蔣 宏,張 斌,張 磊
(連云港杜鐘新奧神氨綸有限公司,江蘇 連云港 222000)
目前,氨綸絲的生產(chǎn)過程是通過聚醚二醇(PTMG)和二苯基甲烷二異氰酸酯(MDI)聚合反應(yīng)生成可以使用的聚合體原液,然后通過移送泵、計(jì)量泵,再經(jīng)過紡絲組件的噴絲板將氨綸聚合體原液擠壓出去,經(jīng)過甬道,最后通過卷繞機(jī)紡制成很細(xì)的氨綸絲制品。在氨綸絲的生產(chǎn)過程中,氨綸聚合體原液通過噴絲板中的微孔轉(zhuǎn)變成細(xì)流,再經(jīng)過甬道熱風(fēng)吹干固化成絲條,通過卷繞機(jī)完成卷裝。
噴絲板作為組件的重要部分之一,對紡絲操作性能和產(chǎn)品質(zhì)量至關(guān)重要[1-2]。本研究重點(diǎn)研究了噴絲板設(shè)計(jì)、微孔流動機(jī)理及其對紡絲操作性能的影響,同時列出了噴絲板的幾種缺陷和成因。
(1)粗糙度:微孔處0.1 μm,導(dǎo)流孔處0.4 μm,氨綸生產(chǎn)過程對噴絲板光潔度的要求非常高,這就要求工作人員平時注意噴絲板鏡面磨損情況。(2)材質(zhì):不銹鋼SUS316,需要耐腐蝕并且具有很好的可加工性能。
氨綸絲從噴絲板微孔中擠出成形,內(nèi)應(yīng)力發(fā)生變化,剛出噴絲板時,由于應(yīng)力來不及消失,出現(xiàn)出口脹大現(xiàn)象,其物理形態(tài)和幾何形態(tài)均發(fā)生變化。由圖1可以看出,氨綸聚合體原液進(jìn)入噴絲板后,分別產(chǎn)生了入口效應(yīng)、孔流效應(yīng)、出流脹大效應(yīng),在整個過程中,任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題,都會影響氨綸絲的操作性能和絲卷指標(biāo)。
圖1 微孔流動示意
氨綸聚合體原液在噴絲板微孔中流動時存在徑向速度梯度,即中心處速度快、孔壁處速度慢,這個過程對微孔內(nèi)壁光潔度要求很高,如果微孔出現(xiàn)劃痕,很容易出現(xiàn)并絲、掛絲、螺旋絲、粗細(xì)絲等。
當(dāng)氨綸聚合體原液進(jìn)入噴絲板微孔時,由于剪切力的作用,內(nèi)聚力突然增大,但當(dāng)其出紡絲孔時,剪切力迅速降低,壓力下降,這種出口現(xiàn)象會導(dǎo)致噴絲板鏡面出現(xiàn)脹大現(xiàn)象,直徑超過噴絲板微孔的2~3倍。如果此時噴絲板微孔附近出現(xiàn)豁口、鏡面磨損、微孔缺損等,就會出現(xiàn)操作性能異常。
當(dāng)噴絲板微孔內(nèi)部空間偏大時,氨綸聚合體原液通過噴絲板產(chǎn)生的內(nèi)聚能不足以讓分子間的鍵全部打開,無法形成有序的張力,在高速紡織過程中會出現(xiàn)斷絲,從而無法進(jìn)行多孔絲生產(chǎn)[3-5]。
根據(jù)聚合體在微孔中流動特性的分析可知,增大長徑比有助于彈性能的松弛,減小出口處的壓力和膨化,紡絲相對穩(wěn)定。
當(dāng)噴絲板存在缺陷時,會對紡絲操作性能和絲的質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重的影響[6-7],以下是噴絲板經(jīng)常出現(xiàn)的缺陷及成因:(1)孔口喇叭、孔口缺,原因是高溫環(huán)境、鏟板、超聲振蕩。(2)微孔變形,原因是使用年限長。(3)微孔邊緣劃傷、鏡面劃痕,原因是噴絲板組裝、拆卸操作不當(dāng)以及存放環(huán)境不當(dāng),如使用較堅(jiān)硬的工具拆卸噴絲板、噴絲板接盤中有鐵屑等異物。(4)孔口通傷。如果使用的通針較為堅(jiān)硬,硬度大于噴絲板材質(zhì),用力過猛會使噴絲板微孔壁上產(chǎn)生劃痕。
目前,常用濾芯、濾網(wǎng)的過濾材料都是金屬燒結(jié)氈,是由一定細(xì)度的金屬絲通過雜亂無序的排列形成細(xì)小的微孔,并且當(dāng)多個纖維層組合在一起時,更多的金屬絲相互纏繞,形成許多微小孔徑,可以起到過濾效果,過濾效率達(dá)99.9%,若使用表面或深層介質(zhì),效率會更高[8-9]。
當(dāng)金屬燒結(jié)氈干凈時,過濾流體通過燒結(jié)氈,流體中的雜質(zhì)會被留在金屬微孔間,使金屬燒結(jié)氈中的微孔變小,隨著滲流的繼續(xù),流體主要沿著法向的孔道運(yùn)動,這時過濾材料阻力相對穩(wěn)定。本階段實(shí)際上比較短暫,很快就會結(jié)束。
隨著流體的不斷增加,留在燒結(jié)氈中的雜質(zhì)越來越多,金屬燒結(jié)氈孔隙變得越來越小,甚至逐漸被堵塞,過濾面積逐漸減小,形成濾餅,構(gòu)成新的過濾層。在這種狀態(tài)下,流體的過濾效果提高,但過濾阻力也不斷增大。因此,在氨綸生產(chǎn)過程中,噴絲板、過濾網(wǎng)更換的前期,過濾效果和穩(wěn)定性不是最好的狀態(tài),一般情況下,組件更換7~14天過濾效果最好,隨著時間的延長,噴絲板、過濾網(wǎng)堵塞會變得嚴(yán)重,這時會影響氨綸絲的操作性能,出現(xiàn)并絲、掛絲、卷重偏輕等異常情況。
金屬燒結(jié)氈有報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn),在氨綸絲的日常生產(chǎn)過程中,過濾器的壓力隨著時間的延長不出現(xiàn)明顯變化可能是由于金屬燒結(jié)氈的過濾精度發(fā)生變化。檢驗(yàn)金屬燒結(jié)氈過濾精度的方法是冒泡實(shí)驗(yàn),依據(jù)是毛細(xì)管表面張力原理:氣泡通過孔隙所需壓力與孔徑大小成反比,冒泡壓力越小,最大孔徑越大。通過群泡點(diǎn)判斷金屬燒結(jié)氈的過濾效果,通過初冒泡點(diǎn)壓力判斷金屬燒結(jié)氈的最小過濾精度。
濾芯作為重要的過濾材料,對紡絲的操作性能和產(chǎn)品質(zhì)量起到至關(guān)重要的作用,通過以上分析可知,需要對濾芯進(jìn)行日常管理:(1)嚴(yán)格執(zhí)行過濾器切換程序,由于壓力升高,到期的過濾器會使一些小的凝膠顆粒通過過濾器,超過極限差壓,甚至?xí)p壞過濾器,使其失去過濾作用。(2)嚴(yán)格按照過濾器清洗和檢測程序,必須做到濾芯稱重,通過安排冒泡實(shí)驗(yàn)抽檢,確保過濾器過濾效率和使用壽命。(3)對五層金屬燒結(jié)氈濾網(wǎng)進(jìn)行抽檢,因?yàn)椴煌蔚臑V網(wǎng)厚度有所不同,對過濾效率、使用周期、壓差有影響,應(yīng)盡量保證按同一批次使用。(4)由于濾芯的流阻特性,應(yīng)盡量保證同一品種紡前過濾器的使用周期相同,由于壓降差異大,對絲的質(zhì)量有影響。
在生產(chǎn)過程中,氨綸聚合體黏度會發(fā)生變化,此時氨綸聚合體原液會在管道輸送過程中產(chǎn)生內(nèi)部壓力的變化,可以通過伯努利流動方程消除不同原液黏度在運(yùn)輸過程中對氨綸絲生產(chǎn)的影響。
對不可壓縮流體,伯努利方程如下:
在實(shí)際生產(chǎn)過程中,氨綸絲卷重是重要質(zhì)量指標(biāo)之一,影響氨綸卷重的因素有很多,如氨綸原液輸送、管內(nèi)流動(圖2)。
圖2 紡絲組件生產(chǎn)示意
氨綸聚合體原液利用增壓泵通過原液管道內(nèi)輸送到各個生產(chǎn)工位,進(jìn)入紡絲計(jì)量馬爾泵之前需經(jīng)過原液管線和紡絲過濾器,經(jīng)過馬爾泵計(jì)量之后,需經(jīng)過原液管線、五層濾網(wǎng),通過噴絲板進(jìn)入紡絲甬道。
由伯努利流體流動方程可知,當(dāng)氨綸原液的黏度發(fā)生變化時,聚合體原液在管道內(nèi)的流動阻力發(fā)生變化,對氨綸絲卷重有很大影響。由圖3可知,當(dāng)紡絲原液黏度增加時,氨綸絲卷重減小。在其他條件不變的情況下,當(dāng)原液黏度為6 000 P(600 Pa·s)時,氨綸絲卷重為525 g;當(dāng)原液黏度增加至7 000 P(700 Pa·s)時,氨綸絲卷重減小到518 g。
圖3 不同黏度下的氨綸絲卷重
根據(jù)伯努利方程和阻力產(chǎn)生的原理可知,主管線末端壓力穩(wěn)定在38 kg,p1、u1不變;z1(馬爾泵高度)、z2(組件高度)的相對位置不變;產(chǎn)生Σhf的主要元件有紡前過濾器、金屬軟管、五層濾網(wǎng)、噴絲板微孔;原液出噴絲孔后的壓力p2為0,當(dāng)紡絲原液黏度增加時,Σhf變大,u2變小,所以會出現(xiàn)卷重偏小、絲偏細(xì)的現(xiàn)象[10]。
因此,控制氨綸絲卷重穩(wěn)定性的方法有組件清洗、黏度控制、上油率穩(wěn)定等。
(1)噴絲板的微孔設(shè)計(jì)對氨綸紡絲生產(chǎn)操作性能有很大影響,需要尋找合適的噴絲板微孔規(guī)格以滿足氨綸的生產(chǎn)要求。
(2)噴絲板的存放與使用對氨綸絲的品質(zhì)有較大影響,需要在日常生產(chǎn)中注意保護(hù)氨綸噴絲板。
(3)需要加強(qiáng)氨綸濾芯的日常使用與管理,遵循濾芯的過濾特性。
(4)在日常生產(chǎn)中,需要盡量保持原液黏度的穩(wěn)定,否則會對氨綸絲卷重有較大影響,進(jìn)而影響氨綸絲的后道使用性能。