摘要:对普通纺丝设备进行改造以达到纺制细旦长丝的目的是一条投资少、见效快的途径。介绍了有关熔体过滤方面的改造方案,包括纺丝组件、熔体过滤器和二氧化钛过滤器的改进。
关键词:纺丝设备,熔体过滤器,细旦纤维中图分类号:TQ340 641 文献标识码:B 文章编号:1004-7093(2007)03-0013-05
细旦纤维的线密度小、抗弯刚度小,同样粗细的纱线中纤维的根数多,从而提高了成纱的均匀度及强度,可使织物的表观发生质的飞跃。用细旦纤维织成的织品,细洁精致、手感柔软、细腻滑糯且悬垂性极好,使织物轻、柔、爽、滑,能获得真丝绸的外观和手感。如果对超薄型涤纶织物再经过特殊柔软亲水处理,可使织物具有天然麂皮般的立体感和效应。用细旦纤维生产的仿麂皮、仿真丝、仿羊绒等高档纺织品具有棉的舒适性、毛的保暖性、丝的柔滑外观。超细纤维还可用于合成革、清洁布、高密防水织物、液体或空气过滤材料、保温材料、功能纸和电池隔膜等。纺细旦纤维、纺高支纱、织特种布是近10年来纺织产品发展的趋势。
我国20世纪80年代末才开始细旦纤维的研究,近几年才开始批量生产,投放市场,产品备受欢迎。细旦纤维是当前发达国家纺织品开发的热点。加快发展细旦纤维,紧追世界纺织品潮流,开拓国内外市场,已成为我国纺织工业的当务之急。
近几年来,我国一些科研院所和企业已陆续推出国产化细旦POY纺丝设备,可以纺制单丝线密度0.5～1dtex的微细旦产品。一些企业也在研究对策,即在不增加生产成本的前提下,通过技术改造及工艺优化,提高大规模熔体直纺聚酯装置的熔体质量,以适应生产熔体直纺细旦纤维和超细旦纤维的需要。另因前期由于国际原油价格持续上扬,聚酯切片或原料价格居高不下,多数生产厂为了追求利润,停产或减产某些常规品种,尤其是粗旦纤维如167dtex以上的DTY及FDY,改产细旦纤维。
通过对现有设备的改造来达到利用现有设备纺细旦纤维的目的,这是投资少、见效快的一条途径。改造包括纺丝过程的温度控制、喷丝板孔径和孔间距的改变、侧吹风风速的调整、纺丝速度的优化等多个方面。
本文只讨论与过滤有关的三个问题:纺丝组件的改进、熔体过滤器的改造和二氧化钛过滤器的改进。
1 纺丝组件的改进
纺丝组件由砂滤、滤片和喷丝板组成。砂滤和滤片是熔体进入喷丝板前的最后一道过滤,对聚合物熔体起到滤除杂质、调整纺丝前的压力、均布流体和剪切分子链的作用,也是减少飘丝、断丝,保证纺丝满卷率和合格率的一个重要部件。
纺制细旦纤维时要求通过砂滤的阻力大一些,以更有利于熔体均布和速度均匀。一般是对金属砂或海砂的粒度和配比作适当的调整。在砂腔容积一定的情况下,采用适当减小砂粒的直径和增大细砂的比例来达到增加阻力的目的,也可以在实验室通过“糖稀试验”来测定阻力的大小。
常规的纺丝组件中的滤片大多用多层金属编织网叠加而成。精度高的金属编织网(如方孔网和特种网)存在的缺陷是标称过滤精度与绝对过滤精度相差很大,有效流通面积只有5%～10%,纳污能力小,阻力大,因此高档滤片常用金属纤维烧结毡。在绝对过滤精度一致的情况下,金属纤维烧结毡的阻力只有丝网的三分之一,寿命却比丝网长10～15倍。
滤片绝对过滤精度的选择应与前级主过滤器绝对过滤精度相同。这是因为滤片过滤面积不大,正常过滤时承担负荷很小,升压缓慢,只有在前级过滤异常时才迅速升压,使用寿命明显缩短。
2 熔体过滤器的改造
2 1 过滤精度的选择
熔体过滤器是聚酯纺丝装置的重要设备,主要用于滤除聚酯熔体中的机械杂质、凝胶、焦化物及其他固体和胶状体杂质。熔体过滤对于纺制细旦纤维尤为重要,纺丝装置必须加装熔体过滤器。本文主要讨论对现有熔体过滤器的改造,以达到纺制细旦纤维的目的。
纺制细旦纤维的纺丝板孔径已小到0.16mm左右,因此必须提高熔体过滤器的过滤精度才能满足纺丝的要求。熔体过滤器的过滤介质大多为不锈钢纤维烧结毡,虽然不锈钢纤维烧结毡有3、5、7、10、15、20、25、30、40、60μm等不同的绝对过滤精度,但由于其在高压、高温、腐蚀等恶劣的环境中工作,熔体过滤器的滤芯多为波纹圆柱状,必须采用焊接结构。由于3～7μm过滤精度的过滤介质其不锈钢纤维直径很细,熔焊很难保证滤芯的完整性,成品率低,制造成本急骤增加,因此不可能使用3、5、7μm精度等级的过滤器。而10μm精度等级的熔体过滤器在实际使用中初始阻力大,使用寿命短,或者要选择足够大的过滤面积,使投资成本增加,没有实际使用的意义。因此,熔体过滤器过滤精度最高选择在15μm。
2 2 提高过滤精度对系统的影响
下面举例说明将某熔体过滤器从现有过滤精度20μm提高到15μm后对系统的影响。该熔体过滤器的运行参数如下:
工作温度 290℃
熔体动力粘度 260Pa·s
系统压力 21MPa
熔体流量 8100kg/h(0 0017m3/s)
初始压差 2.8～3.0MPa(精度20μm)
切换压差 7.51MPa
过滤面积滤芯单根面积 0.74m2,装机37根,总过滤面积27.38m2
2 2 1 初始压差
熔体过滤器的压差△P由三部分组成[1]:
△P=△P1+△P2+△P3(1)
式中:△P1———过滤器壳体、进出口管道、阀门、熔体分布板在工作过程中形成的压差;
△P2———过滤介质(不锈钢纤维烧结毡)的压差;
△P3———过滤介质支撑体(中心骨架、衬网、护网、接头)形成的压差。
在滤芯结构和运行参数不变的情况下,无论是20μm或15μm过滤精度,△P1和△P3是不变的,发生变化的只有△P2。
对于不锈钢纤维烧结毡:
因为在过滤精度为20μm时,总的初始压差△P为2.8～3.0MPa,所以当熔体过滤器过滤精度从20μm提高到15μm时,过滤器的初始压差将增加到2.98～3.18MPa,增加不大,实际情况与计算结果相近。
2 2 2 滤芯使用寿命预测
滤芯使用寿命,即滤芯上机工作天数,也是一个重要的指标。如果熔体过滤器切换频繁,上机工作天数小于30d,将直接影响生产的连续性和经济性。
美国过滤咨询公司推荐的聚酯熔体过滤器流量见表2。
滤芯的合理寿命是指在正常的使用条件下,首次上机的滤芯工作天数不应低于30d,最好能超过60d。本例中熔体过滤器单位面积的流量为:8100/2738=296kg/(m2·h),该数值已经远大于推荐值。
实际使用天数可以根据国内现有厂家的使用状况来推测,如A厂家过滤精度15μm的熔体过滤器的流量为285kg/(m2·h),首次实际使用天数只有20d,在原料、工艺参数基本一致的条件下,单位面积的流量与实际使用天数成反比,则可以推算出本例首次使用工作天数约为19d。
使用寿命的预测还可以用试验的方法来确定。试验是采用相似性原理。取一定过滤面积的过滤材料,用糖稀作为流体,调整温度使糖稀的粘度达到要求,并在糖稀中加入定量的AC粉尘,使糖稀流过过滤介质。当达到规定压差时,测定流体流过的总量来判断过滤材料的使用寿命。
日本精线株式会社测定不同过滤材料寿命的试验条件为:①滤芯直径70mm,过滤面积为38.48cm2,计量泵流量为80cm3/min,则单位面积的流量为2.08cm3/(min·cm2);②AC粉尘以1g/L的比例混入糖稀中,充分搅拌均匀;③糖稀的粘度260Pa·s。
根据过滤精度为20μm时熔体过滤器滤芯的实际使用天数,可以推断过滤精度为15μm时滤芯的使用天数。
糖稀试验还可以用来试验滤芯的结构强度,包括中心管的强度,支撑网的强度等。
2 3 补充改造方案
首次使用天数少于20d的熔体过滤器基本上是不能使用的,因为随着使用次数的增加,装机使用的天数会越来越短,致使过滤器频繁切换,紧急清洗,难以保证生产的连续性。遇上述情况时可采取下述补救措施:
(1)改造熔体过滤器,减少熔体过滤器壳体、进出口、分布板、阀门等组件,降低△P1。由于熔体粘度大,当熔体过滤器不安装滤芯时,△P1占过滤器总压差的85%。经过改造的熔体过滤器,△P1可降低1.65MPa。
(2)改造滤芯结构,如加大滤芯接头的内径,适当加大骨架孔的孔径或增加孔的数量等,以降低△P3。
(3)增加过滤面积。熔体滤芯一般为三角形排布,滤芯与滤芯之间最小距离有10mm。在可能的情况下,适当增加滤芯的外径,增加波纹高度或适当增加波纹数量,可以增加20%～38%过滤面积。在上例中,将单根过滤面积从0.74m2增加到1.02m2,总过滤面积增加到37.74m2,可使单位面积的流量从296kg/h降到214.61kg/h,使用周期能达到39d。
(4)如果增加单根滤芯的过滤面积仍不能满足使用要求,则可再做一个同样大小的过滤器与其并联,使过滤面积增加一倍,可以彻底改变使用状况,首次使用寿命可增加3～4倍。
(5)如果过滤面积无法增加,只能降低熔体的流量,以降低产量来保证15μm熔体过滤器的正常运行。
3 二氧化钛过滤器的改进
在生产半消光、消光聚酯切片和纤维时,常用二氧化钛做消光剂,加入量在0.03%～4%之间。二氧化钛是粉状结晶体,常采用分散在乙二醇中的方法加入,二氧化钛过滤器典型结构如图2所示。滤芯常用缠绕结构,名义过滤精度1μm。特点是孔径分布沿径向梯度分布,外大内小,具有深层过滤的效果,纳污量大,使用寿命长。
二氧化钛过滤器的质量直接影响熔体过滤器滤芯的使用寿命。应选择质量好的名牌产品。但缠绕式滤芯的公称精度与实际精度有很大的差异,尤其在滤饼建立之前,其差异见表3。
表3中公称精度1μm的滤芯,初始精度为10～20μm(β20=25),允许通过的最大粒子粒径为30μm,即在滤饼形成之前,通向下游的最大粒子粒径达30μm,这些粒子将被熔体过滤器滤芯拦截,增加了熔体过滤器的负担,因此有些厂家将缠绕式滤芯改为烧结金属毡滤筒,光面朝外,过滤精度为15μm(β15=75),可使二氧化钛过滤器保证只让粒径≤15μm的粒子通过,而将绝大部分粒径>15μm的粒子阻挡在滤芯外表面。当过滤器达到允许最大压差时将滤芯取出清洗,由于二氧化钛的分散性良好,其颗粒很容易从滤芯表面清除掉。用新乡市胜达过滤净化技术有限公司发明的烧结PTFE膜的不锈钢网(已申请发明专利)制成滤筒,替代缠绕滤芯将有更多优点。该过滤介质能耐高温,可在350℃温度下长期工作,膜附着力强,过滤精度可调控,尤其是PTFE具有不粘性,清洗更为方便。
通过上述对聚合物纺丝的熔体过滤系统的改进,将有助于利用现有普通纺丝设备来达到纺制细旦纤维的目的。由于各生产厂的设备不同,工艺不一,对过滤的要求也不尽相同,因此应根据实际情况选择合适的改造方案。
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