超大容量熔體直紡仿棉共聚酯纖維產業化工藝優化

李龍真， 徐錦龍， 繆國華， 王寶健

(浙江恒逸高新材料有限公司 研發部， 浙江 杭州 311200)

超大容量熔體直紡仿棉共聚酯纖維產業化工藝優化

李龍真， 徐錦龍， 繆國華， 王寶健

(浙江恒逸高新材料有限公司 研發部， 浙江 杭州 311200)

針對仿棉聚酯纖維在20萬t/a熔體直紡裝置上產業化的難點，對共聚酯可控聚合工藝、熔體輸送過程模擬和紡絲牽伸工藝進行研究。第一酯化后添加第四單體山梨醇，終縮聚之前添加第三單體聚乙二醇，可生產性能指標滿足要求且穩定的共聚酯；通過熔體管道長距離輸送模擬，熔體輸送過程中主要調節熔體溫度、熔體黏度、第一熱媒溫度來改變熔體黏度降、熔體溫度降；紡絲過程中采用中空和十字復合噴絲板，并調節紡絲溫度、冷吹風條件、卷繞速度等來控制異形度，在假捻過程中使用皮圈式假捻器等，可獲得穩定、優質的共仿棉聚酯纖維。

仿棉共聚酯； 熔體直紡； 熔體輸送； 異形度

棉纖維因具有吸濕、保暖、耐堿等特點，其織物具有吸汗、不易產生靜電、柔軟舒適、耐穿耐洗等特性。目前，我國棉纖維供給嚴重不足，每年都需要大量進口，因此，開發替代棉纖維的仿棉技術引起很多化纖生產企業的關注。

化纖仿棉經歷了外觀上仿棉，性能上仿棉和功能上仿棉3個階段[1]。目前部分仿棉聚酯纖維主要實現了高親水、細旦和易染色功能。國內市場已經有多個產業化的仿棉品牌，但是，在20萬t/a熔體直紡聚酯裝置上生產仿棉共聚酯纖維，穩定地在線添加、可控聚合、熔體輸送、紡絲等方面的工藝還需進一步優化。為此，對20萬t/a熔體直紡聚酯裝置進行了改造，優化后的工藝實現了共聚酯仿棉生產上的在線添加與可控聚合、長距離熔體輸送，獲得了異形仿棉共聚酯纖維。

1 主要原料及測試方法

1.1 主要原料

精對苯二甲酸(PTA)、乙二醇(EG)、聚乙二醇(PEG)、山梨醇、三氧化二銻(Sb2O3)等。

1.2 共聚酯及纖維測試

共聚酯切片的特性黏度、熔點、二甘醇和端羧基含量等指標按照GB/T 14190—2008《纖維級聚酯切片(PET)實驗方法》的方法進行測試。

共聚酯仿棉纖維的異形度按照FZ/T 50002—2013《化學纖維異形度試驗方法》進行測試。

共聚酯仿棉纖維的斷裂強度和斷裂伸長率按照GB/T 14344—2008《化學纖維長絲拉伸性能試驗方法》進行測試。

共聚酯纖維襪帶染色及上染率按照GB/T 6508—2001《滌綸長絲染色均勻度試驗方法》進行測試。

2 共聚酯可控聚合工藝

2.1 共聚酯在線添加工藝

聚合工藝流程如圖1所示。本文在常規聚合的第二酯化釜前添加裝置G，用于加入少量的山梨醇，在終縮聚前添加裝置H，用于加入PEG。

注：A—PTA、EG配料；B—第一酯化；C—第二酯化；D—第一預縮聚；E—第二預縮聚；F—終縮聚；G—山梨醇在線添加裝置；H—PEG在線添加裝置；M—出料。圖1 20萬t/a聚酯五釜簡易流程圖Fig.1 Diagram of five polyester reactors of 200 000 t/a capacity

2.2 可控聚合工藝

聚酯的親水易染改性通常是在聚合過程中引入第三單體、第四單體。在共聚改性過程中，選擇PEG作為第三單體，山梨醇作為第四單體來制備高親水、易染色的共聚酯。PEG具有較長的柔性脂肪鏈段和親水基團醚鍵，可降低分子鏈的規整性，提高纖維的柔軟性和親水性[2-3]。山梨醇是具有6-羥基的多元醇結構，吸水性超強，可改善纖維的親水性能和染色性能[4]。

對共聚酯中不同PEG分子質量及PEG與山梨醇的添加量對共聚酯熔融紡絲性能的影響進行了系統的研究[5-6]。結果發現，當PEG分子質量為2 000，添加量不大于5%(對PTA的質量)，山梨醇添加量不大于0.5%時，能夠穩定生產出滿足后道紡絲對共聚酯性能指標要求的共聚酯。

山梨醇在酯化率達到90%以上時添加是為了嚴格控制參與反應的山梨醇的量的穩定性。研究發現，山梨醇參與酯化的量會隨著反應溫度、壓力等的波動而變化。這是由于山梨醇的多羥基使反應產生較大的空間位阻，使得酯化的羥基存在隨機性。隨著反應時間的延長，共聚酯到達終縮聚F時的攪拌功率會出現波動增加，所以要嚴格控制反應條件和停留時間，以免因黏度突然增加造成攪拌故障而停車，影響正常生產。

20萬t/a聚合釜生產共聚酯與常規聚酯的基本指標如表1所示。指標穩定的共聚酯是下游紡絲及紡織品織造質量的必要保證，所以，要對共聚酯的質量進行嚴格的控制，使其特性黏度、二甘醇含量、端羧基含量等指標能夠穩定、不波動。

表1 共聚酯的指標測試結果Tab.1 Test results of copolyester indexes

3 共聚酯熔體輸送

3.1 共聚酯長距離輸送的理論模型

在聚酯直紡中，熔體輸送是采用多分支管道來進行的，其最基本的要求就是保證熔體質量均一、穩定。一般用壓力降(△P)、熔體特性黏數降(△η)、熔體溫度降(△T)、熔體停留時間(t)來衡量熔體在輸送管線中的熱降解程度[7]。熔體直紡生產過程中需縮短熔體在輸送管道中的停留時間，降低熔體的黏度降，減少黏度的波動，提高熔體的可紡性[8]。

由于輸送距離遠，大容量熔體輸送系統的熔體降解是最大難題。熔體輸送不僅要經過管道，同時還要經過增壓泵、熔體過濾器等部分，而每個部分對△P、△T、t、△η的影響是不同的，因此，需要通過建立數學模型來對熔體在不同部分的△P、△T、t、△η進行模擬，得出輸送過程中對其影響最大的因素。

管道模型的計算公式[9-10]為

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：L為管道長度；d為管道直徑；G為管道流量；T為熔體溫度；V為熔體流速；ρ為熔體密度；△P為壓強降；μ為流動黏度；Cp為比熱；η0為初始黏度；k為降解速率常數。

增壓泵在工作時，△P與紡絲箱體入口壓強聯動，并反饋控制增壓泵轉速，因此，△P、△T、t、△η與增壓泵熔體流速Vvz和增壓泵轉速Rev相關，其模型計算公式[11]為

△P=0.473×Rev

(5)

△T=-3.973+0.296×Rev

(6)

(7)

△η≈0

(8)

熔體過濾器內部由濾芯腔體和濾芯內部毛細管組成。濾芯腔體中△P、△T和△η的變化與管道中相同，可參考對應公式(1)、(2)和(4)，t的模型計算公式為

(9)

式中，Vvq為熔體過濾器中的熔體流速。

在濾芯內部毛細管中，熔體t≈0，因此△η≈0，而△P和△T同管道模型計算公式(1)和(2)。

3.2 共聚酯熔體輸送影響分析

在實際生產中，20萬t/a聚合裝置有384個紡絲位，而每個紡絲位有10～12個紡絲箱體。圖2示出熔體從聚合釜到紡絲箱體所經過的各管道、增壓泵、熔體過濾器、三通閥的簡圖。

圖2 熔體輸送管道走勢簡圖Fig.2 Diagram of trend of melt transportation pipeline

熔體輸送過程中，△P、△η、△T和t值必須用上述管道模型結合實際管道參數進行計算。表2示出輸送管道結構參數，包括每段管道的流量、長度和直徑。另外熔體輸送的初始黏度η0為0.641dL/g，熔體溫度T0為285 ℃，初始熔體壓強P0為13.35MPa，大循環熱媒溫度Tsb為278 ℃，小循環熱媒溫度Tss為269 ℃。將管道結構參數和初始熔體數據代入管道模型、增壓泵模型和熔體過濾器模型對熔體輸送進行模擬，可分別得到輸送過程中△η、△T、t所受影響的關系式(10)～(12)。

(10)

(11)

(12)

由式(10)可知，△η主要受到η0、T0、Tsb的影響。從權重來看，T0的影響無疑是最大的，因此，要控制△η小于0.02dL/g,應首先降低T0，其次，較低的η0和Tsb也對△η的降低有利。其原因可能是，T0增加，在輸送過程中降解增大，導致△η增大。由式(11)可知，△T主要受到η0、T0、Tsb的影響。從權重來看，首先是T0，其次是η0和Tsb。其原因可能是T0增加，一方面是與Tsb的溫差增加，熱交換速率加大，T0下降更快；另一方面T0升高，熔體黏度下降，熔體流體阻力下降，導致△T上升。由式(12)可知，t主要受G和設備參數的影響。

表2 熔體輸送管道結構參數Tab.2 Structure parameters of melt transportation pipeline

4 共聚酯熔體的紡絲

4.1 噴絲板的設計

棉纖維是典型的多層狀帶中腔結構，使棉纖維具有細長柔軟、隔熱耐熱等性能[12]。仿棉聚酯纖維不僅要在結構上改性提高自身親水性和可染色性，在纖維形態上也要改變以獲得類似棉纖維的手感。本文設計了十字/中空噴絲板，如圖3所示，十字形噴絲孔在噴絲板最外圈，中空噴絲孔在噴絲板內部。所紡制纖維的形態與棉纖維的截面結構很類似，性能上既具有中空纖維的保暖性和蓬松性，又具有十字形纖維的吸濕排汗性，而且比市場上同類產品的價格更便宜。

圖3 十字/中空噴絲板示意圖Fig.3 Schematic of cross/hollow spinneret

4.2 紡絲及后加工

4.2.1 紡絲工藝與異形度

熔體直紡的紡絲工藝主要包括紡絲組件、紡絲溫度、冷卻吹風及上油等幾個方面。對于異形仿棉共聚酯纖維來說，除調整紡絲工藝實現其可加工性外，還要考慮異形纖維紡絲參數對異形度的影響。異形度主要的影響因素是噴絲板微孔的設計，另外紡絲溫度、吹風風速、紡絲速度對其也有影響。

圖4示出十字/中空噴絲板紡制的異形纖維的異形度與紡絲工藝的關系。可以看出：共聚酯纖維的異形度隨著紡絲溫度的升高而減??；隨著冷吹風風速的增大而升高；隨著冷吹風距離的增加而減小，隨著紡絲速度的增加而提高。因此，紡絲過程中要嚴格控制工藝，保證共聚酯纖維的異形度。

4.2.2 紡絲質量控制

共聚酯紡絲過程中，不僅是紡絲工藝滿足性能指標的要求，紡絲質量的穩定也是至關重要的。

圖4 紡絲工藝對共聚酯纖維異形度的影響Fig.4 Influence of spinning process on degree of profile of co-polyester fiber. (a) Melt temperature; (b) Velocity of cold blow; (c) Distance of cold blow; (d) Take-up speed

如表3所示，共聚酯POY紡制過程中常見的質量問題主要有條干不勻率、沸水收縮率、動態熱拉伸應力及其變異系數(CV值)。一般情況下，條干不勻率會使后加工染色不勻；沸水收縮率由于不穩定使紡織品風格不穩定；動態熱拉伸應力及其CV值也影響后加工穩定性，使織造過程中出現毛絲、僵絲、斷頭、退繞不暢等問題，并會出現面料的色差和起橫問題，嚴重影響產品質量和消費者的使用，因此，紡絲過程中要在穩定紡絲工藝，定期維護和保養設備，堅持培養員工的質量意識，嚴格把控檢測等幾個方面狠抓落實，以減少產品的質量問題。

表3 共聚酯POY內在質量的常見問題與表現及原因Tab.3 Common questions, manifestations and reasons of internal quality of copolyester POY

4.2.3 牽伸假捻工藝

牽伸假捻中，假捻器形式、牽伸倍數、網絡壓力等對共聚酯纖維性能有影響。表4示出牽伸倍數對共聚酯纖維特性指標的影響。隨著牽伸倍數的提高，其斷裂強度和斷裂伸長率略有下降，襪帶染色的均勻性也下降。主要原因是，隨著牽伸倍數的增加，共聚酯纖維的取向和結晶程度升高。而牽伸倍數為1.65時斷裂強度下降，這是因為過牽伸出現了毛絲。

表4 牽伸倍數對纖維特性指標的影響Tab.4 Influence of drawing ratio on fiber performance indexes

表5示出假捻器對共聚酯纖維性能的影響。由表可知，無論是斷裂強度、斷裂伸長率還是染色性能，皮圈式假捻器要比疊盤式假捻器更高。因此，采用皮圈式假捻器更容易得到性能較好的共聚酯纖維。

表5 牽伸假捻工藝中假捻器形式對纖維性能的影響Tab.5 Influence of twister on fiber performance in process of drawing and false twisting

5 結 論

1)引入第三單體PEG和第四單體山梨醇實現了共聚酯的親水性和可染性改性。在20萬t/a的聚合釜中，通過優化添加工藝，將山梨醇在第一酯化后加入，PEG在終縮聚前加入，獲得了指標合格且穩定的仿棉共聚酯。

2)在共聚酯熔體輸送過程中，引入管道模型進行模擬，得出影響△η、△T的主要因子是T0、η0、Tsb，其中T0是相對權重較高的因素，因此，在輸送過程中可適當改變T0、η0、Tsb來對△η、△T進行調節。

3)設計使用中空和十字復合噴絲板，共聚酯纖維既具有蓬松保暖性，又具有吸濕排汗性。共聚酯纖維的異形度隨紡絲溫度的升高而升高，隨冷吹風速度的增大而升高，隨冷吹風距離的增加而減小，隨紡絲速度的增加而提高。在生產中應通過加強質量意識，嚴格把控檢測等來穩定質量，此外，牽伸假捻過程中牽伸比和假捻器的類型都對共聚酯纖維性能有影響。FZXB

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Cotton-like co-polyester fiber industrialization in melt direct spinning of ultra-high capacity

LI Longzhen, XU Jinlong, MIAO Guohua, WANG Baojian

(DevelopmentDepartment,ZhejiangHengyiNewHigh-TechMaterialsCo.,Ltd.,Hangzhou,Zhejiang311200,China)

In order to solve the difficulties in fiber industrialization of the cotton-like co-polyester in melt direct spinning of 200 000 t/a capacity, the technology of controllable polymerization, the simulation of melt transportation and the process of spinning and drawing of copolyester were studied. The fourth monomer sorbitol was added after first esterification reaction and the third monomer PEG was added before the final polycondensation reaction to produce stable copolyester with indexes meeting requirements; and by the simulation of the long-distance melt transportation, it was found that changes of the melt temperature, melt viscosity and the primary hot temperature would affect the melt viscosity drop and the melt temperature drop in the melt transportation process; and the degree of profiles would be controlled by using the cross/hollow spinneret and adjusting the melt temperature, cold blow and take-up speed. The nip twister was used in the false twisting process, thus the obtained cotton-like co-polyester fibers were stable and high in quality.

cotton-like co-polyester； melt direct spinning; melt transportation； degree of profile

10.13475/j.fzxb.20151204006

2015-12-29

2016-04-02

浙江省重大科技專項重大工業項目(2013C01061)

李龍真(1987—)，男，工程師，碩士。研究方向為聚酯及其纖維改性。E-mail：llz0820@126.com。

TQ 342.21；TS 154

A