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涤纶工业丝熔体直纺生产技术的研发 陈文兴1 ，马建平1，2 ，王建辉2 ，胡智暄2 ，高琳2( 1 浙江理工大学 纺织纤维材料与加工技术国家地方联合工程实验室，浙江杭州 310018; 2 浙江古纤道新材料股份有限公司，浙江 绍兴 312071)摘 要: 采用液相增黏聚酯熔体，开发了 200 kt / a 涤纶工业丝熔体直纺生 产 技 术，探讨了高黏熔体输送和 大容量多头重旦纺丝等工艺，并与固相缩聚切片纺进行了对比分析。结果表明: 涤纶工业丝熔体直纺技术省 去了冷却切粒、固相缩聚、熔融挤出等工序，工艺流程紧凑，提高了生产效率，比固相缩聚熔融纺丝设备投资 减少 44 3% ，生产能耗下降 32 46% ; 生产的各种规格的涤纶工业丝质量指标符合国家标准 GB / T166042008。关键词: 聚对苯二甲酸乙二酯纤维 工业丝熔体直纺 液相增黏 多头纺丝A 文章编号: 1001-0041( 2013) 04-0001-04中图分类号: TQ342 + 21文献标识码:国 内 涤纶工业丝生产能力高速扩张，2011年，我国涤纶工业丝的生产能力达到 1 363 kt / a， 涤纶工业丝行业也进入了新的发展阶段。由于熔 体直纺工艺流程短，生产能耗和运行成本低，因此 熔体直纺已经成为涤纶民用丝主要的生产方式。 国内外对聚酯熔体液相增黏和直纺涤纶工业丝生 产技术进行了 研 究 开 发1 3，但规模化生产存在 以下技术瓶颈: 熔体增黏长周期运行; 高黏熔体的 输送技术; 开发大容量、多头重旦纺丝集成技术。 作者在前期 10 kt / a 涤纶工业丝液相增黏技术工 程化研究的基础上4，自主开发了 200 kt / a 熔体 直纺涤纶工业丝生产技术。图 1Fig 1涤纶工业丝熔体直纺生产工艺流程Flow chart of melt direct spinning process of polyester industrial yarn表 1 涤纶工业丝熔体直纺工艺参数Tab 1 Melt direct spinning parameters of polyester industrial yarn项 目参 数泵前熔体压力 / MPa熔体温度 / 纺丝速度 / ( mmin 1 ) 侧吹风温度 / 侧吹风速度 / ( ms 1 ) 拉伸倍数 3 0295 3052 600 3 20020 220 3 0 55 70 6 051实验1 1原料和设备精对苯二甲酸( PTA) : 工业级，韩国三星公司 产; 乙二醇( EG) : 工业级，沙特基础工 业 公 司 产; 乙二醇锑: 优级纯，江西二源公司产。聚合设备: 生产能力 200 kt / a，五釜流程连续 聚酯装置，扬州惠通化工有限公司制; 液相增黏反 应器: 自制; 纺丝设备: 德国 Barmag 公司制。1 2实验方法采用 PTA 与 EG 直接酯化缩聚工艺制备聚酯 熔体，选择生 产 能 力 为 700 t / d 五釜流程连续聚 合装置，该装置配置多台液相增黏反应器，每台液 相增黏釜下接 2 个或 4 个纺丝系统，集约化的多 头纺丝技术设计，双卷绕机配置等。涤纶工业丝熔体直纺工艺流程见图 1，其 工 艺参数见表 1。1 3分析测试特性黏数( ) : 采用德国 Lauda 公司 PV-36 黏度测定仪 测 试，溶 剂 为 质 量 比 1 1 的 苯 酚与四氯乙烷，温度 25 。熔体色度: 采用美国 HunterLab 色度仪，烘干法测试。熔点: 采用 Mettler FP 900 热分析系统测试。端羧基含量: 采用自动电位滴定仪测试。二甘 醇 ( DEG) 含 量: 采用甲醇酯降解法，用日本岛津 GC-2010 气相色谱仪测试。收稿日期: 2013-01-08; 修改稿收到日期: 2013-05-21。作者简介: 陈文兴( 1964) ，男，教授，博士生导师，主要研究方向为功能性纤维。E-mail: wxchen zstu edu cn。 基金项目: 浙江省重大科技专项计划项目 ( 2012C01007 ) ; 中国纺织工业联合会科技指导性项目( 2011139) 。液终缩聚，卷绕成形， 预缩聚多级拉伸PTA / EG 酯化相增黏 纺丝箱体2合 成 纤维 工 业2013 年第 36 卷灰分: 采用美国 TA Q-20 热重分析仪测试。力学性能: 采用美国 Instron 3344 单柱式拉力机测试。干热收缩率: 采用奥地利兰精 TST-2 型 全 自动干热收缩仪测试。结晶度: 采用自制密度梯度仪测试。熔点大于等 于 254 ，灰 分 小 于 等 于 0 05% ，端羧基( 24 30)mol / t。高黏熔体由于运动黏度高，在熔体管 道 中 压力降大，由其引起的温升也较大。在控制高黏熔 体降解方面采取了以下措施: ( 1 ) 尽 可 能 减 少 高 黏熔体的输送距离，并通过合理排布熔体管道，控 制输送中的熔体黏度降和 流 动 状 态; ( 2 ) 通 过 精 确计算熔体输送管径，尽量减少高黏熔体在输送 过程中的压力降，从而有效控制熔体流动产生的 温升; ( 3) 控制液相增黏出料温度，在保证品质的 前提下尽量降低熔体温度; ( 4 ) 合理选择增压泵， 增加其温度调节措施，尽量降低通过增压泵的熔 体温升; ( 5) 系统优化增压泵压力等工艺条件，以 避免高黏熔体在输送过程 的 温 升; ( 6 ) 在 高 黏 熔 体管路的关键部位增设高黏静态混合器，使高黏 熔体在流动过程中发生流向、流速的变化，达到熔 体混合的效果，有效地提高高黏熔体在管道中输 送的黏度均匀性。2 结果与讨论2 1 聚酯熔体的制备和输送对于液相增黏用的聚酯基础熔体质量指标的 控制除了满足一般熔体直纺要求外，还需对 和端羧基含量指标及其稳定性进行控制。用于液 相增黏的基础熔体 中 心 值 控 制 在 0 650 0 670 dL / g，偏差小于 0 005 dL / g，端羧基含量 小于 28 mol / t。基础熔体在输送过程中应减少黏 度降，熔体温度适应后续液相增黏反应。通过降 低缩聚釜出料温度，选择合适的熔体泵型号，采用 低温输送的办法，合理设计熔体输送管路的走向 排布和管径，输送管路中的熔体换热器集热交换 器与静态混合器于一体设计，可 有 效 地 降 低 2 8 ，既保证了基础熔体输送过程的黏度降控制， 也满足了液相增黏适宜的预反应温度条件。2 2 液相增黏反应和高黏熔体输送液相增黏过程中，系统的工艺参数对 增 黏 反 应有直接的影响，如反应温度、反应时间、真空度、 液位等。真空度越高，越有利于小分子脱出，运动 黏度和 上升越快。反应温度偏高，易引起熔 体降解，造成黏度下降和产品色相发黄; 反应温度 偏低，熔体流动速度慢，物料反应不够，且黏度均 匀性也会降低。在真空度、反应温度一定的情况 下，熔体在反应器中停留时间过短，反应不充分， 熔体 达不 到 预 期 值; 停 留 时 间 过 长，熔 体 降 解严重，色相发黄。优化后液相增黏反应条件为: 液相增黏温度 270 290 、压力 50 130 Pa。增 黏后熔体 达到 0 95 1 1 dL / g，熔体色相 b 值低于 4，二甘醇( DEG) 质量分数( 1 0 0 1) % ，2 3大容量高黏熔体多头重旦纺丝技术与涤纶工业丝切片纺会受到螺杆挤出能力的限制不同，熔体直纺由于不受螺杆挤出量的限制，实现了大容量纺丝。纺丝组件结构设计的合理性 直接影响到纺丝生产过程的稳定性，对涤纶工业 丝的品质起着决定性的作用。为了提高工业丝的 均匀性，采用了双腔一体式纺丝组件结构，该纺丝 组件设计 2 个熔体通道，在 2 个纺丝熔腔内设有 独立的熔体过滤器，双腔独立式的熔体分配体系， 加上高精度的滤芯过滤设计，充分满足了工业丝 高压纺丝的条件，同时能够很好地控制线密度不 匀率。此双腔一体式纺丝组件结构解决了现有技 术中多头纺的纺位间距大、占用空间多、成本高的 问题，既实现了一个组件双内腔，又满足了向小位 距多头纺、高产量、高质量纺丝和节能减排降耗的 发展要求。喷丝板采用一板两束丝结构，涤纶工 业 丝 熔 体直纺喷丝板的设计参数见表 2。表 2 涤纶工业丝熔体直纺喷丝板的设计参数Tab 2 Spinneret design parameters for melt direct-spun polyester industrial yarn孔流量 /( cm3 s 1 )卷绕速度 /( mmin 1 )切变速率 /s 1熔体密度( gcm 3 )纺丝速度 /( mmin 1 )喷出速度 /( mmin 1 )纤维规格( dtex / f)微孔直径 / cm拉伸倍数167 /32555 /961 100 /1920 050 060 060 023 40 024 30 024 13 2003 0003 0001 906 01 145 51 135 21 191 191 19551 7508 5508 57 155 155 115 85 95 9大，对纤维的冷却成形技术要求较高。在纺丝板由于 大 容 量直纺工业丝单纺位熔体吐出 量第 4 期陈文兴等 涤纶工业丝熔体直纺生产技术的研发3下面加装了缓冷装置( 后加热器) ，调节缓冷温度280 350 ，避免丝条在冷却阶段产生皮芯结 构，并且后加热器的高度可以调节，改善丝条的拉 伸性能。侧吹风系统根据不同生产线的纺丝品种 设计要求，结合其对冷却风量的要求独立设计了 多套空调系统，再通过独特的侧吹风风向导流设 计，使得大吐出量的涤纶工业丝初生纤维得到均 匀的冷却效果，满足多级拉伸的工艺要求。侧吹 风温度 20 22 ，速度 0 3 0 5 m / s。大容量直纺工业丝，由于丝束根数多，在丝条 上油、拉伸热辊上的丝条稳定性以及拉伸工艺的匹配显得尤为重要。大容量纺丝拉伸的关键是要保证每根丝束冷却、受热、拉伸的一致性，控制丝束在热辊上的均匀排列和受热均匀非常重要。大容量直纺工业丝由于纺丝头数的增多和受拉伸热辊的设计长度制约，使得多头纺工业丝在拉伸热 辊上的丝路与传统的工业丝生产有很大区别，合 理选择多级拉伸热辊上的丝路，在有效的拉伸加 热区尽可能增加绕丝圈数，提高热辊的握持力，以 及适宜的拉伸温度，才能生产出合格的涤纶工业 丝产品。涤纶工业丝熔体直纺工艺条件见表 3。表 3 涤纶工业丝熔体直纺工艺条件Tab 3 Process conditions for melt direct-spinning polyester industrial yarn 1热辊速度 / ( mmin )热辊温度 / 卷绕速度 /纺丝温度 / 拉伸倍数品种 1G1G2G3G4G5G6G1G2G3G4G5G6( mmin )高强丝中缩丝 低缩丝 高模低缩2982982972984605994992 6504746175143 8401 8042 2851 9805 2822 7263 4202 9005 2822 7063 4002 8005 282888895951251201302452222005 935 715 811 992 6103 2002 7505 130248 5 2492 7005 16024825525025524013580多头纺丝控制卷绕头上各丝饼的成型均匀和张力一致 也 是 大容量直纺工业丝的关键技术之 一。以 12 头、16 头 和 24 头 为主要生产方式，采 用双卷绕机配置，尽量减少多头丝饼的内外侧张 力差异; 采用高精密卷绕程序，实现两个卷绕机上 同步卷绕丝饼成型完全一致; 采用独特的丝路设 计，尽量减少双卷绕机上各丝饼的张力差异，以获得均匀的工业丝质量。2 4涤纶工业丝质量指标从表 4 可看出，熔体直纺生产各种 规 格 的 涤纶工业丝质量指标符合国家标准 ( GB / T 166042008) ，产品投放市场，用户反映良好。实践证明涤纶工业丝熔体直纺工艺能够得到质量稳定的涤纶工业丝。表 4 熔体直纺涤纶工业丝的质量指标Tab 4 Quality index of melt direct-spun polyester industrial yarn工业丝品种规格( dtex / f)断裂强度 /( cNdtex 1 )断裂强度CV，%断裂 伸长率，%断裂伸长率CV，%定负荷 伸长率，%干热收缩 率，%含油率，%高强丝高强丝 中收缩丝 高强丝 高强丝 中收缩丝 低收缩丝 中收缩丝 高模低缩丝1 100 /192555 /96277 /481 670 /1922 220 /384235 /48467 /96165 /321 440 /3608 758 427 388 278 047 267 037 277 110 442 202 021 121 161 391 221 930 3214 9013 9518 3013 7011 9013 2320 0214 1310 722 332 922 411 222 923 881 382 462 375 806 706 807 205 667 8011 605 653 495 863 600 540 650 870 610 601 020 870 850 456 304 805 0能耗折合标煤 为 214 3 kg / t，而固相缩聚切片纺 的生 产 能 耗 为 317 3 kg / t，前者比后者下降 32 46% 。根据中国化纤协会 2012 年颁布的中国 化纤行业发展与环境保护白皮书5，2010 年涤 纶工业丝的 综 合 能 耗 为 440 kg / t，熔 体 直 纺 能 耗 下降了 51 3% ; 即 使 按 2015 年 的 能 耗 目 标 320 kg / t 计算，该熔体直纺能耗下降幅度也达33 0% ， 节能效果显著。2 52 5 1熔体直纺与切片纺工艺路线比较工艺流程分析熔体直纺省去了冷却切粒、固相缩聚、熔融挤出等工序，工艺流程紧凑，占地面积小; 而固相缩聚切片纺工艺流程长，占地面积大。前者比后者 缩短工艺时间 28 h 以上。2 5 2能耗分析从表 5 可看出，普通高强丝熔体直 纺 的 生 产4合 成 纤维 工 业2013 年第 36 卷表 5 固相缩聚和熔体直纺工艺的能耗对比Tab 5 Energy consumption of solid-state polycondensation and melt direct-spinning process纺生产线设备投资比相同规模的固相缩聚切片纺生产线减少 44 3% 。项 目熔体直纺固相缩聚3结论a 200 kt / a 涤纶工业丝熔体直纺解决 了 高聚合能耗 / ( kgt 1 )常规缩聚熔体切粒能耗 / ( kgt 1 )固相缩聚能耗 / ( kgt 1 )液相增黏能耗 / ( kgt 1 )纺丝能耗 / ( kgt 1 )119 5128 38 255 8能效液相增黏、高黏熔体输送和工业丝多头纺丝技术难题，生产柔性化，提高了生产效率。b 200 kt / a 涤纶工业丝熔体直纺生产线，与相同规模的固相缩聚切片纺生产线相比，省去了 冷却切粒、固相缩聚、熔融挤出等工序，工艺流程 紧凑，占地面积小，设备投资减少 44 3% ，生产能 耗下降 32 46% 。47 847125合计214 3317 3注: 能耗折合为标煤。2 5 3物耗对比从表 6 可看出，由于液相增黏的熔 体 质 量 比 固相缩聚的熔体质量明显提高，所以断头率下降。 但由于熔体直纺比切片纺头数多，因此废丝率两 者相当。熔体直纺工艺经过进一步完善优化，废 丝率还有下降的空间。表 6 固相缩聚和直纺工艺熔体纺丝状况对比Tab 6 Spinning situation contrast between solid-state polycondensation and melt direct-spinning process与固相缩聚切片纺相比，熔体直纺生产的c涤纶工业丝原料不受外界因素影响，产品内在质量均匀性明显改善，性能指标大致相当，其质量能 够满足下游用户的需求。参 考 文 献Willhelm F，Witt H G，Holting L，et al Apparatus for possessinghigh viscosity material: US，S5055273P 1991 10 08 Karasiak W Design detail in polyester polycondensationJ Int Fiber J，2003( 2) : 54 55郝兴武，彭华峰 回收瓶片液相增粘聚合工艺的开 发J黑龙江纺织，2011( 3) : 13 14陈文兴，马建平，王 建 辉，等 涤纶工业丝液相增 黏 技 术 的 研发J 合成纤维工业，2013，36( 3) : 1 4 中国化学纤维工业协会 化纤白皮书: 中国化纤行业发展与 环境保护M 北京: 中国纺织出版社，2012: 5 201项 目熔体直纺固相缩聚高强产品废丝率，%低收缩产品废丝率，%断丝次数 / ( 次t 1 )3 003 100 772 13 31 7232 5 4投资成本分析由于液相增黏设备比固相 缩聚设备价格低 廉，以及熔体直纺采用多头纺丝，相同纺丝产能的 设备数大幅度减少。200 kt / a 涤纶工业丝熔体直45Development of meltdirect spinning processtechnology for polyester industrial yarnChen Wenxing1 ，Ma Jianping1，2 ，Wang Jianhui2 ，Hu Zhixuan2 ，Gao Lin2( 1 National Engineering Laboratory of Textile Fiber Materials and Processing Technology，ZhejiangSci-Tech University，Hangzhou 310018; 2 Zhejiang Guxiandao Industrial Fiber Co ，Ltd，Shaoxing 312071) Abstract: The melt direct spinning process technology for 200 kt / a polyester industrial yarn was developed by using polyester melt prepared by liquid-state polycondensation as raw material The techniques of high-viscos