超高强涤纶短纤维生产工艺的计算机模拟

超高强涤纶短纤维生产工艺的计算机模拟

直接纺法生产的短纤维纤维已成为20世纪80年代中期的主导技术。所谓超高强度涤纶短纤维,主要的物理机械特征表现在断裂强度大于6.6cN/dtex,断裂伸长控制在16%~20%,180℃干热收缩率小于5.5%。此类纤维最主要是用于高档(高速缝纫、高支纱线)缝纫线,部分用于高档纺织面料。相对切片纺丝工艺,大容量直接纺丝法提高纤维断裂强度的技术难度主要体现在四方面:其一,熔体输送工艺如何确保熔体质量的稳定和均匀性;其二,连续的大容量纺丝成形技术如何满足高负荷生产量和纤维的均匀性;其三,以高倍拉伸为主的提高纤维强度的方法,如何控制纤维的超分子结构和生产运行的稳定性;其四,提高纤维强度的同时,尽可能保持纤维收缩率在较低的范围内。1测试1.1熔喷聚丙烯纤维的制备适当提高熔体特性黏度是生产超高强涤纶短纤维的先决条件,但根据直接纺与聚酯装置的生产方式制约,部分直接纺与全部直接纺不同,必须考虑提高黏度后聚酯的生产控制稳定性和生产成本的增加,以及相对偏高的黏度对切片纺丝的适纺性问题。希望熔体中的有机和无机颗粒越少越好,成品纤维的直径小于5μm,那么大于3μm的颗粒就有可能成为杂质而引起拉伸缺陷断裂。因此,配备合适的熔体过滤设施,降低催化剂、添加剂的含量都是至关重要的。生产超高强涤纶短纤维的原料要求见表1。1.2熔体输送和成形选择经过国产化改造、年生产能力从1.5万t提高至3万t的短丝生产线,该线具有柔性化调整功能,前后纺主要工艺调整通过在线计算机操作即可实现。超高强涤纶短纤维的主要工艺流程分为三大部分,分别是熔体输送、纺丝成形和后处理。从聚酯终聚釜出口的熔体经过过滤器后进入输送管,采用逆向对流的热媒夹套维持适当的温度,熔体输送总管中配备了冷却器和静态混和器,可控制调节纺丝温度;纺丝组件采用外紧式结构,熔体不受压力波动影响,停留时间相同而不会产生熔体降解;卷绕工序使用快速生头器,可减少生头时间,降低熔体消耗;前后纺采用多级上油;后处理设备采用独立变频,拉伸倍率可以无级平稳调节;多段式紧张热定形可调节纤维的热收缩率,辊内采用中压蒸汽串级,能有效提高加热效率和降低蒸汽消耗等。超高强涤纶短纤维的主要生产工艺参数见表2。2结果与讨论2.1熔体停留时间和速度超高强缝纫线用涤纶短纤维和其它常规服用产品比,最大的区别是其质量指标要求强度高、伸长低、尺寸稳定性好。为此,要求原料黏度相对较高。而直接纺有一个熔体输送过程,高黏度熔体在输送过程中发热量大,压力降大,有温升现象,有黏度降产生,不利于纺丝;而且管道越长,温度越高,这种现象越严重。同时,熔体停留时间会直接影响熔体的特性黏度,过长的停留时间会明显降低熔体特性黏度,并引起相对分子质量分布的变宽,降低熔体的内在质量,特别是对于强力高,且均匀性要求高的产品,必须要加以考虑。在经过改造后的聚酯生产线上,优化了聚酯生产工艺2.2基于自适应的纺丝速度对原丝断裂强度的影响根据稳态纺丝的几项基本条件,确定实际纺丝所要求的工程变量,例如环吹风速度、温度,吹风的有效长度等。用4项基本方程可以描述纺丝冷却过程的基本原理。质量守恒方程:W=A动量平衡方程:能量平衡方程:本构方程:拉伸黏度经验关系式:η=3[η式中:F为纺丝张力,T为丝条温度,ρ为熔体密度,C运用计算机对上面的微分方程进行联立求解,假设初始张力,用变步长的Runge-Kutta法可以求出不同纺丝条件对丝束在纺程上的影响。纺丝速度和吹风的温度都在变化,该两项变化因素都对原丝的机械性能产生变化。当纺丝速度在1300~1500m/min内,吹风温度在23~26℃的范围内时,随纺丝速度的增加,吹风温度的增加,原丝断裂强度增加;随纺丝速度的增加,吹风温度的降低,原丝的断裂伸长降低;随纺丝速度的增加,吹风温度的增加,原丝自然拉伸比降低,具体见表4。从表4中可看出,纺丝速度与环吹风温度直接影响到原丝的主要性能,选择合适的纺丝工艺可以为后处理工序的稳定和纤维质量提供保障。2.3拉伸倍率对断裂强度的影响为了有效控制断裂强度,前纺除了采用较高黏度的熔体纺丝外,还可通过调整生产负荷、纺丝速度、纺丝温度等来争取提高原丝的取向度;后处理则在保证运转的前提下使拉伸倍率最大化,优化总拉伸比分配,采用高温紧张热定形,控制回缩等手段来促使强度的提高。充分利用了较高的纺丝速度,使大分子链取向度提高;拉伸倍率增加,无定形区、结晶区的取向增加;高温促使纤维快速结晶,结晶度大大提高;通过应用高分子物理及化学基本原理,结合生产实际落实的控制措施使纤维强度得以控制和提高。对于紧张热定形,定形温度对纤维的结晶度有直接的影响。当温度达到160℃后,结晶速度达到最高值。在有一定张力的条件下,温度对纤维的非晶区取向也有关系。有研究者认为,纤维的断裂强度在很大程度上与非晶区的取向有关,认为紧张热定形对纤维的强度提高是有帮助的。在定形温度为170℃,定形时间为2~5s的条件下,纤维的结构处于非常不稳定的状态。理想的定形时间可以认为是7s以上。对于断裂伸长可能会出现两种结果,可能是随超分子结构的变化单调增加或减少,其原因是进入紧张热定形的丝束在很大程度上受拉伸和蒸汽加热箱的工艺处理条件所影响,即紧张热定形可以改变纤维的超分子结构,但是影响断裂伸长的内在超分子结构并非单因次因素,是相对比较复杂的多因素综合体现,具体见表5。从表5中可以看出,随着后处理拉伸倍率的上升和定形时间的延长,纤维的断裂强度有明显的提高。因此在适当运行条件下,相对提高拉伸倍率和紧张定形时间,可以提高纤维的内在质量。2.4提高纤维热收缩率对于缝纫线用的高强低伸纤维,低的热收缩率会受到用户的欢迎,其一是可以降低制线业的成本(线产品的销售以长度为单位);其二是有效提高织物缝纫后的质量(即高温熨烫后线与织物的平整程度)。对于现代化的缝纫业和制衣业,熨烫的温度可以达到200℃,高速缝纫机的速度达到1000针/min,如果纤维的热稳定性差,将不能适合现代化的缝纫业和制衣业。90年代以后对缝纫线用纤维的热收缩率要求是180℃干热收缩率小于6%,当然是越小越好,但是收缩率与其它质量要求还有相互关联,过分小的收缩率会影响纤维染色以及纤维实际质量控制稳定性。多段式高温紧张热定形使纤维强度提高,伸长下降,并通过控制张力,使纤维在热定形过程中产生一定的收缩,同时实现高温快速松弛,有利于内应力的消除。为使超高强缝纫线用涤纶短纤维的干热收缩率指标能控制在一个有效受控的规定范围内,对与控制干热收缩的有关参数都进行了调优,保证产品有良好的尺寸稳定性,见表6。从表6中得出,适当地调整热定形回缩比,可以达到理想的180℃干热收缩率,以保证纤维良好的尺寸稳定性。2.5主要技术指标工艺优化后的1.33dtex超高强缝纫线用涤纶短纤维正式投入试生产,产品牌号为361。根据对国外1.33dtex超高强缝纫线用涤纶短丝样品的分析测试以及对国内用户的实际使用情况汇总,1.33dtex超高强缝纫线用涤纶短纤维和市场上缝纫用涤纶短纤维主要质量技术指标比较如表7。从试验结果看,经过工艺调优,在直接纺生产装置上连续生产的商品牌号为361的1.33dtex×38mm超高强缝纫线用涤纶短纤维质量指标已等同和超过了市场上同类产品的指标,产品已经累计销售10万t以上,用该纤维制成的缝纫线进入国际市场,取得了良好的经济效益和社会效益。3超细长丝纺丝工艺特点(1)大容量、直接纺丝生产工艺可以生产线密度为1.33dtex,断裂强度大于6.88cN/dtex,断裂伸长小于17.2%,且180℃干热收缩率小于5.1%的缝纫线用超高强涤纶短纤维。产品质量达到国外同类产品先进水平和国内领先水平。(2)熔体输送采用相对较低的停留时间和熔体静态混合器冷却的应用是生产超高强涤纶短纤维的先决条件;用计算机模拟纺丝过程,所得到工艺参数与纤维主要物理参数拟合结果,并用多元回归的方法得到定性和定量的结果,