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      1.33 dtex非織造聚酯短纖維生產(chǎn)工藝探討

      2015-08-12 02:37:32青,張
      合成技術(shù)及應(yīng)用 2015年3期
      關(guān)鍵詞:絲板原絲短纖維

      李 青,張 暉

      (中國石化儀征化纖有限責(zé)任公司短纖生產(chǎn)中心,江蘇儀征 211900)

      近幾十年內(nèi)非織造材料高速發(fā)展,在醫(yī)療衛(wèi)生用材、家庭裝飾用布、服裝用布、工農(nóng)業(yè)用材等領(lǐng)域用途廣泛。儀化公司在2005年推出的1.56 dtex水刺專用聚酯短纖維得到了用戶的認(rèn)可,在市場上一直享有很好的聲譽(yù)。因纖維纖度與布的柔軟性、覆蓋性以及過濾性等有關(guān),如果斷裂強(qiáng)度與斷裂伸長率相同,纖維的纖度越小,則非織造布手感就越柔軟,同時(shí)布的強(qiáng)度與韌性也得到改進(jìn),所以1.33 dtex非織造聚酯短纖維有一定的市場需求。本文在1.56 dtex水刺聚酯短纖維工藝的基礎(chǔ)上對生產(chǎn)1.33 dtex非織造聚酯短纖維的工藝進(jìn)行探討。

      1 試驗(yàn)

      1.1 原料、設(shè)備

      熔體:儀化聚酯生產(chǎn)中心2單元 R05.1 PET熔體。

      紡絲油劑:第一油劑,YCD-1065;第二油劑,YCD-1068。

      設(shè)備:日本東洋紡公司2萬噸/年HV452紡絲裝置;LHV902后處理聯(lián)合機(jī)。

      1.2 工藝流程

      將熔體紡制成短纖維主要經(jīng)過以下流程:

      熔體輸送→靜態(tài)混合器→紡絲→冷卻→卷繞→落桶→集束→導(dǎo)絲機(jī)→油劑浴槽→第一牽伸機(jī)(DF1)→牽伸浴槽(DB)→第二牽伸機(jī)(DF2)→ 蒸汽加熱箱(HBX)→ 第三牽伸機(jī)(DF3)→緊張熱定型機(jī)(HR)→ 疊絲機(jī)(TA)→蒸汽預(yù)熱箱(HBX)→卷曲機(jī)→冷卻輸送機(jī)→曳引機(jī)→切斷→打包。

      1.3 性能測試

      倍半伸長率EYS1.5:采用XQ-01單纖維強(qiáng)伸度儀,纖維以20 mm的夾持長度和60 mm/min的拉伸速度,在等速伸長型強(qiáng)伸儀上拉伸,在拉伸過程中拉伸應(yīng)力為屈服應(yīng)力1.5倍時(shí)所對應(yīng)的伸長讀數(shù)。

      原絲的斷裂強(qiáng)力和伸長S-S:采用XQ-01單纖維強(qiáng)伸度儀,纖維以20 mm的夾持長度和80 mm/min的拉伸速度,在等速伸長型強(qiáng)伸儀上拉伸,拉伸至斷裂得到試樣的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長。

      原絲線密度:采用烘干稱重法,取1 m長的原絲絲束,經(jīng)烘干處理并測得其干絲束的質(zhì)量后,根據(jù)下面的公式計(jì)算原絲線密度。

      式中D為原絲線密度(dtex);G為原絲干重(g);H為噴絲板孔數(shù);P為紡絲位數(shù)。

      成品線密度:采用中段切斷法,按照 GB/T14335-2008,在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下,從伸直的纖維束上切取中段纖維,測定該中段纖維束的質(zhì)量和根數(shù),根據(jù)下面的公式計(jì)算成品線密度。

      式中F為成品線密度(dtex);L為中段纖維長度(mm);n為纖維根數(shù);G為中段纖維重量(mg)。

      斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長率:采用XQ-01A單纖維強(qiáng)伸度儀,按照GB/T14337-2008,單根纖維以20 mm的夾持長度和20 mm/min的拉伸速度,在等速伸長型強(qiáng)伸儀上拉伸至斷裂,得到試樣的斷裂強(qiáng)力、斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長率(以下簡稱強(qiáng)力、強(qiáng)度和伸長)。

      180℃干熱收縮率:采用YG365A單纖維熱收縮儀,將纖維經(jīng)溫度180℃半小時(shí)自由狀態(tài)下熱處理后,平衡半小時(shí),用熱收縮測定儀測定纖維熱處理前后的長度變化,根據(jù)下面的公式計(jì)算180℃干熱收縮率。

      式中S為干熱收縮率(%);L0為烘前長度(mm);L1為烘后長度(mm)。

      2 結(jié)果與討論

      2.1 工藝路線的調(diào)整

      為了保證成品纖維強(qiáng)度、伸長與現(xiàn)有1.56 dtex水刺短纖維相當(dāng),降低纖度首先采取降低單孔吐出量和提高紡速來降低原絲線密度,再對后紡拉伸倍率做適量調(diào)整。

      影響成品纖維強(qiáng)伸度的因素有很多,從東洋紡關(guān)于纖維強(qiáng)伸度的經(jīng)驗(yàn)公式分析:

      式中DT為干強(qiáng);DE為干伸度;DR為總拉伸倍率;TD為第三牽伸機(jī)出口處絲束溫度;EYS1.5為纖維的倍半伸長率。

      由公式看出,影響成品纖維強(qiáng)伸度的因素主要有原絲的EYS1.5和后加工的牽伸倍率、拉伸定型溫度。

      EYS1.5反映了纖維分子的排列和取向,原絲的牽伸性能可由EYS1.5來表征,根據(jù)日本東洋紡提供的EYS1.5經(jīng)驗(yàn)公式:

      式中TQC為環(huán)吹風(fēng)溫度(℃);Ivf為原絲的特性粘度(dL/g);Vsp為紡絲速度(m/min);Tp為計(jì)量泵出口熔體溫度(℃);LNZ為冷卻風(fēng)吹出口到噴絲板面的距離(mm);VQC為環(huán)吹風(fēng)速度(m/s)。

      在一定的負(fù)荷下,EYS1.5的影響因素包括冷卻風(fēng)溫度及速度、熔體的特性粘度、紡速、熔體溫度、絲束冷卻固化長度等。

      2.2 負(fù)荷、紡速、倍率的調(diào)整

      為了得到線密度較小的原絲,要適當(dāng)下調(diào)噴絲板單孔吐出量和提高紡絲速度。隨著單孔吐出量的減少,紡速的提高,熔體在噴絲孔內(nèi)的剪切速率將隨之降低,噴絲頭的拉伸比隨之增大。當(dāng)噴絲頭的拉伸比達(dá)到上限、剪切速率降低到一定程度時(shí),熔體從噴絲孔擠出時(shí)將發(fā)生內(nèi)聚斷裂,形成不穩(wěn)定紡絲、疵點(diǎn)、漿塊等缺陷,原絲內(nèi)在品質(zhì)降低。

      紡絲過程中的取向機(jī)理有兩種,一種是處于熔體狀態(tài)下的流動(dòng)取向機(jī)理,另一種是纖維固化之后的形變?nèi)∠驒C(jī)理。前者指熔體在噴絲孔中的剪切流動(dòng)取向,后者是出噴絲孔后熔體細(xì)流在拉伸流場中的流動(dòng)取向。在噴絲孔中流動(dòng)時(shí),熔體溫度較高,松弛時(shí)間較小,即使有流動(dòng)取向,出噴絲孔后也會(huì)因?yàn)槌隹诿洿笮?yīng)而松弛殆盡,噴絲孔中的流動(dòng)取向完全可以忽略不計(jì),所以控制取向的速度場是拉伸流動(dòng)中的軸向速度梯度。紡速越高,原絲的預(yù)取向越大,雙折射效應(yīng)越強(qiáng),自然拉伸比有所減小,并逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆蚶?,屈服?yīng)力和初始模量都有所增大,牽伸時(shí)易出現(xiàn)毛絲斷頭,不利于后加工[1]。

      因此,負(fù)荷、紡速、倍率的調(diào)整要結(jié)合噴絲板出絲的穩(wěn)定及對后牽伸加工的要求來進(jìn)行,根據(jù)東洋紡經(jīng)驗(yàn)公式并經(jīng)過計(jì)算對比,具體調(diào)整見表1。

      表1 主要工藝參數(shù)

      2.3 熔體特性粘度

      熔體特性粘度是聚合度的標(biāo)志,根據(jù)公式η=k·(Mn)α,熔體的特性粘度與高聚物的分子量成正比。隨著熔體粘度的增加,初生纖維相對分子量也會(huì)隨之增大,拉伸時(shí)的屈服應(yīng)力有所提高,原絲及短纖的強(qiáng)度增加,伸長下降。但初生纖維的相對分子量增加會(huì)使大分子鏈間的相互作用力增強(qiáng),分子間的相對滑移困難,不利于鏈段的運(yùn)動(dòng),難以實(shí)現(xiàn)塑性形變[2]。所以,相對分子量若超過一定限度,反而會(huì)使纖維的可拉伸性降低,造成后牽伸纏輥,降低運(yùn)轉(zhuǎn)率。1.33 dtex非織造成品纖維強(qiáng)度控制在5.60 cN/dtex左右,伸長控制在30.0%左右,所以熔體粘度不能太高,根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)控制熔體粘度在0.668 ~0.678 dL/g。

      2.4 紡絲溫度的優(yōu)化

      由于噴絲板單孔吐出量的降低,組件背壓有一定程度的下降,為了改善熔體的流動(dòng)性能,使熔體在噴絲板內(nèi)分布更均勻,需適當(dāng)提高紡絲箱體溫度。同時(shí),在一定范圍內(nèi)提高紡絲溫度,可使絲束冷卻更加緩和,提高原絲的斷裂伸長率,有利于后加工的牽伸性能。另一方面,在熔體被擠出噴絲孔時(shí),由于自身具有的粘彈性而在噴絲孔出口處發(fā)生擠出脹大,導(dǎo)致熔體細(xì)流直徑變大,而加工溫度的升高會(huì)使擠出脹大比降低,從而降低熔體細(xì)流直徑。這是由于溫度越高,聚合物分子鏈的運(yùn)動(dòng)能力越強(qiáng),熔體在流動(dòng)中儲(chǔ)存的形變能的黏性耗散增加,導(dǎo)致彈性特性減弱,因此擠出脹大比減小,纖維纖度變?。?]。所以適當(dāng)提高紡絲溫度有利于降低原絲纖度。通過生產(chǎn)實(shí)踐,將紡絲箱體溫度提高3℃,紡絲生產(chǎn)穩(wěn)定。

      2.5 冷卻工藝的優(yōu)化

      1.33 dtex非織造原絲由于線密度變小,比表面積增大,熔體從噴絲板擠出時(shí),熔體細(xì)流對氣流的冷卻沖擊更加敏感,因此,冷卻工藝對原絲的穩(wěn)定性和后牽伸拉伸性能有很大的影響。本生產(chǎn)過程中冷卻工藝采用的是低阻尼敞開式環(huán)吹裝置,影響冷卻吹風(fēng)的參數(shù)主要有風(fēng)溫、風(fēng)濕、風(fēng)速、冷卻吹風(fēng)區(qū)的位置[4]。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際經(jīng)驗(yàn),風(fēng)濕要求不低于65%。試驗(yàn)表明,隨著冷卻吹風(fēng)區(qū)離噴絲板距離的增大,原絲的斷面不勻率有所提高,但如果吹風(fēng)口頂部離噴絲板太近,會(huì)使板面溫度下降,影響紡絲的順利進(jìn)行,所以本次工藝沿用1.56 dtex水刺的冷卻吹風(fēng)區(qū)距離,不作調(diào)整。

      冷卻風(fēng)溫對初生纖維的成形同樣重要。風(fēng)溫過高,將使熔體絲條冷卻不充分,從而產(chǎn)生并絲、粘連絲,原絲不勻率上升;風(fēng)溫過低,熔體在噴絲孔處快速冷卻,初生纖維徑向雙折射差異大,可紡性降低,成品絲容易出現(xiàn)疵點(diǎn)。一般環(huán)吹風(fēng)溫可選擇在19~28℃,由于1.33 dtex非織造原絲的線密度低,紡速較高,絲束冷卻熱交換量隨之增加,所以控制風(fēng)溫在20~24℃。

      冷卻風(fēng)速是影響紡絲成形的重要因素。過小的冷卻,氣流只能接觸到絲束的外層,絲束內(nèi)外層的冷卻條件差異很大,會(huì)導(dǎo)致纖維沿徑向橫截面的分子鏈取向產(chǎn)生差異,皮層的取向度高于芯層。實(shí)際生產(chǎn)中當(dāng)風(fēng)速低于1.0 m/s時(shí),熱交換量過低容易造成絲條冷卻不均勻,出現(xiàn)粘板、漿塊等嚴(yán)重的原絲質(zhì)量問題,所以一般控制風(fēng)速不低于1.0 m/s;但過大的冷卻,氣流不僅穿透絲束層到達(dá)絲束中心,而且還有剩余的動(dòng)能造成在絲束中心湍動(dòng)混合,使絲束的擾動(dòng)增加。適當(dāng)降低風(fēng)速、提高風(fēng)溫能延緩冷卻,以保證初生纖維均勻、緩慢冷卻,不僅能穩(wěn)定紡絲工況,而且能有效提高纖維后拉伸性能。在其他工藝相同的條件下,進(jìn)行了冷卻風(fēng)速的工藝試驗(yàn),圖1和圖2分別為不同冷卻風(fēng)速下原絲的斷裂伸長率、斷裂伸長率CV值指標(biāo)。

      圖1 不同風(fēng)速下原絲的斷裂伸長率

      圖2 不同風(fēng)速下原絲的斷裂伸長率CV值

      由圖1和圖2可以看出,冷卻風(fēng)速為1.0~1.2 m/s時(shí),原絲的斷裂伸長率比較穩(wěn)定,且伸長較大,波動(dòng)較小,平均值分別為341.4%、337.3%,CV 值分別為7.0%、8.5%。隨著風(fēng)速的增大,原絲的斷裂伸長率減小,且伸CV變大,不利于后牽伸,因此,冷卻風(fēng)速選擇在 1.0 ~1.2 m/s。

      2.6 牽伸工藝的優(yōu)化

      經(jīng)過紡絲工藝的調(diào)整優(yōu)化,原絲的指標(biāo)對比見表2。

      表2 原絲的指標(biāo)對比

      由上表可以看出,經(jīng)過前紡的工藝調(diào)整,原絲的EYS1.5得到了明顯的減小。根據(jù)式(1)、(2),降低EYS1.5后,強(qiáng)度會(huì)增加,伸長減小;降低倍率和牽伸溫度,強(qiáng)度減小,伸長增加。原絲經(jīng)過牽伸所引起的最重要的結(jié)構(gòu)變化是大分子和其它結(jié)構(gòu)單元沿纖維軸向取向,促進(jìn)纖維的結(jié)晶。拉伸倍率直接影響到纖維的取向度和結(jié)晶度,從而使纖維的力學(xué)性能如強(qiáng)力、伸長等發(fā)生變化。正確地設(shè)定拉伸倍率,是保證拉伸絲的質(zhì)量和拉伸進(jìn)程能否順利進(jìn)行的關(guān)鍵。隨著拉伸倍率的增加,纖維的強(qiáng)度會(huì)不斷提高而伸長下降[4]。為了得到質(zhì)量指標(biāo)符合要求的產(chǎn)品,對牽伸工藝進(jìn)行了試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見表3。

      表3 不同牽伸工藝下的成品絲質(zhì)量指標(biāo)

      不同蒸汽壓力對應(yīng)的絲溫升溫情況見表4。

      表4 不同蒸汽壓力對應(yīng)的絲溫

      從表3可以看出,方案4的工藝比較符合成品的目標(biāo)質(zhì)量要求,但是斷裂伸長率小于30%,斷裂伸長是纖維可伸展性的一個(gè)量度,若達(dá)到某一極限取向狀況就發(fā)生斷裂,因此纖維的取向度越低,則斷裂伸長越大??紤]到回縮比(即緊張熱定型機(jī)和第三牽伸機(jī)之間的回縮),使絲束的部分內(nèi)應(yīng)力得到松弛,部分高彈形變被消除或轉(zhuǎn)化為塑性形變。降低回縮比,則有利于釋放內(nèi)應(yīng)力,減小取向,有利于纖維的斷裂伸長,但是纖維的干熱收縮率會(huì)降低。試驗(yàn)證明,緊張定型的溫度不超過200℃對纖維的強(qiáng)度幾乎沒有影響,超過200℃后纖維的強(qiáng)度會(huì)有很大的降低。從表4可以看出,兩種蒸汽壓力條件下緊張定型的溫度均不超過200℃,所以在保持其他工藝不變的情況下,對回縮比進(jìn)行了試驗(yàn),對比結(jié)果如表5。

      表5 不同回縮比條件下的成品指標(biāo)

      從表5可以看出,隨著回縮比的降低,成品纖維的斷裂伸長率隨之增大,干熱收縮率逐漸減小,斷裂強(qiáng)度變化不大。但是回縮比降低到0.951 4時(shí)出現(xiàn)蕩絲現(xiàn)象,不利于生產(chǎn),所以將回縮比定在0.960 9。

      2.7 牽伸浴槽溫度的調(diào)整

      在常規(guī)紡速下,原絲基本上不結(jié)晶。1.33 dtex與1.56 dtex纖維的原絲玻璃化溫度基本上是一樣的。因?yàn)?.33 dtex纖維的比表面積較1.56 dtex大,其傳熱效率高,故采用的溫度相對低一些。另一方面,適當(dāng)降低DB溫度,可以減少第二牽伸機(jī)的纏輥[5]。所以實(shí)際生產(chǎn)中將牽伸浴槽的溫度由60℃調(diào)整為58℃,牽伸運(yùn)行正常。

      2.8 成品纖維品質(zhì)指標(biāo)

      采取上述優(yōu)化后的工藝,利用現(xiàn)有生產(chǎn)1.56 dtex水刺品種的噴絲板,生產(chǎn)出1.33 dtex非織造聚酯短纖維品種,性能指標(biāo)較好,具體見表6。

      表6 成品纖維質(zhì)量指標(biāo)

      由表6可以看出,1.33 dtex非織造聚酯短纖維的斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長率、干熱與1.56 dtex水刺短纖維相當(dāng),但是斷裂伸長CV值較1.56 dtex水刺短纖維的大,這可能是因?yàn)?.33 dtex非織造聚酯短纖維的纖度小,紡絲工藝和后牽伸打滑等對其的影響更大,最終導(dǎo)致不勻率增大。

      3 結(jié)語

      通過優(yōu)化紡絲、冷卻等工藝,實(shí)現(xiàn)了在現(xiàn)有生產(chǎn)1.56 dtex水刺聚酯短纖維的設(shè)備上生產(chǎn)1.33 dtex非織造聚酯短纖維,生產(chǎn)穩(wěn)定、成品絲各項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)較好。利用現(xiàn)有生產(chǎn)1.56 dtex水刺品種噴絲板生產(chǎn)1.33 dtex非織造的工藝調(diào)整原則如下:

      a)單孔吐出量和紡絲速度的調(diào)整要結(jié)合紡絲的穩(wěn)定性及對后牽伸加工的要求來進(jìn)行。

      b)為了改善熔體的流動(dòng)性能,保證原絲的線密度,紡絲箱體溫度應(yīng)適當(dāng)上調(diào)。

      c)為了提高原絲的拉伸性能,適當(dāng)下調(diào)冷卻風(fēng)速(降低主風(fēng)道壓力)、選擇合適的冷卻風(fēng)溫,使初生纖維冷卻均勻。

      d)拉伸倍率根據(jù)成品纖維線密度和特性指標(biāo)適當(dāng)下調(diào),并進(jìn)行合理的分配。

      e)為確保成品絲斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長率,三牽輥溫要適當(dāng)降低,緊張熱定型的回縮比要適當(dāng)下調(diào)。另外,由于1.33 dtex非織造聚酯短纖維比表面積較大,牽伸浴槽溫度要適當(dāng)下調(diào)。

      [1] 沈新元.高分子材料加工原理(第二版)[M].北京:中國紡織出版社,2009:146-156.

      [2] 金日光,華幼卿.高分子物理(第三版)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2007:99-121.

      [3] 王燕飛,韓朝陽,羅欣,等.熔噴非織造布用聚丙烯材料的擠出脹大行為[J].紡織學(xué)報(bào),2009,30(11):29 -32.

      [4] 李振峰.滌綸短纖維生產(chǎn)[M].南京:東南大學(xué)出版社,1991:108-111.

      [5] 陳建軍,穆稚,詹勇,等.1.33 dtex高強(qiáng)低伸滌綸短纖維生產(chǎn)工藝探討[J].合成技術(shù)及應(yīng)用,1998,13(1):43 -44.

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