全拉伸丝-FDY工艺概论
全拉伸丝即FDY是近年发展起来的，并正在发展中的高效率、高水平纺丝加工技术。它将常规纺和高速纺二步法制造全拉伸丝的工艺路线(UDY-DT，POY-DT)变为纺丝拉伸连续进行的一步法工艺路线，不仅工艺流程缩短、基建投资降低，而且产品质量提高、生产成本降低、生产效率提高等。一步法制造全拉伸丝的工艺路线有许多，目前形成工业化生产的主要有五条。FDY技术的关键在于纺丝之后的连续拉伸。热辊拉伸工艺路线是指纺丝成形之后立即用热辊进行拉伸和定型的工艺路线。这是开发最早、应用最多的一条工艺路线。20世纪60年代开始出现低速纺丝热辊连续拉伸工艺，以后纺速不断增加，到20世纪80年代发展到高速纺丝热辊连续拉伸工艺。典型的工艺流程如图12-1所示。该工艺路线灵活，可以生产任何不同特性的全拉伸丝。由图12-1可看出，热辊拉伸纺丝工艺路线中，螺杆挤出机、箱体、纺丝窗等与常规纺或高速纺相同，所不同的是熔体细流固化成纤维后要马上进行拉伸，且拉伸在卷绕机上进行。实现拉伸由热辊承担，一般有两个热辊。从甬道下来的丝先在第一热辊(下热盘)上绕8～10圈，以便对丝进行充分加热、防止拉伸时打滑。第一个热辊起拉伸加热的作用，其温度、速度较低，它的速度即为纺丝速度；第二热辊起定型加热的作用，其温度、速度较第一个热辊高，丝在上面绕6～8圈，同样是为了充分加热定型和防止拉伸时打滑。拉伸在两个热辊之间完成。根据生产品种的需要，可以在第一热辊之前或第二热辊之后安装网络喷嘴。在第一热辊之前加网络喷嘴可使未拉伸的丝束具有良好的抱合力，从而减少拉伸时产生毛丝和断头，提高拉伸性能。在第二热辊之后安装网络喷嘴可提高成品丝的退绕、织造等使用性能，作经纱使用时可免浆或轻浆。为了稳定热辊温度、降低散热能耗和改善环境，通常每个热辊都带有保温箱．生头时打开，正常运行时关闭。卷绕头的速度一般略低于第二热辊速度。丝柬经过拉伸和紧张热定型以后，会产生收缩。卷绕头可设计成半自动和全自动两种形式。全自动旋转换筒可以得到长度完全相同的筒子，并能适应机器人操作的无人车间。根据纺丝和拉伸速度不同，热辊拉伸工艺路线可分为三种形式，每一种形式具有不同特点。低速纺丝拉伸低速纺丝拉伸的干燥、纺丝设备与常规纺相同。第一热辊的速度为1000m/min左右，拉伸和卷绕速度在4000m/min以下(3200～3600m/min)。这是最早开发的纺丝拉伸工艺路线。其特点是设备运转速度低，易于制造和维修管理，造价低，操作方便；但效率较低。中速纺丝拉伸中速纺丝拉伸的纺丝速度为1400～1900m/mln，拉伸和卷绕速度在5000m/min以下(4200～4800m/min)。其特点是生产效率提高，对设备的要求适中，投资较低，运行和管理比较方便。高速纺丝拉伸高速纺丝拉伸的干燥、纺丝设备基本与高速纺相同。纺丝速度在3200m/min左右，拉伸速度大于5000m/min。其特点是生产效率高，同时对设备的要求高，投资较大，但比较灵活，降低速度可生产诸如低线密度丝等不同特性的拉伸丝，甚至可生产POY。水膜拉伸又称流体动态阻力拉伸，简称HDS。该工艺路线由德国Nordfaser公司开发，除适用纺涤纶外，还适用于纺锦纶。水膜拉伸工艺路线中的干燥、纺丝设备与高速纺丝相同，拉伸装置包括一套HDS和一个热辊。HDS装置由一组水平安装的陶瓷棒组成，作为拉伸握持点用(见图12-2)。从甬道中下来的丝束先通过水嘴上水，在丝上形成水膜。接着每根丝分别进入各自的HDS装置，热辊将丝束拉曳通过HDS，对丝进行常温拉伸。拉伸时握持丝条的力是丝束表面的水膜与陶瓷之间的流体动态阻力。热辊对经过拉伸的丝进行定型。由于是常温拉伸，工艺上采用增加绕丝圈数来强化定型效果，一般绕丝12圈左右。与其他工艺路线不同的是丝束在拉伸定型以后进行上油。水膜拉伸工艺路线中采用一个热辊，设备投资低，既可生产FDY，又可生产POY。由于靠流体阻力进行拉伸，若阻力发生变化，易使丝的不匀率增大，必须经常检查和调整拉伸张力。热管法纺丝拉伸工艺是指在甬道的位置上装有热管(热箱)，对完成冷却成形的丝束进行再加热，利用受热丝束的热塑性和惯性，在较高的纺速下对丝束进行拉伸和定型。这种工艺路线简称TCS(见图12-3)。热管法纺丝拉伸工艺路线中的纺丝和冷却部分与一般高速纺相同。热管安装的位置必须在丝束冷却到玻璃化温度Tg(80℃)以下的地方。卷绕机一般带有导丝盘，可以比较方便地调节卷绕张力，卷绕速度在4000m/min以上。TCS工艺路线的拉伸效果取决于单丝线密度、喷丝板至上油嘴的距离、卷取速度、热管的长度、位置和温度等。热管法纺FDY是依靠热空气来拉伸丝条；而热辊法是通过两个拉伸热辊机构来拉伸定型丝条，拉伸变形可单独控制，合理控制两个热辊的温度、卷绕速度、拉伸比，可纺出高质量的FDY丝条。与热辊法相比，热管法加大了喷丝板部分的拉伸，其拉伸变形作用较小，适合单丝线密度较小的涤纶长丝生产；若热管不加热，可用来生产POY。热管法纺丝拉伸工艺设备比较简单，投资较低，操作和维修管理方便。可以利用高速纺设备改造而成，而且改造幅度小。采用热管法纺丝拉伸工艺路线制得的成品丝的染色性能好于全拉伸丝，但纤维的结构、性质与全拉伸丝相比有差异。高速纺丝冷盘拉伸蒸汽定型工艺由瑞士英文塔工程公司开发成功，主要用于锦纶生产，也可用于涤纶长丝的生产。该工艺路线简称H4S(见图12-4)。高速纺丝冷盘拉伸蒸汽定型工艺路线中的干燥、纺丝部分与高速纺相同。从甬道下来的丝由两组成对的常温拉伸辊拉伸，然后进入蒸汽箱进行热定型，消除冷拉伸产生的应力，并产生结晶。丝在每一组拉伸辊上绕3～4圈，防止打滑。蒸汽箱中装有网络喷嘴，用蒸汽对丝进行网络加工。离开网络喷嘴的蒸汽作为定型蒸汽使用。第一对导辊的速度约4000m/min，第二对导辊的速度约5300m/min；卷绕速度约5000m/min。蒸汽箱(汽室)上设有排气口，可把过量蒸汽和挥发出来的纺丝油剂油雾抽走，可改善操作环境，减少空调系统的负荷。高速纺丝冷盘拉伸蒸汽定型工艺路线使用冷拉伸盘，设备投资较低，维修管理比较简单。纺丝速度在6000m/min以上的称为超高速纺。6000m/min的纺丝速度制得的高取向丝(HOY)，伸长仍较大，其结构与FDY相差较大。而7000m/min以上的纺丝速度制得的全取向丝(FOY)，其结构与FDY基本相同。超高速纺丝技术是最新型的纺丝技术，对原料切片、熔融挤出、预过滤和纺丝、油剂、卷绕都有较高的要求。由于速度较高，为减少空气阻力、降低纺丝张力，整套设备设计为超短程(见图12-5)。超高速纺丝工艺路线的工艺流程短，设备简化，生产效率极高，是非常有发展前途的工艺路线。超高速纺得到的FDY(国内习惯称FOY)产品易染色，几乎在常温常压条件下就可染色，模量极低，适宜于制作起绒织物和其他柔软性织物。使用热辊的纺丝拉伸一步法，对成品丝的性能起关键作用的拉伸是在两个热辊之间完成的。热辊拉伸工艺路线的干燥、纺丝工艺和设备与纺丝速度相同的常规纺、中速纺、高速纺基本相同。湿切片先在预结晶器中进行预结晶，再在干燥设备中进一步干燥，干切片在螺杆挤出机中进行熔融挤出，挤出的熔体被输送到纺丝组件中，经喷丝孔吐出形成熔体细流，在冷却介质的作用下固化成纤维。所不同的是切片的干燥质量和纺丝成形良好与否对拉伸的影响，前者的影响要明显得多。在两步法设备中，即使干燥和纺丝不甚理想，纺丝卷绕时也不会产生大量的毛丝和断头。FDY设备则不同，若干燥和纺丝不良，接着进行的拉伸和卷绕加工中会立即产生毛丝和断头，从而影响纺丝生产的顺利进行。所以，FDY对切片干燥和纺丝的要求更加严格。干燥和纺丝是FDY正常运行的关键之一。对于FDY产品质量，起决定作用的是纺丝之后连续进行的拉伸和卷绕。生产能否正常进行主要取决于拉伸和卷绕过程中的断头多少。在二步法中，拉伸阶段的断头不影响前面纺丝卷绕的运行；一步法则不然，拉伸阶段的断头影响纺丝全过程。纺丝速度和拉伸速度第一热辊(GR1)的速度为纺丝速度，第二热辊(GR2)的速度为拉伸速度，两个热辊的线速度比为拉伸倍数(后拉伸倍数)。在热辊拉伸FDY工艺中，喷头拉伸倍数取决于第一热辊的速度，后拉伸倍数取决于第二热辊的速度。两个热辊必须保持一定的比例关系，才能保持成品丝的线密度和伸长率在预先设计的范围内。后拉伸倍数对丝的物理性能有决定性的作用。在实际生产中，一般先确定拉伸速度，然后确定纺丝速度；若纺制细纤维或超细纤维，先确定纺丝速度，后确定拉伸速度。第二热辊的速度越高，所得产品的产量也越高，生产效率高；但速度太高时，毛丝和断头可能增多。另外，速度还受设备条件的限制，大多数为4500～5000m/min，极少为3200m/min。第一热辊温度和绕丝圈数第一热辊的温度为拉伸温度，根据拉伸原理，拉伸温度应选择在玻璃化温度之上，故一般为69～90℃。第一热辊温度对染色性能有较大影响。若选择不当，丝的染色性能会大幅下降。特别是在第一热辊速度较高的情况下，这个问题更加明显。采用较低的温度有助于染色性能的提高；但当第一热辊速度低时，降低温度可能会出现未拉伸丝。第一热辊温度对生产稳定性和产品质量也有影响。若选择的温度偏高，丝束在热辊上的抖动增大，使条干不匀率上升。若选择的温度过低，又会使拉伸张力升高，造成毛丝和断头。第一热辊温度与拉伸倍数有一个最佳配合范围，若离开这个范围就会产生未拉伸丝、条干不匀率和断头率增加等问题。第一热辊上必须绕丝8～10圈，以防止拉伸时打滑和加热不匀。绕丝时要注意调整分丝辊的角度，使每根丝束之间距离适当，绕丝范围调整在热盘最佳加热区内。第二热辊温度和绕丝圈数第二热辊起定型作用。在定型过程中，拉伸时产生的超分子结构得到进一步完善和提高。实际生产中定型效果以沸水收缩率的高低来度量。沸水收缩率主要与第二热辊的温度有关，其次是定型时间。沸水收缩率随着第二热辊温度的提高而降低。根据设备的不同，定型温度可选择在130～160℃范围内。温度选择的原则主要是根据产品所要求的沸水收缩率指标和生产稳定性。若第二热辊温度偏低，可能出现结晶不匀而带来染色不匀；若第二热辊温度偏高，可能因丝的抖动而产生断头。定型时间由绕丝圈数决定。在一定的速度下，绕丝圈数愈多，定型时间愈长；反之，定型时间愈短。有的设备采用两个热辊，其目的也在于延长定型时间。带分丝辊的设备一般绕7～8圈。由于第二热辊的温度较高，油剂挥发后会产生结垢，丝与油垢之间不仅传热效果差，而且摩擦力增大。在高速旋转的情况下，增大摩擦力易使单丝绕辊，进而产生断头。圈数越多，这种情况产生的危害也越大。因此，除选择适当的圈数外，还要注意油剂的性能，并经常进行热辊的清洁工作。卷绕成形与UDY或POY相比，FDY的卷绕成形比较困难。主要是由于FDY的线密度小，伸度低，卷绕速度快。卷绕成形良好与否与卷绕张力大小密切相关。卷绕张力。卷绕张力对成形有极大的影响。若张力太大，筒子的端面凸出，有蛛网丝产生，筒子硬度高，在极端的情况下，甚至把筒管挤压变形，无法落筒。若张力太小，筒子松软，运输过程中极易塌边，生产过程中不易生头，极易断头。卷绕张力一般取0．1～0．2cN／dtex。卷绕张力的大小主要由摩擦辊的速度决定。经过拉伸定型的丝尚有一定的收缩应力，再加上横动导丝器的来回移动导丝，使丝的张力增大，摩擦辊的转速必须小于第二热辊的转速，才能保持较低的卷绕张力，一般低1％～2％。叠丝。叠丝对成形有很大的危害性，甚至会导致断头。防叠措施有周期性地改变卷绕角(设定横动导丝器的振幅和周期)、卷绕角随筒子直径增大而改变、避开一个导丝周期内卷绕筒子转数为整数等。锭子直接传动。锭子直接传动可避免高速情况下摩擦传动易发生的对丝的损伤。在使用锭子直接传动的卷绕机上，设置与摩擦辊相类似的被动测速辊，测速辊按预定的接压与筒子接触。以保证卷绕筒子成形良好。工艺条件对丝的性能影响较大。对于热辊式纺丝拉伸一步法工艺，其切片的干燥和纺丝的工艺与前面有关章节相同，在此不再重复。下面就不同部分进行介绍。纺丝温度与强度和伸度一般纺丝温度在288～294℃之间。在纺丝过程中，根据切片的粘度和纺丝的线密度及装置特点来调节。一般，纺制低线密度丝时，需采用相对低的纺丝温度；在纺高线密度丝时，采用相对高的温度。对于高粘度的切片，采用较高的温度；对于低粘度的切片，采用较低的温度。在纺制高强度的FDY时发现，随着纺丝温度(箱体温度)的升高，强度下降，伸长率增大。第一热辊速度与初始模量、强度在常规纺和高速纺制得的全拉伸丝中，常规纺制得的丝的强度和初始模量均高于高速纺制得的丝。在热辊式纺丝拉伸一步法工艺中，由于第一热辊的速度等于纺丝速度，FDY随着纺丝速度的提高，其初始模量和强度逐渐降低(见表12-1)，与对应的常规纺和高速纺有相似的规律性。强度与伸度的关系强度和伸度是一对相关的指标。强度和伸度的调整常采用改变拉伸倍数。热辊式纺丝拉伸一步法工艺也常采用这种方法。二步法中，拉伸倍数调整的同时必须调整泵供量；一步法只需调整第一热辊的速度即可。伸度低，强度高这是由于拉伸倍数偏高。可降低拉伸倍数．使丝的伸度上升、强度下降。伸度高、强度低这是由于拉伸倍数偏低。可增大拉伸倍数，使伸度下降、强度上升。伸度低．强度低若切片特性粘度正常，大多由无油丝粘度降太大而造成。这是聚酯大分子在纺丝过程中降解过大所致。因此，可降低螺杆和联苯锅炉的温度，减少聚酯大分子在纺丝过程中降解，使强、伸度上升。若是干燥切片的含水率偏高，可降低切片含水率至30ppm以下，使强、伸度上升。强度高，伸度高 可升高螺杆和箱体、熔体管道的温度，使无油丝的粘度下降，从而使强、伸度下降。条干不匀影响条干不匀的工艺条件有：侧吹风风速、风温和湿度、上油率不匀或偏高、偏低、丝路不正、网络不匀。此外，热辊和分丝辊表面损伤及沉积物、拉伸倍数、第一热辊温度等也会影响条干不匀。水膜式纺丝拉伸一步法的干燥、纺丝与一般高速纺相同。在以后的连续拉伸卷绕中，对丝的性能和稳定运行最重要的影响因素是水膜状况、拉伸张力和拉伸完成之后的上油等。水膜式拉伸实际上是流体阻力拉伸(Hydro Dynamic-drawing System)，故简称为HDS。在热辊式拉伸中，第一热辊(拉伸辊)将未拉伸的丝加热并握持住，由于第二热辊(定型辊)的速度高，两热辊之间形成一定的速度差，并将丝在热辊上绕几圈，从而产生一定的拉伸张力，使丝在第一。热辊处被拉伸。水膜式拉伸工艺路线中，一组陶瓷棒代替第一热辊，仅起握持丝条的作用，握持力为水膜与陶瓷棒之间产生的流体阻力。因为不加热，水膜式拉伸是常温拉伸。陶瓷棒一般有5根，3根固定，2根可移动。生头后将2根可移动棒压上，所产生的握持力的大小由移动棒压紧的程度决定。如果通过陶瓷棒组的丝不加水，丝条与陶瓷棒组之间的摩擦属于干摩擦，握持力取决于干摩擦力。干摩擦易使丝受损伤和断裂。另外，干摩擦产生的热量升温不易控制，会使丝的性能不稳定。为此，先在丝束表面上一层水，形成水膜。丝条与陶瓷棒组之间隔着一层水，这样丝束不直接与陶瓷棒摩擦，水作为中间介质。陶瓷棒组对丝的握持力由流体水的动态阻力所产生，流体水的动态阻力的大小与水膜的厚度以及与丝条的接触长度有关。水膜式拉伸效果比干摩擦均匀，并避免了拉伸过程中对丝的损伤。水的不断补充更新使陶瓷棒冷却并保持恒温，从而实现均匀的常温拉伸。上水量的上水与上油类似，水由齿轮计量泵定量送到上水喷嘴，丝束经过喷嘴时，水转移到丝上。给丝条上水的多少和均匀性直接影响流体水的动态阻力的大小与波动值，因此，所使用的水为加有润湿乳化剂和杀菌剂的脱盐水。加入润湿剂可降低水的表面张力，使水能均匀附着于丝的表面；加入杀菌剂可防止管道和喷嘴被微生物藻类生长所堵塞。上水量一般为丝束重量的40％。若集束处先上一次水，可减少丝束在冷却成形过程中摆动，并使整个上水均匀，拉伸张力变化小，有利于FDY的染色。拉伸张力水膜式拉伸的拉伸倍数不能直接设定，其大小只能依靠拉伸张力决定。即拉伸张力一确定，拉伸倍数也就确定了。而拉伸张力与丝的性能和生产状态有很大关系。张力越大，FDY的条干均匀性、线密度、强伸度和染色等越易控制；但张力过高会产生毛丝和断头。张力过低，虽然断头少，但各种不匀率增加。拉伸张力与丝的线密度相关，线密度大，张力也大，一般为线密度(旦数)的1．2倍。调节张力的主要方法是调节HDS装置中的拉伸销，每根丝单独一个拉伸销，应调节在±2cN(2gf)的范围内。热辊温度和绕丝圈数影响定型效果的主要因素是热辊温度和停留时间。在一定的加工速度下，停留时间的长短取决于绕丝的圈数多少。绕丝的圈数越多，停留时间越长。若定型温度和停留时间适当，则纤维在拉伸过程中得到的序态结构更加稳定，结晶度增大，沸水收缩率较小。热辊温度一般为140℃左右，绕丝12圈。上油水膜式拉伸机上油是在卷绕前，这与其他一步法工艺不同。上过油的丝不再经受高温，油的挥发少，故对油剂的耐热性要求较低。上油量为0.8％～1％。超高速纺丝与其他纺丝工艺相比，具有工艺流程简单、生产效率高等特点，是名符其实的一步法纺丝工艺。生产效率高由于超高速纺的产品不需要经过后拉伸，一步法纺丝即制成产品，故单机产量随着纺丝卷绕速度的增加而增加。若纺丝卷绕速度为6000m/min，单机生产能力比二步法生产工艺约高6～15倍。生产工艺简单在纺丝过程中，由于一步法纺丝省去了纺丝拉伸一步法(前面所述的四种纺丝拉伸一步法)中的拉伸过程，使产品从聚酯切片经纺丝变成成品的过程大大简化，所需时间大大下降，需要控制的点也减少。因为省去拉伸工艺，就不需要拉伸小转子、加热板、导丝钩等，不但可减少劳动强度、便于操作，而且可避免对丝条的过多损伤，使最终产品的质量提高，产品的均匀性更好。设备投资少，生产成本低该技术与传统的FDY及DT等技术相比，省去了拉伸部件或拉伸设备，高聚物经熔融喷丝、冷却固化和上油后，即可卷绕成直接用于纺织的涤纶长丝，因而总的设备投资费用和生产成本较低。超高速纺丝工艺虽然存在上述优点，但由于其产品与其他工艺方法生产的产品相比，具有较高的伸长(40％～50％左右)和较大的热收缩性，所以不能像一般涤纶长丝那样应用于纺织生产，还需要根据其产品的性能特点，开发具有独特性能的纺织品，使超高速纺由试验性生产推广到规模化工业生产。将纺丝速度提高到超高速纺丝范围，其纺丝过程具有四个特点。纺程上丝条凝固点位置前移随着纺丝速度的提高，纤维的凝固点离喷丝板的距离越来越近，冷却时间越来越短，凝固点温度越来越高。有研究表明，纺丝速度在3000m/min时，凝固点约离喷丝板100cm，冷却时间为几十毫秒；纺丝速度在5000m/min时，凝固点约离喷丝板60cm，冷却时间为10ms；纺丝速度到9000m/min时，凝固点约离喷丝板10cm，冷却时间为1ms；纺丝速度从1500m/min提高到6000m/min，凝固点温度从80℃提高到约200℃。沿纤维横截面径向温差增大模拟纺丝结果可知，纺程上丝条表面与中心的温差随纺丝速度加快而增大。温差产生拉伸粘度差，使丝条所受外力相同时产生应力差，使纤维沿横截面半径方向的取向度存在差异，导致生成皮芯层纤维结构。速度在7000m/min时，从纤维断面上可看见明显的皮芯结构，皮层的双折射较高，而芯层很低。速度为10000m/min时，芯层的双折射约为0．06，即相当于POY的取向水平。皮层的双折射在速度达到8000m/min时仍是增加的，△n上升到约0．13；但超过该速度后，△n减小到0.1以下。这种丝条在后拉伸时其横截面半径方向不可能得到均匀拉伸取向，从而使成品丝的强度降低。冷却吹风温度越低，纺速越高，单孔吐出量越低时，纤维在横截面径向的温差越大。纺程上的惯性力成为决定纤维取向结晶的主要因素在较低纺速(1000～2000m/min)范围内，纺丝张力主要受流变阻力的影响，而受纺速的影响较小；在中速(2500～4500m/min)范围内，流变力、惯性力、空气摩擦阻力对纺丝成形过程同时起着支配作用；在超高速范围内，惯性力和空气摩擦阻力占主要地位。由于空气摩擦阻力与纺程长度有关，即在超高速纺丝时，因凝固点的提前使发生在纤维凝固成形区的空气摩擦阻力甚小，从而使惯性力所产生的张应力是促使超高速纺丝拉伸、取向结晶的主要原因。临界线密度随纺速增高而增大在超高速纺丝时，纺程上的丝条将被高倍拉伸，产生很高的拉伸应力，当这一应力超过纤维的强力时，丝条会断裂，产生毛丝和断头。在某一纺速，存在一个能够顺利纺丝的最低的单丝线密度，这一线密度数值通常称为临界线密度。临界线密度随着纺丝速度的提高而增大。由于超高速纺丝存在上述特点，致使它的工业化生产有一定的难度，至今尚处于试验性生产阶段。许多研究表明，采用超高速纺丝一步法工艺可经济地生产某些特种丝，如非圆形截面丝、复合丝、超细丝、高上染率丝及混纤丝等。而用于生产常规的全拉伸丝和变形丝时不经济。纺丝工艺的合理与否，直接影响产品质量和纺丝生产能否顺利进行。超高速纺丝的纺速高，存在上述工艺特点，为使其产品(HOY)符合要求，必须对原料和工艺的控制提出更高的要求。切片干燥超高速纺丝要求切片的特性粘度波动小、含杂质少、热稳定性好、相对分子质量分布窄等，切片的粘度降应小于0.015。在HOY的生产实践中发现：切片干燥时间短，于切片含水高，则纺丝时飘丝多，丝条强度下降，生产不稳定。生产实践表明，延长干燥时间(8～11h)、提高干燥温度(150～165℃)、加大于燥风流量及降低千空气含湿量等，以提高干燥效果，使干切片含水率在20ppm以下，干切片粘度最好控制为大于0.65 dL/g。纺丝温度超高速纺丝过程兼具纺丝和拉伸两个重要的物理过程，纺丝温度直接影响纺丝效果。若纺丝温度较低，则熔体粘度较高，熔体细流的形变速率低，丝条的卷绕性能差，超高速卷绕时易产生毛丝和断头；若纺丝温度过高，则加剧热降解，对纺丝不利。超高速纺要求熔体的均匀性和流变性比高速纺更好。纺丝熔体的流变性能主要取决于聚酯的本性和纺丝熔体的温度。随着温度的升高，熔体的自由体积增加，链段的活动能力增加，分子问的相互作用力减弱，使高聚物的流动性增大，表观粘度下降，熔体弹性效应变弱，细流出喷丝孔的胀大现象减弱，有利于纺丝。然而，熔体温度过高会增大熔体粘度降，使可纺性变差，纤维的机械性能下降，严重时甚至产生飘丝、毛丝和断头现象，影响纺丝的顺利进行。超高速纺的熔体温度比高速纺高2～3℃，一般在280～293℃之间为好。纺丝组件喷丝板是纺丝组件的主要部件之一，也是纤维成形的关键部件之一。喷丝板孔径不同，对单丝在喷丝成形过程中的破裂影响较大，不但影响纤维的力学性能，甚至对生产有着直接的影响，并可能因为断头导致纺丝无法正常进行。同时，由于超高速纺的熔体吐出速度比高速纺高，剪切速率也高，所以要求喷丝孔的长径比大。以纺制55dtex/48F和70dtex/48F、规格丝为例，喷丝扳孔径以0．25mm为好，组件喷丝板孔径长径比L/D为4。一般长丝组件压力为12～16MPa，而超高速纺的组件压力在20～23MPa时有利于纺丝。有研究表明，超高速纺组件适于金属砂与烧结金属毯过滤网。这是因为：金属砂的不定型多孔构造使其具有较高的空隙率，可使组件的过滤能力大大提高；同时，金属砂的高空隙率使过滤有效面积(比表面积)增大，增强对异物的捕捉能力；金属砂有相当多的尖锐端缘，能对不可过滤的咬状凝聚粒子有分割作用，使这些凝聚粒子变小、变细，从而提高熔体纺丝能力；金属砂的导热性能好，有利于减少过滤层内外的温差，使纺丝性能变得更好。纺丝保温、冷却成形清水二郎等对超高速纺丝的研究表明：沿着纤维截面的双折射△n(即纤维取向的截面分布)在5000m/min以上时，中心层与最外层开始出现差异，产生皮芯结构。这主要是纤维在固化时发生细颈现象，导致纤维外层已经冷却但内层还没完全固化。通常，这种皮芯结构是不需要的，而且是可以被弱化的。可通过设置缓冷器、延长丝束的固化长度，达到内外层均匀。缓冷器的长度和温度设置是超高速纺丝工艺中的重要参数。对于一定的设备来说，缓冷器的长度是固定的，因此只能通过缓冷器的温度设置来控制纤维的冷却成形。当缓冷器温度设置较低时，纤维过快地固化，会导致纤维内外层的不均匀，纤维因拉伸性能不良而导致毛丝增多；若缓冷器温度设置过高，纤维间极易发生粘结，严重时纤维无法成形，恶化纺丝状态。比较适宜的缓冷器温度是290/280/260～270℃。冷却吹风是熔体纺丝的重要过程之一，良好的冷却吹风可以确保丝条均匀冷却、固化，减少毛丝和断头。风速较高时，纤维的结晶度较高，得到的结晶颗粒较小；风温较高时，纤维的结晶度略高，结晶颗粒变小。但总体而言，侧吹风风速和风温对纤维结晶结构的影响程度都不大，风温的影响更小。而随着侧吹风风速增大，纤维大分子的综合取向水平呈逐渐增加的趋势。这可能是侧吹风风速增大时，纤维在纺程上受到的侧吹风阻力增加，纤维的内应力增大，使得大分子取向程度增加。随着侧吹风风温的升高，声速取向因子先略有增加而后又降低，但变化幅度不大。适宜的冷却成形条件为：风速控制在0.5～0.6m/s，风温控制在22℃±1℃。纺丝速度纺丝速度是超高速纺丝的主要工艺参数。超高速纺丝依靠较高的纺速产生足够的纺丝张力，使丝束在纺程上一次完成丝条的细化拉伸和结晶取向。纺丝速度对纤维的结构性能有着较大的影响。有研究表明，纺丝速度低于4500m/min时，结晶度几乎为0；而当纺丝速度为5000m/min时，结晶度增加到26％；以后随着纺丝速度的增加，结晶度逐渐增加到35％，并趋于稳定。所以，超高速纺丝的纺丝速度不宜低于5500m/min，否则生成的不完善结晶结构会影响纤维的物理机械性能。同时，随着纺速的提高，纤维的双折射、声速取向因子先呈明显增加的趋势，到5000m/min时变化趋于平缓。不同纺丝速度条件下的这种取向变化规律与纤维生成的结晶体密切相关。纺丝速度较低时，随着纺丝速度的提高，纺速产生的张应力对大分子的链段取向影响明显。当纺丝速度达到5000m/min时，由于结晶的形成，一方面，规整取向的大分子链段嵌入晶格，使得非晶区的取向降低；另一方面，生成的结晶体起物理交联点的作用，链段进一步发生取向要在克服这些交联点限制的基础上进行。正是这两方面的原因使得纤维的取向结构随纺丝速度的增加呈现先快速增加而后增加幅度减缓甚至减小的趋势。纺丝速度的确定主要取决于切片的质量、所纺制纤维的性质及卷绕机的性能。德国Barmag公司的研究表明，6000～8000m/min的牵引速度可获得高取向丝，其断裂伸长率在40％～50％之间，强度为3.5～4.0cN/dtex；速度约为7000m／min时，强度最高；大于该速度后，强度又开始降低；其热收缩、沸水收缩率在4000m／min以上的速度范围内从50％以上的数值显著下降，速度约7000m／min时降到2．5％的最小值，染色性能也最佳。综合考虑以上因素，比较合理的纺速为5800～6200m／min，此时对卷绕机的损伤最小，可纺性较好，制得的HOY能满足后道加工的应用。集束位置集束位置是纺丝过程中一个十分重要的环节。常规纺丝的集束位置一般处在较低的位置。超高速纺丝时，由于速度高，丝条与空气之间的摩擦力大，为了使丝束能够在较稳定的状态下纺丝，将集束位置上移，以减少丝条的抖动和晃动，同时降低纺丝张力。在100cm处集束，纺丝张力约为16～18cN，纺丝成形良好。总线密度和单丝线密度在纺丝工艺条件不变的情况下，纤维总线密度或单丝线密度的变化也会影响纤维的成形过程。随着纤维总线密度或单丝线密度变化，熔体的挤出速度不同，进而影响喷头拉伸比、纺丝张力和冷却成形过程，由此得到的纤维的结构和物理机械性能也有所不同。相同孔数、不同线密度的纤维的结晶度、取向度随着总线密度增加逐渐变小，相同线密度但不同孔数的纤维的结晶度、取向度随孔数增加而变大。喷丝板的规格相同时，总线密度增加，则熔体挤出速度增加，纤维的拉伸比减小，取向应力减小，使得大分子链段取向减小；而总线密度相同时，喷丝板孔数增加，则纤维的比表面积增加，空气摩擦阻力增大，使得纤维承受的张应力增大，纤维大分子链段的取向程度就会增大，取向诱导结晶，使得结晶度增加。同一规格喷丝板所生产的纤维，随着总线密度的增加，伸长增加、强度下降、沸水收缩率增加、上染率减小；总线密度相同而喷丝孔数不同时，随孔数的增加，变化趋势与总线密度降低时的规律一致。有研究表明纺HOY丝时，孔数超过48孔，纺丝张力很大，纤维毛丝较多；而总线密度超过167dtex时，则冷却十分困难，很容易产生飘丝。因此，比较合适的产品范围为：总线密度为44～167dtex，孔数为24～48，单丝线密度为1．5～4．5dtex。卷绕超高速纺的卷绕速度快，其卷绕成形比较困难。为了适应高速卷绕的要求，卷绕机采用先进的拨叉式导丝装置。为获得良好的成形以及在以后的使用中顺利退绕，一般超喂率采用0．5％～2％。纺丝速度提高到4500～7500m/min，产品的结晶和取向结构有很大变化，从而影响纤维的物理机械性能。纺速对纤维结晶度的影响有研究表明，随着纺速提高，纤维的密度增加。这是纤维的结晶度增加所致。当纺速达5500m／min时，纤维的结晶度已经接近拉伸丝的结晶度50％左右。这是由于随着纺速的提高，取向诱导结晶，使结晶常数急剧增大。纺速对纤维取向结构的影响如图12-6所示，随着纺速增加，纤维的双折射和声速增加。这是由于随着纺速增加，纺程上剪切应力增大，以致聚酯大分子产生取向。结晶区取向充分，但非晶区取向很低，在结晶过程中有很多空隙形成，而且结晶粒子较大，使该纤维制品在染色时染料粒子容易进入纤维的空隙中，因而常温下用分散染料即可染色，而且吸色率较FDY明显高。纺速对纤维物理机械性能的影响应力一应变曲线 纺速在3500m/min图12-6纺速与纤维的双折射和声速取向的关系时，应力应变曲线上有明显的自然拉伸比平台，这说明纤维冷拉伸时塑性流动形变现象明显，即屈服点后负荷下降，有明显的细颈形成区。随着纺速增加，纤维应力应变曲线上的自然拉伸平台逐渐消失，塑性流动现象衰退。在纺速5500m/min时，塑性流动现象基本消失，其应力应变曲线的形状和拉伸丝基本相似。物理机械性能纺丝速度在3500～5500m/min范围内，纺速对纤维的机械物理性能的影响如表12-2所示。由表可见，随着纺速增加，纤维的断裂强度、初始模量、屈服应力增加，断裂伸长率、屈服伸长率、断裂比功下降。当纺速为5500m/mln时，纤维的物理机械性能指标接近拉伸丝。这是纤维结晶度显著增加从而强烈地阻止纤维变形的结果。同为一步法纺丝，由于纺丝方法和纺速不同，其产品的性能也不同(见表12-3)。与热辊法、热管法相比，超高速纺的纤维强度、沸水收缩率和初始模量低，染色容易，且染色均匀，而伸长较高。
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