熔体直纺半消光POY纺丝工艺探讨

解项东，李长龙，孙建杰，杜杨洋，张寅斌，程金亮

（1.桐乡市中辰化纤有限公司，浙江桐乡 314500；2.安徽工程大学，安徽芜湖 241000；3.湖州中跃化纤有限公司，浙江湖州 313000；4.桐乡中欣化纤有限公司，浙江桐乡 314500）

目前，熔体直纺涤纶POY新增产能持续极速增加，产品竞争愈演愈烈，常规产品盈利越来越难，迫切需要企业不断优化纺丝工艺，向高附加值、高品质、功能性的差别化方向发展。国内经过数十年的差别化生产重点推进，涤纶POY差别化取得了丰硕的成果，但与日韩等发达国家的差别化纤维仍有一定的差距[1]，纺丝工艺仍有待于优化。差别化纤维具有单丝纤度低、异形截面、含有功能性母粒等特点，因此纺丝难度大，对纺丝工艺要求更加严格[2]。因而，熔体直纺涤纶POY在成品品质与纺丝工艺技术配套上仍具有进一步的研究空间[3]。纺丝工艺参数的合理选择是确保熔体直纺涤纶半消光POY获得优良品质指标的保障，有助于提升纺丝生产的稳定性，保证后纺加工的顺利进行。

本研究探讨了缓冷区、冷却条件、插板、集束位置、含油率、卷绕速度、网络加工、卷绕张力等纺丝工艺对品质指标、纺丝生产的影响，分析它们对品质指标、纺丝生产的作用规律，以求帮助工艺参数的优化。本研究为在纺品种纺丝工艺的优化、新品种纺丝工艺条件的设定提供了参考依据。

1 生产设备与工艺

1.1 原料与生产设备

原料：精对苯二甲酸（PTA）、乙二醇（EG）（工业级），乙二醇锑（优级纯）；二氧化钛（化纤，优级纯）；PET（半消光，纤维级）。

聚合设备：800 t/a三釜流程连续聚合装置；输送设备：瑞士Maag增压泵；纺丝设备：德国巴马格全套纺丝设备（十头纺），0.23×0.69规格104 mm大板径喷丝板，环吹风冷却，油嘴上油，DRYFIL165M油剂（德国）。

1.2 聚酯熔体品质指标

经过三釜缩聚后的PET熔体主要品质指标如表1所示。

表1 PET熔体主要品质指标

1.3 纺丝工艺流程

熔体直纺半消光POY纺丝工艺流程见图1所示。

图1 纺丝工艺流程图

2 讨论

2.1 缓冷区

从组件中挤出的熔体细流处于塑化状态，具有温度高、流动性好的特点为保护组件板面温度，避免熔体细流受到扰动，防止其流变性与均匀性的降低、结晶过快、取向不均匀，保证成品POY具有优良的品质和后加工性能[4]，从组件中挤出的丝条不应首先进入环吹风筒内冷却，而应进入缓冷区，延缓丝束的冷却。缓冷区也称无风区、密闭区域，高度为熔体从喷丝板出来到开始冷却时的距离[5]，其高度及密封条件对POY生产的稳定性、品质指标均有重要影响，一般品种规格不同，高度也不相同。缓冷区高度可通过更换箱体下方不同厚度的铝板或硬质隔热垫进行调整，高度增加，组件喷丝板面温度、解取向程度增大，细流冷却速度、异形截面的保持度降低，取向度降低，断裂伸长率增大，沸水收缩率降低；但高度过大时，易造成丝束拉伸不足，染色不良，且对环吹冷却条件要求更高，风压增大，冷却均匀性降低，将对纺丝生产和品质指标产生不利影响。高度减少，有利于提高断裂强度、异形度，但长丝韧性降低。高度过小，POY强伸度降低，后加工性能降低，断头、飘丝、外观不良增多，不利于纺丝生产的平稳运行。

2.2 冷却条件

采用环吹风对离开缓冷区的丝条进行降温、凝固，丝条在卷绕机拽丝张力的牵引下进行均匀的热传递，温度渐渐降低，发生形变，获得一定的取向度和结晶度，黏度增大，流动性减弱，最终凝固成形。风压的大小及稳定性直接影响长丝的内在品质及后加工性能，单丝平稳从风筒内穿过，不产生抖动、碰撞、剧烈晃动现象作为选择环吹风压的标准，并根据品种规格、喷丝板孔的排列方式和间距进行风压的选择[6]。风压增大，风速随之增加，热交换速度加快，加速了单丝的冷却，进一步抑制了熔体细流的降解现象，形变区缩短，取向度略微降低，丝束凝固点上移，气流干扰减弱，单丝受到的空气摩擦阻力加剧，在纺丝上表现为T1张力明显升高，在品质指标上表现为断裂伸长率增大、条干均匀性改善。但风压过大，单丝冷却速度过快，容易使单丝径向产生较大的温差，生成皮芯结构[7]，造成弯角丝、断头、毛丝、飘丝等，不利于生产的平稳运行。

2.3 插板

正常纺丝时，插板安装在环吹风筒的中间位置，有铝制、钢制两种类型，铝制插板上装和拆卸过程中在外力作用下易产生变形。钢插板减小了风筒中心区域湍流的形成，有利于均匀风速，减少丝束抖动，使丝束冷却充分、均匀，单丝漂移、振动的因素减小，丝路顺畅，平稳运行，抑制了一板两饼产品交叉丝或单丝偏移丝路现象的产生，提高了条干均匀度，改善了自密封组件细旦产品外观质量，减少了飘丝、断头，提高了生产的稳定性。但钢插板的上装与拆卸需要一定的垂直空间，限制了集束位置的抬升高度。钢插板位置出现偏差或未插到位时，单丝靠近插板，易产生刮擦，也会使插板两边丝束冷却不均匀，引起飘丝、断头、毛丝等不良状况。钢插板使用一定时间后，插板两侧都会集聚很多白色粉尘，集聚严重时会影响风筒内气流的流动，铲板拆卸插板时，应对插板进行水洗及压缩空气的吹干处理。

2.4 集束位置

集束位置高度可通过纺丝窗内的支架进行调节，对产品外观、品质指标、满卷率均有重要影响。丝束在集束时，主要受到流变阻力、惯性力、空气摩擦阻力，因集束时丝条已凝固，集束位置高度的改变，丝条受到的空气摩擦阻力随之变化，而流变阻力、惯性力基本无变化。适当地抬升集束位置，减弱了单丝与空气、丝束与纺丝瓷件的摩擦，单丝的晃动性、纺丝T1张力明显降低，丝束稳定性、条干均匀度得到改善。但集束位置抬升到一定高度后，纺丝T1张力降低缓慢，单丝与油嘴瓷件的摩擦加剧，油嘴及出油口温度快速上升，油嘴发烫，白粉增多，严重时会堵塞出油口，造成喷油、丝束上油与冷却不均匀、条干均匀度下降、成品外观不良等[8]。降低集束位置，纺丝T1张力增大，丝条凝固点上移，空气摩擦阻力上升为重要影响因素。过大的纺丝T1张力易使丝条取向度增加，位置过低，单丝抖动大，出现严重晃动，易产生并丝、飘丝、断头等。应充分考虑POY品种规格、凝固点位置进行集束位置高度的合理选择。一般来讲，细旦多孔丝应适当地抬升集束位置高度，粗旦少孔丝的集束位置应合理降低[9]。

2.5 含油率

含油率对POY生产的平稳运行、成品优等率、品质指标、后加工性能、后加工生产的稳定性及产品内在质量的控制均有关键性影响。油嘴喷油孔喷出的油剂在瞬间均匀地附着在高速运动的丝束上，在单丝表面形成均匀一致的油膜，使丝束获得较高的润滑性，减弱单丝之间、丝束与丝路上的瓷件及金属等的摩擦。POY在生产、包装存储、运输、后加工过程中，受摩擦电荷易积累，产生负电性的静电。丝束上油后具有良好的抗静电性，使丝条紧密，不易产生放电现象，后加工性能得到提高。冷却凝固后的丝条较干燥，后加工困难，经过油嘴上油润湿后，丝束上具有一定的油剂和水分，增强了单丝相互之间的抱合力，使丝条易于集束，有利于拉伸变形加工的顺利进行[10]。在成品POY静置存储时，丝条上的油剂可均匀扩散，缓解内应力。提高丝束含油率，成品优等率提高，纺丝断头数减少。丝条含油率较低时，会导致丝束长度方向的含油率不一致[11]，油膜缺乏对丝束的保护，当单丝瞬间或某一部分受到的摩擦较大时，易使单丝断裂，诱发交叉丝、飘丝、断头、外观不良等；含油率较高时，POY后加工时，车间空气中烟量增大，不利于生产的安全、平稳运行，另外，POY生产成本随之上涨，成品利润降低。应根据品种规格、后加工性能、品质指标、油剂类型、上油方式、生产与管理方式等选择合理的含油率。

2.6 卷绕速度

卷绕速度是关键的工艺参数之一，对POY的超分子结构、内在质量、后加工性能、生产稳定性、成本控制均有重要影响。提高卷绕速度有利于释放设备潜力，增产增效，喷丝头拉伸倍率、纺丝与卷绕张力、拉伸流动的应力、取向度、双折射值均会提高。但速度过高，POY分子链上的拉伸力增强，取向度增加明显[12]，后纺拉伸倍数减小，结晶均匀性降低，易造成后加工产品染色不匀，且对后纺加工设备、设定的工艺参数要求提高。卷绕速度对POY内在质量的影响主要体现条干U值、强伸度等物理指标上。提高卷绕速度，纺丝张力增大，丝束受到的干扰减弱，冷却成形均匀性提高，条干U值降低，POY的取向度、断裂强度增大[13]，剩余拉伸倍率、断裂伸长率减小，丝条受到的摩擦加剧。过高的卷绕速度对纺丝与卷绕设备要求较高，后纺拉伸范围变窄，生产可控性、纺丝稳定性减弱，飘丝、断头、不良丝数增加，不利于生产的平稳运行。

2.7 网络加工

网络加工广泛地应用于涤纶POY长丝生产及后加工过程中，丝束经过网络器时，在垂直喷射气流作用下，丝条开松，单丝被捆扎和加速，单丝之间发生碰撞、交络、缠结，沿丝条轴线方向上产生周期性的网络结点。网络加工能显著地增强单丝相互之间的抱合性能，促进丝束上的油剂均匀扩散，降低丝条不匀率，改善POY退绕性能，提高其后加工性能，降低拉伸变形加工时形成的断头和外观不良。测试网络加工效果的指标主要为：网络结点数、网络结点牢度，其主要受喷射气流对POY长丝产生的高频率振动波的频率的影响[14]。网络压力是对网络度和网络牢度起决定性的工艺条件。网络内空气压力升高，单丝之间易于松开、缠绕，丝条易于形成交络，网络加工质量显著提高，但压力较大时，丝条易于产生壁障现象，丝束难于回转、交络，反而不利于网络加工。因而，选择合适的网络压力对于POY的外观、内在品质、后加工性能、质量与成本控制、生产与管理方法的优化都有着显著的影响。

2.8 卷绕张力

卷绕张力的大小及稳定性对POY生产的稳定性、优等率、物理指标、后加工性能、加工成品品质均有重要的影响。本研究采用的巴马格WINGS卷绕机具有双导丝盘，减少了卷绕张力的波动，提升了丝束条干均匀度，便于卷绕张力的调节。卷绕张力值可通过调整导丝盘圆周速度与卷绕速度的差值进行调控。[15]卷绕张力较大时，POY成品卷装较紧，丝饼出现端面不齐、蛛网、凸肩等的不良现象增多[16]，条干不匀率上升，后加工性能变差，丝条与接触的金属、陶瓷部件的摩擦阻力增大，易产生外观不良，同时也增加岗位工卷绕生头的难度。张力较小时，POY丝饼较软，后加工时易脱圈，丝饼出现塌边、跳滑轮等的不良现象增多，同时也易使丝条断头，不利于纺丝生产的稳定运行。所以，应根据品种规格、工艺条件、设备运行状态、管理方式等选择合理的卷绕张力。

3 结语

纺丝工艺对熔体直纺半消光POY的品质指标、生产稳定性、后加工生产、质量与成本控制均有关键性的影响。缓冷区保护了组件板面温度，增强了丝束的韧性，改善了丝束的品质指标，但高度增加不利于异形纤维异形度的保持。环吹风通过均匀的热传递对丝条进行降温和凝固，提高了强伸度，降低了条干不匀率。环吹风筒内插入插板，有利于均匀风速，减少丝束抖动，使丝束冷却充分、均匀，丝束受到的空气摩擦阻力随着集束位置高度的变化而改变，抬升集束位置，丝束受到的摩擦减弱，稳定性和条干均匀度提高，纺丝张力降低。上油使丝束获得良好的润滑性、抗静电性、易于集束，缓解了内应力，降低不良率，减少断头、飘丝。卷绕速度主要影响POY的取向度、结晶度，体现在条干U值、强伸度等指标上。网络加工增强了丝条的抱合性能，促进油剂均匀扩散，降低丝条不匀率，改善后加工性能。合适的卷绕张力是POY获得优良的退绕和后加工性能、外观质量的保证。