低侧吹风温度时,即加快纤维冷却速度,所得纤维扁平度较高,但极易导致纤维出现皮芯层结构,使得纤维在后拉伸过程中出现毛丝、断头、染色不良等问题;当侧吹风速度过低、无风区高度及侧吹风温度过高时,会降低纤维扁平度,且会加剧丝束晃动,造成纤维物理指标不匀。由于侧吹风温度是整条生产线统一设置为 22,且侧吹风速度、无风区高度、集束位置三个因素对生产稳定性及产品性能有交互作用,故选用 3 因素 4水平正交试验,进行 16 次试验,试验结果见表 2。表 2 冷却条件对生产稳定性及产品性能的影响Tab.2 Effect of cooling conditions on production stability and product performance序号侧吹风速度/(ms-1)无风区高度/mm集束位置/mm毛丝/只断裂伸长率变异系数/%扁平度10.70501 000176.914.620.70551 100155.824.530.70601 200155.594.140.70651 300135.303.950.75501 10094.924.560.75551 000116.374.570.75601 30053.814.280.75651 20033.153.890.80501 100128.204.7100.80551 30076.364.7110.80601 00085.844.6120.80651 20001.394.2130.85501 30066.784.5140.85551 20044.924.4150.85601 10076.014.2160.85651 000107.244.0 注:毛丝数量以 18 纺位、24 h 计。从表 2 可知,在侧吹风速度 0.80 m/s、无风区高度为 65 mm、集束位置 1 200 mm 时,纤维扁平度为 4.2,纤维外观无毛丝,且断裂伸长率变异系数为 1.39%,产品质量好。同时,为减少野风对无风区丝束的影响,在喷丝板下方和无风区底部加装了专用隔板,其隔板厚度与无风区高度一致,可降低纤维的断裂伸长率变异系数。2.4 拉伸工艺拉伸工艺主要是指第一热辊(GR1)、第二热辊(GR2)的温度和拉伸倍数。其中,拉伸倍数主要影响纤维内部分子取向及分子结构,在一定范围内,拉伸倍数越大,分子取向程度越高,纤维的断裂强度也就越高9;但是,异形纤维在拉伸过程中容易因拉伸倍数较大而产生单丝断裂,从而产生毛丝、断头等。为此,根据生产经验,生产222 dtex/72 f 扁平涤纶拉伸丝时将拉伸倍数设定为 2.152.80 进行试验。从图 2 可知,随着拉伸倍数从 2.15