CN1023415C - 聚酯纤维的一步法制造方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及聚酯长丝的一步法纺丝方法及装置。根据本发明的发明人吴嘉麟和罗宁燕提出的非平衡熔融纺丝新理论，通过在纺程上安装一张力装置而给丝条施加一定张力，从而达到在3000米/分至3800米/分的卷绕速度下利用现有的生产POY丝的纺丝设备(纺程长度可短至3.6-3.9米)一步法制造无毛丝的、强度大于5CN/dTex的、伸度在16-35%之间、结晶度达50%的、均匀性达到工业化生产指标的全牵伸丝。本发明生产的FDY丝成本低，可直接用于针织和机织。

Description

本发明涉及化学纤维行业中聚酯纤维丝的生产，更具体地说，涉及全牵伸（FDY）或全取向聚酯纤维（FOY）的一步法制造方法及装置。

如本技术领域熟练人员所熟知的那样，由于制造聚酯长丝的二步法工艺通常具有成本高和后加工能力不足的缺陷，因此近二、三十年来，人们一直致力于制造聚酯长丝的一步法工艺的研究，现有的一步法工艺主要有下列几种：

（1）卷绕速度在5500米/分以上的超高速纺丝（适用于超高速纺丝的超高速纺丝机已投放市场，但价格昂贵）。

（2）卷绕速度为4000米/分-5000米/分的热管纺丝一步法（或所谓温度梯度法）。

（3）在熔融纺丝线上安装一对拉伸热盘的所谓“纺-拉一步法”。

（4）最近由例如Zimmer公司提出的通过改性聚酯PET切片进行的所谓结晶纺丝高速纺丝工艺，该工艺是在纺丝板和卷绕头之间不产生附加力的条件下，通过对聚酯切片改性而使其在纺程上结晶。

在这四种方法中，第（1）和（3）需要价格昂贵的超高速卷绕机和拉伸热盘，超高速卷绕机运转时机械磨损大，设备损耗严重，这也无形中提高了纤维丝的制造成本。第（2）种方法尽管采用了热风、热板、红外线、火焰、水蒸气等各种加热手段，对加热器的位置也作了一些研究，但如果在纺丝线上不附加张力，卷绕速度仍需在4000米/分以上，低于这个速度的热管纺丝一步法所得的纤维丝不是强度太低就是伸长过大（大于40%）或沸水收缩率过大（高于8%），不能满足服役性能要求。而且，通常采用的热管加热器的结构，导致工艺生产中生头困难。现有许多工厂生产预取向丝（POY）的卷绕速度在3000-38000米/分，如果能在这样的条件下一步制得FOY聚酯纤维丝，则设备投资都较上述三种方法少，可望大大降低FOY的生产成本。第四种方法由于需对纺丝原料聚酯切片进行改性，这样就使其成本提高。

中国专利申请第88105552.2号（发明人为吴嘉麟和罗宁燕）中提出了一种在3200-3800米/分卷绕速度下，通过在达到一定纺丝应力值的位置处将丝条加热至一定温度而制造全取向丝的方法和装置。采用这种方法，能比较成功地制得成本较低的FOY丝，然而，它也存在着一些局限和不足， 即这种方法采用的纺程一般都较长（一般为5米以上），并且需配备加热器和消耗热能，当对高速运动丝条加热时，丝条的温度值较难控制，从而纤维的均匀性指标较难保证。

本发明的目的是为了提供一种不需附加加热装置的、纺程可为较短的、纤维均匀性指标较高的在3000-3800米/分卷绕速度下一步制得全牵伸聚酯长丝的方法。

本发明的另一目的在于提供一种无附加加热装置的、纺程可为较短的、在3000-3800米/分卷绕速度下一步制得全牵伸聚酯长丝的装置。

本发明构思如下：

吴嘉麟和罗宁燕的非平衡熔融纺丝新理论指出，全取向或全牵伸丝的一步法成形本质是应力诱导细颈化结晶非平衡连续相变，并且细颈化结晶现象是一种临界或突变现象，即细颈化现象的临界条件是：达到一定的临界温度值和临界应力值;对于涤纶，临界温度的理论值为134℃，临界应力的理论值为1.55×10⁸达因/厘米²，当然，实际应用时还应对其修正，这通常是通过实验来进行修正的，经验的临界温度为（0.267-1）Tm，其中Tm为聚酯纤维的熔点。由上述理论出发。可得出两种不同的一步法制取全牵伸丝的方法。其一为：在纺丝张力达到临界应力值处对丝条加热至临界温度，这就是上述中国专利申请第88105552.2号所揭示的方法;其二为：在冷却至临界温度的丝条位置处，使无取向丝条突然受到一个足以产生细颈化结晶现象的临界应力，从而使其由无规取向状态突变至稳定的有序的细颈化结晶状态，即变成全牵伸丝，这就是本发明所构思的方法。从这个构思出发，本发明的在3000-3800米/分卷绕速度下以一步法制造聚酯纤维丝（FDY）的方法主要包含下列几个步骤：

（ⅰ）熔融聚酯由喷丝孔挤出，

（ⅱ）聚酯在纺程上拉丝成形，

（ⅲ）冷却、上油和卷绕得到产品。

上述方法的特征在于所采用的卷绕机的卷绕速度为3000-3800米/分，其中较佳为3000-3500米/分。步骤（ⅱ）中，在纺程上，由喷丝孔流出的高速丝条在侧吹风作用下冷却至临界温度，在丝条达到该临界温度的纺程位置处安放一张力装置，使运动丝条上的张力突变至临界应力值或临界应力以上，从而使无取向丝条突然受到一个足以产生细颈化结晶的临界应力而突变至稳定的长程有序的细颈化结晶状态，这里，对无取向丝条以突变方式施加张力是消除毛丝的关键，如果施加的张力是多级或逐渐增加，则将产生毛丝和引起条干不匀。

上述喷丝板的温度、侧吹风风速和温度应是严格相同的，从而保证了离喷丝板距离相同的各丝束的温度也相同的，因而在纺丝线上不加温度自动调节器就能比以前使用的加热方法更精确地控制丝条的临界温度。

本发明的关键在于施加张力的张力装置，它可以是由两排导丝器构成的。第一排导丝器定位于处于临界温度的丝条处和对丝条集束;第二排导丝器可用来调节纺丝张力值的大小，以达到临界应力值和获得所需的强伸度。所述导丝器的几何尺寸应使运动丝条在导丝器上的轨迹在两条弧形曲线之间，用以控制丝条在导丝器上的摩擦力分布，从而使强伸度不匀率达到生产要求，并由此减小断头率。上述两排导丝器间的距离可以根据要求的临界张力值进行调节，它受许多因素的影响。一般来说，在工作时，两排导丝器间的垂直距离在3-20cm之间，前后距离为2-10cm之间。

经导丝器施加张力后的丝条一般应经过该领域技术人员熟知的冷却、上油和卷绕过程，为了提高长丝的卷绕成形和后加工性能，还可对其进行吹捻。所述冷却过程最好由30-70cm的侧吹风完成。

本发明所述方法适用的纺程长度，即喷丝板至卷绕点的间距一般为3.6-3.9米，当然，毫无疑问，更长的纺程也是可行的，譬如可长至6米，而且效果更好。

以上叙述了在30000-3800米/分卷绕速度下一步法制造FDY丝的方法，下面将描述实现该方法所采用的装置。

本发明所述的一步法制造聚酯长丝的装置包括纺丝机、卷绕机和作为本发明一个主要内容的张力装置，其中，纺丝机可如该技术领域技术人员所熟知的那样，包括喷丝板、导丝器、侧吹风窗、甬道、上油装置和其他附件，如为提高聚酯长丝卷绕成形和后加工性能而设置的吹捻装置。所述卷绕机为可在3000米/分至3800米/分之间的某个卷绕速度下运行的纺丝行业中通用的各种卷绕机，尤 其可采用现有的许多卷绕速度为3000米/分至3500米/分的卷绕机。上述纺丝机的纺程长度，即喷丝板至卷绕点的间距一般可短至3.6-3.9米，当然，更长的纺程也是完全可行的。

如上所述，本发明的关键在于在冷却到临界温度的丝条位置处，或者说在冷却到离喷丝板的一定距离处给丝条施加一张力。施加张力是由张力装置实现的，该张力装置可以是由固定在纺丝机上的两导丝器构成的，每排导丝器的数量与一个纺丝甬道内的丝束数目相同，如可为4个、6个、8个等，每个导丝器都不能作轴向旋转运动。第一排导丝器应处于达到临界温度的丝条位置处，即离喷丝板的一定位置处，第二排导丝器与第一排导丝器共同作用，以调节和达到临界纺丝张力，并同时控制两排导丝器上丝条的运动轨迹。第二排导丝器相对于第一排导丝器的垂直距离（即纺程方向）一般为3-20cm，前后距离为2-10cm。

本发明所述的一步法制造聚酯长丝（FDY）的方法能使用国内外化纤行业现有的卷绕机速度为3000-3800米/分的生产POY的纺丝设备，尤其适用于纺程长度短至3.6-3.9米的纺丝机，例如Zimmer、Barmag、日本东洋纺等公司生产的纺丝设备，工艺上不需作任何改动，就能利用本发明方法及装置实现一步法纺丝，获得强度为3.4-6g/d、伸度为16-38%、沸水收缩率为2-6%、结晶度达50%、双折射值为0.155的全牵伸丝。采用本发明方法制造FDY丝，由于它省去了后拉伸工序，纺程上又不需要加热，使其生产成本与生产POY丝相近，染色性能优于二步法工艺，特别适用于制造45D-75D细旦丝，采用本发明方法制得的纤维丝，不需进一步处理，就可直接用于针织和机织生产。

下面将结合实施例对本发明进行更深入具体的说明。

图1是本实施例所述制造聚酯长丝的装置的正视示意图。

图2是本实施例所述制造聚酯长丝的装置的侧视示意图。

图3是本实施例所述方法制得的聚酯长丝的典型热分析图谱。

实施例1

参见图1和图2，本实施例所述的聚酯长丝一步法制造装置包括喷丝板1、侧吹风窗2、张力装置3、第一排导丝器4、第二排导丝器5、上油装置6、卷绕机7、吹捻装置8和门框9等，其中卷绕机7选用Barmag公司制造的纺速为3000米/分-3500米/分的高速卷绕机。作为本实施例所述装置的主要内容、所述张力装置3位于喷丝板1下方，侧吹风窗2前方，该张力装置3由两排导丝器4，5和门框9组成，门框9的横梁上安放由4只V型导丝器组成的第一排导丝器4，对应于喷丝板1下来的四束丝，第一排导丝器4离喷丝板1距离为442mm。一般来说，两排导丝器与丝条接触面的曲率半径为1-100mm之间，在本例中，第一排导丝器与丝条接触面的最大曲率半径处的曲率半径选为8mm，第二排导丝器的曲率半径选为4mm。第二排导丝器距第一排导丝器的垂直距离为74mm，前后距离为41mm。本例中纺制的聚酯长丝旦数为75旦，切片特性粘度为0.680。

本实施例所述的一步法制造全牵伸聚酯长丝的工艺包括下列步骤：

（1）4束丝由孔数为18和孔径为0.2mm的喷丝板1喷出，在侧吹风作用下冷却。

（2）经距喷丝板1442mm处的第一排导丝器集束。

（3）再经距第一排导丝器4垂直距离为74mm，水平距离为41mm的第二排导丝器5而受到一个张力。

（4）由侧吹风冷却后上油。上油装置6与门框9成为一个整体，它起到了将门框9在侧吹风窗2中位置固定的作用。

（5）由吹捻装置8吹捻。

（6）最后由卷绕机7卷绕。

由以上工艺得到的样品，其强度为4.6克/旦，强不均率为2.8，伸长为33%，伸不均率为3.89，沸水收缩率为3.6%，乌斯特值为1.16，纤度不均率为0.43。

在本实施例中，还对产品进行了差热分析（见图3），在差热分析图谱中，发现其玻璃化转变峰都已消失，其图谱接近于二步法制取的全牵伸丝图谱。

作为本实施例的一个对比例，在所有纺丝条件不变的情况下，去掉张力装置，即为普通POY丝纺制装置，所得样品的强度为2.4克/旦，强不均 率为2.7，伸长103%，伸不均率为3.8，纤度不均率为0.42。

实施例2

在本例中：两排导丝器间垂直距离为30-200mm，水平距离为20-100mm。两排导丝束与丝束接触的曲率半径范围为1至100mm。纺丝用切片粘度为0.675。所得部分实验结果见下表。（表见文后）

在上述实施例中，聚酯长丝的各种性能指标是采用工业化生产测定聚酯牵伸丝的一般方法和仪器测试的，所遵照的国标为GB8960-88。

样品号    纤度    强度    伸度

平均值    CV%    CN/Tex34.9    CV%    %    CV%10.4

1＃    73.3    0.39    37.7    4.83    40.5    7.8

2＃    77.4    0.18    45.6    1.95    37.5    3.9

3＃    77.7    36.2    2.6    33.1    3.9

4＃    77.4    34.1    1.9    33.6    2.4

5＃    78.0    1.45    33.2    2.47    25.8    6.8

6＃    77.5    0.09    35.8    3.7    40.4    2.66

7＃    77.5    0.27    43.6    0.37    34.5    5.8

8＃    77.7    38.6    1.12    26.9    4.2

9＃    77.4    0.37    33.8    0.51    25.4    2.8

30＃    77.8    0.46    28.8    2.47    37.6    0.2

32＃    78.3    28.0    2.53    36.7    1.75

62＃    77.2    30.8    8.5    46.6    7.4

Claims (9)

1、一种一步法制造全牵伸聚酯长丝的方法，包含下列步骤：

(i)熔融聚酯由喷丝孔挤出，

(ii)聚酯在纺程上拉丝成形，

(iii)冷却、上油和卷绕得到成品。

其特征在于该方法采用的卷绕速度为3000-3800米/分，其中较佳为3000至3500米/分，并且在步骤(ii)中，在纺程内丝条冷却到临界温度的纺程位置对丝条突然施加一大于或等于临界应力的张力。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于所述临界温度的经验值为（0.267-1）Tm，其中Tm为聚酯熔点。

3、如权利要求1所述的方法，其特征在于所述丝条在纺程上的冷却是由侧吹风达到的。

4、如权利要求1所述的方法，其特征在于所述纺丝的纺程长度为3.6至3.9米。

5、如权利要求1所述的方法，其特征在于所述施加张力是由两排导丝器构成的张力装置来完成的。

6、如权利要求5所述的方法，其特征在于所述第一排导丝器定位于所述临界温度处，第二排导丝器用来调节所述纺丝张力值的大小，两排导丝器的垂直距离为3-20cm之间，前后距离为2-10cm之间。

7、一种一步法制造全牵伸聚酯长丝（FDY）的装置，包含由喷丝板、侧吹风窗、甬道、上油装置等构成的纺丝机和卷绕机，其特征在于所述卷绕机的绕速为3000至3800米/分，其中较佳为3000至3500米/分，并且在纺程内丝条冷却到临界温度的纺程位置处安装由两排导丝器组成的张力装置。

8、如权利要求7所述的装置，其特征在于所述纺程长度为3.6-3.9米。

9、如权利要求8所述的装置，其特征在于所述两排导丝器的垂直距离为3-20cm之间，前后距离为2-10cm之间。

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