涤纶短纤维牵伸工艺探讨

更新时间:2020-07-11 00:57 作者:新利体育

  石油化工 98 2018 年 12 月 03 涤纶短纤维牵伸工艺探讨 季庚生 中国石油化工股份有限公司天津分公司化工部,天津 300270 摘要:本文分析了涤纶短纤维生产过程中的牵伸工艺,针对实际生产和成品丝质量存在的问题提出了具体的工艺优化方案,对涤纶短纤维后加工运转率的提高及成品丝质量控制具有一定的指导意义。 关键词:涤纶短纤维;牵伸工艺;紧张热定型工艺 中图分类号:TQ340.5 文献标识码:A 文章编号:1671-5810(2018)12-0098-02 牵伸是涤纶初生纤维后加工过程中主要工序之一,对纤维的结构与性能影响很大,被称为纤维的二次成形。牵伸的作用就是要使初生纤维获得...

  石油化工 98 2018 年 12 月 03 涤纶短纤维牵伸工艺探讨 季庚生 中国石油化工股份有限公司天津分公司化工部,天津 300270 摘要:本文分析了涤纶短纤维生产过程中的牵伸工艺,针对实际生产和成品丝质量存在的问题提出了具体的工艺优化方案,对涤纶短纤维后加工运转率的提高及成品丝质量控制具有一定的指导意义。 关键词:涤纶短纤维;牵伸工艺;紧张热定型工艺 中图分类号:TQ340.5 文献标识码:A 文章编号:1671-5810(2018)12-0098-02 牵伸是涤纶初生纤维后加工过程中主要工序之一,对纤维的结构与性能影响很大,被称为纤维的二次成形。牵伸的作用就是要使初生纤维获得一定的取向度,从而使纤维的断裂强度提高,延伸度下降,使纤维具有一定的物理-机械性能和稳定的机构,符合纺织加工的要求。同时,由于纤维在牵伸过程中,受沿纤维轴向外力和牵伸环境的影响,内部结构要发生变化,因此,也是检验初生纤维质量好坏的关口,是影响后加工运转率、消耗和成品丝质量的最主要的工序之一。 1 牵伸工艺原理 纤维的牵伸通过牵伸机的速度差来实现。涤纶短纤维后加工一般采用两级牵伸法:第一级牵伸为细颈牵伸,第二级牵伸为均匀牵伸。第一级牵伸介质大部分都采用油水浴,第二级牵伸介质采用蒸汽浴。 1.1 涤纶初生纤维的牵伸曲线 初生纤维在牵伸过程中的力学行为强烈依赖于纤维的结构和牵伸条件。在牵伸过程中,应力和应变不断地发生变化。反映初生纤维牵伸时应力-应变变化的曲线又称为牵伸曲线。初生纤维的牵伸,实际上是一种单轴牵伸形变,涤纶卷绕丝在 Tg 附近牵伸时,其应力-应变曲线 熔纺卷绕丝的牵伸曲线)形变的初始阶段,oa 为一很陡的直线段,此时发生单位形变的应力很大,即杨式模量很大,而总的形变量很小,这时纤维的形变符合弹性定律,属于普弹性变。(2)ab段,开始偏离直线,但仍基本上是可复的。此时曲线的斜率随牵伸倍数的提高而下降,即此时使纤维发生单位形变的应力虽仍然在增加,但增加的速率有所减小。到 b 点时,应力达到极大值。B 点称为屈服点,与之对应的应力称为屈服应力。(3)bc 段,应力稍有下降,于此同时,在纤维的一处或几处出现细颈。bc 段是细颈发生阶段,即牵伸点或牵伸区。控制好牵伸点或牵伸区的位置固定,是牵伸工艺中最重要的条件之一。(4)cd 段是细颈发展的阶段,未拉细的部分逐渐被拉细而消失,在到达 d 点时,细颈发展到整根纤维。与 d点相对应的牵伸倍数称为自然牵伸比 N。(5)de 段,过了 d点,要使已全部变为细颈的纤维再继续被拉细,需要施以更大的应力,纤维形态变化表现为直径均匀地同时变细,直至e 点,牵伸应力增加到了纤维的强度极限,纤维发生断裂。与 e 点相对应的牵伸倍数称为最大牵伸倍数。E 点的应力称为断裂应力(即断裂强度),相对应的应变称为断裂伸长。在生产工艺上,一定要控制纤维的实际牵伸倍数大于自然牵伸比而小于最大牵伸比。 1.2 牵伸过程中纤维结构的变化 在牵伸过程中,纤维的超分子结构发生深刻的改组,其中包括取向度的提高以及晶态结构的变化。(1)取向伴随着纤维的牵伸而产生。牵伸取向的结果,伸直链段的数目增加,而折叠链段的数目减少,由于这些片晶之间的连接链增加,从而提高了取向高聚物纤维的力学强度和韧性。(2)牵伸过程中结晶的形式。 在牵伸过程中,由于牵伸应力和牵伸温度的共同作用,纤维形成一定的结晶度。当纤维的牵伸倍数超过临界值时,在纤维内部发生应力诱导结晶,产生大量微晶粒,导致结晶度的增加。热的作用,主要是提高大分子的活动能力,增加它砌入晶格的能量,因此随牵伸应力和牵伸温度的提高,结晶度增加,一般来说,牵伸温度越高,牵伸倍数或牵伸应力越大,越有利于结晶[2] 。 1.3 牵伸点 当纤维所承受的轴向牵伸外力或温度达到一定程度时,纤维出现细颈,即牵伸点(区),即图 1 的 bc 段。纤维质量在很大程度上取决于牵伸效果,而牵伸过程进行的好坏与牵伸点的控制合理与否有很大关系,牵伸点位置不固定,随时移动,则会出现牵伸不足或未牵伸纤维,使纤维粗细(纤度)不一,染色不均,造成织物颜色深浅不均,并出现有柳子和花斑。 2 牵伸工艺的选择及控制 在实际生产中,牵伸工序最常见的问题是部分纤维被拉断,导致绕辊,从而影响后加工运转率,除此之外,纤维牵伸不足会造成硬并丝;单纤维被拉断,虽然不会造成绕辊,但纤维经过紧张热定型后,由于张力不足会发生收缩,导致局部软化或熔融而与其他纤维粘连在一起形成并丝、硬丝等疵点;而频繁的开停车也会使纤维卷曲状态发生波动以及增加打废丝的概率,从而导致成品丝中超倍长含量增加。因此,保持牵伸工序的稳定运转,改善纤维的牵伸质量是后加工生产的最主要任务之一。 2.1 牵伸温度 2.1.1 牵伸温度的选择 牵伸温度是指初生纤维在牵伸时加热介质的温度。在我车间生产中,第一道牵伸在牵伸槽内进行,槽内为 0.28%的稀油剂。涤纶初生纤维的牵伸必须在聚合体的玻璃化温度以上进行,因为玻璃化温度是高聚物从玻璃态转化为高弹态的温度关节点,是大分子链段开始运动时的温度。若牵伸温度低于玻璃化温度时高聚物大分子链段运动受到限制,链段活动性能不足,使纤维变得硬脆而不能牵伸,纤维的牵伸性能降低,要达到一定的牵伸倍数就要增加牵伸应力,这种强制牵伸的结果,往往会在纤维内部造成许多空洞,使纤维泛白失透现象,比重大大降低,当牵伸应力增加到等于纤维的强度极限时,就会使纤维发生断裂。若温度高于玻璃化温度太多,会使部分纤维大分子滑移,纤维出现软化粘结,强度下降,造成熔断现象。所以,严格控制好牵伸温度是牵伸工序十分重要的一环。 2.1.2 第一级牵伸温度 (1)牵伸槽油剂温度 根据DSC分析,我车间卷绕丝的玻璃化温度为78-80℃,而牵伸介质(0.28%稀油剂)的存在,对纤维起到了增塑作 中国科技期刊数据库 工业 C 2018 年 12 月 03 99 用,使纤维的玻璃化温度下降, (一般下降 20℃左右),因此,我车间牵伸温度选择在 685℃。 (2)第一牵伸机温度 除牵伸介质温度控制之外,牵伸机的温度同样至关重要。第一牵伸机的作用除了与第二牵伸机的速度差构成第一级牵伸倍率外,还起给卷绕丝预热的作用,直接影响牵伸点的位置。纤维牵伸只有在牵伸介质中进行,才能稳定牵伸点,如在槽外发生牵伸,会影响牵伸质量,从而导致断头、绕辊。由于牵伸点的产生是温度和应力共同作用的结果,因此,控制温度可以影响牵伸点出现的位置。我车间一牵伸机辊筒内通可控制温度的温水,温度控制在 305℃。如果牵伸点在进入牵伸槽前出现,可适当降低一牵伸辊表面温度,从而降低丝束的温度,使相应的屈服应力增大,使牵伸点往牵伸槽内移动。通过试验证明,由于室内环境温度高,夏季一牵伸温度控制在 255℃,牵伸点能有效控制在牵伸槽内。 当卷绕丝断裂强度发生变化时,需适当对牵伸温度进行调整。 表 1 牵伸温度与卷绕丝质量指标的匹配 卷绕丝断裂强度 cn/dtex 牵伸槽油剂温度 ℃ 二牵伸温度 ℃ 1.45-1.50 655 685 1.50-1.55 685 705 2.1.3 第二级牵伸温度 (1)蒸汽箱蒸汽温度 第二道牵伸在蒸汽箱内进行,卷绕丝经过一段牵伸后,纤维的取向度和结晶度以及玻璃化温度均有所提高,再继续进行牵伸较困难,所以二段牵伸的温度比一段牵伸温度高约20℃。蒸汽箱的温度过低,纤维难以牵伸,容易导致紧张热定型绕辊;温度过高,会使纤维结晶速度增加,从而不易牵伸,也将导致紧张热定型绕辊。我车间蒸汽箱温度控制在 11010℃。 (2)第二牵伸机温度 第二牵伸机与紧张热定型一区(起第三牵伸机的作用)的速度差构成第二级牵伸倍率。第二牵伸机同样起给纤维进行二级牵伸预热的作用,其温度对于将纤维二级牵伸控制在蒸汽箱内同样重要。我车间第二牵伸机温度控制在 705℃左右。 (3)紧张热定型一区温度 紧张热定型一区不仅用于干燥纤维,同时起到第三牵伸机的作用。实践证明,紧张一区温度过高,容易导致丝束拉断产生绕辊。这是因为紧张一区作为第三牵伸,丝束承受逐渐减小的张力,温度过高,纤维结晶速度过快,在进行牵伸时来不及形变就已发生结晶,导致纤维被拉断。根据 DSC 分析,我车间经一级牵伸后的纤维的结晶峰值温度为 190℃左右,因此,一区的温度特别是第一辊的温度控制在 180℃以下。另外,在夏季室内温度燥热时,适当降低紧张热定型温度,有利于减少绕辊。 2.2 牵伸速度 牵伸过程是一个对纤维作功的过程,在牵伸过程中纤维会放出热量,通常称其为牵伸热,牵伸速度越高,放出的热量就越多,所以,牵伸速度的提高,对于牵伸过程尤其是牵伸温度是否适应是十分重要的。在牵伸过程中,增加牵伸速度,牵伸应力也会相应增加,这是因为牵伸过程中纤维的形变是一个松弛过程,形变的发展需要一定的时间,牵伸速度太快,形变来不及发展,就必然会使纤维中的应力增加。最直观的变化是牵伸点发生移动。降低牵伸速度,牵伸点往一牵伸机方向移动,在低速开车时,可看到丝束的牵伸点完全处在牵伸槽和一牵伸之间,甚至在第一牵伸出口辊处。 因此,在牵伸速度发生变化时,要保证牵伸点稳定在牵伸槽内,最简便的方法是调整牵伸倍率的分配。下表为原丝的断裂伸长率在 460%左右时,在总牵伸倍率不变的前提下,牵伸倍率的调整措施。 表 2 不同速度下牵伸倍率分配的调整 牵伸速度(m/min) 一 道 牵 伸倍率 二道牵伸倍率 总倍率 260-270(正常开车时) 3.24 1.135 3.677 240-250 (卷曲机调试时) 3.23 1.138 3.677 220 (打包机故障开单侧时) 3.22 1.142 3.677 2.3 牵伸倍率及其分配 牵伸倍率的确定主要是根据成品丝断裂强度、断裂伸长率要求及最大牵伸倍数来决定,纤维的强度主要取决于纤维的取向度和结晶度。我车间牵伸倍率的控制主要以成品丝断裂伸长率指标和牵伸工序的运转来考虑。 牵伸倍率必须选择在自然牵伸倍数和最大牵伸倍数之间。并且,第一级牵伸倍数必须大于自然牵伸倍数,这是因为牵伸倍数若小于自然牵伸倍数,被牵伸纤维细颈尚未发展到整个纤维,会造成较多的未牵伸丝而造成纤维不均匀。细颈牵伸的完成必须在第一级牵伸时实现。牵伸倍率的选择和分配与卷绕丝的预取向度有很大关系。卷绕丝的预取向度可用断裂伸长率来表征,经过试验,牵伸倍率的数值及分配与原丝断裂伸长率的关系如下。 表 3 牵伸倍率极其分配与卷绕丝断裂伸长率的关系 卷绕丝的 断裂伸长率 总牵伸倍率 一级牵伸倍率 二级牵伸倍率 420% 3.64 3.22 1.130 440% 3.66 3.23 1.133 460% 3.68 3.24 1.135 480% 3.69 3.24 1.139 2.4 牵伸介质 2.4.1 牵伸槽油剂液位 牵伸槽油剂液位是牵伸工序的一项重要参数,如果油剂液位不够,丝束不能充分浸没在油剂中进行牵伸,那么纤维产生的牵伸热就不能充分被带走,不能使丝束形成一个稳定的温度梯度,从而不利于牵伸点的稳定。牵伸槽液位不够,纤维不仅牵伸不好,内在质量有缺陷容易导致绕辊,而且会产生未牵伸丝,或牵伸不足,造成疵点降等。在我车间生产中,由于牵伸槽油剂液位受油剂导流板控制,并且油剂在开停车时损耗较多,因此,液位的控制和检查是日常生产中的重点。 2.4.2 牵伸油剂更换周期 牵伸槽油剂为循环使用,由于丝束在高速运转时,带出的油剂产生泡沫,在生产中,为了减少油剂的跑冒,污染环境,要在牵伸油剂内适当加入消泡剂,消泡剂主要成分为有机硅,虽然有机硅的性能稳定,但是油剂中含量过多,将影响纤维油膜的附着,降低油剂对纤维的增塑作用,且不利于牵伸热量的转移,因此,将影响牵伸质量,造成牵伸绕辊增加。我们对油剂的更换周期进行了摸索,更换周期为 15-30天。 3 结论 牵伸工序的影响因素包括牵伸温度、牵伸倍率、牵伸速度以及卷绕丝质量等,因此,要保证牵伸工序稳定运转,保证纤维牵伸质量,必须综合考虑以上各项因素。通过调节各项参数,控制牵伸点在牵伸浴槽内,提供合适的牵伸温度,保证纤维完全浸没在油剂中进行牵伸,以及保持油剂的清洁,是第一级牵伸顺利进行的关键所在;而保证蒸汽箱蒸汽量以及提供合适的牵伸配比、二牵伸和紧张一区温度,是二级牵伸顺利进行的重点。 参考文献 [1]董纪震,罗鸿烈,等.合成纤维生产工艺学(第二版上册)[M].纺织工业出版社,1993. [2]董纪震,罗鸿烈,等.合成纤维生产工艺学(第二版上册)[M].纺织工业出版社,1993.


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