合成纤维熔纺柔性化技术的开发与应用

1、    合成纤维熔纺柔性化技术的开发与应用    于辛+周杰+黄庆+崔华帅+李杰+吴鹏飞+史贤宁+崔宁摘要：文章分析了现阶段我国化纤行业柔性化技术的开发与应用现状，介绍了熔纺柔性技术在几类主要合成纤维的纺丝工艺中的应用，包括装置的特征、技术特点和应用效果等，最后探讨了化纤工艺与柔性化技术今后的发展趋势。关键词：合成纤维；柔性化技术；在线添加；差别化纤维中图分类号：tq340.64 文献标志码：adevelopment and application of flexible melt-spinning technologies for synthetic

2、fibersabstract： the article first analyzed the situation of the development and application of flexible technologies in chinas chemical fiber industry at the present stage， then introduced the application of flexible melt-spinning technologies in the spinning process of several typical synthetic fib

3、ers， including the characteristics of equipment， technical features and application effects， and finally discussed the developing trends of chemical fiber process and flexible technologies.key words： synthetic fiber； flexible technology； online adding； differential fiber近年来我国化纤行业生产规模进一步扩大，2015年产量为4

4、831万t，约占全球化纤总产量的70.0%。化纤产业的发展呈现出差别化率和产业集中度不断提高的特点。据统计，2015年我国化纤差别化率达到58%，比2010年提高12个百分点；生产规模在20万t/a以上的化纤企业达到59家，其产能占全行业总产能的66.9%，比2010年提高17.9个百分点。近年来，我国纤维生产技术的发展以大容量、高品质、低物耗能耗、单位产能成本低为主要特征。具有自主知识产权的40万t/a差别化聚酯长丝成套装备技术、200 t/d大容量聚酰胺6聚合及纺丝装备技术、20万t/a熔体直纺涤纶工业丝装备技术、万吨级国产化聚对苯二甲酸丁二醇酯（pbt）连续聚合装置等取得突破并在行业中获

5、得应用，这些大规模、低成本的纤维生产技术使我国化纤产业在国际竞争中占有一定优势。差别化、柔性化、多样化等仍是化纤生产技术发展的主攻方向之一，一批新技术在国内的主要生产企业得到了应用。与此同时，差别化、功能化纤维柔性加工技术及其产品也在不断开发，使化纤品种更加丰富，品质和附加值持续提高。细旦和超细旦、异形、高导湿等新一代聚酯仿棉及仿真纤维，易染纤维、免染纤维、聚对苯二甲酸丙二酯（ptt）纤维、复合纤维等差别化纤维迅速发展，已经占化纤总产量的30%。1 合成纤维熔融纺丝柔性化技术所谓的纤维柔性化纺丝技术是指在同一纤维纺丝设备上，采用或更换不同的功能模块或装置，生产不同品种、不同功能的差别化纤维的技

6、术。以下介绍国内企业主要应用的熔融纺丝柔性化差别化纤维生产技术。1.1 熔体直纺在线添加共混纺丝技术近年来，由于市场竞争和化纤装备加工能力和技术水平的整體进步，国内许多大型化纤企业可以通过在熔体直接纺丝管道上局部改造，增加熔体在线添加装置进行柔性化改造，实现了连续式、高品质、差别化聚酯产品的生产，部分解决了大型连续聚合装置难以完成多品种聚酯产品生产的问题。采用熔体直纺在线添加技术生产差别化聚酯产品具有较好的市场竞争力，能够发挥熔体直纺大容量纺丝生产稳定性好的特点，同时可以用较低的成本来生产差别化纤维，国内主要有动态和静态混合器两种在线添加技术以及二者技术的结合。1.1.1 动态混合器的在线添加

7、技术动态混合器的熔体直纺在线添加技术主要在直纺熔体管道上借助功能组分注射装置与不同结构的动态混合器进行熔体的混合。混合器主要有行星齿轮式动态混合器、动静齿圈式动态混合器、月牙槽型动态混合器和球穴式动态混合器等不同形式。动态混合器通过对熔体进行剪切、分流、剥离配位、挤压、捏合等综合作用，使熔体与功能组分混合均匀。（1）球穴型动态混合器球穴型动态混合器的结构如图 1 所示，动态混合器混合元件是相对运动的，对熔体的混合程度与混合元件阶数成指数关系，混合质量大大提高，国际及国内有关单位均对动态混合原理及装置进行了研究，应用于化纤行业的高粘流体混合的球穴型动态高效混合器，不但对流体具有很强的剪切作用，而

8、且有分流、剥离配位、挤压捏合等综合作用。中国纺织科学研究院针对基于强化分散混合机理的在线添加技术，利用计算机模拟、冷态模型实验等手段，研究了动态混合器结构参数和工艺参数对分散混合的影响规律，开发出在线添加单元与原系统的精确计量及压力连算技术，保证熔体直纺系统压力平稳，开发出熔体直纺功能性聚酯纤维成套技术，在大容量直纺装置上实现了产业化应用。如在20万t/a熔体直纺装置的2 000 t/a纺丝侧线和2.5万t/a熔体直纺短纤维装置上制备出特性粘数波动小于0. 005 dl/g的抗紫外聚酯长丝和荧光增白聚酯短纤维。图 2 和图 3 为聚酯长丝和短纤维应用动态混合器的工艺流程图。 （2）巴马格3dd

9、动态混合器oerlikon barmag（欧瑞康巴马格）公司的3dd混料机的设计原理是将不同的混合部件一体化，包括配备 3dd混料头的单螺杆挤出机、promix-ac（泵）和3dd自驱动混料机（sd）等部件。3dd混料头在螺杆直径为30 200 mm的巴马格单螺杆挤出机中作为扩展组件使用（图 4），母粒加入到附带的螺杆挤出机中，使用计量系统加入主螺杆或动态混合器中，基体熔体和添加的母粒熔体在输送螺槽内初步混合后进入球穴型动态混合器进行高效搅拌混合，混合头表面开着多排沿圆周均匀分布的凹穴槽，螺套上相对应的重叠多个凹穴，其上也开有均匀分布的凹穴槽，混合器螺杆混合头芯轴上和螺套圆周上分布的凹穴槽是相

10、互错开的，在混合时基体熔体和添加的母粒熔体在沿凹槽轴向流动时，还产生沿半径方向的流动，在螺杆混合头转动的作用下，熔体从一个凹槽中流出的瞬间，被剥离到另一个凹槽中，混合头和混合套上相对应的球窝之间，总是处于不断的开合状态，其相互接通的面积也是不断变化的，通过螺杆的转动实现熔体高频率分流、剪切、剥离，使得熔体高效剪切、匀化混合。该公司的动态混合器已在我国福建百宏集团有限公司等企业得以应用。（3）其它类型的动态混合器国内还有许多设备厂商开发了多种类型的动态混合器，主要有行星齿轮式、动静齿圈式及月牙槽型和球穴式动混器的改型，如郑州沃华的vdm系列在线动态混合器，其结构示意图如图 5 所示。这些动态混合

11、器在国内应用比较广，多数大型熔体直纺和螺杆纺丝企业均采用了这些设备对熔体直纺装置进行柔性化技术改造。1.1.2 静态混合器的熔体添加技术静态混合器的熔体直纺在线添加技术主要借助于静态混合器进行流体的混合。该混合器结构简单，无传动元件，对高聚物熔体的混合质量较高，但其剪切能力较弱，且不易调节。该技术首先由江苏霞客环保股份有限公司实现了熔体直纺短纤维的在线添加技术改造，现已广泛应用于采用熔纺纤维螺杆纺丝的工艺。总之，在线添加技术已成为熔体直纺企业技术改造的主要方向之一，但此项技术在国内规模化生产刚刚起步，各种类型混合器技术都能得到企业的应用，在当前产品的品质上并无明显差异，但随着纺丝加工技术的进展

12、，生产纤维线密度的不断减小，功能组分含量的不断增加，混合器的类型与应用会更加细分，混合器的结构、加工技术水平、工程设计和安装的技术等技术和装备的细节也应会越来越明显地影响在线添加的纤维产品的品质。1.2 母粒添加技术母粒添加技术主要应用在合成纤维螺杆纺丝工艺上，在有色化纤和功能改性纤维的生产中得到广泛应用，国内大多数螺杆纺丝装置都具有母粒改性添加的装置，因其工艺操作简便，设备改造易行，在熔融纺丝生产中最为普遍，也取得了明显的经济效益。但采用母粒法生产差别化纤维会受许多因素的影响，如母粒的热稳定性、在基体中的分散性、母粒的加入方式以及纺丝设备本身的结构特性，如螺杆的长径比，是否具有混炼销钉结构、

13、静态混合器，色母粒的添加方法以及色母粒注射装置的结构和性能，对纤维混合均匀性也有重要影响。这些因素容易影响产品品质，对整个生产过程的管理也相应地提出了更高的要求。1.3 纤维多头纺丝技术“多头纺”技术也是化纤行业多年在开发的一种高效纺丝技术，主要应用于纺制75 d及以下的细旦长丝，在纺丝位距和每位的组件数量有限的条件下，尽可能通过在一块喷丝板上分出两束或更多束纤维，以最大限度地提高设备的单位产能。该技术从最初的由单组分粗旦纺丝机喷丝板一分为二的分区改造，发展到目前采用的“双通道”组件实现高品质细旦丝生产，克服了喷丝板一分为二的分区纺丝出现的纤度与条干不匀的缺点，成为单组分和雙组分纤维柔性化技术

14、的重要手段。在多头纺纺丝工艺中采用“双通道”纺丝组件，其组件结构如图 6 所示。一般卷绕机采用双胞胎卷绕头，采用该技术相继开发出20、24和32头等多条纺丝技术。同时采用双通道组件可以很方便地将一个组件的两束纤维进行合股，从而可以纺制高品质粗旦纤维，兼顾细旦丝和粗旦丝的生产。采用该装置后相同细旦丝产量下生产线的设备投资可大幅节约，单位产量的能耗与占地面积降低，具有较好的经济性。1.4 复合纺丝技术复合纤维是在纺丝时将两种或两种以上聚合物组分结合在一根纤维内，具体为将两种或两种以上的成纤高聚物熔体分别输入同一个组件，在组件中的特定部位汇合，最后经同一喷丝孔喷出而成为一根纤维，这样在一根无限长的纤

15、维上就同时存在两种或两种以上的聚合物。复合纤维最显著的一个特点就是可以根据纤维的最终用途，特别是某些专门用途，选择各种不同性能的聚合物来设计纤维，以满足人们的各种应用需求。例如，为了使织物具有优良的膨松性、丰满的手感、高伸缩率以及优越的覆盖性等，人们可以选择两种具有不同收缩性能的聚合物，纺制成并列型或偏心皮芯型复合纤维，用该种纤维织制成的产品具有某些特定性能。复合纺丝技术是目前最为灵活的柔性化纺丝技术。典型复合纤维长丝的工艺流程如图 7 所示。复合纤维纺丝是目前柔性化范围最为广泛的技术，可以生产的纤维品种从聚合物种类的组合变化到纤维截面的变化，种类繁多。复合纤维按其截面形状可分为并列型、皮芯型

16、、裂片型、海岛和共纺型。复合截面形状不同赋予纤维的性能也有差异。组件是复合纤维纺丝的关键部件，国内已形成系列化产品。一般复合纺的组件结构具有对称分布的两组分熔体砂腔，组件具有方便地互换复合纤维截面上两种组分位置的性能，可适用于多种熔融高聚物相互匹配的复合纤维纺丝，复合纤维的截面形状则取决于两种熔体的分配和组合形式，而这个分配组合形式是由纺丝组件、分配板及复合喷丝板的结构决定的，改变品种也比较容易，纺丝工艺上也容易实现，目前我国已成为世界上复合纤维产能最大的生产国。 1.5 长丝牵伸和定形组合变化的柔性化技术该技术主要应用于长丝的牵伸定形部分，通过对牵伸定形热辊组合的变化，来改变纤维在牵伸过程中

17、热辊或定形过程中热辊或冷辊的数量，从而控制纤维的凝聚态结构与性能，以达到柔性化生产的目标。北京中丽制机工程技术有限公司和北京胜邦鑫源化纤机械有限公司都做过此类牵伸定形装置的研究。1.5.1 一步法生产多异混纤复合纱装置和技术多异混纤复合纱是指将线密度、截面形态、收缩率等特性不同的合成纤维在生产加工过程中复合在一起，并赋予纱线特殊性能、织物风格差异化的一种差别化纤维，其典型产品为ity，生产工艺流程如图 8 所示，牵伸定形工艺流程如图 9 所示。ity生产流程短，生产成本相对较低，生产速度高，产品质量稳定，可满足后道织物对纱线的不同性能要求，具有较高的柔性，一台机可生产ity、低沸水收缩率fdy

18、和强丝等不同产品。该技术的设备采用模块化设计，可根据不同品种纤维的工艺要求，进行纺丝箱体和牵伸卷绕模块的互换与重新组合，形成一机多用的长丝牵伸卷绕机。1.5.2 多功能模块化组合纺牵联合机多功能模块化纺丝机由具有可互换的挤压机、模块化设计的纺丝箱、牵伸卷绕机等组成。通过模块化设计，可实现柔性化纺丝的需要，适合大部分熔紡聚合物，可实现双组分复合纺、单组分双通道的多头纺以及不同品种的差别化纤维纺丝。目前该生产线可纺40 420 d的普通fdy、poy、中强工业丝、高强工业丝、高强低缩工业丝等产品，其工艺流程如图10所示。1.6 改变牵伸辊表面形状到达竹节纤维的柔性化纤维生产技术通过对热辊表面形状和

19、涂层的控制以及纺丝牵伸工艺的调整，长丝成形过程中形成了周期性的不均匀结构，制成的织物具有多彩变化风格。北京胜邦公司已据此申报了 3 项发明专利和 3 项实用新型专利。图 11 为表面有周期性纹路变化的热辊照片。1.7 弹力丝混纤加工技术随着熔融纺丝技术整体水平的提高，化纤poy的质量也不断提高，这些都保证了假捻变形后的加弹丝的质量。与此同时国内加弹机柔性化技术的开发也在持续进行，如增加罗拉实现多股喂入、采用氨纶喂入实现加弹空包一体化（图12）、采用双丝饼卷入机等新技术生产弹力丝的差别化纤维（图13）等。另外弹力丝设备生产厂家也在不断开发出新型高速弹力丝机，在节能降耗、高速高效、智能化、模块化设

20、计等方面做了大量工作。弹力丝新技术主要体现在新式牵伸系统、单电机单锭驱动假捻装置、智能的电脑系统等方面。尽量减少传动和控制锭数，使锭数和产量灵活，这样既能适合大批量生产，也可用于小批量生产。柔性化的上下部结构和模块化设计，可以更灵活地适应产品加工和新品开发。扩充设备功能，增加网络喷嘴及氨纶丝架等辅助装置，可提高新品开发的灵活性，因而具有更好的市场适应性。1.8 短纤维后纺纤维柔性技术我国涤纶短纤维的生产工艺以棉型为主，而三维卷曲中空纤维作为填充材料在生产时需要添加硅油，且需要良好的回弹性和较高的线密度，在生产工艺上其与棉型短纤维不同，在后纺工段区别较大。棉型短纤维和三维中空纤维的区别主要在于前者为卷曲后定形再切断，而后者则需要卷曲后先切断再上硅油然后再定形。将棉型短纤维生产线按三维中空纤维的工艺流程进行改造后，在同一生产线上生产的三维中空纤维与棉型短纤维可以达到产品质量、生产工艺和生产管理的平衡，实现柔性化生产（图14）。2 熔融纺丝柔性化技术的发展前景近年来由于国内化纤产能持续增长，企业利润增速下滑。在此背景下，整个化纤行业努力适应国际市场需求低迷、国内消费结