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1 5 k t a 涤纶短纤维生产线的中空改造工艺研究 中文提要 1 5 k t a 涤纶短纤维生产线的中空改造工艺研究 中文提要 本硕士论文是针对仪化1 5 k t a 涤纶短纤维生产线中空改造项目进行工艺研究， 以使该生产线同时具备生产三维卷曲中空纤维与常规短纤维的能力。文中首先阐述了 改造的必要性，中空生产所需要的工艺条件；重点是对改造的可行性作工艺方面的分 析及改造的具体内容，主要从以下几个方面进行研究： 1 纺丝温度 2 纺丝速度 3 熔体分配计量 4 冷却成形 5 拉伸工艺 6 卷曲能力 7 切断能力 8 松弛定型 9 上油系统 1 0 打包 1 1 质量测试 研究表明，在1 5 k t a 涤纶短纤维生产线进行中空改造是可行的。改造后，该线 生产的三维卷曲中空纤维各项指标均达到设计目的。实践证明，改造取得了成功。 关键词：涤纶短纤维中空纤维生产线改造可行性研究工艺研究 作者：闻继善 指导教师：闻获江阮云峰 望! ! 垒堡丝望堑丝竺主垫塑! 窒垦垄三苎竺塞 ! 壅量耋 a b s t r a c t i nt h i sm a s t e rp a p e r , t h ep o l y e s t e rh o l l o wf i b e r sr e c o n s t r u c t i n gt e c h n i c si ss t u d i e dt h a t i sf o rs a k eo f t h ei t e mt h a tm a k e st h e1 5 k t ap o l y e s t e r s t a p l el i n eo f y i z h e n gc h e m i c a lf b e t c o l t dh a v et h ec a p a c i t yo fp r o d u c t i n gb o t hn o r m a l p o l y e s t e rs t a p l ea n dp o l y e s t e r t h r e e - d i m e n s i o nc r i m ph o l l o wf i b e r s t h ep a p e r e x p a t i a t e st h en e c e s s i t yo fr e c o n s t r u c t i o n a n dt h et e c h n i c so fh o l l o wf i b e r sf i r s t l y ；t h ep i v o to ft h ep a p e ri st h ef e a s i b i l i t ya n dt h e c o n t e n to f r e c o n s t r u c t i o n t h em a i nf a c t o r sa r ec o n c e n t r a t e da sf o l l o w i n g ： 1 s p i n n i n gt e m p e r a t u r e 2 s p i n n i n gs p e c d 3 m e l td i s t r i b u t i o na n dc o m p u t a t i o n 4 t h ec y l i n d r i c a l c o o l i n gp r o c e s s p a r a m e t e r s 5 t h ed r a wt e c h n i c s 6 t h ec a p a c i t yo f c r i m p 7 t h ec a p a c i t yo f c u to f f 8 h e a ts e t t i n gw i t h o u tg i v i n gs t r e s s 9 t h es y s t e m so f o i l 1 0 t h eb a l em a c h i n e 1 1 t h et e s tm a c h i n e f i n a l l y , t h ep a p e rt h i n kt h a tt h ei t e mo f1 5 k t ap o l y e s t e rs t a p l el i n eh o l l o wf i b e r s r e c o n s t r u c t i n gi sf e a s i b l e a f t e rr e c o n s t r u c t i o n ，t h et h r e e d i m e n s i o nc r i m ph o l l o wf i b e r so f t h el i n ea c c o r dt h er e q u i r e o f d e s i g n t h ep r a c t i c ep r o v e st h a tt h ei t e mi ss u c c e s s f u l k e yw o r d s ：p o l y e s t e rs t a p l e ；h o l l o wf i b e r ；l i n e r e c o n s t r u c t i o n ；f e a s i b i l i t y ； t e c h n i c ss t u d y w r i t t e nb yw e nj i s h a n s u p e r v i s e db yw e nd i j i a n g ，r u a ny u n f e n g i l 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也小含为获得苏 州大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本 声明的法律责任。 研究生签名：西叠蔓日期： 学位论文使用授权声明 则jn 。囝 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论 文合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的 保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的 全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名：困丛蔓日 导师签名：l 习邀! 日 期：巡：! ! ：12 期： 1 5 k t a 涤纶短纤维生产线的中空改造1 = 艺研究 致谢 致谢 首先衷心感谢仪化公司提供这次学习的机会，以及公司和苏州大学在学习过程中 提供的各种关心和帮助。 本论文的完成，得益于苏州大学博导闻荻江教授和仪征化纤阮云峰高级工程师的 精心指导。从课题的开题、工艺试验、论文撰写以及审改直到最后完成，两位导师都 倾注了巨大的心血。 闻荻江老师专业知识十分渊博，治学十分严谨，特别是涤纶化纤成形研究方面的 造诣给了我巨大启发和帮助，拓宽了我的专业视野和思路。阮云峰高工作为企业导师 直接给予我多方面的工程和生产实践技术指导，并对论文初稿进行审阅并提出宝贵的 意见。在此谨对两位老师的辛勤培养表示衷心的感谢。 本课题实施和论文撰写过程中得到了苏州大学司伟等老师的指导，以及仪化短纤 中心杨涛高级工程师等各级领导及同事们的热心帮助，在此一并致谢。 1 5 k t a 涤纶短纤维生产线的中空改造工艺研究 i 前言 近年来，随着3 6 万吨年的大容量涤纶短纤维生产工艺的逐渐成熟， 国内聚酯化纤产能迅速扩大，市场的竞争越来越激烈，特别是江浙等地区 民营企业的进入，大容量涤纶生产线在国内大规模上马，据不完全统计， 近年已开车或投资的大容量生产线有近3 0 条，具体统计如表1 所示： 表i目前国内大容量涤纶化纤生产线一览表 序号装置能力数量 供应商企业简称 1 术i 0 0 吨日1吉玛龙涤 2 木 i 0 0 吨日 1 吉玛联吉 3 丰 1 0 0 吨日 1 吉玛金山 4 木1 0 0 吨日2吉玛 辽化 5 丰i 0 0 吨日1伊文达浙化联 6 木 1 5 0 吨日 2 纽马格天化 7 木 1 5 0 吨日 2 康泰斯洛化 8 半1 5 0 吨日2吉玛 仪化 9 半 1 5 0 吨日2吉玛绍兴远东 i 0 1 5 0 吨日3纽马格 山东万杰 1 l 2 0 0 吨日 2 丰+ 6 纽马格三房巷 1 2 2 0 0 吨日 2 纽马格华西 1 32 0 0 吨日3纽马格 绍兴远东 1 42 0 0 吨日2 半 纽马格翔鹭 1 51 5 0 吨日2伊文达湖南 注：i 2 0 0 吨日装置均为纺丝2 条1 0 0 吨日线，配后纺1 条2 0 0 吨日线。 正是有这些大规模的涤纶短纤维生产线的投产，国内聚酯化纤市场出 现严重供大于求的局面，在这种状况下，原有的1 5 k t a 涤纶短纤维生产线 的规模优势则变成了劣势，在目前竞争市场化的环境下，明显处于不利地 1 5 k t a 涤纶短纤维生产线的中空改造工艺研究1 前言 位。生存空间就变得越来越困难，而鉴于国情，要彻底淘汰1 5 k t a 涤纶短 纤维生产线又不太现实，因此，如何为它们寻找到一条适合其生存发展的 道路将是摆在全国近1 2 0 条1 5 k t a 涤纶短纤维生产线厂家面前个非常现 实的问题。 而根据市场调研，随着人们生活水平的不断提高，有关保暖性三维卷 曲中空纤维以其优越的功能越来越被纺织厂家所青睐，其市场需求越来越 大。该品种纤维的研究国外始于上世纪6 0 年代。1 9 6 6 年，日本采用不对 称冷却法，成功制得了三维卷曲中空纤维，专利先后问世 。螺旋形三维 卷曲中空纤维产品以其优越的回弹性、膨松性、保暖性得到了用户的认可， 应用领域不断拓宽，卷曲自然似羊毛，不霉变、虫蛀，是无纺行业及毛纺 行业的优良原料t 2 。比如中空纤维用于保温已历多年，这是利用了中空纤 维面积体积比率大、可容大量空气的特性，因此也可用作充填纤维隔热 材料。 仪征化纤公司自上世纪九十年代初引进了东洋纺不对称冷却技术使 三维卷曲中空纤维大规模投入市场后，并自主开发了四孔、七孔中空纤维， 带动了国内中空纤维技术的大发展，国内中空纤维市场才真正起步。 1 9 9 0 1 9 9 4 年中空纤维以喷胶棉行业的需求为主，并主要依靠进口。 1 9 9 5 - - 1 9 9 8 年是国内涤纶中空纤维消费量增长最快的几年。首先由于喷 胶棉行业的高额利润，一些个体和集体企业纷纷投资喷胶棉厂，截至1 9 9 8 年底，全国的喷胶棉生产线有8 0 0 条左右；其次，由于涤纶中空纤维替代 腈纶有许多优越性，毛皮行业对涤纶中空纤维的需求量大幅增加；再次， 由于被子行业在全国床上用品基地南通叠石桥形成，使床上用品行业对涤 纶中空纤维需求量急剧上升。1 9 9 9 年以后是我国经济发展最为活跃的时 期，从市场需求来看，喷胶棉行业发展较为平稳，基本上维持在过去的水 2 i s k t a 涤纶短纤维生产线的中空改造工艺研究1 前言 平，毛皮行业发展稍有萎缩，但床上用品行业发展却异军突起，需求量大 幅增长，替代喷胶棉产品成为涤纶中空纤维用量最大的用途。涤纶中空纤 维产品替代小化纤应用在无纺布上，是涤纶中空纤维消费量扩大的又一个 亮点。另外，新的应用领域也在不断出现，除了玩具行业以外，家居沙发 所需的填充料也成为涤纶中空纤维市场发展的又一个方向。总的来说，这 一阶段涤纶中空纤维消费量增长最快。到2 0 0 2 年年底，国内涤纶中空纤 维市场年消费量至少在4 0 万吨以上。有数据估计国内中空纤维的年消费 量几年内将增长到8 0 1 0 0 万吨左右。 结合二者的实际情况，仪化公司将原有的15 k f f a 涤纶短纤维生产线 5 k 进行柔性化改造，使其具备生产三维卷曲中空纤维的能力，即将其改 造成既可以生产普通涤纶短纤维，又可以生产三维卷曲中空纤维。由于是 在原生产线上进行改造，改造后的生产线生产常规涤纶短纤维不存在太大 的问题，因此，改造的重点是将该生产线改造成可以满足三维卷曲中空纤 维的生产。 本文也就针对中空化改造进行工艺方面的研究，主要是从三维卷曲中 空纤维的生产工艺要求着手，阐述了在原有的1 5 k t a 涤纶短纤维生产线进 行工程改造的研究，从而满足中空纤维生产的需要。 1 5 k t a 涤纶短纤维生产线的中空改造工艺研究 2 中空纤维的质量指标 2 1 质量指标数据 进行中空纤维工程改造，就是将原有的1 5 k t a 涤纶短纤维生产线实现 能满足生产三维卷曲中空纤维。为满足生产条件，首先要了解中空纤维的 质量指标，根据其指标，然后才能进行工艺研究，以达到生产中空纤维的 工艺条件。仪化公司三维卷曲中空纤维的出厂定等指标见表2 、表3 。 表2絮棉型三维卷曲中空涤纶短纤维出厂定等质量指标 d d 0 6 ( 6 6 7 d t e x 单孔) d d 0 7 ( 7 7 8 d t e x 单孔)d d 0 3 ( 3 3 3 d t e x 单孔1d d l 3 ( 1 4 4 4 d t e x 单孔) 序号项目无硅型有硅型无硅型有硅型无硅型有硅型 优等品一等品合格品合格品合格品合格品台格品合格品 l 线密度偏差率 1 41 4士1 61 6圭1 6士1 61 41 4 2长度偏差率士881 0 1 0 士1 0士1 0士1 0士1 0 3卷曲数个，2 5 m m1 0 蛸51 0 o 4 01 0 0 5 0 1 0 o 5 o1 0 0 士501 0 嘶01 0 0 士5 0 1 0 o 士5 0 4 卷曲率2 2 蝴02 2 o 5 o2 2 0 6 0 2 2 0 7 01 3 0 士5 01 3 0 5 0 2 9 o 9 01 9 0 - 1 2 0 5原丝中空率2 0 2 02 02 02 02 0 2 22 2 6膨松特性v lc m 3 g1 5 01 5 01 4 01 3 51 3 51 3 01 3 01 1 0 7膨松特性v 2c m 3 g5 04 84 6 3 0 3 53 04 63 0 8含浊率o 1 6 士0 0 4o 1 6 士n 0 5n 1 6 0 0 6 o 3 5n 】6 - 0 0 6 o 3 5n 1 6 士o 0 6n 3 5 倍长纤维含量 9 4 0 5 06 0】0 0】0 0】o o 8 01 0 0 m 1 0 0 9 1 0 疵点含量m g 1 0 0 9 2 0 3 04 04 0 4 04 0 1 l比电阻q c m m 1 0 8 m 1 0 9m 1 0 9 1 2压缩弹性( 回复) 率 7 0 6 5 积累数据积累数据积累数据积累数据积累数据 1 3 卷曲弹性率她6 1 4卷曲回复率1 9 - 5 注：1 线密度偏差率以线密度中心值为计算依据。 2 长度偏差率以长度中心值为计算依据，根据用户需求可作调整。 31 0 m 1 0 0 。 4 回潮率0 8 。 i g k t a 涤纶短纤维生产线的中空改造工艺研究2 中空纤维的质量指标 表3 人造毛皮型三维卷曲中空涤纶短纤维出厂定等质量指标( 名义长度3 4 0 m m ) d r 0 6d r d 5 序 ( 6 6 7 d t c x 单孔) d r 0 3 ( 3 3 3 d t e x 单孔) 5 0 d t e x 单孔) 号项目 无硅型有硅型无硅型有硅型无硅型 优等品一等品合格品合格品合格品合格品合格品 l 线线密度偏差率 1 41 41 41 41 41 61 4 2长度偏差率8 8 8881 01 0 3 卷曲数个2 5 r a m 1 0 o 3 51 0 0 4 01 0 0 4 51 0 0 4 01 0 o 5 o1 0 0 5 01 0 0 5 0 4 卷曲率 2 2 o 4 02 2 0 5 02 2 0 5 o2 2 0 5 o1 3 0 5 o1 3 o 5 01 5 0 5 0 5 中空率 2 02 02 02 02 02 02 0 6 膨松特性v ic i n s g 1 4 01 4 01 4 01 3 0i 3 51 2 0j 3 5 7膨松特性v 2c r a s g4 0 4 04 03 04 03 0 3 5 8含油率o 1 6 0 0 6o 1 6 0 0 6o 1 6 0 0 6 1 0 3 50 1 6 o 0 60 3 50 1 6 0 0 6 倍长纤维含量 95 05 05 05 05 05 05 0 m g l o o g l o 疵点含m g 1 0 0 9 2 03 04 04 04 04 0 4 0 注：l 线密度偏差率以线密度中心值为计算依据。 2 长度偏差率以长度中心值为计算依据，根据用户需求可作调整。 3v iv 2 可根据用户需求进行调整。 4 回潮率o 8 。 5 1 5 k t a 涤纶短纤维生产线的中空改造工艺研究 2 中空纤维的质量指标 2 2 主要质量指标的测试方法 2 2 1 膨松度【3 】 2 2 1 1 质量指标的含义 纤维的膨松度指标包括以下具体内容： 膨松度：一定量的纤维，在规定的负荷作用下所具有的比容，用厘 米3 克表示。 膨松度v 。：一定量的纤维，在轻负荷作用下所具有的比容，用厘 米3 克表示。 膨松度v ：一定量的纤维，在重负荷作用下所具有的比容，用厘 米3 克表示。 压缩弹性：一定量的纤维，经一定的负荷作用，体积缩小，释压后， 回复原状至一定程度的性能。 压缩弹性( 回复) 率：一定量的纤维，受规定的重负荷压缩，释压后， 恢复的高度与受压时缩小的高度之比，用百分数表示。 2 2 1 2 膨松度测试 试样的制备、测试程序及结果计算均按仪征化纤股份有限公司企业标 准q s h y h 0 8 4 2 0 5 - - 2 0 0 2 进行 2 2 2 卷曲 4 】 2 2 2 1 质量指标的含义 描述纤维卷曲特性的指标有卷曲数和卷曲度两个指标： ( 1 ) 卷曲数：一定长度的纤维，其波曲的数目，单位个2 5 毫米来表示。 ( 2 ) 卷曲率：卷曲纤维在一定张力下长度增加部分的百分数，亦即因 卷曲而缩短部分占挺直纤维的长度之百分数。 2 2 2 2 测试方法 试样的制备、测试程序及结果计算均按仪征化纤股份有限公司企业标 准q j y h 0 8 4 1 0 2 4 1 0 9 1 9 9 9 进行 1 5 k t a 涤纶短纤维生产线的中空改造工艺研究3 中空纤维生产的主要工艺要求 3 中空纤维生产的主要工艺要求 3 1 理论综述 要对涤纶短纤维进行中空改造，首先就要了解中空成形机理及中空生 产所必需的工艺条件，下面将分别叙述。 3 1 1 中空纤维成形机理 这里以c 形喷丝板生产三维卷曲中空纤维为例，简单阐述中空纤维 成形机理i s 。熔体细流从c 形喷丝板挤出后，由于出口膨化效应使开口粘 结，经环吹冷却固化成形，而形成中空纤维。而中空纤维之所以形成三维 卷曲，根本原因是在纺丝成形过程中采用不对称冷却而在原丝截面上形成 了超分子结构的差异即潜在卷曲，这种不同超分子结构的存在，在牵伸时， 具有较高的双折射和结晶度的一侧，比另一侧积聚较高的应力和卷曲势 能，并产生长度差，因此纤维只得被迫扭成一个具有反向点的螺旋圈，并 围绕轴向发生扭曲，最终形成外形螺旋形的自卷现象，即形成了具有立体 结构的三维卷曲纤维。 3 1 2 后加工工艺要求 中空纤维原在前纺获得了潜在的卷曲性能，在同一断面上存在不对称 的内奕力，通过后纺拉伸，纤维的内部在前纺产生结构差通过拉伸得到了 放大，使卷曲性能得以充分展现出来。中空纤维由于其结构的特殊性，其 牵伸与常规涤纶短纤维的二次牵伸不同，它要求采用一次牵伸为宜，因为 二次牵伸的第二道牵伸是在较高的温度下进行，使纤维获得约1 0 15 的 结晶度，制取三维卷曲纤维，牵伸时由于结晶度的增加降低了一部分高分 子松弛收缩能力，削弱了纤维结构的不对称性，减少了纤维的自卷效果【6 】。 因此，生产中空纤维，常采用一道牵伸。 拉伸后的中空纤维其内部序态结构尚未固定，尺寸稳定性较差，只有 通过松弛热定型才能使纤维得到稳定的结构和性能，因此与东洋纺生产常 规涤纶短纤维不一样，生产三维卷曲中空纤维时，拉伸后的中空纤维必须 1 5 k t a 涤纶短纤维生产线的中空改造工艺研究3 中空纤维生产的主要工艺要求 要经过松弛热定型工序。 另外，在生产硅整理中空纤维时，硅整理剂对提高中空纤维的关键指 标之一滑爽性起着至关重要的作用。为了保证中空纤维的质量指标，成品 纤维中硅油的含量要求较高，一般为0 3 5 左右。因此，为了保证上油量， 中空采用两道上油工序，一道与常规涤纶短纤维的叠丝油轮一致，另一道 则在进入切断机之前采用喷雾式上油。因为，若如常规涤纶短纤维一样采 用一道叠丝上油，则丝束在进入卷曲机时卷曲辊将会将丝束油剂大量挤 下，而为了保证含油率，就必须加大上油量，这必然造成油剂生产成本的 大幅增加，不利于市场竞争。 3 2 主要工艺条件的选择 3 2 1 纺丝温度 生产中空三维卷曲纤维要求采用相对较低的纺丝温度，这样便于分子 的排列和取向，有利于初生纤维产生不对称结构，如果温度升高，初生纤 维的双折射下降，同时熔体容易产生丝束粘附喷丝板面，造成大量的柱头 和浆块，恶化纺丝质量；但温度又不能太低，温度偏低，熔体在喷丝孔中 剪切应力大，会出现熔体破裂而使熔体可纺性差，同时也会影响到卷绕丝 的性能，因此要根据具体情况合理地选择纺丝温度。 具有潜在自卷性能的初生纤维，其纺丝粘度降( 直观表现为干切片粘 度和无油丝粘度之间的差值) 是纺丝时非对称冷却工艺参数设定、调整的 重要依据，而非对称冷却成形条件决定了潜在卷曲性能的形成；因此，在 设定纺丝温度时，产生必须考虑纺丝粘度斛7 1 。 3 2 2 纺丝速度 生产中空三维卷曲纤维卷曲速度( 即纺速) 高有利于纤维产生不对称 结构。因为在其它条件不变的情况下，提高卷绕速度、物料在喷丝板处产 生的结构差异就大，卷绕丝的预取向大，双折射亦大。反之，降低卷绕速 度，物料在喷丝板处产生的结构差异就小，卷曲丝预取向小，双折射亦小。 因此，在生产中必须适当提高卷绕速度。 但同时，纺丝速度太高，原丝线密度就会下降，为保证成品线密度， 1 5 k t a 涤纶短纤维生产线的中空改造工艺研究3 中空纤维生产的主要工艺要求 必然要降低牵伸倍率，这必然会影响纤维的自卷效果，对成品的卷曲会造 成很大的影响；同时，纺丝速度的提高，为保证丝柬的冷却效果，就必须 加大环吹风速，这一方面对空调系统有较大影响，同时，较大的环吹风速， 会造成原丝在成形过程中产生并丝，严重影响原丝质量。因此，必须选择 合适的纺丝速度。 3 2 3 冷却成形( 环吹风速) 采用不对称冷却法生产三维卷曲中空纤维过程中，形成纤维立体卷曲 特性关键取决于环吹不对称冷却效果【8 】，提高环吹风速能强化不对称冷却 效果。 冷却介质常使用空气，冷却条件直接影响e y s l 5 和d v c 指标。 e y s l 5 ( 倍半伸长率) 是指原丝拉伸曲线上应力为原丝屈服点应力1 5 倍 时的应变率。它是用来了解纺丝热媒温度和环吹空调等工艺状态的指标， 对于确定纺丝温度和环吹风速的工艺调整方向具有重要意义。其值决定于 分子质量和纺丝工艺条件，直接影响后纺牵伸性能。e y s l 5 过大导致后 纺拉伸不充分，原丝潜在卷曲不足，成品丝卷曲展现不充分，膨松特性下 降；过小导致后纺可拉伸倍数减小，从而造成过度拉伸、断头、缠辊。风 速过高或过低，原丝的断面不匀率( d v c ) 都较大。风速过高，丝条扰 动大，不利于纺丝成形；且会使初生纤维预取向度偏高，结构差异大，从 而在后加工过程中产生过度拉伸，导致毛丝、断头、缠辊增多，造成后加 工困难；另外，过度拉伸还会导致大分子收缩能力降低，以致于纤维卷曲 和膨松特性反而降低。风速过低，初生纤维截面上不对称冷却效果差异小 其经后加工后卷曲较差。 因此，必须合理地选择环吹风速，在不影响纺丝及后拉伸正常生产的 前提下，为提高不对称效果，应当适当提高环吹风速。 3 2 4 拉伸温度 在三维卷曲中空纤维生产过程中，选择合适的牵伸温度，有利于提高成 品纤维的结晶度，发挥原丝潜在的卷曲性，从而达到提高产品质量的目的。 初生纤维在低温拉伸时，产生较大的拉伸应力，且拉伸温度远低于 q 1 5 k t a 涤纶短纤维生产线的中空改造工艺研究3 中空纤维生产的主要工艺要求 t g ，不会发生应力松弛，应力使分子迁移加大，强迫高弹形变导致纤维 取向程度高，过度的取向，降低了大分子松弛的收缩能力，减少了卷曲效 果，同时也使膨松性下降，甚至会产生毛丝和断头。随着拉伸温度的升高， 塑性形变越来越显著【9 】，使整根纤维拉伸性能趋于一致，减少内部应力差 和分子结构差异，起到抑制卷曲的作用。因此，初生纤维拉伸时，适当地 选择拉伸温度是必要的。 对于连续化大规模生产来说，纺丝位数多、后纺拉伸的旦数大、速度快、 保持运转性能稳定是一个重要因素，因此一般采用水浴拉伸的方式【1 0 1 。该拉 伸方式下，由于水分子的增塑作用，大大地刚氐了纤维t g ，因此拉伸温度一 般选择在6 0 左右，根据中空纤维的品种及原丝质量状况作一定的调整。 3 2 5 牵伸速度 牵伸速度提高，对中空纤维的拉伸过程来说，相当于降低拉伸温度； 牵伸速度的降低，则相当于提高拉伸温度。而拉伸温度的稳定对中空纤维 的生产有着相当重要的影响，因此，牵伸速度一般是相对稳定的；同时， 还要考虑到拉伸速度的变化对松弛定型效果的影响，拉伸速度的提高，丝 束流量增大，为了保持松弛定型机的铺丝状况，必然要缩短松弛定型时间， 对中空质量有严重的影响。 大容量中空线生产过程中，一般后加工设备保持8 0 8 5 的运转率， 拉伸速度在1 7 0 2 0 0 m m i n 左右。 3 2 6 牵伸倍率 三维卷曲中空纤维在拉伸过程中既要尽可能拉开每根纤维截面上微 观结构的差异，又要使纤维与纤维之间的差异程度始终处于同一水平上。 牵伸倍率的正确选择可使原丝潜在的卷曲充分释放，是保证成品丝的质量 和拉伸进程能否顺利进行的关键。 前已述及，生产三维卷曲纤维要求在拉伸过程中结晶的增长愈小愈 好，结晶度较大就会降低部分高分子松弛收缩力，影响自卷效果。因此采 用一次拉伸。 拉伸倍率选择在初生纤维最大拉伸比和自然拉伸比之间，因为拉伸倍 1 5 k t a 涤纶短纤维生产线的中空改造工艺研究3 中空纤维生产的主要工艺要求 率若小于自然拉伸倍数，则被拉伸纤维中细颈尚未扩展到整个纤维，必然 包含较多的未拉伸丝，这样的纤维没有实用价值；而当拉伸倍率达到最大 倍数时，纤维就要断裂，严重影响生产的正常运行。 对中空纤维生产来说，过大的拉伸倍率会减少在纤维横断面取向度差 异，拉伸倍率的增大往往会产生牵伸困难。拉伸倍率过小，造成拉伸不足， 潜在的卷曲性能没有充分体现，则在纤维横断面的取向差异过小，则成品 纤维物理特性指标降低】。 因此，必须根据生产实际选择合适的拉伸倍数。其牵伸倍率也不是一 成不变的，而应根据牵伸状态及成品质量情况进行调整。 3 2 7 松弛定型 初生纤维在拉伸后其内部序态结构尚未固定，尺寸稳定性较差，只有 通过松弛热定型才能使纤维得到稳定的结构和性能，因此松弛热定型是涤 纶中空纤维后加工过程中一个极其重要的工序。通过松弛热定型，进一步 提高纤维的结晶度，消除内应力，使得纤维的卷曲形态固定下来，最终得 到三维螺旋卷曲中空涤纶短纤维。 影响松弛定型效果主要有两个因素：定型温度与定型时间。定型温度 的选择一方面与纤维的结构有关，同时也与中空纤维选用的一种特殊的油 剂硅油性质有关。松弛定型与紧张定型相比，由于定型时间要长得多 ( 东洋纺工艺紧张定型时间约为3 秒，而仪化公司中空装置松弛定型时间 可达5 分钟以上) ，因此松弛定型温度较紧张定型温度相应要低，但若过 低，硅油反应不充分，对中空纤维的滑爽性有严重的影响。根据硅油生产 商提供的数据，松弛定型温度宜选择在1 6 0 。c 左右。在松弛定型温度确定 的情况下，适当延长定型时间有助于提高中空纤维的滑爽性。从本公司中 空产品与进口产品比较，纤维滑爽性存在一定的差距，因此，可以适当延 长定型时间，但这受制于产地及生产成本的制约。 一般在实际生产过程中，松弛热定型温度为11 0 1 8 0 ( 有硅及无硅 产品选择不同的定型温度) ，定型时间为5 1 5 r a i n ( 根据不同品种及生产 现状选择定型时间) 。 1 5 k t a 涤纶短纤维生产线的中空改造工艺研究4 中空改造的可行性分析 中空改造的可行性分析 4 1 聚酯原料要求的一致性 从仪化公司生产三维卷曲中空纤维的工艺要求及生产经验来看，中空 纤维生产对聚酯原料并没有什么特殊的要求，与常规涤纶短纤维对聚酯原 料的要求具有一致性。具体要求如下表4 t 1 2 1 表4 生产三维卷曲中空纤维与常规涤纶短纤维聚酯熔体的质量指标对比 序号项目单位中空纤维质量指标常规涤短质量指标 1 特性粘度d l g n ：t - 0 0 2 0 n ：i o 0 2 0 2 端羧基含量 m o 价3 33 3 3 熔点 2 5 92 5 9 4 二甘醇含量 1 41 4 5 二氧化钛含量 o 3 5 士o 0 60 3 5 士0 0 6 6 l o p m 凝聚粒子 个毫克5 05 0 7 1 0 u m = 氧化钛凝聚粒子个，毫克2 02 0 8 黄色指数1 21 2 9 灰份 0 1 00 1 0 1 0 铁含量 5 l 矿 5 1 矿 注：凝集粒子包括二氧化钛凝聚粒子、凝胶粒子、碳黑粒子异状物等。 由于仪化公司涤纶一厂的设计规模是一套聚酯装置包含两个圆盘反 应器r 0 5 1 r 0 5 2 ，每个圆盘反应器出来的聚酯熔体被送至熔体出料泵 ( q 0 6 ) ，而从熔体出料泵( q 0 6 ) 出来的聚酯熔体又通过纺丝线分流阀( 通 常称为三通阀) 送往两条纺丝生产线，即每个圆盘反应器则对应两条纺丝 生产线，因此从同一个反应釜中出来的聚酯熔体是相同的，也就是说纺丝 生产线5 k 、6 k 对应的就是同一个反应釜，其聚酯熔体是相同的。如果三 维卷曲中空纤维与常规涤纶短纤维对聚酯原料的要求不同，那么对单独一 条生产线进行中空改造则无从谈起。正是因为它们对聚酯原料的要求一 1 5 k t a 涤纶短纤维生产线的中空改造工艺研究 4 中空改造的可行性分析 致，为5 k 纺丝生产线的中空改造提供了原料上的可能。 4 2 工艺流程的相似性 仪化公司1 5 k t a 涤纶短纤维生产线采用的是引进上世纪七十年代日 本东洋纺生产工艺，在当时它具有生产能力大、工艺流程短等特点；仪化 公司在上世纪八十年代末曾投产两条三维卷曲中空纤维生产线，生产负荷 可达5 0 t d ，与东洋纺涤纶短纤维生产线生产能力大致相当。通过对1 5 k t a 涤纶短纤维生产线与三维卷曲中空生产线工艺流程进行比较，发现二者之 间极其具有相似性，这为改造工艺方向上的可行性提供了有力的依据。以 下是二者的生产工艺流程图。 ( 1 ) 常规涤纶短纤维生产的工艺流程： ( 2 ) 中空纤维生产的工艺流程： 1 5 k t a 涤纶短纤维生产线的中空改造工艺研究4 中空改造的可行性分析 装置较常规装置多了一道硅整理装置和一道松弛定型系统，这两个装置可 以通过适当的搬迁改造，在原有的生产线上进行安装。 4 3 设备的承载力分析 实施常规涤纶短纤维生产改造为中空纤维生产时，前纺设备没有太大 的变化，要考虑设备的承载能力主要是后3 n - r 设备，而后加工中d f 2 、 d f 3 受力最大，因此只需计算此处的受力。 中空纤维生产中，牵伸纤度为2 8 8 万分特( 6 6 7 d t e x ) ，较常规涤纶短 纤维的2 0 6 万分特高( 1 5 6 d t e x ) ，但通过对中空纤维及常规短纤进行冷拉 对比发现，中空纤维的断裂强力要低得多，具体数据见表5 表5 不同品种纤维冷拉数据对比 品种 l 拍6 7 d t e x2 拍6 7 d t e x1 4 4 4 d t e x1 5 6 d t e x1 3 3 d t e x 断裂强力c n 2 3 0 52 3 6 4 4 3 5 7 8 4 47 4 7 强力c v 1 5 8 1 8 01 2 64 38 2 断裂伸长率 3 5 3 4 3 6 9 23 3 7 64 6 7 64 2 7 8 伸长c v 1 3 31 3 61 5 28 05 7 原丝纤度d t e x 1 8 2 01 8 23 95 1 94 3 7 断裂强度c n d t e x 1 2 6 61 2 9 9 1 1 1 7 1 6 2 61 7 1 0 断裂强度， 1 4 41 4 71 2 71 8 41 9 4 克力旦 因此，进入牵伸的中空纤维丝束总的牵伸力仅较常规涤短稍高，通过 对牵伸齿轮、轴、轴承等受力分析，安全系数均较高，可以满足中空纤维 的生产。 4 4 中空纤维与常规短纤维生产的比较 4 4 1 工艺参数比较( 以1 5 6d t e x 棉型纤维与6 6 7 d t e x 有硅中空纤维比 较) 两种不同的纤维生产工艺参数见表6 。 1 5 k t a 涤纶短纤维生产线的中空改造工艺研究4 中空改造的可行性分析 表6两种不同的纤维生产工艺参数 项目单位棉型 中空 产量 t d6 05 0 纺丝位数个 2 42 4 喷丝板孔数孔 3 0 6 47 5 0 冷却风速 m s1 1 53 5 4 集束根数根 1 82 4 满桶时间m m 8 06 0 成品纤维 d t e x 1 5 66 6 7 纺丝速度 m r a m1 1 5 01 0 8 0 前纺设备效率 9 99 8 前纺打滑率 33 第一油剂浓度鲫 3 55 第二油剂浓度 g l 5 0 1 2 5 ( 硅油) 牵伸总旦数 1 0 4 d t e x 2 0 62 8 8 牵伸浴槽温度 6 06 0 蒸汽箱温度 1 0 01 0 0 d f 3 温度 1 9 06 0 8 0 紧张热定型温度 1 6 5 卷曲预热箱温度 1 3 0 松弛热定型温度 1 3 0 1 7 0 牵伸倍数 3 73 0 8 3 5 牵伸速度 m r a i n2 8 01 7 0 后纺设备效率 8 48 0 后纺打滑率 1 01 0 成品率 9 99 8 5 4 4 2 油剂比较 两种不同的纤维生产所需油剂见表7 。 1 5 1 5 k t a 涤纶短纤维生产线的中空改造工艺研究 表7两种不同的纤维生产油剂比较 项目 棉型中空 种类 n 6 5 n 6 5 卷绕油剂 浓度( 鲫) 3 53 5 种类 n 6 5n 6 5 牵伸第一油剂 浓度( 虮) 3 55 o 种类 n 6 8 硅油 牵伸第二油剂 浓度( v a ) 5 01 2 5 成品含油率 0 1 50 4 4 4 3 环吹比较 两种不同的纤维生产环吹参数见表8 。 表8 两种不同的纤维生产环吹参数比较 项目 棉型中空 吹风方式 半敞开式外环吹半敞开式外环吹 环吹风温 2 42 0 环吹风湿 8 58 5 环吹风速约1 2 3 5 4 o 4 4 4 牵伸与定型工艺比较 两种不同的纤维生产牵伸与定型工艺见表9 。 表9 两种不同的纤维生产牵伸与定型工艺比较 项目棉型 中空 级数 二道 一道 牵伸介质油水+ 蒸汽油水 牵伸倍数 3 1 4 02 8 3 2 0 方式紧张定型松弛定型 定型温度 约1 7 0约】6 0 加热方式辊筒表面接触热风 4 5 工艺条件的满足 4 5 1 纺丝温度 前面已经阐述过，纺丝温度对于三维卷曲中空纤维或是常规涤纶短纤 维的纺丝工艺及纤维的后加工都有着十分重要的影响，因此，对纺丝温度 的严格控制就显得尤为重要。 纺丝温度般就是指纺丝箱体温度。纺丝箱体是输送并分配熔体至每 个纺丝部位的部件，此区的温度直接影响熔体纺丝成形，是纺丝工艺温度 1 5 k t a 涤纶短纤维生产线的中空改造工艺研究4 中空改造的可行性分析 中的重要参数。 仪化公司涤纶一厂5 k 的纺丝温度控制是通过热媒来控制的。热媒是 传热媒介的简称，它是将热源的热量传递给需要加热的对象的热载体。仪 化公司使用的热媒是联苯联苯醚的混合物，它是一种含2 6 5 ( 重量) 的联 苯和7 3 5 ( 重量) 的联苯醚的低共熔混合物的传热介质。其沸点为2 5 7 c ， 当使用温度达4 0 0 。c 时，其饱和蒸汽压约为1 m p a 【l3 1 。本装置使用中，采 用的是液相和汽相两套热媒系统。为了保证纺丝箱体中各熔体分配管以及 各组件中熔体温度均一，以达到消除各个纺丝位间原丝质量差异，在纺丝 箱体上使用了汽相加热的方法。对于熔体输送系统来说，只要保证熔体输 送管道各点在时间上不存在差异即可，不需要消除空间上的差异，即保证 熔体输送管道上各点的熔体温度、压力、粘度等工艺参数恒定不随时间变 化，不需要保证各个空间点上的熔体工艺参数都一致。采用液相热媒加热 方法正能满足这一点。尽管在熔体输送管道上各处的热媒温度不同，但对 某一固定的位置来讲，其温度却不随时间变化。 在生产常规涤纶短纤维与三维卷曲中空纤维过程中，纺丝箱体温度差 别并不明显，都是在2 8 0 2 9 5 的范围内进行调整，而给纺丝箱体保温的 汽相热媒的温度调节范围可达2 6 0 3 3 0 ( 热媒沸点为2 5 7 ，同时为保 证热媒的安全使用，仪化公司设定热媒的高温报警值为3 3 0 * c ) ，因此， 生产三维卷曲中空纤维所需的纺丝温度在原有的1 5 k t a 涤纶短纤维生产 线上通过热媒调节完全可以满足。 4 5 2 纺丝速度 纺丝速度一般是指卷绕牵引辊的运行速度。为了保持丝束一定的张 力，卷绕喂入轮的运行速度通常比牵引辊的速度要快。牵引辊及喂入机的 速度均是通过变频马达来控制的【 4 1 。变频马达即是永磁式变频同步电动 机，其速度易于调节，转速度精度高，广泛应用在纺丝机上。永磁式变频 同步电动机的转子是永久磁铁，锭子和一般鼠笼式电动机相同。当输给同 步电动机的电源频率改变时，电动机的转速亦随之改变。转速和频率的关 1 7 1 5 k t a 涤纶短纤维生产线的中空改造工艺研究 系式如下： n = 6 0 f p 式中：n 电动机转速( r p m ) f 一电源频率( h z ) p 电动机极对数 因常用4 极变频马达，其极对数等于2 ，故上式可简写为： n = 3 0 f 利用上式，可根据设定的频率计算出电动机的转速，反过来也可以根 据需要的转速求出应设定的频率。 原有的1 5 k t a 涤纶短纤维生产线采用的是国产f t y l 6 2 0 - 4 型的永磁 式变频同步电动机，其工作调节范围为：2 2 6 7 h z ，相对应的马达转速范 围为：6 6 0 2 1 3 0 ，根据如下的公式计算出纺丝速度范围： 纺丝速度( 牵引辊速度) = 牵引辊直径x 马达转速 牵引辊直径= 2 4 0 m m 则纺丝速度的范围为：4 9 7 1 5 1 5 m m i n 根据生产三维卷曲中空纤维的工艺要求，其纺丝速度大约为9 0 0 1 2 0 0 m r a i n ，因此，现有的变频马达完全可以满足三维卷曲中空纤维的纺丝速 度的调节需要。 4 5 3 熔体分配计量 原有的1 5 k t a 涤纶短纤维生产线熔体分配计量过程是在纺丝箱体中 进行的，每个纺丝箱体装6 个纺丝组件，每个纺丝组件由1 台计量泵进行 熔体计量。 熔体分配：纺丝箱体中熔体分配管道的布置方案是多种多样的。总的 要求是应保证熔体到达每个纺丝位的距离要完全相等，管径的选择和管线 安排应有利于缩短熔体在分配过程中的停留时间，并尽可能减少拐折，使 各纺丝位之间管路阻力差异减到最小。本装置采用的是辐射式熔体分配方 式，该分配方式中，熔体总管到达纺丝箱体后，经一分配头集中分离管线 1 r 1 5 k t a 涤纶短纤维生产线的中空改造工艺研究 4 中空改造的可行性分析 到各个纺丝位。针形阀分散装于各纺丝位上，纺丝箱体中熔体分配支管的 管径为2 5 r a m ，管长1 5 4 m ，当熔体接受量为5 0 吨天时，熔体在纺丝箱 体中的停留时间为1 分钟左右。 熔体计量：熔体纺丝计量都采用齿轮计量泵，它是纺丝过程中最关键 性的机件。计量泵流量的准确性和均匀性直接影响到成形纤维的质量。正 确地使用、处理和维修计量泵对提高纺丝质量是至关重要的。本装置采用 的是公称流量为l o o c c r e v 规格的熔体计量泵，计量泵转速是由电机通过 减速机控制的，而电机也与卷绕喂入机、牵引机一样是通过变频马达来控 制的。纺丝计量泵转速可通过如下公式计算： 纺丝计量泵转速= 熔体吐出量( 熔体比重掌计量泵容量) 式中：熔体比重取1 1 9 9 c m 3 ，计量泵容量为1 0 0c m 3 转，熔体吐出 量是指每个纺丝位的熔体量 计量泵电机马达的转速及变频器频率可通过如下公式计算： 马达转速= 计量泵转速减速比 变频器频率= 计量泵转速 ( p 2 ) ( 减速比s 6 0 ) 式中：p 为电机级数，取4 ；减速机的减速比为1 1 0 2 综合上述公式，则计量泵变频器频率( n v l ) 与纺丝吐出量( 克，位分)