烟用二醋酸纤维素丝束

1、烟用二醋酸纤维素丝束54/350H纺丝系列技术研究及应用摘要本文介绍了通过3年多系统的研究工作所取得的重要成果及 其应用情况。经大量试验研究，开发了楔状二次导流槽喷丝孔结 构的54/350H喷丝帽，替代原来从美国引进的一次导流结构的 54/250H的喷丝帽；创造了低 WOFA运行的恒流量恒压差浆液 过滤模式及醋纤丝束高温闪蒸纺丝工艺，使新工艺条件下的纺丝断头率从0.65下降到0.35;研发了 8.0cc高黏度计量泵和 YH02 型卷曲机，使产出丝束加工成同规格滤棒吸阻的SD从8.46下降到7.70;在行业内创造性地应用和建立了PCS7及丝束管控一体化系统，提高了生产工艺和质量控制的自动化水平。

2、成果应用后，增强了国内烟用丝束的综合竞争力，使丝束生产能力提高 20.7%,低旦丝束生产能力提高 3.92倍，为卷烟企业降焦减害提 供了更多的丝束选择范围。关键词：醋纤丝束、喷丝帽、浆液过滤、纺丝、计量泵、卷曲机、PCS7、滤棒吸阻中图分类号：1989年以前，我国烟用二醋酸纤维素丝束 （简称醋纤丝束）全 部由国外进口，由于当时卷烟接嘴率的迅猛增长， 醋纤丝束就成 为很紧俏的卷烟物资。1989年9月，南通醋纤公司建成投产， 不仅填补了我国醋纤丝束生产技术的空白， 而且也缓解了高档卷 烟滤材的供需矛盾。 十几年来， 我国的烟用醋纤工业有了很大的 发展，但国内四家醋纤丝束厂生产的醋纤丝束总产量仅能满

3、足国 内烟用醋纤丝束需求量的 44左右 （南纤占 20），还需花费大量 外汇进口烟用醋纤丝束。 近年来由于烟草行业对降焦减害及增产 节支的要求， 国内卷烟厂家对低旦丝束的需求量正不断增长， 而 国内醋纤生产厂现有生产设备及工艺技术制约了大批量生产低 旦丝束的能力， 况且也难以忍受丝束低旦化而造成的产量及效益 的下降。 作为国内醋纤行业领头羊的南纤公司， 针对市场需求与 矛盾，在国家烟草专卖局主管司、局领导的支持和指导下，中国 烟草物资公司确立了烟用醋纤丝束 54/350H纺丝系列技术研究 这一具有挑战性和风险性的研究项目。在三年前期摸索的基础上， 1999 年 6 月课题研究正式启动， 在小试

4、实验装置上取得进展后，于 2000 年 2 月和 6 月进行了两 次持续 136 小时联合小试，是年 12 月，中试线成功投产，并取 得重要研究试验成果。 之后，又深入进行了一年多的产业化可行 性研究，进一步确保大生产的安全可靠性及工艺质量的稳定性， 在经过中外专家的反复论证后，于 2002 年 7 月该研究成果产业 化实施成功。1 小试、中试主要仪器设备 小型压滤机制浆试验装置、四甬道纺丝小试装置、三级配浆 压滤装置、纺丝机、卷曲机、干燥机等生产设备、KDF2 与FILTRONA 组合成型自动测试设备、红外扫描仪、 INSTRON 未 卷曲能测试仪、丝束开松评价机。2 主要研究内容及成果2.

5、1 54/350H喷丝帽孔结构和排布的研究要在原来引进美国赛拉尼斯54/250H喷丝帽纺丝技术及其配套工艺设备的基础上，实现54/350H纺丝，由于不改变纺丝机原有甬道、 浆液供给管和喷丝帽组件的尺寸结构， 故单位时间 内浆液供给管内浆液的流量及流速将相应增加。根据公式： t p(dv/d可知，浆液的剪切应力会明显增加。当浆液从喷丝孔 喷出成型时， 由于剪切应力的释放， 浆液会在喷丝孔的出口处膨 大。由图 1 的喷丝图解可知，如果喷丝孔结构不对称，或喷丝孔 在帽面分布不合理，在剪切应力作用下，浆液的膨大就不规则， 会导致丝束喷出时偏向膨大少的一侧， 易在喷丝孔附近的帽面出 现浆液漫流，产生 “

6、斜丝、糊帽、滴浆 ”等现象，喷丝帽就不能正 常喷丝。 只有解决好喷丝帽面上喷丝孔的排布模式， 才能保证各 喷丝孔内流动浆液的剪切应力的均匀和稳定， 否则会因各喷丝孔 内浆液剪切应力的不均匀、 不稳定而影响喷丝帽的喷丝效果， 使 得可纺性降低。通过 8400 多次的试纺试验， 优化确定了在 250 孔喷丝帽尺寸 下 350 个喷丝孔的最佳分布及喷丝孔的内部结构形状， 将 350 孔 喷丝帽的喷丝孔导流孔设计成阶梯楔状二次导流， 250孔喷丝孔 则是直接导流。 阶梯楔状二次导流时剪切应力的变化有一个缓冲 过程，对喷丝成型有好处。2.2 烟用醋纤高温闪蒸纺丝工艺的研究54/350H喷丝帽研发出以后，

7、还必须有与之相配套的工艺技 术。在 54/350H喷丝帽纺丝条件下，喷丝密度比54/250H喷丝帽增加了 40，容易引发丝束粘连现象，而丝束粘连是影响 丝束质量的最严重的疵点之一。 通过大量的试验研究， 摸索出高 温闪蒸纺丝工艺，加快了丙酮溶剂等从纤丝细流中蒸发的速度， 较好地解决了 350 孔纺丝时单丝间的粘连问题， 同时可以进一步 改善单丝截面的异形度。通过纺丝机单甬道、一个面、两个面的 可纺性试验， 逐步掌握了高温闪蒸纺丝工艺条件， 并且单丝成型 异形度提高 17.5。2.3 浆液过滤技术的研究烟用二醋酸纤维是天然纤维素再生纤维，浆液黏度大，非牛 顿流动，过滤难度大，生产过程中的断头率要

8、比合成纤维大。再 加上54/350H喷丝帽不仅喷丝密度增加，而且其孔径也由60 ym 减小到57 ym,所以，如果在浆液过滤技术上没有根本性的突破， 54/350H纺丝技术研究项目就会成为以降低质量来换取产量的 项目。经过研究试验，得出了新工艺条件下的过滤曲线。另外，根据刘易斯过滤基本方程 （公式中： V 为过滤速率； A为过滤面积；AP为过滤压差；y为过滤物料的黏度；v为滤饼 比阻；L为滤饼厚度。）对于过滤质量而言， AP越小越好； 过滤控制工艺越稳定越好。基于以上试验和理论分析，突破了过去一直沿用的美国恒压 差过滤模式， 设计了一套南纤独特的浆液过滤模式及工艺： 一是 低 WOFA 运行，

9、浆液中木浆泊含量由原来的0.50 的降低到0.24， A 级压滤机寿命由原来的 41 天延长到 60 天，还使滤饼 生长缓慢并致密， 确保了对刚性杂质的分离。 二是恒流量恒压差 过滤模式和 S 级过滤工艺，过滤压差由原来的 0.96MPa 降至目 前的0.38MPa，在产量提高20.7%的情况下，浆液主管道流速反 而从0.36m/s降到0.12m/s,使得凝胶等柔性杂质发生蠕变延伸变 形的可能性大大降低， 浆液中柔性杂质大部分得以截留在过滤介 质中，从表 1 的试验结果可以看出， 恒流量恒压差过滤精度比原 来提高了 20%。三是用超细纤维滤布和荷兰织法滤布，并且将 过滤面积提高 36%，根据浆

10、液的检测质量，针对不同的杂质， 优化采用不同的滤布， 使得过滤介质的截留过滤性能和浆液的过 滤质量得到了很大的提高量恒压差表1过滤模式过滤精度与过滤模式对比原恒压差 恒流量 恒流激光粒度测试 0.80卩m0.94 卩 m0.64 卩 m2.4 ST-90 乳化油剂制备工艺技术的研究54/350H喷丝帽纺丝以后，丝束产量和低旦丝束的生产量有较大提高， 但生产运行控制的难度增加， 必须克服生产工艺上的 一些不利因素。 烟用醋纤丝束纺丝生产过程中要使用 ST-90 乳化 油剂，由于 ST-90 乳化油剂中含有丰富的养分， 以及生产过程中 不可避免地有多种细菌和微生物来源， 丝束生产厂家一般都要在 S

11、T-90 乳化油剂中添加双氧水或其它杀菌剂，添加量平均为 500ppm 左右。双氧水是一种强氧化性杀菌剂，易与醋酸纤维丝 束纤维分子中的纤维素羟基链团发生氧化反应， 使得发生氧化反 应处的纤维分子链断裂， 影响丝束的断强， 丝束带在生产运行和 滤棒成型过程中受到磨擦作用后， 易产生飞花等质量疵点。 经分 析，虽然可以选择到其它的杀菌剂， 但是无法确认这些杀菌剂是 否会影响丝束的质量，或者制成嘴棒后是否会影响卷烟的口味。 况且一定量的残余双氧水，具有漂白、杀菌作用，能保证丝束在 存放期内不易发霉变色， 而且国外丝束生产厂家大部分采用双氧 水来杀菌。 基于以上分析， 从降低 ST-90 乳化油剂中

12、双氧水的配 制用量入手， 经研究试验， 最终选用过流式紫外线杀菌器与双氧 水配套的杀菌工艺， 将 ST-90 乳化油剂中双氧水的含量由原来的 700ppm 下降到 300ppm 的工艺控制水平，减轻了双氧水对丝束 的损伤，提高了丝束的质量。另外，通过图 8 所示的 ST-90 油剂工艺系统的设计，消除了 油剂内产生气泡， 减少了纺丝过程中的缠丝现象， 提高了纺丝稳 定性。2.5 关键设备的研发 纺丝计量泵对过滤以后的浆液进行精确计量后输入喷丝帽纺 丝，为了提高 54/350H纺丝旦数的稳定性，必须增大计量泵输 送能力， 提高计量精度和运行稳定性； 要使新工艺技术下的产品 质量更稳定，还得对卷曲

13、机进行创新设计。研发新型 8.0cc 计量泵替代 2.92cc 计量泵，应用无毒无污染 性的“QPQ盐浴复合处理技术”对计量泵部件的的表面进行硬化 处理，明显提高了计量泵的耐磨性、抗腐蚀性。采用拉开计量泵 摩擦副零件之间硬度差距的措施， 防止了计量泵的传动轴与泵板 在压力的作用下， 因材料之间产生亲合作用而发生 “咬死”致计量 泵轴扭断自损现象。 在技术改进的基础上， 将计量泵的能力由每 分钟 2.92cc 提高到 8.00cc。研发 YH02 型卷曲机替代原来进口的 CP8 型卷曲机，南纤公 司自主研制、 设计的 YH02 型卷曲机在卷曲机的传动结构、 卷曲 箱和瓷片座等方面相对 CP-8

14、卷曲机有了较大的改进，电机的转 速下降了 20，卷曲机振动下降到原来的50，有助于提高丝束质量的稳定性。2.6 PCS7自控及管控一体化系统的应用创新54/350H纺丝系列技术研究项目在纺丝工艺技术取得突破， 研发关键设备的 同时，通过应用创新使基于全集成概念的PCS7系统在行业内首次成功应用，并研发了独具特色的丝束管控一体化系统。2.6.1 PCS7系统的应用创新将原有EE图的功能重新规划，移植到新的PCS7系统，分五 个部分进行设计，并将各机柜的接线端子在 EE 图中反映，为确保系统切换成功，系统设计上采用了 I/O 机柜加仪表过渡柜、电 仪交接柜、 仪表中继柜的最佳组合方案， 新老系统切

15、换的准确率 达到 99.4以上，为新系统的一次投运成功提供了保证。I/O 模块采用本安型输入输出模块，而非通常的隔离栅 +I/O 模块的模 式，降低了投资成本并易于检修维护。系统采用先进的现场总线技术，多种拓扑方式，介质既有屏 蔽双绞线又有光纤； 其中 PROFIBUS-PA 总线在卷曲机对辊压力、 压板压力监测上的应用为国内外同行业中的首例，这将为 PROFIBUS-PA 总线技术的推广及行业自动化水平的提高提供宝 贵经验。运用单级控制、串级控制、调节器自动优化、死区、滞 环、时延、限幅及其各种组合功能，与原有系统相比，控制精度 提高、控制方式灵活。2.6.2 管控一体化系统的研发针对烟用丝

16、束生产的特点，将客户机/服务器方式(C/S)和浏览 器 / 服 务 器 方 式 (B/S) 相 结 合 ， 服 务 器 端 为 中 文 版 Windows20000 Advanced Server SQL Server 2000，客 户 端 均 为中 文 版 Windows2000 Professional 中文 版 Office2000。客户端应用程序均采用功能强大、性能卓越的最新版 Delphi6.0 开发，网页开发采用微软最新的网页开发工具 ASP.Net。系统与PCS7和两台行车、轨道控制 PLC的数据接口 采用先进的 OPC 技术，实现了控制系统实时、高效、可靠的通 讯。应用动态数据

17、库、 OPC、 XML 、 ActiveX 、COM/DCOM 、软 路由等最新技术，通过提炼控制过程和管理过程中的关键数据， 对过程控制效果、 工艺技术质量进行了大汇总， 不仅各子系统间 紧密相联，还与 PCS7 系统实时双向交换数据：一方面从 PCS7 系统中获取生产过程数据， 另一方面将部分物化检数据实时反馈 给 PCS7 参与系统控制。此外，管控系统还综合了分散于各工段 的工艺关联控制点， 提供重要生产指标的历史数据查询、 过程数 据 SPC（X-R 图）统计与分析、 过程能力指数 CPK 计算分析、 生产 过程数据样本标准差 S计算分析等有力的技术分析手段和方法， 同时将生产统计报告

18、、 消耗盘存报告、 质量检验报告和过程控制 报告等综合分析结果以 Excel 电子报表形式提交，为管理层决策 提供准确翔实的技术依据，基本实现了 “生产计划源于工艺、过 程控制服从工艺、反馈信息指导工艺 ”的目标。3研究成果的主要应用效果3.1 烟用醋纤丝束的产量增加，低旦醋纤丝束的生产能力 增强 该项系列研究成果于 2002 年 7 月产业化实施成功，使南纤公司 年净增烟用醋纤丝束产量 5500 吨，低旦醋纤丝束的生产能力由 年产 6500 吨提高到 32000 吨。南纤四期工程和珠纤、昆纤二期 工程全部应用该研究成果， 2005 年后，该成果使国内每年净增 烟用醋纤丝束产量 22000 吨。3.2 经济效益和社会效益显著该项目总投资 5531.89 万元，给南纤公司每年净增利润约 6000万元，2005年后，为行业每年净增利润 1.7 亿元（以现售价计算 ） 低旦醋纤丝束的生产能力增强后， 一方面由于出棒率的提高给卷 烟企业带来非常可观的经济效益， 另一方面为卷烟企业降焦减害 提供更广的丝束选择范围。3.3 工艺生产稳定性和产品质量 纺丝生产的断头率越低，生产越稳定。由图表可看出，研