高強滌綸工業絲生產中毛絲的產生原因及控制措施

唐兵兵,楊 勇,施玉琦,劉樹生

(江蘇恒力化纖股份有限公司,江蘇 蘇州 215226)

高強滌綸工業絲具有強度高、模量大、伸長小、耐熱性能好、耐沖擊及耐疲勞性能好等優點,廣泛應用于安全帶、海洋纜繩、消防水帶等特殊設備中[1]。隨著我國經濟的高速發展,滌綸工業絲的需求量逐年增加,但高性能滌綸工業絲的生產對技術軟件和設備硬件都有著極高的要求[2]。

因熔體質量、紡絲溫度、拉伸工藝、上油方式等工藝條件的影響,滌綸工業絲生產中容易產生毛絲[3]。毛絲是指絲條受傷呈毛絨現象或因單絲斷裂絲頭凸出于復絲表面,通常是檢驗絲筒的表面,以每個絲筒累計毛絲根數進行表征。圈絲(單絲未斷裂)也是毛絲的一種類型,是指露于絲筒表面成弧狀的單根絲、且長度大于2 mm的絲條,檢驗時也計入毛絲根數[4]。產品出現毛絲直接影響其后道加工工序,斷頭增加,形成疵點,嚴重影響用戶使用。因此,解決毛絲問題是提高滌綸工業絲產品質量的關鍵。

目前,國內對滌綸民用絲生產中毛絲的形成原因研究較多,這為滌綸工業絲生產中毛絲產生的原因分析和控制措施提供了借鑒。黃凱等[5]在滌綸工業絲生產中使用拉伸點定位器使拉伸過程更為順利,降低了由于快速拉伸對纖維造成的毛絲、斷頭等損傷。李驚濤[6]提出從上油方式、拉伸輥排布、網絡器壓力等方面進行控制,可以減少滌綸工業絲生產中毛絲的形成。曹劍[7]分析了滌綸工業絲生產中毛絲的形成原因,提出及時更換組件及導絲器等可以有效減少毛絲的產生。李曉東[8]研究了紡絲溫度、螺桿溫度、組件過濾精度和冷卻風等對毛絲產生的影響,適當提高紡絲溫度,控制紡絲速度在3 200 m/min以內,并適當提高紡絲組件的過濾精度,可以有效減少毛絲的產生。

滌綸工業絲由于應用在特殊領域,毛絲過多不僅影響其斷裂強度,還對后道加工產生影響,通常要求產品斷裂強度大于8.40 cN/dtex,毛絲降等率小于等于2.0%。作者以特性黏數1.100～1.150 dL/g的高黏聚酯切片為原料,生產3 300 dtex/384 f高強滌綸工業絲,從工藝和設備兩方面分析了生產中毛絲產生的原因,并提出了控制措施。

1 試驗

1.1 原料

高黏聚酯切片：特性黏數1.100～1.150 dL/g,熔點(261.0±2.0)℃,端羧基含量(13.0±3.0)mol/t,二甘醇質量分數(0.92±0.10)%,江蘇恒力化纖股份有限公司生產;滌綸工業絲油劑：日本竹本公司生產。

1.2 主要設備及儀器

紡絲及卷繞設備：包括紡絲箱體、冷卻風箱、ATi-412HR/4型卷繞機,日本TMT公司制;HL-IND-001型全自動外檢系統：東華大學制;SF-1型微量水分測定儀：常州八方力士紡織儀器有限公司制。

1.3 高強滌綸工業絲的生產

以特性黏數1.100～1.150 dL/g的高黏聚酯切片為原料,通過螺桿擠壓熔融、五輥熱拉伸生產3 300 dtex/384 f高強滌綸工業絲,生產工藝流程見圖1,紡絲工藝參數見表1。

表1 紡絲工藝參數Tab.1 Spinning process parameters

圖1 高強滌綸工業絲生產工藝流程Fig.1 Flow chart of high-strength polyester industrial yarn

1.4 分析與測試

特性黏數：按照GB/T 14190—2017《纖維級聚酯切片(PET)試驗方法》,采用烏氏黏度計測定。

含水率：按照GB/T 14190—2017《纖維級聚酯切片(PET)試驗方法》,采用SF-1型微量水分測定儀測定。

毛絲降等率：按照GB/T 16604—2017《滌綸工業絲》外觀要求進行判定,統計一段時間內的毛絲降等絲餅數量和滿卷絲餅數量,毛絲降等絲餅數量占滿卷絲餅數量的百分數為毛絲降等率。

2 結果與討論

2.1 原料對毛絲的影響

2.1.1 聚酯切片特性黏數對毛絲的影響

聚酯切片特性黏數較低,熔體黏度低,拉伸時容易出現單絲拉斷,產生毛絲甚至斷頭;聚酯切片特性黏數過大,熔體黏度高,流動性變差,熔體在出噴絲板時膨化率較大,容易產生注頭絲,斷頭率增加。由表2可知：在其他工藝條件一定時,當聚酯切片特性黏數為1.100 dL/g時,毛絲降等率為12.26%;聚酯切片特性黏數提高到1.123 dL/g時,毛絲降等率降低至8.92%,毛絲現象有所改善;繼續提高聚酯切片黏數至1.138～1.150 dL/g時,毛絲降等率反而升高至12.0%。因此,滌綸工業絲生產中聚酯切片特性黏數控制在1.120～1.130 dL/g較為合適。聚酯切片特性黏數提高后,相應地需要提高螺桿紡絲溫度,使熔體流動性變好,提高可紡性。實際生產中,需要保證聚酯切片質量的穩定性,選擇合適的紡絲溫度。

表2 聚酯切片特性黏數對毛絲降等率的影響Tab.2 Effect of intrinsic viscosity of polyester chip on broken filament rate

2.1.2 聚酯切片含水率對毛絲的影響

聚酯分子鏈中含有大量的酯鍵和端羧基,高溫環境下受到水分子和端羧基的影響,聚酯分子很容易發生逆反應,導致分子鏈斷裂,纖維經熱輥拉伸時單絲易拉斷,產生毛絲。從圖2可以看出：在其他工藝條件一定時,聚酯切片含水率小于25 μg/g時,毛絲降等率在2.00%～2.20%;當含水率超過25 μg/g時,毛絲降等率迅速上升,含水率為30 μg/g時毛絲降等率達到3.29%,且斷頭增多,可紡性變差。因此,在生產過程中應控制聚酯切片含水率小于25 μg/g。

圖2 聚酯切片含水率與毛絲降等率的關系Fig.2 Relationship between moisture content of polyester chip and broken filament rate

2.2 組件結構對毛絲的影響

該生產裝置配套紡絲組件由原設備供應商提供,其結構主要包括殼體、緊固環、上蓋、壓蓋、分配板、噴絲板等。在壓蓋與分配板之間有上下兩層濾網,起到過濾作用;分配板與噴絲板之間放置單層網片;熔體進入紡絲組件,通過上蓋、壓蓋進入分配板,從孔深65 mm、直徑2.5 mm的分配板孔道流出后經過單層網片迅速分配到直徑為190～200 mm的噴絲板上。分配板孔道長徑比大,熔體在孔道中存儲的能量不能及時釋放,熔體無法均勻分配到噴絲板板面上,從而導致噴絲板出絲不勻,毛絲、斷頭增加[9]。為了改善熔體的流動性,在分配板下方增設導流板,導流板上下設有一定的角度,使經過分配板孔道的熔體存儲的能量能夠充分釋放,同時也對熔體起到再混合重新分配的作用。從表3可知,在其他工藝條件一定時,通過使用增設導流板后的組件,在考察生產周期28 d內,生產的滌綸工業絲毛絲降等率下降明顯,未加導流板時毛絲降等率為4.63%,增設導流板后毛絲降等率為3.21%,毛絲降等率明顯降低。

表3 組件結構對毛絲降等率的影響Tab.3 Effect of spin pack structure on broken filament rate

2.3 無風區多孔板對毛絲的影響

滌綸工業絲單絲線密度較大,絲條內部熱量不容易傳導至表面,纖維出噴絲板冷卻時容易產生“皮芯”結構,不利于纖維的進一步拉伸和熱定型,因此,在生產滌綸工業絲時使用緩冷區、無風區、側吹風冷卻區等多級冷卻結構,從而減少絲條“皮芯”結構的產生,使單根絲束冷卻更加均勻,最大限度降低初生纖維的取向和結晶,以利于拉伸倍數的提高,從而獲得高強力、高質量的纖維[10]。為了進一步改善冷卻效果,在緩冷區與無風區之間增設多孔板,增設多孔板主要有以下作用：(1)避免紡絲成型過程中紊流的產生,降低黏絲、并絲發生的可能性,以減少毛絲;(2)降低初生纖維之間取向、結晶不同引起的內應力差異,進而降低由此引起的拉伸不均勻程度;(3)可有效減少黏附在噴絲板表面的單體和低聚物,提高熔體剝離噴絲板能力,減少熔體黏附在噴絲板表面形成斷絲的可能性。從表4可知,在其他工藝條件一定時,與未增加多孔板相比,使用多孔板后毛絲降等率明顯降低,在考察生產周期5 d內,毛絲降等率從5.33%降至3.96%。因此,在滌綸工業絲的生產中,為了減少毛絲的產生,可在緩冷區與無風區之間增設多孔板。

表4 多孔板對毛絲降等率的影響Tab.4 Effect of perforated plate on broken filament rate

2.4 油劑及上油方式對毛絲的影響

滌綸工業絲油劑應具備以下條件[11-13]：(1)良好的勻附性,易于在纖維表面吸附并迅速鋪展開;(2)優良的平滑性,使纖維易于拉伸,減少毛絲、斷頭;(3)優良的抱合性,使絲束集束性好。原油具有較高的表面張力,在絲條表面形成的油膜不易破損,從而降低絲條與金屬表面、絲條與絲條的動摩擦系數,單絲不易被拉斷。乳液油中含有大量的水分,絲束經過高溫熱輥時,水分蒸發導致油劑中不同組分發生共蒸發現象,油膜容易破裂,同時由于水分的蒸發,絲束抖動加劇,絲與絲之間碰撞增加,更容易產生毛絲。從表5可知,使用乳液油、油輪上油方式時毛絲降等率為9.31%,而使用原油、油嘴上油方式時毛絲降等率為1.98%,毛絲降等率大幅度降低。因此,在滌綸工業絲的生產中,選擇使用原油、油嘴上油方式可有效減少毛絲的產生。

表5 油劑及上油方式對毛絲降等率的影響Tab.5 Effect of spinning finish and oiling method on broken filament rate

2.5 第二熱輥溫度對毛絲的影響

滌綸工業絲生產中采用五輥熱拉伸定型工藝,其中第二熱輥的作用是將絲束加熱到玻璃化轉變溫度以上,以便于在第三熱輥開始拉伸。第二熱輥溫度太低,絲束在離開第二熱輥時未能充分預熱,拉伸時會出現“冷拉伸”,導致單絲拉伸不勻,出現弱絲,后續拉伸時會被拉斷出現毛絲;第二熱輥溫度過高,絲束在第二熱輥上過熱,會導致拉伸點前移,絲束在第二熱輥上出現部分拉伸,離開第二熱輥后受到第三熱輥的高倍拉伸時就會導致拉伸不勻的發生。因此,選擇合適的第二熱輥溫度對絲束的拉伸很重要。從表6可知：隨著第二熱輥溫度的升高,毛絲降等率呈現先降低后增加的趨勢;第二熱輥溫度為85 ℃時,毛絲降等率為3.51%;當第二熱輥溫度升高至91 ℃時,毛絲降等率最低,為2.22%;繼續升高第二熱輥溫度,毛絲反而增加,第二熱輥溫度為97 ℃時,毛絲降等率為3.10%。因此,在滌綸工業絲的生產中,應合理選擇第二熱輥溫度,控制第二熱輥溫度在91 ℃左右,毛絲較少。

表6 第二熱輥溫度對毛絲降等率的影響Tab.6 Effect of second hot roller temperature on broken filament rate

3 結論

a.在高強滌綸工業絲生產中,控制高黏聚酯切片特性黏數在1.120～1.130 dL/g,含水率小于25 μg/g,有利于降低毛絲降等率。

b.高強滌綸工業絲生產中,在紡絲組件分配板下方增加導流板,在緩冷區與無風區之間增設多孔板,均可減少毛絲的產生,降低毛絲降等率。

c.高強滌綸工業絲生產中,采用原油、油嘴上油,控制第二熱輥溫度為91 ℃左右,毛絲較少,毛絲降等率大幅度降低。