北服纤维材料学综合实验指导02熔融纺丝工艺实验

实验二熔融纺丝工艺实验一、实验目的：合成纤维的熔融纺丝是当前化纤生产的一个主要的工艺路线。对于从事化纤专业的工程技术人员来说，不仅需要系统地学习和掌握熔融纺丝的理论知识，而且需要积累丰富的实践经验。通过本实验，要使学生增加对熔纺纤维工艺及后拉伸的感性认识，培养和提高实际动手的能力，要根据聚合物的性能及纤维成品的要求确定和控制纺丝工艺，并制得合格的产品。二、基本原理：熔融纺丝的基本过程包括：纺丝熔体的制备，熔体自喷丝孔的挤出，熔体细流的拉长变细与冷却固化，以及丝条的上油和卷绕。在切片熔融阶段，切片受热后软化，晶区破坏，由固体状态转变为均匀的粘流态。与此同时，由于热、氧和水份等条件的影响，会导致聚合物发生降解及凝胶反应，使聚合物的分子量下降，纤维的强度降低，颜色变黄，产生气泡丝，给纺丝成形和后拉伸带来困难。因此切片在纺丝前往往需要经过烘干处理，使其含水量达到工艺要求。熔融后的聚合物在一定的压力下经计量泵计量后，均匀、连续地通过喷丝板，形成熔体细流。由于高聚物具有粘弹特性，在喷丝孔的出口处常常有出口胀大现象，当这一现象严重时，会造成熔体破裂，产生毛丝。熔体细流在卷绕张力的牵引下，直径急剧变细，丝条的运动速度也迅速加快，在空气的冷却作用下，聚合体温度逐步下降，粘度增高，当丝条温度低于Tm时，纤维固化，直径不再变化。在此固化阶段，往往伴随着发生结晶、取向等高聚物的聚集态的变化。固化后的纤维干燥而松散，纤维与纤维之间、纤维与设备之间的摩擦会产生毛丝和静电，给后加工带来困难，因此需给湿上油，增加纤维间的抱合力，减小丝条与设备间的摩擦抗静电能力，使纤维变得柔软、平滑和良好的手感及弹性。三、纺丝设备：本实验使用型号为HX303一部位小型长丝纺丝机，它由螺杆挤压机、纺丝箱体吹风甬道和卷绕机四大部分所组成。（一）螺杆挤压机螺杆挤压机由螺杆、套筒、传动部分、加料筒、加热和冷却装置所构成（见图1）。其作用是将聚合物固态切片经加热和挤压，制成均匀的纺丝熔体，并连续不断地输送到纺丝箱体。螺杆是挤出机的主要部件，本机器所用的螺杆直径为Φ25mm，长径比（L／D）为25，螺杆又分为三个区：进料段（L1＝7D），压缩段（L2＝6D）和均化段（L3＝12D）。在套筒壁上，与螺杆的三个区相对应地装有三个铝加热套构成的加热区，分别控制三区的温度。螺杆在套筒内不断地旋转，推料前进使传热面不断地更新，使熔融过程强化。固体切片从料筒进入螺杆后，首先在进料段被输送和预热，为防止物料过早软化产生环节阻料，在进料口夹套处要通冷却水。切片在压缩段被压实排气并逐渐熔化、然后在计量段内进一步混合塑化，并达到所需的温度和压力。螺杆各区温度的设定，螺杆的转速和机头压力，需根据物料的性质及对产品的要求而设定。1一螺杆2一套筒3一弯头4一铸铝加热圈5一电热棒6一冷却水管7一进料管8一密封部分9一传动及变速机构图1螺杆挤出机结构简图（二）纺丝箱体由螺杆挤出的熔体经法兰和弯管进入纺丝箱体，箱体内装有分配管、计量泵和喷丝组件。采用联苯一联苯醚为热载体，电热棒加热。计量泵的作用是保证向喷丝组件提供均匀而准确的纺丝熔体，它是由一对齿轮和三块板及联轴器等所组成（参看图2）。齿轮泵每转输出的熔体量称为计量泵的规格，rnL／转为单位，每分钟所输出的熔体的量就称为泵供量，这一工艺参数的选择需根据对成品纤维的要求而定。本实验选用的计量泵型号JRG－2.4×2双泵或JRG－2.4单泵，是化纤生产中的精密标准件。图2熔纺计量泵结构1一主动齿轮2一从动齿轮3一主动轴4一从动轴5一熔体出口6一下盖板7一中间板8一上盖板9一联轴节本实验使用的喷丝组件为高压组件，内装有双层过滤网和海砂，在组件底部装有喷丝板，板上环形分布有若干个（18、24、32、36、48、64、72孔）直径为0.25~0.40mm的喷丝孔。组件的作用是滤掉熔体内的杂质，并把熔体均匀地分配到每个喷丝孔。（三）吹风甬道本实验采用侧吹风方式。经空调机调过温的空气由鼓风机输送到吹风窗，穿过过滤层和多孔格板均匀地吹出。风量是通过调节风道上的挡板的开启程度加以控制的。此处的风温和风速是控制纤维结构的重要参数。此处还设有油剂喷嘴，对丝条进行给水给油。上油水量是通过调节油剂泵电机频率控制的。（四）卷绕机丝条的卷绕采用高速卷绕机，主要包括导丝盘、筒管架、摩擦辊、往复机构系统。规定第一导丝盘的速度为纺丝速度（或称卷绕速度），为了保证丝条有一定的张力，上、下导丝盘的直径有微小差异，第一导丝盘的直径为150mm，第二导丝盘的直径为150．5mm。丝条经过两个导丝盘后，被导向摩擦辊和筒管架，靠二者之间的摩擦作用绕在筒管上，这种摩擦传动保证了丝条的线速度不随卷装直径的增加而变化。往复机构的作用是带动丝条在筒管上来回作往复运动，丝条在摩擦辊和往复机构的共同作用下形成螺旋形卷绕。本机主槽桶每转6转导丝器一次往复，导丝动程250mm。摩擦辊、导丝盘、往复机构分别采用变频器来调速，各部位的转速随电源频率的改变而变化。（五）控制仪表整台纺丝机由电器控制、温度控制、压力控制和气动控制四大部分组成。电气控制系统：螺杆挤压机驱动电机、计量泵驱动电机、油剂泵驱动电机、导丝盘驱动电机、摩擦辊驱动电机、主槽桶驱动电机上述电机均采用变频器调节转速。温度控制系统：螺杆挤压机共分为五个加热区。其中螺杆三个加热区，弯管一个加热区，箱体一个加热区。每个加热区均有一块温度控制仪表单独控制。压力控制系统系统还：纺丝过程中的纺丝压力是由压力传感器和控制仪表所组成。压力控制仪表可在手动或自动状态下工作。通过压力信号调节螺杆电机频率，以保证在纺丝中纺丝压力的稳定。此外，此系统还具有压力过载报警及自动停车功能，以保证整个螺杆挤压机的安全。四、纺丝工艺的制定1.各区温度的确定确定控制温度的主要依据是聚合物的热性能及流变性能。在螺杆的第一加热区，为使物料能正常输送，不希望切片过早地熔化，但又要保证切片在达到压缩段时温度不致太低，故一区温度（t1）可略低于切片的熔点。第二区为压缩段，是切片熔融的主要场所，该区温度可适当高一些，对于涤纶一般取熔点以上20~30°C，第三区为计量段，主要作用是使切片进一步熔化，并在恒定的压力下输送熔体，其温度可以稍低一些。其余各控温部位主要起保温作用，其温度可为熔点以上15~20℃。这些规律往往不能一概而论，要在纺丝过程中视丝条的稳定情况和丝的质量及螺杆的转速等诸因素加以修正，需要在反复的实践中确定最佳的控温参数。对于聚烯烃类聚合物，由于分子量很高，分子量分布较宽，熔体温度一般要比Tm高100°C左右才合适。当然，纺丝温度和原料熔融指数密切相关。2．泵供量的确定：确定泵供量的主要依据是成品的纤度、后拉伸倍数及纺丝速度，前两者是根据客户的需求而定的，而纺丝速度主要与生产效率有关，它们有如下的关系：式中K为纤维在加工过程中的收缩系数：该值系经验数值，一般为0.85～0.95，我们取其为0.07。涤纶和丙纶的含油含水率甚低，可忽略不计。求得泵供量的数值之后，就可以根据实验中所选用的计量泵的排出量（ml／转）确定泵的转速。（已知纺丝采用JRG2.4计量泵，采用4极电机经一59：1的减速器驱动）3．机头压力的确定根据所学（工艺、设备）确定机头压力数值，并输入压力控制仪表。5Mpa左右。为什么？4．卷绕速度的设定一般地，从提高生产效率的角度考虑，卷绕速度应选定在机器所能允许的最高工艺速度，（该机为3500m/min）但实际上还要综合各种情况，如：原料性质、产品规格、产量等因素来确定卷绕速度。卷绕速度是指第一导丝盘的线速度。本机导丝盘、摩擦辊直径均为150mm，导丝盘由2极电机直接驱动;摩擦辊由4极电机直接驱动。导丝盘的转速n与电流频率有如下关系：F＝np/60式中：f——电源频率（Hz在）P——电机极对数n——电机转速（r／min）V——纺丝速度（m／nin）D——导丝盘（或摩擦辊）直径（m）根据公式可很方便计算出不同纺速时频率。五、实验步骤及操作规程（一）制定工艺条件1.本次实验以聚丙烯切片为原料，MI=40Tm＝162°C，试确定备区的加热温度；2.本次实验拟选用双喷丝头组件，喷丝板孔数为24f，（64f）计量泵规格为JRG2.4×2（JRG2.4）设定机头压力为5Mpa，后拉伸X倍，卷绕角4°试根据以下情况确定计量泵、油剂泵、导丝盘、摩擦辊、主槽桶及卷绕机的频率：（熔体密度为0．768、上油水率10%）（1）成品纤度167dtex（2）成品纤度110dtex（3）dpf﹤1（二）螺杆挤出机的开车1．纺丝机的升温：因纺丝箱体的散热面积大．加热功率较小，需较长的升温时间，故先升温箱体。当箱体温度接近设定值时，再打开螺杆各加热区，同时将冷却区的进水阀门打开。2.螺杆挤出机的开车：当各区的温度升至设定值之后，稳定一段时间后首先用手盘动螺杆的传动皮带．证实螺杆能自由旋转后，即可开车。开车时首先启动计量泵，通过变频器调节计量泵至工艺转速；在手动状态下将用压力仪表启动螺杆，并调节螺杆速度。当机头压力显示值接近设定值时，将压力仪表设为自动状态。3．泵供量的测量与调节当丝条均匀喷出之后，检查喷丝组件和箱体之间、计量泵和箱体之间有无漏料，然后在纺丝组件下接收1分钟挤出的熔体，称重、重复5次，取其平均值。如果所测泵供量与工艺计算的数值不符，调节计量泵转速（注意保持机头压力恒定）．直至得到满意的泵供量为止。(三)卷绕机的启动和升头1.启动首先将计算的频率值输入各自的变频器中，按动启动按钮即可。当各运转部件运转平稳后，即可通过操作按钮将卷绕头架下移使得摩擦辊与筒管夹头接触。待筒管夹头与摩擦辊同步后即可开始卷绕。横动导丝机构由一台变频器控制，横动导丝机构的往复次数．决定筒子卷绕角大小，亦对卷绕张力有影响，是卷绕成型好坏的关键、生产中卷绕角为3°～5°，从卷绕角可反算出横动导丝器往复次数N，并由往复次数N，推算出电机电源频率（该机主槽每转6圈，横动导丝器往复一次）。N——往复次数（次／min）α——卷绕角（°）H——导丝动程（mm）（250）V——卷绕速度（m／min）电机转速n＝6N电机极对数P＝2电机频率：f＝0.588V·Sinα为防止因重叠造成卷绕成型不良．横动导丝器往复次数应进行同期性的变化，变化的范围称振幅，变化的时间称周期。2.升头卷绕启动油剂泵的变频器，开启油剂泵，调节油剂泵转速至设定值。打开吸丝气枪进气阀门，信号通知二层投丝。用气枪将丝头吸住，引导丝条经第一导丝盘、第二导丝盘，用导丝杆（此时导丝杆应处于打开状态）将丝条卷绕在筒管上。记下开始正常绕丝的时间，以便确定更换筒管的时间。（四）停车步骤实验结束时，关闭卷绕机电源。在二层用挡板盖住甬道口，让丝条排在平台上。先关闭螺杆、油剂泵电机电源；待计量泵内余料基本排空后关闭计量泵电机电源。组件要趁热拆卸、分解。关