熔体直纺细旦涤纶全拉伸丝22 dtex/48 f工艺的探讨

王雨生

（江苏德力化纤有限公司，江苏 宿迁 223800）

1 试验方法及工艺流程

1.1 原料

德力化纤涤纶树脂（Polyethylene Terephthalate，PET）半消光熔体，主要指标：特性黏度为0.678 dL/g、熔点为260.0 ℃、端羧基浓度小于30 mol/t、凝集粒子（直径不小于10 μm）小于0.4个/mg、二氧化钛质量分数为0.32%、二甘醇质量分数为1.32%。

1.2 主要生产设备和仪器

聚合装置：五釜反应聚合装置；纺丝箱体：日本进口TMT公司纺丝箱体；卷绕设备：日本进口TMT公司双胞胎全自动卷绕机；检测仪器：瑞士Uster公司TESTER5型条干仪；中纺集团全自动单纱强力机；PR45C电脑染色机。

1.3 生产工艺流程

PET熔体→熔体过滤器→熔体增压泵→熔体输送管道→热交换器→静态混合器→纺丝箱体（TMT装置）→计量泵（德国马尔）→数字输入/输出（Digital In and Out，DIO）组件（TMT装置）→环吹风冷却（TMT装置）→集束上油（TMT装置）→预网络器→GR1热辊→GR2热辊→主网络器→卷绕成型（TMT）→检验→包装出厂。

1.4 主要工艺参数及质量指标

工艺条件：熔体输送温度284.5～285.5 ℃；纺丝温度289.5～290.1 ℃；底部加热器温度308.0～313.0 ℃；GR1速度2 038 m/min，温度85.0 ℃；GR2速度3 895 m/min，温度118.0 ℃；卷绕速度3 800 m/min；油嘴高度850.00 mm；环吹风压力40 Pa；组件压力145.00～150.00 bar（1 bar=100 kPa）。主要物性指标如表1所示。

表1 主要物性指标

2 实验结果及分析

2.1 熔体质量的控制

涤纶全拉伸丝（Fully Drawn Yarn，FDY）22 dtex/48 f的单丝纤度是0.46 dtex、直径约为7 μm，比常规涤纶丝单根直径小很多，所以细旦丝的生产对熔体质量的要求极高。第一，要求PET熔体中凝聚粒子、灰分等杂质的含量尽可能低，且杂质颗粒的直径不能大于单丝直径，否则纺织过程中会严重断头。本研究在预过滤器和终过滤器处加装过滤精度更高的过滤装置，以确保熔体质量达标；第二，要求PET熔体均匀性好，高分子聚合物相对分子质量正态分布要集中、均匀，且熔体从聚合装置输送到纺丝箱体后黏度下降幅度要尽可能小，采用偏细的熔体输送管道加快熔体输送速度，同时在保证熔体流动性的前提下尽量降低输送管道温度，有效减少了熔体输送时间长、温度高造成的熔体降解。在生产中，换热器后的熔体输送温度控制在284.0～286.0 ℃为宜，这样能保证熔体在输送过程中的降解很少，最终无油丝黏度降在0.011 dL/g左右，能达到生产细旦丝的要求。

2.2 纺丝箱体温度

纺丝箱体温度即纺丝温度，纺丝温度的选择对生产状况和产品质量的把控至关重要。采用较高的纺丝温度可以降低熔体的黏性，使熔体的流动性和均匀性变好，有利于改善熔体从喷丝孔挤出的膨化效应。但是纺丝温度也不是越高越好，如果纺丝温度太高，可能会增大熔体降解的程度，导致熔体均匀性变差，在纺丝过程中造成粘孔、弯头丝增多、飘丝增加，严重时可能会导致无法纺丝；如果纺丝温度偏低，也会造成熔体从喷丝孔挤出不畅，产生柱头丝、膨化效应、纤维破裂等，影响生产。22 dtex/48 f产品本身熔体流量很小，熔体带来的热量也相对较少，很难保持喷丝板板面的温度，所以要选择比常规品种高得多的纺丝温度。通过调整不同纺丝温度观察纺况发现，如果纺丝温度低于288.0 ℃，个别喷丝孔会出现柱头丝现象；当温度高于292.0 ℃时，飘丝现象明显增多。综合考虑以上因素，22 dtex/48 f细旦涤纶丝的纺丝温度控制在289.0～291.0 ℃为宜，生产稳定，满卷率在98.00%以上。

2.3 缓冷区高度和缓冷器温度

2.3.1 缓冷区高度

缓冷区是指熔体从喷丝板出来到开始冷却时的距离，也称无风区。在较高的纺丝温度下，喷丝板板面温度高，选用较短的无风区，熔体挤出后容易被迅速冷却，不利于纺丝拉伸，容易造成拉伸毛丝和断头；选用较长的无风区可以使熔体细流缓慢冷却，但是太长的无风区会使板面温度升高，导致初生纤维拉伸不足，取向低，不利于后拉伸工艺，同时过高的板面温度也会引起弯头和飘丝，影响生产和保板时间。22 dtex/48 f产品单丝细，比表面积大，易冷却，采用较长的缓冷区有利于板面保温，降低了外界气流的影响。通过选用几组不同长度的无风区进行实验，发现选择75.00 mm无风区比较合适。

2.3.2 缓冷器温度

缓冷器是装在喷丝板周围的一个辅助加热装置，其主要作用是在不改变其他工艺设备的前提下提高或保持喷丝板板面温度，改善细旦丝纺丝状况，所以加装缓冷器和设置合适的缓冷器温度是生产细旦丝的关键。

在熔体冷却和拉伸过程中，随着熔体细流温度的下降，拉伸黏度增加，导致流变阻力增加；同时，拉伸应力的增加导致纤维取向形成，特别对于细旦纤维，在纤维成型初期，由于其比表面积大，温度梯度和速度梯度大，导致其拉伸黏度和流变阻力快速增加，纤维的取向程度高，在后牵伸过程中会产生毛丝和染色不匀等问题[1]。因此，生产细旦纤维时，缓冷器温度要控制在较高范围内，但缓冷器温度过高会导致喷丝板面过热，使喷丝孔出口熔体流动黏度过低，出现漫流和液滴化现象，增加纺丝过程中的柱头、断丝和飘丝现象。生产细旦涤纶FDY 22 dtex/48 f产品时，本研究通过设定不同的缓冷器温度进行实验比较，发现缓冷器温度低于305.0 ℃时，产品染色偏浅，毛丝和断丝较多；当缓冷器温度高于315.0 ℃时，染色偏深，纤维伸长大，强度低，飘丝和断丝较多。通过实验比较发现，生产细旦涤纶FDY 22 dtex/48 f产品时，缓冷器温度设定在308.0～313.0 ℃比较合适，生产稳定，染色均匀。

2.4 纺丝组件

喷丝板作为纺丝组件的核心部位，其设计好坏是多孔细旦纤维能否正常生产的关键因素。在设计喷丝板时，除了材质和加工精度等硬性条件外，最重要的影响因素是长径比（喷丝孔的深度和直径之比）以及喷丝孔的排列方式。在选择长径比时，要考虑熔体挤出时的剪切速率和膨化效应的影响，同时要考虑实际生产中喷丝孔的清洗难度。若喷丝孔太大，熔体剪切速率偏小，影响喷丝头拉伸，造成纺丝困难；喷丝孔越小，清洗难度成倍增加，批量生产难度增大。综合考虑，生产细旦涤纶FDY 22 dtex/48 f产品时，选择喷丝板孔径为0.14 mm、孔深为0.50 mm，喷丝孔围绕板中心呈圆形分布，剪切速率在9 000 s-1左右，组件初始压力选择145.00 bar比较合适。

2.5 冷却和集束上油

本工艺生产22 dtex/48 f FDY采用外环吹风冷却方式，冷却风工艺的选择对产品的质量影响很大。由于22 dtex/48 f FDY单丝细、比表面积较大，初生纤维非常容易冷却，纺丝时单丝表面和内层容易因冷却速率不同形成芯层结构，导致丝内外不匀等质量问题。因此，冷却风工艺和集束上油位置的选择至关重要。实验时通过对不同冷却工艺和集束位置进行匹配组合，选择最佳工艺条件。表2统计了冷却风压和集束上油高度对产品条干的影响，根据实验结果，选择冷却风压40 Pa、集束上油高度850.00 mm时，所得产品条干均匀性最好。

表2 冷却风压和集束上油高度对产品条干的影响

2.6 牵伸工艺的确定

涤纶FDY在生产过程中要通过一定的牵伸工艺对初生纤维进行拉伸才能获得最终产品，该过程的拉伸属于均匀热拉伸。纤维的牵伸工艺包括牵伸温度（即一热箱温度）和拉伸倍数。纤维的拉伸必须要在其玻璃化温度69.0 ℃以上才能进行，在玻璃化温度以下，纤维中的分子链尚处于一种冻结状态，活性不足，若在此温度下拉伸，会造成纤维冷拉伸，拉伸张力大，导致拉伸不均匀，纤维拉伤，毛丝、断头增多；随着一辊温度的提高，纤维中大分子链和链段的活性逐渐增强，在热辊的牵伸张力作用下，更容易沿着牵伸方向选择排列，产生取向结晶，使纤维的力学性能变好。但是，牵伸温度也不是越高越好，若GR1温度过高，分子链活动能力太强，大分子取向度反而降低，导致拉伸不匀[2]。

纤维的拉伸倍数是第二热辊速度与第一热辊速度的比值，拉伸倍数对纤维拉伸张力T2和伸长率的影响较为明显。拉伸倍数的选择对生产稳定性、产品品质的把控至关重要。若拉伸倍数太大，拉伸张力T2偏高，容易将纤维拉伤，产生毛丝和断头；若拉伸倍数太小，拉伸张力不足，丝条抖动，会引起拉伸不匀，影响染色均匀性，且伸长率会很大，不利于后道使用。生产22 dtex/48 f FDY时，通过在不同牵伸温度下匹配不同拉伸倍数进行实验发现，当一热辊温度低于80.0 ℃时，产品毛丝明显增多，染色出现条纹等不匀现象；随着温度逐渐升高，毛丝逐渐减少，染色变得均匀；当温度升至90.0 ℃以上时，丝条在第一热辊上剧烈抖动，断头增加，染色出现深浅色，所以第一热辊温度选择80.0～90.0 ℃为宜。选择第一热辊温度85.0 ℃时，调整不同牵伸倍数发现，当牵伸倍数大于2.0时，毛丝明显增多，伸长率不足28.00%；当牵伸倍数小于1.8时，毛丝减少，但丝条抖动幅度大，伸长率大于32.00%，且强度较低，所以牵伸倍数也不宜过小。通过实验，最终选择牵伸温度85.0 ℃、拉伸倍数1.9，生产较为稳定，毛丝较少，染色均匀。

2.7 定型温度的确定

定型温度即第二热辊温度，其主要作用是消除经过牵伸工艺拉伸纤维的内应力，使纤维的结构更加稳定。第二热辊的温度越高，纤维的沸水收缩率越小，尺寸越稳定，但是温度太高会导致丝条在第二热辊上剧烈抖动，造成跳丝、缠辊断头，影响生产；如果第二热辊温度太低，沸水收缩率会很大，纤维尺寸不稳定，不能满足后道客户使用要求。经过实验确定，第二热辊温度选择118.0～124.0 ℃比较合适，生产稳定，沸水收缩率在7.50%左右，达到客户使用要求。

2.8 预网络、主网络压力的控制

生产FDY时，初生纤维在拉伸前会设置一道预网络器，主要目的是将纤维上的油剂吹散，使其均匀分布，以保证牵伸过程稳定。在实际生产22 dtex/48 f FDY时，预网络压力控制在0.50～0.65 bar，能满足生产的需要。

纤维在离开GR2热箱后进入主网络器，增加了丝条的集束性和抱合性，使丝束在整经织造过程中不易断头、产生毛丝，有利于后道使用时退绕。使用Heberlein112型网络喷嘴生产22 dtex/48 f FDY，选择主网络压力2.80～3.00 bar，网络度超过20个/m，且牢度较好。

3 结论

（1）生产多孔细旦FDY时，均匀洁净的熔体是生产的关键，选用合适的输送工艺可以减少熔体降解，控制聚合到纺丝的熔体黏度。

（2）较高的纺丝温度提升了熔体流动性，有利于细旦丝生产。

（3）适当提高无风区高度及缓冷器温度，可以改善细旦丝的生产和物性质量指标。

（4）合理的组件工艺是22 dtex/48 f FDY正常纺丝的关键；组件初始压力控制在145.00 bar左右为宜。

（5）合适的环吹风和集束上油条件有利于改善条干和伸长率均匀性。

（6）合适的牵伸定型工艺可以有效控制产品的质量和物性指标。

（7）在生产中，预网络压力选择0.50～0.65 bar、主网络压力选择2.80～3.00 bar，可以满足生产需求。