于辛+周杰+黃慶+崔華帥+李杰+吳鵬飛+史賢寧+崔寧

摘要：文章分析了現(xiàn)階段我國化纖行業(yè)柔性化技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用現(xiàn)狀，介紹了熔紡柔性技術(shù)在幾類主要合成纖維的紡絲工藝中的應(yīng)用，包括裝置的特征、技術(shù)特點和應(yīng)用效果等，最后探討了化纖工藝與柔性化技術(shù)今后的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：合成纖維；柔性化技術(shù)；在線添加；差別化纖維

中圖分類號：TQ340.64 文獻標(biāo)志碼：A

Development and Application of Flexible Melt-spinning Technologies for Synthetic Fibers

Abstract： The article first analyzed the situation of the development and application of flexible technologies in Chinas chemical fiber industry at the present stage， then introduced the application of flexible melt-spinning technologies in the spinning process of several typical synthetic fibers， including the characteristics of equipment， technical features and application effects， and finally discussed the developing trends of chemical fiber process and flexible technologies.

Key words： synthetic fiber； flexible technology； online adding； differential fiber

近年來我國化纖行業(yè)生產(chǎn)規(guī)模進一步擴大，2015年產(chǎn)量為4 831萬t，約占全球化纖總產(chǎn)量的70.0%?；w產(chǎn)業(yè)的發(fā)展呈現(xiàn)出差別化率和產(chǎn)業(yè)集中度不斷提高的特點。據(jù)統(tǒng)計，2015年我國化纖差別化率達到58%，比2010年提高12個百分點；生產(chǎn)規(guī)模在20萬t/a以上的化纖企業(yè)達到59家，其產(chǎn)能占全行業(yè)總產(chǎn)能的66.9%，比2010年提高17.9個百分點。

近年來，我國纖維生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展以大容量、高品質(zhì)、低物耗能耗、單位產(chǎn)能成本低為主要特征。具有自主知識產(chǎn)權(quán)的40萬t/a差別化聚酯長絲成套裝備技術(shù)、200 t/d大容量聚酰胺6聚合及紡絲裝備技術(shù)、20萬t/a熔體直紡滌綸工業(yè)絲裝備技術(shù)、萬噸級國產(chǎn)化聚對苯二甲酸丁二醇酯（PBT）連續(xù)聚合裝置等取得突破并在行業(yè)中獲得應(yīng)用，這些大規(guī)模、低成本的纖維生產(chǎn)技術(shù)使我國化纖產(chǎn)業(yè)在國際競爭中占有一定優(yōu)勢。差別化、柔性化、多樣化等仍是化纖生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展的主攻方向之一，一批新技術(shù)在國內(nèi)的主要生產(chǎn)企業(yè)得到了應(yīng)用。

與此同時，差別化、功能化纖維柔性加工技術(shù)及其產(chǎn)品也在不斷開發(fā)，使化纖品種更加豐富，品質(zhì)和附加值持續(xù)提高。細旦和超細旦、異形、高導(dǎo)濕等新一代聚酯仿棉及仿真纖維，易染纖維、免染纖維、聚對苯二甲酸丙二酯（PTT）纖維、復(fù)合纖維等差別化纖維迅速發(fā)展，已經(jīng)占化纖總產(chǎn)量的30%。

1 合成纖維熔融紡絲柔性化技術(shù)

所謂的纖維柔性化紡絲技術(shù)是指在同一纖維紡絲設(shè)備上，采用或更換不同的功能模塊或裝置，生產(chǎn)不同品種、不同功能的差別化纖維的技術(shù)。以下介紹國內(nèi)企業(yè)主要應(yīng)用的熔融紡絲柔性化差別化纖維生產(chǎn)技術(shù)。

1.1 熔體直紡在線添加共混紡絲技術(shù)

近年來，由于市場競爭和化纖裝備加工能力和技術(shù)水平的整體進步，國內(nèi)許多大型化纖企業(yè)可以通過在熔體直接紡絲管道上局部改造，增加熔體在線添加裝置進行柔性化改造，實現(xiàn)了連續(xù)式、高品質(zhì)、差別化聚酯產(chǎn)品的生產(chǎn)，部分解決了大型連續(xù)聚合裝置難以完成多品種聚酯產(chǎn)品生產(chǎn)的問題。采用熔體直紡在線添加技術(shù)生產(chǎn)差別化聚酯產(chǎn)品具有較好的市場競爭力，能夠發(fā)揮熔體直紡大容量紡絲生產(chǎn)穩(wěn)定性好的特點，同時可以用較低的成本來生產(chǎn)差別化纖維，國內(nèi)主要有動態(tài)和靜態(tài)混合器兩種在線添加技術(shù)以及二者技術(shù)的結(jié)合。1.1.1 動態(tài)混合器的在線添加技術(shù)

動態(tài)混合器的熔體直紡在線添加技術(shù)主要在直紡熔體管道上借助功能組分注射裝置與不同結(jié)構(gòu)的動態(tài)混合器進行熔體的混合?；旌掀髦饕行行驱X輪式動態(tài)混合器、動靜齒圈式動態(tài)混合器、月牙槽型動態(tài)混合器和球穴式動態(tài)混合器等不同形式。動態(tài)混合器通過對熔體進行剪切、分流、剝離配位、擠壓、捏合等綜合作用，使熔體與功能組分混合均勻。

（1）球穴型動態(tài)混合器

球穴型動態(tài)混合器的結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，動態(tài)混合器混合元件是相對運動的，對熔體的混合程度與混合元件階數(shù)成指數(shù)關(guān)系，混合質(zhì)量大大提高，國際及國內(nèi)有關(guān)單位均對動態(tài)混合原理及裝置進行了研究，應(yīng)用于化纖行業(yè)的高粘流體混合的球穴型動態(tài)高效混合器，不但對流體具有很強的剪切作用，而且有分流、剝離配位、擠壓捏合等綜合作用。

中國紡織科學(xué)研究院針對基于強化分散混合機理的在線添加技術(shù)，利用計算機模擬、冷態(tài)模型實驗等手段，研究了動態(tài)混合器結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)對分散混合的影響規(guī)律，開發(fā)出在線添加單元與原系統(tǒng)的精確計量及壓力連算技術(shù)，保證熔體直紡系統(tǒng)壓力平穩(wěn)，開發(fā)出熔體直紡功能性聚酯纖維成套技術(shù)，在大容量直紡裝置上實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。如在20萬t/a熔體直紡裝置的2 000 t/a紡絲側(cè)線和2.5萬t/a熔體直紡短纖維裝置上制備出特性粘數(shù)波動小于0. 005 dL/g的抗紫外聚酯長絲和熒光增白聚酯短纖維。圖 2 和圖 3 為聚酯長絲和短纖維應(yīng)用動態(tài)混合器的工藝流程圖。

（2）巴馬格3DD動態(tài)混合器

Oerlikon Barmag（歐瑞康巴馬格）公司的3DD混料機的設(shè)計原理是將不同的混合部件一體化，包括配備 3DD混料頭的單螺桿擠出機、PROMIX-AC（泵）和3DD自驅(qū)動混料機（SD）等部件。3DD混料頭在螺桿直徑為30 ～ 200 mm的巴馬格單螺桿擠出機中作為擴展組件使用（圖 4），母粒加入到附帶的螺桿擠出機中，使用計量系統(tǒng)加入主螺桿或動態(tài)混合器中，基體熔體和添加的母粒熔體在輸送螺槽內(nèi)初步混合后進入球穴型動態(tài)混合器進行高效攪拌混合，混合頭表面開著多排沿圓周均勻分布的凹穴槽，螺套上相對應(yīng)的重疊多個凹穴，其上也開有均勻分布的凹穴槽，混合器螺桿混合頭芯軸上和螺套圓周上分布的凹穴槽是相互錯開的，在混合時基體熔體和添加的母粒熔體在沿凹槽軸向流動時，還產(chǎn)生沿半徑方向的流動，在螺桿混合頭轉(zhuǎn)動的作用下，熔體從一個凹槽中流出的瞬間，被剝離到另一個凹槽中，混合頭和混合套上相對應(yīng)的球窩之間，總是處于不斷的開合狀態(tài)，其相互接通的面積也是不斷變化的，通過螺桿的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)熔體高頻率分流、剪切、剝離，使得熔體高效剪切、勻化混合。該公司的動態(tài)混合器已在我國福建百宏集團有限公司等企業(yè)得以應(yīng)用。

（3）其它類型的動態(tài)混合器

國內(nèi)還有許多設(shè)備廠商開發(fā)了多種類型的動態(tài)混合器，主要有行星齒輪式、動靜齒圈式及月牙槽型和球穴式動混器的改型，如鄭州沃華的VDM系列在線動態(tài)混合器，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖 5 所示。這些動態(tài)混合器在國內(nèi)應(yīng)用比較廣，多數(shù)大型熔體直紡和螺桿紡絲企業(yè)均采用了這些設(shè)備對熔體直紡裝置進行柔性化技術(shù)改造。

1.1.2 靜態(tài)混合器的熔體添加技術(shù)

靜態(tài)混合器的熔體直紡在線添加技術(shù)主要借助于靜態(tài)混合器進行流體的混合。該混合器結(jié)構(gòu)簡單，無傳動元件，對高聚物熔體的混合質(zhì)量較高，但其剪切能力較弱，且不易調(diào)節(jié)。該技術(shù)首先由江蘇霞客環(huán)保股份有限公司實現(xiàn)了熔體直紡短纖維的在線添加技術(shù)改造，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于采用熔紡纖維螺桿紡絲的工藝。

總之，在線添加技術(shù)已成為熔體直紡企業(yè)技術(shù)改造的主要方向之一，但此項技術(shù)在國內(nèi)規(guī)?；a(chǎn)剛剛起步，各種類型混合器技術(shù)都能得到企業(yè)的應(yīng)用，在當(dāng)前產(chǎn)品的品質(zhì)上并無明顯差異，但隨著紡絲加工技術(shù)的進展，生產(chǎn)纖維線密度的不斷減小，功能組分含量的不斷增加，混合器的類型與應(yīng)用會更加細分，混合器的結(jié)構(gòu)、加工技術(shù)水平、工程設(shè)計和安裝的技術(shù)等技術(shù)和裝備的細節(jié)也應(yīng)會越來越明顯地影響在線添加的纖維產(chǎn)品的品質(zhì)。

1.2 母粒添加技術(shù)

母粒添加技術(shù)主要應(yīng)用在合成纖維螺桿紡絲工藝上，在有色化纖和功能改性纖維的生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，國內(nèi)大多數(shù)螺桿紡絲裝置都具有母粒改性添加的裝置，因其工藝操作簡便，設(shè)備改造易行，在熔融紡絲生產(chǎn)中最為普遍，也取得了明顯的經(jīng)濟效益。但采用母粒法生產(chǎn)差別化纖維會受許多因素的影響，如母粒的熱穩(wěn)定性、在基體中的分散性、母粒的加入方式以及紡絲設(shè)備本身的結(jié)構(gòu)特性，如螺桿的長徑比，是否具有混煉銷釘結(jié)構(gòu)、靜態(tài)混合器，色母粒的添加方法以及色母粒注射裝置的結(jié)構(gòu)和性能，對纖維混合均勻性也有重要影響。這些因素容易影響產(chǎn)品品質(zhì)，對整個生產(chǎn)過程的管理也相應(yīng)地提出了更高的要求。

1.3 纖維多頭紡絲技術(shù)

“多頭紡”技術(shù)也是化纖行業(yè)多年在開發(fā)的一種高效紡絲技術(shù)，主要應(yīng)用于紡制75 D及以下的細旦長絲，在紡絲位距和每位的組件數(shù)量有限的條件下，盡可能通過在一塊噴絲板上分出兩束或更多束纖維，以最大限度地提高設(shè)備的單位產(chǎn)能。該技術(shù)從最初的由單組分粗旦紡絲機噴絲板一分為二的分區(qū)改造，發(fā)展到目前采用的“雙通道”組件實現(xiàn)高品質(zhì)細旦絲生產(chǎn)，克服了噴絲板一分為二的分區(qū)紡絲出現(xiàn)的纖度與條干不勻的缺點，成為單組分和雙組分纖維柔性化技術(shù)的重要手段。

在多頭紡紡絲工藝中采用“雙通道”紡絲組件，其組件結(jié)構(gòu)如圖 6 所示。一般卷繞機采用雙胞胎卷繞頭，采用該技術(shù)相繼開發(fā)出20、24和32頭等多條紡絲技術(shù)。同時采用雙通道組件可以很方便地將一個組件的兩束纖維進行合股，從而可以紡制高品質(zhì)粗旦纖維，兼顧細旦絲和粗旦絲的生產(chǎn)。采用該裝置后相同細旦絲產(chǎn)量下生產(chǎn)線的設(shè)備投資可大幅節(jié)約，單位產(chǎn)量的能耗與占地面積降低，具有較好的經(jīng)濟性。

1.4 復(fù)合紡絲技術(shù)

復(fù)合纖維是在紡絲時將兩種或兩種以上聚合物組分結(jié)合在一根纖維內(nèi)，具體為將兩種或兩種以上的成纖高聚物熔體分別輸入同一個組件，在組件中的特定部位匯合，最后經(jīng)同一噴絲孔噴出而成為一根纖維，這樣在一根無限長的纖維上就同時存在兩種或兩種以上的聚合物。復(fù)合纖維最顯著的一個特點就是可以根據(jù)纖維的最終用途，特別是某些專門用途，選擇各種不同性能的聚合物來設(shè)計纖維，以滿足人們的各種應(yīng)用需求。例如，為了使織物具有優(yōu)良的膨松性、豐滿的手感、高伸縮率以及優(yōu)越的覆蓋性等，人們可以選擇兩種具有不同收縮性能的聚合物，紡制成并列型或偏心皮芯型復(fù)合纖維，用該種纖維織制成的產(chǎn)品具有某些特定性能。復(fù)合紡絲技術(shù)是目前最為靈活的柔性化紡絲技術(shù)。典型復(fù)合纖維長絲的工藝流程如圖 7 所示。

復(fù)合纖維紡絲是目前柔性化范圍最為廣泛的技術(shù)，可以生產(chǎn)的纖維品種從聚合物種類的組合變化到纖維截面的變化，種類繁多。復(fù)合纖維按其截面形狀可分為并列型、皮芯型、裂片型、海島和共紡型。復(fù)合截面形狀不同賦予纖維的性能也有差異。組件是復(fù)合纖維紡絲的關(guān)鍵部件，國內(nèi)已形成系列化產(chǎn)品。一般復(fù)合紡的組件結(jié)構(gòu)具有對稱分布的兩組分熔體砂腔，組件具有方便地互換復(fù)合纖維截面上兩種組分位置的性能，可適用于多種熔融高聚物相互匹配的復(fù)合纖維紡絲，復(fù)合纖維的截面形狀則取決于兩種熔體的分配和組合形式，而這個分配組合形式是由紡絲組件、分配板及復(fù)合噴絲板的結(jié)構(gòu)決定的，改變品種也比較容易，紡絲工藝上也容易實現(xiàn)，目前我國已成為世界上復(fù)合纖維產(chǎn)能最大的生產(chǎn)國。

1.5 長絲牽伸和定形組合變化的柔性化技術(shù)

該技術(shù)主要應(yīng)用于長絲的牽伸定形部分，通過對牽伸定形熱輥組合的變化，來改變纖維在牽伸過程中熱輥或定形過程中熱輥或冷輥的數(shù)量，從而控制纖維的凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)與性能，以達到柔性化生產(chǎn)的目標(biāo)。北京中麗制機工程技術(shù)有限公司和北京勝邦鑫源化纖機械有限公司都做過此類牽伸定形裝置的研究。

1.5.1 一步法生產(chǎn)多異混纖復(fù)合紗裝置和技術(shù)

多異混纖復(fù)合紗是指將線密度、截面形態(tài)、收縮率等特性不同的合成纖維在生產(chǎn)加工過程中復(fù)合在一起，并賦予紗線特殊性能、織物風(fēng)格差異化的一種差別化纖維，其典型產(chǎn)品為ITY，生產(chǎn)工藝流程如圖 8 所示，牽伸定形工藝流程如圖 9 所示。

ITY生產(chǎn)流程短，生產(chǎn)成本相對較低，生產(chǎn)速度高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，可滿足后道織物對紗線的不同性能要求，具有較高的柔性，一臺機可生產(chǎn)ITY、低沸水收縮率FDY和強絲等不同產(chǎn)品。該技術(shù)的設(shè)備采用模塊化設(shè)計，可根據(jù)不同品種纖維的工藝要求，進行紡絲箱體和牽伸卷繞模塊的互換與重新組合，形成一機多用的長絲牽伸卷繞機。

1.5.2 多功能模塊化組合紡牽聯(lián)合機

多功能模塊化紡絲機由具有可互換的擠壓機、模塊化設(shè)計的紡絲箱、牽伸卷繞機等組成。通過模塊化設(shè)計，可實現(xiàn)柔性化紡絲的需要，適合大部分熔紡聚合物，可實現(xiàn)雙組分復(fù)合紡、單組分雙通道的多頭紡以及不同品種的差別化纖維紡絲。目前該生產(chǎn)線可紡40 ～420 D的普通FDY、POY、中強工業(yè)絲、高強工業(yè)絲、高強低縮工業(yè)絲等產(chǎn)品，其工藝流程如圖10所示。

1.6 改變牽伸輥表面形狀到達竹節(jié)纖維的柔性化纖維

生產(chǎn)技術(shù)

通過對熱輥表面形狀和涂層的控制以及紡絲牽伸工藝的調(diào)整，長絲成形過程中形成了周期性的不均勻結(jié)構(gòu)，制成的織物具有多彩變化風(fēng)格。北京勝邦公司已據(jù)此申報了 3 項發(fā)明專利和 3 項實用新型專利。圖 11 為表面有周期性紋路變化的熱輥照片。

1.7 彈力絲混纖加工技術(shù)

隨著熔融紡絲技術(shù)整體水平的提高，化纖POY的質(zhì)量也不斷提高，這些都保證了假捻變形后的加彈絲的質(zhì)量。與此同時國內(nèi)加彈機柔性化技術(shù)的開發(fā)也在持續(xù)進行，如增加羅拉實現(xiàn)多股喂入、采用氨綸喂入實現(xiàn)加彈空包一體化（圖12）、采用雙絲餅卷入機等新技術(shù)生產(chǎn)彈力絲的差別化纖維（圖13）等。另外彈力絲設(shè)備生產(chǎn)廠家也在不斷開發(fā)出新型高速彈力絲機，在節(jié)能降耗、高速高效、智能化、模塊化設(shè)計等方面做了大量工作。

彈力絲新技術(shù)主要體現(xiàn)在新式牽伸系統(tǒng)、單電機單錠驅(qū)動假捻裝置、智能的電腦系統(tǒng)等方面。盡量減少傳動和控制錠數(shù)，使錠數(shù)和產(chǎn)量靈活，這樣既能適合大批量生產(chǎn)，也可用于小批量生產(chǎn)。柔性化的上下部結(jié)構(gòu)和模塊化設(shè)計，可以更靈活地適應(yīng)產(chǎn)品加工和新品開發(fā)。擴充設(shè)備功能，增加網(wǎng)絡(luò)噴嘴及氨綸絲架等輔助裝置，可提高新品開發(fā)的靈活性，因而具有更好的市場適應(yīng)性。

1.8 短纖維后紡纖維柔性技術(shù)

我國滌綸短纖維的生產(chǎn)工藝以棉型為主，而三維卷曲中空纖維作為填充材料在生產(chǎn)時需要添加硅油，且需要良好的回彈性和較高的線密度，在生產(chǎn)工藝上其與棉型短纖維不同，在后紡工段區(qū)別較大。棉型短纖維和三維中空纖維的區(qū)別主要在于前者為卷曲后定形再切斷，而后者則需要卷曲后先切斷再上硅油然后再定形。將棉型短纖維生產(chǎn)線按三維中空纖維的工藝流程進行改造后，在同一生產(chǎn)線上生產(chǎn)的三維中空纖維與棉型短纖維可以達到產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)管理的平衡，實現(xiàn)柔性化生產(chǎn)（圖14）。

2 熔融紡絲柔性化技術(shù)的發(fā)展前景

近年來由于國內(nèi)化纖產(chǎn)能持續(xù)增長，企業(yè)利潤增速下滑。在此背景下，整個化纖行業(yè)努力適應(yīng)國際市場需求低迷、國內(nèi)消費結(jié)構(gòu)升級、原料價格大幅波動、制造成本依然較高等復(fù)雜的外部環(huán)境，圍繞科技創(chuàng)新、智能制造、綠色循環(huán)等提高供給質(zhì)量，行業(yè)運行基本保持了平穩(wěn)態(tài)勢，其中柔性化、多功能差別化改性技術(shù)仍將是化纖企業(yè)近期內(nèi)重點發(fā)展的領(lǐng)域。另外，我國《化纖工業(yè)“十三五”發(fā)展指導(dǎo)意見》也將柔性化技術(shù)列為了纖維材料新技術(shù)的研發(fā)重點。我國化纖裝備的設(shè)計、加工和生產(chǎn)日臻成熟且不斷發(fā)展，紡絲設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、多功能化仍為各設(shè)備生產(chǎn)商的開發(fā)方向。今后化纖紡絲裝置中的螺桿擠出機接口、噴絲板組件、噴絲板后加熱器和環(huán)吹風(fēng)與側(cè)吹風(fēng)的互換以及不同熱輥組合加工的FDY也將逐步由小裝置向規(guī)模化生產(chǎn)發(fā)展。

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