聚酰胺高速纺丝拉伸工艺的优化

（一）生产流程

图3-18　聚酰胺6 FDY生产流程图

1-螺杆挤出机　2-熔体分配管　3-纺丝箱体　4-纺丝甬道　5，6，7-第一、第二、第三导丝辊　8-高速卷绕头

聚酰胺6高速纺丝拉伸一步法工艺，即全拉伸丝（FDY）工艺简称为H4S（high sPeed stretch set sPinning）技术，其生产流程如图3-18所示。来自切片料斗的聚己内酰胺切片进入螺杆挤出机，切片在挤出机内通过热能和机械能使之熔融、压缩和均匀化，聚合物熔体经螺杆末端的混炼头流向熔体分配管，进入纺丝箱体。经纺丝组件、喷丝板压出而成为熔体细流，并在骤冷室的恒温、恒湿空气中迅速凝固成丝条，经喷嘴上油后，丝条离开纺丝甬道，被牵引到第一导丝辊，以一定的高速度将丝条从喷丝板拉下，得到预取向丝（POY）。丝条自第一导丝辊出来后被牵引到第二导丝辊，并通过改变两导丝辊的速度比来调节所要求的拉伸比，丝条最后经过第三导丝辊，以控制一定的卷绕张力和松弛时间，然后进入卷绕装置。在卷绕机的上方配有交络喷嘴，在喷嘴中通入蒸汽或热空气，使丝条交络并热定型，成品丝卷绕在筒管上，满卷的丝筒落下后经检验、分级和包装，便得到锦纶长丝FDY产品。

（二）生产工艺

聚酰胺FDY设备与聚酯类同，此处不再赘述。本节着重讨论纺丝过程中，各主要工艺参数对成品丝质量的影响。

1.纺丝温度聚酰胺熔体的纺丝温度主要取决于聚合体的熔点和熔体黏度。纺丝温度必须高于熔点而低于分解温度，聚酰胺6和聚酰胺66的熔点分别为215℃和255℃，而两者的分解温度相差不大，约300℃左右，为此聚酰胺6的纺丝温度控制在260～270℃，聚酰胺66控制在280～290℃。由于聚酰胺66的熔点与分解温度之间的温差范围较窄，因此纺丝时允许温度波动范围更小，对纺丝温度的控制要求更严格。

聚酰胺的熔体黏度随相对分子质量增大而增大；在相对分子质量相同的情况下，熔体黏度随温度的升高而减小。但聚酰胺6的熔体黏度还与低分子物含量及水含量有关，因此在选择纺丝温度时应考虑这些因素。

2.冷却条件纺丝应选择适当的冷却条件，并保证其稳定、均匀，避免受到外界条件的影响，从而使熔体细流在冷却成型过程中所受的轴向拉力保持稳定。对于一定的冷却吹风装置（FDY机目前多采用侧吹风），冷却条件主要指冷却空气的温度、湿度、风量、风压、流动状态及丝室温度等参数。通常冷却吹风使用20℃左右的露点风，送风速度一般为0.4～0.5m/s，相对湿度为75%～80%，冷却吹风位置上部应靠近喷丝板，但注意不能使喷丝板温度降低，以保证纺丝的顺利进行。

3.纺丝速度和喷丝头拉伸倍数熔体纺丝速度很快，若纺丝速度太慢，卷绕张力太小，丝条就不能卷绕到丝盘上，所以纺丝速度必须有一个下限值，目前高速纺丝已达到4000～6000m/min，甚至更高，由于熔体纺丝法的纺丝速度很高，因而喷丝头拉伸倍数也较大，在4600m/min的纺丝速度条件下，对于给定的线密度（例如111dtex/36f），喷丝头拉伸倍数可高达200倍。

图3-19　卷绕丝剩余拉伸倍数与纺丝速度的关系

1-聚酰胺66　2-聚酰胺6

卷绕速度和喷丝头拉伸倍数的变化会影响卷绕丝的结构和拉伸性能。喷丝头拉伸倍数越大，剩余拉伸倍数就越小。图3-19为聚酰胺和聚酯卷绕丝剩余拉伸倍数与纺丝速度的关系。可以看出，纺丝速度小于2500m/min时，剩余拉伸倍数随纺速的增加而迅速减少；当纺速大于3000m/min时，剩余拉伸倍数变化较为缓慢。这一纺速（范围）可作为高速纺丝与常规纺丝的分界点，当纺丝速度超过此界限时，就能有效地减小后（剩余）拉伸倍数。FDY机通过第一导丝辊的高速纺丝和第二导丝辊的补充拉伸，便可获得全拉伸丝（FDY）。纺速达到足够高时，聚酰胺6在纺丝线上结晶，可由在线测量的直径、温度及双折射的数据观察到，如图3-20所示，所测聚酰胺6的黏均分子量为53000g/mol。以最高纺速6660m/min纺丝时，从直径分布图可以观察到微小的细颈现象。在看到细颈的位置，双折射率迅速增大，可以推断是取向结晶开始产生。在线温度测量也表明：当纺速足够高时，所测温度随与喷丝板距离的加大而出现一个平稳段，如图3-20（b）所示。(www.xing528.com)

从纺丝恰好结束时起，双折射率随时间的变化如图3-21所示。最高纺速的初生纤维，在纺丝线上有结晶发生，其双折射率不随整理时间而改变；然而，在所有其他纺速下，纤维的双折射率均随着整理时间的延长而大为改变，说明纤维发生取向结晶而形成高度完善的准六方晶相。可以断定，整理过程纤维的吸湿性使丝条有效的Tg降低，因此提供了准六方晶体形成所应具备的流动性。这一过程也导致聚酰胺6纤维在整理时长度增加，尤其是在低纺速下纺制的纤维。

4.上油高速纺丝上油比常规纺丝上油更为重要，它直接影响纺丝拉伸卷绕成型工艺的正常进行和丝条的质量，特别是丝条与机件的高速接触摩擦，更容易产生静电，引起毛丝和断头，因此要施加性能良好的纺丝油剂。

图3-20　实验测定的聚酰胺6纺丝线分布

（样品的黏均分子量为53000g/mol，每孔质量流量为3.0g/min）

图3-21　聚酰胺6纤维在潮湿空气中的双折射随整理时间的变化

常规纺丝采用油盘上油，但对于高速纺丝，油盘上油不但均匀性差，而且油滴会飞离油盘，因此FDY工艺中采用上油量比较均匀的齿轮泵计量、喷嘴上油法，且由于FDY已具有相当高的取向度和结晶度，所以在卷绕机上上油效果欠佳，故喷嘴上油的位置设在吹风窗下端。

对丝条的含油量也有一定的要求。当油剂含量过少时，表面不能均匀地形成油膜，摩擦阻力增大，集束性差，易产生毛丝；但含量过多，则会使丝条在后加工过程中造成油剂下滴及污染加剧。一般用于机织物的丝条含油量为0.4%～0.6%，用于针织物的则可高达2%～3%。

5.拉伸倍数FDY工艺是将经第一导辊的预取向丝（POY）连续绕经高速运行的辊筒来实行拉伸的，拉伸作用发生在两个转速不同的辊筒之间，后一个速度大于前一个，两个辊筒的速度比即为拉伸倍数。纺制聚酰胺FDY时，一般第一导辊的速度可达POY的生产水平（4000～4500m/min）。而拉伸的卷绕辊筒速度则高达5500～6000m/min。对于不同的聚合物，拉伸辊筒的组数、温度及排列方式也有所差异。对聚酯而言，由于其玻璃化温度（Tg）相对较高，两组辊筒均要加热，第一辊控制为70～90℃，以使丝条预热，第二辊则为180℃左右。而聚酰胺因为Tg比较低，模量也稍低，所需的拉伸应力相应较小，故可采用冷拉伸形式，但根据设备型号和生产品种的不同，采用第一辊不加热或微热而第二辊进行加热的形式，以实现对纤维的热定型。

对于已具有一定取向度的预取向丝，其剩余拉伸比较小，所以聚酰胺FDY工艺的拉伸倍数一般只有1.2～1.3倍。

6.交络作用FDY过程的设计，是以一步法生产直接用于纺织加工的全拉伸丝为目的，考虑到高速卷绕过程中无法加捻，故在第二拉伸辊下部对应于每根丝束设置交络喷嘴，以保证每根丝束中具有每米约20个交络点。除了赋予交络点以外，喷嘴的另一个作用是热定型，为此在喷嘴中通入蒸汽或热空气，以消除聚酰胺纤维经冷拉伸后存在的后收缩现象。

丝束经交络后，便进入高速卷绕头，卷绕成为FDY成品丝。原则上卷绕头的速度必须低于第二拉伸辊的速度，这样可以保证拉伸后的丝条得到一定程度的低张力收缩，以获得满意的成品卷装质量。聚酰胺FDY的卷绕速度一般为5000m/min。