国产柔性聚酯产业用长丝纺牵联合机研制及工艺探讨

满晓东MAN Xiao-dong

（北京中丽制机工程技术有限公司，北京 101111）

0 引言

聚酯纤维作为合成纤维中的一大类，自1941 年研制成功后得到了各界的青睐而迅速发展，成为合成纤维的第一大品种。聚酯产业用纤维以其高强度、高模量、耐高温等优异性能已成为产业用纺织品的主要原材料，涵盖了医疗卫生用纺织品、过滤用纺织品、土工合成材料、特殊装饰用纺织品（篷帆布、灯箱布、革基布等）、交通运输用纺织品、航空航天用纺织品和新能源用纺织品、农业用纺织品、安全防护用纺织品等二十几大类。

一直以来，国产产业用长丝生产设备存在纺制品种单一，特别是不能在同一套设备中纺制不同品种的产业用长丝等问题，导致使用厂家需要配置不同的成套设备。随着聚酯产业用长丝产能规模不断放大，产品范围不断扩展，如继续按现有单一设备生产聚酯产业用长丝，纺丝生产线将变得越来越庞大，也将对生产厂房用地和建筑面积的需求更大，最终将使聚酯产业用长丝纤维的生产成本不断提高，能耗增加，竞争能力减弱。耗费大量财力，这些严重阻碍了我国聚酯产业用长丝的发展。本文论述了国产柔性聚酯产业用长丝成套装备及技术，以节能、高效的思路对聚酯产业用长丝生产装备进行了技术创新开发，运用多头纺和大容量纺丝技术，推动一机多能的工艺思路，研发国产化、先进、节能、高性价比的柔性化纺牵联合机及生产线。新一代节能型柔性化产业用长丝纺丝装备技术可在同一套纺牵联合机生产线上根据不同工艺要求生产不同品种的聚酯产业用长丝，可以满足国内外用户对高质量、多品种、多系列产业用长丝的需求。聚酯产业用长丝柔性化生产，节约能耗，降低成本，提高生产效率；满足国内外对聚酯产业用长丝日益提高的品质和功能要求，推动我国聚酯产业用长丝行业装备技术的进步。

1 国产柔性聚酯产业用长丝纺牵联合机特点

1.1 国产柔性聚酯产业用长丝纺牵联合机工艺流程

聚酯高粘切片→螺杆挤压机→测量头→熔体管道系统→纺丝箱→计量泵→组件（喷丝板）→双层缓冷器→环吹风冷却→油嘴上油（油轮上油）→预网络→喂入辊（冷辊）＋分丝辊（冷辊）→第一对热牵伸辊（GR1）→第（2-3）对热牵伸辊（GR2-GR3）→在线检测的终网络→iBWA 系列全自动精密卷绕头→（2-64）头高强型聚酯产业用长丝。

聚酯高粘切片→螺杆挤压机→测量头→熔体管道系统→纺丝箱→计量泵→组件（喷丝板）→双层缓冷器→环吹风冷却→油嘴上油（油轮上油）→预网络→喂入辊（冷辊）＋分丝辊（冷辊）→第一对热牵伸辊（GR1）→第（2-4）对热牵伸辊（GR2-GR4）→在线检测的终网络→iBWA 系列全自动精密卷绕头→（2-64）头低缩高强型聚酯产业用长丝。

聚酯高粘切片→螺杆挤压机→测量头→熔体管道系统→纺丝箱→计量泵→组件（喷丝板）→双层缓冷器→环吹风冷却→油嘴上油（油轮上油）→预网络→喂入辊（冷辊）＋分丝辊（冷辊）→第一对热牵伸辊（GR1）→第（2-5）对热牵伸辊（GR2-GR5）→在线检测的终网络→iBWA 系列全自动精密卷绕头→（2-64）头超低缩型聚酯产业用长丝。

1.2 原料

聚酯产业用长丝采用的原料是高粘度聚酯切片，要求分子量高且分布窄，增粘后特性粘度要求达到①特性粘度[η]= 0.95-1.1±0.015；②含水量≤30ppm；③端羧基≤15mol/每批波动范围<±0.015dL/g；且不使用消光剂。

1.3 国产柔性聚酯产业用长丝纺牵联合机技术参数（如图1，表1）

图1 柔性聚酯产业用长丝纺牵联合机全机示意图

表1 国产柔性聚酯产业用长丝纺牵联合机技术参数

1.4 设备形式及技术特点

1.4.1 柔性聚酯产业用长丝螺杆挤压机

螺杆挤压机是柔性聚酯产业用长丝纺牵联合机的关键单元机之一。根据柔性聚酯产业用长丝品种多，用途广，小批量多品种的特性，采用一条螺杆带2 纺位的生产线配置，其一：可以充分满足下游客户的使用要求，其二：为了防止纺丝过程中物料降解过大，减少熔体的停留时间，这样可以大幅提高丝束的品质。

通过理论计算获得精确的聚酯产业用长丝螺杆挤压机的挤出量是相当复杂和困难的，根据螺杆挤压机理论产量公式：

式中：Q ——体积挤出量，cm3/min；

n——螺杆转速，r/min；

P1——进计量段压力，Pa；

P2——出计量段压力，Pa；

α——正流流量常数，cm3；

η——熔体粘度，Pa·S；

β——逆流和漏流流量常数，cm3；

L0——螺杆计量段长度，cm；

D——螺杆直径，cm；

h3——计量段槽深，m。

我们采用理论计算和经验表格相结合的方法来确认螺杆挤压机产量。计算出柔性聚酯产业用长丝55dtex-111dtex（64 头），111dtex-333dtex（32 头），333dtex-666dtex（16 头），666dtex-1333dtex（8 头），1670dtex-3333dtex（4头）3300dtex-6666dtex（2 头）的产量情况，为表2。

表2 柔性聚酯产业用长丝螺杆的产量表（kg/h）

1.4.2 柔性聚酯产业用长丝纺丝箱体

根据高粘度聚酯纺丝动力学原理，建立三维模型，应用了最大无支撑元平板计算技术和计算机模拟熔体的分配流程。设计了一种双排组件错位排布且上下箱体分段加热控温的柔性聚酯产业用长丝纺丝箱，采用可纺制不同聚酯的不同品种纺丝技术。其特点是箱体共用一套熔体管路，通过组件和喷丝板数量的变化，分别可以纺制55dtex-6666dtex 聚酯产业用长丝。

纺丝箱的箱体为上下分体结构形式纺丝箱，解决了纺丝箱无法单独控制熔体温度的技术问题，通过设置能独立控温的上纺丝箱及下纺丝箱，实现了能单独调整两个箱体的温度，使熔体降解大幅减少，保证了成品丝的纤度、结晶度与取向度的均匀性，提高了成品丝的拉伸性能，降低了纤维强力和伸长不匀率。为了使得纺丝箱整体结构更加紧凑，并且最大限度地利用空间，采用组件双排错位对称结构排布，缩短了箱体内的熔体管路长度，从而缩短了熔体停留时间，降低了熔体压力降，提高了纺丝工艺性。采用了组件双排错位对称结构的技术手段，可使箱体内各相应的管路长度差接近最小，使各纺丝组件的熔体配送趋于一致，使纺制出的丝条更加均匀，各个组件所喷丝的丝丝束能够均匀集束在热辊上，为牵伸一致提供前提条件。进而达到各束丝牵伸一致。

上纺丝箱的内部设置熔体经熔体进口总管分配成两路，由熔体支管（一）和熔体支管（二）组成，分别进入泵座，再经泵垫、泵板、进入计量泵中，然后经过计量泵的计量、计算，熔体再经泵板、泵垫、泵座被分配到各个熔体管路次支管，计量泵用于控制熔体的流量。保证成品丝满足设定要求。上纺丝箱采用了泵座上对应每一个计量泵分别设置有熔体进口和出口，熔体进口与计量泵的熔体入口连通；熔体进出口分别与不同的熔体管路相连通，每一个计量泵有1 个熔体入口和多个熔体出口，每一个纺丝组件有2 个入口，每一个熔体分配输出通道的长度与其相对应的熔体分配输入通道的长度之和均相等。

下纺丝箱的内部设置组件；下纺丝箱还设置加热介质进口和加热介质出口，通过加热介质使下纺丝箱空间内的温度保持在设定温度，继而使组件的熔体保持在设定温度。上纺丝箱和下纺丝箱采用了联苯和联苯谜或导热油加热的技术手段，所以，容易控制加热温度，有利于环境保护。

由于采用了上下箱体都具有一个加热介质进口和两个加热介质出口的技术手段，每一个箱体均分别与可独立控制的加热介质系统连通，所以，可以分别对每一个箱体内的温度进行控制，进而实现对箱体的熔体管、计量泵和纺丝组件中的熔体温度进行控制，有利于纺制出高质量的聚酯产业用长丝。

这样，有效解决了现有技术中纺丝箱无法单独控制熔体温度的技术问题，实现了能单独调整两个箱体的温度，使两个箱体具备不同的功能，上箱体采用相对低温的方法，尽量减少熔体的降解，起到输送分配作用，而下箱体采用相对高温，使熔体在组件中的表观粘度趋近一致，保证了成品丝的纤度、结晶度与取向度的均匀性，提高了成品丝的拉伸性能，降低了纤维强力和伸长不匀率。

纺55dtex-111dtex 时，每排16 头，双排32 头，组件采用双胞胎喷丝板，这样形成64 个丝束，纺111dtex-333dtex每排16 头，双排32 头，组件采用单板喷丝板，这样形成32 个丝束，纺333dtex-666dtex 两个组件合并为一束丝，单排8 个束丝，双排16 个束丝，这样形成16 个丝束，纺666dtex-1333dtex4 个组件合并为一束丝，单排4 束丝，双排8 束丝，这样形成8 个丝束，纺1670dtex-3333dtex8 个组件合并为一束丝，单排2 束丝，双排4 束丝，这样形成4个丝束，纺3300dtex-6666dtex16 个组件合并为一束丝，单排1 束丝，双排2 束丝，这样形成2 个丝束。

1.4.3 柔性模块式牵伸卷绕机

生产不同的聚酯产业用长丝采用了单元标准化、系列化的一机多能柔性牵伸技术，同一机型，根据不同的产业用长丝产品的牵伸工艺要求，将上油、预网络、导丝、牵伸罩壳、网络等部件做成系列标准单元，热辊作为牵伸关键部件，将工频及高频加热，单段及多段控温，多种表面粗糙度，不同长度的热辊组合在一起，形成独立系列标准单元。采用不同标准化单元，不同品种的聚酯产业用长丝能在同一机型上按需高效制备，（如图2 所示）。同样同一机型上既可以生产聚酯低缩（LS）产业用长丝及聚酯超低缩（SLS）产业用长丝和生产聚酯高强（HT）产业用长丝，也可以生产聚酯产业用中强长丝，同时在同一设备上可以根据不同的旦数，保证总纤度不变采用1-2 台卷绕头，生产64 头纺（55dtex-111dtex）-2 头纺（3300dtex-6666dtex）的不同聚酯低缩（LS）及超低缩（SLS）高强（HT）产业用长丝。

图2 柔性聚酯产业用长丝牵伸卷绕部分示意图

经过喂入分丝辊组（14）→第一牵伸热辊组（15）→第二牵伸热辊组（16）→第三牵伸热辊组（17）→导丝盘一（20-1）→终网络（21）→卷绕装置（22）。此工艺路线可以生产2-64 头聚酯高强产业用长丝。

经过喂入分丝辊组（14）→第一牵伸热辊组（15）→第二牵伸热辊组（16）→第三牵伸热辊组（17）→第四牵伸热辊组（18）→导丝盘二（20-2）→终网络（21）→卷绕装置（22）。此工艺路线可以生产2-64 头聚酯低缩高强产业用长丝。

经过喂入分丝辊组（14）→第一牵伸热辊组（15）→第二牵伸热辊组（16）→第三牵伸热辊组（17）→第四牵伸热辊组（18）→第五牵伸热辊组（19）→导丝盘三（20-3）→终网络（21）→卷绕装置（22）。此工艺路线可以生产2-64 头聚酯超低缩高强产业用长丝。

1.4.4 柔性模块式高速卷绕装置

柔性聚酯产业用长丝的卷绕装置采用先进的高速自动换筒步进精密卷绕技术、主动压丝辊技术、低摩擦处理技术，不同型号的卷绕头系统体积小，防干扰能力强，具有自动防叠功能，在底层丝退绕和尾丝过尾等方面性能能满足不同品种产业用长丝的卷装需求。

2 主要工艺参数（见表3，表4，表5，表6）

表3 典型产品纺丝工艺

表4 典型产品的牵伸-松弛热定形-卷绕工艺

表5 典型产品纺丝工艺

表6 典型产品的牵伸-松弛热定形-卷绕工艺

3 结果

国产柔性聚酯产业用长丝纺牵联合机成套装备技术，填补了国内空白，并实现了规模化生产，生产的多系列聚酯产业用长丝已投放国内和国际市场，产品性能指标优异，取得了显著的经济效益和社会效益。随着市场的推广、产品的升级，预计今后在聚酯产业用长丝产品领域具有更加广阔的应用前景。对增强我国化纤装备制造技术、增强我国纺织品国际竞争力起到了良好的推动作用。