球穴动态混合技术在熔体直纺中的应用

张文强，闻继善，奚永新

(滁州兴邦聚合彩纤有限公司，安徽滁州 239000)

近年随着聚酯纤维差别化、功能性为主导发展方向的项目陆续开工建设，我们与世界的差距正在逐步缩小，纵观差别化涤纶短纤维产业发展的道路，艰辛又漫长，我国70年代开始原液着色产品技术的引进和小规模生产，真正实现大规模量产的熔体直纺差别化有色涤纶短纤维生产要追溯到2007年左右，当时国内建成了20万吨级熔体直纺原液着色差别化有色涤纶短纤维的生产项目，让我国的熔体直纺原液着色有色涤纶短纤维生产从此走向了快速发展的道路。

熔体直纺原液着色工艺中关键技术就是在线添加计量技术和混合技术，掌握上述两项技术，将在产品生产领域占领绝对的优势。随着科学技术的不断更新与突破，在线添加计量技术已经非常成熟，在线添加后的混合技术成为了高质量发展的重要主攻方向，混合技术在国内聚酯生产领域前期均采用较为经济实惠的静态混合器，因其结构原理简单，不需要额外的能源消耗等，所以广泛的运用于生产中。随着市场的不断发展，产品质量需求逐渐提升，结构简单，混合量小的静态混合器已不能完全满足高品质原液着色产品的质量要求，因此如何改善混合质量就成为了攻关关键，根据文献报道，早些时间德国巴马格公司的3DD动态混合器在聚合物混合加工方面取得不错效果；后来国内也开始大力研发攻关，近些年形成了自主知识产权的动态混合设备，设备也已经在实际生产中开始广泛使用，本文将对采用新一代的动态混合技术实现高品质原液着色涤纶短纤生产工艺路线和技术参数等方面展开探讨，以提升产品品质。

1 试 验

1.1 原料

PET，滁州兴邦聚合彩纤有限公司，YG-08型纤维级聚酯熔体，有光，特性黏度0.674 dL/g；黑色母粒，江阴市第一化纤有限公司，涤纶纤维母粒；油剂，扬州华纳斯，涤纶短纤油剂。

1.2 仪器设备

高效自清洁动态混合器，AX030型，产能30吨/天，中国纺织科学研究院；涤纶前纺纺丝设备，SLHV601型，邵阳纺机；涤纶后处理联合机，SLHV833型，日产能30吨/天，邵阳纺机；扫描电子显微镜，JSM-6510LV型，日本电子株式会社；单纤维强力机，XQ-1A型，上海新纤仪器厂；测色仪，XE型，HunterLab Colour Quest；原棉杂质分析机，YG041型，常州第二纺织仪器厂；纤维干热分析仪，XH-1型，上海新纤仪器厂；显微镜，59XB型，上海光学仪器厂；红外点温仪，520C型，德力西电气。

1.3 试验方案及工艺流程

熔体利用兴邦公司年产20万吨的杜邦五釜聚合装置供应试验用主熔体，在线添加由母粒混合料仓及φ150螺杆挤出机、计量泵等组成，在主熔体和在线添加母粒流经的管线上加入动态混合器，熔体和母粒经动态混合器高效混合后挤出，供应至各纺丝位纺丝、组批、牵伸形成短纤成品。

具体试验工艺路线如图1所示，试验重点是研究混合器内部的高分散混合效果情况，及其运行中各设备性能及工艺条件的满足情况。

图1 在线添加、动态混合工艺流程图

1.4 分析测试

1.4.1 特性黏度

按照GB/T 14190纤维级聚酯(PET)切片试验方法，溶剂苯酚/四氯乙烷(质量比1∶1)，测试温度(25.00±0.05)℃。

1.4.2 线密度

按照GB/T 14335短纤维线密度试验方法，原丝线密度采用称重法，剪取原丝样品长度为1 m，预加张力1 010 g，电热鼓风干燥箱105 ℃，烘燥1 h，冷却称重计算结果。

成品线密度采用仪器法，夹持长度20 mm，预加张力(0.15±0.02) cN/dtex，仪器K值应在0.900～1.100之间。

1.4.3 断裂强力、断裂伸长率

按照GB/T 14337短纤维拉伸性能试验法法，隔距20 mm，拉伸速率20 mm/min(原丝测试为：120 mm/min)。

1.4.4 疵点

按照GB/T 14339短纤维疵点试验方法，机检法，样品量100 g，给棉罗拉直径：φ57.15 mm，转速0.9 r/min，电机功率0.8 kW, 转速1 410 r/min。

1.4.5 断面不匀率

目镜10X，物镜40X,总放大倍数400倍，物镜需配备刻度标尺。

1.4.6 含油水率

烘箱法，105 ℃。

1.4.7 180 ℃干热收缩率

FZ/T50004涤纶短纤维干热收缩率试验方法，要求长度测量精确至0.01 mm，电热鼓风干燥箱要附有恒温控制装置，具备鼓风功能，侧吹风方式，烘箱功率不得<1.0 kW，温度允许误差±1 ℃，预加张力(0.075 0±0.007 5)cN/dtex。

1.4.8 色值

分光测色仪法， D65光源，包含漫反射，纤维测试盒直径φ48 mm，前端具有光学玻璃镜片，后端有盖，测试样品量(1.10±0.10)g。

1.4.9 电镜

二次电子探头3.0 nm(30 kV),背散射电子探头4 nm，高真空度≤0.1 MPa，放大倍率5X～300 000X。

2 结果与讨论

2.1 动态混合器的混合结构、流体运动分析

球穴结构采用交错排列分布，熔体进入静止设备时，熔体可在球穴结构的间隙缓慢流动，待间隙充满熔体后开启动态混合器，动态混合器运转正常后开启螺杆注入系统，此时母粒开始经计量后进入动态混合器，在混合器内部经过充分混合，在压力作用下经动态混合器出口挤出，具体情况见图2、图3、图4、图5。

图2 动态混合器内部结构图

图3 动态混合器内部结构剖面图

图4 动态混合器分散过程压力分布图

图5 动态混合器混合效果模拟图

从动态混合器的内部结构看，因球穴结构的特殊设计，可对熔融后母粒进行强制多次分配混合；分散过程压力分布情况可看出入口端压力高于出口端，如此分布可推动熔融母粒不断向前并在前进中多次强制分配混合；从混合效果看，强制分配混合在混合过程中实现了熔融母粒自入口端高压力区间向出口端低压力区的运动分配，分配、混合流向清晰，可有效的避免熔体回流现象。

2.2 动态混合器转速对工艺参数的影响

生产运行过程中发现动态混合器的熔体出口温度一直偏高，为了寻求温度偏高的原因，我们研究了动态混合器的不同转速对动混设备熔体出口温度影响的试验。在保持注入母粒量不变，注入螺杆工艺条件不变的情况下，通过调整动态混合器的转速，验证其动态混合器内部熔体工艺温度变化，具体试验情况如表1。

表1 动态混合器不同转速下设备组件温度对比表

从表1可见，当动态混合器转速提升，因其剪切热增加，造成动态混合器内混合熔体温度升高，极易造成热降解，拉低纺丝熔体黏度，对纺丝质量影响较大。

就上述结论看，动态混合器的转速越低，产生的剪切热就越少，为此我们对不同转速混合效果进行模拟研究，以确定合适的转速，具体混合效果见图6。试验中发现50 r/min是该台混合设备的工艺变化点，当低于50 r/min时混合效果减弱，反之混合效果加强，但温度上升较快，为了清楚的表述混合效果情况，我们选择了混合效果较差的模拟图片和变化点时混合情况模拟图片，就模拟图和纺丝的情况看，该动态混合器的转速要控制在50～60 r/min较为合适，此工艺条件下混合效果好，剪切热可控，熔体黏度降解少，设备运行相对稳定。

图6 不同转速动态混合效果模拟图

2.3 前纺纺丝工艺情况对比研究

对前纺的纺丝工艺情况进行了连续10天的跟踪，从中发现，动态混合器因为其剪切热的原因，故在螺杆注入过程螺杆温度进行下设，也可合理的控制动混剪切热产生，对保证纺丝质量有利；就1#位组件压力的关注情况看，动混运行10天，组件压力上涨3.3 MPa,静态混合器运行10天，组件压力上涨4.4 MPa，可见动混可减缓组件压力的上涨，这与动态混合器的混合效果提升有关。具体情况见表2、表3。

表2 动态混合器运行纺丝工艺情况表

表3 静态混合器运行纺丝工艺情况表

组件压力的上涨，直接体现的是混合熔体内部的可通过性，当混合熔体内部母粒熔融后在熔体内部均匀的分散，其通过组件过滤网的通过性能就好，不易产生堆积，压力也相对稳定，但出现混合不匀和出现团聚时，团聚物或未混合均匀的母粒色素分子就容易堵塞组件过滤网，从而造成压力上升；就此观测数据看，相同时间内使用动态混合器后的组件压力上升数据比静态混合器小，主要是因为经动态混合器的混合熔体通过组件过滤网的性能好，与动态混合器的强制分配混合关系密切，可见动态混合器在混合中有效的降低了团聚，提升了分散混合效果。

2.4 成品物性指标情况

使用相同母粒在两种不同的混合工艺下进行试验，对生产出的原丝产品进行检验分析，就试验数据看，动态混合器工艺条件下生产原丝的强力、断裂伸长率、不匀率均要优于静态混合器工艺。具体数据如表4。

表4 不同混合技术条件下相同品种原丝主要性能

后纺工艺采用200 m/min牵伸速度，牵伸速比为3.07×1.05，后纺生产运行稳定，从成品物性指标看动态混合工艺条件下成品物性指标优于静态混合器工艺，具体数据如表5。

表5 不同混合技术条件下相同品种成品主要性能

2.5 动态混合和静态混合工艺条件下成品色度测试情况

按照上述工艺生产出的成品短纤使用标尺：CIELAB,光源D65，观察角10°的测试条件，经测色仪测色，色差仅0.1左右；但在标准光源下目测，发现动态混合工艺条件下生产的产品较静态混合器产品颜色稍深、稍绿、稍蓝，就目测结论看，主要是因为色素分子在纤维内部分散的更加均匀，从而使纤维的微观结构更加均匀，因此颜色也更加的凸显，具体测试数据如表6。

表6 不同混合技术条件下相同产品测色数据对比表

2.6 短纤维微观表面结构及横切面展示纤维内部结构情况

为验证其色素分子在纤维内部的混合效果，试验对纤维进行了电镜分析，纤维横截面和表面的电镜图如图7所示。

图7 纤维产品表面电镜图a): 静态横截面；b): 动态横截面；c): 静态表面；d)：动态表面

就纤维的微观结构看，使用动态混合器后的纤维横截面较静态混合工艺下纤维横截面更加干净和平滑，可观察到的大颗粒物质有所减少；就纤维表面看，动态混合器工艺条件下纤维表面较静态混合器工艺条件下表面更为光滑，说明在使用动态混合器后色素分子在纤维内部混合的更加均匀，有效的减少了团聚，还证明混合均匀后的聚酯混合熔体在加工过程中更有利于生产加工，熔体充分与色素分子融合，从而使得纤维表面也更加的光滑，大大提升纤维的后道可加工性能。

3 结 论

a) 球穴结构动态混合器能够在纺丝系统中很好的完成母粒的强制分配混合，可有效的减少色素分子在混合过程中的团聚现象，减弱纺丝组件的压力上涨速率，对延长纺丝组件的更换周期有利。

b) 球穴结构动态混合器的加入，因其提升了混合效果，减少了团聚，对于生产1.0D左右的产品而言，混合效果提升，对其原丝的强力和均匀性都有利，从而提升后纺的可加工性能，从成品指标看，加入动态混合器工艺条件生产的成品物性指标优于静态混合器生产产品。

c) 混合、分散效果的提升，纤维的表面更加光滑，内部结构更加紧密，对纤维成品的光泽有改善作用，另因其表面更加光滑，可有效的提高纺丝油膜牢度，对后道纺纱有利。

d) 因其球穴结构的设计原理，强制分配高浓母粒，产生的剪切热较大，为此生产过程中要注意热降解的产生，建议可通过适当降低动态混合器转速来降低熔体温度，为达到最佳的运行效果，可将转速尽可能的控制到一个合理区间，该试验中就该型号动态混合器而言，最佳的转速应控制在50～60 r/min较为合适。