细旦多孔聚酯预取向丝Barmag环吹纺丝组件的设计

吴金亮 王铁军 孙福 吴维光 张逢书 李钊大 宋峰

摘 要：采用Barmag环吹技术熔体直纺生产超细旦纤维，对133.3 dtex/144f细旦多孔聚酯预取向丝（POY）纺丝组件的设计和组装工艺进行了研究。理论和生产实践表明：133.3 dtex/144f品种喷丝板直径为88mm，孔排列成4圈时情况最佳;喷丝板微孔长度为0.15mm 、微孔长径比选择为3.33时比较合适;特殊设计的喷丝板山峰槽导流结构，砂杯、导流板、分配板有效避免了组件内部的死角，增强了熔体的混合效果;当七层滤网规格为700目，搭配60目100 g金属砂和80目200 g金属砂时，组件的上机压力为15.2MPa，上机成功率96.6%，使用周期45 d;实际生产中，组件预热炉温度设定为325℃，预热时间为8 h并恒温4 h，可以满足生产需求。

关键词：细旦多孔;喷丝板;组件压力;金属砂;过滤网

中图分类号： TQ342

文献标志码：A

文章编号：1009-265X（2021）06-0049-06

收稿日期：2020-10-08 網络首发日期：2021-04-15

基金项目：国家重点研发计划专项项目（2016YFB0302703）

作者简介：吴金亮（1976-），男，江西赣州人，高级工程师，主要从事新型纤维材料开发、功能性纤维、差别化纤维、复合纤维方面的研究。

通信作者：王铁军，E-mail：wangtiejun_wtj@163.com

Design of Barmag Ring Blowing Spinning Assembly of FineDenier Porous Polyester Pre-oriented Yarn

WU Jinliang1， WANG Tiejun1， SUN Fu2， WU Weiguang1，ZHANG Fengshu1， LI Zhaoda1， SONG Feng1

（1.Rongsheng Petuochemical Group Co. Ltd.， Hangzhou 311247， China;

2.College of Materials and Textiles， Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou 310018， China）

Abstract： An ultrafine denier fiber was produced by melt direct spinning with Barmag ring blowing technology， the design and assembly process of 133.3 dtex/144f fine denier porous polyester pre-oriented yarn （POY） spinning component were studied. The theory and production practice suggest that： the spinning condition is the best when the diameter of the spinneret of the 133.3 dtex/144f POY is 88mm， and the holes are arranged in 4 circles. The condition is suitable when the micropore length of spinneret is 0.15mm and the ratio of micropore length to diameter is 3.33. The specially designed groove diversion structure of spinneret， sand cup， guide plate and distribution plate can effectively avoid dead corners inside the assembly and promote the mixing effect of melt. When the mesh number of the seven-layer filter screen is 700， coupled with 100 g metal sand in mesh #60 and 200 g metal sand in mesh #80， the operating pressure of the assembly is 15.2MPa， the success rate is 97.6%， and the service life is up to 45 d. In practical production， when the preheating temperature is set to 325℃， the preheating time is 8h and the temperature is held for 4h， the production requirements can be met.

Key words： fine denier porous， spinneret， pressure of component; metal sand， filter screen

在熔体直纺的过程中，组件是被称为纺丝心脏的核心部件。经熔体管道输送到箱体的聚酯熔体通过计量泵精确计量后在其内部过滤、撕裂、混合，然后在稳定的压力下挤出成型[1-2]。不同类型的产品需要由不同规格的纺丝组件来实现。生产的品种越高端，对组件的要求就越高。超细旦纤维133.3 dtex/144f是近几年才逐步实现工业化生产的功能性纤维，属于纤维中的高端品种。因此在纺丝过程中，难度远远高于常规的聚酯纤维。其组件的设计和装配过程都有着特殊的要求，也可以说纺丝组件的优化直接影响着纺丝工厂的生产状况和产品品质。本文重点阐述了有关Barmag环吹细旦多孔纤维133.3 dtex/144f纺丝组件的优化过程，为纺丝工厂提供一定的依据。

1 实 验

1.1 设备和仪器

M3型超声波清洗机（中国科学院上海声学实验室），全自动光学检板仪（常州华纺纺织仪器有限公司），碱水洗保温炉（盐城华强化纤机械有限公司），真空清洗炉（江苏自强化纤机械厂）。

1.2 清洗和组装流程

组件壳、导流板、分配板→真空煅烧→人工刷洗→碱洗→超声波清洗→烘干待组装

喷丝板→真空煅烧→碱洗炉→人工清洗→超声波清洗→压缩空气吹干→光学检板→密封保存

组件壳→喷丝板→七层滤网→砂杯→三层滤网→金属砂→三层滤网→分配板→导流板→压圈

2 结果与讨论

2.1 喷丝板孔径和长径比的选择

喷丝板是纺丝组件的最关键部件，在实际生产过程中喷丝孔的孔径和长径比的选择对产品品质造成很大影响[3-4]。孔径是指喷丝板微孔的直径，长径比是指喷丝板微孔的高度和直径的比。熔融纺丝过程中，熔体作为一种黏弹体，在经组件纺丝的过程中，会产生很大的内应力，因此喷丝板的孔径和长径比设计就显得尤为重要，合适的孔径和长径比可以有效地消除大部分内应力。减少初生纤维的挤出胀大效应，提高成品丝的品质。一般单纤越细，孔径越小，同时长径比就应该越大。133.3 dtex/144f品种属于多孔超细旦丝，如果孔径设计的不合适，长径比太大会造成剪切速率不良、喷丝板的清洗困难等弊端，组件的上机成功率会很低。一般来说，在充分考虑操作便利的情况下，通过纺丝生产过程中剪切速率和喷头拉伸比的计算来设计合适的孔径和长径比。一般情况下，规模化生产超细旦聚酯与取向纤维时剪切速率应控制在12000 S-1左右，喷头拉伸控制在250以下。通过式（1）计算133.3 dtex/144f的剪切速率：

式中：为剪切速率，S-1;Q为通过喷丝板熔体的质量流量，g/s;ρ为熔体密度（聚酯熔体为1.17 g/cm3）;n为喷丝板的孔数;R为喷丝孔的半径，cm。

当纺丝速度为2850 m/min ，纤度为133.3 dtex，泵供量Q为0.63317 g/s。所以当R为0.0075mm时，剪切速率为11342.14 S-1。

在此条件下，通过式（2）计算出初生纤维的喷出速度：

式中：v0为初生纤维喷出速度，cm/s;Q为通过喷丝板熔体的质量流量，g/s;ρ为熔体密度（聚酯熔体为1.17g/cm3），g/cm3;n为喷丝板的孔数;R为喷丝板孔的半径，cm。

当泵供量Q为0.63317 g/s， R为0.0075cm时，初生纤维的喷出速度v0为21.27cm/s。

在此条件下，通过式（3）计算出初生纤维的喷头拉伸比：

式中：DR为喷头拉伸比;vL为纺丝速度，m/min;v0为喷出速度，m/min。

當纺丝速度vL为2850 m/min，v0为1.27599 m/min（由21.27cm/s换算）时，可以计算出其的喷头拉伸比DR为223.36，小于250。

由上述计算可知，当孔半径为0.0075cm时，剪切速率为11342 S-1，喷头拉伸比DR为223.4。适合生产133.3 dtex/144f 聚酯预取向丝细旦多孔品种。在大生产中，为了降低清洗难度，同时又能够有效释放熔体在喷丝板挤出时的内应力，选择微孔高度为0.5mm，长径比为3.33。图1为在此理论计算的基础上设计的喷丝板单孔截面图。

2.2 喷丝板直径、喷丝孔的排列方式的设计

聚酯纤维的孔数不同、纤度不同，喷丝板的直径（简称板径）自然就不同。一般情况孔数越多，纤度越大，板经就越大。但板经过大，熔体流量不足，会使得板面受热不匀。如果板经过小，会导致组件腔内容量无法满足要求，同时产生无法合理排列微孔的问题[5-7]。133.3 dtex/144f品种还需要考虑熔体进入组件内部后，熔体作用在喷丝板上压力分布均匀性问题。根据流体力学中黏弹流体在压力作用下的流动原理，把喷丝板的受力面设计成特殊的山峰型沟槽结构。如图2所示，为了避免喷丝板中间留白部分产生熔体死角，将其设计成中心高、边缘低，同时把喷丝孔的上部导流部分设计成互通的环形导流槽，这样的结构使熔体在压力的作用下，中间部分的熔体均匀的向喷丝板四周的导流沟槽扩散，然后沿着导流槽进入喷丝孔，有效地避免了熔体死角的形成。

常规喷丝板孔的排列方式大体上分为同心圆分布、菱形分布、星形分布和环形交错分布等[8-10]。EVO环吹风这样的冷却形式比较适合做超细旦品种，冷却风均匀的从圆周方向吹向初生纤维，使其均匀冷却固化，有效减少丝束骤冷所带来的皮芯效应。因此从133.3 dtex/144f品种的冷却方式看，以环形交错排列同时中间部分留有空白的排列方式能最大限度的发挥Barmag环吹风的冷却效果。喷丝孔排列状态的临界值是在实验中确定，孔的间隔存在最小值，孔的圈数存在最大值。实践表明最小间距为2.2～2.3mm，最大圈数为10圈。133.3 dtex/144f品种应该在此范围内确定喷丝板直径和孔排列圈数。根据设备状况和生产需求，当箱体温度为292℃时，设计了如表1所示的几组试验，对比选出最佳方案。

表1的数据表明，133.3 dtex/144f作为细旦多孔品种，喷丝板直径和孔排列情况对组件使用周期和生产状况都有明显地影响。如图3所示，生产实践表明，该品种喷丝板直径为88mm，中心留白部分为50mm，喷丝孔排列成4圈，由内到外分别为30孔、34孔、38孔、42孔，每圈的孔数均匀分布。上机后板面温度为290℃，从生产现场观察，Barmag环吹风筒内的丝束最稳定，最大限度地发挥了Barmag环吹均匀冷却的效果。同时组件使用周期为45 d，优等品为97.5%，满足生产需求。

2.3 导流板、分配板、砂杯的设计

砂杯、导流板、分配板是组件内部可以重复使用的部件。这3个部件的设计对组件内部是否存在死

角及熔体的混合效果有重要影响。第一，把导流板设计成一种独特的内凹型喇叭口，在熔体出口附近设计三道环状沟槽，对熔体起到缓冲稳定作用。当熔体自喇叭口进入组件内腔经过缓冲后沿着导流板均匀向圆周方向扩散，成均匀的膜状填充，保证了组件内各点压力的均衡。第二，把分配板设计成中间厚边缘薄的结构，边缘设计成锯齿状，熔体沿着导流板流到底部后，再沿着边缘的锯齿状通道流入砂杯内部，减少内部压力不匀和内部死角的形成。第三，常规纤维的砂杯底部都设计成直孔，这样的设计对清洗有利。但弊端是当喷丝板直径大、孔数多时，直孔设计容易在组件内部产生死角，不但会影响组件的正常使用而且对产品品质产生不良影响，比如产生柱头丝、弱丝、飘丝等问题。把砂杯设计成由内向外倾斜的15°斜孔，有效地避免了内部死角的产生，充分保证了熔体到喷丝板上各喷丝孔入口处的熔体压力均匀性，保证整束纤维中单纤的一致性，有效提升了聚酯预取向丝产品品质。图4为生产133.3 dtex/144f 品种时使用的导流板、分配板、砂杯实物图。

2.4 组件压力计算、金属砂配比 、滤网规格的选择

组件的初始压力一般需要进行理论计算，然后根据计算结果合理设计试验，再根据实际生产情况选择最优的组合。纺丝组件的初始压力一般在组件的入口处测量，初始压力用于克服组件内部各部分产生的阻力。因此初始压力应等于熔体经过分配板的压力损失（P1）、滤网的压力损失（P2）、金属砂的压力损失（P3）之和。用式（5）—式（7）表示。

式中：P0为纺丝组件初始压力，其值等于组件入口处测量的压力;Pi为熔体通过纺丝组件中第i个内件的压力损失。

式中：μ为熔体动力黏度，240Pa·s;L為分配板孔高，m;n为修正系数2.9;D为分配板单孔孔径，m;Q1为分配板单孔熔体流量，0.64×10-8m3/s。计算可知P1=0.14MPa。

式中：α为过滤网网孔间距，m;d为滤网网丝的直径，m; μ为熔体动力黏度，240Pa·s;Q为熔体总体积流量，0.54×10-6m3/s;F为滤网总的通孔面积，m2。计算可知，P2=3.25MPa。

式中：e为金属砂毛细孔深度，m;Ф为金属砂球形度;μ为熔体动力黏度，240Pa·s;ε为金属砂孔隙率;Vs为熔体在金属砂中流动速度，m/s;L为金属砂厚度，m;X为金属砂直径，m。

计算可知，P3=8.47MPa，故组件初始压力约为P0=P1+2P 2+P3=15.11MPa。

由以上计算可知，组件的初始压力主要消耗在滤网和金属上。组件内部的密封材料、不锈钢

金属砂、滤网等属于一次性滤材。其中不锈钢金属砂和滤网的功能主要有两点：第一，对熔体进行撕裂、过滤、增压、分配、剪切等作用。第二，当熔体通过时建立起纺丝生产所必需的组件压力。如何选择合适的滤网与不锈钢金属砂就显得至关重要。在生产133.3 dtex/144f 时，对熔体在组件内建立压力和过滤性能影响最大的是喷丝板上方的七层滤网和金属砂。根据前面的理论计算，设计了多组七层滤网和金属砂组合试验（表2），最终找出合适的搭配方案。

实际生产表明，两种不同规格的金属砂同时使用对熔体的混合和撕裂效果要优于单一品种的金属砂[11-13]。表2的数据说明，当七层滤网规格为700目搭配60目100 g和80目200 g金属砂时，组件的上机压力为15.2MPa，上机成功率达到96.6%，使用周期为45 d，满足了规模化生产要求。

2.5 组件上机温度、使用周期的控制

组件在上机使用前，必须经过预热炉预热。组件上机后其自身的温度和正常的纺丝箱体温度在经过一段时间后会达到平衡，但不是相同[14]。正常情况下组件内喷丝板的表面温度要略低于箱体的温度2℃左右。在达到平衡时间之前的成品无法保证其正常的物理和化学性能，其强度、伸长率、条干会产生较大差异，从而对后加工生产拉伸变形丝（DTY）的物理性能及染色均匀性产生影响。组件的平衡时间越短对纺丝而言就越有利，可以降低废品率，提升优等品率。经过实际测量，组件预热炉出炉至安装到箱体的过程中持续时间约6 min。运输过程有保温的情况下，组件温度出预热炉后每分钟下降约4～5℃。而在纺制133.3 dtex/144f品种时需要的箱体温度为292℃。因此设定的预热温度为325℃。上机后实测组件的温度为294℃，比纺丝箱体温度略高。实测可知，组件温度在7 min左右就与箱体温度达到平衡。如果组件温度过高，会使得平衡时间延长。还会造成熔体黏度下降、实际生产中会出现弯头丝、黏板等异常情况，不利于纺丝铲板、清板作业。组件预热温度过低，或者受热不匀的组件上机，则熔体在进入组件后会快速降温，造成黏度和流动性不良，压力快速升高，出现注头丝、硬头丝等异常现象，影响组件正常吐出成纤，严重时组件压力急速上升，存在安全隐患，比如引起纺丝箱体内熔体分配管变型或爆裂现象，在实际生产中应杜绝这类问题。

生产实践表明，当组件在预热炉中的时间达到8 h以上，并恒温4 h，符合使用需求。低于8 h会使组件内外各点温度不匀。组件上机前应先抽样实测确认符合要求后在进行上机作业。需要注意的是在大生产中，组件的使用周期需要根据升压情况和生产状况来决定组件周期，按箱体管道和组件的设计标准，应控制组件下机压力不超过20MPa，组件上下机的压差小于2MPa。优选组件滤材，进行合适的搭配，组件上机初始压力控制在15MPa左右，下机时组件压力16.8MPa左右，以保证整个组件周期内的聚酯预取向丝产品物理性能的一致性，期间组件的使用周期为45 d。

3 结 论

本文采用Barmag环吹技术熔体直纺生产超细旦纤维，对133.3 dtex/144f细旦多孔聚酯预取向丝（POY）纺丝组件的设计和组装工艺进行了分析，得出的结果主要有：

a）生产实践表明，133.3 dtex/144f POY品种喷丝板直径为88mm，喷丝板受力面设计成特殊的中间留白的山峰型沟槽结构，喷丝孔排列成4圈，使用效果最佳。

b）理论计算可知，喷丝板微孔长度为0.15mm 时比较合适。实际考虑清洗难度，同时又能够有效释放熔体挤出时的内应力，微孔长径比选择为3.33。根据133.3 dtex/144f POY产品特点设计了砂杯、导流板、分配板这三个部件的结构，有效避免了組件内部的死角，增强了熔体的混合效果。

c）两种规格金属砂同时使用时的熔体混合撕裂效果优于单一规格金属砂。实践表明，当7层滤网规格为700目搭配60目100 g金属砂和80目200 g金属砂时，组件的上机压力为15.2MPa，上机成功率达到96.6%，使用周期为45 d，满足了规模化工业生产要求。

d）生产133.3 dtex/144f POY品种时，组件预热炉温度为325℃，预热时间为8 h以上，并恒温4 h，可以满足生产需求。

参考文献：

[1]高志勇，于丽娜，许睿哲. 纺丝组件结构设计及阻力计算[J]. 聚酯工业，2013，26（3）：59-62.

[2]魏艳红，刘新金，谢春萍，等.几种差别化聚酯纤维的结构与性能[J].纺织学报，2019，40（11）：13-19.

[3]方千瑞，周先何， 刘焕强，等. 纺丝组件上机成功率的改进[J]. 聚酯工业，2017，30（5）：43-48.

[4]GAO J，JIN Z F，PAN Z Y.Depolymerization of poly（trimethylene terephthalate）in hot compressed water at 240～320℃ [J].Polymer Degradation and Stability，2012，97（9）：1838-1843.

[5]韩霞，赵式英.纺丝组件中喷丝板孔结构的设计与熔体流动分析[J].北京服装学院学报（自然科学版），2011，31（1）：50-54，64.

[6]郭成越，方千瑞，李岳春，等.熔体直纺275dtex/288根细旦涤纶POY生产工艺[J].丝绸，2014，51（6）：1-5.

[7]王永恒， 石彩杰， 崔再治. 喷丝板的设计[J]. 聚酯工业，2006，19（3）：27-30.

[8]姬洪，张阳，陈康，等.基于动力学特性的黑色高强聚酯工业丝研发[J].纺织学报，2020，41（4）：1-8.

[9]张逢书，李钊大，宋峰，等.涤纶纤维表面改性处理[J].石化技术，2019，26（6）：321-322.

[10]徐光华，王铁军，黄乔波，等.一步法120dtex/112f涤纶混纤丝工艺探讨[J].合成纤维，2020，49（5）：13-15，19.

[11]林启松，江力，汪凯，等.新型改性聚酯的制备及其性能[J].纺织学报，2018，39（8）：22-26.

[12]谢尚财，李岳春，顾建庆，等.纺丝组件问题在长丝生产过程中的探讨[J].合成纤维，2020，49（8）：34-37.

[13]汪丽霞，张凯，刘青.我国差别化涤纶长丝发展近况及发展趋势[J].聚酯工业，2017，30（3）：1-7.

[14]吴金亮，张逢书，卢庆丰，等. 熔体直纺低收缩率涤纶 FDY 生产工艺[J].丝绸， 2016，53（7）：23-26.