環吹風冷卻法生產PBT毛刷絲的工藝研究*

司徒建崧，李雪梅，郭銘信，林　海，王增喜

（廣東省化學纖維研究所，廣東廣州510245）

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科研與實踐

環吹風冷卻法生產PBT毛刷絲的工藝研究*

司徒建崧，李雪梅，郭銘信，林海，王增喜

（廣東省化學纖維研究所，廣東廣州510245）

摘要：探索了環吹風冷卻法生產單絲直徑0.05～0.08mmPBT毛刷絲的工藝技術，研究了與之相對應的紡絲工藝條件。研究結果表明，當采用90孔噴絲板，卷繞速度600m/min，生產單絲直徑0.06 mm （相當于48dtex）的PBT刷用絲時，環吹風速為0.3~0.5m/s，環吹風溫為15~20℃，環吹風濕度為60%~70%。為加強絲條的冷卻速率，采用增加霧化冷卻裝置的方法來提高冷卻介質的傳熱效率。

關鍵字：毛刷絲；聚對苯二甲酸丁二醇酯；環吹風冷卻；紡絲工藝

進入新世紀以來，較細刷毛絲的市場潛力引起刷毛行業的廣泛注意，特別是合成纖維的性能多樣性和可加工性使其在化妝毛刷和各種筆類用途方面開始全面替代動物毛的使用，大大推動了較細刷毛生產的快速發展[1]。刷毛絲的生產通常采用水浴冷卻、水平牽伸的生產工藝。這種生產工藝紡絲速度在30～50m/min左右，由于生產速度低，所以生產較細的刷毛絲，產量小、生產成本高，而且水溫控制不當，容易產生皮芯結構，對絲條品質產生不良影響[2]。因此，如何提高紡制單絲直徑在0.05～0.08 mm毛刷絲的生產效率，降低生產成本，是一個需要考慮的問題。本文以48dtex（直徑約0.06 mm）PBT絲束為對象，探討采用風冷垂直紡絲工藝生產的可能性。

1　實驗部分

考慮到絲束生產纖維根數較多，為了保證冷卻均勻，經研究，決定采用外環吹冷卻方式，具體工藝路線如下：

切片→干燥除濕→熔融擠出→環吹冷卻→熱牽伸→上油→熱定型→冷卻→卷繞 （→切條→梳理→包裝）

在整個工藝過程中，冷卻是最為關鍵的步驟[3]。初生絲條要在較短時間內均勻固化成形，所以環吹冷卻效果如何，關系到整個工藝是否可行。為此，風量、風溫和風濕的控制非常重要。風量增大，冷卻快，但太大會引起絲條的擾動；風溫低有利于絲條的冷卻，濕度增加可以增加絲條冷卻效率。所以，降低溫度、加大濕度是提高冷卻效果的有效手段。必要時，通過冷卻水霧化冷卻方式，增加強制冷卻效果。工藝的最終流程示意圖如圖1所示。

圖1　風冷工藝生產流程圖

1.1冷卻效果試驗

試驗原料：PBT切片。

主要試驗設備：φ=45mm螺桿擠壓機，長徑比25:1；熔體計量泵，6cc/r；外環吹冷卻器；七輥牽伸機。

主要工藝控制：PBT切片采用充填干燥，時間4～6h，溫度130～140℃；螺桿溫度，進料段小于180℃，一區240～250℃，二區245～255℃，三區240～250℃，模頭240～250℃；噴絲板，孔數40孔，孔徑0.6mm，計量泵擠出量是 6cm3/r，工作轉速一般不能低于 15r/ min，以此轉速計算，噴絲孔熔體擠出速度為15 m/min；第一牽伸機線速度：100～180m/min。

1.2紡絲效果試驗

試驗原料：PBT切片。

主要設備條件：充填干燥塔容量100kg；螺桿的最大擠出量是25kg/h，工作轉速最好不要超過70r/min；計量泵擠出量是6cm3/min，工作轉速最好不要超過30r/min；第一牽伸輥的線速度最高是300m/min，第二和第三牽伸輥線速度最高是800m/min，卷繞輥線速度最高是700 m/min，還要考慮環吹冷卻能力和升頭吸槍的吸絲能力。綜合以上因素，選擇直徑160mm，90孔，孔徑0.8mm的噴絲板進行紡絲試驗。

采用以上原料，根據現有設備條件，經過多次試驗來確定環吹風冷卻下的紡絲工藝參數。

2　結果與討論

2.1冷卻效果試驗結果與討論

PBT熔點大約為235℃，是結晶型材料，結晶度可達40%，結晶速度快[4]。為了使材料在高溫下降解少，熔融前要經過干燥除濕，使含水率控制在1×10-4以下。為了保證切片在螺桿中均勻熔融，可適當提高第二區溫度。PBT的分解溫度為280℃，PBT在熔融狀態下流動性好，黏度低，在噴出時易發生 “流延”現象[5]，紡絲溫度宜往低控制，在紡絲時為了保持一定的紡絲張力，紡絲溫度一般控制在240～250℃之間。為了使熔體能均勻擠出，紡絲壓力選擇為50～80MPa。

環吹風冷卻時風速不能太高，否則絲條晃動太大，影響紡絲的穩定性，控制在0.5m/s以下為宜。冷卻效果隨風溫、風濕的變化而變化，風溫越低，風濕越高，有利于絲條的冷卻。但風溫太低、風濕太高，環吹出風板容易結露，造成出風板小孔堵塞，影響出風的均勻。因此，出風溫度一般控制在15～20℃，濕度控制在60%～70%為宜。為了保證足夠的熱交換冷量，必須提供足夠的冷卻風量，也就是說，環吹風出風面積要足夠大。噴絲板孔數越多，環吹風面積越大。

當冷卻條件不變，逐漸增加熔體擠出量，絲條的擠出冷卻固化情況隨擠出量的變化情況如表1和圖2所示。

表1　不同擠出量絲條的冷卻情況

絲條在離噴絲板約1000mm處開始凝固變成乳白色，隨著計量泵轉速增加、擠出量增大時，絲條冷卻固化距離加大，絲條下落速度加快。當擠出量增加到一定值，超過4g/（min.孔）時，冷卻固化距離明顯加長，絲條下落速度明顯加快，成形纖度卻變化不大，顯示在試驗條件下環吹冷卻能力接近極限水平。

圖2　不同擠出量絲條的冷卻情況圖

2.2紡絲效果試驗結果與討論

為了紡絲的穩定性，必須具有一定的紡絲張力，也就是說紡絲速度要大于絲條下落速度，按試驗條件推算，擠出量在3.0～3.5g/（min.孔）時，紡絲速度最小要在150m/min左右。試驗結果表明，基本可以滿足紡制單絲纖度0.06 mm（相當于48dtex）絲束的冷卻條件。

經過多次反復試驗，最后確定環吹風冷卻條件下紡絲的主要工藝參數如表2所示。

表2　紡絲工藝條件

由于牽伸和卷繞速度的限制，最終速度不能超過700m/min，為了保證足夠的牽伸倍數，所以只能盡可能從降低熔體擠出速度和第一牽伸速度方面進行考慮。從試驗結果分析，要使最終產品具有足夠的強度和適當的伸長，牽伸倍數必須達到4.5左右，因此，第一輥的速度只能控制在150m/min左右。這樣的話，（1）必須保證環吹冷卻具有足夠的冷卻能力，在不影響均勻送風的前提下，風溫盡量低些，濕度稍為大些，在不引起絲條晃動的前提下，風速高些，但最好是通過加大吹風面積來加強冷卻效果；（2）紡絲模頭溫度往低控制，使絲條能夠更快速冷卻固化；（3）噴絲孔孔徑選擇大些，在保證足夠熔體壓力的前提下，噴絲孔熔體擠出速度相對低些，以保證較大的噴絲頭牽伸倍數，從而提高紡絲張力，增加初生絲條的取向度，有利于減少后道牽伸的斷頭率。

試驗結果表明，在現有條件下，基本能夠紡制0.06mm（相當于48dtex）單絲纖度的毛刷絲絲束。但纖度超過0.07mm （相當于55 dtex）的產品，噴絲頭孔數超過100孔時，紡絲生產困難。原因是，采用現有的環吹風冷卻裝置，冷卻風量不夠，冷卻速度達不到要求；另外，紡絲和牽伸速度必須進一步提高，才能滿足工藝和產品性能的要求。

3　工藝設備的改進

根據紡絲試驗出現的一些問題，對整個工藝流程作了一些調整和改進。

（1）增加霧化冷卻裝置。如果紡制的絲條較粗、根數較多，單靠環吹風冷卻很難達到理想的冷卻效果。為了在冷卻方面有較大的突破，我們研究開發了霧化冷卻裝置，強化絲條冷卻作用。霧化冷卻裝置是使用冷水 （最低可以達到10℃）通過超聲霧化器形成煙霧狀的水霧，經特別設計的環吹套筒噴出對絲束進行冷卻。由于是水霧作為冷卻介質，水的導熱系數是空氣的20倍以上，傳熱效率更高，所以紡制44～78dtex單絲纖度的產品，增加霧化冷卻裝置可以大大加快絲條的冷卻速度。具體做法是：在環吹風筒下方加裝特殊設計的霧化冷卻器，使擠出的熔體細流經環吹表層冷卻后，再經水霧強制冷卻，減少固化時間，縮短凝固距離，提高紡絲張力。而且凝固后的絲條表層覆蓋有一層水霧，有利于消除絲條摩擦產生的靜電，使絲條在后道高速運行中不會沾輥和并絲，減少斷頭，使生產更加正常。

（2）增加轉向輥。為了使初生絲條有足夠的冷卻時間，在進入第一牽伸輥前，加裝轉向輥，一是延長絲條的冷卻時間，使絲條在進入牽伸前芯層能夠完全固化。二是經過轉向輥把絲條表面多余的水分甩干凈，不至于影響后面的牽伸加熱。

（3）熱箱定型機采取往復導絲方式。為了使最終產品有較好的性能穩定性，必須保證絲條有足夠的定型時間，經試驗證明，定型時間最好是在3～4s以上 （根據絲條的粗細決定），按常規的直線熱箱布置長度最少是30米，顯然一般的廠房很難達到要求，也造成用電的極大浪費。因此，可以采用10m長的熱箱，通過來回導輥使絲條分3層或5層布置，這樣就大大減少了占地面積，也大大減少了用電消耗。

4　結論

本實驗研究了采用環吹風冷生產單絲直徑0.05～0.08mm毛刷絲的工藝技術。這種工藝有別于水浴冷卻、水平牽伸的傳統工藝，為生產較細刷毛絲束提供了新的思路，也為提高刷毛絲束生產效率和降低生產成本提供了廣闊的空間。

針對風冷工藝，研究了與之相配套的后續紡絲、牽伸、定型、卷繞工藝，提出了一整套與現有工藝和設備不同的技術設計方案。

研究了采用噴霧環吹冷卻裝置提高絲條冷卻效率的方法，通過溫度較低的水霧對絲條進行強制冷卻，大大提高了冷卻效率，在一定程度上彌補了較粗絲條使用風冷冷卻固化難的問題，為本工藝的實現奠定了基礎。

參考文獻

[1] 中國化學纖維工業協會.2011-2015年中國化纖行業發展規劃研究 [M].上海：東華大學出版社，2015.

[2] 陸麗娜.刷用單絲項目商業計劃書 [D].北京：首都經貿大學，2015.

[3] 李允成，徐心華.滌綸長絲生產：第二版 [M].北京:中國紡織出版社，1994.

[4] 劉決康，羅紹續.PBT/PET共混體中的熔點下降行為 [J].高分子材料科學與工程，1991（1）: 119-121.

[5] 李合銀，林敬喜，張洪謀，等.PBT常規紡絲工藝研究 [J].合成纖維工業，1988，11（5）:1-6.

中圖分類號：TQ342.2

文獻標志碼：B

doi:10.3969／j.issn.1672-500x.2016.02.001

文章編號：1672-500X(2016)02-0001-04

收稿日期：2016-04-28

作者簡介：司徒建崧 （1955-），男，廣東陽江人，高級工程師，主要從事紡織化纖研究和技術服務工作。

基金項目：廣東省直科研機構創新能力建設項目 （2013B060600016）。

CIRCULAR BLOW COOLING PROCESS IN THE PRODUCTON OF PBT BRUSH FIBER

SITU Jian-song， LI Xue-mei， GUO Ming-xin， LIN Hai， WANG Zeng-xi
( Guangdong Province Chemical Fiber Research Institute， Guangzhou 510245， China )

Abstract:Researched the processes of brush fiber production by circular blow cooling method， the corresponding spinning conditions were also discussed. Results show that， when product 0. 06 mm ( 48dtex ) PBT brush fiber in 90 hole spinneret and 600 m/min winding speed， the corresponding air cooling conditions are wind speed 0. 3 ~ 0. 5 m/s， wind temperature 15 ~ 20 ℃， wind relative humidity 60 ~ 70%. To enhance the cooling rate， water atomization cooling device can be used to increase the cooling media’s heat transfer efficiency.

Keywords:brush fiber， PBT， circular blow cooling， spinning process