提高聚酯POY 纺丝速度的理论分析和应用展望徐晓辰(上海石化股份公司合纤所,200540)分析当今聚酯长丝生产技术高速发展的现状,基于高速纺丝成形机理,探讨提高聚酯POY 纺丝速度的理论依据及可行性实施方法。
介绍了提高聚酯POY 纺丝速度技术开发的国内外现状和发展动态,分析比较了各种技术的特点和开发优势,展望了该技术的开发和应用前景。
关键词: 聚酯 POY 纺丝速度 分析 展望收稿日期:2001-06-13。
作者简介:徐晓辰,男,1964年出生,1985年毕业于中国纺织大学化学纤维专业,高级工程师,现从事合成纤维工艺研究及产品开发工作,发表10余篇。
1 前言自美国杜邦公司率先实现聚酯纤维工业化生产以来[1],全球聚酯纤维在80年代和90年代得到了极大的增长,1997年,聚酯长丝和短纤维的市场销售量均达到了8000kt ,预计到2003年,均可超过11000kt [2]。
图1 全球聚酯短纤维和长丝的生产能力当前,预取向丝(POY )已经成为合成纤维长丝中最为重要的中间产品,全球范围内,纺织用长丝的产能已超过600Mt ,据有关信息的分析统计,其中约85%都先加工成POY,而仅有15%是FDY,几乎所有的POY 都要进一步的变形加工[3]。
POY 装置产能的提高主要取决于纺丝卷绕速度,然而聚酯POY 工艺自70年代开创并实现工业化应用至今,目前生产中仍然采用2700～3300m/min 的纺丝卷绕速度。
为了提高POY 生产的效率,进一步地降低生产成本,POY 纺丝生产速度提高的研究和技术开发早已显示出其必要性和紧迫性,要较大程度地削减长丝生产成本,唯一可行的办法就是提高纺丝生产速度。
国内外厂商对提高聚酯POY 纺丝速度的技术开发和应用研究都投入了大量的人力和物力,该项技术已越来越引起业内人士的极大关注。
90年代初,国外各大公司又纷纷竞相开展相关技术的深入研究。
常规聚酯随着POY 纺丝卷绕速度的提高,纤维的分子取向和结晶速率会显著的增加,并最终导致在后道DTY 加工中拉伸倍率的减小,所以提高POY 纺丝速度的技术关键在于高速生产的POY 仍需具有与常规POY 相同的超分子结构和后道加工性能。
近年来,德国的鲁奇2吉玛公司、瑞士的伊文达2费瑟公司等依托自身的技术开发优势,通过对聚酯的物理改性和化学改性,开展了相关的系列研究工作;美国的杜邦公司与德国的巴马格公司强强合作,发挥各自的工艺和设备技术开发优势,通过突破性工艺的研究与设备的改良设计,实现了显著地提高聚酯POY 纺丝速度的目的,然而国内至今未见有相关的研究开发报道,还处于刚刚起步阶段。
在当今合成纤维生产技术向高速化、自动化方向发展的时期,提高聚酯POY 纺速技术的发展和完善,并实现工业化的推广应用,具有十分重要的意义。
2 提高聚酯POY 纺丝速度的理论分析211 高速熔融纺丝纤维结构的成形机理[1]聚酯高速纺丝技术发展至今工艺技术得到了很大的发展。
高速纺丝线上纤维的超分子结构形成和发展研究也得到了不断地深化,前人的研究已形成了各种纺速下的熔融纺丝理论、数学模型讨论纺丝条件对纺丝过程动力学及其稳定性影响的成果。
高速熔融纺丝中,熔体从喷丝孔挤出,进入稳定的空气中被冷却凝固,熔体细流向环境介质传热与纺丝线上的固化是熔纺的一个关键过程,直接影响丝束的速度分布和应力分布,影响纤维的结晶和取向形成过程。
纤维的取向度和结晶度等基本的结构参数随着纺丝速度的提高而逐渐增加,与此同时,纤维的断裂强度增加,断裂伸长则减小。
研究显示,熔融纺丝纤维成形过程和纤维结构所产生的对应变化如图2所示,可以简单地分为流动变形区(无取向作用)、取向结晶形变区(取向中间相和高倍拉伸过程)和塑性形变区(结晶和分子取向基本完成)。
在流动变形区因大分子仍然具有良好的流动性能和分子活性,取向易松弛,对于结构的形成影响不大;分子的取向和结晶主要发生在流动变形区之后的区域内,高度形变的高分子取向凝集相,可以作为晶核导致快速结晶;图2 高速熔融纺丝中纺程上纤维结构的形成发展过程而塑性形变区仅可能发生的冷拉伸作用,主要归结于空气的摩擦阻力。
由此可见POY 结构的形成过程主要是取向结晶形变区的贡献,无论通过何种技术,都以改变纤维取向结晶形变区的贡献和作用为前提。
212 提高POY 纺速的理论分析dF dx =W dV dx -gV+2πA τf (1)F ———纤维轴向张力(N )x ———轴向坐标(cm )W ———质量流量(g/s )V ———丝运行速度(cm/s )g ———重力加速度(cm/s 2)A ———纤维戴面积(cm 2)τf ———与空气阻力有关的剪切应力(N/cm 2)一般而言,提高聚酯的纺丝速度,必将导致纺丝、卷绕张力的增加,纤维的双折射取向增加而诱导纤维结晶的发展,使最终POY 的断裂伸长下降。
高速纺丝中纤维的结晶强烈地受卷绕张力或分子取向的影响。
分子的取向是高速纺丝成形过程中的主要内容,取向度受纺丝工艺条件的影响,尤其是纺丝卷绕速度、卷绕张力的影响,还受到纺丝熔体温度、冷却条件等因素的影响[4]。
提高聚酯POY 纺速的研究,首先可从高速熔融纺丝线上影响纤维结构形成的三个场[1](应力场、温度场、速度场)着手,进行必要的理论分析和推测,进行相关开发的可行性研究和论证。
纺程上纤维的在线张力分布可以用微分方程式(1)表示,从式(1)分析,POY 的品种规格和原料性能一旦确定,提高纺速从改变纺程上纤维的张力分布着手,可取的是改变空气对高速运行丝束的摩擦阻力,在不同的变形区内,实施减小丝束与空气摩擦阻力的任何措施都是有效的,式(1)中得到的启示是需要合理地改变丝束的冷却凝固条件,包括工艺设计和相关设备的设计和改良。
d T dx =-2πA C p Wh (T -T 3)(2)T ———丝束平均温度(℃)x ———轴向坐标(cm )A ———纤维截面积(cm 2)C p ———等压比容(J/g ·℃)W ———质量流量(g/s )h ———传热系数(J/cm 2·s ·℃)T———丝束温度(℃)T3———周围空气温度(℃)纺程上纤维的在线温度分布可以用微分方程式(2)表示,纺程上高速运行的丝束,温度场的存在对丝束取向结晶的形成和发展起着重要的作用,合理地改变纺程上丝束的温度分布可以有效地抑制纤维的结晶程度。
同上分析,由式(2)可见提高纺速从改变纺程上纤维的温度分布着手,可变的参数是传热系数和周围的空气温度,仍然归结于丝束的冷却凝固条件,设想通过在喷丝板下设置缓冷装置及对冷却吹风条件或系统的改良,将会起到积极有效的作用。
上述对于熔纺过程的理论分析是建立在高聚物流动是稳态、连续的基础上,纺丝线上各点在每一个瞬间所流经的质量流量相等,即满足高聚物流动的连续性基本规律,如式(3)所示。
ρVA=W=常数(3)ρ———高聚物密度(g/cm3)V———丝束运行速度(cm/s)A———纤维截面积(cm2)W———质量流量(g/s)在提高聚酯POY纺丝速度的研究过程中,同样需要遵循这一连续方程,丝束在线密度、速度和截面大小三者的乘积保持不变,然而各单一因子则可通过各种技术手段进行调整和变化,目的在于达到抑制纤维超分子结构的发展。
纺程上纤维的在线速度分布可以用微分方程式(4)表示。
dV dx =Fβ·ρVW(4)V———丝束运行速度(cm/s)x———轴线坐标(cm)F———纤维轴向张力(N)ρ———高聚物密度(g/cm3)β———熔体拉伸粘度(g/cm·s)W———质量流量(g/s)从式(4)分析可得,纤维轴向张力以及熔体拉伸粘度的改变都能有效地改变纺程上纤维的速度分布情况,通过工艺参数的调整和选择,合理控制取向结晶形变区的拉伸粘度和纤维轴向张力,将是能否提高POY纺速的关键。
POY的取向度随着传热系数、卷绕速度、挤出粘度和流量强度的倒数的增加而增加,而喷丝头拉伸比的影响是较次要的因素。
这是纺丝取向的特点,它和冷拉伸过程不同,在冷拉伸中,拉伸比则是重要的因素。
纺程上纤维结晶度与成核速率和晶体生长速率有关,均是温度的函数,高速纺丝中,由于丝束受到的应力变大,大分子的取向规整性区域变大,生成晶核的临界温度也变得越高,取向高的体系能在较高的温度下形成晶核,取向低的则相反需要较大程度的过冷才能形成晶核,为此高的纺丝速度,容易产生取向的诱导结晶作用。
通过上述的理论分析可知,对于常规聚酯而言,提高POY的纺丝速度从改变纺程的三场分布出发,具有一定的理论可行性,涉及到对现有POY 纺程的工艺和设备的创新、优化设计,控制和改变纺程上纤维超分子结构的发展和形成。
99年美国杜邦公司的丝束冷却凝固突破性工艺创新与德国老牌合成纤维生产设备制造商巴马格公司新型的E VO SPEE D超高速高性能柔性纺丝机相结合,在用于POY生产时,工艺速度可达4500～4600 m/min,在保持传统拉伸比的情况下,品质有进一步的提高,技术开发的内容和采取的相应措施,与前面方程式(1)、(2)、(4)所分析的要素相吻合,丝束冷却凝固工艺的突破,改变了纺程上丝束的摩擦阻力,改变了丝束与周围空气的传热,使得各项条件的变化有利于减少纤维取向和结晶的发展。
然而针对现有聚酯长丝装置的生产厂家而言,采用对设备不作全新设计和较大改造的聚酯化学改性和物理改性方法达到提高纺速的目的,将更具有实际意义,真正实现装置竞争能力柔性能力的提高。
一般容易理解通过聚酯化学改性制得低结晶速率的改性聚酯以达到提高POY纺速的原理,实际在前述的理论分析中,采用聚酯物理改性技术,在保证高聚物流动连续性规律的同时,不难理解调控纺程上丝束在线速度和截面的分布,同样可以达到对纤维超分子结构的控制。
3 化学改性技术和物理改性技术[5～7]311 化学改性技术所谓化学改性技术一般是指通过在聚合过程中采用间位酸或通过添加第三组分,聚合获得低结晶速率的化学改性聚酯,使高速纺丝线上纤维取向和结晶发展得到削减,该种技术的应用无需对设备进行改造,也不需要添置其它辅助设备,便于在现有的生产装置上应用,POY纺丝速度可提高至3400～3800m/min,生产能力增幅可达13%。
德国吉玛公司、伊文达2费瑟等公司在聚酯化学改性技术的开发研究方面取得了较大的进展,聚酯的化学改性技术已得到工业化应用,近年来,国内也有该项技术的研究和工业化应用报道。
然而该技术的不足在于提高纺丝速度的幅度有限,难以实现纺速的大幅度提高。
此外,由于选用了与常规聚酯不同的二单或第三单体共聚,聚合工艺和最终产品都与常规聚酯存在差异,特别是产品的性能和应用性能存在差异,这种特殊改性的低结晶聚酯,更容易被理解为一种新的聚酯原料,一种新的聚酯差别化产品,如具有高收缩、低结晶性能的改性聚酯等。