PET/PBT雙十字形復(fù)合纖維紡絲組件及噴絲板設(shè)計(jì)

屠海燕，李建鄴，黃華福，范仁忠

（江蘇嘉通能源有限公司，江蘇 南通 226400）

PET/PBT復(fù)合纖維是由PET和PBT兩種聚酯并列復(fù)合紡絲而成。該纖維集蓬松柔軟、吸濕排汗、常溫易染、顏色鮮艷等特性于一體，尤其是該產(chǎn)品具有較好的彈力效果，基本滿足了一般彈性面料的彈性需求[1]。

雙十字形纖維是指雙組分熔體分別流經(jīng)各自的通道，并直接喂入噴絲孔，在噴絲孔或接近噴絲孔的位置匯合，再經(jīng)噴絲孔底部的噴絲微孔噴出，形成截面為雙十字形的異形纖維。雙十字形纖維具有六溝槽結(jié)構(gòu)，比表面積大，毛細(xì)效應(yīng)顯著，擁有更均勻的吸濕排汗性[2]。

本研究主要開發(fā)新型紡絲組件并設(shè)計(jì)噴絲板和噴絲板微孔，依據(jù)組件的使用周期、漏漿率和產(chǎn)品的優(yōu)等率、斷頭率等數(shù)據(jù)，佐證環(huán)心型紡絲組件設(shè)計(jì)的優(yōu)越性。

1 設(shè)計(jì)部分

1.1 紡絲組件的工作原理

在熔體紡絲生產(chǎn)加工過程中，紡絲組件的作用是充分過濾聚酯熔體中的雜質(zhì)，使熔體同步流動且均勻分布[3]。

由圖1和圖2可知，首先，兩種熔體分別進(jìn)入環(huán)心型砂杯的內(nèi)圈和外圈，內(nèi)外圈里分別放有金屬砂和過濾網(wǎng)，熔體通過時(shí)對其進(jìn)行均化和過濾。由于環(huán)心型結(jié)構(gòu)比原來眼鏡型結(jié)構(gòu)過濾容積更大、過濾效果更好、組件升壓平穩(wěn)、起壓低和末壓低，可以減少組件內(nèi)漏。其次，熔體通過過濾網(wǎng)之后，順著心型砂杯底部均勻排列的導(dǎo)流孔流到噴絲板的導(dǎo)流槽中。相比原來設(shè)計(jì)的分配板5件套，重新設(shè)計(jì)的組件減少了熔體流經(jīng)路徑，有利于改善熔體因死角產(chǎn)生的滯留降解，提高熔體流動的通暢性，進(jìn)而改善斷頭，延長周期，減少板面滲漏，提高拆卸、裝配效率。最后，兩種熔體各自進(jìn)入噴絲板，均勻分布在導(dǎo)流槽下邊的導(dǎo)流孔中，經(jīng)導(dǎo)流孔流入細(xì)小的出絲孔，進(jìn)而噴出噴絲板表面，在噴出噴絲板表面的一瞬間，兩股熔體復(fù)合在一起，形成含有兩種組分的熔體細(xì)流。

圖1 眼鏡型紡絲組件

圖2 環(huán)心型紡絲組件

1.2 紡絲組件的設(shè)計(jì)

1.2.1 過濾層設(shè)計(jì)

在紡絲組件內(nèi)的元件設(shè)計(jì)中，過濾層的作用是使熔體混煉均化，減緩熔體壓力的上升速度[4]。

（1）金剛砂過濾層。根據(jù)不同聚合物熔體中雜質(zhì)粒子的直徑大小，選用不同的金剛砂，具體參數(shù)如表1所示。

表1 金剛砂的參數(shù)

（2）包邊多層金屬過濾網(wǎng)。針對高黏度和無機(jī)物含量較多的熔體，為提高熔體過濾和混煉效果，選用包邊5層金屬過濾網(wǎng)，具體參數(shù)如表2所示。

表2 5層金屬過濾網(wǎng)的參數(shù)

1.2.2 分配板及砂杯設(shè)計(jì)

在紡絲組件內(nèi)的元件設(shè)計(jì)中，分配板的作用是將熔體均勻分配到噴絲孔上，并支撐過濾層和承受壓力。砂杯的作用是盛放濾砂，并承擔(dān)組件的耐壓和保形[4]。

對比圖1和圖2可知，環(huán)心型紡絲組件取消分配板5件套及中心螺絲緊固的方式，改為噴絲板與砂杯直接連接的方式。對比原先眼鏡型紡絲組件，環(huán)心型紡絲組件結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便，熔體流動阻力小，密封接觸面減少。

1.3 噴絲板的設(shè)計(jì)

1.3.1 噴絲板的外形和材質(zhì)

噴絲板的外形主要有圓形、扇形和矩形。噴絲板的材質(zhì)主要有SUS304、SUS316、SUS321、SUS431、SUS630等[4]。本設(shè)計(jì)選用機(jī)械加工性能優(yōu)良、耐腐蝕性好、耐高溫高壓的SUS630材質(zhì)的圓形噴絲板[5]。

1.3.2 噴絲板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）孔數(shù)和排布形式。噴絲板的孔數(shù)取決于紡絲工藝參數(shù)，其公式為：

式中：V為卷繞速度（m/min），Q為計(jì)量泵單位時(shí)間供量（g/min），N為纖維纖度（tex），Z為噴絲板孔數(shù)，k為拉伸倍數(shù)，1.15為回縮經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

本設(shè)計(jì)制備的是75 D/48 F的PET/PBT復(fù)合纖維，所以噴絲板孔數(shù)為48?？着挪夹问綖橥膱A等孔距排列，如圖3所示。其設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)是噴絲孔圓周均布，易于絲條均勻散熱，方便修板。

圖3 噴絲板孔數(shù)和排布形式

（2）導(dǎo)孔形狀和尺寸。本設(shè)計(jì)選用圓錐形導(dǎo)孔的噴絲板，兩導(dǎo)孔的夾角為30°，噴絲板導(dǎo)孔的直徑為0.30 mm，如圖4所示。其優(yōu)點(diǎn)是有利于改善熔體因死角產(chǎn)生的滯留降解現(xiàn)象，提高熔體流動的通暢性。

圖4 噴絲板導(dǎo)孔的形狀和尺寸

1.4 噴絲板微孔的設(shè)計(jì)

1.4.1 外形設(shè)計(jì)

噴絲板的微孔可以設(shè)計(jì)成圓形、扁平形、三角形、三葉形等。市面上的PET/PBT復(fù)合纖維的外形通常是啞鈴和葫蘆形。本設(shè)計(jì)有兩個(gè)并列的十字形孔，孔的大小可以相同，也可以不同，如圖5所示。

圖5 噴絲板微孔的外形

雙十字形纖維具有六溝槽結(jié)構(gòu)，比表面積大且毛細(xì)效應(yīng)顯著，而圓形纖維為一溝槽，扁平形纖維為兩溝槽，三葉形纖維為三溝槽，十字形纖維為四溝槽，因此，雙十字形纖維擁有更均勻的吸濕排汗性。

1.4.2 孔徑設(shè)計(jì)

噴絲板微孔的孔徑依據(jù)臨界剪切應(yīng)變速率設(shè)計(jì)，以防發(fā)生熔體擠出破裂現(xiàn)象。PET和PBT熔體的臨界剪切應(yīng)變速率在6×103～6×104s-1。由公式（2）推斷可知，噴絲板微孔的孔徑宜選擇0.25～0.40 mm。

式中：γ為剪切應(yīng)變速率，Q為計(jì)量泵單位時(shí)間供量（g/s），ρ為熔體密度（g/cm3），D為噴絲板微孔直徑（cm）。

1.4.3 長徑比設(shè)計(jì)

噴絲板微孔的長徑比是指噴絲板微孔的長度與孔徑的比值。若微孔的長徑比太小，熔體在孔道中的停留時(shí)間過長，不利于熔體彈性勢能的釋放，可降低紡絲的穩(wěn)定性；若微孔的長徑比太大，不利于組件的清洗和加工。綜合考慮，PET/PBT雙十字形復(fù)合纖維噴絲板微孔的長徑比宜選擇2～4。

2 應(yīng)用實(shí)例

選用眼鏡型紡絲組件和環(huán)心型紡絲組件分別生產(chǎn)60 t 75 D/48 F的PET/PBT復(fù)合纖維，測得組件和產(chǎn)品各項(xiàng)指標(biāo)如表3所示。

表3 組件和產(chǎn)品的各項(xiàng)指標(biāo)

由表3可知，環(huán)心型紡絲組件比眼鏡型紡絲組件的使用周期延長了2天，漏漿率降低了4%，產(chǎn)品優(yōu)等率提高了2%，斷頭率降低了2%。

3 結(jié)語

本研究運(yùn)用環(huán)心型紡絲組件和雙十字形噴絲板成功制備了PET/PBT雙十字形復(fù)合纖維，得出組件的使用周期為7天，漏漿率為1%，產(chǎn)品優(yōu)等率為92%，斷頭率為1%。