并列型復(fù)合纖維紡絲組件的研究

沈千林，全 瀟，孟超群

(1.東華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620；2.太倉(cāng)榮文合成纖維有限公司，江蘇 太倉(cāng) 215427)

1 引言

隨著復(fù)合紡絲技術(shù)的發(fā)展，并列型復(fù)合纖維已應(yīng)用到彈性纖維制造中。并列型復(fù)合纖維是具有較好的彈性、吸濕、快干等多種性能的高技術(shù)纖維，具有較高的附加值，同時(shí)有耐氯洗、染色均勻性好等優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的并列復(fù)合纖維的組件設(shè)計(jì)采用兩種熔體從同一噴絲孔擠出，對(duì)噴絲板加工精度及紡絲工藝帶來(lái)極苛刻的要求，操作性、可紡性都比較差，極大地影響了并列復(fù)合纖維的工業(yè)化及應(yīng)用進(jìn)程。因此，從組件結(jié)構(gòu)出發(fā)，提出了一種新的設(shè)計(jì)思路，兩種熔體沿各自的通道，在出噴絲板后，應(yīng)用高聚物自身的彈性，兩種熔體自發(fā)地結(jié)合起來(lái)[1]。

本文結(jié)合紡絲工藝，對(duì)并列型復(fù)合纖維組件的研究，對(duì)于我國(guó)差別化、高技術(shù)、高附加值紡織品的發(fā)展有著重要的意義。

2 并列型復(fù)合纖維組件的設(shè)計(jì)

2.1 并列型復(fù)合纖維噴絲板的設(shè)計(jì)

并列型復(fù)合噴絲板的設(shè)計(jì)是基于常規(guī)噴絲板的設(shè)計(jì)理論，結(jié)合并列復(fù)合纖維彈性機(jī)理與紡絲成形特點(diǎn)，提出了基于單元設(shè)計(jì)方法，對(duì)孔結(jié)構(gòu)、孔徑、孔間距等影響并列復(fù)合纖維成形的參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

2.1.1 噴絲孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

噴絲孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)無(wú)疑是并列復(fù)合纖維組件設(shè)計(jì)中的核心部分。如圖1所示，兩種熔體分別具有獨(dú)立的導(dǎo)孔區(qū)，在出噴絲板前兩種熔體不接觸。對(duì)于黏度、溫度控制要求不高，可以保證兩種熔體仍按原有順序從各自的噴絲孔擠出，并且加工精度能夠得以保證。

圖1 噴絲板示意圖

2.1.2 噴絲孔孔徑設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的組件所選擇的高聚物種類為聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(PET)與聚對(duì)苯二甲酸丙二酯(PTT)，兩種高聚物的體積比例為1 ∶1。以最終成品規(guī)格為167 dtex /48 f的雙組份并列復(fù)合纖維對(duì)噴絲板孔徑進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(1)據(jù)所紡品種及紡絲工藝條件確定單孔流量及各單元流量[2]。

(1)

式中:Q-單孔流量，cm3/s；

D-單絲纖度，dtex；

K-經(jīng)驗(yàn)打滑回縮系數(shù)，取0.9；

V-卷繞速度，m/min；

N-后拉伸倍數(shù)；

ρ-熔體密度，g/cm3。

=1.04×10-2cm3/s

(2)

式中:Q-單孔吐出量，cm3/s；

D-噴絲孔直徑，cm。

(3)

根據(jù)

>0.0219 cm

選定D=0.022 cm ，代入剪切速率公式

=9 948 s-1

(3)計(jì)算擠出速度、噴絲頭拉伸倍數(shù)及壓力降。對(duì)于圓形孔

(4)

(5)

(6)

式中: v -擠出速度，m/min；

氣溫方面，除青藏高原、東北地區(qū)等地平均氣溫較常年同期偏低1℃-2℃外，我國(guó)西北至華中一帶平均氣溫將由前期偏低逐步轉(zhuǎn)為偏高或接近常年同期。

B-噴絲頭的拉伸倍數(shù)；

D-噴絲孔直徑，cm；

V-卷繞速度，m/min；

Q-單孔吐出量，cm3/s；

ΔP-壓力降，Pa；

L-噴絲孔的長(zhǎng)度，cm；

η-表觀黏度，Pa·s。

公式修正后：

2.1.3 噴絲孔孔間距設(shè)計(jì)

圖2 雙孔間距示意圖

圖3 雙孔間距示意圖

根據(jù)并列復(fù)合纖維的彈性機(jī)理[3]，利用雙通道噴絲孔方法來(lái)實(shí)現(xiàn)噴絲板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并基于單元噴絲板設(shè)計(jì)方法，對(duì)噴絲孔的孔結(jié)構(gòu)、孔徑、兩通道孔間距、進(jìn)行了設(shè)計(jì)和計(jì)算。以成品纖度為167dtex/48f的并列復(fù)合纖維為例，確定了以兩獨(dú)立通道噴絲孔結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)加工了噴絲孔徑為0.22mm，孔間距為0.5mm和0.3mm的噴絲板。并計(jì)算出平均流速為16.5m/min，噴頭拉伸比為167，噴絲孔壓力降為2.48MPa。

2.2 并列型復(fù)合纖維組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

并列復(fù)合纖維的組份為兩種體積流量相近的熔體，在熔體復(fù)合時(shí)，兩種熔體并列地分布在纖維中，并且要將熔體分成均等的兩等份，若每個(gè)噴絲板中排列三圈纖維，則需要排列均等的六等份溝槽。本文所設(shè)計(jì)的分配板結(jié)構(gòu)如圖4所示，基于這種分配方式的設(shè)計(jì)，能保證熔體有較短的停留時(shí)間，每個(gè)噴絲孔擠出的熔體均有相同的壓力、流量分布，保證熔體有相同的停留時(shí)間，有利于纖維的可紡性、均勻性。

1-承壓板; 2-分配板1; 3-分配板2; 4-噴絲板

3 試紡試驗(yàn)

為了驗(yàn)證并列復(fù)合纖維紡絲組件設(shè)計(jì)思路的可行性及可紡性，本文設(shè)計(jì)的并列復(fù)合纖維紡絲組件，在寧波新順化纖公司進(jìn)行了試紡。所采用的裝置為該公司的生產(chǎn)性大裝置。

(1)噴絲板參數(shù)

噴絲孔的直徑為0.22 mm，噴絲板的兩孔間距為0.5 mm、0.3 mm兩種規(guī)格。

(2)原料

紡絲原料見表1。

表1 紡絲原料

(3)試紡結(jié)果

紡絲過(guò)程中兩種熔體從噴絲板擠出時(shí)均能穩(wěn)定擠出，可紡性與熔體在噴絲孔內(nèi)“融合”方式相比有很大提高，紡絲運(yùn)行性能對(duì)工藝、黏度的依賴性降低。在3 000 m/min的紡速下，沒(méi)有“飄絲”與“斷頭”現(xiàn)象發(fā)生 ，整個(gè)運(yùn)行過(guò)程穩(wěn)定。并列復(fù)合纖維截面圖如圖5所示。

圖5 PET/PTT并列復(fù)合纖維截面圖

從POY截面圖可以看出，整個(gè)纖維的截面形狀為“8”字形，其中PET組份與PTT組份已經(jīng)明顯的結(jié)合在一起?？梢钥闯觯瑑煞N組份間有著清晰的結(jié)合界面，兩種組份的聚合物已經(jīng)牢固的黏合在一起。

紡制的雙組份復(fù)合POY由于兩種組份熱收縮性能差異，在經(jīng)過(guò)相同條件的熱牽伸后，兩側(cè)的取向結(jié)構(gòu)的不同導(dǎo)致一側(cè)收縮率大于另一側(cè)的收縮率，從而使?fàn)可旌蟮碾p組份并列復(fù)合纖維呈明顯的螺旋性結(jié)構(gòu)。其纖維結(jié)構(gòu)形態(tài)如圖6所示。

圖6 牽伸后并列纖維形態(tài)

PET/PTT并列復(fù)合纖維在牽伸過(guò)程中后牽伸性能較差，“毛絲、斷頭”較多，所制得的纖維的強(qiáng)度也較低。分析原因可能是兩孔間距較大，雙組份結(jié)合截面較小。同時(shí)，PTT與PET的相溶性較差，界面結(jié)合強(qiáng)度低，兩種組份纖維易在外力作用下產(chǎn)生剝離。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)并列復(fù)合纖維的彈性機(jī)理，利用雙通道噴絲孔方法來(lái)實(shí)現(xiàn)噴絲板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并基于單元噴絲板設(shè)計(jì)方法，對(duì)噴絲孔的孔結(jié)構(gòu)、孔徑、兩通道孔間距、進(jìn)行了設(shè)計(jì)和計(jì)算。以成品纖度167 dtex/48 f的并列復(fù)合纖維為例，確定了以兩獨(dú)立通道噴絲孔結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)加工了噴絲孔徑為0.22 mm，孔間距為0.5 mm和0.3 mm的噴絲板。

(2)結(jié)合雙組份纖維生產(chǎn)實(shí)際及裝置特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了紡絲組件的結(jié)構(gòu)方式，過(guò)濾形式、及分配板的組合方式。分配板采用多層逐步分配的方式，設(shè)計(jì)制造了噴絲板為3圈噴絲方式，具有較好冷卻效果的并列復(fù)合紡絲組件結(jié)構(gòu)。

(3)采用本文所設(shè)計(jì)的并列復(fù)合紡絲組件，根據(jù)試紡實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示，孔間距為0.3 mm時(shí)，PET和PTT兩組份在紡絲時(shí)具有較好的可紡性，纖維有較好的卷曲性能和抗剝離性能。

[1]Yu Jing-peir.復(fù)合纖維噴絲板的設(shè)計(jì)[J].國(guó)外紡織技術(shù)，1998 (11)：12-15.

[2]郭大生，王文科.聚酯纖維科學(xué)與工程[M].北京：中國(guó)紡織出版社，2001.

[3]王府梅，李京歌，謝漩妍.錦綸等彈性纖維的彈性回復(fù)性能比較[J].東華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2004，30(3)：90-92.