CN1036415A - 聚酯纤维的一步法制造方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一步法制取全取向聚酯纤维丝的方 法和实现该方法的装置，该方法特征在于：在3200～ 3800米/分卷绕速度下，在甬道的某一特定位置处 对丝束加热以使其结构发生变化，从而得到达到规定 性能要求的全取向丝；所述装置是在现有纺丝装置 上，附加上由加热平板和与此加热平板相配合的另一 带凹槽加热平板构成的平板加热器。由本发明制取 的全取向纤维丝，可直接用于针织或机织生产，其伸 长小，沸水收缩率低，而且成本低廉。

Description

本发明涉及纺织行业中聚酯纤维丝的生产，更具体地说，是涉及全取向聚酯纤维（FOY）的一步法制造工艺及装置。

七十年代初、中期，世界各国开发了3000-3500米/分纺制涤纶预取向丝（POY）的高速纺丝工艺，从此，涤纶纤维丝或聚酯纤维丝的制造工艺主要采用所谓二步法工艺。由于二步法工艺将高速纺丝工序与后拉伸工序分立，故聚酯纤维丝的制造成本仍较高，另外，二步法中前道工序采用高速纺丝，后道工序拉伸速度较低，因此在实际生产中出现了后加工能力不足的缺陷。为降低纤维丝的制造成本，节省能源和提高生产率，在70年代中、后期，发展了聚酯纤维丝的一步法制造工艺，即完全省略了后拉伸，而从熔融纺丝直接制得能满足服役性能要求的全取向丝（FOY）。

现有的一步法工艺归纳有以下三种：

（1）卷绕速度在5500米/分以上的超高速纺丝（适合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”。

在这三种方法中，第（1）和（3）种方法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）种方法中尽管已采用了热风、热板、红外线、火焰、水蒸汽等各种加热手段，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。再者，假如制造商已采用FOY一步法工艺，如果他再想制备POY纤维丝，则必须拆除加热器，这样就费工费时，缺乏灵活性，不适应不断变化着的市场对各种聚酯纤维丝的需求。

如果能在3200-3800米/分卷绕速度下一步制得FOY聚酯纤维丝，则大多数工厂利用现有的机械设备就能一步制得聚酯长丝，这样，其机械设备投资都较上述三种方法少，从而可望大大降低FOY的生产成本。

本发明的目的在于提供一种在卷绕速度为3200米/分-3800米/分下一步制造全取向聚酯纤维丝的工艺。

本发明的又一个目的在于提供一种卷绕速度为3200米/分～3800米/分左右的带有平板加热器的一步制造聚酯纤维丝的装置。

本发明构思如下：

吴嘉麟等的非平衡熔融纺丝新理论（1987年中国高分子年会论文预印集，P1149，吴嘉麟;中国纺织大学学报，Vol    12，No.1，吴嘉麟）指出，细颈化结晶现象是一种临界现象，由此得到：不论纺丝的历史如何，或不论用何种方法，只要能够达到一定的纺丝应力值并在此位置加温至一定温度，便能得到全取向的聚酯纤维丝（FOY），提高纺丝速度并不是唯一的和十分有效的途径。从这个构思出发，本发明的在3200～3800米/分卷绕速度下以一步法制造聚酯纤维丝（FOY）的方法主要包含下列几个步骤：

（ⅰ）熔融聚酯由喷丝头挤出，

（ⅱ）聚酯经过甬道拉丝成形，

（ⅲ）冷却、上油和得到成品。

上述方法的关键在于它采用的卷绕速度为3200～3800米/分，其中较佳为3200～3500米/分;步骤（ⅱ）中在甬道中和在纤维丝上纺丝应力为大于1.50×10⁸达因/平方厘米的任一值所对应的位置处将聚酯纤维丝条加热，使丝条温度达到（0.267-1）Tm左右，其中Tm为聚酯纤维熔点，作为一个更为实际姆桨福梦恢醚≡裨诙杂τ诜乃坑τ谖?.50×10⁸-1.60×10⁸达因/平方厘米范围内的任一值处，其中纺丝应力较佳为1.50×10⁸-1.55×10⁸，最佳为1.53×10⁸达因/平方厘米（0.13克/旦）处，达到上述应力值的纺程位置随纺丝速度、纤度、喷丝板孔数、不同的集束位置、不同的纺丝甬道结构及纺丝线上是否加张力而变化，该位置可根据用张力仪所测的丝束张力值除以卷绕丝截面积所得实际纺丝应力值是否处于上述本发明规定的应力范围内而确定。上述在达到一定应力值的纺程位置处对纤维丝的加热，加热区间可为0.5-1.3米，这样可以保证丝束温度达到上述规定的值（0.267-1）Tm，并保证了运动丝条结构发生变化所需的一段时间。

作为本发明的一个组成部份或变化形式，在上述对丝条加热之前或在上述加热位置的上方区间，可对丝条预热，预热温度一般小于0.267Tm，在本发明不附加任何张力装置的情况下，该区间范围大约为0-4米。经预热的丝束，在前述达到一定纺丝应力处的高温加热时，加热温度可相应降低或加热区间相应缩小。

本发明的聚酯纤维丝条在经加热后最好经过大于0.2米的自然冷却或经吹捻强迫冷却后上油，丝条不经冷却而上油，纤维强度将下降。另外，在丝条经加热后对其进行吹捻，将大大改善其卷绕成形性和后加工性能。

上述是本发明关于在3200～3800米/分卷绕速度下一步法制造聚酯纤维丝（FOY）的方法，下面还将叙述对应于上述方法的作为本发明另一重要内容的一步法制造聚酯纤维（FOY）的装置：

本发明所述的一步法制造聚酯纤维丝（FOY）的装置包含纺丝机、卷绕机和作为本发明一个主要内容的平板加热器。其中，纺丝机可如该技术领域中人们所熟知的那样，包括喷丝板、导丝器、甬道、上油装置和其他附件，如为提高聚酯纤维卷绕成形和后加工性能而增设的吹捻装置。

本发明可采用的卷绕机为纺丝行业中各种常用的卷绕速度大于3000米/分的卷绕机，但由于太高的卷绕速度会使机器磨损加剧，对机器的其他性能要求也更高，而且，现有技术已有4000米/分以上的一步法制造聚酯纤维丝的装置，因此，本发明较佳选取能够达到卷绕速度为3200米/分～3800米/分的卷绕机。

如上所述，本发明方法的关键在于在纺丝应力达到某一值的位置处将聚酯纤维丝条加热，该加热过程是由位于甬道中的平板加热器完成的，该平板加热器由一加热平板和与此加热平板相配合的另一带凹槽加热平板构成，其中，所述加热平板由金属板、电热丝和金属板后部的隔热层组成;所述带凹槽加热平板的前部有多个由金属板围成的矩形或正方形框架，各框架之间围成上述凸槽，凹槽的数目与一个纺丝甬道内的丝束数目相同，如可为1个、2个、4个、6个、8个等，凹槽后部依次为电热丝和隔热层，这里隔热层所用的隔热材料为石棉、硅酸铝等各种常用的隔热材料。上述两平板均用电热丝加热，结构对称，这种结构使在两平板之间，在同一水平位置的不同凹槽内形成一个平行于平板表面的等温空气层，从而保证了纺丝线上同一水平位置上不同槽内的丝条温度相同，也使得当运动丝条沿平行板横行抖动时，丝条在此等温层中抖动，因此，这种带凹槽加热板的结构比现有技术中圆形的管道加热结构更易使丝条加热均匀。

如上所述，本发明的聚酯纤维丝条在经加热后最好经吹捻后上油，这样将提高纤维束的抱合力。因此，本发明所述的一步法制造聚酯纤维丝（FOY）的装置还可包含一吹捻装置，它应位于上油装置之前（或之上），该装置是一侧面上带有开口的管子，压缩空气由开口导入，其流向与纤维束方向一致，从而使卷绕张力小于纺丝张力，这样就保证和提高了卷绕成形的稳定性。

本发明所述的一步制造聚酯纤维丝（FOY）的方法能利用国内和国际纺织行业中现有的占90%以上的卷绕速度为3000-3500米/分的高速纺丝卷绕机实现一步法纺丝，即获得强度为3.4-4.5g/d，伸度为16-35%，沸水收缩率为2-4%，结晶度达50%，双折射值达0.155的全取向聚酯纤维丝（FOY）。采用本发明方法制造FOY丝，由于它省去了后拉伸工序，使其成本接近于生产POY丝的成本，染色性能同超高速一步法制得卷绕丝的染色性能相似，均优于二步法工艺，特别适用于制造40-75D的细旦丝和异形丝，采用本发明所述的一步法制得的纤维丝，不须作进一步处理，就可直接用于针织和机织生产。本发明的一步制造聚酯纤维丝（FOY）的装置还可实现POY生产与FOY生产兼容，当用它生产POY时，不必折除加热器，而只要拉开带凹槽的加热澹患游拢闯善胀≒OY高速纺丝装置。

下面将结合本发明的实施例对其进行更深入具体的说明。

图1是本发明聚酯纤维丝的制造工艺示意图。

图2是本发明所述一步法制造全取向聚酯纤维丝的装置中的加热器示意图。

图3是图2所示加热器与甬道的装配示意图。

图4甬道内丝束应力沿纺程的分布图。

图5为相应于不同加热位置所得卷绕丝的强度和伸长。

图6为相应于不同加热温度所得卷绕丝的强度、伸长和双折射值。

在以下各实施例中，聚酯纤维各性能指标的测试方法如下：

A.强伸度

用西德Textechna公司的STATIMAⅠ-Ⅱ型强伸仪，测试样品长为200mm，在拉伸速度为100mm/min的条件下进行测试。

B.沸水收缩率

样品长为Lo（Lo约为200mm），悬挂张力值为0.02克/旦，浸没于沸水浴中，10分钟后测定其收缩后的长度L值，再用下式求出样品的沸水收缩率：

收缩（%）＝100（Lo-L）/Lo

C.密度

将四氯化碳和正庚烷以适当比例配成密度梯度管，密度范围为1.3642～1.4560，测定温度为25±0.5℃，测得密度为ρ。结晶度β由下式给出：β＝ρ_c（ρ-ρ_a）/ρ（ρ_c-ρ_a）

其中ρ为测得密度，ρ_c＝1.445，ρ_a＝1.335

D.双折射

双折射由色那蒙补偿法测得，钠光波长为入＝0.589μm。

E.染色性能

将样品织成袜筒，洗净后用分散兰2BLN染料染色，染料在样品中的含量为1%（重量），在130℃下染40分钟，沸水皂煮1小时，凉干后用电子测色配色仪Match    Scan    Ⅱ型比较样品的染色深度，得到各种样品的相对上染量。

实施例1

参见图1，本实施例所述的全取向聚酯纤维丝一步法制造装置包括喷丝板1、保温层2、集束用导丝器4、平板加热器6、上油装置11和卷绕机12以及甬道15等，其中卷绕机12选用纺织工业中常用的绕速为3000米/分至3500米/分的高速卷绕机;作为本实施例所述装置的主要内容，所述平板加热器6位于甬道15之中，该平板加热器6的结构见图2。如图所示，该平板加热器6由一加热平板20和与此加热平板20基本平行的另一带凹槽加热平板21构成，其中，所述加热平板20由金属板22、电热丝23和金属板后部的隔热层24组成;所述带凹槽加热平板21的前部有多个由金属板25围成的长方形框架26，各框架26之间围成凹槽27，在本实施例中凹槽27个数选作4，凹槽27的截面做成正方形，运动丝束3位于该正方形的中心，由于凹槽27的截面积太小，会使空气阻力减小，从而延长了所需的甬道长度（即达到某一纺丝应力值所对应的甬道长度），反之，凹槽27的截面积太大，将易产生明显的空气层上下对流，不利于纺丝的稳定性，因此，凹槽27的边长较佳选取为10-40mm（最佳为18-22mm），上述凹槽27的后部依次为电热丝28和隔热层29，这里所谓的金属板22和25的材料可选用不锈钢等各种导热材料，隔热层24和29的材料可选用硅酸铝。

图3是前述平板加热器6与甬道15的装配示意图，其中加热平板20固定在纺丝甬道15的后壁，带槽加热平板21可平行于加热平板20前后滑动（甬道上开有滑槽），这样可使纺丝操作生头方便，先拉开带凹槽加热平板21，一个部位四束丝可用生产POY丝那样的操作方法生头，四束丝上下集束后，合上有槽加热平板，此时四课挥谏鲜鏊母鼋孛嫖叫蔚陌疾?7的中央，该种结构可实现POY工艺与FOY工艺兼容，当采用POY工艺生产时，不必拆除加热器6，只要拉开带凹槽加热平板21，不加温，即成普通POY丝加工甬道。

本实施例中，平板加热器6的长度为1.1米，甬道全长取为5.8米，上甬道口30离喷丝板1的距离L＝1.8米，卷绕速度为3500米/分，所用纺丝原料为涤纶切片，其特性粘度为[η]＝0.66，所纺聚酯纤维旦数为99.6旦。

本实施例所述的一步法制造全取向聚酯纤维丝（FOY）的工艺流程包括下列步骤：

（Ⅰ）丝束由孔数为36和孔径为0.3mm的喷丝板1喷出;

（Ⅱ）在距上甬道口30上方10cm左右处将从喷丝板1喷出的丝束集成束;

（Ⅲ）集束后丝束进入甬道15并穿过平板加热器6;

（Ⅳ）丝束出甬道15后，在距下甬道口31下方20cm处由上油装置11上油;

（Ⅴ）由卷绕机12卷绕后得到成品。

用偏转角小于5°的张力仪测量上、下甬道口30，31两处的张力，其张力值分别为8.8克和14.2克。

由式，1克/旦＝1.18×10⁹达因/平方厘米（纤维密度＝1.34克/立方厘米）得到上、下甬道口的纺丝应力为0.088克/旦和0.142克/旦，由此可得甬道15内丝束应力沿纺程的分布（即纺丝应力沿离喷丝板距离L的分布），如图4所示，在距喷丝板6.3米处，丝束上的纺丝应力值达到约1.53×10⁸达因/平方厘米（0.13克/旦）（即处于前述1.50×10⁸～1.60×10⁸达因/平方厘米应力值区间内）。

为了使丝束温度达到（0.267～1）Tm（本实施例中为130～260℃）左右，设定加热器6的表面板温为350℃左右，上下调节加热器6在甬道15中的位置（以加热器下端作为参考点），相应于不同加热位置（以距离喷丝板1的距离L为基准）所得卷绕丝的强度和伸长如图5所示，从图中可看出，在丝束上纺丝应力达到1.53×10⁸达因/平方厘米位置附近加热时，所得卷绕丝强度迅速上升，而伸长迅速下降，以上述工艺参数得到的样品，其强度为3.99克/旦，伸长为23.8%，双折射为0.160，沸水收缩率为1.5%，密度为1.383克/立方厘米，各性能指标均达到了全取向聚酯纤维丝（FOY）的性能要求（强度为3.8～4.5克/旦，伸长为16-35%，沸水收缩率为2-4%，双折射值超过0.155）。

当所述平板加热器6不通电，即它不对丝束加温时，则用上述纺丝装置得到的卷绕丝为普通预取向丝（POY），与上述FOY丝比较，其各性能指标如下：强度为2.01克/旦，伸长为67.5%，双折射为0.089，沸水收缩率为65.7%。

本实施例还对所得产品进行了差热分析，在差热分析图谱中，发现其玻璃化转变峰和结晶峰都已消失，其图谱接近于二步法制取FOY的图谱。

实施例2

本实施例中，平板加热器6的位置固定于喷丝板1下方6.8m处，除了加热板温度可变化之外，其他纺丝条件同实施例1，在不同的加热温度下所得卷绕丝的强度、伸长、双折射值见图6，图中，曲线1为卷绕丝的双折射值随平板加热温度的变化，曲线2为卷绕丝的强度随加热温度的变化，曲线3为卷绕丝的伸长随加热温度的变化，由图中看出，加热平板20，21的温度为350℃时，其强度最大，伸长最大。当加热温度大于350℃或小于350℃时，所得卷绕丝的力学性能均变差。

实施例3

在本实施例中，纺丝速度为3200-3800米/分，纤维旦数及加热器所在位置见表1，其他纺丝参数与实施例1相同，其结果见表1：

表1中各样品的染色深度与常规拉伸丝的比较见表2。

表2

	常规拉伸丝    No.1  No.2  No.3  No.4
		染色深度	100%     228%     208%    227%     156%

由表2可知，由本发明方法生产的FOY丝，其染色性能远远好于常规拉伸丝的染色性能。

Claims (9)

1、一种一步法制造全取向聚酯纤维丝(FOY)的方法，包含下列步骤：

(ⅰ)熔融聚酯由喷丝头挤出，

(ⅱ)聚酯经过甬道拉丝成形，

(ⅲ)冷却、上油而得到成品，

其特征在于该方法采用的卷绕速度为3200-3800米/分，并且在步骤(ⅱ)中，在甬道内和在纤维丝上纺丝应力为1.50×10⁸-1.60×10⁸达因/平方厘米范围内的任一值处将聚酯纤维丝条加热至(0.267～1)Tm，其中Tm为聚酯纤维熔点。

2、按权利要求1所述的方法，其特征在于较佳的所述加热位置为纤维丝上纺丝应力为1.50×10⁸-1.55×10⁸达因/平方厘米范围内的任一值处。

3、按权利要求1所述的方法，其特征在于步骤（Ⅱ）后，将聚酯纤维丝条冷却或吹捻，其中冷却区长度应大于0.2米。

4、按权利要求1所述的方法，其特征在于在所述将聚酯纤维丝条加热之前，可将其预热至小于0.267Tm。

5、一种一步法制造全取向聚酯纤维丝（FOY）的装置，包含由喷丝板、导丝器、甬道上油装置等构成的纺丝机和卷绕机，其特征在于所述甬道中安装有由一加热平板和与此加热平板相配合的另一带凹槽加热平板构成的平板加热器。

6、按权利要求5所述的聚酯纤维丝（FOY）制造装置，其特征在于所述卷绕机的绕速为3200～3800米/分。

7、按权利要求5所述的聚酯纤维丝（FOY）制造装置，其特征在于所述加热平板由金属板、电热丝和金属板后部的隔热材料组成;所述带凹槽加热平板的前部有多个由金属板围成的矩形或正方形框架，各框架之间围成上述凹槽，凹槽后部依次为电热丝和隔热材料。

8、按权利要求7所述的聚酯纤维丝（FOY）制造装置，其特征在于所述凹槽的截面为边长为10～40mm的正方形。

9、按权利要求5所述的聚酯纤维丝（FOY）制造装置，其特征在于所述带凹槽加热平板可平行于加热平板前后滑动。

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