合成纖維熔紡柔性化技術的開發與應用

于辛+周杰+黃慶+崔華帥+李杰+吳鵬飛+史賢寧+崔寧

摘要：文章分析了現階段我國化纖行業柔性化技術的開發與應用現狀，介紹了熔紡柔性技術在幾類主要合成纖維的紡絲工藝中的應用，包括裝置的特征、技術特點和應用效果等，最后探討了化纖工藝與柔性化技術今后的發展趨勢。

關鍵詞：合成纖維；柔性化技術；在線添加；差別化纖維

中圖分類號：TQ340.64 文獻標志碼：A

Development and Application of Flexible Melt-spinning Technologies for Synthetic Fibers

Abstract： The article first analyzed the situation of the development and application of flexible technologies in Chinas chemical fiber industry at the present stage， then introduced the application of flexible melt-spinning technologies in the spinning process of several typical synthetic fibers， including the characteristics of equipment， technical features and application effects， and finally discussed the developing trends of chemical fiber process and flexible technologies.

Key words： synthetic fiber； flexible technology； online adding； differential fiber

近年來我國化纖行業生產規模進一步擴大，2015年產量為4 831萬t，約占全球化纖總產量的70.0%。化纖產業的發展呈現出差別化率和產業集中度不斷提高的特點。據統計，2015年我國化纖差別化率達到58%，比2010年提高12個百分點；生產規模在20萬t/a以上的化纖企業達到59家，其產能占全行業總產能的66.9%，比2010年提高17.9個百分點。

近年來，我國纖維生產技術的發展以大容量、高品質、低物耗能耗、單位產能成本低為主要特征。具有自主知識產權的40萬t/a差別化聚酯長絲成套裝備技術、200 t/d大容量聚酰胺6聚合及紡絲裝備技術、20萬t/a熔體直紡滌綸工業絲裝備技術、萬噸級國產化聚對苯二甲酸丁二醇酯（PBT）連續聚合裝置等取得突破并在行業中獲得應用，這些大規模、低成本的纖維生產技術使我國化纖產業在國際競爭中占有一定優勢。差別化、柔性化、多樣化等仍是化纖生產技術發展的主攻方向之一，一批新技術在國內的主要生產企業得到了應用。

與此同時，差別化、功能化纖維柔性加工技術及其產品也在不斷開發，使化纖品種更加豐富，品質和附加值持續提高。細旦和超細旦、異形、高導濕等新一代聚酯仿棉及仿真纖維，易染纖維、免染纖維、聚對苯二甲酸丙二酯（PTT）纖維、復合纖維等差別化纖維迅速發展，已經占化纖總產量的30%。

1 合成纖維熔融紡絲柔性化技術

所謂的纖維柔性化紡絲技術是指在同一纖維紡絲設備上，采用或更換不同的功能模塊或裝置，生產不同品種、不同功能的差別化纖維的技術。以下介紹國內企業主要應用的熔融紡絲柔性化差別化纖維生產技術。

1.1 熔體直紡在線添加共混紡絲技術

近年來，由于市場競爭和化纖裝備加工能力和技術水平的整體進步，國內許多大型化纖企業可以通過在熔體直接紡絲管道上局部改造，增加熔體在線添加裝置進行柔性化改造，實現了連續式、高品質、差別化聚酯產品的生產，部分解決了大型連續聚合裝置難以完成多品種聚酯產品生產的問題。采用熔體直紡在線添加技術生產差別化聚酯產品具有較好的市場競爭力，能夠發揮熔體直紡大容量紡絲生產穩定性好的特點，同時可以用較低的成本來生產差別化纖維，國內主要有動態和靜態混合器兩種在線添加技術以及二者技術的結合。1.1.1 動態混合器的在線添加技術

動態混合器的熔體直紡在線添加技術主要在直紡熔體管道上借助功能組分注射裝置與不同結構的動態混合器進行熔體的混合。混合器主要有行星齒輪式動態混合器、動靜齒圈式動態混合器、月牙槽型動態混合器和球穴式動態混合器等不同形式。動態混合器通過對熔體進行剪切、分流、剝離配位、擠壓、捏合等綜合作用，使熔體與功能組分混合均勻。

（1）球穴型動態混合器

球穴型動態混合器的結構如圖 1 所示，動態混合器混合元件是相對運動的，對熔體的混合程度與混合元件階數成指數關系，混合質量大大提高，國際及國內有關單位均對動態混合原理及裝置進行了研究，應用于化纖行業的高粘流體混合的球穴型動態高效混合器，不但對流體具有很強的剪切作用，而且有分流、剝離配位、擠壓捏合等綜合作用。

中國紡織科學研究院針對基于強化分散混合機理的在線添加技術，利用計算機模擬、冷態模型實驗等手段，研究了動態混合器結構參數和工藝參數對分散混合的影響規律，開發出在線添加單元與原系統的精確計量及壓力連算技術，保證熔體直紡系統壓力平穩，開發出熔體直紡功能性聚酯纖維成套技術，在大容量直紡裝置上實現了產業化應用。如在20萬t/a熔體直紡裝置的2 000 t/a紡絲側線和2.5萬t/a熔體直紡短纖維裝置上制備出特性粘數波動小于0. 005 dL/g的抗紫外聚酯長絲和熒光增白聚酯短纖維。圖 2 和圖 3 為聚酯長絲和短纖維應用動態混合器的工藝流程圖。

（2）巴馬格3DD動態混合器

Oerlikon Barmag（歐瑞康巴馬格）公司的3DD混料機的設計原理是將不同的混合部件一體化，包括配備 3DD混料頭的單螺桿擠出機、PROMIX-AC（泵）和3DD自驅動混料機（SD）等部件。3DD混料頭在螺桿直徑為30 ～ 200 mm的巴馬格單螺桿擠出機中作為擴展組件使用（圖 4），母粒加入到附帶的螺桿擠出機中，使用計量系統加入主螺桿或動態混合器中，基體熔體和添加的母粒熔體在輸送螺槽內初步混合后進入球穴型動態混合器進行高效攪拌混合，混合頭表面開著多排沿圓周均勻分布的凹穴槽，螺套上相對應的重疊多個凹穴，其上也開有均勻分布的凹穴槽，混合器螺桿混合頭芯軸上和螺套圓周上分布的凹穴槽是相互錯開的，在混合時基體熔體和添加的母粒熔體在沿凹槽軸向流動時，還產生沿半徑方向的流動，在螺桿混合頭轉動的作用下，熔體從一個凹槽中流出的瞬間，被剝離到另一個凹槽中，混合頭和混合套上相對應的球窩之間，總是處于不斷的開合狀態，其相互接通的面積也是不斷變化的，通過螺桿的轉動實現熔體高頻率分流、剪切、剝離，使得熔體高效剪切、勻化混合。該公司的動態混合器已在我國福建百宏集團有限公司等企業得以應用。

（3）其它類型的動態混合器

國內還有許多設備廠商開發了多種類型的動態混合器，主要有行星齒輪式、動靜齒圈式及月牙槽型和球穴式動混器的改型，如鄭州沃華的VDM系列在線動態混合器，其結構示意圖如圖 5 所示。這些動態混合器在國內應用比較廣，多數大型熔體直紡和螺桿紡絲企業均采用了這些設備對熔體直紡裝置進行柔性化技術改造。

1.1.2 靜態混合器的熔體添加技術

靜態混合器的熔體直紡在線添加技術主要借助于靜態混合器進行流體的混合。該混合器結構簡單，無傳動元件，對高聚物熔體的混合質量較高，但其剪切能力較弱，且不易調節。該技術首先由江蘇霞客環保股份有限公司實現了熔體直紡短纖維的在線添加技術改造，現已廣泛應用于采用熔紡纖維螺桿紡絲的工藝。

總之，在線添加技術已成為熔體直紡企業技術改造的主要方向之一，但此項技術在國內規模化生產剛剛起步，各種類型混合器技術都能得到企業的應用，在當前產品的品質上并無明顯差異，但隨著紡絲加工技術的進展，生產纖維線密度的不斷減小，功能組分含量的不斷增加，混合器的類型與應用會更加細分，混合器的結構、加工技術水平、工程設計和安裝的技術等技術和裝備的細節也應會越來越明顯地影響在線添加的纖維產品的品質。

1.2 母粒添加技術

母粒添加技術主要應用在合成纖維螺桿紡絲工藝上，在有色化纖和功能改性纖維的生產中得到廣泛應用，國內大多數螺桿紡絲裝置都具有母粒改性添加的裝置，因其工藝操作簡便，設備改造易行，在熔融紡絲生產中最為普遍，也取得了明顯的經濟效益。但采用母粒法生產差別化纖維會受許多因素的影響，如母粒的熱穩定性、在基體中的分散性、母粒的加入方式以及紡絲設備本身的結構特性，如螺桿的長徑比，是否具有混煉銷釘結構、靜態混合器，色母粒的添加方法以及色母粒注射裝置的結構和性能，對纖維混合均勻性也有重要影響。這些因素容易影響產品品質，對整個生產過程的管理也相應地提出了更高的要求。

1.3 纖維多頭紡絲技術

“多頭紡”技術也是化纖行業多年在開發的一種高效紡絲技術，主要應用于紡制75 D及以下的細旦長絲，在紡絲位距和每位的組件數量有限的條件下，盡可能通過在一塊噴絲板上分出兩束或更多束纖維，以最大限度地提高設備的單位產能。該技術從最初的由單組分粗旦紡絲機噴絲板一分為二的分區改造，發展到目前采用的“雙通道”組件實現高品質細旦絲生產，克服了噴絲板一分為二的分區紡絲出現的纖度與條干不勻的缺點，成為單組分和雙組分纖維柔性化技術的重要手段。

在多頭紡紡絲工藝中采用“雙通道”紡絲組件，其組件結構如圖 6 所示。一般卷繞機采用雙胞胎卷繞頭，采用該技術相繼開發出20、24和32頭等多條紡絲技術。同時采用雙通道組件可以很方便地將一個組件的兩束纖維進行合股，從而可以紡制高品質粗旦纖維，兼顧細旦絲和粗旦絲的生產。采用該裝置后相同細旦絲產量下生產線的設備投資可大幅節約，單位產量的能耗與占地面積降低，具有較好的經濟性。

1.4 復合紡絲技術

復合纖維是在紡絲時將兩種或兩種以上聚合物組分結合在一根纖維內，具體為將兩種或兩種以上的成纖高聚物熔體分別輸入同一個組件，在組件中的特定部位匯合，最后經同一噴絲孔噴出而成為一根纖維，這樣在一根無限長的纖維上就同時存在兩種或兩種以上的聚合物。復合纖維最顯著的一個特點就是可以根據纖維的最終用途，特別是某些專門用途，選擇各種不同性能的聚合物來設計纖維，以滿足人們的各種應用需求。例如，為了使織物具有優良的膨松性、豐滿的手感、高伸縮率以及優越的覆蓋性等，人們可以選擇兩種具有不同收縮性能的聚合物，紡制成并列型或偏心皮芯型復合纖維，用該種纖維織制成的產品具有某些特定性能。復合紡絲技術是目前最為靈活的柔性化紡絲技術。典型復合纖維長絲的工藝流程如圖 7 所示。

復合纖維紡絲是目前柔性化范圍最為廣泛的技術，可以生產的纖維品種從聚合物種類的組合變化到纖維截面的變化，種類繁多。復合纖維按其截面形狀可分為并列型、皮芯型、裂片型、海島和共紡型。復合截面形狀不同賦予纖維的性能也有差異。組件是復合纖維紡絲的關鍵部件，國內已形成系列化產品。一般復合紡的組件結構具有對稱分布的兩組分熔體砂腔，組件具有方便地互換復合纖維截面上兩種組分位置的性能，可適用于多種熔融高聚物相互匹配的復合纖維紡絲，復合纖維的截面形狀則取決于兩種熔體的分配和組合形式，而這個分配組合形式是由紡絲組件、分配板及復合噴絲板的結構決定的，改變品種也比較容易，紡絲工藝上也容易實現，目前我國已成為世界上復合纖維產能最大的生產國。

1.5 長絲牽伸和定形組合變化的柔性化技術

該技術主要應用于長絲的牽伸定形部分，通過對牽伸定形熱輥組合的變化，來改變纖維在牽伸過程中熱輥或定形過程中熱輥或冷輥的數量，從而控制纖維的凝聚態結構與性能，以達到柔性化生產的目標。北京中麗制機工程技術有限公司和北京勝邦鑫源化纖機械有限公司都做過此類牽伸定形裝置的研究。

1.5.1 一步法生產多異混纖復合紗裝置和技術

多異混纖復合紗是指將線密度、截面形態、收縮率等特性不同的合成纖維在生產加工過程中復合在一起，并賦予紗線特殊性能、織物風格差異化的一種差別化纖維，其典型產品為ITY，生產工藝流程如圖 8 所示，牽伸定形工藝流程如圖 9 所示。

ITY生產流程短，生產成本相對較低，生產速度高，產品質量穩定，可滿足后道織物對紗線的不同性能要求，具有較高的柔性，一臺機可生產ITY、低沸水收縮率FDY和強絲等不同產品。該技術的設備采用模塊化設計，可根據不同品種纖維的工藝要求，進行紡絲箱體和牽伸卷繞模塊的互換與重新組合，形成一機多用的長絲牽伸卷繞機。

1.5.2 多功能模塊化組合紡牽聯合機

多功能模塊化紡絲機由具有可互換的擠壓機、模塊化設計的紡絲箱、牽伸卷繞機等組成。通過模塊化設計，可實現柔性化紡絲的需要，適合大部分熔紡聚合物，可實現雙組分復合紡、單組分雙通道的多頭紡以及不同品種的差別化纖維紡絲。目前該生產線可紡40 ～420 D的普通FDY、POY、中強工業絲、高強工業絲、高強低縮工業絲等產品，其工藝流程如圖10所示。

1.6 改變牽伸輥表面形狀到達竹節纖維的柔性化纖維

生產技術

通過對熱輥表面形狀和涂層的控制以及紡絲牽伸工藝的調整，長絲成形過程中形成了周期性的不均勻結構，制成的織物具有多彩變化風格。北京勝邦公司已據此申報了 3 項發明專利和 3 項實用新型專利。圖 11 為表面有周期性紋路變化的熱輥照片。

1.7 彈力絲混纖加工技術

隨著熔融紡絲技術整體水平的提高，化纖POY的質量也不斷提高，這些都保證了假捻變形后的加彈絲的質量。與此同時國內加彈機柔性化技術的開發也在持續進行，如增加羅拉實現多股喂入、采用氨綸喂入實現加彈空包一體化（圖12）、采用雙絲餅卷入機等新技術生產彈力絲的差別化纖維（圖13）等。另外彈力絲設備生產廠家也在不斷開發出新型高速彈力絲機，在節能降耗、高速高效、智能化、模塊化設計等方面做了大量工作。

彈力絲新技術主要體現在新式牽伸系統、單電機單錠驅動假捻裝置、智能的電腦系統等方面。盡量減少傳動和控制錠數，使錠數和產量靈活，這樣既能適合大批量生產，也可用于小批量生產。柔性化的上下部結構和模塊化設計，可以更靈活地適應產品加工和新品開發。擴充設備功能，增加網絡噴嘴及氨綸絲架等輔助裝置，可提高新品開發的靈活性，因而具有更好的市場適應性。

1.8 短纖維后紡纖維柔性技術

我國滌綸短纖維的生產工藝以棉型為主，而三維卷曲中空纖維作為填充材料在生產時需要添加硅油，且需要良好的回彈性和較高的線密度，在生產工藝上其與棉型短纖維不同，在后紡工段區別較大。棉型短纖維和三維中空纖維的區別主要在于前者為卷曲后定形再切斷，而后者則需要卷曲后先切斷再上硅油然后再定形。將棉型短纖維生產線按三維中空纖維的工藝流程進行改造后，在同一生產線上生產的三維中空纖維與棉型短纖維可以達到產品質量、生產工藝和生產管理的平衡，實現柔性化生產（圖14）。

2 熔融紡絲柔性化技術的發展前景

近年來由于國內化纖產能持續增長，企業利潤增速下滑。在此背景下，整個化纖行業努力適應國際市場需求低迷、國內消費結構升級、原料價格大幅波動、制造成本依然較高等復雜的外部環境，圍繞科技創新、智能制造、綠色循環等提高供給質量，行業運行基本保持了平穩態勢，其中柔性化、多功能差別化改性技術仍將是化纖企業近期內重點發展的領域。另外，我國《化纖工業“十三五”發展指導意見》也將柔性化技術列為了纖維材料新技術的研發重點。我國化纖裝備的設計、加工和生產日臻成熟且不斷發展，紡絲設備的標準化、模塊化、多功能化仍為各設備生產商的開發方向。今后化纖紡絲裝置中的螺桿擠出機接口、噴絲板組件、噴絲板后加熱器和環吹風與側吹風的互換以及不同熱輥組合加工的FDY也將逐步由小裝置向規模化生產發展。

參考文獻

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