李龍真， 徐錦龍， 繆國(guó)華， 王寶健

(浙江恒逸高新材料有限公司 研發(fā)部， 浙江 杭州 311200)

超大容量熔體直紡仿棉共聚酯纖維產(chǎn)業(yè)化工藝優(yōu)化

李龍真， 徐錦龍， 繆國(guó)華， 王寶健

(浙江恒逸高新材料有限公司 研發(fā)部， 浙江 杭州 311200)

針對(duì)仿棉聚酯纖維在20萬(wàn)t/a熔體直紡裝置上產(chǎn)業(yè)化的難點(diǎn)，對(duì)共聚酯可控聚合工藝、熔體輸送過程模擬和紡絲牽伸工藝進(jìn)行研究。第一酯化后添加第四單體山梨醇，終縮聚之前添加第三單體聚乙二醇，可生產(chǎn)性能指標(biāo)滿足要求且穩(wěn)定的共聚酯；通過熔體管道長(zhǎng)距離輸送模擬，熔體輸送過程中主要調(diào)節(jié)熔體溫度、熔體黏度、第一熱媒溫度來改變?nèi)垠w黏度降、熔體溫度降；紡絲過程中采用中空和十字復(fù)合噴絲板，并調(diào)節(jié)紡絲溫度、冷吹風(fēng)條件、卷繞速度等來控制異形度，在假捻過程中使用皮圈式假捻器等，可獲得穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)的共仿棉聚酯纖維。

仿棉共聚酯； 熔體直紡； 熔體輸送； 異形度

棉纖維因具有吸濕、保暖、耐堿等特點(diǎn)，其織物具有吸汗、不易產(chǎn)生靜電、柔軟舒適、耐穿耐洗等特性。目前，我國(guó)棉纖維供給嚴(yán)重不足，每年都需要大量進(jìn)口，因此，開發(fā)替代棉纖維的仿棉技術(shù)引起很多化纖生產(chǎn)企業(yè)的關(guān)注。

化纖仿棉經(jīng)歷了外觀上仿棉，性能上仿棉和功能上仿棉3個(gè)階段[1]。目前部分仿棉聚酯纖維主要實(shí)現(xiàn)了高親水、細(xì)旦和易染色功能。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)已經(jīng)有多個(gè)產(chǎn)業(yè)化的仿棉品牌，但是，在20萬(wàn)t/a熔體直紡聚酯裝置上生產(chǎn)仿棉共聚酯纖維，穩(wěn)定地在線添加、可控聚合、熔體輸送、紡絲等方面的工藝還需進(jìn)一步優(yōu)化。為此，對(duì)20萬(wàn)t/a熔體直紡聚酯裝置進(jìn)行了改造，優(yōu)化后的工藝實(shí)現(xiàn)了共聚酯仿棉生產(chǎn)上的在線添加與可控聚合、長(zhǎng)距離熔體輸送，獲得了異形仿棉共聚酯纖維。

1 主要原料及測(cè)試方法

1.1 主要原料

精對(duì)苯二甲酸(PTA)、乙二醇(EG)、聚乙二醇(PEG)、山梨醇、三氧化二銻(Sb2O3)等。

1.2 共聚酯及纖維測(cè)試

共聚酯切片的特性黏度、熔點(diǎn)、二甘醇和端羧基含量等指標(biāo)按照GB/T 14190—2008《纖維級(jí)聚酯切片(PET)實(shí)驗(yàn)方法》的方法進(jìn)行測(cè)試。

共聚酯仿棉纖維的異形度按照FZ/T 50002—2013《化學(xué)纖維異形度試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試。

共聚酯仿棉纖維的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率按照GB/T 14344—2008《化學(xué)纖維長(zhǎng)絲拉伸性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試。

共聚酯纖維襪帶染色及上染率按照GB/T 6508—2001《滌綸長(zhǎng)絲染色均勻度試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試。

2 共聚酯可控聚合工藝

2.1 共聚酯在線添加工藝

聚合工藝流程如圖1所示。本文在常規(guī)聚合的第二酯化釜前添加裝置G，用于加入少量的山梨醇，在終縮聚前添加裝置H，用于加入PEG。

注：A—PTA、EG配料；B—第一酯化；C—第二酯化；D—第一預(yù)縮聚；E—第二預(yù)縮聚；F—終縮聚；G—山梨醇在線添加裝置；H—PEG在線添加裝置；M—出料。圖1 20萬(wàn)t/a聚酯五釜簡(jiǎn)易流程圖Fig.1 Diagram of five polyester reactors of 200 000 t/a capacity

2.2 可控聚合工藝

聚酯的親水易染改性通常是在聚合過程中引入第三單體、第四單體。在共聚改性過程中，選擇PEG作為第三單體，山梨醇作為第四單體來制備高親水、易染色的共聚酯。PEG具有較長(zhǎng)的柔性脂肪鏈段和親水基團(tuán)醚鍵，可降低分子鏈的規(guī)整性，提高纖維的柔軟性和親水性[2-3]。山梨醇是具有6-羥基的多元醇結(jié)構(gòu)，吸水性超強(qiáng)，可改善纖維的親水性能和染色性能[4]。

對(duì)共聚酯中不同PEG分子質(zhì)量及PEG與山梨醇的添加量對(duì)共聚酯熔融紡絲性能的影響進(jìn)行了系統(tǒng)的研究[5-6]。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)PEG分子質(zhì)量為2 000，添加量不大于5%(對(duì)PTA的質(zhì)量)，山梨醇添加量不大于0.5%時(shí)，能夠穩(wěn)定生產(chǎn)出滿足后道紡絲對(duì)共聚酯性能指標(biāo)要求的共聚酯。

山梨醇在酯化率達(dá)到90%以上時(shí)添加是為了嚴(yán)格控制參與反應(yīng)的山梨醇的量的穩(wěn)定性。研究發(fā)現(xiàn)，山梨醇參與酯化的量會(huì)隨著反應(yīng)溫度、壓力等的波動(dòng)而變化。這是由于山梨醇的多羥基使反應(yīng)產(chǎn)生較大的空間位阻，使得酯化的羥基存在隨機(jī)性。隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，共聚酯到達(dá)終縮聚F時(shí)的攪拌功率會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)增加，所以要嚴(yán)格控制反應(yīng)條件和停留時(shí)間，以免因黏度突然增加造成攪拌故障而停車，影響正常生產(chǎn)。

20萬(wàn)t/a聚合釜生產(chǎn)共聚酯與常規(guī)聚酯的基本指標(biāo)如表1所示。指標(biāo)穩(wěn)定的共聚酯是下游紡絲及紡織品織造質(zhì)量的必要保證，所以，要對(duì)共聚酯的質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格的控制，使其特性黏度、二甘醇含量、端羧基含量等指標(biāo)能夠穩(wěn)定、不波動(dòng)。

表1 共聚酯的指標(biāo)測(cè)試結(jié)果Tab.1 Test results of copolyester indexes

3 共聚酯熔體輸送

3.1 共聚酯長(zhǎng)距離輸送的理論模型

在聚酯直紡中，熔體輸送是采用多分支管道來進(jìn)行的，其最基本的要求就是保證熔體質(zhì)量均一、穩(wěn)定。一般用壓力降(△P)、熔體特性黏數(shù)降(△η)、熔體溫度降(△T)、熔體停留時(shí)間(t)來衡量熔體在輸送管線中的熱降解程度[7]。熔體直紡生產(chǎn)過程中需縮短熔體在輸送管道中的停留時(shí)間，降低熔體的黏度降，減少黏度的波動(dòng)，提高熔體的可紡性[8]。

由于輸送距離遠(yuǎn)，大容量熔體輸送系統(tǒng)的熔體降解是最大難題。熔體輸送不僅要經(jīng)過管道，同時(shí)還要經(jīng)過增壓泵、熔體過濾器等部分，而每個(gè)部分對(duì)△P、△T、t、△η的影響是不同的，因此，需要通過建立數(shù)學(xué)模型來對(duì)熔體在不同部分的△P、△T、t、△η進(jìn)行模擬，得出輸送過程中對(duì)其影響最大的因素。

管道模型的計(jì)算公式[9-10]為

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：L為管道長(zhǎng)度；d為管道直徑；G為管道流量；T為熔體溫度；V為熔體流速；ρ為熔體密度；△P為壓強(qiáng)降；μ為流動(dòng)黏度；Cp為比熱；η0為初始黏度；k為降解速率常數(shù)。

增壓泵在工作時(shí)，△P與紡絲箱體入口壓強(qiáng)聯(lián)動(dòng)，并反饋控制增壓泵轉(zhuǎn)速，因此，△P、△T、t、△η與增壓泵熔體流速Vvz和增壓泵轉(zhuǎn)速Rev相關(guān)，其模型計(jì)算公式[11]為

△P=0.473×Rev

(5)

△T=-3.973+0.296×Rev

(6)

(7)

△η≈0

(8)

熔體過濾器內(nèi)部由濾芯腔體和濾芯內(nèi)部毛細(xì)管組成。濾芯腔體中△P、△T和△η的變化與管道中相同，可參考對(duì)應(yīng)公式(1)、(2)和(4)，t的模型計(jì)算公式為

(9)

式中，Vvq為熔體過濾器中的熔體流速。

在濾芯內(nèi)部毛細(xì)管中，熔體t≈0，因此△η≈0，而△P和△T同管道模型計(jì)算公式(1)和(2)。

3.2 共聚酯熔體輸送影響分析

在實(shí)際生產(chǎn)中，20萬(wàn)t/a聚合裝置有384個(gè)紡絲位，而每個(gè)紡絲位有10～12個(gè)紡絲箱體。圖2示出熔體從聚合釜到紡絲箱體所經(jīng)過的各管道、增壓泵、熔體過濾器、三通閥的簡(jiǎn)圖。

圖2 熔體輸送管道走勢(shì)簡(jiǎn)圖Fig.2 Diagram of trend of melt transportation pipeline

熔體輸送過程中，△P、△η、△T和t值必須用上述管道模型結(jié)合實(shí)際管道參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。表2示出輸送管道結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括每段管道的流量、長(zhǎng)度和直徑。另外熔體輸送的初始黏度η0為0.641dL/g，熔體溫度T0為285 ℃，初始熔體壓強(qiáng)P0為13.35MPa，大循環(huán)熱媒溫度Tsb為278 ℃，小循環(huán)熱媒溫度Tss為269 ℃。將管道結(jié)構(gòu)參數(shù)和初始熔體數(shù)據(jù)代入管道模型、增壓泵模型和熔體過濾器模型對(duì)熔體輸送進(jìn)行模擬，可分別得到輸送過程中△η、△T、t所受影響的關(guān)系式(10)～(12)。

(10)

(11)

(12)

由式(10)可知，△η主要受到η0、T0、Tsb的影響。從權(quán)重來看，T0的影響無疑是最大的，因此，要控制△η小于0.02dL/g,應(yīng)首先降低T0，其次，較低的η0和Tsb也對(duì)△η的降低有利。其原因可能是，T0增加，在輸送過程中降解增大，導(dǎo)致△η增大。由式(11)可知，△T主要受到η0、T0、Tsb的影響。從權(quán)重來看，首先是T0，其次是η0和Tsb。其原因可能是T0增加，一方面是與Tsb的溫差增加，熱交換速率加大，T0下降更快；另一方面T0升高，熔體黏度下降，熔體流體阻力下降，導(dǎo)致△T上升。由式(12)可知，t主要受G和設(shè)備參數(shù)的影響。

表2 熔體輸送管道結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2 Structure parameters of melt transportation pipeline

4 共聚酯熔體的紡絲

4.1 噴絲板的設(shè)計(jì)

棉纖維是典型的多層狀帶中腔結(jié)構(gòu)，使棉纖維具有細(xì)長(zhǎng)柔軟、隔熱耐熱等性能[12]。仿棉聚酯纖維不僅要在結(jié)構(gòu)上改性提高自身親水性和可染色性，在纖維形態(tài)上也要改變以獲得類似棉纖維的手感。本文設(shè)計(jì)了十字/中空噴絲板，如圖3所示，十字形噴絲孔在噴絲板最外圈，中空噴絲孔在噴絲板內(nèi)部。所紡制纖維的形態(tài)與棉纖維的截面結(jié)構(gòu)很類似，性能上既具有中空纖維的保暖性和蓬松性，又具有十字形纖維的吸濕排汗性，而且比市場(chǎng)上同類產(chǎn)品的價(jià)格更便宜。

圖3 十字/中空噴絲板示意圖Fig.3 Schematic of cross/hollow spinneret

4.2 紡絲及后加工

4.2.1 紡絲工藝與異形度

熔體直紡的紡絲工藝主要包括紡絲組件、紡絲溫度、冷卻吹風(fēng)及上油等幾個(gè)方面。對(duì)于異形仿棉共聚酯纖維來說，除調(diào)整紡絲工藝實(shí)現(xiàn)其可加工性外，還要考慮異形纖維紡絲參數(shù)對(duì)異形度的影響。異形度主要的影響因素是噴絲板微孔的設(shè)計(jì)，另外紡絲溫度、吹風(fēng)風(fēng)速、紡絲速度對(duì)其也有影響。

圖4示出十字/中空噴絲板紡制的異形纖維的異形度與紡絲工藝的關(guān)系。可以看出：共聚酯纖維的異形度隨著紡絲溫度的升高而減??；隨著冷吹風(fēng)風(fēng)速的增大而升高；隨著冷吹風(fēng)距離的增加而減小，隨著紡絲速度的增加而提高。因此，紡絲過程中要嚴(yán)格控制工藝，保證共聚酯纖維的異形度。

4.2.2 紡絲質(zhì)量控制

共聚酯紡絲過程中，不僅是紡絲工藝滿足性能指標(biāo)的要求，紡絲質(zhì)量的穩(wěn)定也是至關(guān)重要的。

圖4 紡絲工藝對(duì)共聚酯纖維異形度的影響Fig.4 Influence of spinning process on degree of profile of co-polyester fiber. (a) Melt temperature; (b) Velocity of cold blow; (c) Distance of cold blow; (d) Take-up speed

如表3所示，共聚酯POY紡制過程中常見的質(zhì)量問題主要有條干不勻率、沸水收縮率、動(dòng)態(tài)熱拉伸應(yīng)力及其變異系數(shù)(CV值)。一般情況下，條干不勻率會(huì)使后加工染色不勻；沸水收縮率由于不穩(wěn)定使紡織品風(fēng)格不穩(wěn)定；動(dòng)態(tài)熱拉伸應(yīng)力及其CV值也影響后加工穩(wěn)定性，使織造過程中出現(xiàn)毛絲、僵絲、斷頭、退繞不暢等問題，并會(huì)出現(xiàn)面料的色差和起橫問題，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量和消費(fèi)者的使用，因此，紡絲過程中要在穩(wěn)定紡絲工藝，定期維護(hù)和保養(yǎng)設(shè)備，堅(jiān)持培養(yǎng)員工的質(zhì)量意識(shí)，嚴(yán)格把控檢測(cè)等幾個(gè)方面狠抓落實(shí)，以減少產(chǎn)品的質(zhì)量問題。

表3 共聚酯POY內(nèi)在質(zhì)量的常見問題與表現(xiàn)及原因Tab.3 Common questions, manifestations and reasons of internal quality of copolyester POY

4.2.3 牽伸假捻工藝

牽伸假捻中，假捻器形式、牽伸倍數(shù)、網(wǎng)絡(luò)壓力等對(duì)共聚酯纖維性能有影響。表4示出牽伸倍數(shù)對(duì)共聚酯纖維特性指標(biāo)的影響。隨著牽伸倍數(shù)的提高，其斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率略有下降，襪帶染色的均勻性也下降。主要原因是，隨著牽伸倍數(shù)的增加，共聚酯纖維的取向和結(jié)晶程度升高。而牽伸倍數(shù)為1.65時(shí)斷裂強(qiáng)度下降，這是因?yàn)檫^牽伸出現(xiàn)了毛絲。

表4 牽伸倍數(shù)對(duì)纖維特性指標(biāo)的影響Tab.4 Influence of drawing ratio on fiber performance indexes

表5示出假捻器對(duì)共聚酯纖維性能的影響。由表可知，無論是斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率還是染色性能，皮圈式假捻器要比疊盤式假捻器更高。因此，采用皮圈式假捻器更容易得到性能較好的共聚酯纖維。

表5 牽伸假捻工藝中假捻器形式對(duì)纖維性能的影響Tab.5 Influence of twister on fiber performance in process of drawing and false twisting

5 結(jié) 論

1)引入第三單體PEG和第四單體山梨醇實(shí)現(xiàn)了共聚酯的親水性和可染性改性。在20萬(wàn)t/a的聚合釜中，通過優(yōu)化添加工藝，將山梨醇在第一酯化后加入，PEG在終縮聚前加入，獲得了指標(biāo)合格且穩(wěn)定的仿棉共聚酯。

2)在共聚酯熔體輸送過程中，引入管道模型進(jìn)行模擬，得出影響△η、△T的主要因子是T0、η0、Tsb，其中T0是相對(duì)權(quán)重較高的因素，因此，在輸送過程中可適當(dāng)改變T0、η0、Tsb來對(duì)△η、△T進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3)設(shè)計(jì)使用中空和十字復(fù)合噴絲板，共聚酯纖維既具有蓬松保暖性，又具有吸濕排汗性。共聚酯纖維的異形度隨紡絲溫度的升高而升高，隨冷吹風(fēng)速度的增大而升高，隨冷吹風(fēng)距離的增加而減小，隨紡絲速度的增加而提高。在生產(chǎn)中應(yīng)通過加強(qiáng)質(zhì)量意識(shí)，嚴(yán)格把控檢測(cè)等來穩(wěn)定質(zhì)量，此外，牽伸假捻過程中牽伸比和假捻器的類型都對(duì)共聚酯纖維性能有影響。FZXB

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Cotton-like co-polyester fiber industrialization in melt direct spinning of ultra-high capacity

LI Longzhen, XU Jinlong, MIAO Guohua, WANG Baojian

(DevelopmentDepartment,ZhejiangHengyiNewHigh-TechMaterialsCo.,Ltd.,Hangzhou,Zhejiang311200,China)

In order to solve the difficulties in fiber industrialization of the cotton-like co-polyester in melt direct spinning of 200 000 t/a capacity, the technology of controllable polymerization, the simulation of melt transportation and the process of spinning and drawing of copolyester were studied. The fourth monomer sorbitol was added after first esterification reaction and the third monomer PEG was added before the final polycondensation reaction to produce stable copolyester with indexes meeting requirements; and by the simulation of the long-distance melt transportation, it was found that changes of the melt temperature, melt viscosity and the primary hot temperature would affect the melt viscosity drop and the melt temperature drop in the melt transportation process; and the degree of profiles would be controlled by using the cross/hollow spinneret and adjusting the melt temperature, cold blow and take-up speed. The nip twister was used in the false twisting process, thus the obtained cotton-like co-polyester fibers were stable and high in quality.

cotton-like co-polyester； melt direct spinning; melt transportation； degree of profile

10.13475/j.fzxb.20151204006

2015-12-29

2016-04-02

浙江省重大科技專項(xiàng)重大工業(yè)項(xiàng)目(2013C01061)

李龍真(1987—)，男，工程師，碩士。研究方向?yàn)榫埘ゼ捌淅w維改性。E-mail：llz0820@126.com。

TQ 342.21；TS 154

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