熔体直纺半消光涤纶短纤维纺丝工艺探讨

余宗哲，解项东，李长龙

（1.新凤鸣江苏新拓新材有限公司，江苏 徐州 221400；2.安徽工程大学，安徽 芜湖 241000）

2017年“禁废政策”实施后，涤纶短纤维行业迎来了“春天”，盈利水平位居涤纶产品之首，吸引了一批规模化、一体化大型装置相继投产[1]，导致涤纶短纤维产品同质化严重，企业竞争恶化，供应过剩，盈利能力不断被弱化。因此，企业迫切需要对产品进行转型升级，朝着质量稳定、绿色环保、功能性优异、高附加值的差别化方向发展。差别化涤纶短纤维对纺丝工艺提出了更高的要求[2]，目前，国内很多企业面临工艺技术及人才的壁垒，差别化产品的生产明显不足。因此，熔体直纺涤纶短纤维在品质与纺丝工艺技术的配套上仍具有进一步研究的空间[3]；纺丝工艺参数的正确选定与优化是短纤维获得优良品质的保证，可提高生产的平稳性和后加工性能。

本研究探讨了熔体输送、纺丝成形、冷却固化、上油给湿、卷绕往复等工艺的过程与原理，分析了其对品质、纺丝生产的作用机理，以便于对纺丝参数的优化改进，为研发高端化、智能化、绿色化短纤维提供了参考。

1 生产设备与工艺

1.1 原料与生产设备

精对苯二甲酸（PTA），工业级；乙二醇（EG），工业级；乙二醇锑，优级纯；二氧化钛（化纤），优级纯；聚对苯二甲酸乙二醇酯（Polyethylene Terephthalate，PET），半消光，纤维级。

采用熔体直纺生产工艺路线，聚合设备为生产能力1 600 t/a“一头两尾”五釜工艺流程装置，熔体输送采用瑞士Maag增压泵；纺丝设备为Neumag（德国钮马格）全套纺丝设备，采用0.23 mm×0.46 mm规格6800孔大板径喷丝板，中心环吹冷却，油环和油嘴上油；油剂为竹本166/974油剂（日本）；卷绕设备为八辊牵引机（德国纽马格）。

1.2 聚酯熔体品质指标

经过聚合后输送的熔体主要品质指标如表1所示。

1.3 纺丝工艺流程

熔体直纺半消光短纤维纺丝工艺流程如图1所示。

图1 纺丝工艺流程

2 讨论

2.1 熔体输送

聚合工段将具有特定黏度和温度的熔体过滤后，通过夹套管输送到前纺车间三通阀处，熔体被三通阀分成两股并分配至增压泵前；经增压泵齿轮加压以后，熔体依次经过熔体冷却器、六通分配管进入各箱体针型阀，流向各纺位计量泵处。液相热媒（氢化三联苯）、气相热媒（联苯和联苯醚）沿着夹套管壳层逆熔体流向分段循环，从而对输送的熔体进行伴热；熔体主管道、主管静态混合器由液相热媒（大循环）进行伴热，增压泵后熔体冷却器也由液相热媒（小循环）进行伴热，六通后熔体支管、支管静态混合器及纺丝箱体由3个气相联苯炉产生的联苯蒸汽分别进行伴热[4]。通过增压泵自动调节齿轮的转动，确保了熔体输出的精准及熔体管道和计量泵入口压力的恒定；熔体冷却器和主支管静态混合器不仅调节了管线温度，更使熔体获得了均匀、稳定的质量。

熔体管线输送工艺参数主要有熔体特性黏度、计量泵后熔体压力和熔体管线温度、熔体输送时长等；生产参数的选定与优化需结合短纤维的品种规格、纺线产能、设备状况进行有针对性的调控。熔体特性黏度用来表征聚对苯二甲酸乙二醇酯熔体中分子质量的大小和分布，其对纺丝成形的顺利与否、短纤维原丝的可纺性、原丝生产纺况、后加工性能都有极其关键的作用，特性黏度大，则熔体中大分子链链节增加、链长增加，分子质量变大，分子链易杂糅在一起，取向度减小，后牵伸加工倍率增加；反之特性黏度过小，则组件喷丝孔中流出的熔体细流成形困难，发脆易断。特性黏度的均匀稳定性也是十分重要的指标，不均匀则表示熔体中含有的低聚物等杂质较多，纺丝生产状况较差，需及时采取切换聚酯熔体过滤器、强化组件过滤效果、优化调整大小循环热媒或联苯炉气相温度等措施，进而提高熔体均匀性。增压泵后熔体压力用来克服熔体爬升、流动到纺丝箱体计量泵前所需要的压力降，保持稳定是熔体输送的关键[5]。正常运转的产线需保证增压泵前熔体压力不低于20 kPa。为得到恒定的熔体挤出量，保证短纤维原丝纤度及CV指标的稳定性，一般控制增压泵后熔体压力为一定值。熔体管线温度直接影响熔体的流变性能，同时对单丝纤维成形固化、分子链的取向与结晶、后牵伸性能均有显著的影响。其温度的设定应从黏度、黏度降两个因素综合考虑，为降低熔体输送过程中的黏度降，采用大小循环两套液相热媒系统，利用不锈钢夹套管对输送熔体进行拌热，六通以后熔体分配管、针型阀、纺丝箱体等处的熔体温度是短纤维原丝工艺中重要的参数。该处熔体温度合适、受热均匀，使各纺位熔体的质量均匀，有利于纺丝成形，提升原丝强伸度。熔体输送时长即经酯化、缩聚后质量稳定的熔体从终聚釜输送泵输出到纺丝箱体针型阀前的经过时间，时间越短，则熔体黏度降和二甘醇（含量）的指标值越小，熔体色泽白亮，不易产生低分子挥发物和凝胶。时长的设定需综合考虑单线产量、熔体管线温度、黏度的控制范围等因素，对于已投产或安装的管线，时长与熔体密度成正比，与熔体的质量流量成反比。

2.2 纺丝成形

纺丝成形及固化如下：输送至各支管处的熔体通过针型阀进入箱体，再经过各纺位计量泵精确计量进入组件中，熔体细流被组件中的金属砂、金属网片过滤后，钻出喷丝板毛孔，形成获得特定截面形状的单根丝束，之后在中心环吹风和卷绕八辊牵拽作用下，丝束不断固化，最后凝固成初生纤维。

20世纪60年代初，波兰研究者Ziabicki等研究提出内聚破坏、毛细破坏两种断裂机理，对可纺性形成了一个完整的定义。聚对苯二甲酸乙二醇酯熔体属于非牛顿流体（黏弹性），具有松弛时间短、变形能消散快的特点，在较快的生产速度和极高形变比下，也不产生内聚断裂，所以其可纺性较为优异，在纺程上，剪切流动、单轴拉伸流动，熔体被挤出喷丝板毛细孔后，会出现膨大效应，其是纺丝成形过程的一个不确定因素[6]。出毛孔后膨大的程度一般用B（出孔后丝条最粗处的直径/组件喷丝孔直径）表示，聚对苯二甲酸乙二醇酯熔体B值在1.0～1.5，B值的影响因素有喷丝板孔径比、熔体在毛孔中的流速，熔体细流在毛孔中流速过快会造成应力松弛不完全，丝条膨大点远离喷丝板面，妨碍丝条的拉伸，造成丝束DVC指标偏大，丝条发脆易断，产生飘丝、毛丝现象。同时，B值增大，熔体细流易粘附在喷丝板面上，剥离性能减弱，板面变差，形成注头丝，不利于铲板与生产管理，直接影响短纤维原丝的质量。因此，只有将B值、膨大点距离调控在合理的范围内，才能保证熔体细流塑性状态下拉伸的均匀性、纺丝成形的顺利进行。熔体细流被喷丝板毛孔喷出后，在八辊牵引机的作用下进行稳态和连续的流动，细流直径越来越小，在加速度的作用下，速度逐渐加快，并趋向或接近卷绕速度。从喷丝板毛孔到卷绕点的整个纺丝路径依次可分为3个区域：挤出膨大区、形变区（拉伸区）、固化丝条行走区。其中，形变区是熔体细流沿纵向进行拉伸形变的关键区域，是丝条内部结构形成的主要区域[7]。在一定计量泵转速下，卷绕张力随卷绕速度的加快而线性增加；卷绕张力对纺丝工艺较为敏感，八辊速度和计量泵转速的变化、环吹出风条件和熔体流变性能的变化都能使其产生变动，所以纺丝成形工艺的稳定性可以用卷绕张力表征。从喷丝板中挤出的熔体细流在成形、固化的过程中，需要与周围介质进行大量的传热，其存在轴向、径向两个方向的温度变化，丝条轴向方向温差较大，在200 ℃以上。聚酯熔体从喷丝板毛孔到固化点这段距离内的热交换状况直接影响涤纶短纤维原丝的取向和结晶，进而影响原丝后加工性能和涤纶短纤维制品质量。

涤纶短纤维的结构性能取决于熔体性能、纺丝、牵伸、热定型等，而纺丝成形工序得到的“卷绕丝”结构直接影响短纤维成品丝的质量。“卷绕丝”结构是由热传递、熔体动力学在纺程上共同作用的结果，其形成与发展可以用纺程上大分子链的取向度与结晶度体现。熔体高聚物纺丝过程的取向作用机理如下：熔体在喷丝板毛孔中的剪切流动取向、熔体细流在黏流态时的拉伸流动取向和在固化区时的形变取向，而“卷绕丝”结构的取向度基本源于纺程上的拉伸流动取向，影响取向的因素主要有卷绕速度、环吹出风条件、卷绕张力、喷丝头拉伸比等，加快卷绕速度，有利于高聚物取向度、结晶度的提高，但过高的取向度与结晶度阻碍了丝束后加工的顺利进行。

2.3 冷却固化

熔体细流被喷丝板毛孔吐出后，在环吹冷却风作用下，丝束与周围空气的对流加强，内外层单丝得到均匀充分的冷却，提升了涤纶短纤维原丝的品质与抗拉伸性，有利于设备生产能力的完全释放。环吹风冷却工艺主要包括冷却风温、冷却风湿度、冷却风量、缓冷区高度。其中，冷却风温直接影响涤纶短纤维原丝的强伸度[8]，“卷绕丝”的预取向度与风温成反比。风温的设定要根据聚对苯二甲酸乙二醇酯熔体的玻璃化温度、卷绕速度、品种规格、设备性能等进行综合考量。中心环吹风温宜定为19～26 ℃，丝束能得到充分冷却，风温偏大，单丝冷却不均匀，易导致丝束产生熔丝、并丝、飘丝、浆块现象；风温偏低，易吹冷喷丝板面，产生弯角丝、弱丝，加剧丝束断面不匀性，造成牵伸拉断、拉伸不匀；而风温波动过大也将导致丝束固化点范围变宽、结构不匀，易产生飘丝、缠辊现象。环吹风的湿度影响丝束的纺丝成形和大分子链的结晶与取向，可以通过调整湿度减少丝束在纺程上因摩擦而产生的静电和单丝晃动。环吹风空气的湿度提高了其介质的热容量和给热系数，有利于丝室温度的恒定和丝束的及时冷却[9]。环吹风量是影响丝束固化成形的重要工艺参数，其变化不仅影响生产线各纺位的风速和风压，对产线上各纺位之间风速的一致性也有影响，环吹风速与风量呈线性关系。纺位处风量过大或过小都会导致丝束品质下降和成品纤维疵点增加。增大风量，丝束冷却充分，固化点上移，形变区域变窄，不易受丝室外气流的影响，但过大的风量容易造成丝束取向不足，易产生晃动、断裂现象，导致喷丝板面的温度降低，从而影响断面不匀指标；减小风量，固化点远离喷丝板面，丝束冷却变缓，冷却区域加长，大分子链取向增大[10]，但风量过小会加剧丝束的抖动，单丝之间易粘连产生并丝现象，丝束自然牵伸比减小，不利于后纺牵伸。为使丝束获得优良的拉伸性能，降低丝条的内应力和预取向度，可以使用缓冷区避免从喷丝板挤出的熔体细流立即被骤冷，并降低丝束的冷却速率，增加熔态区长度，使固化点远离板面，降低喷头拉伸张力和预取向度，使自然牵伸比增大，有利于提高丝束后加工牵伸倍率和品质指标，易获得优质的高强涤纶短纤维。

2.4 上油给湿

被环吹风冷却固化后的丝束非常干燥，须经纺丝油环加湿给油后，才能进入纺丝甬道，然后穿过卷绕上油嘴、吸剪器、导丝器，并由导丝罗拉使丝束改为水平方向前进；通过网络升头器，将各纺位丝条汇集成一根卷绕丝束；卷绕丝束依次通过八辊牵引机、导丝辊、葵花轮喂入系统、定长切断装置，最终落入盛丝桶内。

丝束的上油是由纺丝油环给油和卷绕上油嘴补油共同完成的，上油后丝束表面获得了一层油膜，具有平滑、柔韧的特性，降低了丝条的摩擦性能与静电积累[11]。丝束上油对纺丝生产的稳定性和原丝的可纺性具有重要意义，上油均匀，丝束集束性好，毛丝和盛丝桶底丝量少[12]，可提高短纤维原丝的品质和均匀性；上油少，易导致卷绕和牵伸工序发生缠辊现象；上油多，丝条打滑系数变大，也易粘辊。

2.5 卷绕落桶

卷绕落桶由导丝集束、牵引落桶、往复横动等部分组成，作用是将整条线纺位的丝条敛集成束、丝束收集成形、提供牵引力与张力、确保丝条的规整有序排列。牵引落桶机构主要是为丝束提供纺丝速度，保证丝条不缠结、不松散并顺利落桶；加快纺丝速度，纺丝线上速度梯度、丝束受到的摩擦力、丝束中的内应力增大，熔体细流固化速度加快，进而使“卷绕丝”大分子链取向度增大，双折射率和沸水收缩率值增加，但丝条最大和自然牵伸比减小，后加工牵伸倍率降低[13]。横动往复是盛丝桶以一定速度在往复台车上同时进行横向和纵向两个方向上的位移，将工艺设定长度的“卷绕丝”有序铺在盛丝桶内，确保牵伸工序的顺利进行；盛丝桶内的铺丝状况可通过调整横向或纵向位移速度等参数进行优化。

3 结论

涤纶短纤维纺丝的生产工艺主要是熔体输送、纺丝成形、冷却固化、上油给湿、卷绕往复等处参数的设定与优化，其对短纤维的品质、生产的平稳性、后加工性能、成本管控与管理水平提升均有重要影响。熔体输送的关键参数为熔体黏度、输送过程的时长和温度、压力。参数的选定与改进要结合品种规格、纺线产能、生产设备状况等进行有针对性的调控。纺丝成形的过程主要包括熔体的挤出与细流的形成、丝束的传热与内部结构的构成，对丝束的品质指标、成品纤维的性能均有极其重要的影响。冷却固化的重要参数有冷却风温湿度、风量和缓冷区高度；采用合理的温湿度、合适的风量有利于丝束结构与性能的提升。上油给湿不仅增强了丝束的集束性、平滑性，减少了丝条的摩擦与静电积累，更重要的是保障了各纺位的丝束都能敛集成束，规整有序地排列在丝桶中。卷绕往复对丝束的品质也有重大影响，保障了丝条不缠结、不松散并顺利落桶，且铺丝状况优良。