射頻干燥對腈綸回潮率影響的研究

竺鋁濤 黃勝德 梅詩宇

(中國石化上海石油化工股份有限公司腈綸部， 200540)

技術進步

射頻干燥對腈綸回潮率影響的研究

竺鋁濤 黃勝德 梅詩宇

(中國石化上海石油化工股份有限公司腈綸部， 200540)

采用射頻干燥技術對腈綸干燥工藝進行了試驗，探討了射頻作用時間、電極電壓、絲束堆積密度和絲束含水率對腈綸纖維回潮率的影響，通過正交試驗研究了這些因素的影響程度。研究結果表明，射頻作用時間和電極電壓對回潮率影響最大，隨著作用時間的縮短，回潮率具有明顯的上升趨勢;隨著電極電壓的下降，在相同作用時間下，回潮率呈上升趨勢。

射頻 回潮率 腈綸 干燥

射頻(Radio Frequency，簡稱RF)是一種高頻交流電磁波。射頻能穿透到物料內部，引起物料內部帶電離子的振蕩遷移，將電能轉化為熱能，從而達到加熱的目的。射頻技術具有選擇性加熱、處理過程高效快速等特點，已被廣泛應用于食品加工、紡織品干燥及固色、塑料制品的焊接，醫藥行業的局部加熱治療、農產品焙后干燥、殺菌和蒸煮等領域［1－3］。

文章從射頻干燥的技術特點出發，探討射頻作用時間、電極電壓、堆積密度和絲束進口含水率的波動對腈綸纖維回潮率的影響，并通過正交試驗分析相關因素的影響程度。

1 試驗部分

1.1 試驗方法

以NaSCN二步法濕紡工藝為基礎，將射頻干燥作為腈綸生產的二次干燥工藝，對各種狀態的絲束進行射頻干燥試驗［4］。針對腈綸干燥工藝的特點和纖維質量要求，分析射頻干燥的可行性，探索回潮率的控制方法。

1.2 試驗設備及其技術參數

試驗采用RF型射頻低溫干燥機，該機主要技術參數如下:

工作頻率，25.49～28.75 MHz;

最大額定輸出功率，75 kW;

電子管冷卻方式，空氣冷卻;

射頻工作區長度，4 m;

鋪絲有效寬度，1.6 m;

輸送帶速度，1～80 m/h。

圖1為射頻干燥機的結構示意［5］。射頻干燥工藝流程，包括:含水絲束輸入－擺抖鋪絲－射頻干燥－裝箱。

圖1 射頻干燥機結構示意

2 結果與討論

回潮率的精確控制有利于提高產品質量和后工序的毛條加工，達到高效、節能的目的。根據前期試驗，將進口絲束含水率控制在8%。

2.1 射頻作用時間對回潮率的影響

射頻作用時間為腈綸絲束以一定速度通過射頻工作區所需的時間，在實際應用中，一般通過調整輸送帶速度來控制成品回潮率，因此需首先加以確定。

電極電壓是指射頻作用區上下電極板的電壓差，其大小可通過調整電極電感來實現。在6 450 V的電極電壓下，堆積密度為8.4 kg/m2、含水率為8%的絲束通過射頻工作區，回潮率隨作用時間的變化見圖2。

圖2 6 450V電極電壓下射頻作用時間與回潮率的關系

通過數據分析得知，回潮率隨著射頻作用時間增加，具有明顯的下降趨勢。6 250 V和6 050 V電極電壓條件下射頻作用時間與回潮率的關系見圖3。

圖3 6 250V和6 050V電極電壓下射頻作用時間與回潮率的關系

當電極電壓分別降到6 250V和6 050 V時，成品回潮率隨作用時間的變化趨勢與6 450 V條件下基本相似。在相同電壓條件下，當射頻作用時間在3～4 min時，回潮率隨著作用時間的增加，具有明顯的下降趨勢;而當作用時間大于4 min時，回潮率呈現相應的波動。

2.2 電極電壓對回潮率的影響

根據物料在射頻中的升溫速率，絲束的加熱速率與射頻的電場強度的平方成正比［6］。

分別選取68、58和52 m/h等3個輸送帶速度，得到不同輸送帶速度下回潮率隨電極電壓的變化趨勢(見圖4)。

圖4 不同輸送帶速度下電壓與回潮率的關系

由圖4可知，隨著電極電壓的上升，成品回潮率呈不同程度的下降趨勢，而且在相同電壓下，回潮率隨輸送帶速度的提高而上升，即隨著作用時間的減少而上升。

在6 050 V電極電壓下，將一段回潮率均勻的絲束分成2份，分別置于輸送帶中部和邊緣，并以最高速度通過射頻工作區，2段絲束的回潮率均為1.60%;當電極電壓降至5 650 V后，同樣的試驗，位于中部和邊緣絲束的回潮率分別為1.75%和2.21%，差異較大，說明電壓對極板邊緣雜散電場產生了一定作用，影響了絲束的回潮率［7－9］。

試驗中，在5 650 V和5 850 V電極電壓下，絲束在射頻工作區停留時間過短，射頻機出口兩側的絲束有時會出現比較明顯的間斷性回潮率不勻現象。多次試驗的結果表明，6 050 V的電極電壓能保證絲束順利通過，而且回潮率可控。

2.3 絲束堆積密度對回潮率的影響

在傳統的熱風循環干燥工藝中，絲束堆積密度、鋪絲狀態以及絲束結頭都會對成品回潮率的均勻性產生影響。為了考察射頻干燥中絲束堆積密度對回潮率的影響，試驗時，將輸送帶速度提高到最大值(80 m/h)，以減少熱風循環的影響。

在6 050 V電極電壓下不同堆積密度的絲束回潮率數據如表1所示。

表1 不同堆積密度下的回潮率

表1中回潮率數據呈隨機波動狀態，無明顯規律。考慮到機臺負荷因素，將進絲速度保持在140 m/min，降低輸送帶速度至68 m/h，使絲束堆積密度上升至9.9 kg/m2(已接近極板)，測得的回潮率為1.65%，絲束正常通過。

經分析得知，由于干燥的物料為腈綸絲束，且鋪絲時依靠其自重下落于輸送帶上，絲束間空隙較大［10－11］。隨著進絲速度的提高，進口絲束高度有一定增加，但是進入射頻干燥區之前均被門簾擠壓至同樣的高度，因此鋪絲密度變化不大，成品回潮率波動較小。

與常規干燥熱量由外到里擴散的方式不同，射頻干燥時水分是由物料內部擴散到表面，溫度梯度和濕度梯度方向一致，水氣易于排出，這使射頻機能在較短的時間內將堆積密度較大的絲束中的水氣吹離纖維表面。此外，射頻能量穿透深度大，對于具有較大厚度的卷裝紡織材料，亦可使干燥后產品內外含水率均勻。

鋪絲時分別留出1～2 m空檔，射頻干燥后空檔處絲束回潮率均在1.7%～1.8%之間。此外，通過射頻干燥后絲束結頭回潮率并不高于周邊絲束，說明射頻干燥對極端條件下的鋪絲狀態仍有一定的適應能力。

2.4 干燥機進口絲束含水率波動對回潮率穩定性的影響

由于射頻干燥機顯示的輸出功率與干燥機進口絲束含水率有比較直觀的對應關系，因此只要根據輸出功率變化適當調整輸送帶速度，就可以控制回潮率。當含水率總體超出設定功率時，射頻機電容下降，即射頻機輸出功率不再隨含水總量增加而繼續上升。為確保正常生產，試驗中采用局部高含水率(含水率為18.6%)的絲束進行射頻試驗，所得數據見表2。

試驗表明，當停留時間大于4 min時，小段高含水率絲束能被正常干燥;但當射頻作用時間小于4 min時，回潮率開始波動，其波動效應在作用時間小于3.5 min時顯得特別明顯，如表2所示，回潮率從2.67%波動到4.02%。由于射頻干燥具有含水率自平衡效應［1］，射頻能量會集中在局部含水率較大的部分，從而確保加熱過程中物料含水率均勻，而如果作用時間過短，就會導致濕絲的水氣來不及外排而仍停留在絲束表面。

表2 高含水率絲束射頻干燥試驗結果(6 050 V)

6 050 V電極電壓下干燥機進口絲束含水率波動對回潮率的影響見表3。

表3 含水率不同的絲束射頻干燥試驗結果

正常試驗中，當含水率控制在10%以下時，射頻試驗后絲束的回潮率比較均勻;而當絲束含水率超過10%時，如射頻作用時間控制在4 min以上，其含水率波動對回潮率影響不大;但當作用時間只有3 min時，回潮率波動效應明顯。

3 各因素對回潮率的影響程度

為了更好地對數據進行分析，驗證前期試驗中得出的結論，特引入正交試驗分析法確定各因素對絲束回潮率的影響程度。

根據前期試驗，從射頻干燥試驗工藝參數中篩選出3個因素(電壓、堆積密度和作用時間)進行比較，每個因素各取3水平。因素水平表見表4。

表4 回潮率影響因素水平

選用L9(34)正交表，進行正交試驗，并采用直觀分析法來分析各個因素對回潮率的影響，極差大的因素是主要因素。試驗得出電壓的極差數值為 0.241，堆積密度為 0.089，作用時間為0.288，由此得到各因素的主次順序為:作用時間＞電壓＞堆積密度，可見作用時間和電壓對腈綸纖維的回潮率影響最大，這與前期試驗得出的結論相一致。

4 結論

(1)在電極電壓相同的條件下，回潮率隨著射頻作用時間減小而呈明顯上升趨勢。

(2)在作用時間相同的條件下，回潮率隨著電極電壓的下降而呈上升趨勢。

(3)絲束堆積密度對回潮率影響不大，射頻干燥機對極端條件下的鋪絲狀態仍有一定的適應能力。

(4)根據射頻干燥機輸出功率變化相應調整輸送帶速度就可以控制回潮率，一般的含水率波動對回潮率影響不大。

(5)正交分析試驗表明，作用時間和電壓對腈綸纖維的回潮率影響最大。

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Study on Effects of Radio Frequency Drying on Moisture Regain in Acrylic Fiber Production

Zhu Lütao，Huang Desheng，Mei Shiyu
(Acrylic Fiber Division，SINOEPC Shanghai Petrochemical Co．，Ltd．200540)

The presented research employed radio frequency drying technology for the drying process of acrylic fibers manufacture．The acting time，electrode voltage，packing density，imported water content fluctuations and other related factors were discussed to analyze their effects on the moisture regain of acrylic fibers．The obtained results showed that the acting time and electrode voltage were the most important affecting factors for the moisture regain of acrylic fibers．With the decrease of action time，the moisture regain had an obvious upward trend．In the same acting time，the moisture regain rose with the decline of electrode voltage．

radio frequency;moisture regain;acrylic fibers;drying

1674－1099 (2012)04－0019－04

TQ342+.31

A

2012-05-24。

竺鋁濤，男，1983年2月出生，2011年畢業于東華大學紡織材料與紡織品設計專業，博士，主要研究方向為復合材料沖擊動力學。