CN112941642B - 一种有色切片混合方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种有色切片混合方法，属于化学处理改性的有机高分子聚合物制备技术领域。原料切片、功能母粒按比例分别以失重方式计量，由螺旋喂料器送入混料罐中并混匀，再送至挤出螺杆处熔融挤出，经纺丝箱体挤出。将本申请应用于功能切片和功能纤维的加工，具有混料均匀、计量准确、切换方便等优点。
Description
技术领域
本申请涉及一种有色切片混合方法，属于化学处理改性的有机高分子聚合物制备技术领域。
背景技术
涤纶工业丝因其强度高、拉伸性能稳定，广泛应用于各个领域，并在近几年发展出多种具有针对性的产品，如阻燃型涤纶工业丝，并根据使用需求，进一步延伸出低缩型涤纶工业丝、高模低缩型涤纶工业丝、高强型涤纶工业丝等。
然而，功能母粒(如色母粒、阻燃剂等)的添加方式是：先将功能母粒和部分白切片混合、干燥，经过小螺杆挤出到剩余白切片的熔体管道中，实现功能成分的添加。这种方式虽然实现了功能母粒的添加，但存在以下问题：
(1)功能母粒是以熔融后的液态形式注入到白切片的液态输送管道中，虽然白切片的占比较大，但小螺杆熔体的注入，势必会影响熔体管道中的压力，一旦小螺杆压力高于主管道压力时，就会出现物料返混的可能，为避免这种压力波动，需要随时进行调压，以避免影响纺丝效果。
(2)在纺丝过程中，每个纺位需要一套母粒干燥+小螺杆，即结合图1，白切片对应一个螺杆(2a)，功能母粒对应一个螺杆(5a)+一个干燥系统(4a)，操作中，需要人工将母粒和白切片混合后投入系统，涉及多次计量调配，每个纺位需要一套系统，设备投入较多，不仅转产难度高，当一批产品加工完毕后，需要将所有管道进行清理，因此还存在物料损耗大的问题。
(3)传统生产方式中，功能母粒是通过螺杆加热挤压熔融后，以体积计量的方式注入主熔体管道中，计量准确度受切片堆积密度、管道压力等影响，易带来纤维性能不均匀的问题。
发明内容
有鉴于此，本申请提供一种有色切片混合方法，采用该方法：不仅可实现功能切片以质量方式替代传统体积式的准确计量，还可以实现多个纺位使用一套系统，物料切换方便。
具体地，本申请是通过以下方案实现的：
一种有色切片混合方法，原料切片、功能母粒按比例分别以失重方式计量，由螺旋喂料器送入混料罐中并混匀，再送至挤出螺杆处熔融挤出，经纺丝箱体挤出，挤出螺杆产量100-1000kg/h，功能母粒添加比例为0.1％-5％，母粒设计流量范围(螺旋喂料器二出料速度)为1-30kg/h，控制纺位个数1-8个，控制精度≤±0.5％。
本申请中，原料切片与功能母粒采用失重方式计量，重量给料率由同步采样和称重点的过程测量值来计算，实际的喂料流量是由单位时间内重量的减少决定的，同时螺旋喂料器的螺旋推进速度也相应调整。若物料容重一致，就算没有重量反馈也可以确保给料精度，可实现不同物料分别精确供料；两种原料在混料罐中完成混合后，以固体形式一起进入挤出螺杆处，完成熔融后送入纺丝箱体进行纺丝。与传统混料方式相比，本申请直接对功能母粒和原料切片进行计量，减少了人为干预，自动化程度高，且当需要更换功能母粒类型时，直接从计量处及计量前即可切断，物料切换容易，减少了物料损耗。整个混料操作过程中，即便间断投料，也能实现连续出料，只需按比例供料，无需考量压力波动的缺陷，供料稳定。
进一步的，作为优选：
所述原料切片为粘度为0.6～1.20dl/g的聚酯切片，功能母粒为色母粒、阻燃母粒、抗菌母粒等；原料切片与功能母粒的添加比为1000:1～20:1。
所述挤出螺杆的参数设置如下：所述螺杆熔融中，各区温度依次为：270～275℃，280～285℃，275～280℃，260～272℃，255～270℃，250～270℃，机头压力：135～155bar。
所述纺丝中，用于纺丝的热辊速度/温度依次为：
1+2辊：460～468m/min；
3+4辊：480～483m/min，90～95℃；
5+6辊：1650～1685m/min，120～130℃；
7+8辊：2655～2660m/min，210～218℃；
9+10辊：2635～2645m/min，150～160℃；
牵伸比：5.68～5.72。
所述功能母粒计量前需进行干燥：空气经0.1-5微米滤网过滤、分子筛除湿后，加热至100-150℃，停留时间10-60min，确保色母粒含水量至40ppm以下。
附图说明
图1为常规混料装置结构示意图；
图2为本申请混料方法的流程示意图；
图3为本申请混料方法所用装置的结构示意图。
图中标号：1.切片罐；2.计量器一；21.螺旋喂料器一；3.母粒罐；4.干燥罐；5.计量器二；51.螺旋喂料器二；6.混料罐；7.纺丝箱体；71.挤出螺杆；72.总管；73.支管；8.缓冲罐。
具体实施方式
本实施例一种有色切片混合方法，原料切片、功能母粒按比例分别以失重方式计量，由螺旋喂料器送入混料罐中并混匀，再送至挤出螺杆处熔融挤出，经纺丝箱体挤出，上述失重方式计量中，重量给料率由原料切片的同步采样、功能母粒的同步采样和螺旋喂料器处称重点三者的过程测量值来计算，实际的喂料流量是由单位时间内重量的减少确定，同时螺旋喂料器的螺旋推进速度相应调整。
以下以黑色涤纶工业丝的加工过程，对上述有色切片混合方法进行说明。
一、原辅料
耐热型阻燃聚酯切片：熔点≥258℃，黏度0.67±0.02dl/g；
纺丝油剂：GXM-100；
黑色母粒。
二、试验设备
增粘：转鼓增粘釜。
纺丝：多个纺位；色丝专用组件，规格：0.6*1.2/19240μ滤芯。
三、产品规格
规格1110dtex/192f，锭重12kg，物性指标参照表1所示。
表1物性指标
四、加工过程介绍
(1)增粘：
以耐热型阻燃聚酯切片为原料，通过增粘程序制得高粘阻燃聚酯切片，降温停止增粘；温度降至110℃，维持保温至纺丝开始，同时对保温期间特性粘度取样进行检测，测得高粘阻燃聚酯切片特性粘度为0.991dl/g，粘度基本稳定。
(2)纺丝：
色母粒即功能添加采用图2所示混料设备：
白切片经切片罐1供入并由计量器一2计量后入混料罐6；黑色母粒经母粒罐3输入，经干燥罐4干燥吸入后，经计量器二5送入混料罐6；黑色母粒按1.4％的添加比例与白切片在混料罐6中混合后，经螺杆挤出熔融后，送入不同纺丝箱体7处。
根据切片熔点以及其耐热性能，螺杆初始工艺设置如表2所示。
然而在此工艺下进行排料，装纺丝组件7后，我们发现：由于泵后压力低，难以建立有效的纺丝压力，故丢螺杆工艺进行调整，调低螺杆各区温度，降低降解程度，最终纺丝使用的螺杆工艺如表2所示。
表2螺杆工艺调整前后对照表
| 参数 | 一区，℃ | 二区，℃ | 三区，℃ | 四区，℃ | 五区，℃ | 六区，℃ | 测量头压力，bar |
| 初始 | 275 | 285 | 280 | 272 | 270 | 270 | 155 |
| 调整后 | 270 | 280 | 275 | 260 | 255 | 250 | 155 |
1)开启一个纺位，控制初始牵伸比为5.72，顺利完成生头，连续满卷；
2)完成生头，依次开启剩余各纺位，并根据纺位情况，调整个别纺位的牵伸比至5.68(未调整牵伸比的纺位记作纺位一，调整的纺位记作纺位二)。
纺丝主要工艺条件如下：
W/D：2600m/min，张力:240cN，网压:2.6bar；
纺丝温度：286℃；计量泵转速：11.7r/min；
缓冷器温度：300℃；侧吹风风速：0.55m/s，风温：20℃，风湿：80％；
纺丝油剂：GXM-100；油泵规格：0.08cc/r，油泵转速：28r/m。
表3纺丝牵伸辊工艺参数
五、加工参数的确认
1)增粘
以甲公司常规聚酯PET切片(记作A)、乙公司耐热型阻燃聚酯切片(阻燃成分链在聚酯分子链侧链上，记作B)、乙公司常规切片(阻燃成分链在聚酯分子链主链上，记作C)、丙公司常规切片(记作D)作为测试对象，对一种常规聚酯、三种阻燃切片进行热失重分析测试(TG)，得到表4。
表4不同切片的TG测试结果对照表
| 样品 | 初始分解温度 | 最大分解速率温度 | 600℃时残余质量分数 |
| A | 350℃ | 434℃ | 14.3％ |
| B | 330℃ | 440℃ | 11.1％ |
| C | 324℃ | 438℃ | 9.8％ |
| D | 323℃ | 441℃ | 11.5％ |
由表4中初始分解温度可以看出，耐热性能上，A＞B＞C＞D。
对甲公司常规聚酯PET切片(A)、乙公司耐热型阻燃聚酯切片(B)、乙公司常规切片(C)、丙公司常规切片(D)进行测试，结果如表5、表6所示。
表5耐热型阻燃聚酯切片(B)的测试结果汇总表
表6阻燃聚酯切片(A、C、D)的测试结果汇总表
| 试验项目 | 标准 | 试验结果 |
| 熔点，℃ | ≥243 | 248.0 |
| 特性粘度，dl/g | 实测值 | 0.672 |
| 端羧基含量，mol/t | ≤30 | 8.6 |
| 二甘醇含量wt.％ | ≤2.0 | 1.20 |
| 色值b值 | 实测值 | 3.8 |
| 色值L值 | 实测值 | 75 |
| 水含量，％ | ≤0.5 | 合格 |
| 铁含量mg/kg | ≤8 | 合格 |
| 磷含量，ppm | ≥6.5×103 | 6.63×103 |
切片A、C、D的阻燃组分链在聚酯分子主链上，熔点较常规聚酯熔点(255～260℃)低，耐湿热老化性能差；切片B的阻燃组分链在聚酯分子侧链上，熔点高于常规聚酯熔点，耐湿热老化性能优异。故在增粘工艺设置上，结合上述测试结果，增粘温度、各阶段温度停留时间较常规聚酯增粘均做了较大调整，具体见表7所示。
表7转鼓增粘工艺
| 序号 | 设定温度 | 升温/停留时间 | 备注 |
| 1 | 100℃ | 120min | |
| 2 | 100℃ | 360min | 该温度保持时间 |
| 3 | 180℃ | 360min | |
| 4 | 180℃ | 120min | 该温度保持时间 |
| 5 | 205℃ | 180min | |
| 6 | 205℃ | 1220min | 该温度保持时间 |
增粘过程定期取样进行特性粘度监测，可以看出增粘时间至28小时(从起始升温时计)，特性粘度达到了最高值1.02dl/g，之后随着增粘时间的延长，特性粘度发生下降的现象，即阻燃切片增粘到一定程度后，再延长增粘时间发生了降解。
因此，在增粘过程中，出现了特性粘度增至某一值后，继续延长增粘时间，特性粘度下降的现象。试验观察到增粘至特性粘度为1.02dl/g后，延长增粘时间，特性粘度下降，因此后续生产时，特性粘度增至1.02时(增粘温度达到205℃时开始计时9小时)应降温停止增粘，避免切片降解粘度下降。
2)黑色阻燃涤纶工业丝纺丝
(1)阻燃聚酯切片可纺性和物理性能
对纺丝得到的阻燃丝进行物性测试，结果如表8所示。物性测试结果显示，制备的黑色阻燃丝强度普遍大于6.5cN/dtex，已达到预期指标要求。
表8黑色阻燃丝物性测试结果
采用相同参数，当原料特性粘度为1.023dl/g，成品丝特性粘度为0.934，牵伸比为6.0，丝强度只能达到6.5-6.7cN/dtex；对上述实施例的原料阻燃切片和无油丝特性粘度进行测试，参见表9所示。
表9阻燃聚酯切片与无油丝特性粘度
表9结果显示：在原料特性粘度低(增粘前为0.67±0.02dl/g，增粘后为0.991dl/g)且添加了黑色母粒的条件下，牵伸比为5.7，无油丝的粘度降仅为0.14dl/g，表明纺丝过程降解小；成品纤维强度仍达到了6.5cN/dtex以上，说明本案显著提升了丝的物理力学性能和纤维可牵伸性。
(2)混料效果对照
表10本申请与常规混料方法的对比
(3)不同纺位颜色差异
白切片与色母粒各自计量混合后送入螺杆制得有色聚酯熔体，再通过管道输送至各个纺位纺丝，考虑到纺间的差异可能引起的色差，母粒添加量兼顾可纺性和色差因素，由常规的添加比例1.9％调整至1.4％。对各个纺位纺制的丝进行颜色比对，未发现有差异。
因此，剔除原料增粘中出现下降，以及设备因素导致的毛丝降等因素，切片可纺性良好；对比纯色阻燃涤纶工业丝纺制采用6.0的高倍率牵伸以及无添加组分，本实施例牵伸比为5.72，且添加了1.4％的黑色母粒，强度仍普遍大于6.5cN/dtex，并保持其他指标较好，这说明耐热型阻燃聚酯切片的物性可纺性和纤维物性均好于常规阻燃聚酯切片。
(3)阻燃性能测试(极限氧指数)
对耐热型阻燃聚酯切片采用上述增粘、纺丝加工得到的黑色阻燃涤纶工业丝与常规涤纶工业丝进行极限氧指数的测试，结果如表11所示。
表11不同产品的极限氧指数对照
从测试结果来看：本实施例开发的黑色阻燃涤纶工业丝的极限氧指数达到33.6％，属于难燃物质，而常规涤纶工业丝的极限氧指数为21.6％，属可燃物质。
与表5、6的切片参数对照，结果表明：采用本申请增粘工艺和混料方法获得的增粘切片熔点高，断裂强度可达到6.5cN/dtex左右，最大程度保留了纤维的强伸性能。
Claims (1)
1.一种有色切片混合方法，其特征在于：以原料切片和功能母粒为原料，功能母粒添加比例为0.1-5 %，所述原料切片为粘度为0.6～1.20 dl/g的阻燃聚酯切片，功能母粒为色母粒或抗菌剂，原料切片、功能母粒按比例分别以失重方式计量，功能母粒计量前需进行干燥：空气经0.1-5微米滤网过滤、分子筛除湿后，加热至100-150 ℃，停留时间10-60 min，确保色母粒含水量至40 ppm以下，功能母粒的设计流量范围为1-30 kg/h，
原料切片和功能母粒由螺旋喂料器送入混料罐中并混匀，送至挤出螺杆处熔融挤出，经纺丝箱体挤出，挤出螺杆产量100-1000 kg/h，控制纺位个数1-8个，控制精度≤±0.5 %，所述挤出螺杆中，各区温度依次为：270℃-280℃-275℃-260℃-255℃-250℃，机头压力：155bar，
所述纺丝中所用各牵伸辊的牵伸倍率/温度依次为：
一级拉伸：1.0～1.2倍，70～100 ℃；
二级拉伸：2.0～4.0倍，110～140 ℃；
三级拉伸：1.0～2.0倍，200～250 ℃；
定型：0.95～1.2倍，150～200 ℃，
纺丝参数设置如下：
W/D：2400～3500 m/min，
纺丝温度：283～330 ℃，
缓冷器温度：280～340 ℃，
风温：15～25 ℃，风湿：65～80 %。
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