熔體直紡細旦滌綸全拉伸絲22 dtex/48 f工藝的探討

王雨生

（江蘇德力化纖有限公司，江蘇 宿遷 223800）

1 試驗方法及工藝流程

1.1 原料

德力化纖滌綸樹脂（Polyethylene Terephthalate，PET）半消光熔體，主要指標：特性黏度為0.678 dL/g、熔點為260.0 ℃、端羧基濃度小于30 mol/t、凝集粒子（直徑不小于10 μm）小于0.4個/mg、二氧化鈦質量分數為0.32%、二甘醇質量分數為1.32%。

1.2 主要生產設備和儀器

聚合裝置：五釜反應聚合裝置；紡絲箱體：日本進口TMT公司紡絲箱體；卷繞設備：日本進口TMT公司雙胞胎全自動卷繞機；檢測儀器：瑞士Uster公司TESTER5型條干儀；中紡集團全自動單紗強力機；PR45C電腦染色機。

1.3 生產工藝流程

PET熔體→熔體過濾器→熔體增壓泵→熔體輸送管道→熱交換器→靜態混合器→紡絲箱體（TMT裝置）→計量泵（德國馬爾）→數字輸入/輸出（Digital In and Out，DIO）組件（TMT裝置）→環吹風冷卻（TMT裝置）→集束上油（TMT裝置）→預網絡器→GR1熱輥→GR2熱輥→主網絡器→卷繞成型（TMT）→檢驗→包裝出廠。

1.4 主要工藝參數及質量指標

工藝條件：熔體輸送溫度284.5～285.5 ℃；紡絲溫度289.5～290.1 ℃；底部加熱器溫度308.0～313.0 ℃；GR1速度2 038 m/min，溫度85.0 ℃；GR2速度3 895 m/min，溫度118.0 ℃；卷繞速度3 800 m/min；油嘴高度850.00 mm；環吹風壓力40 Pa；組件壓力145.00～150.00 bar（1 bar=100 kPa）。主要物性指標如表1所示。

表1 主要物性指標

2 實驗結果及分析

2.1 熔體質量的控制

滌綸全拉伸絲（Fully Drawn Yarn，FDY）22 dtex/48 f的單絲纖度是0.46 dtex、直徑約為7 μm，比常規滌綸絲單根直徑小很多，所以細旦絲的生產對熔體質量的要求極高。第一，要求PET熔體中凝聚粒子、灰分等雜質的含量盡可能低，且雜質顆粒的直徑不能大于單絲直徑，否則紡織過程中會嚴重斷頭。本研究在預過濾器和終過濾器處加裝過濾精度更高的過濾裝置，以確保熔體質量達標；第二，要求PET熔體均勻性好，高分子聚合物相對分子質量正態分布要集中、均勻，且熔體從聚合裝置輸送到紡絲箱體后黏度下降幅度要盡可能小，采用偏細的熔體輸送管道加快熔體輸送速度，同時在保證熔體流動性的前提下盡量降低輸送管道溫度，有效減少了熔體輸送時間長、溫度高造成的熔體降解。在生產中，換熱器后的熔體輸送溫度控制在284.0～286.0 ℃為宜，這樣能保證熔體在輸送過程中的降解很少，最終無油絲黏度降在0.011 dL/g左右，能達到生產細旦絲的要求。

2.2 紡絲箱體溫度

紡絲箱體溫度即紡絲溫度，紡絲溫度的選擇對生產狀況和產品質量的把控至關重要。采用較高的紡絲溫度可以降低熔體的黏性，使熔體的流動性和均勻性變好，有利于改善熔體從噴絲孔擠出的膨化效應。但是紡絲溫度也不是越高越好，如果紡絲溫度太高，可能會增大熔體降解的程度，導致熔體均勻性變差，在紡絲過程中造成粘孔、彎頭絲增多、飄絲增加，嚴重時可能會導致無法紡絲；如果紡絲溫度偏低，也會造成熔體從噴絲孔擠出不暢，產生柱頭絲、膨化效應、纖維破裂等，影響生產。22 dtex/48 f產品本身熔體流量很小，熔體帶來的熱量也相對較少，很難保持噴絲板板面的溫度，所以要選擇比常規品種高得多的紡絲溫度。通過調整不同紡絲溫度觀察紡況發現，如果紡絲溫度低于288.0 ℃，個別噴絲孔會出現柱頭絲現象；當溫度高于292.0 ℃時，飄絲現象明顯增多。綜合考慮以上因素，22 dtex/48 f細旦滌綸絲的紡絲溫度控制在289.0～291.0 ℃為宜，生產穩定，滿卷率在98.00%以上。

2.3 緩冷區高度和緩冷器溫度

2.3.1 緩冷區高度

緩冷區是指熔體從噴絲板出來到開始冷卻時的距離，也稱無風區。在較高的紡絲溫度下，噴絲板板面溫度高，選用較短的無風區，熔體擠出后容易被迅速冷卻，不利于紡絲拉伸，容易造成拉伸毛絲和斷頭；選用較長的無風區可以使熔體細流緩慢冷卻，但是太長的無風區會使板面溫度升高，導致初生纖維拉伸不足，取向低，不利于后拉伸工藝，同時過高的板面溫度也會引起彎頭和飄絲，影響生產和保板時間。22 dtex/48 f產品單絲細，比表面積大，易冷卻，采用較長的緩冷區有利于板面保溫，降低了外界氣流的影響。通過選用幾組不同長度的無風區進行實驗，發現選擇75.00 mm無風區比較合適。

2.3.2 緩冷器溫度

緩冷器是裝在噴絲板周圍的一個輔助加熱裝置，其主要作用是在不改變其他工藝設備的前提下提高或保持噴絲板板面溫度，改善細旦絲紡絲狀況，所以加裝緩冷器和設置合適的緩冷器溫度是生產細旦絲的關鍵。

在熔體冷卻和拉伸過程中，隨著熔體細流溫度的下降，拉伸黏度增加，導致流變阻力增加；同時，拉伸應力的增加導致纖維取向形成，特別對于細旦纖維，在纖維成型初期，由于其比表面積大，溫度梯度和速度梯度大，導致其拉伸黏度和流變阻力快速增加，纖維的取向程度高，在后牽伸過程中會產生毛絲和染色不勻等問題[1]。因此，生產細旦纖維時，緩冷器溫度要控制在較高范圍內，但緩冷器溫度過高會導致噴絲板面過熱，使噴絲孔出口熔體流動黏度過低，出現漫流和液滴化現象，增加紡絲過程中的柱頭、斷絲和飄絲現象。生產細旦滌綸FDY 22 dtex/48 f產品時，本研究通過設定不同的緩冷器溫度進行實驗比較，發現緩冷器溫度低于305.0 ℃時，產品染色偏淺，毛絲和斷絲較多；當緩冷器溫度高于315.0 ℃時，染色偏深，纖維伸長大，強度低，飄絲和斷絲較多。通過實驗比較發現，生產細旦滌綸FDY 22 dtex/48 f產品時，緩冷器溫度設定在308.0～313.0 ℃比較合適，生產穩定，染色均勻。

2.4 紡絲組件

噴絲板作為紡絲組件的核心部位，其設計好壞是多孔細旦纖維能否正常生產的關鍵因素。在設計噴絲板時，除了材質和加工精度等硬性條件外，最重要的影響因素是長徑比（噴絲孔的深度和直徑之比）以及噴絲孔的排列方式。在選擇長徑比時，要考慮熔體擠出時的剪切速率和膨化效應的影響，同時要考慮實際生產中噴絲孔的清洗難度。若噴絲孔太大，熔體剪切速率偏小，影響噴絲頭拉伸，造成紡絲困難；噴絲孔越小，清洗難度成倍增加，批量生產難度增大。綜合考慮，生產細旦滌綸FDY 22 dtex/48 f產品時，選擇噴絲板孔徑為0.14 mm、孔深為0.50 mm，噴絲孔圍繞板中心呈圓形分布，剪切速率在9 000 s-1左右，組件初始壓力選擇145.00 bar比較合適。

2.5 冷卻和集束上油

本工藝生產22 dtex/48 f FDY采用外環吹風冷卻方式，冷卻風工藝的選擇對產品的質量影響很大。由于22 dtex/48 f FDY單絲細、比表面積較大，初生纖維非常容易冷卻，紡絲時單絲表面和內層容易因冷卻速率不同形成芯層結構，導致絲內外不勻等質量問題。因此，冷卻風工藝和集束上油位置的選擇至關重要。實驗時通過對不同冷卻工藝和集束位置進行匹配組合，選擇最佳工藝條件。表2統計了冷卻風壓和集束上油高度對產品條干的影響，根據實驗結果，選擇冷卻風壓40 Pa、集束上油高度850.00 mm時，所得產品條干均勻性最好。

表2 冷卻風壓和集束上油高度對產品條干的影響

2.6 牽伸工藝的確定

滌綸FDY在生產過程中要通過一定的牽伸工藝對初生纖維進行拉伸才能獲得最終產品，該過程的拉伸屬于均勻熱拉伸。纖維的牽伸工藝包括牽伸溫度（即一熱箱溫度）和拉伸倍數。纖維的拉伸必須要在其玻璃化溫度69.0 ℃以上才能進行，在玻璃化溫度以下，纖維中的分子鏈尚處于一種凍結狀態，活性不足，若在此溫度下拉伸，會造成纖維冷拉伸，拉伸張力大，導致拉伸不均勻，纖維拉傷，毛絲、斷頭增多；隨著一輥溫度的提高，纖維中大分子鏈和鏈段的活性逐漸增強，在熱輥的牽伸張力作用下，更容易沿著牽伸方向選擇排列，產生取向結晶，使纖維的力學性能變好。但是，牽伸溫度也不是越高越好，若GR1溫度過高，分子鏈活動能力太強，大分子取向度反而降低，導致拉伸不勻[2]。

纖維的拉伸倍數是第二熱輥速度與第一熱輥速度的比值，拉伸倍數對纖維拉伸張力T2和伸長率的影響較為明顯。拉伸倍數的選擇對生產穩定性、產品品質的把控至關重要。若拉伸倍數太大，拉伸張力T2偏高，容易將纖維拉傷，產生毛絲和斷頭；若拉伸倍數太小，拉伸張力不足，絲條抖動，會引起拉伸不勻，影響染色均勻性，且伸長率會很大，不利于后道使用。生產22 dtex/48 f FDY時，通過在不同牽伸溫度下匹配不同拉伸倍數進行實驗發現，當一熱輥溫度低于80.0 ℃時，產品毛絲明顯增多，染色出現條紋等不勻現象；隨著溫度逐漸升高，毛絲逐漸減少，染色變得均勻；當溫度升至90.0 ℃以上時，絲條在第一熱輥上劇烈抖動，斷頭增加，染色出現深淺色，所以第一熱輥溫度選擇80.0～90.0 ℃為宜。選擇第一熱輥溫度85.0 ℃時，調整不同牽伸倍數發現，當牽伸倍數大于2.0時，毛絲明顯增多，伸長率不足28.00%；當牽伸倍數小于1.8時，毛絲減少，但絲條抖動幅度大，伸長率大于32.00%，且強度較低，所以牽伸倍數也不宜過小。通過實驗，最終選擇牽伸溫度85.0 ℃、拉伸倍數1.9，生產較為穩定，毛絲較少，染色均勻。

2.7 定型溫度的確定

定型溫度即第二熱輥溫度，其主要作用是消除經過牽伸工藝拉伸纖維的內應力，使纖維的結構更加穩定。第二熱輥的溫度越高，纖維的沸水收縮率越小，尺寸越穩定，但是溫度太高會導致絲條在第二熱輥上劇烈抖動，造成跳絲、纏輥斷頭，影響生產；如果第二熱輥溫度太低，沸水收縮率會很大，纖維尺寸不穩定，不能滿足后道客戶使用要求。經過實驗確定，第二熱輥溫度選擇118.0～124.0 ℃比較合適，生產穩定，沸水收縮率在7.50%左右，達到客戶使用要求。

2.8 預網絡、主網絡壓力的控制

生產FDY時，初生纖維在拉伸前會設置一道預網絡器，主要目的是將纖維上的油劑吹散，使其均勻分布，以保證牽伸過程穩定。在實際生產22 dtex/48 f FDY時，預網絡壓力控制在0.50～0.65 bar，能滿足生產的需要。

纖維在離開GR2熱箱后進入主網絡器，增加了絲條的集束性和抱合性，使絲束在整經織造過程中不易斷頭、產生毛絲，有利于后道使用時退繞。使用Heberlein112型網絡噴嘴生產22 dtex/48 f FDY，選擇主網絡壓力2.80～3.00 bar，網絡度超過20個/m，且牢度較好。

3 結論

（1）生產多孔細旦FDY時，均勻潔凈的熔體是生產的關鍵，選用合適的輸送工藝可以減少熔體降解，控制聚合到紡絲的熔體黏度。

（2）較高的紡絲溫度提升了熔體流動性，有利于細旦絲生產。

（3）適當提高無風區高度及緩冷器溫度，可以改善細旦絲的生產和物性質量指標。

（4）合理的組件工藝是22 dtex/48 f FDY正常紡絲的關鍵；組件初始壓力控制在145.00 bar左右為宜。

（5）合適的環吹風和集束上油條件有利于改善條干和伸長率均勻性。

（6）合適的牽伸定型工藝可以有效控制產品的質量和物性指標。

（7）在生產中，預網絡壓力選擇0.50～0.65 bar、主網絡壓力選擇2.80～3.00 bar，可以滿足生產需求。