循环再利用异形聚酯纤维：可持续发展的新路径

（一）异形喷丝板设计方法

纤维成形是将成纤高聚物熔体用计量泵连续、定量而均匀地从喷丝板的微孔中挤出。喷丝板的设计既涉及高聚物流变学，又涉及机械加工领域。

1.喷丝板的设计计算过程

（1）确定喷丝板的尺寸。喷丝板的外形尺寸与所纺纤维品种及喷丝组件的尺寸有关，但喷丝板的厚度主要取决于纺丝压力和开口的削弱系数。

根据所纺纤维的截面形状及膨化效应确定喷丝板微孔形状及组合方式。

（2）喷丝孔尺寸的计算。

①据所纺品种及纺丝工艺条件确定单孔流量及各单元流量。

式中：Q为单孔流量（cm3/s）；D为单丝纤度（dtex）；K为经验打滑回缩系数，取0.9；V为卷逃速度（m/min）；N为后拉伸倍数；ρ为熔体密度。

对于圆形孔：

对于矩形孔：

式中：n为流变指数；W为矩形孔长度；H为矩形孔宽度。

③计算挤出速度、喷丝头拉伸倍数及压力降。

对于圆形孔：

式中：v为挤出速度；L为喷丝孔的长度；η为表观黏度；S为喷丝头的拉伸倍数；V为卷绕速度；喷丝孔截面面积ΔP为压力降。

④根据纺丝实验，确定基本单元的最佳成型参数范围，并重新校核微孔尺寸。

2.喷丝板的参数对流动稳定性的影响

（1）尺寸的影响。由上述流动的稳定性的理论可知，在纺丝过程中不稳定的一个主要因素是壁面处的剪切速率，当剪切速率超过其临界剪切速率时，便会出现熔体破裂，造成不能纺丝。而壁面剪切速率与体积流量成正比，与微孔的尺寸成反比，当单头单泵时，泵供量一定，体积流量也一定，所以要使流体具有可纺性，要严格设计、计算喷丝板微孔的尺寸。

（2）尺寸偏差的影响。在以前的喷丝板加工中按标准FZ/T 92043—1995加工的喷丝板在纺丝过程中经常会出现毛丝、断丝等现象，这是由于偏差控制的不一致性所造成。

由上述讨论可知，提高同一喷丝板上微孔偏差的一致性，可提高可纺性。一般宽度方向的偏差取0.001mm。

3.基于基本单元的异形喷丝板的设计方法

（1）喷丝板微孔孔型的选择应在各单元的协同效应范围之内根据所纺纤维的截面形状及膨化效应确定喷丝板微孔形状及组合方式。对于多单元组成的喷丝板，其微孔的基本单元应根据单元膨化方向选择，且其开口方向宜指向圆心或背风；使各单元形成向心效应，充分闭合；每个单元速度应一致，且有相近的速度分布，从而保证纺丝稳定性。单元间的缝隙以0.04～0.2mm为宜，最佳应在0.1mm±0.02mm。

（2）异形喷丝板微孔单元尺寸的确定必须考虑流动性能。

①同一喷丝板上由相同形状及相同尺寸的图元组成时。

a.根据所纺品种及纺丝工艺条件确定单孔流量及各单元流量。

b.根据微孔壁面剪切速率小于临界剪切速率（3.5×103～1.0×104s-1），计算喷丝微孔尺寸。

c.计算挤出速度、喷丝头拉伸倍数及压力降。

（3）丝板微孔加工精度的确定既要考虑加工可行性又要考虑纺丝的稳定性。异形孔的基本单元的宽度方向的偏差对纺丝的稳定性有很大影响，应为±0.001mm，而目前的纺织行业标准为精密级时，偏差为±0.003mm，很难达到异形喷丝板的纺丝加工要求。此外，同一块喷丝板上及同一微孔各单元的加工偏差要求具有一致性。

（二）工艺条件对循环再利用异形聚酯纤维异形度的影响

异形截面纤维制备过程中，纺丝熔体从异形孔喷出后形成新的表面，表面积越大其能量越高，造成体系不稳定，为此有减小表面能、缩小表面的趋势，然而又受到熔体黏性阻力的抵抗，所以凡是能增加熔体黏性阻力的一切工艺因素都能提高纤维的异形度。从纺丝工艺的角度来看，加快冷却速度是提高纤维异形度的有效方法。

1.喷丝板异形孔排列方式

对于三角形喷丝孔，其孔排列方式很重要，它们均是以特殊角度指向喷丝板中心，要求三角形喷丝孔按图7-10排列。

图7-10　三角形喷丝孔的排列

异形纤维喷丝孔的排列，对异形纤维的异形度和卷曲率等指标都有较大的影响，其基本原则是其异形孔的长周边对准吹风方向。本设计采用图6-1所示的形式。

2.喷丝板材料及加工选择

异形喷丝板微孔采用电火花机床加工而成，考虑加工方法，喷丝板材料要具备耐热、耐腐蚀、承压能力强等要求，现用SUS 630为喷丝板材料。

喷丝板只有在承受超过其极限压力时才会变形。它的极限压力根据材料力学、喷丝板受力情况可以简化为周边铰支，整个板面为受均匀载荷的圆形平板。圆形板受均布载荷后产生弯曲，中心处弯曲应力最大，挠度也最大，用承载能力法校核强度。

由此计算得出本喷丝板的极限压力为19.46mPa，远大于熔体纺丝时喷丝板产生的压力降。不会产生鼓板，满足使用要求。

3.喷丝板特征尺寸的选择

纺丝熔体的流动状态与孔的形状及尺寸的大小密切相关。按流变学观点，纺丝熔体大多数是非牛顿流体，它在不同的孔道中流动时，有如下一些公式，本文采用米勒提出的当量直径法进行设计、检验与修正。(www.xing528.com)

国内外经验表明，用当量直径法设计多种喷丝板，当量直径在0.15～0.45mm，纺制6.6dtex以下涤纶，取得了良好的效果。本设计采用当量直径法。其喷丝孔当量直径为0.159mm，证明可以满足熔纺纺丝成型的要求。

（三）异形纤维生产工艺中冷却条件的影响

异形纤维生产工艺中，冷却成形的条件如风温、风速、风湿度、吹风高度，风分布的均匀性是关键的参数，异形度随冷却速度增加、风温度的下降及冷却吹风点位置的提高而增加。

1.吹风高度的影响

环形冷却风装置出风口的位置，直接影响丝束成形纤维异形度。当出风口离喷丝板面太近时，由于熔体冷却过速，容易造成纤维皮芯层的差异，造成毛丝断头。当出风口位置离喷丝板面远时，纤维冷却不充分，不仅异形度低，而且纤维凝固成形快慢不匀，造成并丝及疵点。

2.风量或风速的影响

纺丝时风量大小影响纤维成形，风量过大有利于冷却，但由于丝束中心发生湍流，丝束明显抖动影响条干均匀性；当风量过小不利于冷却成形，造成丝束内外层凝固不均匀，往往使三角截面偏向圆形。

3.纺丝温度的影响

除冷却条件外，纺丝温度对于纤维截面及性能有很大影响，纺丝温度的提高不利于异形度的提高。虽能减小熔体喷丝孔出口的膨化效应，但熔体黏度下降，表面能力下降，使熔体黏性阻力下降，从而影响纤维截面形状。

4.纺丝速度的影响

纺制异形丝时的工艺条件与常规圆形截面纤维工艺条件不同，为了达到一定异形度，熔体温度要稍低，冷却条件较剧烈，又由于异形截面在冷却成形过程中比表面积较大，与空气摩擦阻力大，导致原丝取向度提高，为有利于后拉伸性能，故卷绕速度通常比纺制常规圆形截面纤维时的速度要低。

但卷绕速度太低，丝条容易发生飘荡，又由于冷却均匀性差，往往在后拉伸时易产生束状未拉伸丝，影响纤维拉伸性能。

5.油剂的选择及纤维的含油率控制

由于异形纤维比表面积的增加及纤维蓬松性的增加，要选择合适的油剂以增加纤维之间的抱合力，有利于后加工的进行。异形纤维对油剂吸入量明显增加，又因比表面积增加，油剂挥发也快，因此，对异形纤维要增加油剂浓度或上油率以外，对在盛丝桶内待后加工纤维要用塑料膜遮盖保存，以免油剂挥发影响后加工。

6.后拉伸工艺条件的选择

从工艺参数中可以看出，异形纤维初生丝的可拉伸倍数低于相似条件下的圆形截面的纤维，由于异形纤维蓬松性通常影响纤维的集束性能，使纤维在后加工中容易造成拉伸不足或成品的疵点，为此要调整后加工各道工序中丝束张力的均匀性。针对异形纤维蓬松性要调整卷曲的压力与卷曲前预热的温度。

（四）工业化生产

循环再利用异形聚酯车间主要设备组成：干燥设备，空调设备，螺杆挤压机、纺丝设备，后加工设备等。

主要的生产过程分为干燥、纺丝、卷绕、横动、集束、牵伸、紧张热定型、卷曲、松驰热定型、切断、打包等工序。辅助工序有纺丝冷却空调、热媒循环和储存、组件（含过滤器清洗）、油剂调配及输送等。

工艺流程如图7-11、图7-12所示

图7-11　循环再利用聚酯前纺工艺流程图

图7-12　循环再利用聚酯后加工工艺流程