国产涤纶工业丝牵伸卷绕设备及工艺浅析.pdf

1 8 研究与应用 纺织机械2 0 1 3年 第 3 期 国产涤纶工业丝牵伸卷绕设备及工艺浅析 李惊涛 北京中丽制机工程技术有限公司 1 0 0 0 2 5 摘要本文介绍 了国产涤纶工业丝牵伸卷绕设备的基本形式 并就其设备配置及 工艺技 术特 点 进行 了介绍与分析 关键词 国产涤纶工业丝 牵伸卷绕设备 工艺 1 引言 涤纶工业丝具有高强度 高模量 低伸长 耐疲 劳 耐冲击 耐热性 能好 等优点 是 许多工业用纺织 品和橡胶骨架的 良好材料 被广泛应用 于轮胎帘子 线 线绳 索具 吊装带 捆绑带 煤矿输送带 汽车 安全带 灯箱广告布 土工材料等领域 涤纶工业丝 依据其性能主要分为 四大类 普通高强型 ht 低 收缩 超低收缩型 is s i s 高模 低缩型 hmis 特殊功能型 涤纶工业丝切片经 干燥后进入 挤压机熔融 至 纺丝箱纺丝后经喷丝板喷出 由缓冷器延迟冷却 侧 吹风冷却成形 进入牵伸卷绕设备 涤纶工业丝的 不同性能及用途主要是由其强度 模量 伸长 干热 收缩率等物理指标决定 这些物理 指标 的定形很大 程度上是在其牵伸卷绕设备 张 紧一取 向一结 晶一 定形 的工艺过程 中形成的 该部分设备 的配置及工 艺技术对涤纶工业丝最终性能的形成起着关键性 的 目研制工作现 已进入应用 阶段 并 在应用 中不断改 进完善 针对特种航空件 风力发电叶片等 研制 了 碳纤维编织工艺 正在进行 织物 复合材料性 能测 试 并对特种航空件复合材料力学性 能进行测试及 无损检测 4 结束语 经历了2年多艰难的研制过程 终于自行研制 完成了我国首台碳纤 维多轴 向经编机 开发设计 了 碳纤维多轴向经编机分 区联动 的数学模型 研究 了 碳纤维恒温 恒线速 的展纤技术 碳纤维黑色纱筒 毛刺的检测技术 柔性铺纬机构的设计及制造技术 作用 因此 本文拟根据涤纶工业丝一步法纺丝工 艺 对其牵伸卷绕设备及工艺技术特点进行分析 2 涤纶工业丝牵伸卷绕设备构成及工艺流程 涤纶工业丝的强度 伸度 沸水收缩率等性能要 求都 比民用丝要高 根 据其不同品种 的不 同性 能及 用途 牵伸卷绕设备的配置 排布形式及工艺流程也 有很大不同 2 1 牵伸卷绕设备的构成 涤纶工业丝牵伸卷绕设备采用多级热辊牵伸高 速卷绕工艺 一般 由上油装置 预网络装置 导丝系 统 含分丝器 导丝器 牵伸系统 含分 丝辊 喂入 辊 低速热辊 高速热辊 网络装置 高速卷绕机 组 成 如图 1 图 2所示 2 2 工 艺流 程 涤纶工业丝切片经干燥后进入挤压机熔融 至 纺丝箱纺丝后 经喷丝板喷 出 由缓冷器延迟冷却 侧 吹风冷却定形 进入牵伸卷绕装置 现正在研究特种航 空件 风力发 电叶片等碳纤维织 物织造和聚脂成型工艺 该项 目的研制成功将打破 国外对我国碳纤维多轴 向经编机的技术封锁 实现 装备制造业 的国产化 为生产碳纤维增强复合材料 提供可靠的织造技术和装备 实现了碳纤维增强复 合材料 的国产化 并为纺织机械行业发展新兴产业 技术进行了有益的探索 参考文献 1 k a rl may e r mu l t i a x i a l c l n1 6 0 0 a1 2 7 5 mo d e l wo r k i n g i n s t r u c t i o n 2 b r au t o ma t i o n s t u d i o 3 b r e t h e me t p o we r l i n k 4 德国 l e u z e e l e c t r o n i c 光电传感产品手册 2 0 1 0年版 2 o 研究与应用 纺织机械2 0 1 3年第 3期 很大 直接影 响牵伸卷绕及后道加工 上油方式有油嘴上油 油唇上油和油轮上油等 方式 油嘴上油或油唇上油虽然可 以控制上油量 但 上油均匀性不好 油轮上油虽然 比油嘴等上油充分 但油量消耗较大 上油装置的设置又可分为单上油 和双上油 双上油即给同一丝束上两遍油剂 采取 两道上油方式 的双油嘴上油或双油唇长狭缝上油 双油轮上油可有效避免单道上油带来上油不均匀 的 弊端 双油嘴上油或双油唇上油 装置体积小 结构 简单 油剂供应采用计量供给 油剂消耗小 双油轮 上油的特点是丝束与油轮表面紧贴 接触距离长 可 根据纺丝 的品种 选用 同向或对 向两种方式 上油效 果较均匀 适合于高旦数工业丝的需求 蘑 西 画囵 国囤 c 双油轮对向上油 c 单油轮上油 图 3 部分上油装置示意图 根据涤纶工业丝 的特点 3 0 d 3 0 0 d的细旦工 业丝因旦数低 通常采用单油轮上油 对 1 5 0 d 5 0 0 d 细旦普通工业丝因强度要求不高且旦数低 通 常采用双油嘴上 油 5 0 0 d 1 5 0 0 d普通 工业丝上采 用双 油唇上 油 l o 0 0 d 4 0 0 0 d粗 旦工业 丝 因旦 数 大 强度高 通常采用双油轮上油 图 3为部分上油 装置示意图 3 2 2预 网络 由于涤纶工业丝的丝束旦数高 加大上油率后 易出现上油不均匀的现象 给后道工序带来一系列 问题 上油装置和喂人辊之 间增加预网络器 能起 到匀油的作用 同时改善纺程张力均一 进一步增强 丝束的抱合力 有利于提高纤维对热牵伸 的承受能 力 预网络器 的工作原理是通过合理设计 的丝道及 气流喷嘴 在一定的空气压力作用下 在丝道 内部形 成 涡流 当丝束经过时各单丝在气流的作用下发 生 振荡 从而使丝束表面的油剂成分向丝束内部 渗透 以使纺丝油剂均匀分布在各单丝表面 使单 丝具有更好的集束性 纺丝时丝条运行更加稳定 3 预网络器是通过单丝问的 抖动 来起 到匀油及 提升丝束抱合力的作用 的 在整个过程 中并不生成 网络结点 因此预网络器的空气压力不能过大 以 避免丝束形成节点影响丝的品质 一般设定在 0 0 5 mp a o 1 mp a 之间 涤纶工业丝在不同纤度范围 不同的用途 不 同 的纺速下 对预 网络喷嘴孔径 的选择是不 同的 表 2给出了纺不同纤度产品时所选择预网络喷嘴孔径 的建议范围 图 4为预网络装置示意图 表 2 旦数与喷嘴孔径规格对应 表 产品纤度 d 预网络喷嘴气孔孔径 r n r n 1 0 0 2 5 0 巾 1 8 0 2 5 0 5 0 0 0 2 5 0 0 1 0 0 0 2 6 1 0 0 0 2 0 0 0 6 2 2 0 0 0 3 0 0 0 仍 2 似 0 图 4 预网络装置示意图 纺织机械2 0 1 3年第 3期 研究与应用 2 1 3 2 3导 丝 系统 涤纶工业丝因旦数高 根数多 在牵伸过程中容 易在辊上叠丝 从而形成毛丝 不但影响丝的品质 也给后道牵伸 卷绕造成 困难 为了便 于分丝 通常 在喂入辊之前 喂人辊 g rl g 3 g g r 5 之间布置导丝棒 在牵伸与网络之间设置导丝钩 使 每束丝单独从导丝器间通过 并在辊表面稳定铺开 以利于后道加热 牵伸及卷绕 由于导丝器直接与丝束接触 会产生一定 的摩 擦力 对丝的品质产生一定影响 为 了减少丝束与导 丝器 间的摩擦力 对导丝器的材质及表面处理提 出 了更高的要求 目前 化 纤用 陶瓷 导丝 器材料 主 要有 o 3 ti o 2等 其中 al 2 o 3 是生产导丝器最常用的原料 常用 的有 9 7瓷 9 9瓷 9 9 7瓷 其 中数 字 表 示 3 的百分 比含量 一般随着 0 3 含量 的增加 氧化铝陶瓷的机械强度也会随之不断提高 其主要 特性为 超硬 强度高 耐磨 良好 的热导性 高温下 绝缘 耐腐蚀 适合后续抛光和表面处理 化纤用陶 瓷导丝器的表面处理主要有 自然表面处理 振动抛 光处理 钻石抛光处理 橘皮处理等h j 在纺制涤纶 工业丝的过程 中不同表面处理的导丝器处于不 同的 位置 橘皮表面 的导丝器适 用于表 面光滑 的原丝 丝束与陶瓷凹凸的表面形成 点接触 接触面积的减 少降低了摩擦和丝束张力 确保了后续加工的质量 3 2 4 牵伸 系统 牵伸系统是涤纶工业丝牵伸卷绕设备里最重要 的部分 通 常由分丝辊 喂入辊 和多对 热牵伸辊组 成 热牵伸辊 的工作长度 温度均一性 温度偏差范 围的大小等是决定 涤纶工业丝 性能特 点的重要 因 素 见图 5 所示 为 丝柬 g r0 图 5 国产涤纶工业丝牵伸辊排布基本型 i示意图 在涤纶一 步法 工业丝牵伸 工艺 中各辊 的作用 喂入辊 gr 0由导丝辊 和分丝 辊组成 并不加 热 其作用是将初生的丝束握持住 并给予丝束一定 的速度 由喷丝板喷出的熔体细流在喂人辊的牵引 下 冷却成形 完成纺程牵伸 形成初生纤维 一般 喂入辊 的速度控制在 6 0 0 m mi n左右 第一对热牵伸辊由 2个低温热牵伸辊组成 给 准备牵伸的丝束进行预热 并与喂入辊保持 1 1的 速比 使丝束保持一定 的张力 第二对 第三对热牵伸辊各由2 个高温热牵伸 辊组成 与第一对热牵伸辊形成两级牵伸 由于涤纶工业丝的切片粘度高 屈服应力大 进 行多级牵伸的方法有利于提高纤维的均匀性和牵伸 倍数 提高丝束强度 通常第一级牵伸倍数一般为 3 4 5 倍 第二级牵伸没有第一级高 一般为 1 2 2 5倍 在两级牵伸中 只有第一级牵伸倍数增大 才能使纤维的结 晶度和取 向度增加 有利于后续牵 伸中结 晶区取 向度和 晶粒尺寸 的增 加和 晶区的完 善 同时 由于存在足够多的热辊 可以使丝束温度 逐步稳定上升 有利于使纤维逐渐取 向 结 晶 以达 到涤纶工业丝纤维高强度 的力学性能 目的 j 牵伸 倍数的大小与涤纶工业丝纤维性能的关 系是 牵伸 倍数的增大 有利于提高纤维的结晶度和取向度 纤 维的强度和模量提高 断裂伸长率下降 但同时非晶 区分子链段取向度也会增大 从而使纤维的干热收 缩率大大提高 第 四对 第五对热牵伸辊也各 由 2个高温热牵 伸辊组成 主要作用是对牵伸后 的丝束进行定形 消 除纤维因高速牵伸产生的应力 第 四对热牵伸辊的 速度略低于第三对热牵伸辊 二者之 间纤维又似 内 定的回缩 完成高强丝 的定形 一般对于低缩或超 低缩的涤纶工业丝 常采用五对热牵伸辊 以便更好 控制低收缩率 通常各辊组速度的一般规律为 v o vl v2 v3 v 4 vs v2 3 4 5 vl v3 1 2 2 5 v2 式中 v 0 v 4 v 5 g r 0 g r 4 g r 5 的线速度 热牵伸辊在结构上有固定式热辊和可调角度两 种 根据纺丝品种 每对热牵伸辊可选用 固定热辊 可调角度热辊 或 可调角度热辊 可调 角度热 辊 两种方式 为了便于分丝 两辊在安装排布上可 采用一定的空间角度 两辊轴线在水平和垂直方 向 型 晶 向 紧 趔 编 橼 4 3 2 l 2 2 研究与应用 纺织机械2 0 1 3年 第 3期 上均存在夹角 但由于涤纶工业丝丝束在热辊上 的张力很大 所采用 的空间角度不宜过大 以避免丝 束与热辊之间产生较大的横向摩擦 空间角度会使 丝束在辊上的张力产生一个横向分力 而 出现毛丝 断头现象 通常采用两辊轴线纵向平行 的方式 如 图 6 热辊左右安装 辊体水平时 有 h 2的距离差 热辊可以分别上下调 形成两辊间的夹角 调整范围 为 1 2 热辊调节方 向与丝束绕其上 的方 向见 图 6 中箭头所示 图 6 一对热牵伸辊排布 示意 图 两辊间偏转角度与热辊各参数问满足以下经验 公式 在实际生产工艺 中可作为调整两辊间夹角的 理论参考 h l d 1 s i n 鲁 d z s i n 詈 1 式中 h 丝束间距 d d 2 分别为两辊直径 r两辊间夹角 热牵伸辊一般采用 电感应加热或汽相加热 温 度范 围为 4 5 2 5 0 控温精度达到 1 5 tg ts tm t 图 7 涤纶工 业丝温度 一形变 曲线图 tg ts tm t 图 8 涤纶工业丝初生丝 d s c曲线图 涤纶工业丝属于结晶高聚物 其形态转变随温 度变化有三种 玻璃态 高弹态 和粘流态 如 图 7所 示 a段为玻璃态 b段为高弹态 c段为粘流态 r g 为玻璃化温度 1 r s为软化点 t m为熔点 和 t m 是三种形态的分界点 6 涤 纶分子链段活动 的最低 温度是玻璃化温度 只有当温度大于 时 才能进行正常牵伸 而 当温度达到熔点 r r m时 即转化 为粘流态 不利于初 生丝牵伸 因此 涤纶工业丝分子链段 的取 向结 晶 过程只能在 b段高弹态下进行 实际生产 中 g r1 辊的温度通常选择在高于 t 温度 1 0 2 0 的范 围内 随着温度 的逐渐升高 纤维 的结晶过程在 l 和t 之间的t 点有一最大值 高聚物的结晶过程 为放热过程 如 图 8所示l 7 此时结 晶速率 最大 纤维在 g g r 3之间为分子链段取 向向结晶的转 化过程 g r 4 g r 5 起定形作用 以控制纤 维模 量 非晶区取向及干热收缩率 通常各辊组温度 的一般规律为 t1 1 0 2 0 2 t章 温 t o t r r 2 t 5 t4 t 3 t 5 式 中 t 4 t 5 对 应 于 辊 组 gr o g r 4 gr 5 的温度 注 涤纶热变形温度 t 6 9 8 1 t 2 3 5 2 4 0 tm 2 6 0 2 6 5 可作为工艺参考 在涤纶工业丝纤维的热牵伸过程中 纤维的大 分子链段和聚集态结构单元发生舒展 并 沿纤维轴 方 向取 向 同时发生相态的变化 在这一过程中 分 子链段发生取向 解取 向和结 晶三者之间的相互竞 争i 5 j 第一级牵伸为低温高倍拉伸 纤维 以取 向为 主 结晶现象不明显 第二级牵伸为高温低倍拉伸 纤维以结 晶为主 取 向趋 于稳 定 在松 弛热定形 阶 段 之前未被固定的取向大分子一部分继续结晶 形 成稳定的结晶 另一部分进行解取向 从而降低纤维 干热收缩率 实际生产工艺中通过合理组合牵伸倍 数 牵伸温度 可以得到具有不同取向和结晶结构的 产品 产品的性能也会因此而产生很大差异 3 2 5 终 网络装置 为提高丝束问抱合力 一般在牵伸与卷绕之间 设置终网络装置 终网络是利用高速气流垂直或多 角度地射向进入的丝束 使单丝之间相互纠缠交络 俗称 网络结点 赋予丝束抱合力的一种加工方 法 经过终网络的丝束 丝间的抱合力大大增强 有利于后续加工时的丝束退绕 终网络使用压缩空气的压力对丝束的质量影响 纺织机械2 0 1 3年第 3期 研究与应用 2 3 较大 由于涤纶工业丝旦数较高 只有当气压达到一 定数值时 才 能获得满 意的 网络结 点和 网络牢度 但当气压大到一定程度 时 丝条在喷射气 流作用下 产生的高频振动频 率接 近临界值 网络效果变化并 不明显 过大的气压不仅造 成能耗增加 而且还会 使丝条紊乱形变而产生毛丝圈丝现象 终网络一般 使用的压缩空气压力在 0 2 0 4 sp a 在选择终网 络喷嘴孑 l 径时 不宜过大 以减少压缩空气耗量 图 9为终 网络示意图 图 9 终网络装置示意 图 3 2 6高速 卷 绕 头 卷绕是涤纶工业丝牵伸卷绕工艺流程 中最后一 道重要工序 经牵伸定形 网络 的丝束 由高速绕头 卷绕成形 卷装通常采用 圆柱卷装形式 在涤纶工 业丝的卷绕头通常采用全 自动切换的方式 既可 以 减少废丝 又大大降低劳动强度 通常采用的全 自动高速卷绕头有兔子头式横动 和拨叉式横动方式 锭子为直接驱动式 卷绕速度 1 2 0 0 4 0 0 0 m mi n 最大卷装直径 3 0 0 mm 卷装重 量控制在 5 1 5 k g 目前 采用的多头牵伸卷绕技 术 每个卷绕头卷绕的丝饼数位 4 8个 提高了单 位生产力 减少了生产线的投资 降低了运营成本 比较 2头纺与 4头纺 卷绕 当产 品为 1 1 0 0 d t e x 4个纺位时 4头纺 的可知投 资约增 加 4 o 生 产能力提高 了 1 0 0 由于使用 了多头技术 每个 纺位的生产能力都有所提高 相应的运行成本降低 2 0 3 0 图 1 0为不同头数工业丝卷绕丝饼示意图 图 1 1 为北京 中丽 自主研发的全 自动工业丝卷绕机 a 4头纺 1 2 o 1 2 o 1 2 o l 2 0 1 2 o 1 2 o h 一 b 6头纺 一 l 2 0 1 2 0 1 2 o 1 2 o l 2 0 1 2 o l 2 0 1 2 o 一 一 一 一 一 一 一 一 c 8头纺 图 l o 涤纶工业丝卷绕丝饼示意图 图 l l 全 自动工业丝卷绕机 4 实际应用情况 从表 3中可以看出 纺制高强丝需要较高的牵 伸倍数和较低的定形温度 纺制低缩丝则需要 高的 定形温度和相对长的定形时间 表 3 牵伸卷绕设备几种配置的实际应用情况 高强丝 低缩丝 中强丝 适纺纤度 d 1 0 0 0 2 0 0 0 8 4 0 1 2 5 0 2 5 0 5 0 0 上油 双油轮上油 双油唇上油 双油嘴上油 预网络 台湾富源 多喜乐 杭州力立达 导丝 苏纺 9 9瓷 日本汤浅 苏纺 9 7瓷 2 4 研究与应用 纺 织机械2 0 1 3年第 3期 续表 高强丝 低缩丝 中强丝 分丝 规格 n 吼 1 1 0 4 0 0 5 3 5 0 9 5 3 5 0 规格 m n i 2 0 4 0 0 1 9 0 3 5 0 1 9 0 3 5 0 gr0 速度 m mi n 6 5 0 6 0 0 5 0 0 规格 h 吼 2 2 0 4 5 0 2 0 4 0 0 1 9 0 4 0 0 g rl 速度 m rai n 6 6 0 6 0 6 5 0 8 温度 9 0 1 0 0 9 5 规格 m m 3 5 4 5 0 2 0 4 0 0 1 9 0 4 0 0 gr 2 速度 m rai n 2 8 5 0 2 5 5 0 1 8 0 0 牵伸 温度 1 3 0 1 5 0 1 4 5 辊 的 参数 规格 f l i rt 2 3 5 4 5 0 2 0 4 0 0 1 9 0 4 0 0 g r 3 速度 m min 3 4 2 0 3 3 2 5 2 6 0 0 温度 2 3 5 2 3 5 2 3 5 规格 mm 3 5 4 5 0 2 0 4 0 0 1 9 0 4 0 0 g r 4 速度 n 1 mi n 3 3 6 5 3 2 8 5 2 5 8 5 温 度 1 9 0 2 2 0