高速紡PBT-POY 黑色長絲生產(chǎn)工藝探討及成型不良原因分析

王保柱

（蘇州寶麗迪材料科技股份有限公司，江蘇蘇州 215000）

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，新型的化纖新材料不斷被開發(fā)并廣泛應(yīng)用于人們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷?。具有良好彈性、染色性和穿著舒適性的PBT（聚對苯二甲酸丁二醇酯）長絲產(chǎn)品發(fā)展勢頭迅猛，已成為聚酯家族中的新寵。但是，由于傳統(tǒng)染整工藝能耗大、成本高、污染嚴(yán)重的缺陷也使其發(fā)展受到一定限制。近幾年來，原液著色技術(shù)在PBT 長絲生產(chǎn)上的應(yīng)用，為破解這一難題提供了契機(jī)。不過，因PBT 聚酯具有結(jié)晶快、彈性高、收縮率大的特性帶來的高速紡紡程張力過大、POY 卷裝成型困難、易發(fā)生凸肚和凸肩的缺陷，在黑色PBT-POY 生產(chǎn)時(shí)表現(xiàn)得更為突出[1-3]。為此，本課題將針對這一問題展開討論和研究。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

纖維級PBT 切片[江蘇恒力和江蘇興盛新材料有限公司生產(chǎn)，特性粘度IV （0.8～1.02）dl/g，熔點(diǎn)Tm（225～228）℃，端羧基—COOH 29.5mol/t]；PBT 黑色母粒[蘇州寶力塑膠材料有限公司生產(chǎn)，特性粘度IV 0.6875dl/g，熔點(diǎn)Tm（225～229）℃,炭黑含量30%]；油劑（日本進(jìn)口滌綸紡絲油劑，型號竹本F-2707）。

1.2 主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備和測試儀器

1.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

干燥設(shè)備，沸騰床式結(jié)晶器和充填式干燥塔（鄭州中遠(yuǎn)）；JWM135/25 螺桿擠出機(jī)，Φ135 螺桿，長徑比L/D25，螺桿頭部帶銷釘混煉頭（上海金緯）；PF2T 立式雙筒套缸過濾器，過濾面積2×2.34m2，過濾精度30μm（蘇州東海濾機(jī)設(shè)備有限公司）；紡絲機(jī)，側(cè)吹風(fēng)裝置（北京中麗）；SW46SSD 卷繞頭（巴馬格）；小型充填式干燥塔；稱重式母粒注射機(jī)（進(jìn)口METTLER）。

1.2.2 測試設(shè)備

NCY-4 型自動烏氏粘度儀（上海思爾達(dá)科學(xué)儀器有限公司）； WRX-1S 型顯微熱分析儀（上海精密儀器有限公司）；YG029 全自動單紗強(qiáng)力機(jī)（常州紡織儀器廠）。

1.3 工藝流程

工藝流程見圖1。

圖1 工藝流程圖

2 結(jié)果與討論

2.1 干燥條件

干燥條件見表1。

表1 干燥條件

2.1.1 PBT 切片干燥

PBT的分子結(jié)構(gòu)和PET（聚對苯二甲酸乙二醇酯）一樣，具有親水基團(tuán)羥基—OH 和羧基—COOH，會吸收和結(jié)合大約0.2%～0.3%的水份，在高溫紡絲過程中易發(fā)生水解而使PBT 聚酯熔體粘度降低，產(chǎn)生飄絲斷頭和毛絲，影響紡絲正常進(jìn)行，降低產(chǎn)品質(zhì)量。因此，必須對PBT 切片進(jìn)行有效干燥。由于PBT 在36℃左右發(fā)生結(jié)晶，所以PBT 切片不需結(jié)晶，可以直接進(jìn)行干燥，也可經(jīng)過結(jié)晶器初步去除表面水份，再進(jìn)入干燥塔干燥，一般來說，如果用干壓縮空氣作為氣源，干燥溫度140℃～150℃，干燥8h～12h 即可除去切片毛細(xì)孔結(jié)合水，使PBT 切片的含水率降低到50×10-6以下，滿足高速紡絲生產(chǎn)要求。

2.1.2 黑色母粒干燥

同PBT切片一樣，PBT黑色母粒也帶有大約0.1%的水份，需要經(jīng)過干燥去除水份。但是，因?yàn)镻BT的柔性鏈段較長，有4 個(gè)亞甲基—CH2，活性較強(qiáng)而易于結(jié)晶，母粒干燥時(shí)無需再結(jié)晶和攪拌。一般用干燥壓縮空氣作為氣源，干燥溫度120℃～130℃下干燥6h～8h 即可。因?yàn)镻BT 黑色母粒是在PBT 基體中，加入了大約30%的炭黑，炭黑粉體的加入相當(dāng)于增加了成核劑晶核，使黑色母粒的結(jié)晶度更高。母粒結(jié)晶度的增大[4-7]，不利于黑色PBT 母粒在螺桿中的熔融，結(jié)晶度大的母粒需要吸收更多的熱量才能熔融，其熔融速度要晚于PBT 切片，部分還沒來得及完全熔融的母粒被先熔融的切片熔體 “包裹住”變成難熔物，被帶到預(yù)過濾器內(nèi)，堵塞濾芯，使過濾器的使用周期縮短。所以，PBT 黑母粒的干燥溫度不宜過高、時(shí)間也不宜過長，要比PBT 切片干燥條件弱化一些。

2.2 紡絲卷繞

2.2.1 紡絲溫度

PBT 黑色母粒在加入紡絲系統(tǒng)后，往往會引起紡絲組件壓力降低10bar 左右。主要原因是，黑色母粒的生產(chǎn)是用雙螺桿在一定溫度下，通過強(qiáng)的剪切力將炭黑粉體強(qiáng)制分散在PBT 樹脂基體中。這種強(qiáng)烈的剪切作用使PBT 基體樹脂急劇升溫并發(fā)生降解，造成母粒的特性粘度降低，加入紡絲系統(tǒng)后引起紡絲熔融體系的粘度降低，粘度一般降低（0.06～0.10）dl/g，直觀表現(xiàn)為組件壓力降低。為使紡絲熔體的粘度適合紡絲生產(chǎn)，PBT 黑絲生產(chǎn)時(shí)，需要適當(dāng)降低紡絲溫度，箱體溫度比本色絲低3℃～5℃。但是，黑色母粒結(jié)晶度的提高，使黑色母粒的熔融溫度升高，熔融需要吸收更多的熱量，相對于PBT 切片母粒融化時(shí)間滯后。所以，螺桿各區(qū)的溫度需要適當(dāng)高些或保持和本色絲一致。具體需根據(jù)產(chǎn)品規(guī)格和母粒加入比例來綜合考慮，當(dāng)產(chǎn)品單絲纖度大、母粒加入量高時(shí)，紡絲溫度的降低幅度就大，反之亦然。50D/24f PBT-POY 紡絲狀況比較見表2。

表2 50D/24f PBT-POY 紡絲狀況比較

2.2.2 側(cè)吹風(fēng)條件

由于PBT 易結(jié)晶且結(jié)晶度高，如果冷卻成形條件過強(qiáng)，會產(chǎn)生較多的毛絲甚至斷頭。為減少毛絲和斷頭并降低紡程張力，應(yīng)緩和冷卻條件，需適當(dāng)提高風(fēng)溫、降低風(fēng)速，甚至增大緩冷區(qū)的高度。這也有利于分子鏈段取向更加均勻，并能有效減小內(nèi)應(yīng)力的集聚，對POY 卷裝成型有利。但是，若冷卻條件太弱，則會出現(xiàn)在集束上油后，絲束溫度仍然高于PBT 的結(jié)晶溫度，使POY 的結(jié)晶過程發(fā)生在卷裝成型之后，這時(shí)再進(jìn)行結(jié)晶會造成絲條收縮，產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，不但會引起成型不良而發(fā)生凸肩，還容易把紙管拉變形導(dǎo)致“絲餅抱死”現(xiàn)象，造成浪費(fèi)。所以，冷卻條件的選擇對PBT-POY 紡絲來說尤其重要。實(shí)驗(yàn)表明，生產(chǎn)50D/24f黑色PBT-POY時(shí)，風(fēng)速0.36m/s～0.40m/s，風(fēng)溫22℃～24℃比較合適。

2.2.3 上油及集束位置

給POY 上油不但能增大單絲之間的抱合性，減小絲束與導(dǎo)絲器、單絲與空氣之間的摩擦力，提高后加彈時(shí)POY 的退繞性能，更重要的是有利于減小紡程張力，消除絲束高速拉伸而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。但是，如果上油過早集束位置過高，雖說能夠抑制PBT-POY 的過早快速結(jié)晶，卻會留下在紡程中再次結(jié)晶帶來的的隱患，即卷繞張力增大及絲束內(nèi)應(yīng)力的積聚。所以，黑色PBT-POY 的上油集束位置要適當(dāng)降低，上油量要適當(dāng)提高。經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，生產(chǎn)50D/24f 黑色PBT-POY 時(shí)，集束位置800mm～1 000mm、上油量0.5%比較合適[8]。

2.2.4 紡絲速度和卷繞成型

50D/24f 黑色 PBT-POY紡速和成型狀況比較見表3。

表3 50D/24f 黑色 PBT-POY 紡速和成型狀況比較（巴馬格SW46SSD 卷繞頭）

2.2.4.1 紡絲速度

在POY 紡絲時(shí),紡絲速度是重要的技術(shù)參數(shù)，選擇的是否合適，不僅影響POY 的可紡性及加彈的加工性能，還對紡程張力和POY 卷裝成型有重要影響。在PBT 紡絲體系中加入PBT 黑色母粒，經(jīng)高溫熔融后紡絲熔體的粘度變低，說明粘度降較大。尤其是，炭黑粒子的存在，使聚酯分子鏈段的規(guī)整度降低，炭黑粒子在分子鏈段之間起到了平滑劑和滾珠的作用，使分子鏈段之間的糾結(jié)和纏繞力減弱，在高溫狀態(tài)下受到拉力作用時(shí)，分子鏈段的相對滑移運(yùn)動變得容易，從而使黑色PBT-POY 的伸長大幅增大。正常的PBT-POY 伸長率一般為95%～100%。當(dāng)黑色母粒加入量達(dá)到5%時(shí)，同樣紡絲速度，POY 伸長率會增大30%～40%，達(dá)到140%左右。過大的伸長率產(chǎn)生較大的回縮力，使絲束的內(nèi)應(yīng)力增大，引起絲筒成型不良，突出表現(xiàn)就是凸肚又凸肩。為改善卷裝成型和后加工性能，通過采取提高紡絲速度來降低POY 伸長率的同時(shí)，也使分子鏈段的取向和結(jié)晶更趨完善，使成型后的PBT-POY 的絲條回縮率降低。通過增大導(dǎo)絲盤或輔助槽筒對卷繞頭的超喂率來降低卷繞張力，降低絲餅的內(nèi)在應(yīng)力，實(shí)驗(yàn)表明，紡絲速度（3 400～3 500）m/min， 卷 繞 張 力 控 制 在（0.06～0.08）CN/dtex， PBT-POY 的伸長率能夠穩(wěn)定在95%～100%， POY 卷裝成型良好，加彈時(shí)退繞順利。

2.2.4.2 卷繞成型

POY 卷裝成型的好壞，除了與卷繞頭結(jié)構(gòu)型式、卷繞成型方式、卷繞角的設(shè)置及卷繞頭機(jī)械狀況和衛(wèi)生有關(guān)外，還與卷繞張力、卷繞接壓和POY 的內(nèi)應(yīng)力大小有關(guān)。由于黑色PBT-POY 的紡絲速度選擇較高，勢必增大紡程上的紡絲和卷繞張力。卷繞張力太大會引起絲餅變形，影響后加彈時(shí)的退繞率。另外，PBT-POY 黑絲生產(chǎn)時(shí)較高的紡絲速度，也縮短了PBT-POY 在此過程中發(fā)生結(jié)晶和取向而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力的消除時(shí)間，導(dǎo)致POY 卷裝內(nèi)部集聚了較大的內(nèi)應(yīng)力，在消除內(nèi)應(yīng)力的過程中使絲條收縮，造成POY 卷裝嚴(yán)重變形，不但有明顯的凸肚，還伴有嚴(yán)重的凸肩及內(nèi)層蛛網(wǎng)絲。通過多次實(shí)驗(yàn)和成型參數(shù)匹配，選擇增大卷裝接壓、減小卷繞張力和增大卷繞角的方式，能夠很好地解決PBT-POY 成型不良問題。根據(jù)產(chǎn)品規(guī)格和黑母粒加入量的不同，選擇精密卷裝型式，卷繞接觸壓力210N～220N、卷繞張力（0.05～0.08）CN/dtex、成型角7.5°～8.0°等參數(shù)能夠成功解決上述問題。

2.3 環(huán)境溫濕度的影響

在PBT-POY 黑絲紡絲過程中，生產(chǎn)現(xiàn)場的溫濕度不僅影響紡絲的可紡性，還會影響到PBT-POY 的內(nèi)在質(zhì)量，尤其是對PBT-POY 結(jié)晶速度和結(jié)晶度、紡程張力和卷繞成型有較大影響。所以，需要保持紡絲和卷繞現(xiàn)場的溫度、濕度適中和穩(wěn)定。實(shí)踐表明，紡絲間溫度25℃～28℃，濕度60%左右，卷繞間溫度28℃～32℃，濕度85%，能夠有效消除靜電提高可紡性，還能穩(wěn)定紡程張力、消除絲束內(nèi)應(yīng)力改善絲筒成型，減少不良品產(chǎn)生。

3 物性指標(biāo)

PBT-POY 物性指標(biāo)見表4。

表4 PBT-POY 物性指標(biāo)

4 結(jié)語

針對黑色PBT-POY 結(jié)晶度高、伸長率大、卷裝凸肚又凸肩的問題，通過合理調(diào)整紡絲工藝條件，采取緩和的側(cè)吹風(fēng)冷卻、合適的干燥和紡絲溫度，尤其是提高紡絲速度、增大成型角、增大卷繞頭接觸壓力和減小卷繞張力的方法，不但能夠生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的適合加彈加工的黑色PBT-POY,還成功解決凸肩和凸肚等外觀成型問題， POY 卷裝成型良好。