球穴動態混合技術在熔體直紡中的應用

張文強，聞繼善，奚永新

(滁州興邦聚合彩纖有限公司，安徽滁州 239000)

近年隨著聚酯纖維差別化、功能性為主導發展方向的項目陸續開工建設，我們與世界的差距正在逐步縮小，縱觀差別化滌綸短纖維產業發展的道路，艱辛又漫長，我國70年代開始原液著色產品技術的引進和小規模生產，真正實現大規模量產的熔體直紡差別化有色滌綸短纖維生產要追溯到2007年左右，當時國內建成了20萬噸級熔體直紡原液著色差別化有色滌綸短纖維的生產項目，讓我國的熔體直紡原液著色有色滌綸短纖維生產從此走向了快速發展的道路。

熔體直紡原液著色工藝中關鍵技術就是在線添加計量技術和混合技術，掌握上述兩項技術，將在產品生產領域占領絕對的優勢。隨著科學技術的不斷更新與突破，在線添加計量技術已經非常成熟，在線添加后的混合技術成為了高質量發展的重要主攻方向，混合技術在國內聚酯生產領域前期均采用較為經濟實惠的靜態混合器，因其結構原理簡單，不需要額外的能源消耗等，所以廣泛的運用于生產中。隨著市場的不斷發展，產品質量需求逐漸提升，結構簡單，混合量小的靜態混合器已不能完全滿足高品質原液著色產品的質量要求，因此如何改善混合質量就成為了攻關關鍵，根據文獻報道，早些時間德國巴馬格公司的3DD動態混合器在聚合物混合加工方面取得不錯效果；后來國內也開始大力研發攻關，近些年形成了自主知識產權的動態混合設備，設備也已經在實際生產中開始廣泛使用，本文將對采用新一代的動態混合技術實現高品質原液著色滌綸短纖生產工藝路線和技術參數等方面展開探討，以提升產品品質。

1 試 驗

1.1 原料

PET，滁州興邦聚合彩纖有限公司，YG-08型纖維級聚酯熔體，有光，特性黏度0.674 dL/g；黑色母粒，江陰市第一化纖有限公司，滌綸纖維母粒；油劑，揚州華納斯，滌綸短纖油劑。

1.2 儀器設備

高效自清潔動態混合器，AX030型，產能30噸/天，中國紡織科學研究院；滌綸前紡紡絲設備，SLHV601型，邵陽紡機；滌綸后處理聯合機，SLHV833型，日產能30噸/天，邵陽紡機；掃描電子顯微鏡，JSM-6510LV型，日本電子株式會社；單纖維強力機，XQ-1A型，上海新纖儀器廠；測色儀，XE型，HunterLab Colour Quest；原棉雜質分析機，YG041型，常州第二紡織儀器廠；纖維干熱分析儀，XH-1型，上海新纖儀器廠；顯微鏡，59XB型，上海光學儀器廠；紅外點溫儀，520C型，德力西電氣。

1.3 試驗方案及工藝流程

熔體利用興邦公司年產20萬噸的杜邦五釜聚合裝置供應試驗用主熔體，在線添加由母粒混合料倉及φ150螺桿擠出機、計量泵等組成，在主熔體和在線添加母粒流經的管線上加入動態混合器，熔體和母粒經動態混合器高效混合后擠出，供應至各紡絲位紡絲、組批、牽伸形成短纖成品。

具體試驗工藝路線如圖1所示，試驗重點是研究混合器內部的高分散混合效果情況，及其運行中各設備性能及工藝條件的滿足情況。

圖1 在線添加、動態混合工藝流程圖

1.4 分析測試

1.4.1 特性黏度

按照GB/T 14190纖維級聚酯(PET)切片試驗方法，溶劑苯酚/四氯乙烷(質量比1∶1)，測試溫度(25.00±0.05)℃。

1.4.2 線密度

按照GB/T 14335短纖維線密度試驗方法，原絲線密度采用稱重法，剪取原絲樣品長度為1 m，預加張力1 010 g，電熱鼓風干燥箱105 ℃，烘燥1 h，冷卻稱重計算結果。

成品線密度采用儀器法，夾持長度20 mm，預加張力(0.15±0.02) cN/dtex，儀器K值應在0.900～1.100之間。

1.4.3 斷裂強力、斷裂伸長率

按照GB/T 14337短纖維拉伸性能試驗法法，隔距20 mm，拉伸速率20 mm/min(原絲測試為：120 mm/min)。

1.4.4 疵點

按照GB/T 14339短纖維疵點試驗方法，機檢法，樣品量100 g，給棉羅拉直徑：φ57.15 mm，轉速0.9 r/min，電機功率0.8 kW, 轉速1 410 r/min。

1.4.5 斷面不勻率

目鏡10X，物鏡40X,總放大倍數400倍，物鏡需配備刻度標尺。

1.4.6 含油水率

烘箱法，105 ℃。

1.4.7 180 ℃干熱收縮率

FZ/T50004滌綸短纖維干熱收縮率試驗方法，要求長度測量精確至0.01 mm，電熱鼓風干燥箱要附有恒溫控制裝置，具備鼓風功能，側吹風方式，烘箱功率不得<1.0 kW，溫度允許誤差±1 ℃，預加張力(0.075 0±0.007 5)cN/dtex。

1.4.8 色值

分光測色儀法， D65光源，包含漫反射，纖維測試盒直徑φ48 mm，前端具有光學玻璃鏡片，后端有蓋，測試樣品量(1.10±0.10)g。

1.4.9 電鏡

二次電子探頭3.0 nm(30 kV),背散射電子探頭4 nm，高真空度≤0.1 MPa，放大倍率5X～300 000X。

2 結果與討論

2.1 動態混合器的混合結構、流體運動分析

球穴結構采用交錯排列分布，熔體進入靜止設備時，熔體可在球穴結構的間隙緩慢流動，待間隙充滿熔體后開啟動態混合器，動態混合器運轉正常后開啟螺桿注入系統，此時母粒開始經計量后進入動態混合器，在混合器內部經過充分混合，在壓力作用下經動態混合器出口擠出，具體情況見圖2、圖3、圖4、圖5。

圖2 動態混合器內部結構圖

圖3 動態混合器內部結構剖面圖

圖4 動態混合器分散過程壓力分布圖

圖5 動態混合器混合效果模擬圖

從動態混合器的內部結構看，因球穴結構的特殊設計，可對熔融后母粒進行強制多次分配混合；分散過程壓力分布情況可看出入口端壓力高于出口端，如此分布可推動熔融母粒不斷向前并在前進中多次強制分配混合；從混合效果看，強制分配混合在混合過程中實現了熔融母粒自入口端高壓力區間向出口端低壓力區的運動分配，分配、混合流向清晰，可有效的避免熔體回流現象。

2.2 動態混合器轉速對工藝參數的影響

生產運行過程中發現動態混合器的熔體出口溫度一直偏高，為了尋求溫度偏高的原因，我們研究了動態混合器的不同轉速對動混設備熔體出口溫度影響的試驗。在保持注入母粒量不變，注入螺桿工藝條件不變的情況下，通過調整動態混合器的轉速，驗證其動態混合器內部熔體工藝溫度變化，具體試驗情況如表1。

表1 動態混合器不同轉速下設備組件溫度對比表

從表1可見，當動態混合器轉速提升，因其剪切熱增加，造成動態混合器內混合熔體溫度升高，極易造成熱降解，拉低紡絲熔體黏度，對紡絲質量影響較大。

就上述結論看，動態混合器的轉速越低，產生的剪切熱就越少，為此我們對不同轉速混合效果進行模擬研究，以確定合適的轉速，具體混合效果見圖6。試驗中發現50 r/min是該臺混合設備的工藝變化點，當低于50 r/min時混合效果減弱，反之混合效果加強，但溫度上升較快，為了清楚的表述混合效果情況，我們選擇了混合效果較差的模擬圖片和變化點時混合情況模擬圖片，就模擬圖和紡絲的情況看，該動態混合器的轉速要控制在50～60 r/min較為合適，此工藝條件下混合效果好，剪切熱可控，熔體黏度降解少，設備運行相對穩定。

圖6 不同轉速動態混合效果模擬圖

2.3 前紡紡絲工藝情況對比研究

對前紡的紡絲工藝情況進行了連續10天的跟蹤，從中發現，動態混合器因為其剪切熱的原因，故在螺桿注入過程螺桿溫度進行下設，也可合理的控制動混剪切熱產生，對保證紡絲質量有利；就1#位組件壓力的關注情況看，動混運行10天，組件壓力上漲3.3 MPa,靜態混合器運行10天，組件壓力上漲4.4 MPa，可見動混可減緩組件壓力的上漲，這與動態混合器的混合效果提升有關。具體情況見表2、表3。

表2 動態混合器運行紡絲工藝情況表

表3 靜態混合器運行紡絲工藝情況表

組件壓力的上漲，直接體現的是混合熔體內部的可通過性，當混合熔體內部母粒熔融后在熔體內部均勻的分散，其通過組件過濾網的通過性能就好，不易產生堆積，壓力也相對穩定，但出現混合不勻和出現團聚時，團聚物或未混合均勻的母粒色素分子就容易堵塞組件過濾網，從而造成壓力上升；就此觀測數據看，相同時間內使用動態混合器后的組件壓力上升數據比靜態混合器小，主要是因為經動態混合器的混合熔體通過組件過濾網的性能好，與動態混合器的強制分配混合關系密切，可見動態混合器在混合中有效的降低了團聚，提升了分散混合效果。

2.4 成品物性指標情況

使用相同母粒在兩種不同的混合工藝下進行試驗，對生產出的原絲產品進行檢驗分析，就試驗數據看，動態混合器工藝條件下生產原絲的強力、斷裂伸長率、不勻率均要優于靜態混合器工藝。具體數據如表4。

表4 不同混合技術條件下相同品種原絲主要性能

后紡工藝采用200 m/min牽伸速度，牽伸速比為3.07×1.05，后紡生產運行穩定，從成品物性指標看動態混合工藝條件下成品物性指標優于靜態混合器工藝，具體數據如表5。

表5 不同混合技術條件下相同品種成品主要性能

2.5 動態混合和靜態混合工藝條件下成品色度測試情況

按照上述工藝生產出的成品短纖使用標尺：CIELAB,光源D65，觀察角10°的測試條件，經測色儀測色，色差僅0.1左右；但在標準光源下目測，發現動態混合工藝條件下生產的產品較靜態混合器產品顏色稍深、稍綠、稍藍，就目測結論看，主要是因為色素分子在纖維內部分散的更加均勻，從而使纖維的微觀結構更加均勻，因此顏色也更加的凸顯，具體測試數據如表6。

表6 不同混合技術條件下相同產品測色數據對比表

2.6 短纖維微觀表面結構及橫切面展示纖維內部結構情況

為驗證其色素分子在纖維內部的混合效果，試驗對纖維進行了電鏡分析，纖維橫截面和表面的電鏡圖如圖7所示。

圖7 纖維產品表面電鏡圖a): 靜態橫截面；b): 動態橫截面；c): 靜態表面；d)：動態表面

就纖維的微觀結構看，使用動態混合器后的纖維橫截面較靜態混合工藝下纖維橫截面更加干凈和平滑，可觀察到的大顆粒物質有所減少；就纖維表面看，動態混合器工藝條件下纖維表面較靜態混合器工藝條件下表面更為光滑，說明在使用動態混合器后色素分子在纖維內部混合的更加均勻，有效的減少了團聚，還證明混合均勻后的聚酯混合熔體在加工過程中更有利于生產加工，熔體充分與色素分子融合，從而使得纖維表面也更加的光滑，大大提升纖維的后道可加工性能。

3 結 論

a) 球穴結構動態混合器能夠在紡絲系統中很好的完成母粒的強制分配混合，可有效的減少色素分子在混合過程中的團聚現象，減弱紡絲組件的壓力上漲速率，對延長紡絲組件的更換周期有利。

b) 球穴結構動態混合器的加入，因其提升了混合效果，減少了團聚，對于生產1.0D左右的產品而言，混合效果提升，對其原絲的強力和均勻性都有利，從而提升后紡的可加工性能，從成品指標看，加入動態混合器工藝條件生產的成品物性指標優于靜態混合器生產產品。

c) 混合、分散效果的提升，纖維的表面更加光滑，內部結構更加緊密，對纖維成品的光澤有改善作用，另因其表面更加光滑，可有效的提高紡絲油膜牢度，對后道紡紗有利。

d) 因其球穴結構的設計原理，強制分配高濃母粒，產生的剪切熱較大，為此生產過程中要注意熱降解的產生，建議可通過適當降低動態混合器轉速來降低熔體溫度，為達到最佳的運行效果，可將轉速盡可能的控制到一個合理區間，該試驗中就該型號動態混合器而言，最佳的轉速應控制在50～60 r/min較為合適。