熔體直紡半消光滌綸短纖維紡絲工藝探討

余宗哲，解項東，李長龍

（1.新鳳鳴江蘇新拓新材有限公司，江蘇 徐州 221400；2.安徽工程大學，安徽 蕪湖 241000）

2017年“禁廢政策”實施后，滌綸短纖維行業迎來了“春天”，盈利水平位居滌綸產品之首，吸引了一批規?；?、一體化大型裝置相繼投產[1]，導致滌綸短纖維產品同質化嚴重，企業競爭惡化，供應過剩，盈利能力不斷被弱化。因此，企業迫切需要對產品進行轉型升級，朝著質量穩定、綠色環保、功能性優異、高附加值的差別化方向發展。差別化滌綸短纖維對紡絲工藝提出了更高的要求[2]，目前，國內很多企業面臨工藝技術及人才的壁壘，差別化產品的生產明顯不足。因此，熔體直紡滌綸短纖維在品質與紡絲工藝技術的配套上仍具有進一步研究的空間[3]；紡絲工藝參數的正確選定與優化是短纖維獲得優良品質的保證，可提高生產的平穩性和后加工性能。

本研究探討了熔體輸送、紡絲成形、冷卻固化、上油給濕、卷繞往復等工藝的過程與原理，分析了其對品質、紡絲生產的作用機理，以便于對紡絲參數的優化改進，為研發高端化、智能化、綠色化短纖維提供了參考。

1 生產設備與工藝

1.1 原料與生產設備

精對苯二甲酸（PTA），工業級；乙二醇（EG），工業級；乙二醇銻，優級純；二氧化鈦（化纖），優級純；聚對苯二甲酸乙二醇酯（Polyethylene Terephthalate，PET），半消光，纖維級。

采用熔體直紡生產工藝路線，聚合設備為生產能力1 600 t/a“一頭兩尾”五釜工藝流程裝置，熔體輸送采用瑞士Maag增壓泵；紡絲設備為Neumag（德國鈕馬格）全套紡絲設備，采用0.23 mm×0.46 mm規格6800孔大板徑噴絲板，中心環吹冷卻，油環和油嘴上油；油劑為竹本166/974油劑（日本）；卷繞設備為八輥牽引機（德國紐馬格）。

1.2 聚酯熔體品質指標

經過聚合后輸送的熔體主要品質指標如表1所示。

1.3 紡絲工藝流程

熔體直紡半消光短纖維紡絲工藝流程如圖1所示。

圖1 紡絲工藝流程

2 討論

2.1 熔體輸送

聚合工段將具有特定黏度和溫度的熔體過濾后，通過夾套管輸送到前紡車間三通閥處，熔體被三通閥分成兩股并分配至增壓泵前；經增壓泵齒輪加壓以后，熔體依次經過熔體冷卻器、六通分配管進入各箱體針型閥，流向各紡位計量泵處。液相熱媒（氫化三聯苯）、氣相熱媒（聯苯和聯苯醚）沿著夾套管殼層逆熔體流向分段循環，從而對輸送的熔體進行伴熱；熔體主管道、主管靜態混合器由液相熱媒（大循環）進行伴熱，增壓泵后熔體冷卻器也由液相熱媒（小循環）進行伴熱，六通后熔體支管、支管靜態混合器及紡絲箱體由3個氣相聯苯爐產生的聯苯蒸汽分別進行伴熱[4]。通過增壓泵自動調節齒輪的轉動，確保了熔體輸出的精準及熔體管道和計量泵入口壓力的恒定；熔體冷卻器和主支管靜態混合器不僅調節了管線溫度，更使熔體獲得了均勻、穩定的質量。

熔體管線輸送工藝參數主要有熔體特性黏度、計量泵后熔體壓力和熔體管線溫度、熔體輸送時長等；生產參數的選定與優化需結合短纖維的品種規格、紡線產能、設備狀況進行有針對性的調控。熔體特性黏度用來表征聚對苯二甲酸乙二醇酯熔體中分子質量的大小和分布，其對紡絲成形的順利與否、短纖維原絲的可紡性、原絲生產紡況、后加工性能都有極其關鍵的作用，特性黏度大，則熔體中大分子鏈鏈節增加、鏈長增加，分子質量變大，分子鏈易雜糅在一起，取向度減小，后牽伸加工倍率增加；反之特性黏度過小，則組件噴絲孔中流出的熔體細流成形困難，發脆易斷。特性黏度的均勻穩定性也是十分重要的指標，不均勻則表示熔體中含有的低聚物等雜質較多，紡絲生產狀況較差，需及時采取切換聚酯熔體過濾器、強化組件過濾效果、優化調整大小循環熱媒或聯苯爐氣相溫度等措施，進而提高熔體均勻性。增壓泵后熔體壓力用來克服熔體爬升、流動到紡絲箱體計量泵前所需要的壓力降，保持穩定是熔體輸送的關鍵[5]。正常運轉的產線需保證增壓泵前熔體壓力不低于20 kPa。為得到恒定的熔體擠出量，保證短纖維原絲纖度及CV指標的穩定性，一般控制增壓泵后熔體壓力為一定值。熔體管線溫度直接影響熔體的流變性能，同時對單絲纖維成形固化、分子鏈的取向與結晶、后牽伸性能均有顯著的影響。其溫度的設定應從黏度、黏度降兩個因素綜合考慮，為降低熔體輸送過程中的黏度降，采用大小循環兩套液相熱媒系統，利用不銹鋼夾套管對輸送熔體進行拌熱，六通以后熔體分配管、針型閥、紡絲箱體等處的熔體溫度是短纖維原絲工藝中重要的參數。該處熔體溫度合適、受熱均勻，使各紡位熔體的質量均勻，有利于紡絲成形，提升原絲強伸度。熔體輸送時長即經酯化、縮聚后質量穩定的熔體從終聚釜輸送泵輸出到紡絲箱體針型閥前的經過時間，時間越短，則熔體黏度降和二甘醇（含量）的指標值越小，熔體色澤白亮，不易產生低分子揮發物和凝膠。時長的設定需綜合考慮單線產量、熔體管線溫度、黏度的控制范圍等因素，對于已投產或安裝的管線，時長與熔體密度成正比，與熔體的質量流量成反比。

2.2 紡絲成形

紡絲成形及固化如下：輸送至各支管處的熔體通過針型閥進入箱體，再經過各紡位計量泵精確計量進入組件中，熔體細流被組件中的金屬砂、金屬網片過濾后，鉆出噴絲板毛孔，形成獲得特定截面形狀的單根絲束，之后在中心環吹風和卷繞八輥牽拽作用下，絲束不斷固化，最后凝固成初生纖維。

20世紀60年代初，波蘭研究者Ziabicki等研究提出內聚破壞、毛細破壞兩種斷裂機理，對可紡性形成了一個完整的定義。聚對苯二甲酸乙二醇酯熔體屬于非牛頓流體（黏彈性），具有松弛時間短、變形能消散快的特點，在較快的生產速度和極高形變比下，也不產生內聚斷裂，所以其可紡性較為優異，在紡程上，剪切流動、單軸拉伸流動，熔體被擠出噴絲板毛細孔后，會出現膨大效應，其是紡絲成形過程的一個不確定因素[6]。出毛孔后膨大的程度一般用B（出孔后絲條最粗處的直徑/組件噴絲孔直徑）表示，聚對苯二甲酸乙二醇酯熔體B值在1.0～1.5，B值的影響因素有噴絲板孔徑比、熔體在毛孔中的流速，熔體細流在毛孔中流速過快會造成應力松弛不完全，絲條膨大點遠離噴絲板面，妨礙絲條的拉伸，造成絲束DVC指標偏大，絲條發脆易斷，產生飄絲、毛絲現象。同時，B值增大，熔體細流易粘附在噴絲板面上，剝離性能減弱，板面變差，形成注頭絲，不利于鏟板與生產管理，直接影響短纖維原絲的質量。因此，只有將B值、膨大點距離調控在合理的范圍內，才能保證熔體細流塑性狀態下拉伸的均勻性、紡絲成形的順利進行。熔體細流被噴絲板毛孔噴出后，在八輥牽引機的作用下進行穩態和連續的流動，細流直徑越來越小，在加速度的作用下，速度逐漸加快，并趨向或接近卷繞速度。從噴絲板毛孔到卷繞點的整個紡絲路徑依次可分為3個區域：擠出膨大區、形變區（拉伸區）、固化絲條行走區。其中，形變區是熔體細流沿縱向進行拉伸形變的關鍵區域，是絲條內部結構形成的主要區域[7]。在一定計量泵轉速下，卷繞張力隨卷繞速度的加快而線性增加；卷繞張力對紡絲工藝較為敏感，八輥速度和計量泵轉速的變化、環吹出風條件和熔體流變性能的變化都能使其產生變動，所以紡絲成形工藝的穩定性可以用卷繞張力表征。從噴絲板中擠出的熔體細流在成形、固化的過程中，需要與周圍介質進行大量的傳熱，其存在軸向、徑向兩個方向的溫度變化，絲條軸向方向溫差較大，在200 ℃以上。聚酯熔體從噴絲板毛孔到固化點這段距離內的熱交換狀況直接影響滌綸短纖維原絲的取向和結晶，進而影響原絲后加工性能和滌綸短纖維制品質量。

滌綸短纖維的結構性能取決于熔體性能、紡絲、牽伸、熱定型等，而紡絲成形工序得到的“卷繞絲”結構直接影響短纖維成品絲的質量。“卷繞絲”結構是由熱傳遞、熔體動力學在紡程上共同作用的結果，其形成與發展可以用紡程上大分子鏈的取向度與結晶度體現。熔體高聚物紡絲過程的取向作用機理如下：熔體在噴絲板毛孔中的剪切流動取向、熔體細流在黏流態時的拉伸流動取向和在固化區時的形變取向，而“卷繞絲”結構的取向度基本源于紡程上的拉伸流動取向，影響取向的因素主要有卷繞速度、環吹出風條件、卷繞張力、噴絲頭拉伸比等，加快卷繞速度，有利于高聚物取向度、結晶度的提高，但過高的取向度與結晶度阻礙了絲束后加工的順利進行。

2.3 冷卻固化

熔體細流被噴絲板毛孔吐出后，在環吹冷卻風作用下，絲束與周圍空氣的對流加強，內外層單絲得到均勻充分的冷卻，提升了滌綸短纖維原絲的品質與抗拉伸性，有利于設備生產能力的完全釋放。環吹風冷卻工藝主要包括冷卻風溫、冷卻風濕度、冷卻風量、緩冷區高度。其中，冷卻風溫直接影響滌綸短纖維原絲的強伸度[8]，“卷繞絲”的預取向度與風溫成反比。風溫的設定要根據聚對苯二甲酸乙二醇酯熔體的玻璃化溫度、卷繞速度、品種規格、設備性能等進行綜合考量。中心環吹風溫宜定為19～26 ℃，絲束能得到充分冷卻，風溫偏大，單絲冷卻不均勻，易導致絲束產生熔絲、并絲、飄絲、漿塊現象；風溫偏低，易吹冷噴絲板面，產生彎角絲、弱絲，加劇絲束斷面不勻性，造成牽伸拉斷、拉伸不勻；而風溫波動過大也將導致絲束固化點范圍變寬、結構不勻，易產生飄絲、纏輥現象。環吹風的濕度影響絲束的紡絲成形和大分子鏈的結晶與取向，可以通過調整濕度減少絲束在紡程上因摩擦而產生的靜電和單絲晃動。環吹風空氣的濕度提高了其介質的熱容量和給熱系數，有利于絲室溫度的恒定和絲束的及時冷卻[9]。環吹風量是影響絲束固化成形的重要工藝參數，其變化不僅影響生產線各紡位的風速和風壓，對產線上各紡位之間風速的一致性也有影響，環吹風速與風量呈線性關系。紡位處風量過大或過小都會導致絲束品質下降和成品纖維疵點增加。增大風量，絲束冷卻充分，固化點上移，形變區域變窄，不易受絲室外氣流的影響，但過大的風量容易造成絲束取向不足，易產生晃動、斷裂現象，導致噴絲板面的溫度降低，從而影響斷面不勻指標；減小風量，固化點遠離噴絲板面，絲束冷卻變緩，冷卻區域加長，大分子鏈取向增大[10]，但風量過小會加劇絲束的抖動，單絲之間易粘連產生并絲現象，絲束自然牽伸比減小，不利于后紡牽伸。為使絲束獲得優良的拉伸性能，降低絲條的內應力和預取向度，可以使用緩冷區避免從噴絲板擠出的熔體細流立即被驟冷，并降低絲束的冷卻速率，增加熔態區長度，使固化點遠離板面，降低噴頭拉伸張力和預取向度，使自然牽伸比增大，有利于提高絲束后加工牽伸倍率和品質指標，易獲得優質的高強滌綸短纖維。

2.4 上油給濕

被環吹風冷卻固化后的絲束非常干燥，須經紡絲油環加濕給油后，才能進入紡絲甬道，然后穿過卷繞上油嘴、吸剪器、導絲器，并由導絲羅拉使絲束改為水平方向前進；通過網絡升頭器，將各紡位絲條匯集成一根卷繞絲束；卷繞絲束依次通過八輥牽引機、導絲輥、葵花輪喂入系統、定長切斷裝置，最終落入盛絲桶內。

絲束的上油是由紡絲油環給油和卷繞上油嘴補油共同完成的，上油后絲束表面獲得了一層油膜，具有平滑、柔韌的特性，降低了絲條的摩擦性能與靜電積累[11]。絲束上油對紡絲生產的穩定性和原絲的可紡性具有重要意義，上油均勻，絲束集束性好，毛絲和盛絲桶底絲量少[12]，可提高短纖維原絲的品質和均勻性；上油少，易導致卷繞和牽伸工序發生纏輥現象；上油多，絲條打滑系數變大，也易粘輥。

2.5 卷繞落桶

卷繞落桶由導絲集束、牽引落桶、往復橫動等部分組成，作用是將整條線紡位的絲條斂集成束、絲束收集成形、提供牽引力與張力、確保絲條的規整有序排列。牽引落桶機構主要是為絲束提供紡絲速度，保證絲條不纏結、不松散并順利落桶；加快紡絲速度，紡絲線上速度梯度、絲束受到的摩擦力、絲束中的內應力增大，熔體細流固化速度加快，進而使“卷繞絲”大分子鏈取向度增大，雙折射率和沸水收縮率值增加，但絲條最大和自然牽伸比減小，后加工牽伸倍率降低[13]。橫動往復是盛絲桶以一定速度在往復臺車上同時進行橫向和縱向兩個方向上的位移，將工藝設定長度的“卷繞絲”有序鋪在盛絲桶內，確保牽伸工序的順利進行；盛絲桶內的鋪絲狀況可通過調整橫向或縱向位移速度等參數進行優化。

3 結論

滌綸短纖維紡絲的生產工藝主要是熔體輸送、紡絲成形、冷卻固化、上油給濕、卷繞往復等處參數的設定與優化，其對短纖維的品質、生產的平穩性、后加工性能、成本管控與管理水平提升均有重要影響。熔體輸送的關鍵參數為熔體黏度、輸送過程的時長和溫度、壓力。參數的選定與改進要結合品種規格、紡線產能、生產設備狀況等進行有針對性的調控。紡絲成形的過程主要包括熔體的擠出與細流的形成、絲束的傳熱與內部結構的構成，對絲束的品質指標、成品纖維的性能均有極其重要的影響。冷卻固化的重要參數有冷卻風溫濕度、風量和緩冷區高度；采用合理的溫濕度、合適的風量有利于絲束結構與性能的提升。上油給濕不僅增強了絲束的集束性、平滑性，減少了絲條的摩擦與靜電積累，更重要的是保障了各紡位的絲束都能斂集成束，規整有序地排列在絲桶中。卷繞往復對絲束的品質也有重大影響，保障了絲條不纏結、不松散并順利落桶，且鋪絲狀況優良。