高强高模聚乙烯后处理设备

秦海燕　许静波　夏卫中

[摘要]阐述超声波的清洗工艺,介绍超声波清洗槽的工作原理、基本结构及其应用;对清洗工艺流程和影响清洗效果的因素进行简单分析;证明超声波清洗与其它清洗方式相比有明显的优点。

[关键词]高强高模聚乙烯超声波清洗效果

中图分类号:TS91文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)0710123-02

一、引言

20世纪70年代以来,高性能纤维的研究有了突破性进展,各国科学家在理论和实践两方面做了大量的研究工作,使大分子构造最简单的柔性聚合物、理论模量和理论强度最高的聚乙烯实现了高性能化,从而产生了高强高模聚乙烯纤维。高强高模聚乙烯纤维强度和模量非常高,而相对密度小于1,其比强度和比模量明显高于其它纤维,是最轻的高性能纤维,耐化学性优良,在酸碱碱溶液中强度不会降低。高强高模聚乙烯纤维所具有的优异特性,最适合用于防弹材料,制造绳索。因能吸收冲击的动能,可防割、防刺,也广泛用于防护手套、击剑服等。

我国1985年开始超高相对分子质量聚乙烯纤维的研制,在溶剂、凝胶纺丝和拉伸后处理方面进行了深入研究,现生产能力达到1000t/a,其纤维性能为国际中等水平,并有自己的特色,其技术正在进一步提升中。

高强高模聚乙烯纤维的清洗是整个后处理过程中一道极为重要的工序,其清洗效果会直接影响到纤维的摩擦系数、柔软性和抗冲击性能。

超声波清洗作为一种现代清洗技术,具有优质、省力、高效、无污染等显著特点,超声波最大的优势是,清洗效果好且不伤清洗物件,而且效率高!特别在电子行业超声波清洗机最为普及!目前在机械行业也越来越得到广泛的应用。本清洗槽的设计大胆采用了超声清洗这一先进而又独特的工艺技术,用来清洗化学纤维,使经本机清洗后的纤维不仅洁净而且力学性能得到进一步提高。

二、基本原理

(一)工艺要求

清洗槽在高强高模聚乙烯后处理生产线中,位于第三道七辊牵伸与烘箱之间,纤维在经过三道牵伸之后进行清洗,清洗过程中对清洗液温度必须进行测量与控制。试验表明:清洗液温度由14.70℃升高到39.70℃,温度变化25℃。在开始60min温度上升比较快,上升了21.10℃;随后60min,温度上升比较缓慢。清洗液温度在这样范围内变化,有利于空化核的形成,对清洗纤维有利。

(二)清洗原理

本清洗槽利用的是超声波空化效应对高强高模聚乙烯纤维进行清洗。清洗原理是由超声波发生器发出的高频振荡信号,通过超声波换能器转成高频机械振荡(超声波)而传播到介质(清洗液)中,超声波在清洗液中疏密相间的向前辐射,使液体震动而产生数以万计的微小气泡,这些气泡在超声波中纵向传播,在形成的负压区产生、生长,而在正压区迅速闭合,在这种被称为空化效应的过程中,微小气泡闭合时可产生超过1000个大气压的瞬间高压。连续不断产生的瞬间高压,就像一连串小爆炸一样不断冲击纤维表面,破坏不溶性污物而使它们分散于清洗液中,当团体粒子被油污裹着而粘附在纤维表面时,油被乳化,固体粒子即脱离,达到纤维表面净化的目的,为上成品油剂创造条件,从而满足纤维加工的工艺要求。

三、基本结构设计

清洗槽分为多层,每层包括船槽、进辊、导丝辊、压辊、支撑架,外置循环水箱等(如图所示)。

超声波发生器安装在船槽内,根据具体需要,每层船槽内摆放数只。清洗槽前后侧装有钛合金有机玻璃移门,以便于观察丝束运转状态和保持现场整洁,方便操作。

(一)支承架

由槽钢和钢板焊接而成。支承架总高度可根据操作人员的高度确定,每层高度约300mm,第一层距地面150-200mm。支承架两侧面各焊有若干块垫板,用于固定导丝辊轴承座。整个支承架由地脚螺栓与地面相连,前后两侧焊有连接板,用以增强架体承重能力和安装压辊吊钩,连接板上加工有长槽,以便于调节压辊高度,保持丝束与超声波发生器的有效距离。

(二)船槽

船槽用来容纳清洗液,底层船槽有排污孔与溢流孔,其它各层只有溢流孔。船槽尺寸一般长2000-2500mm,宽600-1000mm,高150-200mm,材料为1Cr18ni9Ti/δ2,装有溢流板,清洗过程中,清洗液从顶层开始添加,经过每层船槽的溢流孔溢出到下一层船槽,底层船槽的清洗液通过溢流孔流入外置储液箱,经箱内油剂泵输入到顶层船槽内循环使用。

导丝辊剖面图

(三)导丝辊与压辊

导丝辊由轴和无缝钢管焊接而成,辊表面加工有若干个导丝槽,用于分丝,以利于纤维能被均匀清洗。辊表面镀硬铬抛光,镀层厚度≥0.05mm,表面粗糙度达到Ra0.2。

压辊材料为尼龙,通过固定在支撑架上的吊钩悬挂在船槽内,将纤维压入清洗液中,可以通过调节吊钩的位置来调节纤维在清洗液中的高低位置,压辊一般不需要采用动力驱动,纤维与超声波发生器之间的距离控制在15-20mm。

(四)传动型式

清洗槽采用独立传动方式,由两台摆线针轮减速器经弹性柱销联轴器和传动辊链轮传至两只进辊,两只进辊同速反方向,再通过链条分别带动其它动力辊转动,导丝辊无动力驱动主要用于调整丝束旋转方向。

四、清洗工艺流程及影响清洗效果的因素

(一)工艺流程

一般两台一组进行清洗,纤维由第一台清洗槽导丝辊分成若干根丝束,经右边的进辊牵入底层船槽内,通过压辊将纤维压入清洗液中,此时底层船槽内的超声波发生器工作,对纤维进行清洗(如图所示),再由底层左边的进辊与第二层右边的导丝辊曳引至第二层船槽内,对纤维再次进行清洗,重复多次,进入第二台清洗槽清洗,最后由第二台顶层左边的导丝辊把干净潮湿的纤维牵出,进入后道设备烘燥箱进行加热烘干。

清洗工艺流程图

(二)影响清洗效率的因素

影响清洗效率的因素有很多,如温度,时间,超声波的功率,频率等。设定不同清洗槽的频率和功率分布,将会有不同的清洗效果。下面探讨不同超声波频率和功率密度及清洗温度、时间对清洗效率的影响,以达到最好的清洗效果。

清洗介质:采用超声波清洗,一般有两类清洗剂即化学溶剂和水基清洗剂。清洗介质的化学作用可以加速超声波清洗效果,超声波清洗是物理作用,两种作用相结合,以对纤维进行充分、彻底的清洗。

功率密度:功率密度=发射功率(W)/发射面积(CM2),超声波的功率密度越高,空化效果越强,速度越快,清洗效果越好,但采用长时间的高功率密度清洗会对纤维表面产生空化、腐蚀。

超声波频率:20KHz～33KHz,超声波频率越低,在液体中产生的空化越容易,产生的力度大,作用也越强,适用于纤维初洗,频率高则超声波方向性强,适合于纤维的进一步精细清洗。

清洗温度:一般来说,超声波在30℃～40℃时的空化效果最好,清洗剂则温度越高,作用越显著,通常实际应用超声波清洗纤维时,采用14℃

～40℃的工作温度。

五、超声波清洗纤维的优点

超声波在液体中传播,使液体与清洗槽在超声波频率下一起振动。因超声波具有传播方向性强、介质振动强度大、在液体中可产生空化现象等特点,相比其他多种的清洗方式,超声波清洗槽显示出了巨大的优越性,尤其化学纤维后加工工业中,已逐渐用超声波清洗取代了传统的振动清洗和蒸气清洗等工艺方法,超声波清洗槽的高效率和高清洁度,得益于其声波在介质中传播时产生的穿透性和空化冲击性,所以很容易将带有油污和杂质的纤维清洗干净,其速度比传统方法可提高几倍,甚至几十倍,清洁度也能达到高标准,这在对纤维表面质量和生产率要求较高的场合,更突出地显示了用其它处理方法难以达到或不可取代的结果。超声波清洗的优点归纳如下:

1.清洗效果好,清洁度高且纤维清洁度一致。

2.清洗速度快,提高生产效率,易于实现自动化。

3.不须人手接触清洗液,减轻劳动强度,安全可靠。

4.对纤维表面无损伤,节省溶剂、热能、工作场地和人工等。

六、综述

当今,清洗设备作为机械设备制造行业中的一分子,与国家的经济发展已经息息相关,而化纤的超声波清洗尚未形成规模,要在我国化纤行业中占有一定的地位,还必须继续努力。

高强高模聚乙烯纤维后处理过程的重要配套设备之一的清洗槽,在高强高模聚乙烯生产线中发挥了重要的作用,使纤维达到了理想的清洗效果和增强了纤维的综合性能,提高了生产效率。相信超声波清洗作为一种现代清洗技术,其优质、省力、高效、无污染等显著特点将会在化纤机械行业得到越来越广泛的应用,具有广阔的发展前景。

参考文献:

[1]《机械设计手册》联合编写组编,机械设计手册[M].北京:化学工业出版社出版,1987.

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[5]陈思忠主编,超声波清洗技术与进展[J].上海:上海船舶电子设备研究所,2004.

作者简介:

秦海燕(1980-),女,江苏如皋人,中共党员,大专学历,2001年毕业于南通纺织职业技术学院新型纺织机电专业,现为江苏省灌溉动力管理一处技术科助理工程师,从事机械设计工作,致力于技术创新,主持开发并研制成功多项化纤机械及成套设计。曾在《天津纺织科技》、《江苏水利》上发表多篇学术论文;许静波(1969-),男,江苏姜堰人,1992年毕业于扬州大学机械工程系机制工艺及设备专业,参加工作以来,先后参加过多种化纤后处理设备的设计和研发工作,并设计开发有腈纶后处理生产线、涤纶多品种试验线和高强高模聚乙烯后处理生产线等,在《天津纺织科技》、《江苏水利》等杂志上发表论文,现为江苏省灌溉动力管理一处(江苏华纶化纤机械厂)技术设备科工程师,专职从事化纤机械产品开发设计工作;夏卫中(1981-),男,江苏东台人,大专学历,2002毕业于江苏省徐州工程学院,同年进入江苏省灌溉动力管理一处工作。现为江苏灌溉动力管理一处助理工程师,从事技术设计工作。