CN1046200A - 在连续生产线上纤维热处理 - Google Patents

Abstract

一种在生产线上干燥和热处理工艺，该工艺从纤维输送辊内部加热来进行干燥并以施加纤维输送辊的端流热气体喷嘴来进行热处理。

Description

本发明涉及在连续生产线上用一道工序同时干燥和热处理张力辊上的未被干燥过的湿纺芳族聚酰胺纤维的工艺与设备。

Fleissner等的美国专利US        3，503，231，（1970年3月31日公告）公开了一种用于处理材料的连续输送带系统，包括热处理纱。该输送带必须是渗透蒸气的，而且该处理并不包括干燥未被干燥过的湿纺纱。

Blades的美国专利US3869430（1975年3月4日公告）公开了以一般方法干燥和热处理一种未支撑的湿的聚（对-亚苯基对苯二胺）[Poly-（P-phenylene，terephthalamaide）]的技术。

Fujiware等的美国专利US4，374，978（1983年2月22日公告）和美国专利US4，440，710（1984年4月3日公告）公开了一种生产聚（对-亚苯基对苯二胺）[Poly-（P-Phenylene、terephthalamide）]纤维的工艺，该工艺是对这些纤维在无任何张力的情况下，进行冲洗和干燥，然后在张力下以高于200℃的温度对其进行热处理。

Fujiware等的美国专利US4，419，317，（1983年12月6日公告）公开了一种加工聚（对-亚苯基对苯二胺）[Poly-（P-phenylene        terephthalamide）]纤维的工艺，该工艺是在无张力的情况下冲洗和用饱和蒸气处理这些纤维。

Akihiro等的欧洲专利申请EP121，132（1984年10月10日公开），公开了将细碎的无机粒子应用于湿纤维以防止纤维与纤维粘结的工艺，这些纤维被在无拉伸的状态下干燥，然后在张力下热处理。

Chern等的欧洲专利申请EP        247，889（1987年12月2日公开）公开了一种在高温和大张力下同时干燥和热处理未支撑的未被干燥过的仲芳族聚酰胺（para-aramid）纤维的工艺。

Nagasawa等的日本公开专利申请JP        49-81619（公开日为1974年8月6日）公开了一种纤维处理工艺，其未被干燥的芳族聚酰胺纤维可以同时被干燥和热处理。

本发明提供了一种用于干燥和热处理湿纺纤维的设备包括;至少一个纤维输送辊，所说的辊被可旋转地驱动，并且在该辊的上方设有喷气嘴，以及在喷气嘴上方设有喷嘴支架。该喷气嘴一般设在离该辊一恒定距离的位置上，并且最在15°至360°的范围包覆该辊，该辊被内加热，以便干燥这些纤维，在一个最佳实施例中，该设备包括：至少一对纤维输送辊：每对辊的至少一个可被旋转驱动;在每对辊中至少一个辊子上方设置喷气嘴，以及在该喷气嘴的上方设有喷嘴支承。当采用成对的辊子时，该喷气嘴不超过180°包覆该辊，-最好是45°-180°。

另外，本发明提供的用于在张力下同时干燥和热处理湿纺芳族聚酰胺纤维的工艺包括：将含水量为干芳族聚酰胺重量的20%至大于100%的芳族聚酰胺纤维连续地供到加热区;在该区初始位置，纤维保持0.2-6.0克/旦的张力;在加热区，将温度为200-660°的湍流气体施加于张力下的这些纤维，直到纤维的剩余含水量为干芳族聚酰胺重量的0.5-10%;然后从该加热区连续地将这些纤维送走。在该加热区这些纤维一般都是多层绕在一辊子上，加热区的加热由湍流气体供给，同时也由辊子里热的介质供给到加热区。

当本发明的工艺作为一种独立式的工艺时是有效的，特别是作为一种纤维加工的完整单元时尤为有效。其中，本发明的装置和工艺都替代了先有技术的干燥工序。由于是一种在连续生产线上的改进，本发明的工艺大大地增加了湿纺和气隙纺工艺的效率。为了描述本发明，所采用的湿纺工艺包括纺丝进入一凝固浴的几项工艺，并且该术语所指包括气隙纺。

图1为以透视方式示出的本发明设备的简化示意图;

图2为本发明一设备的简化示意图，示出了纤维输送装置和热处理装置之间更详细的关系。

本发明基于处理纤维的设备与工艺，特别是处理聚（对-亚苯基对苯二胺）纤维[poly-（P-Phenylene        terephthalamide）]，其大大地增加了高模量与高强度纤维的产量。

“聚（对-亚苯基对苯二胺）”[Poly-（P-Phenylene        terephthalamide）]，是指从等摩尔的对-亚苯基二胺（P-Phenylene        diamine）和对苯二酰氯化物（terephthaloyl        chloride）聚合获得的均聚物，以及由可量其它芳族二胺与对亚苯二胺（P-Phenylene        diamine）结合的共聚物和由可少量其它芳族二酸氯化物（aromatic        diacid        chloride）与对苯二酰氯化物（terephthaloyl        chloride）结合的共聚物。如一般规律那样，其它的芳族二胺和别的芳族二酸氯化物（aromatic        diacid        chlorides）的用量大约等于对亚苯基二胺或对苯二酰氯化物用量的10%，或许较其稍微多一些，只要别的三元胺和二酸氯（diacid        chlorides）并不是不能接受地改变由该聚合物制得纤维的物理特性即可。

这种聚合物可以方便地由任一种众所周知的聚合工艺制得，这些工艺如美国专利US        3，063，966，US        3，869，429，和US4，308，374所述。

本发明的纤维可以采用美国专利US3，869，429的特定条件纺制，纺丝原液通过带有喷丝孔的喷丝板挤出，该喷丝孔的直径范围由0.025mm至0.25mm，或稍微偏大或偏小些，其喷丝孔的数目，尺寸，形状及其构造不是关键性的，挤出的纺丝原液通过一非凝固流体层被导入一凝固浴，而在流体层，该挤出的纺丝原液以15倍的牵伸率被牵伸（纺丝牵伸率），该流体层一般为空气，但可以是任何别的惰性气体，甚至液体，其对于纺丝原液为非凝固剂，该非凝固流体层的厚度一般为0.1-10cm。

该凝固浴为水溶的，其范围从纯水或盐水到含70%硫酸的溶液。浴温的范围可以从凝固点以下至28℃，或可以稍微高些，最好凝固浴的温度保持在低于凝固点大约10℃，最佳是低于5℃，以获得具有最高初始强度的纤维。

在挤出的纺丝原液通过凝固浴之后，该原液被凝固成一种水胀的纤维。在纤维加工的此处，该纤维中水溶凝固剂介质的含量为干纤维材料的50%至100%，为此，本发明是要进行彻底地清洗，以便从该水胀的纤维内部去除盐和酸，该纤维清洗溶液可以是水，或是轻度的碱溶液，该湿的水胀纤维被从清洗和中和的地方引导到本发明的装置。

本发明描述了纤维的使用，这些纤维是新纺制的并且在本发明工艺操作之前未干到少于20%的湿度。应该肯定，予干燥过的纤维不能由该工艺进行成功的热处理，因为只有当其在聚合物的分子结构被进行干燥和整理成较密的纤维时和在该结构因除去水而被破坏之前，对聚合物分子组成进行热处理才是有效的。

本发明的装置可以参附图进行描述，其中，前后附图类似和相应的部件由类似的标示符号标出，图1示出了一实施本发明的最佳设备。

湿纺纤维（A）通过凝固，清洗和中和工序（未图示）被送到纤维输送辊10，纤维A包绕在该辊上并被送到纤维输送辊11。纤维A多圈绕在成对的纤维输送辊上，然后从一个辊子引导其进行进一步的处理或引到一卷绕工位（未图示）。辊10和11分别可旋转地安装在轴12和13上，并且至少一个辊子被驱动。辊子的设置是这样的，即卷绕的纤维A沿辊子自动地从辊子表面的一端排布到辊了表面的另一端。当纤维引入辊子时，使纤维保持0.2-6.0克/旦的张力，纤维输出时的张力不大于引入时的张力，较高的张力增加了纤维断裂的危险，但可以获得具有高模量的纤维产品。

至少辊子10和11之一的内部有加热元件。一般是以循环蒸气通过设在辊子里的通道的形式供热;并且主要用来干燥纤维。蒸气温度一般小于380℃，R，E        Hull的美国专利US        4，644，668（1987年2月24日公告）公开了一种蒸气加热辊，这种辊子可以作为本发明的辊子10和11来使用。

尽管最好是一对辊子，然而本发明也可利用一个辊子来完成，在使用一个辊子的情况下，纤维A在该一个驱动辊的一端引入，并在辊子上往前绕好几圈，然后才离开辊子的另一端。该单个的辊子可以从内部加热并可以装配喷气嘴和一喷嘴支承，正如本申请中别处所述的那样。在使用一个辊子的情况下，可以设置喷嘴大于180°包覆该辊子，并且可以完全包覆该辊子。

喷嘴支承14和15与辊子10和11有间隙，并环绕地安装在辊子10和11上;并且喷气嘴16和17安装在辊子10，11和喷嘴支承14，15之间，且离辊子也有间隙。气体喷嘴16和17一般采取在一蒸气导管壁上开小缝槽的形式，-蒸气导管在这种情况下为喷嘴支承14和15。该缝槽可以是环形的或长形的，而通常为具有长宽比为100或更大的长形槽缝。长度方向通常在垂直于纤维通过装置的方向设置。喷气嘴16和17供有加热的气体，用于本发明的热处理，该加热的气体一般为过热蒸气;但可以采用任何相当的介质，如加热的氮、空气，或其他气体。最好选用过热蒸气，因为它具有相当高的比热。而其他气体如氮气或氩气或类似的气体也可采用，但不能采用氧气。提供的加热气体的温度范围为200℃至660℃;并且该气体具有一定的速度，以保证在与纱接触的区域产生湍流。射流的速度一般从约2.5至6m/sec。但根据适当纱线的速度调节，可以采用较低或较高的射流速度。

为了更详细些，参见图2，喷气嘴16、17和辊10、11之间的间距是恒定的，并且一般保持在单个缝槽宽度的大约2至大约80倍。该距离当然也可以根据每种情况的特殊需要调节，喷嘴支承14、15用作热处理的供热装置和用于喷气嘴的安装装置，并且其方位是使热处理气体对着被加热的纤维。

装配喷嘴支承和喷气嘴，要与纤维输送辊的直径相适应，和其装配可以在辊子的表面包覆一合适的程度，以获得理想的热处理。在某些情况下，在两个辊子装置的情况下热处理可以仅由绕着一个辊子的喷嘴完成，然而，一般情况下，喷嘴被绕两个辊子设置，并且它所包覆每个辊子约45°-180°。

本发明的工艺提供了一种在连续生产线上，干燥和热处理直接来自纺丝纤维的未被干燥过的纱的有效装置，而不因适应干燥而降低纺丝速度。本工艺由于是在连续生产线上进行的，因此消除了线外批处理工艺的不方便和低效益。还有，这种线上工艺通过消除由线外处理的纤维加工所引起的纤维损伤，改善了纤维的特性。

这种新颖的方式，将用于干燥的内加热辊和用于热处理的湍流气体喷嘴的结合，其结果是经处理的纤维具有的物理特性与经先有技术热处理的纤维相比至少一样好或更好些。

测试方法：

比浓对数粘度

比浓对数粘度（IV）由下列方程定义：

IV＝ln（η_rel）/C

其中C为聚合物溶液的浓度（100ml的溶剂中0.5g的聚合物）。η_rel（相对粘度）为聚合物溶液的流动时间与溶剂的比（用毛细粘度仪在30℃时测得）。此处所记录和测定的比浓对数粘度值是采用浓硫酸确定的（96%H₂SO₄）。

张力特性

用于张力特性测试的纱首先是经调整的，然后加捻到1.1的捻度系数，这根纱的捻度系数（TM）由下式确定：

$\mathrm{TM}=\frac{\mathrm{tpi}\sqrt{\mathrm{Denier}}}{73}=\frac{\mathrm{tpc}\sqrt{\mathrm{dtex}}}{30.3}$

式中        tpi＝每英寸的捻数

tpc＝每厘米的捻数

抗断强度（断裂时的强度），伸长（断裂伸长）以及模量是在英斯特朗强力测试仪（Instron        Tester）（Instron公司、Canton        Mass）上对纱进行断裂测试确定的。

抗断强度和伸长的测定符合美国材料试验标准ASTM，D2101-1985，即使用样纱长度为25.4cm，和50%应变速率，应变/分钟（strain/min）。

纱的模量由应力-应变曲线在0和1%应变点的切线的斜率来计算，且等于1%应变点的以克计的应力值（绝对值）乘100，再除以测试纱的旦尼尔数。

旦尼尔

纱线的旦尼尔是由称量-已知长度的纱来确定的，旦尼尔定义为9000米的纱所重克数。

在实践中，一根样纱的测得的旦尼尔，测试条件，以及试样符号都被输入计算机，然后开始测试;随纱被拉伸至断裂记录下纱的载荷-拉伸曲线，然后计算该特性。

纱的湿度

一根被测试纱含湿量，是通过在160℃干燥-称过重量的湿纱1小时，然后将除去水份的重量除以干纱重量再乘100来计算。

回潮率

一根纱的回潮率是将纱在105℃的炉上预处理4小时，在77°F温度下和55%的相对湿度下24小时内吸收的水份量，以纤维干重的百分率来表示，纤维的干重是在105-110℃加热纤维至少2小时并在保干器中冷却后确定。

平衡含湿率

一根纱的平衡含湿率的确定，是通过将要做测试的一束约5克重纱在55%相对湿度和77°F温度下调整16小时;称量该纱（W₀），将该纱在105℃干燥4小时，再称得重量（W₁），然后计算湿度损失的百分数作为平衡回潮率1%）：

%＝[（W₀-W₁）/W₁]×100

至少为两次试验测试的一平均数，

热老化残留强力（HASR）

一根纱的热老化残留强力为原始断裂强度的百分比，该强力是经控热处理后仍被保留在纱上。将部分要测试的纱在55%的相对温度和77°F温度下调整16小时，且确定该纱的断裂强度（B₀）。该纱的一部分被在240℃加热3小时，然后在55%的相对湿度和77°F温度下调整14小时，测及该加热纱的断裂强度为（B₁），热老化残留强力计算为

HASR＝[B₁/B₀]×100

至少要5次测试记录的平均数

最佳实施例

本例所示为利用本发明的两个辊子的干燥和处理装置，以生产高模量，低回潮率的纱。

由聚（对-亚苯基对苯二胺）和100.1%的H₂SO₄制备一种含19.4%重量的聚合物的各向异性的纺丝原液。该原液脱泡后进行气隙纺，气隙纺是在80℃通过具有667-1000喷丝孔的喷丝板进行的，喷丝孔的孔经为0.0635mm。气隙为6.4mm，且凝固浴为含4%重量的硫酸的5℃水溶液。所用凝固浴具有一骤冷装置，该装置由美国专利US4，340，559所述，并具有一如其权利要求4所述的液体喷射装置。纱以300码/分钟和650码/分钟速度从骤冷浴中抽出;并在两套辊子上清洗和中和，在第一个辊子上用水喷淋，在第二辊子上采用稀释的碱液喷淋。表1的第1-10项采用的是小的喷丝板，第11-14项采用的是大的喷丝板，在清洗辊处的纱线张力为0.9克/旦，在中和辊处的纱线张力0.8克/旦。

由中和辊、纱经过脱水转子被选至图1和图2所描述的装置。两个辊子都被驱动并且都由175℃的饱和蒸气进行内加热。喷气嘴按以下表1所述提供过热蒸气。喷气嘴为具有长轴线20英寸和短轴线0.05英寸的缝槽，长轴线与纤维的输送运行方向相垂直。喷气嘴此时间距约为0.7英寸（1.78厘米）。该喷气嘴包绕两辊子均为约180°，并且喷嘴相距辊子表面0.5英寸。

以下表1所列，纱在干燥/热处理装置起始处的张力1-3克/旦（gpd）;而在该装置的出口处为大约0.2-0.5克/旦（gpd）。

本实施例的纤维显示了高模量和低平衡回潮率，测试结果如下表2所示。

在下表中，第1，3，9和11项是在这样的情况下操纵的，这些项目是在没有利用喷气嘴装置进行热处理下测试的。

表1

干燥和热处理条件

项        纱线        纺丝速度        过热蒸气        纱线张力

（旦尼尔）        （码/分）        （条件）        （克/旦）

（温度）        喷射速度

（℃）        （米/秒）

1、 1000 650 N/A^＊N/A 1.5

2、        1000        650        380        4.1        1.5

3、        1000        650        N/A        N/A        3.0

4、        1000        650        225        4.1        3.0

5、        1000        650        300        4.1        3.0

6、        1000        650        350        4.1        3.0

7、        1000        650        380        3.5        3.0

8、        1000        650        380        4.1        3.0

9、        1000        300        N/A        N/A        3.0

10、        1000        300        380        4.1        3.0

11、        1420        300        N/A        N/A        2.0

12、        1420        300        380        4.1        1.0

13、        1420        300        380        4.1        2.0

14、        1420        300        380        4.1        3.0

＊N/A指未用蒸气热处理

表2        纱线特性

项        张力        模量        E.B        热老化残留张力        平衡含显率

（克/旦）        （克/旦）        （%）        （%）

1、        24.2        690        3.17        85        6.4

2、        22.2        912        2.29        91        2.8

3、        23.2        819        2.70        85        6.3

4、        23.9        811        2.74        94        6.6

5、        23.5        861        2.53        96        4.1

6、        22.9        894        2.40        99        3.0

7、        23.2        900        2.40        93        2.9

8、        23.3        927        2.37        98        2.9

9、        26.9        874        2.92        85        4.6

10、        24.6        946        2.54        85        2.5

11、        25.9        658        3.53        90        4.7

12、        23.7        724        2.97        94        2.5

13、        25.0        881        2.72        96        2.5

14、        24.8        933        2.57        95        2.5

Claims (17)

1、一种用于对湿纺纤维进行干燥和热处理的设备，具有

(a)至少一个纤维输送辊，该辊被旋转驱动；

(b)设在该辊上方的喷气嘴；

(c)一设在喷气嘴上方的喷嘴支承。

2、如权利要求1所述的设备，其中，为进行干燥、辊子被内加热。

3、如权利要求1所述的设备，其中，喷气嘴位于离辊子有一基本上恒定的距离。

4、如权利要求3所述的设备，其中，喷气嘴以15至360度的角度包覆辊子。

5、一种用于对湿纺纤维进行干燥和热处理的设备，具有

（a）一对纤维输送辊，其至少有一个被驱动;

（b）至少有一个辊子的上方设有嘴气嘴;

（c）在喷气嘴的上方设有喷嘴支承。

6、如权利要求5所述的设备，其中为进行干燥，辊子被内加热。

7、如权利要求5所述的设备，其中喷气嘴位于离辊子有一基本上恒定的距离。

8、如权利要求7所述的设备，其中，喷气嘴以45-180度的角度包覆辊子。

9、一种用于在张力下同时干燥和热处理湿纺纤维的工艺，具有下列步骤：

（a）连续向一加热区供给纤维，该纤维的含水量为不少于纤维干材料重量的20%。

（b）在该区的起始处，使纤维保持0.2-6克/旦的张力;

（c）将温度为200-660℃的湍流气体施于该区域内处于张力下的纤维，直到纤维的剩余湿度为含干纤维材料重量的0.5-10%的水。

（d）从该加热区连续地送走纤维。

10、如权利要求9所述的工艺，其中，加热区的纤维多圈绕于辊上。

11、如权利要求10所述的工艺，其中，将热供到加热区是借助湍流气体，以及借助辊子中的加热介质。

12、如权利要求9所述的工艺，其中，连续将纤维从加热区送走的纤维的张力不大于纤维在加热区起始处的张力。

13、一种用于在张力下同时干燥和热处理湿纺芳族聚酰胺纤维的工艺，具有下列步骤：

（a）连续向加热区供给芳族聚酰胺纤维，该纤维的含水量为干芳族聚酰胺重量的20%;

（b）在该区的起始处，使纤维保持在0.2-6克/旦的张力;

（c）将温度为200-660℃的湍流气体施于该区域内处于张力下的纤维，直到纤维的剩余湿度为含干纤维重量的0.5-10%。

（d）从该加热区连续地送走纤维。

14、如权利要求13所述的工艺，其中，加热区的纤维被多圈绕于辊子上，

15、如权利要求14所述的工艺，其中，将热供到加热区是借助湍流气体，以及，借助辊子中的加热介质。

16、如权利要求13所述的工艺，其中，连续将纤维从加热区送走的纤维的张力不大于纤维在加热区起始处的张力。

17、如权利要求13所述的工艺，其中，芳族聚酰胺纤维是聚（对亚苯基对苯二胺）Poly（P-Phenylene，terephthalamide）纤维。

Images