关于氨纶纤维纺丝甬道的研究与运用

摘 要：为了研究提升氨纶纤维品质的均一性、降低生产运行成本、制取差别化功能性纤维的适应性，以及最大化降低氨纶纤维有害溶剂的残存量，满足日益提高的环保要求。我们通过对氨纶纤维纺丝甬道的理论研究及实验表明：优化纺丝甬道孔板开孔率、改善吹风均一性，可提升氨纶纤维品质的均一性；通过研究氨纶纤维在纺丝甬道中的传热机理，为纺丝甬道有效长度的设计提供新思路及理论支持，优化纺丝甬道有效长度，可降低纤维内有害溶剂残存率；通过研究纺丝甬道伴热形式对纺程温度梯度变化趋势的影响，优化伴热形式，使甬道外壁温度与内部空气温度梯度的一致性、确保传热机理发挥最大化、降低运行成本、以及差异化、功能化纤维的制取。

关键词：开孔率；均一性；传热机理；温度梯度；残存量；热损

中图分类号：TH-39 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）07-0188-02

当前，国内外氨纶市场竞爭会更加激烈，竞争不仅体现在常规产品上、运行成本上、环保上，而是全方位的，从世界范围讲，未来差别化、功能性纤维的竞争会更加激烈，更重要的是差别化氨纶的大量进口会影响国内企业的产品开发和技术进步。同时，环保要求的提高也对氨纶生产提出新的要求。目前，国内90%以上氨纶纤维产能都采用干纺工艺，其核心装备为方型纺丝甬道，纺丝甬道影响着氨纶纤维成形过程中纤维的断裂伸长等品质指标，也影响着纤维内有害溶剂（二甲基乙酰胺）挥发回收的效率。溶剂挥发效率基本受纺丝甬道的影响，纤维内有害溶剂残存越高，纤维品质会下降；溶剂挥发不均、后道条干也不均；在存储下，溶剂的溶解特性，容易形成纤维间粘连一起，造成丝饼退绕不良；而发达国家已开始明令禁止使用附带有害微量溶剂残留物的干纺氨纶纤维[1]。因此，通过研究改善纺丝甬道吹风均一性，来提高氨纶纤维品质均一性；通过研究氨纶纤维在纺丝甬道中传热机理、研究纺丝甬道长度设计思路、通过研究纺丝甬道伴热形式对纺程温度梯度变化趋势的影响，来最大化降低氨纶纤维内有害溶剂残存量、降低运行成本、以及差异化、功能化纤维制取，成当前首要解决问题。

1 纺丝甬道吹风均一性的研究

目前，干纺工艺使用最多的属方型侧吹风甬道，由侧吹风腔的上甬道、带有伴热的中甬道与下甬道组成。甬道内吹出热风的风速、风温需要均匀恒定，以保证原液细流在纺丝过程中的温度分布、风速分布和固化点的位置恒定，纤维经恒定轴向拉力制得粗细均匀、品质均匀、结构均匀的纤维。通常纺丝过程为：氨纶原液从喷丝板头毛细孔中压出的原液细流进入纺丝甬道中，由侧吹风腔的上甬道垂直于丝路按0.2～0.3m/s风速均匀吹出高温热风、并由上甬道回风腔回收60%～70%风量、其余40%～30%风量延丝路同向经中甬道由下甬道回风口回收，通过甬道中热空气流作用，使原液细流中溶剂快速挥发，原液的粘度达到某一临界值而实现凝固，挥发出来的溶剂蒸汽被热空气流带走冷凝回收利用，原液在逐渐脱去溶剂同时发生固化，并在卷绕张力的作用下伸长变细而形成氨纶纤维[2]。

但在生产实际过程中，上甬侧吹风通常出现孔板风速不均、热能不均，常表现为甬道同一截面两端风速大、中间风速小；两端风速小、中间风速大；延甬道方向（纺程方向）顶部风速小、底部风速大等缺陷；其风腔由风腔室、孔板一、整流框、孔板二、滤网组成，前后两块孔板开孔率0.6%～1.0%过小、造成风速30～40m/s过大撞击孔板和滤网形成紊流，造成风速不均。孔板吹风把气流经过孔板的过程分解为突缩和突扩两个阶段，孔板吹风口通常为平板上按一定规则排布均匀开设大量圆孔，风经过孔板时每个圆孔都呈现小孔射流，多股小孔射流然后混合汇聚，均匀送出。为理论计算孔板的压降，需提供每个圆孔的入流条件，分析各个圆孔的流动特征，给计算带来诸多繁琐。企业常简化模型计算，将多个孔板圆孔等效为一个简单送风孔，即多圆孔面积与孔板风口的有效通过面积相等计算孔板压损。但实际忽略了多孔射流的混合损失、多孔间相互干扰现象，为取得最佳吹风均一性、参考CFD软件模拟数据[3]。制作不同开孔率孔板试验、经试验测试提高孔板开孔率至8%～9%、有效降低风速、降低孔板射压损、降低多孔射流扰动，使气流在整个孔板分配面上风速CV<3%，有效解决甬道风速不均、消除了氨纶纤维内溶剂挥发不均的现象。

2 纺丝甬道有效长度的研究

纺丝甬道长度一般为上中下甬道总长，也称为纺程，甬道的长度对纤维内有害溶剂残存量有着决定性影响，通常要求纺丝甬道长度能够确保纤维溶剂最大化挥发、减少纤维在甬道中扰动，研究纺丝甬道长度就必须从研究氨纶纤维在纺丝甬道中的传热机理来研究甬道长度。氨纶纤维溶剂在纺丝甬道中延纺程整个过程通过：闪蒸、纤维内部溶剂的扩散、纤维表面向周围介质的对流传质三种机理作研究分析[4]：

根据氨纶纤维在纺丝甬道中传热机理和纺丝甬道的长度，将整个纺程划分为三个区域，分别研究不同区域下，纤维内溶剂挥发程度及氨纶纤维内外温度的变化情况。根据理论研究和试验绘制不同区域下纤维内溶剂挥发程度及内外温度变化图如图1所示。

如上图1第1阶段区（氨纶纤维起始蒸发区）：在组件喷丝板出丝口处，纤维原液从喷丝板微孔中挤出，低温原液细流遇到高温侧吹风热气流，溶剂快速闪蒸，使有害溶剂迅速大量挥发，在机架罗拉的牵引下，离喷丝板出口0.1m处纤维速度逐渐与卷绕速度相近，原液细流的组成、线径、速度、温度和粘度发生急剧变化。在此阶段内，原液细流内部温度（图1中线段2）比原液细流表面温度（图1中线段1）高，有害溶剂从原液细流内部向表面作快速扩散运动，原液细流表面有害溶剂浓度变高、内部溶剂浓度成下降趋势，原液细流总浓度快速下降（图1中线段3），逐步进入溶剂挥发的第2阶段。第2阶段（氨纶纤维恒速蒸发区）：经过热空气的传热与氨纶纤维内有害溶剂的蒸发达到平衡，当纤维表面有害溶剂蒸发的速度高于溶剂从纤维内部向表层扩散的速度时，纤维表层温度将上升，纤维内溶剂扩散速度呈下降趋势，这时原液细流开始慢慢固化成型，进入溶剂挥发的第3阶段。第3阶段（氨纶纤维降速蒸发区）：此阶段氨纶纤维内部有害溶剂向表层扩散的速度变得更缓慢，随着纤维表面蒸发强度的逐渐降低，纤维表面温度上升（图1中第3阶段线段1）并近热风温度，该阶段内氨纶纤维固化成丝条基本完成，纤维内残存的有害溶剂浓度将降至最低点（图1中线段3）。

从上述三个阶段纤维有害溶剂挥发的机理看：要最大化降低氨纶纤维内溶剂残存率，就必须确保纤维表层固化前，即氨纶纤维表层温度开始提高前，确保有害溶剂在上述第1阶段（氨纶纤维起始蒸发区）和第2阶段（氨纶纤维快速蒸发区）内溶剂充分得到挥发。因此，通过增长纺丝甬道第1阶段第2阶段纺程长度，可加快纤维表层固化前溶剂的挥发量，从而有效降低氨纶纤维内有害溶剂残存率。

3 纺丝甬道伴热与内部温度梯度变化对纤维残存溶剂的研究与分析

氨纶纤维固化成形阶段，纺丝甬道内热空气与原液细流通过传质和传热两个过程，不发生化学变化。纤维原液从喷丝板出丝孔中挤出的细流原液进入纺丝甬道中，通过纺丝甬道孔板均匀吹出的热空气流作用，使原液细流中有害溶剂快速挥发，当原液细流粘度升至某一临界值时实现凝固，挥发出来的溶剂蒸汽被热空气流带走，原液逐渐脱去溶剂，固化形成氨纶纤维。当纺丝甬道外壁伴管温度高于甬道内部热空气温度时，伴管给甬道内部空气加热，被加热的热空气将使纤维提前固化，阻碍了纤维内部溶剂向纤维表面的扩散，最终导致纤维内部有害溶剂无法最大化挥发；反之，当纺丝甬道外壁伴管温度低于甬道内部热空气温度时，甬道内部温度会降低，滞后固化，将降低纤维强度、弹性等物理指标。

目前，纺丝甬道外壁延纺程方向采用单程伴管伴热、伴热基本采用蒸汽或高温导热油，其存在：单程伴管伴热温度难同纺丝甬道内空气温度一致，存在伴管给甬道内部空气加热或内部空气反向给外部伴管加热现象，从而影响甬道内空气温度梯度与纤维溶剂挥发温度梯度的一致性；圆形伴管与方型纺丝甬道外壁为线接触、接触面小、传热效率低；纺丝甬道伴管外界供热系统热损失大、运行成本高；伴管焊点多易漏、形成安全隐患；多组甬道一套供热系统易造成每组伴管内蒸汽或导热油分布不均、同一截面易形成温度差、不利于温度精确控制、以及各段温度难调整等缺陷。

综上现有伴热缺陷，优化设计采用电伴热分段伴热，可根据氨纶纤维溶剂挥发最大化及最优物理指标分段设定伴热温度，可确保纺丝甬道外壁电伴热伴热温度梯度与甬道内温度梯度一致性。

我们通过实际试验，实测对比不同伴热方式下延纺程纺丝甬道壁温度与纺丝甬道内部空气温度梯度的变化对比[5]。从对比图表（如图2所示）可看出电伴热方式与甬道内部空气温度梯度一致性优于现有蒸汽或导热油管伴热方式，而且现有伴热方式的确存在伴管与甬道内空气加热与反加热现象。因此，通过采用电伴热伴热，可确保伴管温度梯度与甬道内部空气温度梯度一致，可有效降低纤维内有害溶剂残存量。

同时，采用电伴热可独立控制纺丝甬道每段纺程，根据不同产品规格、可设置不同控制生产工况条件、确保工况与产品匹配；当然，在运行成本上，电伴热远低于蒸汽或导热油伴热，主要体现在电伴热可完全省去纺丝甬道伴热外界供热系统的热损失；以年产6万吨氨纶纤维为例计算不同纺丝甬道伴热形式的经济效益：纺丝甬道导热油或蒸汽伴热伴管外供热系统单位长度散热损失计算：

Q=2*3.14*（T-T1）/（1/λ*ln（D0/DI）+2/a*D0）

得：甬道伴热外部总管热损失（kw）：图3所示。

从上述伴管外系统管路热损失数据看：伴管外系统热损失大。根据2.1元/万kcal导热油生产实际运行成本计算，伴管外供热系统年热损失279万元，也相当于年消耗标煤1640t、而采用电伴热伴热将消除现有伴管外系统热损失，即相应年可节省标煤1640t。因此，纺丝甬道外壁通过采用电伴热分段伴热控制，可确保伴管温度梯度与甬道内部空气温度梯度一致，可减少对甬道内空气温度的影响，最大化确保溶剂的挥发量；采用电伴热伴热也省去大量外围供热系统、降低运行成本；同时，也适应不同品种下不同工况的需要，为差异化、功能化纤维制取创造了条件。

4 结语

我们通过对纺丝甬道的理论研究及实验表明：优化纺丝甬道孔板开孔率、改善吹风均一性，可提升氨纶纤维品质的均一性；通过研究氨纶纤维在纺丝甬道中的传热机理，为纺丝甬道有效长度的设计提供新思路及理论支持，优化纺丝甬道有效长度，可降低纖维内有害溶剂残存率；通过实测对比不同伴热形式甬道外壁温度与内部空气温度梯度的变化、以及不同的运行成本分析，得出采用电伴热方式可使甬道外壁温度与内部空气温度梯度的一致性、确保传热机理发挥最大化、也为差异化功能化纤维制取创造条件，同时，减少外界热损失、降低运行成本、实现技术升级、提高了企业市场竞争优势。

参考文献

[1]华绍曾，杨学宁，等编.实用流体阻力手册[M].北京：国防工业出版社，1985.

[2]赵彬，李先庭，彦启森.室内空气流动数值模拟的N点风口动量模型[J].计算力学学报，2003（1）：64-69.

[3]董纪震，罗鸿烈，王庆瑞，曹振林，等编.合成纤维生产工艺学[M].纺织工业出版社，1993.

[4]刘安平.氨纶蛛网丝的形成与丝的表面性能的关系[J].合成纤维，2012（3）：40-42.

[5]杨东洁，辛长征.纤维纺丝工艺与质量控制[M].中国纺织出版社，2003.

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