细旦和超细旦丙纶POY-DTY 长丝生产工艺的探讨

柯伟斌， 江建平， 陈光明， 林春梅， 林丹妍

（ 广东蒙泰高新纤维股份有限公司， 广东 揭阳515500 ）

0 前言

细旦和超细旦丙纶丝具有独特的芯吸效应、保暖性、 耐化学性以及卓越的手感、 膨松感等优点， 单丝越细， 综合服饰性能优势越明显[1]，丙纶的细旦化和超细旦化已成为丙纶长丝发展的一个重要研究趋势。 相比细旦和超细旦涤纶长丝来说， 细旦和超细旦丙纶长丝存在强度不足， 易断丝、 断裂伸长率高、 易起静电、 蜡状感、 手感差等缺点， 但由于丙纶 （聚丙烯纤维）本身具有多种优点， 保暖性好、 透气性好、 比重轻、 回潮性低、 排汗芯吸性好、 耐酸碱、 抗菌防臭、 可降解、 无毒环保等， 可采用原液着色根据客户的需求进行配色， 在运动服、 内衣、鞋袜、 箱包等多个领域广受欢迎。 针对其缺点可通过添加助剂和工艺的调整， 可以克服其不足， 细旦和超细旦丙纶DTY 长丝是通过熔融纺丝工艺和加弹工艺， 生产出单丝纤度为1 dtex左右的长丝， 改善丙纶的手感和柔软性， 来满足服装面料的要求。 本试验研究了细旦和超细旦丙纶的主要生产工艺， 从影响纺丝的各个工艺参数方面进行试验， 探讨总结出提高细旦和超细旦丙纶POY - DTY 长丝性能指标和生产稳定性的生产工艺参数， 降低工人的劳动强度，减少成本损耗， 为企业增值提效， 提升经济效益和市场竞争力， 促进细旦和超细旦丙纶长丝纤维的应用和发展。

1 试验

1. 1 原料

为满足细旦和超细旦高速纺丝要求， 选用高熔指的聚丙烯树脂切片： ExxonMobil PP3155（美孚公司）， 等规度大于95%， 高熔融指数（MI ≥35 g/10 min）， 数均分子量在8 ～15 万之间、 密度0. 91 g/cm3， 可以满足细旦和超细旦丙纶高速纺丝的要求。

1. 2 纺丝油剂

日本竹本POY 纺丝油剂。

1. 3 试验设备

（1） 干燥系统： 郑州中远干燥工程有限公司；

（2） DTY 加弹机： 日本帝人；

（3） 复合纺丝箱： 杭州纤诚机械设备有限公司；

（4） 热辊牵伸组件： 北京纵横世贸工程技术有限公司；

（5） 智能控制系统： 广东伟达智能装备股份有限公司；

（6） 收卷机： 常州市富林机械有限公司；

（7） YG023B 全自动单丝强力机： 常州新纺检测仪器有限公司。

1. 4 工艺流程

细旦和超细旦丙纶POY - DTY 长丝的工艺流程见图1。

图1 工艺流程图

2 结果与讨论

2. 1 熔融纺丝， 制备预取向丝

2. 1. 1 聚丙烯干燥条件

细旦和超细旦的丙纶预取向丝 （POY）， 因单丝较小， 对原料的灰份和水份要求较高。 试验证明， 干燥不充分， 高速纺丝过程中易出现飘丝、 断丝， 甚至无法纺丝， 单丝生产困难，为了保证纺丝过程稳定连续的进行， 必须对切片进行干燥。

干燥温度和时间参数设定过高， 原料容易发生降解、 粘连， 不利于螺杆进料熔融， 干燥温度设定过低则无法完全除去水份， 达到理想的纺丝工艺要求。 一般将干燥温度设定为70 ~ 90 ℃， 干燥时间设定90 ~ 120 min。

2. 1. 2 纺丝温度

纺丝温度是影响细旦和超细旦丙纶预取向丝的一个主要因素。 当达到一定纺丝温度后，切片熔融、 塑化， 流动性增加。 纺丝温度过低，可纺性能较差， 喷丝头拉伸会断丝。 随着纺丝温度的增加， 可纺性改善， 预取向丝的强度缓慢变小， 断裂伸长率随着逐渐增大， 到一定温度后， 强度变小的速率增大， 断裂伸长率逐渐变小， 因此纺丝温度在一个区间内。 若低于这区间可纺性差， 流动性差， 组件压力大， 若喷丝头拉伸困难易断丝； 若高于这区间温度， 熔体流动性过高， 黏度变小， 喷丝板出丝的速率大， 且出丝不均匀， 产生僵硬丝， 预取向丝的强度差， 断裂伸长率小， 后加工拉伸性能差。因此， 不同的原料， 不同的旦数皆有一个纺丝温度区间。 在这个区间内， 有一个更小的纺丝温度区间， 是制备高质量预取向丝的一个重要保障。

由于丙纶本身的比热较大， 在聚丙烯熔体制备过程中， 会发生热氧化降解。 降解反应随着熔体温度的升高和停留时间的延长而明显加剧， 因此， 需要严格控制温度（ ＜300 ℃） 和停留时间 （ ＜14 min）。 由于高速纺丝要求熔体有良好的流动性和均匀性， 而聚丙烯熔体在其熔点附近黏度较大 （300 Pa·s 以上）， 熔体流动性差， 因此纺丝温度一般高于熔点80 ~ 100 ℃左右， 才能使其熔体具有必要的流动性并顺利进行纺丝。 表1 为纺丝螺杆各区间温度。

表1 55 dtex/48 f、 55 dtex/72 f 纺丝螺杆各区间温度

在保证产品质量和生产稳定的条件下， 纺丝温度应设定较高温度， 熔体在结晶发生前具有较大的流动性， 初生纤维的预取向度低， 且形成不稳定的碟状液晶结构， 可以采用较高的后拉伸倍数， 获得高强力纤维。

2. 1. 3 螺杆转速和法兰头的压力

螺杆旋转、 螺杆与套筒和切片摩擦产生热能， 会导致切片熔体的温度增高， 但这个热量是变化且不稳定的， 因此尽量减少它对熔体的作用。 螺杆的转速不能太快， 否则熔体的回流现象增加， 摩擦发热导致温度不均匀， 黏度和流动性不一致， 影响熔体的质量； 转速过慢，聚丙烯在螺杆中停留的时间增长， 熔体热氧化降解的可能性增大。

法兰头的压力不能设定太高， 否则熔体回流， 影响流动性和熔体黏度， 纺丝均匀性无法保证， 太低则供量不足， 纤度不稳定。 此外，螺杆转速与法兰头的压力也有关， 法兰头的压力设定与熔体管道长短有关， 一般控制在6~9 MPa。

2. 1. 4 纺丝组件

纺丝组件是纺丝的一个重要部件， 由于细旦和超细旦丙纶长丝的单丝纤度细小， 为保证高速纺丝过程顺利， 必须通过喷丝头组件来减少熔体中的杂质含量。 在选择组件的过滤结构和精度时， 要考虑高速纺丝过程顺利和纺丝组件的使用周期等因素， 丙纶熔体黏度大， 可纺性差， 喷丝板的孔径和长径比决定了POY 的各项指标， 选择合适的喷丝板孔径和长径比等是细旦和超细旦丙纶POY 纺丝的关键之一。

聚丙烯是典型的假塑性流体， 高速纺丝条件下， 随着PP 熔体通过喷丝孔的剪切速率的提高， 从入口区到孔流区缠结的高分子链段被解开并且来不及重新恢复 （PP 的松弛时间约为0. 1 ~ 100 ms）， 这样就阻止了链段之间相对运动， 内摩擦力减小， 可使熔体黏度降低2 ~ 3 个数量级， 即产生剪切稀释作用。 可见聚丙烯熔体表观黏度和剪切应力有反比关系， 在一定范围内剪切应力的增加是有利于纺丝进行的。 因此喷丝板孔径的减小有利于提高可纺性， 但是孔径太小， 熔体受到的剪切及挤压应力过大，则会造成熔体破裂[2]。

细旦和超细旦的孔径在φ = 0. 2 ~ 0. 25 mm， 长径比在3. 4 ∶1。 喷丝板孔的加工精度也是影响纺丝稳定性及指标的关键。 一般要求光洁度0. 04 以上， 这是对喷丝板的要求。

由于单丝纤度低， 细旦和超细旦丝需要更严格的过滤条件， 要求更新的过滤海砂， 更密的金属过滤网， 加密的过滤层使熔体通过时会产生更多的剪切应力， 有利于熔体温度和黏度的均匀， 从而改善聚丙烯熔体的流变性能。 过滤层改变后， 组件压力增加， 熔体流经组件时产生的压力降会将机械能转变为热能， 起到加热的作用， 更为均匀的改善熔体的流变性能[3]，进而减少挤出胀大效应， 降低纺丝张力， 改善卷装成形。

纺丝组件的海砂组合， 纺丝组件的压力大小均匀， 决定了喷丝孔出丝的均匀和稳定。 组件压力过低， 各个孔出丝不均匀， 且同一根单丝的纤度波动也过大。 在生产中， 过滤网选用300 ~ 400 目， 海砂为20 目、 40 目、 60 目， 由下而上3 层组合， 初始压力为6 ~ 9 MPa， 更换压力为15 MPa。 适当的初始压力可以使熔体表观黏度下降， 有利于消除弹性效应， 提高可纺性。 组件压力未升高， 使用周期过长， 也会发生飘丝、 断头现象。 分析原因认为， 是熔体中的凝胶状物质残留在组件中， 由于停留时间过长发生热降解， 产生的小分子物质被带出组件进入丝条而造成。 因此， 即使组件压升小， 到一定周期（12 ~ 15 日）， 组件也必须更换。

影响组件压力的因素有：

（1） 纺丝箱温度和熔体温度的高低。 温度过低， 压力大， 喷丝板喷丝困难； 温度过高， 压力小， 组件的压力建立不起来， 喷丝孔喷丝不均匀， 影响纺丝。

（2） 组件的海砂组合也是调整组件压力的一个重要因素， 砂的目数越大， 砂越细， 堆积孔小且阻力大， 提高组件压力， 因此海砂的加入和组合是控制纺丝组件的一个重要的方法。 细旦和超细旦丙纶POY 纺丝采用20 目、 40 目和60 目由下而上3 层组合的海砂组件， 根据单丝的细度进行比例的调整， 使组件压力在6 ~ 9 MPa范围内。

2. 1. 5 纺丝速度、 侧吹风及卷绕成形

当一确定纺丝温度时， 纺丝速度也基本确定， 这两者是联系在一起的。 应先确定纺丝速度后再进行纺丝温度的设定和调整， 细旦和超细旦丙纶预取向丝的纺丝速度在2 500 ~ 3 000 m/min， 侧吹风设定为： 风速0. 2 ~ 0. 5 m/min、风温 （20 ± 2） ℃， 超喂控制在8% ~ 15%之间，卷绕角在8° ~ 10°以实现表面和卷绕张力的平衡， 使卷绕成形良好和退筒顺利。

侧吹风是影响纺丝稳定的重要因素之一。单丝纤度越细， 条干均匀度受到侧吹风冷却的影响波动越大， 在细旦和超细旦丙纶POY 纺丝时， 必须稳定侧吹风的风速和风温， 定期清洗和更换过滤层网。

表2 纺丝速度对细旦和超细旦POY 卷绕质量及主要物理指标的影响

2. 1. 6 上油

丙纶细旦和超细旦丝的单丝纤度小， 单丝直径小、 比面积大， 因此需要较高的上油率。为了使丝束纤维上油均匀， 上油装置将为二道上油： 一道在喷丝板下方600 ~ 1 000 mm 处，一道在导丝盘的前面， 最终纤维含油率控制在0. 8% ~ 1. 5%之间。 含油率如果太高， 不但不能提高上油效果， 反而会影响生产环境的清洁，增加后工序加工的粉尘沾染； 上油太低， 则纤维凝固不充分， 丝的集束效果差， 成形胀边凸出， 有毛丝、 松散现象， 不利于后工序加工。

在选用油剂的要求上， 要具有良好的抱合性、 润滑性、 抗静电性， 以减少集束丝条运行过程中的摩擦， 减少并消除毛丝， 使POY 的加工性能提高。

2. 1. 7 预取向丝的物理性能指标

预取向丝的物理性能指标见表3。

表3 细旦和超细旦丙纶POY 长丝质量指标

2. 2 加弹工艺（DTY）

2. 2. 1 加弹速度和热箱的温度

加弹速度的大小会影响细旦和超细旦丙纶DTY 长丝的生产稳定性和质量。 丙纶的特点是导热系数小， 易造成静电和熔点相对较低， 因单丝和复丝皆细， 在加弹上热箱采用非接触的热传递， 传热效果慢， 受热面积小， 加弹速度不宜过快， 拉伸速率高于分子蠕变速率及链段取向排列速率， 易出现断丝和发白、 斑点等质量缺陷。 因此， 合理的加弹速度选择在200 ~300 m/min 的范围内。

加弹设备的上、 下热箱温度和加热方式是影响细旦和超细旦丙纶初生纤维（POY） 的重要条件之一。 选择合适的上下热箱的温度是提高细旦和超细旦丙纶DTY 物理性能指标和质量的关键。

上热箱是由真空密封联苯蒸汽和电加热复合加热， 它的温度为初生纤维（POY） 提供能量发生塑性变形， 链段和分子的活动及取向链段变直有序排列， 同时伴有结晶的出现， 使纤维的强度明显增强， 伸长率降低。 温度过低， 拉伸时容易造成丝束单丝断裂， 断裂强度下降；温度过高， 则易造成丝束发生软化、 粘连， 产生紧点， 断裂强度下降。 温度区间宜选择在150 ~ 170 ℃。

下热箱的温度是拉伸后纤维定型结晶， 是非接触型空气加热， 是由热媒加热。 温度的高低会影响结晶度、 丝条的卷曲率和沸水收缩率等指标。 当温度提高时， 伴随着结晶度高， 卷曲率低， 断裂伸长率低等； 温度较低时无法起到松弛纤维内应力的作用， 丝束松散、 抱合性差。 温度高了则导致丝束内应力释放彻底， 断裂伸长率和卷缩率变化大， 卷曲结构不均匀，进而影响色泽均匀度， 导致色差和变色等。 因此下热箱温度是影响细旦和超细旦丙纶DTY 长丝的低高弹性的一个重要因素。 温度宜选择在100 ~ 140 ℃范围内。

2. 2. 2 拉伸倍数和D/Y 值

拉伸倍数的大小是决定强度和伸长度的一个重要因素。 拉伸倍数大， 丙纶直链多， 取向充分排列好， 折叠段链小， 理论上强度大。 但拉伸倍数的选择要结合POY 的性能， 与加热温度和速度相结合。 根据POY 的性能， 断裂伸长率在180%左右， 拉伸倍数的选择范围也比较宽， 一般在1. 5 ~ 2. 0 倍之间较好。 拉伸倍数高， 易使假捻器下方的丝束呈松散状态， 张力较大， 产生毛丝， 增加断头丝； 拉伸倍数太低，则会使捻度不能全部消除， 可能导致丝粘连而形成紧点， 影响丝束质量。

D/Y 值是指摩擦盘的表面速度与丝条离开假捻器的速度之比。 不同的D/Y 比对丝的外观、紧点和毛丝现象等影响较大， 不合理的D/Y 比，会产生不适当的加捻张力和解捻张力， 影响假捻效果。 试验表明， 当D/Y 比较低时， 丝束与摩擦盘片的摩擦力较大， 解捻张力远大于加捻张力， 易造成明显的张力波动， 而D/Y 比较高时， 丝束受到摩擦盘擦伤的倾向增大， 易产生毛丝[4]。 此外， 还要考虑POY 丝束的含油率，过高的含油率使丝束在加工过程的摩擦锭组上容易打滑、 跳丝、 产生僵丝， 所以D/Y 值选择应低一点， 一般在1. 1 ~ 1. 5 之间。

假捻张力比（K 值） 就是经过假捻器之后的解捻张力 （T2） 与进入假捻器之前的加捻张力（T1） 的比值， 它与丝条的质量有很大的关系。K 值越大会产生更多的毛丝， K 值越小会产生更多的紧点， 这与D/Y 比是同一特性。 K 值在理论上解捻张力/加捻张力- 1 来确定D/Y 比， 在工艺上解捻张力/加捻张力- （1. 05 ~ 1. 3） 来确定D/Y 比。 K 值还与假捻盘的数量有关， 数量越多K 值越大， 假捻盘的数量也是确定捻度数的重要因素。

由于细旦和超细旦丙纶单丝很细， 在假捻器的选择上， 陶瓷盘的寿命长且成本便宜， 但“雪花” 会比较多， 在加工过程中严重影响加工工艺的控制、 设备使用寿命和操作环境； 使用聚氨酯PU 盘， “雪花” 少， 对丝线的磨损程度也较陶瓷盘小， 缺点是使用寿命短、 成本高，需定期更换备件。 由于聚氨酯PU 盘的硬度比较小且摩擦系数大， 对细旦和超细旦丙纶损伤较小， 故优先选用聚氨酯PU 盘的1 - 5 - 1 的摩擦锭组组合配置。

2. 2. 3 卷绕成形与超喂

不良的卷绕成形不仅会影响DTY 的性能和造成运输过程中受损变形， 而且会影响拉伸变形过程中原丝的退绕性、 假捻张力稳定性等，正确控制卷绕参数对得到良好的卷装十分重要。

第二压辊与第三压辊的作用是定型超喂，是对丝条在下热箱内的张力进行调节， 它的大小影响丙纶DTY 长丝的结晶度、 膨胀性及断裂伸长率的指标。 根据细旦和超细旦丙纶DTY 的性能要求， 采用不同的超喂值。

第三压辊和卷绕的超喂是影响成形和退筒的重要参数。 设定值太大了， 张力偏小， 成形松散易影响下道工序的使用和包装运输； 设定值太小了， 张力大， 退筒困难， 影响设备运转和生产。

根据DTY 丝的质量要求， 卷曲率 （弹性）、断裂伸长率等指标选择不同的卷绕速度和超喂， DTY 丝较干且具有伸缩弹性， 卷绕张力要根据超喂、 卷绕往复速度来调节， 速度控制在200 ~ 300 m/min， 定型超喂控制在5% ~ 10%之间为宜。

2. 2. 4 网络气压

在其他工艺参数不变的前提下， 选择合适的网络气压， 有利于细旦和超细旦丙纶DTY 长丝的断裂强度、 断裂伸长率和沸水收缩率等质量指标的改善。 随着网络气压的增大， 纤维在喷嘴内受到的侧向力增大， 纤维内部大分子有序排列被改变， 取向度和结晶度降低， 结晶区减小， 断裂伸长率和沸水收缩率增大。 在制取高弹丝和低弹丝时， 要考虑好网络气压的设定，一般设定在0. 2 ~ 0. 5 MPa 为宜。

2. 2. 5 细旦和超细旦丙纶DTY 的物理性能

细旦和超细旦丙纶DTY 的物理性能见表4。

质量指标 标准 实测指标55 dtex/48 f 55 dtex/72 f线密度偏差/% ± 2. 00 1. 02 0. 95线密度CV 值/% ≤3. 00 0. 75 0. 78断裂强度/(cN·dtex-1) ≥3. 20 4. 00 3. 46断裂强度CV 值/% ≤6. 00 2. 50 2. 76断裂伸长率/% 30 ± 5. 00 28. 06 33. 87断裂伸长率CV 值/% ≤8. 00 6. 03 5. 25色泽均匀度 （灰卡） /级 4 ~ 5 4 ~ 5 4 ~ 5（干） 耐摩擦色牢度 （灰卡） /级 4 4 4（干） 耐摩擦色牢度 （灰卡） /级 4 ~ 5 4 ~ 5 4 ~ 5沸水收缩率/% ＜5. 00 2. 48 2. 28

从表4 可以看出， 试验工艺参数所试制的纤维性能指标均达到标准要求。

3 总结

在细旦和超细旦丙纶丝的生产过程中， 采用高熔指 （MI ≥35 g/10 min） 的聚丙烯树脂切片， 合适的干燥温度 （70 ~ 90 ℃） 和干燥时间（90 ~ 120 min）， 螺杆各区温度控制在230 ~260 ℃， 纺丝箱温度控制在220 ~ 240 ℃区间，纺丝速度控制在2 500 ~ 3 000 m/min， 侧吹风风速0. 2 ~ 0. 5 m/min、 风温 （20 ± 2） ℃， 细旦和超细旦喷丝板的孔径φ = 0. 2 ~ 0. 25 mm， 长径比3. 4 ∶1， 组件压力控制在9 ~ 15 MPa 范围内。 加弹速度200 ~ 300 m/min， 上热箱温度150 ~ 170 ℃， 下热箱温度100 ~ 140 ℃， 摩擦盘选用聚氨酯PU 盘的1 - 5 - 1 的摩擦锭组组合配置， 超喂控制在8% ~ 15%之间， 拉伸倍数选择1. 5 ~ 2. 0 倍， 网络气压控制在0. 2 ~ 0. 5 MPa 之间。

最终纺制的细旦（55 dtex/48 f） 和超细旦丙纶 （55 dtex/72 f） POY - DTY 长丝， 断裂强度≥3. 2 cN/dtex， 断裂伸长率（30 ± 5） %， 具有强度高、 断裂伸长率低、 保暖性好、 透气性好、比重轻、 回潮性低、 排汗芯吸性好、 耐酸碱、抗菌防臭、 可降解、 无毒环保等性能， 采用原液着色工艺根据客户的需求进行配色， 在运动服、 内衣鞋袜、 箱包等多个领域广受欢迎。