涤纶工业丝熔体直纺生产技术的研发

陈文兴，马建平，，王建辉，胡智暄，高 琳

(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)

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。

1 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。

图1 涤纶工业丝熔体直纺生产工艺流程Fig.1 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

1.3 分析测试

特性黏数(［η］):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。

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。

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［η］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［η］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［η］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［η］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［η］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)%，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。

2.3 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

由于大容量直纺工业丝单纺位熔体吐出量 大，对纤维的冷却成形技术要求较高。在纺丝板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

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 16604—2008)，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

2.5 熔体直纺与切片纺工艺路线比较

2.5.1 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。

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

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

2.5.4 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%。

3 结论

a.200 kt/a涤纶工业丝熔体直纺解决了高能效液相增黏、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%。

c.与固相缩聚切片纺相比，熔体直纺生产的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。

［1］Willhelm F，Witt H G，Holting L，et al.Apparatus for possessing high viscosity material:US，S5055273［P］.1991 －10 －08.

［2］Karasiak W.Design detail in polyester polycondensation［J］.Int Fiber J，2003(2):54 －55.

［3］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.

［4］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.

［5］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，2012:5－20.