CN115044986B - 切片纺免干燥制备聚酯纤维或聚酰胺纤维的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种切片纺免干燥制备聚酯纤维或聚酰胺纤维的装置和方法。将聚酯/聚酰胺切片喂入挤压机，切片在所述进料段经加热和螺杆剪切作用下塑化熔融，经屏障段混合均匀并建立较高的熔体压力，在成膜脱水段熔体压力下降并快速成膜，并由负压系统快速脱除聚合物熔体表界面的水分，脱水后的熔体输送至过滤器和计量泵，最后经纺丝组件流出并牵伸制备出聚酯/聚酰纤维；本发明避免使用常规切片的离线干燥系统，减少了切片预结晶和干燥等生产环节，实现了聚酯和聚酰胺切片的直接熔融纺丝，避免了高耗能的干燥系统大幅缩短工艺流程和周期，减少能耗提高生产效率。

Description

切片纺免干燥制备聚酯纤维或聚酰胺纤维的装置和方法
技术领域
本发明涉及纺丝技术领域，尤其涉及一种切片纺免干燥制备聚酯纤维或聚酰胺纤维的装置和方法。
背景技术
聚酯的缩聚反应和聚酰胺的缩聚反应平衡系数较低，有小分子水参与，且水是此类缩聚反应动力学的控制因素，因而聚酯和聚酰胺在高温下遇水易发生逆向缩聚反应而降低聚合物分子量。因此，聚酯和聚酰胺切片中残留的水分会使得此类树脂在熔融挤出加工中发生降解，降低熔体粘度，影响产品质量。为了避免树脂的水解反应，必须对树脂切片进行熔融前干燥处理。目前，工业上聚酯/聚酰胺切片干燥主要通过离线设备进行，常用的工业设备包括真空转鼓、沸腾干燥箱、塔式翻板干燥设备、卧式螺旋推进干燥设备等。然而，这些方法存在设备投资高、工艺流程复杂、周期长、能耗高等缺点，因此发展一种在线式快速干燥的方法，对于制备聚酯纤维或聚酰胺纤维具有非常重要的实际意义。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种聚酯和聚酰胺切片熔融后快速脱水的装置和方法，通过对熔体实施快速高效成膜、高温和真空等环境，使水分快速脱除，避免了熔体的水解反应，保持了熔体的粘度，能够实现聚酯和聚酰胺切片的直接熔融纺丝，为聚酯纤维或聚酰胺纤维的工业化生产提供了一种全新高效的制备方法。
本发明的一种切片纺免干燥制备聚酯纤维或聚酰胺纤维的装置，包括挤压机和纺丝机，所述挤压机包括筒体和设置在所述筒体内相互啮合的三个螺杆，呈并列型或三角形排列，所述螺杆分为多个功能区，沿其轴向依次为进料段、熔融混炼段、屏障段、成膜脱水段、熔体输送段，所述筒体外每个功能区对应一个温控组件，所述筒体对应所述成膜脱水段设有脱挥口，所述脱挥口连接有负压系统，所述挤压机与所述进料段相对应的位置设有进料口，所述挤压机的出料口与所述纺丝机的进料口相连通；
所述螺杆的总长度L和成膜元件外直径D的比值L/D为23~30；
所述熔融混炼段长度为6.6D，由4个正向螺旋元件和3个捏合块元件组成；4个正向螺旋元件沿熔体输送方向导程为1D、0.75D、0.75D、0.5D；每个捏合块元件的长度为1.2 D，捏合片厚度为0.2 D，捏合片错列角沿熔体输送方向分别为30°、60°、90°；聚合物在此段停留时间为0.3~3s，快速熔融；
所述屏障段长度，由1个反向螺旋元件组成，导程为0.25~0.6D；
所述成膜脱水段长度为6D，由3段导程为2D的正向螺旋元件组成，元件螺旋角为36.5°，螺槽深度为0.12D，螺棱厚度为0.12D；此段和筒体以及设置在此段上方的脱挥口组成水蒸发室。聚合物熔体在大导程元件控制下形成厚度0.8~2um的熔体薄膜结合负压作用，实现熔体中水份在0.2~1.2s时间范围内快速脱除。
进一步的，所述进料段的长度为4~6.5D，进料段依次由3~5个沿螺杆组件长度方向的正向螺旋元件组成，沿熔体输送方向导程分别为1.5D、1.5D、1D或1.5D、1.5D、1.5D、1D或1.5D、1.5D、1.5D、1D、1D。
进一步的，所述熔体输送段长度为7~10D，所述熔体输送段由7~9个正向螺旋元件组成，沿熔体输送方向导程范围为0.75~1.5 D，最后3或4个元件为导程为0.75D 的重复元件。
进一步的，所述温控组件包括加热块和所述筒体壁中的冷却水通道和温控传感器。
进一步的，所述负压系统包括真空泵，所述真空泵与所述脱挥口相连通。
一种切片纺免干燥制备聚酯纤维或聚酰胺纤维的方法，使用上述的装置，具体方法如下：将聚酯切片或聚酰胺切片喂入挤压机，切片在所述进料段经加热和螺杆剪切作用下塑化熔融，经屏障段混合均匀并建立较高的熔体压力，在成膜脱水段熔体压力下降并快速成膜，并由负压系统快速脱除聚合物熔体表界面的水分，脱水后的熔体输送至纺丝机流出并牵伸制备出聚酯/聚酰纤维；
其中，所述进料段温度：200-255℃，熔融混炼段温度：230-265℃，屏障段温度：240-260℃，成膜脱水段温度：245-265℃，熔体输送段温度：255-270℃；螺杆转速为100-600r/min；纺丝机的纺丝组件温度250-270℃。
进一步的，负压系统的真空度控制在10-60 kPa。
本发明与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1）通过螺杆及其结构的最优组合，使得熔体具有较大的排气界面面积和界面更新频率，使熔体中包裹的水分能迅速迁移到表面，促进水汽的快速挥发。
2）通过熔体快速成膜和负压环境使水分极速汽化并在极短时间（0.2~1s）内从体系中脱除，避免了水解反应的发生，有效保持了熔体的粘度。
3）避免使用常规切片的离线干燥系统，减少了切片预结晶和干燥等生产环节，实现了聚酯和聚酰胺切片的直接熔融纺丝，避免了高耗能的干燥系统大幅缩短工艺流程和周期，减少能耗提高生产效率。
附图说明
图1为本发明的挤压机的筒体和螺杆的结构示意图；
图2为本发明的挤压机的筒体内侧侧视图。
1、筒体；2、螺杆；3、进料段；4、熔融混炼段；5、屏障段；6、成膜脱水段；7、熔体输送段；8、温控组件；9、脱挥口；10、负压系统；11、进料口；12、加热块；13、冷却水通道。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
如图1和2所示，本发明的一种切片纺免干燥制备聚酯纤维或聚酰胺纤维的装置，包括挤压机和纺丝机（图中未示出），挤压机包括筒体1和设置在筒体1内相互啮合的三个螺杆2，呈并列型或三角形排列，螺杆2分为多个功能区，沿其轴向依次为进料段3、熔融混炼段4、屏障段5、成膜脱水段6、熔体输送段7，筒体1外每个功能区对应一个温控组件8，筒体1对应成膜脱水段6设有脱挥口9，脱挥口9连接有负压系统10，挤压机与进料段3相对应的位置设有进料口11，挤压机的出料口与纺丝机的进料口11相连通。
螺杆2的总长度L和成膜元件外直径D的比值L/D为23~30，在一种可实施的方式中，L/D为24.45。
熔融混炼段4长度为6.6D，由4个正向螺旋元件和3个捏合块元件组成；4个正向螺旋元件沿熔体输送方向导程为1D、0.75D、0.75D、0.5D，其中导程为1D元件，螺旋角18.2°，螺旋的螺槽深度为0.12D，螺棱厚度为0.12D；导程为0.75D元件，螺旋角13.7°，螺旋的螺槽深度为0.12D，螺棱厚度为0.1D；导程为0.5D元件，螺旋角9.1°，螺旋的螺槽深度为0.12D，螺棱厚度为0.075D；正向捏合块元件的长度为1.2 D，捏合片厚度为0.2 D，捏合片错列角沿熔体输送方向分别为为30°、60°、90°。使用导程逐渐缩小的螺旋元件使物料不断压缩排气并逐渐熔融，捏合盘元件使物料快速熔融并混炼均匀。
屏障段长度，由1个反向螺旋元件组成，导程为0.25~0.6D；在一种可实施的方式中，反向螺旋元件的导程为0.6D，螺旋角10.8°，螺旋的螺槽深度为0.12D，元件螺棱厚度为0.06D；使用反向元件限制进入成膜脱水段6的熔体流量，建立熔体输送屏障，使成膜脱水段6能保持较低熔体压力。
成膜脱水段6长度为6D，由3段导程为2D的正向螺旋元件组成，元件螺旋角为36.5°，螺槽深度为0.15D，螺棱厚度为0.12D；此段和筒体以及设置在此段上方的脱挥口组成水蒸发室。聚合物熔体在大导程2D的正向螺旋元件控制下形成厚度0.8~2um的熔体薄膜结合负压作用，实现熔体中水份在0.2~1s时间范围内快速脱除。
进料段的长度为4~6.5D，进料段依次由3~5个沿螺杆组件长度方向的正向螺旋元件组成。在一种可实施的方式中，进料段3的长度为4D，进料段依次由3个沿螺杆组件长度方向的正向螺旋元件组成，沿熔体输送方向导程分别为1.5D、1.5D、1D。其中导程为1.5D元件，螺旋角27.4°，螺旋的螺槽深度为0.12D，螺棱厚度为0.12D；导程为1D元件，螺旋角18.2°，螺旋的螺槽深度为0.12D，螺棱厚度为0.1D。进料段3使用大导程元件使物料快速输送至熔融混炼段4。在另一种可实施的方式中，料段3的长度为6.5D，进料段依次由5个沿螺杆组件长度方向的正向螺旋元件组成，沿熔体输送方向导程分别为1.5D、1.5D、1.5D、1D、1D。
熔体输送段长度可以为7~10D，熔体输送段由7~9个正向螺旋元件组成，沿熔体输送方向导程范围为0.75~1.5 D，最后3或4个元件为导程为0.75D 的重复元件，在一种可实施的方式中，熔体输送段7长度为7.25D，熔体输送段由7个正向螺旋元件组成，沿熔体输送方向导程分别为1.5D 、1.5D、1D、1D、0.75D、0.75D、0.75D。具体的，其中导程为1.5D元件，螺旋角27.4°，螺旋的螺槽深度为0.12D，螺棱厚度为0.12D；导程为1D元件，螺旋角18.2°，螺旋的螺槽深度为0.12D，螺棱厚度为0.1D；导程为0.75D元件，螺旋角13.7°，螺旋的螺槽深度为0.12D，螺棱厚度为0.1D。通过导程逐渐缩小的元件和末端重复元件建立稳定的熔体压力。
其中，负压系统10可以包括真空泵，真空泵与脱挥口9相连通。
温控组件8可以包括加热块12、温控传感器（图中未示出）和设置在筒体1壁内的冷却水通道13，通过温度传感器来实时监控筒体1内部的温度，通过加热块12和冷却水通道13内流动的冷却水来控制内部的温度。
本发明通过螺杆2及其结构的最优组合，使得熔体具有较大的排气界面面积和界面更新频率，使熔体中包裹的水分能迅速迁移到表面，促进水汽的快速挥发，避免使用常规切片的离线干燥系统，减少了切片预结晶和干燥等生产环节，实现了聚酯和聚酰胺切片的直接熔融纺丝，避免了高耗能的干燥系统大幅缩短工艺流程和周期，减少能耗提高生产效率。
一种切片纺免干燥制备聚酯纤维或聚酰胺纤维的方法，使用上述装置，具体方法如下：将聚酯切片或聚酰胺切片喂入挤压机，切片在进料段3经加热和螺杆2剪切作用下塑化熔融，经屏障段5混合均匀并建立较高的熔体压力，在成膜脱水段6熔体压力下降并快速成膜，并由负压系统10快速脱除聚合物熔体表界面的水分，脱水后的熔体经计量段输送至纺丝机流出并牵伸制备出聚酯/聚酰纤维。
其中，进料段3：200-255℃，熔融混炼段4：230-265℃，屏障段5：240-260℃，成膜脱水段6：245-265℃，熔体输送段7：255-270℃；螺杆2转速为100-600 r/min；纺丝机的纺丝组件温度250-270℃。负压系统10的真空度可以控制在10-60 kPa。
本发明通过熔体快速成膜和负压环境使水分极速汽化并在极短时间（0.2~1s）内从体系中脱除，避免了水解反应的发生，有效保持了熔体的粘度。
以上未涉及之处，适用于现有技术。
虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围，本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例来做出各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的方向或者超越所附权利要求书所定义的范围。本领域的技术人员应该理解，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种切片纺免干燥制备聚酯纤维或聚酰胺纤维的装置，其特征在于，包括挤压机和纺丝机，所述挤压机包括筒体和设置在所述筒体内相互啮合的三个螺杆，呈并列型或三角形排列，所述螺杆分为多个功能区，沿其轴向依次为进料段、熔融混炼段、屏障段、成膜脱水段、熔体输送段，所述筒体外每个功能区对应一个温控组件，所述筒体对应所述成膜脱水段设有脱挥口，所述脱挥口连接有负压系统，所述挤压机与所述进料段相对应的位置设有进料口，所述挤压机的出料口与所述纺丝机的进料口相连通；
所述螺杆的总长度L和成膜元件外直径D的比值L/D为23~30；
所述熔融混炼段长度为6.6D，由4个正向螺旋元件和3个捏合块元件组成；4个正向螺旋元件沿熔体输送方向导程为1D、0.75D、0.75D、0.5D；每个捏合块元件的长度为1.2 D，捏合片厚度为0.2 D，捏合片错列角沿熔体输送方向分别为30°、60°、90°；聚合物在此段停留时间为0.3~3s，快速熔融；
所述屏障段长度，由1个反向螺旋元件组成，导程为0.25~0.6D；
所述成膜脱水段长度为6D，由3段导程为2D的正向螺旋元件组成，元件螺旋角为36.5°，螺槽深度为0.12D，螺棱厚度为0.12D；此段和筒体以及设置在此段上方的脱挥口组成水蒸发室；聚合物熔体在2D的正向螺旋元件控制下形成厚度0.8~2um的熔体薄膜结合负压作用，实现熔体中水份在0.2~1s时间范围内快速脱除。
2.如权利要求1所述的一种切片纺免干燥制备聚酯纤维或聚酰胺纤维的装置，其特征在于，所述进料段的长度为4~6.5D，进料段依次由3~5个沿螺杆组件长度方向的正向螺旋元件组成，沿熔体输送方向导程分别为1.5D、1.5D、1D或1.5D、1.5D、1.5D、1D或1.5D、1.5D、1.5D、1D、1D。
3. 如权利要求1所述的一种切片纺免干燥制备聚酯纤维或聚酰胺纤维的装置，其特征在于，所述熔体输送段长度为7~10D，所述熔体输送段由7~9个正向螺旋元件组成，沿熔体输送方向导程范围为0.75~1.5 D，最后3或4个元件为导程为0.75D 的重复元件。
4.如权利要求1所述的一种切片纺免干燥制备聚酯纤维或聚酰胺纤维的装置，其特征在于，所述温控组件包括加热块和所述筒体壁中的冷却水通道和温控传感器。
5.如权利要求1所述的一种切片纺免干燥制备聚酯纤维或聚酰胺纤维的装置，其特征在于，所述负压系统包括真空泵，所述真空泵与所述脱挥口相连通。
6.一种切片纺免干燥制备聚酯纤维或聚酰胺纤维的方法，其特征在于，使用权利要求1-5任一项所述的装置，具体方法如下：将聚酯切片或聚酰胺切片喂入挤压机，切片在所述进料段经加热和螺杆剪切作用下塑化熔融，经屏障段混合均匀并建立较高的熔体压力，在成膜脱水段熔体压力下降并快速成膜，并由负压系统快速脱除聚合物熔体表界面的水分，脱水后的熔体输送至纺丝机流出并牵伸制备出聚酯/聚酰纤维；
其中，所述进料段温度：200-255℃，熔融混炼段温度：230-265℃，屏障段温度：240-260℃，成膜脱水段温度：245-265℃，熔体输送段温度：255-270℃；螺杆转速为100-600 r/min；纺丝机的纺丝组件温度250-270℃。
7.如权利要求6所述的一种切片纺免干燥制备聚酯纤维或聚酰胺纤维的方法，其特征在于，所述负压系统的真空度控制在10-60 kPa。
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