細旦多孔聚酯預取向絲Barmag環吹紡絲組件的設計

吳金亮 王鐵軍 孫福 吳維光 張逢書 李釗大 宋峰

摘 要：采用Barmag環吹技術熔體直紡生產超細旦纖維，對133.3 dtex/144f細旦多孔聚酯預取向絲（POY）紡絲組件的設計和組裝工藝進行了研究。理論和生產實踐表明：133.3 dtex/144f品種噴絲板直徑為88mm，孔排列成4圈時情況最佳;噴絲板微孔長度為0.15mm 、微孔長徑比選擇為3.33時比較合適;特殊設計的噴絲板山峰槽導流結構，砂杯、導流板、分配板有效避免了組件內部的死角，增強了熔體的混合效果;當七層濾網規格為700目，搭配60目100 g金屬砂和80目200 g金屬砂時，組件的上機壓力為15.2MPa，上機成功率96.6%，使用周期45 d;實際生產中，組件預熱爐溫度設定為325℃，預熱時間為8 h并恒溫4 h，可以滿足生產需求。

關鍵詞：細旦多孔;噴絲板;組件壓力;金屬砂;過濾網

中圖分類號： TQ342

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2021）06-0049-06

收稿日期：2020-10-08 網絡首發日期：2021-04-15

基金項目：國家重點研發計劃專項項目（2016YFB0302703）

作者簡介：吳金亮（1976-），男，江西贛州人，高級工程師，主要從事新型纖維材料開發、功能性纖維、差別化纖維、復合纖維方面的研究。

通信作者：王鐵軍，E-mail：wangtiejun_wtj@163.com

Design of Barmag Ring Blowing Spinning Assembly of FineDenier Porous Polyester Pre-oriented Yarn

WU Jinliang1， WANG Tiejun1， SUN Fu2， WU Weiguang1，ZHANG Fengshu1， LI Zhaoda1， SONG Feng1

（1.Rongsheng Petuochemical Group Co. Ltd.， Hangzhou 311247， China;

2.College of Materials and Textiles， Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou 310018， China）

Abstract： An ultrafine denier fiber was produced by melt direct spinning with Barmag ring blowing technology， the design and assembly process of 133.3 dtex/144f fine denier porous polyester pre-oriented yarn （POY） spinning component were studied. The theory and production practice suggest that： the spinning condition is the best when the diameter of the spinneret of the 133.3 dtex/144f POY is 88mm， and the holes are arranged in 4 circles. The condition is suitable when the micropore length of spinneret is 0.15mm and the ratio of micropore length to diameter is 3.33. The specially designed groove diversion structure of spinneret， sand cup， guide plate and distribution plate can effectively avoid dead corners inside the assembly and promote the mixing effect of melt. When the mesh number of the seven-layer filter screen is 700， coupled with 100 g metal sand in mesh #60 and 200 g metal sand in mesh #80， the operating pressure of the assembly is 15.2MPa， the success rate is 97.6%， and the service life is up to 45 d. In practical production， when the preheating temperature is set to 325℃， the preheating time is 8h and the temperature is held for 4h， the production requirements can be met.

Key words： fine denier porous， spinneret， pressure of component; metal sand， filter screen

在熔體直紡的過程中，組件是被稱為紡絲心臟的核心部件。經熔體管道輸送到箱體的聚酯熔體通過計量泵精確計量后在其內部過濾、撕裂、混合，然后在穩定的壓力下擠出成型[1-2]。不同類型的產品需要由不同規格的紡絲組件來實現。生產的品種越高端，對組件的要求就越高。超細旦纖維133.3 dtex/144f是近幾年才逐步實現工業化生產的功能性纖維，屬于纖維中的高端品種。因此在紡絲過程中，難度遠遠高于常規的聚酯纖維。其組件的設計和裝配過程都有著特殊的要求，也可以說紡絲組件的優化直接影響著紡絲工廠的生產狀況和產品品質。本文重點闡述了有關Barmag環吹細旦多孔纖維133.3 dtex/144f紡絲組件的優化過程，為紡絲工廠提供一定的依據。

1 實 驗

1.1 設備和儀器

M3型超聲波清洗機（中國科學院上海聲學實驗室），全自動光學檢板儀（常州華紡紡織儀器有限公司），堿水洗保溫爐（鹽城華強化纖機械有限公司），真空清洗爐（江蘇自強化纖機械廠）。

1.2 清洗和組裝流程

組件殼、導流板、分配板→真空煅燒→人工刷洗→堿洗→超聲波清洗→烘干待組裝

噴絲板→真空煅燒→堿洗爐→人工清洗→超聲波清洗→壓縮空氣吹干→光學檢板→密封保存

組件殼→噴絲板→七層濾網→砂杯→三層濾網→金屬砂→三層濾網→分配板→導流板→壓圈

2 結果與討論

2.1 噴絲板孔徑和長徑比的選擇

噴絲板是紡絲組件的最關鍵部件，在實際生產過程中噴絲孔的孔徑和長徑比的選擇對產品品質造成很大影響[3-4]。孔徑是指噴絲板微孔的直徑，長徑比是指噴絲板微孔的高度和直徑的比。熔融紡絲過程中，熔體作為一種黏彈體，在經組件紡絲的過程中，會產生很大的內應力，因此噴絲板的孔徑和長徑比設計就顯得尤為重要，合適的孔徑和長徑比可以有效地消除大部分內應力。減少初生纖維的擠出脹大效應，提高成品絲的品質。一般單纖越細，孔徑越小，同時長徑比就應該越大。133.3 dtex/144f品種屬于多孔超細旦絲，如果孔徑設計的不合適，長徑比太大會造成剪切速率不良、噴絲板的清洗困難等弊端，組件的上機成功率會很低。一般來說，在充分考慮操作便利的情況下，通過紡絲生產過程中剪切速率和噴頭拉伸比的計算來設計合適的孔徑和長徑比。一般情況下，規模化生產超細旦聚酯與取向纖維時剪切速率應控制在12000 S-1左右，噴頭拉伸控制在250以下。通過式（1）計算133.3 dtex/144f的剪切速率：

式中：為剪切速率，S-1;Q為通過噴絲板熔體的質量流量，g/s;ρ為熔體密度（聚酯熔體為1.17 g/cm3）;n為噴絲板的孔數;R為噴絲孔的半徑，cm。

當紡絲速度為2850 m/min ，纖度為133.3 dtex，泵供量Q為0.63317 g/s。所以當R為0.0075mm時，剪切速率為11342.14 S-1。

在此條件下，通過式（2）計算出初生纖維的噴出速度：

式中：v0為初生纖維噴出速度，cm/s;Q為通過噴絲板熔體的質量流量，g/s;ρ為熔體密度（聚酯熔體為1.17g/cm3），g/cm3;n為噴絲板的孔數;R為噴絲板孔的半徑，cm。

當泵供量Q為0.63317 g/s， R為0.0075cm時，初生纖維的噴出速度v0為21.27cm/s。

在此條件下，通過式（3）計算出初生纖維的噴頭拉伸比：

式中：DR為噴頭拉伸比;vL為紡絲速度，m/min;v0為噴出速度，m/min。

當紡絲速度vL為2850 m/min，v0為1.27599 m/min（由21.27cm/s換算）時，可以計算出其的噴頭拉伸比DR為223.36，小于250。

由上述計算可知，當孔半徑為0.0075cm時，剪切速率為11342 S-1，噴頭拉伸比DR為223.4。適合生產133.3 dtex/144f 聚酯預取向絲細旦多孔品種。在大生產中，為了降低清洗難度，同時又能夠有效釋放熔體在噴絲板擠出時的內應力，選擇微孔高度為0.5mm，長徑比為3.33。圖1為在此理論計算的基礎上設計的噴絲板單孔截面圖。

2.2 噴絲板直徑、噴絲孔的排列方式的設計

聚酯纖維的孔數不同、纖度不同，噴絲板的直徑（簡稱板徑）自然就不同。一般情況孔數越多，纖度越大，板經就越大。但板經過大，熔體流量不足，會使得板面受熱不勻。如果板經過小，會導致組件腔內容量無法滿足要求，同時產生無法合理排列微孔的問題[5-7]。133.3 dtex/144f品種還需要考慮熔體進入組件內部后，熔體作用在噴絲板上壓力分布均勻性問題。根據流體力學中黏彈流體在壓力作用下的流動原理，把噴絲板的受力面設計成特殊的山峰型溝槽結構。如圖2所示，為了避免噴絲板中間留白部分產生熔體死角，將其設計成中心高、邊緣低，同時把噴絲孔的上部導流部分設計成互通的環形導流槽，這樣的結構使熔體在壓力的作用下，中間部分的熔體均勻的向噴絲板四周的導流溝槽擴散，然后沿著導流槽進入噴絲孔，有效地避免了熔體死角的形成。

常規噴絲板孔的排列方式大體上分為同心圓分布、菱形分布、星形分布和環形交錯分布等[8-10]。EVO環吹風這樣的冷卻形式比較適合做超細旦品種，冷卻風均勻的從圓周方向吹向初生纖維，使其均勻冷卻固化，有效減少絲束驟冷所帶來的皮芯效應。因此從133.3 dtex/144f品種的冷卻方式看，以環形交錯排列同時中間部分留有空白的排列方式能最大限度的發揮Barmag環吹風的冷卻效果。噴絲孔排列狀態的臨界值是在實驗中確定，孔的間隔存在最小值，孔的圈數存在最大值。實踐表明最小間距為2.2～2.3mm，最大圈數為10圈。133.3 dtex/144f品種應該在此范圍內確定噴絲板直徑和孔排列圈數。根據設備狀況和生產需求，當箱體溫度為292℃時，設計了如表1所示的幾組試驗，對比選出最佳方案。

表1的數據表明，133.3 dtex/144f作為細旦多孔品種，噴絲板直徑和孔排列情況對組件使用周期和生產狀況都有明顯地影響。如圖3所示，生產實踐表明，該品種噴絲板直徑為88mm，中心留白部分為50mm，噴絲孔排列成4圈，由內到外分別為30孔、34孔、38孔、42孔，每圈的孔數均勻分布。上機后板面溫度為290℃，從生產現場觀察，Barmag環吹風筒內的絲束最穩定，最大限度地發揮了Barmag環吹均勻冷卻的效果。同時組件使用周期為45 d，優等品為97.5%，滿足生產需求。

2.3 導流板、分配板、砂杯的設計

砂杯、導流板、分配板是組件內部可以重復使用的部件。這3個部件的設計對組件內部是否存在死

角及熔體的混合效果有重要影響。第一，把導流板設計成一種獨特的內凹型喇叭口，在熔體出口附近設計三道環狀溝槽，對熔體起到緩沖穩定作用。當熔體自喇叭口進入組件內腔經過緩沖后沿著導流板均勻向圓周方向擴散，成均勻的膜狀填充，保證了組件內各點壓力的均衡。第二，把分配板設計成中間厚邊緣薄的結構，邊緣設計成鋸齒狀，熔體沿著導流板流到底部后，再沿著邊緣的鋸齒狀通道流入砂杯內部，減少內部壓力不勻和內部死角的形成。第三，常規纖維的砂杯底部都設計成直孔，這樣的設計對清洗有利。但弊端是當噴絲板直徑大、孔數多時，直孔設計容易在組件內部產生死角，不但會影響組件的正常使用而且對產品品質產生不良影響，比如產生柱頭絲、弱絲、飄絲等問題。把砂杯設計成由內向外傾斜的15°斜孔，有效地避免了內部死角的產生，充分保證了熔體到噴絲板上各噴絲孔入口處的熔體壓力均勻性，保證整束纖維中單纖的一致性，有效提升了聚酯預取向絲產品品質。圖4為生產133.3 dtex/144f 品種時使用的導流板、分配板、砂杯實物圖。

2.4 組件壓力計算、金屬砂配比 、濾網規格的選擇

組件的初始壓力一般需要進行理論計算，然后根據計算結果合理設計試驗，再根據實際生產情況選擇最優的組合。紡絲組件的初始壓力一般在組件的入口處測量，初始壓力用于克服組件內部各部分產生的阻力。因此初始壓力應等于熔體經過分配板的壓力損失（P1）、濾網的壓力損失（P2）、金屬砂的壓力損失（P3）之和。用式（5）—式（7）表示。

式中：P0為紡絲組件初始壓力，其值等于組件入口處測量的壓力;Pi為熔體通過紡絲組件中第i個內件的壓力損失。

式中：μ為熔體動力黏度，240Pa·s;L為分配板孔高，m;n為修正系數2.9;D為分配板單孔孔徑，m;Q1為分配板單孔熔體流量，0.64×10-8m3/s。計算可知P1=0.14MPa。

式中：α為過濾網網孔間距，m;d為濾網網絲的直徑，m; μ為熔體動力黏度，240Pa·s;Q為熔體總體積流量，0.54×10-6m3/s;F為濾網總的通孔面積，m2。計算可知，P2=3.25MPa。

式中：e為金屬砂毛細孔深度，m;Ф為金屬砂球形度;μ為熔體動力黏度，240Pa·s;ε為金屬砂孔隙率;Vs為熔體在金屬砂中流動速度，m/s;L為金屬砂厚度，m;X為金屬砂直徑，m。

計算可知，P3=8.47MPa，故組件初始壓力約為P0=P1+2P 2+P3=15.11MPa。

由以上計算可知，組件的初始壓力主要消耗在濾網和金屬上。組件內部的密封材料、不銹鋼

金屬砂、濾網等屬于一次性濾材。其中不銹鋼金屬砂和濾網的功能主要有兩點：第一，對熔體進行撕裂、過濾、增壓、分配、剪切等作用。第二，當熔體通過時建立起紡絲生產所必需的組件壓力。如何選擇合適的濾網與不銹鋼金屬砂就顯得至關重要。在生產133.3 dtex/144f 時，對熔體在組件內建立壓力和過濾性能影響最大的是噴絲板上方的七層濾網和金屬砂。根據前面的理論計算，設計了多組七層濾網和金屬砂組合試驗（表2），最終找出合適的搭配方案。

實際生產表明，兩種不同規格的金屬砂同時使用對熔體的混合和撕裂效果要優于單一品種的金屬砂[11-13]。表2的數據說明，當七層濾網規格為700目搭配60目100 g和80目200 g金屬砂時，組件的上機壓力為15.2MPa，上機成功率達到96.6%，使用周期為45 d，滿足了規模化生產要求。

2.5 組件上機溫度、使用周期的控制

組件在上機使用前，必須經過預熱爐預熱。組件上機后其自身的溫度和正常的紡絲箱體溫度在經過一段時間后會達到平衡，但不是相同[14]。正常情況下組件內噴絲板的表面溫度要略低于箱體的溫度2℃左右。在達到平衡時間之前的成品無法保證其正常的物理和化學性能，其強度、伸長率、條干會產生較大差異，從而對后加工生產拉伸變形絲（DTY）的物理性能及染色均勻性產生影響。組件的平衡時間越短對紡絲而言就越有利，可以降低廢品率，提升優等品率。經過實際測量，組件預熱爐出爐至安裝到箱體的過程中持續時間約6 min。運輸過程有保溫的情況下，組件溫度出預熱爐后每分鐘下降約4～5℃。而在紡制133.3 dtex/144f品種時需要的箱體溫度為292℃。因此設定的預熱溫度為325℃。上機后實測組件的溫度為294℃，比紡絲箱體溫度略高。實測可知，組件溫度在7 min左右就與箱體溫度達到平衡。如果組件溫度過高，會使得平衡時間延長。還會造成熔體黏度下降、實際生產中會出現彎頭絲、黏板等異常情況，不利于紡絲鏟板、清板作業。組件預熱溫度過低，或者受熱不勻的組件上機，則熔體在進入組件后會快速降溫，造成黏度和流動性不良，壓力快速升高，出現注頭絲、硬頭絲等異常現象，影響組件正常吐出成纖，嚴重時組件壓力急速上升，存在安全隱患，比如引起紡絲箱體內熔體分配管變型或爆裂現象，在實際生產中應杜絕這類問題。

生產實踐表明，當組件在預熱爐中的時間達到8 h以上，并恒溫4 h，符合使用需求。低于8 h會使組件內外各點溫度不勻。組件上機前應先抽樣實測確認符合要求后在進行上機作業。需要注意的是在大生產中，組件的使用周期需要根據升壓情況和生產狀況來決定組件周期，按箱體管道和組件的設計標準，應控制組件下機壓力不超過20MPa，組件上下機的壓差小于2MPa。優選組件濾材，進行合適的搭配，組件上機初始壓力控制在15MPa左右，下機時組件壓力16.8MPa左右，以保證整個組件周期內的聚酯預取向絲產品物理性能的一致性，期間組件的使用周期為45 d。

3 結 論

本文采用Barmag環吹技術熔體直紡生產超細旦纖維，對133.3 dtex/144f細旦多孔聚酯預取向絲（POY）紡絲組件的設計和組裝工藝進行了分析，得出的結果主要有：

a）生產實踐表明，133.3 dtex/144f POY品種噴絲板直徑為88mm，噴絲板受力面設計成特殊的中間留白的山峰型溝槽結構，噴絲孔排列成4圈，使用效果最佳。

b）理論計算可知，噴絲板微孔長度為0.15mm 時比較合適。實際考慮清洗難度，同時又能夠有效釋放熔體擠出時的內應力，微孔長徑比選擇為3.33。根據133.3 dtex/144f POY產品特點設計了砂杯、導流板、分配板這三個部件的結構，有效避免了組件內部的死角，增強了熔體的混合效果。

c）兩種規格金屬砂同時使用時的熔體混合撕裂效果優于單一規格金屬砂。實踐表明，當7層濾網規格為700目搭配60目100 g金屬砂和80目200 g金屬砂時，組件的上機壓力為15.2MPa，上機成功率達到96.6%，使用周期為45 d，滿足了規模化工業生產要求。

d）生產133.3 dtex/144f POY品種時，組件預熱爐溫度為325℃，預熱時間為8 h以上，并恒溫4 h，可以滿足生產需求。

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