張明成 孟憲博

北京中麗制機(jī)工程技術(shù)有限公司 北京 100025

1 前言

由于技術(shù)及投資門檻較高，尼龍66呈現(xiàn)寡頭壟斷的市場格局，行業(yè)集中度較高。行業(yè)前三強(qiáng)——英威達(dá)、羅地亞、首諾公司占據(jù)著全球壟斷地位。發(fā)達(dá)國家在專注于高附加值產(chǎn)品的同時，將利潤薄弱的紡織長絲和工業(yè)長絲的應(yīng)用生產(chǎn)逐漸剝離，并轉(zhuǎn)向發(fā)展中國家。杜邦公司尼龍66生產(chǎn)技術(shù)全球領(lǐng)先，其開發(fā)且已量產(chǎn)的軍服用尼龍66纖維斷裂強(qiáng)度高，毛絲少。在世界新科技革命推動下，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展越來越依賴自主創(chuàng)新。為了打破技術(shù)壁壘，增加我國尼龍66產(chǎn)品的科技含量，提高其附加值，北京中麗制機(jī)工程技術(shù)有限公司從模仿追蹤、重點(diǎn)突破到自主創(chuàng)新，一直在不斷推動國內(nèi)化纖領(lǐng)域的科技進(jìn)步，引領(lǐng)行業(yè)轉(zhuǎn)型升級。

2 設(shè)備參數(shù)

見表1。

3 設(shè)備特點(diǎn)

3.1 螺桿擠壓機(jī)

在熔融法紡絲中，螺桿擠壓機(jī)的紡絲工藝參數(shù)直接影響纖維的質(zhì)量、原料切片的消耗以及纖維的后加工性能。經(jīng)過增粘的切片帶有一定結(jié)晶度，固體切片顆粒在擠壓機(jī)進(jìn)料段被螺套逐漸加熱，固體顆粒表面開始熔化，被推進(jìn)的切片在壓縮段進(jìn)一步熔化，原來具有空隙的固體顆粒由于通道變窄逐漸被壓緊，切片顆粒在壓縮段全部被熔融，混在熔體內(nèi)的氣泡向后方溢出，熔體建立起壓力，隨著擠壓機(jī)的轉(zhuǎn)動熔體被推入計量段，進(jìn)入計量段的熔體壓力越來越大，熔體壓力在擠出頭處達(dá)到最大。

由于螺桿的進(jìn)料段與擠出頭處熔體存在壓力差，便產(chǎn)生熔體沿著螺槽的逆向流動， 由于逆向流動的傾向，抵消了一部分正流量，使螺桿的擠出量減少[1]。雙螺紋擠壓機(jī)熔體逆向流動小，螺桿產(chǎn)量增大，并且熔體熔融均勻，機(jī)頭壓力波動小。

固體切片顆粒在擠壓機(jī)進(jìn)口處要一直充滿進(jìn)料段螺紋，否則會因進(jìn)料不足，造成擠出頭壓力波動，甚至瞬間斷料的現(xiàn)象，因此擠壓機(jī)進(jìn)料斗應(yīng)設(shè)計成天圓地方的形式，不可以圓管直接連接。（見圖1）

3.2 紡絲箱

尼龍66的分子呈立體對稱結(jié)構(gòu)，分子之間形成氫鍵和取得結(jié)晶的能力較強(qiáng)，容易熱降解和三維結(jié)構(gòu)化。發(fā)生熱分解時，首先表現(xiàn)為主鏈開裂引起分子量、熔體粘度降低；進(jìn)一步降解時，由三維結(jié)構(gòu)化引起熔體粘度上升而最終變成凝膠成為不熔物，會使熔體管路堵塞，因此熔體管路和紡絲箱要拆卸方便[2]。本設(shè)備的箱體由上下兩個部分組成，上紡絲箱可以與下紡絲箱拆開，進(jìn)行獨(dú)立煅燒，由于其體積小，煅燒容易，煅燒后重新裝上就可以使用；下紡絲箱不需要再從廠房中卸下，大大縮短了工程量，提高了工程進(jìn)度。（見圖2）

3.3 熔體管路

本裝置各級熔體管路的剪切速率相近，熔體在管道等溫輸送，熔體粘度均勻，纖維可紡性好，產(chǎn)品質(zhì)量得到保證。（見圖3）

3.4 熱媒系統(tǒng)

尼龍66可紡溫度較窄，對于熱媒供熱系統(tǒng)要求較高，本裝置采用全并聯(lián)方式，既每個腔體完全并聯(lián)——進(jìn)氣、回液和排氣管道全并聯(lián)連接，回液管帶液封。當(dāng)某一個被加熱的腔體散熱量增大時，根據(jù)等溫相變原理，該腔體的熱媒就會由氣相變?yōu)橐合啵w積縮小。由于回液管被液封封住，氣相熱媒只能從進(jìn)氣管被吸入，而液相熱媒由于比重大便流入液封管中。本裝置熱媒循環(huán)速度快，系統(tǒng)溫差小[3]。（見圖4）

表1 主要設(shè)備參數(shù)

圖1 螺桿擠壓機(jī)

圖2 紡絲箱

圖3 熔體管路

圖4 熱媒系統(tǒng)

3.5 側(cè)吹風(fēng)

在111dtex/96f尼龍66 FDY紡絲過程中，尼龍66熔體由噴絲孔噴出進(jìn)入側(cè)吹風(fēng)裝置冷卻，由于單絲較細(xì)（1dpf），在側(cè)吹風(fēng)上部加導(dǎo)流板強(qiáng)制風(fēng)向與纖維相互垂直，冷卻風(fēng)均勻穿透絲束，保證內(nèi)外纖維凝固點(diǎn)在同一高度，這樣才能得到具有良好拉伸性能的未拉伸絲。否則纖細(xì)的纖維會擺動，凝固點(diǎn)漂移，造成纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生差異，可牽性下降，毛絲、斷頭增加，廢絲率升高。（見圖5）

3.6 上油裝置

在尼龍66生產(chǎn)中，纖維的上油均勻性直接影響其品質(zhì)。采用油輪上油方式時，絲束與油輪之間的包角直接影響纖維的上油率，包角大，纖維上油率就高，反之則低。纖維與油輪的包角是通過分絲棒來調(diào)節(jié)的，當(dāng)分絲棒與油輪平行度降低時，絲束與油輪的包角就會變得各不相同，由于包角的差異，會造成上油率的差異，上油率的差異會導(dǎo)致纖維與牽伸輥的摩擦力發(fā)生變化，造成纖維品質(zhì)的差異[4]。分絲棒只在一端固定，分絲棒與油輪之間的平行度很難保證，即使調(diào)整平行也會經(jīng)常反生變化，使得纖維上油均勻性很難控制。本裝置導(dǎo)絲棒兩端都有固定架，按生產(chǎn)要求調(diào)整結(jié)束后，根據(jù)兩點(diǎn)定線原理，在實際生產(chǎn)中不會再反生變化，這樣就保證了纖維上油的一致性[3]，從而提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。（見圖6）

圖5 側(cè)吹風(fēng)

圖6 上油裝置

圖7 紡牽聯(lián)合機(jī)

3.7 紡牽聯(lián)合機(jī)

牽伸裝置由喂入輥+分絲輥，三對牽伸輥和一個導(dǎo)絲盤組成。喂入輥和第一對牽伸輥輥之間有1.05倍的速度差對纖維起張緊作用；第一熱輥作用是將纖維加熱到玻璃化溫度，由于尼龍66纖維上油后，水分子進(jìn)入其分子內(nèi)部，纖維的玻璃化溫度降到常溫，因此第一牽伸輥為冷輥；纖維在第一牽伸輥和第二牽伸輥之間進(jìn)行第一次拉伸，其目的是使纖維沿著拉伸方向定向排列，隨著纖維取向度的提高，其玻璃化溫度也會相應(yīng)升高，第二熱輥再將取向后的纖維加熱到對應(yīng)的玻璃化溫度，第二牽伸輥的溫度不宜過高，否則纖維的結(jié)晶度提高，不利于進(jìn)一步拉伸；纖維在第二熱輥和第三熱輥之間再拉伸，隨著取向度的提高，纖維的張力變大，高度取向后的纖維在溫度和張力的共同作用下，在第三熱輥上迅速結(jié)晶定型。纖維的張力越大，溫度越高，結(jié)晶速度越快[5]。導(dǎo)絲盤的作用是穩(wěn)定第三熱輥的纖維退繞張力，還使得絲束在導(dǎo)絲盤上分開的距離加大，解決并絲問題。（見圖7）

3.8 噴絲板微孔設(shè)計

噴絲板微孔的尺寸對尼龍66的可紡性有很大影響，它同紡絲溫度、紡絲速度、熔體粘度和纖度有關(guān)，通過實驗得知高粘尼龍66熔體噴絲孔剪切速率在5000 s-1左右，其壓力降在90bar左右時，纖維可紡性較好，噴絲板微孔的設(shè)計參數(shù)采用 Miller提出的異形噴絲板出口剪切的計算公式（1）[6]計算噴絲板微孔的剪切速率。（見表2）

式中： A為噴絲孔截面積；D_h為噴絲孔水力直徑；A為形狀因子；Q為泵供量。

3.9 牽伸輥表面粗糙度

牽伸張力一定時，形變的開始和結(jié)束由纖維與熱輥的摩擦系數(shù)決定，通過改變熱輥的表面粗糙度來改變形變時間，形變過程中分子鏈的運(yùn)動是應(yīng)力、溫度和應(yīng)變速率的函數(shù)，在較高張力下適當(dāng)延長取向時間將增加分子鏈粘性形變，降低彈性回復(fù)有利于取向，從而增強(qiáng)拉伸效果[7]。牽伸輥的粗糙度要與紡絲品種需要匹配，否則將會引起斷絲增加。研究不同粗糙度的牽伸輥的適紡性，通過德國Enka在線毛羽探測儀來統(tǒng)計毛羽數(shù)量，得知Ra值為1.2μm和1.8μm的細(xì)面牽伸輥對于紡制111dtex/96f的尼龍66較合適，紡絲過程中產(chǎn)生的毛絲較少。

4 生產(chǎn)工藝

4.1 原料

尼龍66切片：英威達(dá)（invista）生產(chǎn)，切片特性粘度2.5；紡絲油劑：松本（Matsumoto）N627（乳液型）。

4.2 生產(chǎn)流程

尼龍66切片（特性粘度2.5）→開袋→篩選→干燥→干切片料倉（含水率300μg/ g～500μg/ g；加入熱穩(wěn)定劑）→氮?dú)獗Ｗo(hù)→雙螺紋擠壓機(jī)→熔體分配→靜態(tài)混合器→計量泵→噴絲頭→緩冷器→蒸汽保護(hù)→單體抽吸→側(cè)吹風(fēng)→甬道→油輪上油→預(yù)網(wǎng)絡(luò)→喂入輥→第一牽伸輥→第二牽伸輥→第三牽伸輥→導(dǎo)絲盤→網(wǎng)絡(luò)器→卷繞機(jī)。

4.3 主要工藝參數(shù)

見表3。

4.4 物理指標(biāo)

見表4。

5 結(jié)束語

本裝置成功紡制了10頭111dtex/96f尼龍66強(qiáng)力絲，設(shè)備運(yùn)行可靠，工藝軟件合理，設(shè)計先進(jìn)，生產(chǎn)效率高，能耗小，填補(bǔ)了國內(nèi)空白，產(chǎn)品可以滿足用戶的需要并取代了進(jìn)口產(chǎn)品。

表2 噴絲板微孔的設(shè)計

表3 主要工藝參數(shù)

表4 卷繞絲性能指標(biāo)

[1]何仁文.螺桿擠壓機(jī)的紡絲工藝參數(shù)[J].北京化工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),1976,(3):48-62.

[2]張明成.錦綸66細(xì)旦工業(yè)絲高速紡設(shè)備的研制及相關(guān)工藝[J].合成纖維,2015,44(12):10-13.

[3]陳立軍，張明成.一種用于紡絲的熱媒循環(huán)供熱系統(tǒng)[P].中國專利：CN20317615.1,2010.

[4]張明成,姜軍,陳立軍等.將每根絲束分解開的分絲部件和上油裝置[P].中國專利:CN10144397.7,2015.

[5]張明成,陳立軍,姜軍.拉絲裝置及滌綸、錦綸6通用型分纖母絲紡絲系統(tǒng)[P].中國專利:CN105063777A,2015.

[6]Miller C. Predicting Non-Newtonian Flow Behavior in Ducts of Unusual Cross Section[J]. Industrial& Engineering Chemistry Fundamenta ls,2002,11(4):524-528.

[7]鄭淑昀,陳妍麗,郝麗君.高性能尼龍66縫紉線絲生產(chǎn)工藝研究[J].中國科技信息,2005,2(19A):32.