PET瓶片再生纺制涤纶长丝工艺和设备的研究

1、PET 瓶片再生纺制涤纶长丝工艺和设备的研究那芝郁(北京中丽制机工程技术有限公司 101111)摘要通过对回收 P E T 瓶片纺制再生涤纶长丝工艺和设备的研究 ,分析论述了再生纺丝的工艺特征和主要设备特点 ,指出瓶片再生技术具有低碳减排 ,节能降耗 ,发展循环经济的良好前景 。关键词P E T 瓶片再生涤纶长丝技术片的差异而导致的机头压力波动 、纺丝不能连续稳定 、条干不匀率等技术难题 。概述1伴随着聚酯包装瓶的大量使用 ,其产生的废弃物难以降解 ,会对环境造成严重的污染 ,是一个急需 解决的问题 。聚酯的原料来源于石油 ,在当今石油资源日趋减少的状况下 ,资源再利用 ,大力发展循环经济势在

2、必行 。目前聚酯在化学纤维制品中已独占 鳌头 ,可否将回收的瓶片回归到纺丝制品中 ,开辟废 弃聚酯瓶再利用的新途径 ,是专业技术工作者一直致力研究的课题 。近年来 ,我国各中小型化纤生产企业利用废旧 P E T 瓶片纺制再生涤纶短纤维的技术已近成熟 ,相 关产品几乎涵盖了涤纶短纤维产品的各个品种 。而 瓶片再生纺制长丝的工艺和技术有待于进一步的完善 。由于 P E T 瓶片与原生涤纶切片自身特性区别 , 纺制的长丝要达到连续不间断高速纺丝 ,对原料 、工 艺等要求都要高于纺制再生涤纶短丝的技术水平 。 北京中丽制机工程技术有限公司近年来对此做了深 入的研究 ,利用普通螺杆挤压机制备出适纺 PO

3、 Y 长丝工艺要求的熔体 ,解决了由于回收瓶片与原生切2再生纺丝工艺特征P E T 废旧瓶碎片 ( 清洗筛选) 干燥系统 螺杆挤压机 熔体双级过滤器 熔体管路分配管 纺丝箱 纺丝计量泵 纺丝组件 丝束冷却 丝束上 油系统 丝束监测系统 预网络 导丝盘 终网络全自动卷绕头 PO Y 丝筒 D T Y(D Y) 。这很类似于典型的 PO Y 初生丝的生产工艺路 线 。可 通 过 PO Y D T Y 工 艺 生 产 变 形 丝 , PO Y - D Y 生产拉伸加捻丝 。其工艺流程短 ,生产效率高 ,投资成本低 。利用这种普通切片的 PO Y 纺丝流程 ,结合回收瓶片的工艺特性 ,对相关设备 、纺

4、丝工艺进 行了个性化设计和调整 ,即可完全生产再生长丝 。主要设备特征分析33 . 1回收瓶片的质量标准从图 1 中可以看出 ,图中左侧规格及大小均一 的颗粒为纺丝 P E T 原生切片 ;右侧形状大小杂乱的其适应性强而著称 。无论织造窄幅或宽幅 、轻薄型或厚重型 、短纤或长丝 、单色或多色 、平纹或复杂图 案的织物 ,片梭织机均能满足织造 。但因其价格较贵 ,近几年来只有特殊织造需要时才采用 。如宽幅 (最大 540cm) 工业用纺织品 ,从最精细的滤布到织 造气球的高密度高强特种织物 ,以及超厚涂层织物 等 。本届展览会苏尔寿纺织未展出片梭织机 。造品种各式各样 。品种的多样化需求 ,引导

5、无梭织机技术不断去创新和发展 ,织机厂商不断去适应市 场需求 ,在织机品种 、幅宽 、配置等领域做积极改进和创新 。近年来经 过 国 家 扶 植 的 织 造 机 械 重 点 项 目 ,已取得初步成效 。国产机电一体化高速剑杆织 机性能稳定 ,新型喷气织机品种适应性进一步拓展 , 国内喷水织机市场需求强劲 ,促进喷水织机技术进 步 。未来主流产品发展趋势 ,那就是高效和低成本 ,同时一部分会向个性化的特种织机方向发展 ,以满 足工业用纺织品生产需求 。结论5无梭织机技术水平已经发展到一定的高度 ,织28 研究与应用纺织机械 2011 年第 2 期片状物为回收的 P E T 瓶片 。与纺丝级 P

6、E T 切片相比较 , 回收瓶片的外形杂乱 、不规整 , 含杂质较多 。 它的物理性能与原生切片相比表现为特性粘度高 、 熔点低 。在纤维生 产 过 程 中 表 现 为 机 头 压 力 波 动 大 、过滤性能差 、纺丝断头多 、可纺性差 。因此 ,利用回收 P E T 瓶片纺丝时 ,首先要对原料的物理指标进 行严格控制 ,色泽要均一以确保纺丝的质量 (表 1) 。瓶片的干燥过程应为预干燥 、干燥过程 。由于瓶片堆积密度小 ,含水分高 ,采用放大结晶床和加大送风 量的方式 ,使回收瓶片干燥后的水分含量由 10000 pp m 达到 3050 pp m 的纺丝标准 (表 2) 。表 2 纺丝级回收

7、瓶片与原生纤维切片干燥对比表图 1 原生切片与瓶片对比图3 . 3 螺杆挤压机螺杆挤压机是切片熔融纺熔体制备关键设备 。 螺杆挤压机参数设定与所熔融物料的物理性能有直 接的关系 。由表 1 可知 ,由于回收瓶片的特性粘度比原生切片高 0 . 1dLg 以上 、而熔点又低于原生料2 5 、堆积密度仅为原生切片的 50 %左右 、外 形尺寸是原生切片 23 倍 ,且瓶片的熔融热又有别 于原生切片 。所以用于瓶片纺的螺杆挤压机在压缩比 、长径比 、各功能分段区的长度等方面都有别于原 生切片纺 (表 3) 。表 1 纺丝级回收瓶片与原生纤维切片物理性能对比表 3纺丝级回收瓶片与原生纤维切片螺杆参数对比

8、3 . 2 干燥设备采用连续式瓶片干燥设备是保证瓶片纺丝能够 运行的第一步 。回收瓶片与原生切片对干燥的要求不同 。 高聚物切片在制作过程中都含有一定的水分 。切片中含水分过高对纺丝极为有害 ,导致可纺性差 ,单丝中夹带水蒸 气 , 会 形 成 气 泡 丝 、造 成 毛 丝 和 断 头 ,影响后纺加工 。所以 ,经干燥后的原生切片含水率应达到 3050 pp m 的纺丝标准 。同时切片通过 干燥工艺 ,也是为了提高原生切片的结晶度 ,以提高 切片的软化点 ,以利于螺杆挤压机对切片的熔融 、输送和挤压 。回收瓶片的来源是 :将高聚物切片吹制成的 、经 使用废弃回收的包装瓶 ,经分拣 、粉碎 、清

9、洗 、过滤 、预干燥而制得 。表面仍残留着大量的水分 。因其特性粘度较高 ,有较好的结晶度 ,只需做去除水分的处 理 ,以提高其可纺性 。干燥设备的主要特点之一 :是纺丝用螺杆挤压机的设计 ,根据切片熔融理论 ,物料在螺杆沟槽内由固态变为粘流态的变化特征 ,螺杆参数纤维级 P E T 切片纺丝级回收瓶片原料特性粘度( dLg)0 . 64 - 0 . 660 . 7 - 0 . 8外形尺寸( mm mm mm)4 4 2 . 53 3 1 -10 10 1堆积密度 ( tm3 )0 . 750 . 35长径比2528压缩比2 . 5 - 3 . 02 . 9 - 3 . 2螺杆与螺套配合间隙

10、( mm)0 . 32 - 0 . 480 . 20 - 0 . 30进料 :压缩 :计量 :混炼868398 . 592熔体控制温度 ( )285 - 290280 - 285压力波动范围 ( M Pa)0 . 50 . 5项目纤维级 P E T 切片纺丝级回收瓶片特性粘度 ( dlg)0 . 64 - 0 . 660 . 7 - 0 . 85熔点 ( )260255水分 ( %)0 . 41 . 0 - 3 . 0杂质 ( %)0 . 01 (灰分)0 . 02 ( PVC 等)外形尺寸( mm mm mm)4 4 2 . 53 3 1 -10 10 1堆积密度 ( tm3 )0 . 75

11、0 . 35颜色白白 、绿 、蓝项 目纤维级 P E T 切片纺丝级回收瓶片含水率 ( %)0 . 42 . 0外形尺寸( mm mm mm)4 4 2 . 53 3 1 -10 10 1预结晶 (干燥)参考时间 ( h)1 . 0 - 1 . 50 . 5 - 1 . 0预结晶 (干燥)参考温度 ( )140 - 160120 - 140干燥参考时间 ( h)4 - 64 - 6干燥参考温度 ( )150 - 165160 - 180纺织机械 2011 年第 2 期研究与应用 29可以分为三个转化区域 :固体物料输送区 ,熔融区和熔体物料输送区 。纺丝螺杆的结构也与之相应地划 分为三段 ,即

12、为进料段 ,压缩段和计量段 ,如图 2 所 示 。此三段结构与三个转化区是依物料的特性而变 化的 。熔融区熔体的降解 ,所以适宜相对较低的熔融温度 。因此需延长压缩段 ,以使物料缓慢均匀的熔融为熔 体 ,并被逐渐压缩 。计量段是使熔体混炼均化 ,稳定 输出压力的作用 。因此 ,根据瓶片纺自身特性 ,为了 减少输出压力波动 ,减少熔体的回流现象 ,使熔融混炼充分 ,消除未融的生料 、碎颗粒造成的压力波动 , 所以采用加长计量段设计 。同时 ,为了避免回流熔 体中夹杂着未充分熔融的瓶片小颗粒 ,造成螺杆内 部环节飞车影响瓶片再生纺丝 ,采用以减少螺杆与 螺套之间的配合间隙来达到 。综上所述 ,瓶片

13、用螺杆挤压机与切片用螺杆挤 压机 ,不论是在结构特性 、几何尺寸及控制参数都有 很大的区别 。总体来说 ,采用专用的瓶片纺螺杆挤 压机 ,加大压缩比及加长螺杆长径比设计 ,有利于瓶 片物料熔融均匀 、塑化充分 ,对稳定纺丝 ,提高纺丝质量 ,纺制高品质 PO Y 丝起到了重要的作用 。3 . 4 双级立式熔体预过滤器及稳压技术的应用由于自螺杆挤压机输出的熔体内还含有一定量 的机械杂质和未熔透的凝胶粒子 ,如果直接进入计 量纺丝 ,势必影响到纺丝质量 ,也影响到纺丝组件的使用寿命 ,需频繁停车更换纺丝组件 。给纺丝工作 带来很大的不便 ,导致生产成本增加 。因此 ,安装应 用了熔体预过滤器 ,使

14、熔体在进入纺丝之前 ,先行过 滤去杂 ,给纺丝工作带来很大的便利 ,减少废丝的产 生 ,延长了纺丝组件的使用周期 。用于原生切片的熔体预过滤器为一级双过滤 室 ,它由两个过滤室组成 ,如图 3 所示 。先使用其中 A 过滤室 ,当过滤前后压力降为 6 M Pa 时 , 则需切 换到 B 过滤室 ,可连续不停车工作 。提高了纺丝质 量和工作效率 。图 2 螺杆熔融挤压与分段示意3 . 3 . 1压缩比采用加大压缩比设计 。螺杆结构设计中 ,首先要根据物料特性确定压 缩比 。由以下公式计算(D - H1 ) H1= (D - H ) H(1)3 3式中 :D 螺杆直径 mm ;H1 进料段槽深 m

15、m ;H3 计量段槽深 mm ;由于回收瓶片的外形尺寸不规则 ,且大小不一 , 其堆积密度远小于原生切片 ,所以在进料段应该采 用加大螺槽深度和延长进料段长度的设计结构 ,以 加大螺杆瞬间进料量 ,从而避免瓶片在进入螺杆时 , 因供料不足 ,造成飞车 。还可以防止进料环节堵料 。 所以 ,由式 ( 1) 得知 ,瓶片用螺杆的要大于原生切 片的。3 . 3 . 2螺杆分段 采用加长进料段 、延长压缩段和增加计量段的设计结构 。在进料段 ,物料随着螺杆的旋转在螺槽内被挤 压向前运动 ,物料间的密度逐渐增大 ,在进入压缩段之前被均匀预热并开始进入熔融状态 。而进入压缩段 ,螺槽深度逐渐变小 ,因瓶片

16、特性粘度高 ,且熔点 又低 ,成分复杂 ,不同形状切粒之间熔融的速率相差较大 ,伴随着物料分子间相互剪切作用及螺套外部 加热器的热传导的作用 ,熔融温度不宜过高 ,以减少图 3 立式单级熔体预过滤器横剖面示意图回收瓶片与切片相比杂质多 ,粘度高 ,熔体流动30 研究与应用纺织机械 2011 年第 2 期性差 ,过滤阻尼大 , 若 使 用 传 统 的 一 级 熔 体 预 过 滤器 ,往往上机几小时就必须切换 ,影响到生产的连续 性和运行成本 。一级熔体预过滤器的过滤面积已远 远不能满足瓶片纺的要求了 。因而 ,需要应用二级 熔体预过滤器 。如图 4 所示 。过滤之间增设了增压泵 。以粗过滤出口

17、( 增压泵入口) 的压力来控制螺杆转速 ,以精过滤出口 ( 纺丝箱 体入口) 的熔体管路上的压力来控制增压泵的转速 , 以保证精过滤后压力持续稳定在 6 . 0 M Pa 。双闭环 压力控制系统 ,使输入计量泵的压力稳定不变 ,保证计量泵输出熔体计量准确 ,熔体流动波动小 , 纺丝 稳定 ,有效改善了条干均匀度 ,纤维质量高 。同时 , 还阻隔了由于螺杆挤压机产生的输出压力波动对纺丝计量泵的影响 ,为此大大提高了熔体输送过程中 的熔体压力控制精度 ,有效地防止螺杆挤压机因压力波动造成的飞车 ,减轻了螺杆挤压机的工作负荷和磨损 ,延长了挤压机的运转周期 ,减低设备维修费 用 。表 4 熔体双级预

18、过滤器参数参考值图 4 立式双级熔体预过滤器其工作 原 理 见 图 5 : 由 两 级 双 缸 过 滤 室 组 成 。采用粗 、精过滤技术 ,一级 A 为 A1 、A2 两个过滤室 , 过滤面积大 ,粗过滤精度 ,一般过滤精度为 40 um ; 二级 B 为 B1 、B2 两个过滤室 ,过滤面积小 ,过滤精 度高 ,一般过滤精度为 25 um ; 分级过滤 ,达到有效 的过滤要求 。延长了过滤器和组件的更换周期 ,为下游纺丝提供符合要求的再生熔体 ( 表 4) ( 以配用 直径 170 mm 螺杆双级预过滤器为例) 。3 . 5 纺丝要求3 . 5 . 1 纺丝温度纺丝箱体采用常规 PO Y

19、设计结构 。在箱体温 度 控 制 上 要 低 于 常 规 切 片 纺 丝 温 度 ( 285 295 ) 。因为回收瓶片特性粘度高 ,熔点低 。纺丝温度 要控制在合理的范围 ,过高会引起聚合物熔体热解 , 飘丝增多 ;过低会使熔体流变性能变差 ,可纺性差 ,产生毛丝 、段丝 。因此 ,经过实践摸索 ,纺丝温度根 据所纺品种不同 ,一般设定在 270 285 。依靠 联苯加热保温系统 ,使流经纺丝箱体的熔体达到纺 丝工艺要求 。一般联苯的温度应比纺丝温度高 1 2 。以达到最佳纺丝温度的控制 。3 . 5 . 2 纺程控制在 PO Y 高速纺程上要控制熔体剪切速率的变 化 ,将其控制在临界值以下

20、 (小于 1 104 s - 1 ) 。剪切速率过大 ,会造成熔体分子间的相互剪切应力增加 ,导致熔体粘度下 降 , 可 纺 性 变 差 , 出 现 孔 口 膨 化 现 象 ,不利于纺丝 。图 5 立式熔体双级预过滤器横剖面示意图因纺制品种不同 ,瓶片的来源不一 ,净度差别较大 ,滤芯更换周期要根据实际升压速度和工艺来确 定 。一般压差达到 6 M Pa ,就需更换过滤芯 。采用双级熔体预过滤器 ,还有稳定计量泵工作 转速的作用 。为了稳定纺丝箱体入口压力 ,在粗精3由公式 :R = 4QR( )2项 目粗过滤精过滤过滤面积 ( m2 )127 . 5滤芯结构烛型褶皱式多层金属网滤芯规格( m

21、m mm 个)58 650 1950 550 15过滤精度 ( um)4025滤芯更换周期 ( h)3648纺织机械 2011 年第 2 期研究与应用 31式中 :- 1R 熔体剪切速率 ( s ) ;Q 熔体流量 (cm3 s) ;R 熔体输送管半径 (cm) ;熔体密度 ( gcm3 ) 。由式 2 得知 ,熔体剪切速率与熔体流量成正比 ,与熔体输送管半径 、熔体密度成反比 。因此在设计 熔体输送管路和纺丝组件时 ,要尽量避免熔体流经通道的突变 ,使管径由大到小地循序渐变 ,以降低剪切速率的突变 。对组件过滤装置和喷丝板孔径适当 调整 ,适当加大微孔直径及长径比 ,以减少疵点 、注 头丝的

22、产生 ,纺丝质量得以大大提高 。3 . 5 . 3冷却和上油系统 采用横吹风冷却系统 (图 6) 。 依据回收瓶片的特性 ,在纺丝纺程上要注意丝束冷却风的控制 ,严格控制来自丝室外的干扰风 ,确 保丝束处于稳流状态 。其风速 、风温随纺制品种 、工艺条件而定 。一般控制在 : 风温为 23 26 ; 风 速为 0 . 40 . 6 ms ;风湿为 65 %75 % 。丝束上油 方式及油剂可同普通高速纺相同 。为了使油剂均化 得更好 ,可选择预网络装置 ,可节省油剂 20 % ,稳定 丝束间的张力 。图 6 横吹风冷却系统3 . 6 卷绕机系统采用普通涤纶 PO Y 卷绕机设备 。它由油轮上 油

23、系统 、丝束监测系统 、预网络 、导盘 、终网络及全自 动高速卷绕头组成 (见图 7) 。用于常规 PO Y 纺丝 , 纺丝速度为 3200 mmin 。满卷后可自动切换 ,无须人员操控 ,无废丝产生 。由于回收瓶片的特性与普 通切片有一定的差异 ,对纺丝成型和后加工会产生 一定的影响 ,纺丝速度不能太高 。一般选择在 26002800 mmin 左右较为适宜 。通过匹配导丝盘和 卷绕辊的速度 ,使导盘速度产生 0 . 8 %1 . 8 %的超喂率 ,来调节卷绕张力 ,以达到良好的卷绕效果 。图 7 卷绕机系统4质量指标分析表 5 POY 丝的质量对比( 130d)从表 5 中的对比得知 ,回

24、收瓶片纺再生 PO Y 长丝的质量基本上能达到 PO Y 丝的质量标准 。所以 , 利用回收瓶片直接纺制长丝是可行的 。只是瓶片纺 丝的条干不匀率值偏高 ,导致瓶片长丝染色不匀率较高 。建议 ,利用回收瓶片纺丝一般用于纺色丝或 者原色丝 。图 8 为回收瓶片纺 PO Y 色丝的卷绕成 形丝饼 。成形好 ,满卷率高 。项 目PO Y 丝 质量标准回收 P E T 瓶片PO Y 丝断裂强度 (cNdtex)2 . 2 - 1 . 81 . 9断裂伸度 ( %)180 - 70176条干不匀率 ( CV %) 1 . 0 - 2 . 02 . 28满卷率 ( %)87 - 7585 - 8232 研

25、究与应用纺织机械 2011 年第 2 期聚苯硫醚纺丝箱强度设计的探讨冯顺亮(北京中丽制机工程技术有限公司 101111)摘要参照国家 GB150 规定和A SM E - ( 2004) 压力容器建造规则中 U G - 101 确定最大允许工作压力的验证性试验方法 ,采用爆破试验程序确定聚苯硫醚纺丝箱箱体允许工作压力 ,从而 确定其设计标准 。关键词聚苯硫醚纺丝箱压力容器允许工作压力此在箱体材料选择 、几何形状设计 、焊接结构 、制造工艺性能等方面 ,都要求其有足够的强度 ,确保在使 用中安全可靠 。同时由于纺丝设备的特殊性 ,纺丝箱体大多数采用矩形截面 ,这种结构使得箱体壳板 承受弯曲变形的能力较弱 ,尤其在高温纺丝时箱体 承受内压 ,箱体中间部位应力较大 。如何使聚苯硫 醚纺丝箱的设计既达到压力容器的