收稿日期:2006201215。
作者简介:王永恒(19752),男,甘肃武威人,助理工程师,工学学士,从事化纤、化工设备研究工作。喷丝板的设计
王永恒,石彩杰,崔再治
(大连合成纤维研究所股份有限公司,辽宁 大连 116021)
摘要:介绍了熔融纺丝所用喷丝板的材质、喷丝板形状、熔体在喷丝孔中的流变特征,喷丝板微孔几何形状重要参数,喷丝孔排列方式,开孔范围及孔间距,喷丝板的厚度。关键词:熔纺;喷丝板;设计中图分类号:TQ340.5; 文献标识码:B 文章编号:100828261(2006)0320027204
近年来,合成纤维的开发和研究进入了一个新
阶段。合成纤维品种规格差别很大,采用的纺丝机
的形式及工艺条件也多种多样,而喷丝板作为纺丝
机不可缺少的精密部件,其功能是将纺丝泵(或称
计量泵)精确计量过的纺丝熔体通过喷丝板上的微
孔喷挤出具有一定粗细和质地细密的纤维束。它的
形状及特征尺寸是保证纤维成品品质的重要条件。
1 喷丝板的材质
喷丝板工作状态相当苛刻,既要承受高温高压,又要保证纤维的品质要求。喷丝板的材质对其机械
性能和使用寿命和周期有很大的影响。通常材质的
硬度越高,喷丝板的使用寿命就越长,但是其加工难
度会加大,所以需选用耐高温、耐腐蚀以及具有优良
机械性能的不锈钢为材质。常用不锈钢有SUS304,
SUS316L,SUS321,SUS431以及SUS630,其特性如表1所示。
其中SUS316加工性能好,耐腐蚀性好,熔融纺
喷丝板多用SUS316加工;SUS630的机械强度较高,耐腐蚀性好,常用于制造耐高压的喷丝板。
表1 喷丝板材质的特性Table1 Propertiesofspinneretmaterial
牌号对照AISI(美国)DIN(德国)JIS(日本)GB(中国)3041.4301SUS3040Cr18Ni93161.4401SUS304-316L1.4304SUS316L0Cr18Ni14Mo3211.4541SUS3211Cr18Ni9Ti4311.4057SUS4311Cr17Ni26301.4542SUS6300Cr17N
i4Cu4Nb
合金元素的质量分数/%C≤0.080.080.030.120.170.17
Cr18～2016～1816～1817～1915～1715.5～17.5
Mo-2～32～3---
Ni8～10.510～1410～148～111.5～2.53～5
Cu-----3～5
Ti---2～3-
-Nb/Ta-----0.15～0.45
机械物理性能硬度HB130～180130～180130～180130～180HRC26～35HRC28～44
磁性无无无-有有
抗拉强度/MPa496～600496～600480～600490～600785～1370840～1370屈服强度/MPa196205176205588785延伸率/%504550501414～22
密度/(t·m-3)7.97.957.957.97.77.75弹性模量E/GPa197197197197204209 第19卷第3期 2006205 聚酯工业 PolyesterIndustryVol.19No.3 May.2006 2 喷丝板的结构
2.1 喷丝板形状常用喷丝板为圆形,为适用于不同品种化纤纺
丝场合,圆形结构又分为平板型、凸缘平板型、平板
环型、凸缘环型等;也有矩形喷丝板,矩形喷丝板又
分为凸缘矩型及凸缘凹槽矩型等,多用于孔数较多
的短纤维纺丝。
2.2 熔体在喷丝孔中的流变特征聚合物熔体为非牛顿流体,是黏弹性流体,在小
孔中作黏性流动的同时,将发生弹性形变,而弹性形
变的存在是纺丝不稳定的关键因素之一。减小弹性
形变的方法可归结为:(1)减小熔体在小孔中的流动速度;(2)提高纺丝温度从而降低熔体黏度;(3)正确设计喷丝微孔的几何形状。显然前2种方案并不可行,因为纺丝速度不能
太低,纺丝温度不能过高。只有第(3)种方案可行。
而几何形状中主要是微孔直径、长径比、导孔形状对
熔体内弹性能的贮存及松弛程度有很大影响。下面
主要讨论微孔的几何形状中的几个重要参数。
2.3 喷丝板微孔的几何形状重要参数
2.3.1 微孔直径[1]
微孔直径计算公式为d0=2(4Q/πγR)1/3。
式中:d0为微孔直径,cm;Q为单孔流量,cm3/s;γR为孔理想剪切速率,s-1。
一般情况下理想剪切速率γR如表2。
表2 喷丝板设计剪切速率范围Table2 Spinneretdesignshearingratescope
高聚物温度/℃γR/s-1
PA66275105
PA6285102～103
PET280104
PE250102～103
一般情况下,熔体黏度越高,微孔直径宜越大。
以下高聚物黏度由小到大依次是:聚酰胺、聚酯、聚
丙烯,而纺相同规格产品时,三者喷丝板微孔直径由
小到大依次应是:聚酰胺、聚酯、聚丙烯。
喷丝板微孔的设计还应考虑喷丝头拉伸比,熔
体从喷丝板微孔挤出后,由于喷丝速度与卷取速度
间的速度差,使熔体细流在沿运行方向的速度场中
逐渐被拉长变细。喷丝头拉伸比过小,丝束拉伸不足,条干不匀,影响产品染色性能;喷丝头拉伸比过
大,拉伸过度,会造成单丝断裂,形成毛丝,生产状
况恶化。
喷丝头拉伸比R计算式为[1]:
R=πd20Vρ/4Q。式中:Q为单孔吐出量,g/s;ρ为熔体密度,一般取
1.18g/cm3;d0为喷丝板微孔直径,cm;V为第一导
丝辊速度,cm/s。
喷丝头拉伸比一般控制在80～200,纺丝效果
较好,生产涤纶FDY时,由于第一牵引辊速度较低,喷头拉伸比应小些,约80～100,而生产涤纶POY时喷丝头拉伸比应较大些。
2.3.2 微孔长径比根据熔体在微孔中流动特性的分析可知,增大
长径比有助于弹性能的松弛,减小出口处的压力和
膨化,纺丝相对稳定。选择长径比的原则是:①熔体在孔道中的停留时间t3必须大于熔体
的松弛时间(高速纺PET的松弛时间为10-3s)。②必须考虑喷丝板的加工的可行性和清洗条
件。同样直径,微孔越长,加工和清洗越困难。
只有满足了上述2点,才可适当增大长径比
(L/d0,L为微孔长度,d0为微孔直径)。常见喷丝板
的长径比列于表3。
表3 喷丝板的长径比Table3 Spinneretslendernessratio
高聚物喷丝板微孔长径比
聚酰胺2～4聚酯2～4聚丙烯5～10
2.3.3 导孔设计喷丝板导孔形状有带锥底的圆柱形、圆锥形、双
锥形、双曲线型和平底圆柱形等几种。见图1[2]。
以带锥孔的圆柱形用的最多,因为加工方便。圆锥
角θ大小在60°～120°。减小圆锥角,可缓和熔体的
收敛程度,因此,常选用90°和60°的锥角。
圆柱形导孔直径d与小孔直径do之比称为直
径收缩比。直径收缩比愈小,熔体在入口区获得的
弹性能就愈小。但d/do的值还与出口的稳定性有
关,导孔越小,出口压力降波动越大。当导孔直径d大于2mm,出口压力降变化很小,故d值不能过小,常用d值为2,2.5,2.8,3mm等几种规格,常规长
丝常用2mm导孔,短纤维用2.5;2.8;3.6mm等。82 聚酯工业 第19卷
图1 喷丝板导孔形状Fig.1 Spinneretguideholeshape
在导孔基础上增开导槽的方式目前被广泛采
用,可以增加熔体势能和流动性,降低熔体在入口区
获得的弹性能,减少板前网和喷丝板背面的接触面,尽可能减小出现死角的可能性,同时也缩短了熔体
停留时间,避免降解和炭化的产生。导孔+导槽方
式见图2。
图2 导孔+导槽方式Fig.2 Guideholeandguidegroovemode
2.3.4 导孔及微孔制造精度导孔及微孔的尺寸公差和光洁度对纤维成形的过程和品质影响最大,微孔应与喷丝板平面垂直,微
孔中心应与下导孔中心线重合;表面要经过梨面或
镜面处理。具体尺寸及公差值见表4。
表4 导孔及微孔制造精度Table4 Manufactureprecisionofguideholeandmicrohole
导孔参数主要尺寸精度备注d/mm2.0～6.0±0.02
do/mm0.2;0.25;0.3±0.001孔数<4000.45±0.005孔数<400
0.2;0.25;0.3+0.010-0.005孔数>400
0.45+0.015-0.005孔数>400
L/mm1;2;5;14;30±0.025长丝1;2;5;14;30±0.04短丝θ/°60±1.5t(板厚)/mm12～40±0.05
2.4 喷丝孔排列方式可以归纳为5种主要方式:即同心圆形、正方
形、菱形、一字形、分区均布等,见图
3。
图3 喷丝孔排列方式Fig.3 Orificearrangemode
矩形板通常用直线形排列;圆形板的同心圆形
排列应注意下面几个问题:(1)各小孔的出液应均匀一致,因此所有小孔
均匀地分组排列。尽量避免采用密集式排列。
(2)每根单丝应能得到均匀冷却,所以要有足
够的孔间距,外层孔的密度应比内层的稀,有利于冷
风吹入内层,提高冷却效果。(3)有足够的刚度,以避免加工喷丝板时发生
形变,保证在高温下具有足够的耐压能力。采用分
区排列,区与区的无孔带有加强筋的作用。
2.5 开孔范围及孔间距
开孔范围:(1)同心圆中心圈直径应大于20mm,末圈直
径应比喷丝板的外径小20～30mm;92第3期王永恒,等:喷丝板的设计(2)孔间距
a.周向间距,可用下式计算:
t0=πD0n0≥5mm。
式中:D0为喷丝孔圈层直径,mm;n0为每圈层喷丝
孔数。
b.圈层间距计算:
tD=12(Dn-D1n-1)≥4.5。
式中:Dn为末圈直径,mm;D1为首圈直径,mm;n为
总圈数。
2.6 喷丝板的厚度正常操作条件下,熔体到达喷丝板上的压力为
4MPa左右,但在喷丝微孔堵塞时,压力可高达10
MPa以上,设计压力不同,喷丝板的厚度也不同,其厚度可用下式计算:S=KD(mm)。式中:D为喷丝板直径,mm;K为与材料及熔体有关
的常数。
熔体压力与系数K值(材料ICr18Ti9Ti)见表5。
表5 熔体压力与K值Table5 MeltpressureandthecorrespondingKvalue
熔体压力/MPa4681015
K0.0800.1000.1130.1270.155
参考文献:
[1] 魏大昌.化纤机械设计原理[M].北京:纺织工业出版社,1991.[2] 郭大生,王文科.聚酯纤维科学与工程[M].北京:中国纺织出版社,2001.
Designofspinneret
WANGYong2heng,SHICai2jie,CUIZai2zhi(DalianSyntheticFiberResearchInstituteCo,Ltd.,Dalian116021,China)Abstract:Thespinneretmaterialusedinmeltspinning,thespinneretshape,therheologicalbehaviourofthemelt
inorifice,thespinneretmicroholegeometricimportantindexes,theorificearrangemode,theorificeopenedscope
anddistance,thespinneretthicknesswereintroducedindetail.
Keywords:meltspinning;spinneret;design
(上接第18页)表4 瓶级聚酯标准切片标准定值表Table4 Standardcertificationvalueofbottlegradepolyesterstandardchip
项目p标准值S总u允差D95n=1n=2黏度/(dL·g-1)200.86650.00070.00150.01240.0120端羧基/(mol·t-1)2021.270.270.521.601.545w(二甘醇)/%200.9950.00340.0710.0510.048w(间苯二甲酸)/%201.7470.00310.00580.0620.059DSC熔点/℃20248.380.2340.3630.5020.485w(乙醛)/10-6200.6460.0040.0050.1390.145结晶度/%2053.90.0250.0491.351.28L值2089.880.1300.2742.822.75a值20-0.9440.0160.0310.1750.171b值20-1.9090.00920.0170.2610.2537 结论
新的瓶级聚酯切片标准样定值项目包括特性黏
度、乙醛、DSC熔点、色值、间苯二甲酸、端羧基、结晶
度、二甘醇等主要品质指标。实验表明,新的瓶级聚
酯切片标准样品均匀性、稳定性良好,定值数据准确
可靠,满足瓶级聚酯切片的测试要求。
参考文献:
[1] GB1793122003,瓶用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)树脂[S].[2] BG8522003,瓶级聚酯切片定等质量指标[S].
Preparationofreferencematerialsofbottle2gradePETchip
CHENJin2guo,HANChun2yan,ZHOUJian2ping,XIALin2mi,QIANLi2qun(ManufacturingCenterofBottle2gradeResinofYizhengChemicalfiberCo.Ltd.,Yizheng211900,China)Abstract:Formtheaspectsuchasreferencematerialproduction,evennessandstabilitytest,referencematerialcer2
tificationvalueetc,thepreparationprocessofbottle2gradePETchipreferencematerialwereintroduced.Theresults
showedthattheevennessandstabilityofnewbottle2gradePETchipreferencematerialwasgood,thecetification
valuedatawasaccurateandreliable,thedeterminationrequirementsofbottle2gradePETchipweremet.
Keywords:PET;bottle2gradechip;referencematerial03 聚酯工业 第19卷