Lyocell纤维喷丝板制造工艺研究

郭庆平

(山西经纬化纤机械股份有限公司 技术中心，山西 晋中 030601)

0 引言

在化纤纺丝生产线上，无论哪种纺丝工艺方法，喷丝组件中直接参与纺丝原液出丝的喷丝头、喷丝板的制造质量尤为重要。喷丝头、喷丝板的材质、微孔孔形、尺寸精度及孔道表面粗糙度，甚至微孔排列方式都对纤维成品丝的质量起关键作用。因此，喷丝头制造企业都以提高喷丝头产品质量为宗旨，在研发新型产品的同时，致力于逐步提高微孔自动化加工技术，以与国际同类技术水平接轨。

目前，国外企业已基本实现了数控加工喷丝头、喷丝板微孔，且微孔尺寸精度控制较好，而我国正在由传统手工加工过渡到数控加工的技术转变中。在这个过程中，应努力探寻高精度、高效率的先进制造工艺方法以提升喷丝头产品的总体质量。

1 Lyocell纤维的发展

Lyocell纤维是一种再生纤维素纤维，最早由Enka公司研发。生产工艺为：将木浆粕溶解在NMMO溶剂中，采用干喷湿纺工艺纺丝，对纺出的丝束进行水洗、干燥、卷曲和切断。因为原料为天然木浆，整个纺丝过程无化学反应、不产生毒物，溶剂可反复回收利用[1]，纺出的丝和制成的织物可生物降解，对环境无污染。由于纺丝成品性价比高、混纺性良好，可与棉、麻、毛等纤维混纺，因此，Lyocell纤维以优良的性能和性价比在中国纺织工业的发展中占据重要地位，被世界公认为最具发展潜力的再生纤维素纤维、绿色环保纤维。未来，在同类再生纤维素纤维中，其极有可能不断取代其他粘胶纤维等纤维素纤维。

我国作为纺织工业大国，面对市场对新型纤维的需求，纤维制造企业为进口设备及其专利技术付出了昂贵费用，迫切需要国内相关领域进行技术开发、改进、升级。因此，Lyocell纤维纺丝成套设备及其组件的国产化制造成为纺织机械的发展趋势。这既顺应市场发展趋势，也符合《新材料产业“十三五”发展规划》中可持续发展道路的主导思想。纤维成套设备及其组件的研发试制、投产对中国纺织工业领域及绿色环保纤维素纤维的广泛推广应用具有重要现实意义。笔者重点阐述纤维喷丝板制造工艺技术的研究与探索。

2 各类喷丝头、喷丝板特点

由于纺丝工艺技术不同，Lyocell纤维喷丝板在结构形式、基体材质以及制造工艺上与其他的喷丝头、喷丝板有不同程度的区别。

2.1 熔融法纺丝喷丝板

熔融法纺丝是将聚合物加热熔融、通过喷丝板微孔挤出，同时在压力作用下拉伸变细，并在空气中冷却固化成极细的纤维丝束。经熔融纺丝的初生纤维只需拉伸机热定型即得到成品纤维，一般用于锦纶、涤纶、丙纶等合成纤维，工作温度不高于450 ℃。

按纤维丝束长度，喷丝板分为长丝喷丝板、短丝喷丝板、大型短丝喷丝板；按外形,喷丝板分为平板形、凸缘形、平板环形、凸缘环形。喷丝板的基体材质推荐不锈钢类，如0Cr17Ni12Mo2，1Cr17Ni2，0Cr17Ni4Cu4Nb或0Cr18Ni9[2]等。其微孔孔形为圆形或异形，均由锥形导孔和直孔组成，异形孔采用推荐孔形或由用户确定；圆形微孔孔径为0.2 mm～0.5 mm，长丝喷丝板孔数为1～80，短丝喷丝板孔数为100～1260，大型短丝喷丝板孔数为2000以上，长径比为1.5∶1～2∶1。

2.2 溶液法纺丝喷丝板

溶液法纺丝是将纤维浆粕溶解在某种溶剂中，形成浓度适宜的纺丝溶液，再将溶液从喷丝微孔中挤出后进入凝固浴或热气体中，从而析出固体丝束，经拉伸、定型、洗涤、干燥等工艺过程得到成品纤维。根据纤维丝束凝固方式的不同，溶液法纺丝可分为湿法纺丝、干法纺丝及干湿法纺丝。3种溶液纺丝法所用喷丝头区别较大。

2.2.1 湿法纺丝喷丝头

湿法纺丝喷丝头的形状为帽形或瓦形，适用于纺粘胶、腈纶、维纶等纤维[3]。小帽形喷丝头孔数一般为1～50，大帽形喷丝头孔数为500～12 000，瓦形喷丝头的孔数为1000～60 000，孔径尺寸一般为0.05 mm～0.20 mm，长径比为1∶0.8～1∶1.3；喷丝头材质选用金铂合金、钽、不锈钢等。短丝喷丝头也可采用小帽形喷丝头组合压配在圆形或圆环形的不锈钢座板组件的方式。

纺制短丝喷丝头的喷丝面用肉眼观察在有孔区不允许有明显的麻点、伤痕、折痕和波浪形，无孔区允许有个别的缺陷；而纺长丝喷丝头的喷丝面不允许有缺陷。所以一般情况下，长丝喷丝头的成品验收标准高于短丝喷丝头。

2.2.2 干法纺丝喷丝头

干法纺丝与湿法纺丝的区别在于干法丝束凝固是通过热空气使溶剂快速挥发而逐渐固化，而不是在凝固浴中固化，干法一般用于纺制腈纶、氯纶、氨纶纤维等，其喷丝头材质选用不锈钢，孔径一般为0.07 mm～0.16 mm，孔数为300～12 000。

2.2.3 干湿法纺丝喷丝头

将干法纺丝与湿法纺丝结合起来的纺丝方法称为干湿法纺丝或干喷湿法纺丝。一般用于纺制腈纶、芳纶、聚苯并咪唑纤维，喷丝头材质选用不锈钢，其孔径尺寸及孔数根据用户要求的选择范围较大。Lyocell纤维纺丝采用此法。

3 Lyocell纤维喷丝板的制造

Lyocell纤维纺丝属溶液纺丝中的干湿法纺丝，选用的喷丝组件结构形式有圆环形组合或长矩形组合。喷丝组件及喷丝板主体采用1Cr17，2Cr13不锈钢，喷丝板上的微孔数为30 000～70 000，孔径为0.075 mm～0.095 mm，长径比为2∶1。

笔者主要研究圆环形Lyocell纤维喷丝板的制造方法。喷丝板组装在喷丝组件中使用，喷丝板有孔工作区域为φ497 mm～φ537 mm的环形区(如图1所示)，共排孔30圈，圈距为1.3 mm，排列约73 000个孔径为0.095 mm的微孔。微孔由锥形孔与直孔光滑连接，孔壁表面经特殊抛光处理、表面粗糙度Ra值较小，微孔间排列均匀规律、错落有致，且保证直孔长径比为2∶1。

图1 圆环形Lyocell纤维喷丝板结构

3.1 选材

喷丝板的材质一般要求耐腐蚀性好、机械加工性能好，同时要有足够的强度和硬度，以适应应用环境，保证微孔的加工粒度且使喷丝板在使用中不变形。Lyocell纤维纺丝原液和溶剂均无毒、无腐蚀性，喷丝组件选用耐轻腐蚀的1Cr17，2Cr13马氏体不锈钢板材，比0Cr17Ni12Mo2等奥氏体不锈钢板材切削加工性能优，且可进行热处理，高温冷却后有较高的硬度和耐磨性[4]。 Lyocell纤维圆环形喷丝板选用厚度为1.2 mm的1Cr17不锈钢板材，利于长径比较大的微孔加工。

3.2 制造

3.2.1 制坯

Lyocell纤维喷丝板为φ476 mm～φ556 mm的圆环形，截面形状如图2所示，其底平面为布孔区。

图2 Lyocell纤维喷丝板截面

先将600 mm×600 mm、厚度为1.2 mm的不锈钢板切割成圆环形后组装于冲压模具中，用70 t压力机冲压成型，放置6 h释放应力后将法兰边和环形工作表面整平，以保证有孔区域平整光滑、无划痕和毛刺。

3.2.2 冲孔

将坯料安装在自动冲孔夹具中，冲孔程序设定为由外至内逐圈按坐标信息冲孔，如：第2圈、第30孔，其坐标位置为x=-8.180 8，y=-8.439 0。在冲孔前应设定冲孔的数据中心与数控冲孔机的工作中心重合，机械误差尽量减小以保证微孔位置准确无误。

如图3所示，第1道冲孔采用锥形硬质合金冲针在环形布孔区冲制锥形盲孔，锥形盲孔与头道冲针锥形吻合。在冲制其他材质且微孔长径比较小的喷丝头时，一般采取头道冲孔一次成型，而Lyocell纤维喷丝板板材的厚度为1.2 mm，是其他喷丝头的3～4倍，冲针长度增大而直径较小，若采取1次冲孔即达到冲孔深度则冲针极易断裂。经反复对比试验后将程序改为单孔20次，每次冲孔深度为15个脉冲，这样冲针每次受到冲击力很小，从而减少了断针数。

1—喷丝板坯料；2—头道冲针。图3 第1道冲孔

将全部冲好头道锥孔的坯料砂光毛刺后，清洗吹干后再进行第2道冲孔，采用2道冲针在数控或手动2，3道冲孔机进行2道冲孔，将喷丝板的圆柱形孔部分冲制成型，如图4所示。圆柱形孔出现仍未到完工最终尺寸，还应进行第2次扩孔以保证各微孔的尺寸稳定一致，即第3道冲孔是将抛光清洗好的坯料用3道冲针数控或手动第2，第3道冲孔机进行第3道冲孔，达到完工要求的微孔尺寸，如图5所示。在第2和第3道冲孔中，冲针形状如图6所示，由圆锥部1、圆柱部和圆锥部2组成，圆柱孔有尺寸精度要求，以保证喷丝板的孔径尺寸及深度。第2，第3道冲针的各部分总长度大于喷丝板板材厚度，圆柱长度应为直径的2倍以上，才能有效保证2∶1的长径比。在喷丝板微孔加工中使用全自动数控磨针机加工的冲针，冲针各部位尺寸精准可靠、光滑过渡，比人工加工冲针的尺寸一致性好，从而有效地保证整个喷丝板孔型及尺寸一致性。

1—喷丝板坯料；2—2道冲针。图4 第2道冲孔

1—喷丝板坯料；2—3道冲针。图5 第3道冲孔

1—柄部；2—圆锥部1；3—圆柱部；4—测量位置；5—圆锥部2。图6 冲针结构

3.2.3 抛光及清洁

冲制了3道孔的喷丝板在平面抛光机上进行砂光和抛光处理，去除冲孔产生的孔口毛刺后，喷丝板出丝面的表面粗糙度Ra值应为0.05 μm；必要时再加入抛光膏，在布轮上多次抛光后再用特制抛光液进行抛亮处理。喷丝板的微孔孔道采用磨料流加工技术和超声波振动相结合的方式进行抛光和清洗，流体介质及其携带的磨料反复冲刷工件微孔孔壁以保证对微孔内壁表面的抛光要求[5]。内孔表面粗糙度Ra值应为0.1 μm，当纺丝原液流经喷丝微孔时的可纺性和成型稳定性较好，从而使成品丝的品质得到提升。经过反复抛光、清洗的Lyocell纤维喷丝板，无论是外观质量，还是各几何尺寸精度均能达到预期效果。

4 结语

我国近年来对Lyocell纤维的生产极为重视，其产量也逐年增长，但是高端纺丝设备及喷丝组件基本依靠进口，纺丝工艺也受技术制约、发展缓慢。尤其喷丝板作为化纤纺丝的关键器材，对纺丝原液的流体成纤能力具有决定性的作用，随着Lyocell纤维在化纤市场占有率的提高，对喷丝板微孔加工技术的创新要求也越来越高。通过了解国内外Lyocell纤维纺丝设备、纺丝工艺方法的技术现状，结合国内Lyocell纤维生产线实际以及用户需求，对纺丝设备及组件的制造技术进行理论分析、深入研究以解决行业难题。通过加工技术改进和工艺创新提高喷丝板的微孔制造精度，使Lyocell纤维喷丝板从微孔质量到出丝面的表面质量得到大的提高，从而提高Lyocell纤维纺丝的丝束质量。

Lyocell纤维喷丝板制造工艺的微孔单孔多次冲挤法冲孔，能保证微孔的圆柱孔长径比，有效减少断针数，采用数控冲孔减小了传统手工冲孔的人工误差、提高了加工效率。在整个冲制过程中优化了数控冲孔机各项参数，使喷丝板产品整体质量水平达到预期效果。Lyocell纤维喷丝板的研发及试制、投产，对中国纺织领域绿色环保纤维素纤维的推广应用具有重大意义。