滌綸工業(yè)絲熔體直紡生產(chǎn)技術(shù)的研發(fā)

陳文興，馬建平，，王建輝，胡智暄，高 琳

(1.浙江理工大學(xué)紡織纖維材料與加工技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州310018;2.浙江古纖道新材料股份有限公司，浙江紹興312071)

國(guó)內(nèi)滌綸工業(yè)絲生產(chǎn)能力高速擴(kuò)張，2011年，我國(guó)滌綸工業(yè)絲的生產(chǎn)能力達(dá)到1 363 kt/a，滌綸工業(yè)絲行業(yè)也進(jìn)入了新的發(fā)展階段。由于熔體直紡工藝流程短，生產(chǎn)能耗和運(yùn)行成本低，因此熔體直紡已經(jīng)成為滌綸民用絲主要的生產(chǎn)方式。國(guó)內(nèi)外對(duì)聚酯熔體液相增黏和直紡滌綸工業(yè)絲生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行了研究開(kāi)發(fā)［1－3］，但規(guī)模化生產(chǎn)存在以下技術(shù)瓶頸:熔體增黏長(zhǎng)周期運(yùn)行;高黏熔體的輸送技術(shù);開(kāi)發(fā)大容量、多頭重旦紡絲集成技術(shù)。作者在前期10 kt/a滌綸工業(yè)絲液相增黏技術(shù)工程化研究的基礎(chǔ)上［4］，自主開(kāi)發(fā)了200 kt/a熔體直紡滌綸工業(yè)絲生產(chǎn)技術(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料和設(shè)備

精對(duì)苯二甲酸(PTA):工業(yè)級(jí)，韓國(guó)三星公司產(chǎn);乙二醇(EG):工業(yè)級(jí)，沙特基礎(chǔ)工業(yè)公司產(chǎn);乙二醇銻:優(yōu)級(jí)純，江西二源公司產(chǎn)。

聚合設(shè)備:生產(chǎn)能力200 kt/a，五釜流程連續(xù)聚酯裝置，揚(yáng)州惠通化工有限公司制;液相增黏反應(yīng)器:自制;紡絲設(shè)備:德國(guó)Barmag公司制。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用PTA與EG直接酯化縮聚工藝制備聚酯熔體，選擇生產(chǎn)能力為700 t/d五釜流程連續(xù)聚合裝置，該裝置配置多臺(tái)液相增黏反應(yīng)器，每臺(tái)液相增黏釜下接2個(gè)或4個(gè)紡絲系統(tǒng)，集約化的多頭紡絲技術(shù)設(shè)計(jì)，雙卷繞機(jī)配置等。

滌綸工業(yè)絲熔體直紡工藝流程見(jiàn)圖1，其工藝參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 滌綸工業(yè)絲熔體直紡生產(chǎn)工藝流程Fig.1 Flow chart of melt direct spinning process of polyester industrial yarn

表1 滌綸工業(yè)絲熔體直紡工藝參數(shù)Tab.1 Melt direct spinning parameters of polyester industrial yarn

1.3 分析測(cè)試

特性黏數(shù)(［η］):采用德國(guó)Lauda公司PV-36黏度測(cè)定儀測(cè)試，溶劑為質(zhì)量比1∶1的苯酚與四氯乙烷，溫度25℃。

熔體色度:采用美國(guó)HunterLab色度儀，烘干法測(cè)試。

熔點(diǎn):采用Mettler FP 900熱分析系統(tǒng)測(cè)試。

端羧基含量:采用自動(dòng)電位滴定儀測(cè)試。

二甘醇(DEG)含量:采用甲醇酯降解法，用日本島津GC-2010氣相色譜儀測(cè)試。

灰分:采用美國(guó)TA Q-20熱重分析儀測(cè)試。

力學(xué)性能:采用美國(guó)Instron 3344單柱式拉力機(jī)測(cè)試。

干熱收縮率:采用奧地利蘭精TST-2型全自動(dòng)干熱收縮儀測(cè)試。

結(jié)晶度:采用自制密度梯度儀測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚酯熔體的制備和輸送

對(duì)于液相增黏用的聚酯基礎(chǔ)熔體質(zhì)量指標(biāo)的控制除了滿足一般熔體直紡要求外，還需對(duì)［η］和端羧基含量指標(biāo)及其穩(wěn)定性進(jìn)行控制。用于液相增黏的基礎(chǔ)熔體［η］中心值控制在0.650～0.670 dL/g，偏差小于 ±0.005 dL/g，端羧基含量小于28 mol/t。基礎(chǔ)熔體在輸送過(guò)程中應(yīng)減少黏度降，熔體溫度適應(yīng)后續(xù)液相增黏反應(yīng)。通過(guò)降低縮聚釜出料溫度，選擇合適的熔體泵型號(hào)，采用低溫輸送的辦法，合理設(shè)計(jì)熔體輸送管路的走向排布和管徑，輸送管路中的熔體換熱器集熱交換器與靜態(tài)混合器于一體設(shè)計(jì)，可有效地降低2～8℃，既保證了基礎(chǔ)熔體輸送過(guò)程的黏度降控制，也滿足了液相增黏適宜的預(yù)反應(yīng)溫度條件。

2.2 液相增黏反應(yīng)和高黏熔體輸送

液相增黏過(guò)程中，系統(tǒng)的工藝參數(shù)對(duì)增黏反應(yīng)有直接的影響，如反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、真空度、液位等。真空度越高，越有利于小分子脫出，運(yùn)動(dòng)黏度和［η］上升越快。反應(yīng)溫度偏高，易引起熔體降解，造成黏度下降和產(chǎn)品色相發(fā)黃;反應(yīng)溫度偏低，熔體流動(dòng)速度慢，物料反應(yīng)不夠，且黏度均勻性也會(huì)降低。在真空度、反應(yīng)溫度一定的情況下，熔體在反應(yīng)器中停留時(shí)間過(guò)短，反應(yīng)不充分，熔體［η］達(dá)不到預(yù)期值;停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，熔體降解嚴(yán)重，色相發(fā)黃。優(yōu)化后液相增黏反應(yīng)條件為:液相增黏溫度270～290℃、壓力50～130 Pa。增黏后熔體［η］達(dá)到0.95～1.1 dL/g，熔體色相 b值低于 4，二甘醇(DEG)質(zhì)量分?jǐn)?shù)(1.0 ±0.1)%，熔點(diǎn)大于等于254℃，灰分小于等于0.05%，端羧基(24 ～30)mol/t。

高黏熔體由于運(yùn)動(dòng)黏度高，在熔體管道中壓力降大，由其引起的溫升也較大。在控制高黏熔體降解方面采取了以下措施:(1)盡可能減少高黏熔體的輸送距離，并通過(guò)合理排布熔體管道，控制輸送中的熔體黏度降和流動(dòng)狀態(tài);(2)通過(guò)精確計(jì)算熔體輸送管徑，盡量減少高黏熔體在輸送過(guò)程中的壓力降，從而有效控制熔體流動(dòng)產(chǎn)生的溫升;(3)控制液相增黏出料溫度，在保證品質(zhì)的前提下盡量降低熔體溫度;(4)合理選擇增壓泵，增加其溫度調(diào)節(jié)措施，盡量降低通過(guò)增壓泵的熔體溫升;(5)系統(tǒng)優(yōu)化增壓泵壓力等工藝條件，以避免高黏熔體在輸送過(guò)程的溫升;(6)在高黏熔體管路的關(guān)鍵部位增設(shè)高黏靜態(tài)混合器，使高黏熔體在流動(dòng)過(guò)程中發(fā)生流向、流速的變化，達(dá)到熔體混合的效果，有效地提高高黏熔體在管道中輸送的黏度均勻性。

2.3 大容量高黏熔體多頭重旦紡絲技術(shù)

與滌綸工業(yè)絲切片紡會(huì)受到螺桿擠出能力的限制不同，熔體直紡由于不受螺桿擠出量的限制，實(shí)現(xiàn)了大容量紡絲。紡絲組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性直接影響到紡絲生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定性，對(duì)滌綸工業(yè)絲的品質(zhì)起著決定性的作用。為了提高工業(yè)絲的均勻性，采用了雙腔一體式紡絲組件結(jié)構(gòu)，該紡絲組件設(shè)計(jì)2個(gè)熔體通道，在2個(gè)紡絲熔腔內(nèi)設(shè)有獨(dú)立的熔體過(guò)濾器，雙腔獨(dú)立式的熔體分配體系，加上高精度的濾芯過(guò)濾設(shè)計(jì)，充分滿足了工業(yè)絲高壓紡絲的條件，同時(shí)能夠很好地控制線密度不勻率。此雙腔一體式紡絲組件結(jié)構(gòu)解決了現(xiàn)有技術(shù)中多頭紡的紡位間距大、占用空間多、成本高的問(wèn)題，既實(shí)現(xiàn)了一個(gè)組件雙內(nèi)腔，又滿足了向小位距多頭紡、高產(chǎn)量、高質(zhì)量紡絲和節(jié)能減排降耗的發(fā)展要求。

噴絲板采用一板兩束絲結(jié)構(gòu)，滌綸工業(yè)絲熔體直紡噴絲板的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 滌綸工業(yè)絲熔體直紡噴絲板的設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.2 Spinneret design parameters for melt direct-spun polyester industrial yarn

由于大容量直紡工業(yè)絲單紡位熔體吐出量 大，對(duì)纖維的冷卻成形技術(shù)要求較高。在紡絲板下面加裝了緩冷裝置(后加熱器)，調(diào)節(jié)緩冷溫度280～350℃，避免絲條在冷卻階段產(chǎn)生皮芯結(jié)構(gòu)，并且后加熱器的高度可以調(diào)節(jié)，改善絲條的拉伸性能。側(cè)吹風(fēng)系統(tǒng)根據(jù)不同生產(chǎn)線的紡絲品種設(shè)計(jì)要求，結(jié)合其對(duì)冷卻風(fēng)量的要求獨(dú)立設(shè)計(jì)了多套空調(diào)系統(tǒng)，再通過(guò)獨(dú)特的側(cè)吹風(fēng)風(fēng)向?qū)Я髟O(shè)計(jì)，使得大吐出量的滌綸工業(yè)絲初生纖維得到均勻的冷卻效果，滿足多級(jí)拉伸的工藝要求。側(cè)吹風(fēng)溫度20 ～22 ℃，速度0.3 ～0.5 m/s。

大容量直紡工業(yè)絲，由于絲束根數(shù)多，在絲條上油、拉伸熱輥上的絲條穩(wěn)定性以及拉伸工藝的匹配顯得尤為重要。大容量紡絲拉伸的關(guān)鍵是要保證每根絲束冷卻、受熱、拉伸的一致性，控制絲束在熱輥上的均勻排列和受熱均勻非常重要。大容量直紡工業(yè)絲由于紡絲頭數(shù)的增多和受拉伸熱輥的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度制約，使得多頭紡工業(yè)絲在拉伸熱輥上的絲路與傳統(tǒng)的工業(yè)絲生產(chǎn)有很大區(qū)別，合理選擇多級(jí)拉伸熱輥上的絲路，在有效的拉伸加熱區(qū)盡可能增加繞絲圈數(shù)，提高熱輥的握持力，以及適宜的拉伸溫度，才能生產(chǎn)出合格的滌綸工業(yè)絲產(chǎn)品。

滌綸工業(yè)絲熔體直紡工藝條件見(jiàn)表3。

表3 滌綸工業(yè)絲熔體直紡工藝條件Tab.3 Process conditions for melt direct-spinning polyester industrial yarn

多頭紡絲控制卷繞頭上各絲餅的成型均勻和張力一致也是大容量直紡工業(yè)絲的關(guān)鍵技術(shù)之一。以12頭、16頭和24頭為主要生產(chǎn)方式，采用雙卷繞機(jī)配置，盡量減少多頭絲餅的內(nèi)外側(cè)張力差異;采用高精密卷繞程序，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)卷繞機(jī)上同步卷繞絲餅成型完全一致;采用獨(dú)特的絲路設(shè)計(jì)，盡量減少雙卷繞機(jī)上各絲餅的張力差異，以獲得均勻的工業(yè)絲質(zhì)量。

2.4 滌綸工業(yè)絲質(zhì)量指標(biāo)

從表4可看出，熔體直紡生產(chǎn)各種規(guī)格的滌綸工業(yè)絲質(zhì)量指標(biāo)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 16604—2008)，產(chǎn)品投放市場(chǎng)，用戶反映良好。實(shí)踐證明滌綸工業(yè)絲熔體直紡工藝能夠得到質(zhì)量穩(wěn)定的滌綸工業(yè)絲。

表4 熔體直紡滌綸工業(yè)絲的質(zhì)量指標(biāo)Tab.4 Quality index of melt direct-spun polyester industrial yarn

2.5 熔體直紡與切片紡工藝路線比較

2.5.1 工藝流程分析

熔體直紡省去了冷卻切粒、固相縮聚、熔融擠出等工序，工藝流程緊湊，占地面積小;而固相縮聚切片紡工藝流程長(zhǎng)，占地面積大。前者比后者縮短工藝時(shí)間28 h以上。

2.5.2 能耗分析

從表5可看出，普通高強(qiáng)絲熔體直紡的生產(chǎn)能耗折合標(biāo)煤為214.3 kg/t，而固相縮聚切片紡的生產(chǎn)能耗為 317.3 kg/t，前者比后者下降32.46%。根據(jù)中國(guó)化纖協(xié)會(huì)2012年頒布的《中國(guó)化纖行業(yè)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)》白皮書［5］，2010年滌綸工業(yè)絲的綜合能耗為440 kg/t，熔體直紡能耗下降了51.3%;即使按2015年的能耗目標(biāo)320 kg/t計(jì)算，該熔體直紡能耗下降幅度也達(dá)33.0%，節(jié)能效果顯著。

表5 固相縮聚和熔體直紡工藝的能耗對(duì)比Tab.5 Energy consumption of solid-state polycondensation and melt direct-spinning process

2.5.3 物耗對(duì)比

從表6可看出，由于液相增黏的熔體質(zhì)量比固相縮聚的熔體質(zhì)量明顯提高，所以斷頭率下降。但由于熔體直紡比切片紡頭數(shù)多，因此廢絲率兩者相當(dāng)。熔體直紡工藝經(jīng)過(guò)進(jìn)一步完善優(yōu)化，廢絲率還有下降的空間。

表6 固相縮聚和直紡工藝熔體紡絲狀況對(duì)比Tab.6 Spinning situation contrast between solid-state polycondensation and melt direct-spinning process

2.5.4 投資成本分析

由于液相增黏設(shè)備比固相縮聚設(shè)備價(jià)格低廉，以及熔體直紡采用多頭紡絲，相同紡絲產(chǎn)能的設(shè)備數(shù)大幅度減少。200 kt/a滌綸工業(yè)絲熔體直紡生產(chǎn)線設(shè)備投資比相同規(guī)模的固相縮聚切片紡生產(chǎn)線減少44.3%。

3 結(jié)論

a.200 kt/a滌綸工業(yè)絲熔體直紡解決了高能效液相增黏、高黏熔體輸送和工業(yè)絲多頭紡絲技術(shù)難題，生產(chǎn)柔性化，提高了生產(chǎn)效率。

b.200 kt/a滌綸工業(yè)絲熔體直紡生產(chǎn)線，與相同規(guī)模的固相縮聚切片紡生產(chǎn)線相比，省去了冷卻切粒、固相縮聚、熔融擠出等工序，工藝流程緊湊，占地面積小，設(shè)備投資減少44.3%，生產(chǎn)能耗下降32.46%。

c.與固相縮聚切片紡相比，熔體直紡生產(chǎn)的滌綸工業(yè)絲原料不受外界因素影響，產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量均勻性明顯改善，性能指標(biāo)大致相當(dāng)，其質(zhì)量能夠滿足下游用戶的需求。

［1］Willhelm F，Witt H G，Holting L，et al.Apparatus for possessing high viscosity material:US，S5055273［P］.1991 －10 －08.

［2］Karasiak W.Design detail in polyester polycondensation［J］.Int Fiber J，2003(2):54 －55.

［3］郝興武，彭華峰.回收瓶片液相增粘聚合工藝的開(kāi)發(fā)［J］.黑龍江紡織，2011(3):13－14.

［4］陳文興，馬建平，王建輝，等.滌綸工業(yè)絲液相增黏技術(shù)的研發(fā)［J］.合成纖維工業(yè)，2013，36(3):1 －4.

［5］中國(guó)化學(xué)纖維工業(yè)協(xié)會(huì).化纖白皮書:中國(guó)化纖行業(yè)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)［M］.北京:中國(guó)紡織出版社，2012:5－20.