吳金亮, 王鐵軍, 孫 福, 吳維光, 張逢書, 宋 峰, 黃志超

(1.榮盛石化股份有限公司,杭州 311247; 2.浙江理工大學 材料科學與工程學院,杭州 310018; 3.浙江盛元化纖有限公司,杭州 311247)

隨著經濟的發(fā)展,大眾對服裝的舒適性及美觀方面的需求不斷提高,常規(guī)的化纖產品不能滿足市場的需求。這樣就促使聚酯工廠的技術人員不斷地開發(fā)新的品種,其中粗旦少孔絲由于其特殊的光學效果、挺括的手感及較好的毛型效果而廣受市場好評。但隨著纖維單纖的逐漸增加,化學纖維的強度會降低,條干不勻率會逐漸變差[1-2]。條干不勻率是表征纖維線密度均勻性的重要指標,直接影響假捻的加工性能和染色性能[3-4],會造成假捻加工斷絲及染色出現(xiàn)色差和條紋等,因此聚酯長絲的條干不勻率是纖維內在性能的最重要指標之一。很多廠家在生產粗旦少孔類產品時會因為無法解決條干不勻率問題而受到客戶投訴,甚至退出這方面產品的市場競爭。本文以368.8 dtex/36 f粗旦少孔聚酯預取向絲(POY)為例,設計出合理的方案,解決聚酯纖維中粗旦少孔產品條干不勻率問題,從而為相關廠家提供參考。

1 試 驗

1.1 原料、設備、測試儀器

368.8 dtex/36 f粗旦少孔聚酯預取向絲(榮盛石化股份有限公司),自產PET熔體(特性黏度0.646 dL/g、熔點260.3 ℃),F-3451高速紡油劑(日本竹本油脂株式會社)。成套紡絲設備及側吹冷卻裝置(歐瑞康Barmag紡織機械有限公司),ACW615卷繞頭及成套卷繞設備(日本TMT機械株式會社),USTER-6條干測試儀(烏斯特技術有限公司)、KANOMAX風速儀(中測測試科技有限公司)、MQ-one 20型核磁共振紡絲油劑分析儀(德國BRUKER有限公司)。

1.2 工藝路線

PET熔體→熔體過濾器→靜態(tài)混合冷卻器→增壓泵→動態(tài)混合→熔體計量→紡絲組件→側吹風冷卻→油嘴上油→預網絡→導絲盤→卷繞成形→平衡間靜置→平衡24小時→DTY加工。

2 測試方法

2.1 風速測定

在側吹風網橫向自上而下15、25、55、85 cm處作四條平行橫線,縱向自左至右與每塊噴絲板的中心點對應下劃10直線與橫向四條直線正交形成40個交點,即為測點。采用熱敏風速風壓儀側量,接觸測點后直接顯示該點的風速和風溫。

2.2 條干不勻率的測量

采用UETER-6條干測試儀測試,根據(jù)國家標準GB/T 14346—2015《化學纖維 長絲條干不勻率試驗方法 電容法》,采用S轉向,絲條喂入速度為200 m/2 min、轉子速度為9 000 r/min的條件下測試長絲條干指標。

2.3 含油率測量

利用核磁共振波譜法測量,電磁發(fā)射源向纖維樣品發(fā)射脈沖磁場,當磁場取消時監(jiān)測試樣的回應磁信號。由于纖維發(fā)出的信號比纖維油劑發(fā)出的信號衰減快,從兩者的磁場脈沖衰減差異換算出測試樣品的含油率。

3 結果與分析

滌綸長絲生產中,從聚合到長絲的生產過程具有工藝流程比較長、涉及設備多、工藝參數(shù)復雜的特點,因此影響纖維內在品質的因素較多[5-6]。在整個流程中原料、設備、工藝條件等都會對條干不勻率產生影響。目前批量生產中,一般采用熔體直紡的工藝路線,往往幾十萬噸的熔體直供紡絲,因此就單個品種而言,紡絲很難通過改變熔體的品質來改善單個品種的聚酯預取向絲的條干不勻率。同時紡絲速度越快,單位時間內產量越高,對企業(yè)越有利,故紡絲速度要在合理的范圍內否則會影響產品品質。根據(jù)生產實踐,本文項目組把紡絲速度控制在3 200～3 400 m/min內,通過改善組件壓力、設計合理的側吹風結構和冷卻工藝參數(shù),改善上油系統(tǒng)、卷繞的預網絡壓力等方法來解決預取向絲的條干不勻率不良問題。

3.1 組件壓力的計算和選擇

聚合的熔體經增壓輸送后再經過精確計量進入組件,在組件內部熔體經過過濾、撕裂和分散等作用下建立合適的壓力從噴絲板中擠出[7-8]。裝配組件時,通過使用不同規(guī)格的濾網及金屬沙來調節(jié)組件的壓力。隨著組件使用時間的延長,組件內部濾材的效能會逐步下降,組件壓力會隨之上升,當上升的壓力與初始壓力的差值達到2 MPa時,生產狀況會變差,即達到組件使用時間的極限。因此,必須要考慮在組件上機時建立合適的初始壓力并尋找合適的組件更換周期。熔體流經組件對成品絲條干不勻率的影響集中在短波段。在熔體直紡過程中,增壓泵對熔體加壓輸送到組件之后產生較高的壓力,但這部分壓力需要克服組件內部產生的阻力。用下式表示：

p0=∑Pi

(1)

式中：初始壓力p0應為熔體經過分配板的壓降(P1)、經過各級濾材的壓降(P2)、經過金屬沙的壓降(P3)之和。

根據(jù)式(1)進行理論計算,在合理的范圍內設計幾組組件裝配方案上機試樣,然后測試條干不勻率,在根據(jù)組件上機成功率、條干不勻率情況、成品AA%等物理指標、生產指標選擇最優(yōu)的組合。

熔體流經組件時會經過分散、過濾、撕裂混合的過程,生產數(shù)據(jù)和測試數(shù)據(jù)顯示,這一過程往往會對纖維短波段的條干不勻率影響較大[9-10]。五組工藝條件上機紡絲后對纖維進行測試的條干不勻率數(shù)據(jù)如表1所示,當組件壓力在13.5 MPa時纖維條干不勻率最小,其波普圖顯示在短波段上已經基本沒有異常的波型。同時本文項目組對組件壓力為10.8 MPa、12.5 MPa時的波譜分析發(fā)現(xiàn),在短波段上有明顯紅色柱狀峰型,但14.5 MPa的組件壓力下的成品絲測試結果與13.5 MPa時波形基本一致,當組件壓力達到16 MPa時波普圖出現(xiàn)不良峰型。這表明,當組件壓力在13.5 MPa到14.5 MPa時條干不勻率較好。圖1為5組不同組件壓力的對應波譜圖。

表1 組件壓力與上機成功率、組件周期、條干不勻率值、生產狀況試驗數(shù)據(jù)Tab.1 Data of spin pack pressure and success rate, working time,yarn evenness and production status

圖1 不同組件壓力的條干不勻率波譜圖Fig.1 Spectral diagram of yarn evenness under different component pressures

結合表1的數(shù)據(jù)及波譜分析結果,當組件的上機壓力在13.5～14.5 MPa時,組件的上機成功率及使用周期都能夠滿足生產需求,同時能獲得良好的生產數(shù)據(jù),滿足工業(yè)化生產要求?？紤]到生產成本及生產過程的安全性,本文選擇組件壓力13.5 MPa進行擴量生產。

3.2 側吹冷卻系統(tǒng)設計

368.8 dtex/36 f粗旦少孔聚酯POY的單纖線密度過大,超出了常規(guī)品種的單纖度范圍,比表面積過小,不易冷卻[11-12]。如果使用常規(guī)的側吹風結構,當風速過大時吹風室內易形成湍流,絲束在紡程上產生抖動現(xiàn)象,從而使條干不勻率上升,甚至出現(xiàn)毛絲等疵品。風速過小,熔體細流在凝固過程中易受干擾,熔體細流的凝固速率太慢,同時凝固點下移,由于冷卻不夠,也會使絲束振動增大。因此,側吹風對368.8 dtex/36 f粗旦少孔POY的條干不勻率指標而言,是重要的影響因素之一。結合理論數(shù)據(jù)和生產實際,本文自主設計了側吹風冷卻系統(tǒng)。

3.2.1 側吹風冷卻系統(tǒng)的工藝流程

進風量調節(jié)→冷卻風過濾→冷卻風穩(wěn)壓→冷卻風整流→絲束冷卻→集束上油→導絲器→紡絲甬道。

3.2.2 側吹風窗的計算和設計

在熔融紡絲過程中,從熔體細流自噴絲板擠出到凝固點之前,會出現(xiàn)“拉伸共振”現(xiàn)象[13]。特別是在高速紡絲的過程中,因紡絲速度快、冷卻時間短更容易造成初生纖維振動,引起紡絲張力的波動。由于張力的波動,初生纖維進入紡絲甬道后會產生一定程度的晃動,因此側吹風結構的設計、側吹風速、風溫風濕的選擇都顯得十分重要。同時側吹風對條干不勻率的影響在條干不勻率波譜圖上主要表現(xiàn)在中波段上有紅色柱狀峰形,在質量曲線上表現(xiàn)為針狀毛刺較多、較密集。為盡量減少這種震動,初生纖維的冷卻凝固點和冷卻速率是影響該品種條干不勻率的關鍵因素之一,因此必須按一定速率把細流分段冷卻。查閱文獻可知,初生纖維的冷卻點到噴絲板的距離可按下式計算：

(2)

式中：d0為噴絲板孔徑,m;T0為熔體噴出溫度,℃;Tm為冷風溫度,℃;Tc為固化時溫度,℃;W為噴絲板單孔熔體擠出量,kg/h;n為噴絲板總孔數(shù),個;C為熔體的等壓熱容,kcal/(kg·℃);A為給熱系數(shù),kcal/(m2·℃·h)。

按照式(2)計算可知,Lk值在115～123 mm。

按照該品種冷卻風速特點,本文項目組自主設計整套側吹風裝置由調風裝置、帶過濾裝置的進風管、擴散室、整流吹風裝置、上油裝置、導絲裝置、左右側板、頂板、吹風室門、基礎板等組成。擴散室對下部吹進的空調冷卻風穩(wěn)壓、轉向均勻分布使冷卻風能均勻、穩(wěn)定的從垂直整流框吹出。本文項目組把風窗擴散室加大,同時對擴散室內的壓力自上而下風壓合理設計,使整流之前的預制壓力達到合理狀態(tài),如圖2所示。

現(xiàn)代化大生產中,除了考慮品質外,還需要考慮能源的節(jié)約。經過計算,最終把垂直整流框設計成獨特的五段式變風速整流冷卻模式,當風速吹出后,形成穩(wěn)定的“D”型分布。垂直整流框由兩層多孔板、兩層鋼絲網和一層蜂窩板組成,如圖3所示。冷卻風通過靜壓室、多孔板、蜂窩板、鋼絲網等得到充分的穩(wěn)壓,并在吹風面獲得均勻、穩(wěn)定的吹風效果,出風面同一水平線上的風速差異≤3%。日常生產中冷卻風會含有一定量的雜質,長期使用會污染側吹風導致側吹風均勻性變差,因此需要制定合理的清洗周期。

3.3 冷卻系統(tǒng)、上油系統(tǒng)、網絡系統(tǒng)的工藝條件

3.3.1 側吹系統(tǒng)影響因子的確立

側吹風冷卻系統(tǒng)對成品絲條干不勻率的影響主要集中在側吹風速、風溫及濕度的三個方面[14]。企業(yè)大生產一般由36紡位、48紡位或者更多的紡位組成生產線。一條生產線上配置一臺空調,由于客戶需求的多元化,無法做到一條生產線只生產368.8 dtex/36 f預取向絲這一個品種,因此無法單獨調節(jié)側吹風溫和濕度。但生產實踐表明,當側吹風溫在18～22 ℃,相對濕度在75%～85%時比較適合粗旦產品的生產。本文項目組設計的專用風窗,風速呈穩(wěn)定“D”型分布。風速自上而下先逐漸增大,距離風窗頂端30～35 cm時達到峰值,然后逐步降低。不同紡位的風速差異由風閥調解到一致,但同一紡位風窗的40點風速應定期測定,橫向同一高度10個測點的風速大小的標準差應在3×10-2以內。取風窗下方32 cm中間點作為風速標準點,測試了風速與條干不勻率的關系,從圖4曲線可知風速對條干不勻率的影響比較大需要單獨調整,因此把風速作為重要的影響因子之一。

圖3 整流框分段設計Fig.3 Sectional design drawing of the rectifier frame

圖4 側吹風風速與條干不勻率的關系Fig.4 Relationship between side blowing speed and yarn evenness

3.3.2 紡絲油嘴的選擇

聚酯紡絲生產中,初生纖維冷卻后必須要上油,聚酯預取向絲一般使用油嘴上油。對初生纖維上油的位置及上油率的高低會對纖維的條干不勻率產生很大的影響,從而影響假捻加工的穩(wěn)定性和產品品質[15]。由于該品種具有單纖粗、比表面積小及容易上油不勻的特點,生產這類特殊品種首先要選擇合適的油嘴,要求油嘴與絲條的接觸面的陶瓷經拋光處理后表面粗糙度應小于0.5 μm,接觸面還需要“犁地”處理工藝。合適的油嘴在上油過程中會使纖維以良好的速度均勻的覆蓋上一層油膜,達到減少摩擦阻力、降低紡絲張力、增加絲束的抱合性,減少絲束晃動的效果,同時在假捻加工的退繞工序形成穩(wěn)定的退繞張力。

油嘴的出油孔直徑及絲槽寬度,一般結合生產實際來確定,如下式所示：

dpf=(0.9×dpf0)/F

(3)

(4)

式中：dpf為單絲的旦數(shù),dtex;ρ為單絲密度,g/cm3;d為單絲直徑,μm。

根據(jù)式(3)(4)計算可知,生產該品種的出油孔的直徑應該在1.6～1.8 mm,絲槽寬度應該在2.1～2.3 mm。油嘴出油孔直徑及絲槽寬度確定后,還要考慮摩擦力及絲束的晃動情況。根據(jù)這樣的條件,本文項目組優(yōu)選了4種型號的油嘴在相同的油劑泵頻率、相同的油架高度條件下上機測試,發(fā)現(xiàn)在同等條件下1.6 mm、絲槽寬度為2.2 mm的京瓷油嘴,對368.8 dtex/36 f預取向絲這一個品種最為有利,如表2所示。隨著使用時間的延長,油劑會在油劑泵、油管、油嘴等位置產生腐敗物,嚴重的腐敗物會堵塞上油系統(tǒng),在實際使用中要定期巡檢上油系統(tǒng)并根據(jù)使用情況,制定合理的拆洗周期。同時油劑泵使用年份過長內部齒輪、泵板等結構會產生磨損,一般建議使用2年左右需要委托專業(yè)機構檢測,保證泵的內部結構完好。

表2 不同油嘴的上油效率、絲束穩(wěn)定性、條干不勻率數(shù)據(jù)Tab.2 Oiling efficiency, tow stability and yarn evenness data of different nozzles

3.3.3 油架的垂直距離、水平距離的確立

側吹風冷卻初生纖維時必須是定向、穩(wěn)定并自上而下的分段冷卻,所有單纖擁有穩(wěn)固的冷卻點,但在冷卻的過程中絲束會按一定的頻率擾動,震動越大對條干的影響越大。擾動的頻率按下式計算：

(5)

式中：P為紡絲張力,dyn;L為噴絲板到油架的距離,cm;M為單位長度絲束的質量,g/cm。

從式(5)可以看到,擾動頻率與噴絲板到油架的成反比關系,但紡絲張力平方根與擾動頻率成正比關系。如果初生纖維在冷卻之前為因為振動而引起纖度波動,其纖度波動與絲束的振動頻率及紡速存在如下關系：

(6)

式中：D為纖維的纖度,dtex;Y為振動頻率,hz;Δf為纖維的振幅,mm;V為紡絲速度,m/min。

從式(6)發(fā)現(xiàn),初生纖維纖度波動與纖維的振動頻率及振幅正相關。隨著纖維振動的增大,波動會隨之增大。因此要想改善POY原絲的條干不勻率,必須減小這種振動,特別是要避免纖維的共振造成條干的嚴重不良。

為了避免絲束與氣流的共振現(xiàn)象,本文通過改變噴絲板油架到距離(油架高度)、改變油架到側吹風窗的距離來避免共振,降低絲束擾動的頻率。一般情況下隨著油架垂直高度的下降,油架與側吹風窗的水平距離會隨之增大,側吹風與絲束的角度一般在13°左右,因此油架的高度是影響纖維條干的重要因子之一。

3.3.4 預網絡及壓力的選擇

網絡在368.8 dtex/36 f預取向絲的生產中起到重要作用[16-17]。網絡器是一種依靠內部特殊結構,經過高速氣流噴射形成渦旋式流動,在氣流的帶動下使纖維表面的上油更加均勻,同時在氣流握持力的作用下增大纖維絲束的抱和力,進而使條干不勻率明顯降低。不同的網絡壓力會產生不同勻油效果和抱和效果,因此網絡壓力也是影響條干不勻率的重要因子之一。但是不同的網絡品種在同一壓力的作用下,產生的網絡效果和能源消耗存在很大差異,因此必須進行優(yōu)選,通過測試選出最佳,如表3所示。

表3 網絡耗氣量和網絡個數(shù)對比Tab.3 Comparison of air consumption and number of networks

通過表3的測試和計算,在0.2 MPa的管道輸入壓力下,4種網絡器的耗氣量和網絡個數(shù)存在一定的差異。耗氣量越低,能源的消耗就越少,同時兼顧網絡效果,本文項目組選擇AWA1.4作為該品種的網絡器。實際生產中隨著使用時間的延長,壓縮空氣會污染網絡,因此必須定期巡檢網絡的出風狀況,制定合理網絡清洗周期,周期性清洗網絡以保證網絡的使用效果。

3.4 確立冷卻系統(tǒng)、上油系統(tǒng)、網絡系統(tǒng)的工藝條件

由3.3可知,影響368.8 dtex/36 f預取向絲條干不勻率的因素有很多,包括硬件的設計和工藝條件的選擇。在硬件設計符合要求的前提下,本文項目組篩選出影響368.8 dtex/36 f預取向絲預向絲最主要的工藝條件,包括側吹風風速、油架的高度、上油率、網絡度4個主要的影響因子。通過運算,在合理范圍內針對這4個因子設計6組試驗方案,如表4所示。

表4 冷卻系統(tǒng)、上油系統(tǒng)、網絡系統(tǒng)對條干不勻率的影響Tab.4 Influence of the cooling system, oiling system and network system on yarn evenness

表4數(shù)據(jù)表明,第四組、第五組工藝條件都能獲得良好的條干不勻率數(shù)據(jù)并且假捻加工的優(yōu)等品率達到92%以上。但是在實際的工業(yè)化生產中,在保證生產穩(wěn)定、品質優(yōu)良的前提下還要考慮節(jié)約能源、降低成本和設備產期運行的穩(wěn)定性。對比第五組工藝條件,第四組條件在降低成本方面存在明顯優(yōu)勢,所以在實際生產中選擇側吹風速0.6～0.65 m/s,油架高度130 mm,上油率0.35%,網絡壓力0.1 MPa,此時條干不勻率達到了較好的水準,假捻加工狀況良好。

4 結 論

本文項目組利用工廠現(xiàn)有設備,通過理論計算和生產實踐相結合的方法,優(yōu)化紡絲組件配方,優(yōu)選紡絲油嘴、網絡,自主設計了側吹風冷卻系統(tǒng),生產368.8 dtex/36 f粗旦少孔聚酯預取向絲(POY)。主要結論如下：

1) 通過試驗數(shù)據(jù)及波普圖分析可知,當組件的上機壓力在13.5～14.5 MPa時,成品絲可以獲得良好的條干不勻率數(shù)據(jù),組件的上機成功率、使用周期都滿足生產需求,同時生產數(shù)據(jù)優(yōu)良。

2) 結合368.8 dtex/36 f粗旦少孔聚酯預取向絲的產品特點,通過理論計算和生產實踐自主設計了側吹風冷卻系統(tǒng)。經檢驗測試,出風面同一水平線上的風速差異≤3%,使用良好。

3) 根據(jù)理論計算和生產實踐篩選最適合的油嘴、網絡,并設計了6組試驗方案。通過試驗結合測試分析結果,得出當側吹風速0.6～0.65 m/s,油架高度130 mm,上油率0.35%,網絡壓力0.1 MPa,可以獲得良好的條干不勻率,滿足假捻的加工需求。

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