1、纤维的熔融纺丝摘 要：聚对苯二甲酸乙二醇酯化学式为-OC -C OCO CO-，简称 PET，为高分子2 2 64聚合物，由对苯二甲酸乙二醇酯发生脱水缩合反应而来。对苯二甲酸乙二醇酯是由对苯二甲酸和乙二醇发生酯化反应所得。本文对 PET 的生产进行了详细的概述，包括其原料组成、常用催化剂以及聚合酯化的各种方法和操作流程,同时介绍了涤纶的制备方法和工艺流程，包括纺丝中各组件的作用和控制要点。关键词：涤纶二步纺 聚对苯二甲酸乙二醇酯 对苯二甲酸 乙二醇1 引言纤维成形过程包括液体纺丝及液体细流的冷却固化过程。纺丝成形的方法较多，目前工业生产上主要采用熔法、干法及湿法。这三种方法的纺丝及冷却固化过程
2、的基本原理虽有相同之点，但各有其特点。（1）熔法纺丝熔法纺丝是很早就实现了工业化的纺丝法，无论从纺丝原理到生产实际过程都是很成熟的方法。聚酯纤维、聚酰胺纤维、聚烯烃类纤维等均用此法生产。熔法纺丝是在熔融纺丝机中进行的。聚合物颗粒加入纺丝机后，受热熔融而成为熔体。此熔体通过纺丝泵打入喷丝头，在一定的压力下熔体通过喷丝头的小孔流出，形成液体细流。细流在纺丝通道流出时同空气接触，进行热交换冷却固化成为初生纤维。纺丝中丝线的粗细及根数受到通道冷却速度的限制，所以纺丝的速度也受冷却速度的限制，一般可达 10001500 米分。如果采取措施，能强化冷却固化过程，改进通道的冷却条件，纺丝的速度可提高到 40
3、005000 米分。纺成的丝线越粗，成形速度就越低。熔体成形法所制得的纤维的纤度为 0.2520 特， （注：9 旦为 1 特）要形成更细的纤维将会增加成形的不稳定性，并降低生产能力。如形成太粗的纤丝则传热困难，并将增加通道的长度。如果用软化聚合物的方法成形，由于熔体的粘度太大，不可能将熔体从直径很小的喷丝孔中压出，所以不能生产很细的丝线。在熔法及软化聚合物法制成纤度大的单丝时为了强化冷却过程，可以采用冷却浴（水浴及水溶液的方法）进行冷却。用此法一般生产聚烯烃、聚酰胺、聚酯、聚氯乙烯及其它聚合物的单丝，成形的速度不大，一般为 30 米分左右。（2）干法纺丝聚合物溶液干法成形时用纺丝泵喂料，从喷
4、丝孔流出的液体细流送入成形通道，在此通道中吹入热空气蒸发溶剂，制得的丝线送入卷绕装置。干法成形时溶剂的蒸发使聚合物产生解溶剂化作用，细流的流动性急剧下降，使其转为固态。干法成形的纤维有醋酸纤维、聚烯烃、聚氯乙烯、过氯乙烯等纤维。用挥发性溶剂增塑聚合物的成形与溶液干法原则上区别不大。一般是聚氯乙烯和聚苯乙烯采用此法成形。干法成形时速度由于受到丝线中溶剂挥发速度的限制，一般为 100500 米分，如果增大纺丝通道和降低纺丝的纤度时，可提高到 7001500 米分，但是这样高的速度会引起一系列的困难。在熔法和干法成形时丝线的纤度及其根数有一定的限制，低纤度的纤维由于纺丝液粘度不高，成形的纤维达到 1
5、 特。用挥发性溶剂增塑聚合物的成形过程中所形成的丝线的纤度大约为 1020 特，用水增塑的聚乙烯醇成形的单纤维的纤度可达 100 特，但由于溶剂蒸发较慢，丝线的纤度一般不大于 0.2 特。（3）湿法纺丝聚合物溶液湿法成形时用纺丝泵加料，通过过滤器，通人沉浸在凝固池中的喷丝头，从喷丝孔中流出液体细流在凝固浴中与凝固剂产生传质过程。凝固剂向细流扩散，溶剂从细流内向外扩散。在传质过程中由于低分子组分的改变使聚合物凝固并形成固相纤维。在凝固的初期是形成含有大量溶剂的凝胶，再转变为固态纤维。纺丝细流向凝固浴的组分之间产生双扩散过程，使聚合物的溶解度急剧地发生变化，聚合物从纺丝溶液中分离出来形成纤维。有时
6、在湿法形成的凝固浴内还进行聚合物的化学改性。湿法成形的纤维有：聚丙烯腈、聚氯乙烯、聚乙烯醇、粘胶纤维及其它纤维。在湿法纺丝过程中有较多的生产设备及工艺过程，有不同的纺丝方法，这些方法决定于凝固浴的形式及纺丝的速度。水平式纺丝形成的细流长约为 0.81 米，采用高速或中速的沉淀法沉淀分离出聚合物。如生产聚氯乙烯纤维和聚丙烯腈短纤维时，纺丝板孔数较多，纺丝细流的长度约为 22.5 米。湿法纺丝过程中，由于沉淀中双扩散过程的限制，沉淀的速度一般较慢，所以成形速度一般不高于 20 米分，当其能用更快的速度沉淀出聚合物时，纺丝速度可达 100120 米分，更高的成形速度可达 200 米分。如像熔融法和干
7、法纺丝一样，在湿法纺丝中的纤度和纤维的根数也是有所限制的，丝线的最低纤度约为 0.1 特，最大不得大于 12 特，如要在纺丝中形成更细的纤维，则纺丝过程的稳定性下降，纺丝过程很难进行。如形成太粗的纤维，又受到凝固过程中扩散速度的限制。一般水平式纺丝机，丝线根数为 1010000，短纤维的纺丝速度比长纤维要少 1.52.0 倍左右。湿法纺丝的方法较多，有水平式纺丝法，沉淀池纺丝法，漏斗喇叭形纺丝机法，立式纺丝法等。喇叭漏斗形的纺丝法用于凝固速度很慢的聚合物溶液。此法的特点是纺丝细流从喇叭口流出后，需要较长的时间进行凝固，才能完成凝固过程。如要求纺出液体细流能较快地进行凝固，一般都采用水平式或凝固
8、浴式的纺丝法。用此类方法纺丝形成的丝线不太长（约为 0.5 米左右） 。用湿法成形由于凝固速度较慢的关系，所以不可能使纺丝速度提得很高。聚酯纤维是由大分子链中各链节通过酯基相连的成纤高聚物纺制而成的纤维。1894 年 Vorlander 采用丁二酰氯和乙二醇制得低分子量的聚酯；1898 年 Einkorn 合成聚碳酸酯；1928 年 Carothers 对脂肪族二元酸和乙二醇的缩聚进行了研究，并最早用聚酯制成了纤维。早年合成的聚酯大都为脂肪族化合物，其相对分子质量及熔点都较低，且易溶于水，故不具有纺织纤维的实用价值。1941 年 Whinfield 和 Dickson 用对苯二甲酸二甲酯（DM
9、T）和乙二醇（EG）合成了聚对苯二甲酸乙二酯（PET ） ，这种聚合物可通过熔体纺丝制得性能优良的纤维，即我们通常所说的涤纶，1953 年美国首先建厂生产聚酯纤维。随着有机合成和高分子科学与工业的发展，近年研制开发出多种具有不同特性的实用性聚酯纤维。如具有高伸缩弹性的聚对苯二甲酸丁二酯（PBT）纤维及聚对苯二甲酸丙二酯（PTT）纤维，具有超高强度、高模量的全芳香族聚酯纤维等。目前所谓 “聚酯纤维”通常指聚对苯二甲酸乙二酯纤维。聚酯纤维问世虽晚，但由于具有一系列优良性能，如断裂强度和弹性模量高，回弹性适中，热定型性能优异，耐热和耐光性好，织物具有洗可穿性等，故有广泛的服用和产业用途。同时由于近年
10、石油化工业飞速发展，为涤纶生产提供了更加丰富而廉价的原料；加之近年化工、机械、电子自控等技术的发展，使涤纶原料生产、纤维成型和加工等过程逐步实现短程化、连续化、自动化和高速化。目前，聚酯纤维已成为发展速度最快，产量最大的合成纤维品种。聚对苯二甲酸乙二酯（PET）属于结晶性高聚物，其熔点（ Tm）低于热分解温度（T d） ，因此常采用熔体纺丝法。熔体纺丝的基本过程包括：熔体的制备，熔体自喷丝孔挤出，熔体细流的拉长变细同时冷却固化，以及纺出丝条的上油和卷绕。目前，聚酯纤维的熔体纺丝成型可分为切片纺丝和直接纺丝两种方法。20 世纪 70 年代以来，高速纺丝技术快速发展，不仅大大提高了生产效率和过程的
11、自动化程度，而且进一步将纺丝和后加工联合起来，可从纺丝过程中直接制得有实用价值的产品。聚酯纤维一般以纺丝速度的高低来划分纺丝技术路线的类型，如常规纺丝技术、高速纺丝技术和超高速纺丝技术等。（1）常规纺丝：纺丝速度 10001500m/min，其卷绕丝为未拉伸丝，通称UDY（ undrawn yarn） 。（2）中速纺丝：纺丝速度 15003000m/min，其卷绕丝具中等取向度，为中取向丝，通称 MOY（medium oriented yarn） 。（3）高速纺丝：纺丝速度 30006000m/min。纺丝速度 4000m/min 以下的卷绕丝具有较高的取向度，为预取向丝，通称 POY（pre
12、-oriented yarn ） 。若在纺丝过程中引人拉伸作用，可获得具有高取向度和中等结晶度的卷绕丝，为全拉伸丝，通称 FDY（fully drawn yarn） 。（4）超高速纺丝：纺丝速度为 60008000m/min。绕丝具有高取向度和中等结晶结构，为全取向丝，通称 FOY（fully oriented yarn） 。聚酯纤维的纺丝技术在近年来得到迅速发展。今后仍将沿着高速、高效、大容量、短流程、高度自动化的方向发展，并将加强差别化、功能化纤维纺制技术的开发。2 实验部分2.1 设备及试剂（1）设备：酯化聚合共用釜及其周边设备、切粒机、真空转鼓干燥机（2）试剂：对苯二甲酸 乙二醇 金属
13、醋酸盐催化剂催化剂2.2 聚对苯二甲酸乙二酯的制备 聚对苯二甲酸乙二酯（PET）的制备在工业生产中是以对苯二甲酸双羟乙二酯（ BHET）为原料，经缩聚反应脱除乙二醇（EG）来实现的。目前生产 BHET 的方法有酯交换法和直接酯化法。2.2.1 对苯二甲酸双羟乙二酯的制备（1）酯交换法：此法是先将对苯二甲酸（TPY）与甲醇反应生成粗对苯二甲酸二甲酯（粗 DMT） ，经精制提纯后，再与 EG 进行酯交换反应，得到纯度较高的 BHET。在催化剂（Mn、 Zn、Co、Mg 等的醋酸盐）存在下， EG 与 DMT 进行酯交换，生成 BHET。被取代的甲氧基与 EG 中的氢结合，生成甲醇。DMT 的酯交换
14、反应实际分为两步完成：两个端酯基先后分两步进行反应，且两个酯基在两步反应中的活性相同。在一定反应条件下酯交换反应达到可逆平衡。酯交换反应是吸热反应，H=11.221kJ/mol 。升高温度有利于酯交换，但热效应的数值很小，升高温度对反应平衡常数 K 值增加不大。例如使用醋酸锌催化剂，180时，K=0.3；195 时，K=0.33 。所以，反应平衡时 BHET 的收率很低。生产中为了增加 BHET 的收率，通常加入过量的 EG，并从体系中排除反应副产物甲醇。间歇法酯交换：间歇法酯交换一般是与间歇缩聚相配套，主机只有一台酯交换釜和一台缩聚釜。酯交换釜是一圆柱形反应釜，内装有锚式搅拌叶，釜外壁有联苯
15、加热夹套，釜顶盖有加料孔、防爆装置和甲醇（或乙二醇）蒸气出口。原料 DMT、EG 按 DMT：EG=l：（2.32.5） （摩尔比。EG 过量，有利于增加 BHET 收率） ，金属醋酸盐催化剂按 DMT 重量的 0.05%左右加人酯交换釜，先控制反应温度为180200，使酯交换反应生成的甲醇经酯交换釜上部的蒸馏塔馏出（称甲醇相阶段） 。生产中酯交换反应通常在常压下进行，甲醇馏出量达到理论生成量（按理论计算，每吨 DMT 生成甲醇约 417L）的 90%时，可认为酯交换反应结束，时间约 4h。酯交换反应结束后，随即加入缩聚催化剂三氧化二锑和热稳定剂亚磷酸三苯酯，可直接将物料放入缩聚釜进行缩聚；也
16、可在酯交换结束后，将物料升温至 230240，使多余的 EG 被蒸出，并进行初期缩聚反应（称乙二醇相阶段） ，时间约 1.5h，再放入缩聚釜进行缩聚。酯交换过程蒸出的甲醇或 EG蒸气，先后经蒸馏塔和冷凝器冷凝，而所收集的粗甲醇和粗 EG 送去蒸馏提纯后回收再用。连续法酯交换：连续法酯交换是指物料在连续流动和搅拌过程中，完成酯交换反应。连续酯交换装置有多种形式，如多个带搅拌装置的立式反应釜串联式，或卧式反应釜串联式和多层泡罩塔式等。下面简要说明三个立式搅拌反应釜串联装置的连续酯交换流程。三个立式反应釜的筒体为圆柱形，底部为锥形，内装有 6 根平行桨式搅拌叶，并有 4 块挡板。釜内有不锈钢盘管，管
17、内通人热联苯，用以加热反应物料。DMT 由甲酯化工段送来，与 EG 分别被预热到 190，在常压下与催化剂一并定量连续加入第一酯交换釜，进行酯交换反应，酯交换率为 70%，并利用物料位差，连续流经第二、第三酯交换釜，继续进行反应（酯交换率分别提高到 91.3%和 97.8%） ，其后送入 BHET 贮槽，在槽内最终完成酯交换（酯交换率99%） ，并被连续、定量地抽出，送去缩聚。各酯交换釜的上端均装有甲醇蒸馏塔（内充不锈钢环） ，反应生成的甲醇蒸气尽量排出通过蒸馈塔后再被冷凝固收。在连续酯交换工艺中，除了要控制好酯交换率外还需严格控制反应物料的配比、反应温度和反应时间。物料配比通常为 DMT：E
18、G=l：2.15（摩尔比） 。由于连续酯交换时有低聚物生成，反应釜内总有一定量的 EG，因此，在配料时 EG 的用量比间歇酯交换时的用量小；反应温度按反应釜顺序依次升高，分别为 190、210和 215。BHET 贮槽的温度提高到235。升高温度有利于加快最终反应的完成。物料在每个反应釜内平均停留 23h，在BHET 贮槽内平均停留 1.5h，总反应时间 8lOh，各釜（槽）内均为常压。（2）直接酯化法：所谓直接酯化，即将 TPA 与 EG 直接进行酯化反应，一步制得BHET。由于 TPA 在常压下为无色针状结晶或元定形粉末，其熔点（425）高于其升华温度（300） ，而 EG 的沸点（197
19、）又低于 TPA 的升华温度。因此，直接酯化体系为固相TPA 与液相 EG 共存的多相体系，酯化反应只发生在已溶解于 EG 中的 TPA 和 EG 之间。溶液中反应消耗的 TPA，由随后溶解的 TPA 补充。由于 TPA 在 EG 中的溶解度不大，所以在 TPA 全部溶解前，体系中的液相为 TPA 的饱和溶液，故酯化反应的速度与 TPA 浓度无关，平衡向生成 BHET 的方向进行，此时酯化反应为零级反应。直接酯化为吸热反应，但热效应较小，为 4.18kJ/mol。因此，升高温度，反应速度略有增加。直接酯化也有间歇法和连续法两种方法。目前工业生产多用连续法。实现连续直接酯化需解决粉末状 TPA
20、与 EG（液）的均匀混合、定量连续加料和连续固液反应，提高酯化反应速度，抑制副反应等问题。TPA 粉末由料仓经计量送入浆料混合槽，EG 与聚合催化剂在配料槽中充分混合，经中间槽，也由泵定量送入浆料混合槽，物料在搅拌下充分混合，然后由泵定量送入酯化器。该装置的主体是三个带搅拌装置的圆柱形密闭立式釜。而加热方式主要包括：第一釜为外夹套及内列管加热，第二和第三釜为外夹套和内盘管加热，加热介质均为联苯。物料靠位差连续依次经过第一釜（酯化率为 82%） 、第二釜（酯化率达 92%）和第三釜，最终完成酯化反应（酯化率大于 99.4%） 。反应生成的水蒸气由每个釜上方进入分馏塔，随后导出冷凝器排放。连续直接
21、酯化控制的工艺参数如下：反应温度和压力：为加快反应速度，通常适当提高温度。各釜物料温度顺次为 264、266和 270。由于反应温度高于 EG 沸点，故导致反应釜内压力升高，通过控制反应温度、分馏柱温度和回流量，可控制反应釜内压力。通常依次控制釜压为 0.35MPa、0.27MPa 和0.12MPa。一般而言，温度升高，使 EG 缩合的倾向增大，副产物二甘醇（ DEG）增加，影响产品质量。配料比：EG 与 TPA 完全酯化反应的理论配比为 EG：TPA=2 ：1（摩尔比） 。由于直接酯化生成的 BHET 会进一步形成低聚体，释放出 EG，所以，配料时通常控制 EG 低于完成酯化反应所需的理论量
22、，即配浆时配比虽为 1.3：1，但酯化时实际可达 1.8：1。催化剂：TPA 与 EG 直接酯化反应可用催化剂，但目前生产中一般都不需加入催化剂。因为 TPA 分子中羧酸本身就起催化作用，这种催化实际为氢离子催化。2.2.2 聚对苯二甲酸乙二酯的生产（1）缩聚反应平衡BHET 的缩聚反应是可逆平衡的逐步反应，按下述步骤进行：BHET+BHEF二聚体EGBHET二聚体三聚体EGBHET三聚体四聚体EG依此，反应继续进行。除 BHET 分子的羟乙酯基和聚合体分子的羟乙酯基的反应外，羟乙酯基还可相互进行缩合反应。在通常情况下，随缩聚反应的进行及 EG 的不断脱除，聚合度控制在 100 左右，个别情况
23、可达 150180。（2）缩聚反应副反应缩聚反应的同时会存在副反应，主要有大分子链端基裂解生成乙醛；生成环状低聚物；大分子中的酯键裂解；EG 间分子缩合生成乙二醇醚（如二甘醇 DEG） 。副反应使大分子的聚合度下降或生成许多有害杂质，令大分子末端带上许多其他基团，使 PET 发黄，稳定性下降。为防止热分解，可加入热稳定剂如亚磷酸三苯酯或磷酸三苯酯。（3）间歇法缩聚间歇法缩聚通常与间歇法 BHET 生产流程相配合。在间歇酯交换结束生成的 BHET 中加入 0.03%0.04%缩聚催化剂三氧化二锑和 0.015%0.03%热稳定剂亚磷酸三苯酯（均相对于DMT 重量） ，于 230240常压蒸出 E
24、G（实际为常压缩聚）后，用氮气送入缩聚釜进行缩聚反应。缩聚釜是主体为圆柱形、底部为圆锥形的密闭不锈钢反应器，内有锚式搅拌叶，外有气相加热夹套。物料在釜内的反应分两阶段控制，前段是低真空（余压约 5.3kPa）缩聚，后段是高真空（余压小于 66Pa）缩聚。釜内真空是由釜外的五级蒸汽喷射泵或高真空度的真空泵建立的，反应生成的 EG 蒸汽被抽出和冷凝后送去蒸馆回收。两段反应的温度均需严格控制，通常前段 250260，后段 270285。当缩聚釜内搅拌电流增至一定数值（表示反应物料的表观粘度达一定值） ，或经取样测定聚合物特性粘度达到一定值（通常为 0.640.66dL/g） ，即可打开缩聚釜出料阀，
25、熔体经铸带头，到圆筒冷凝器，经冷却槽结成片状，由切粒机切成一定规格的 PET 粒子，再经筛选，除去过大或过小的粒子，风送至湿切片贮槽，以备切片干燥和纺丝。（4）连续法缩聚连续法缩聚流程：连续法缩聚工艺流程因设备选型以及上述工序生产 BHET 所采用的方法（酯交换或直接酯化法）和相互衔接方式等不同，差异很大，但各种连续法缩聚流程都有其共同的特点：物料在连续进料和出料的流动过程中完成缩聚反应。物料的输送根据其性质和状态可采用位差或机械泵等方法。随着缩聚反应的进行，物料的性质和状态发生连续变化，需采用多个反应器串联设备分段进行工艺控制。通常生产分三段或四段进行：第一段是脱除在酯化或酯交换过程多余的E
26、G；第二段是在低粘度、低真空下缩聚；第三段是在高粘度、高真空下完成缩聚过程。物料在该装置内进行脱 EG、预缩聚、前缩聚和后缩聚过程，从 EG 脱除塔至后缩聚釜出料，均采用机械泵强制输送。各反应器用多级蒸汽喷射泵抽真空。脱 EG 塔抽出的 EG 蒸气由两个串联的冷凝器回收，其余反应器抽出的 EG 蒸汽分别由相应的 EG 洗涤塔喷淋冷凝。连续缩聚工艺控制：连续缩聚过程和间歇缩聚一样，也需要控制反应温度、系统的真空度、反应时间、催化剂用量以及料层厚度或搅拌状态等。不同的是，由于连续缩聚是物料在连续流动过程中完成缩聚反应，而且物料的性质和状态随反应进行的程度而连续变化。因此，连续缩聚的工艺通常是根据物
27、料性质和状态分三段控制。EG 的脱除。由酯交换或直接酯化工段来的 BHET（已加入定量催化剂和稳定剂）中过量的 EG 以及在脱 EG 塔（或釜）内 BHET 生成低聚物时释出的 EG 被大量蒸发除去，由于EG 蒸发吸热，此时需供给充分的热量。EG 脱除塔内物料粘度较低，余压 20kPa 即可，真空度过高，则单体易被抽人真空系统。反应温度也不宜过高，通常控制在 235250。预缩聚和（或）前缩聚。此为缩聚反应进行的主要阶段，EG 逸出量比前阶段相应减少，物料的表观粘度增大，EG 不易逸出。因此，需要升高温度，提高真空度和加强物料翻动或形成薄的料层，以促使 EG 蒸发，加速缩聚反应。通常控制预缩聚
28、时间 11.5h，温度273280，余压约 6.6kPa；前缩聚 1.53h，275282，余压小于 400Pa。不同的装置，流程也不尽相同，有些装置有前缩聚但无预缩聚，某些装置有二道预缩聚但无前缩聚，而某些装置既有预缩聚，又有前缩聚。后缩聚。此为最终完成缩聚反应的阶段，此时物料粘度高，EG 气泡难以形成和排除，故要求真空度很高。通常控制温度为 275285，余压为 100300Pa，物料平均停留1.55h。2.3 聚对苯二甲酸乙二酯的纺丝2.3.1 纺丝熔体的制备由连续缩聚制得的聚酯熔体可直接用于纺丝，也可将缩聚后的熔体经铸带、切粒后经干燥再熔融以制备纺丝熔体。采用熔体直接纺丝，可省去铸带、
29、切粒、干燥和螺杆挤出机等工序，大大降低了生产成本，但对生产系统的稳定性要求十分严格，生产灵活性也较差；切片纺丝的生产流程较长，但生产过程较熔体直接纺易于控制，更多地用于纺细旦纤维。用于合成纤维熔纺生产的主要设备之一是单螺杆挤出机，它由螺杆、套筒、传动部分以及加料、加热和冷却装置构成。根据螺杆中物料前移的变化和螺杆各段所起的作用，通常把螺杆的工作部分分为三段，即进料段、压缩段和计量（均化）段。固体切片从料筒进入螺杆后，首先在进料段被输送和预热，接着经压缩段压实、排气并逐渐熔化，然后在计量段内进一步混合塑化，达到一定温度后以一定压力定量输送至计量泵进行纺丝。切片在螺杆挤出机中经历着温度、压力、粘度
30、、物理结构与化学结构等一系列复杂的变化。在整个挤出过程中，螺杆完成以下三个操作：切片的供给、切片的熔融和熔体的计量输出，同时使物料实现混匀和塑化。按物料在挤出机中的状态，可将螺杆挤出机分成三个区域：固体区、熔化区和熔体区。在固体区和熔体区物料是单相的，在熔化区是两相并存的。这和螺杆的几何分段（进料段、压缩段和计量段）在一定程度上相一致。事实上，物料在螺杆挤出机中的状态是连续变化的，不能机械地认为某种变化会截然局限在某一特定段内发生。进料段物料主要处于固体状态，但在其末端已开始软化并部分熔化；而在计量段主要是熔融状态，但在其开始的几节螺距还可能继续完成熔化作用。螺杆挤出机的特征集中反映于螺杆的结
31、构。螺杆的结构特征主要包括螺杆直径、长径比、压缩比、螺距、螺槽深度、螺旋角、螺杆与套筒的间隙等。这些因素相互联系，互相影响。（1）螺杆直径：通常指螺杆的外径。随螺杆直径的加大，产量上升，目前设计提高产量的挤出机均采用增加直径的方法。然而直径太大会引起其他方面的问题，例如导致单位加热面积所需加热的物料增加，传热变差，功率消耗增大等。（2）长（L）径（ D）比：长径比是指螺杆工作长度（不包括鱼雷头及附件）与外径之比。物料在这个长度上被输送、压缩和加热熔化。螺杆的加热面积和物料停留时间都与螺杆长度成正比。长径比大，有利于物料的混合塑化、提高熔体压力和减少逆流以及漏流损失。目前一般采用 L/D=202
32、7 的螺杆，也有 L/D=2833 的，但是螺杆太长，物料在高温下的停留时间增加，会引起一些热稳定性较差的高聚物热分解。（3）压缩比：螺杆的压缩作用以压缩比 i 表示。压缩比主要决定于物料熔融后密度的变化，不同形态（粉状、粒状或片状）的物料其堆砌密度不同，压实和熔融后体积的变化也不同，螺杆的压缩比应与此相适应。熔体纺丝用螺杆常用压缩比为 33.5。压缩比可以用改变螺距或改变根径来实现，变螺距螺杆不易加工，纺丝机所采用的大都为等螺距螺杆，可通过螺纹沟槽深度的变化来实现压缩作用。（4）螺距：当螺杆直径确定后，螺距 t 决定于螺旋角 ，t Dtan。随螺旋角不同，螺杆的送料能力不同；不同形状的物料，
33、对螺旋角的要求也不同。通常，螺杆挤出机均供给固体物料，并要兼具熔化物料的功能。螺旋角 的取值为 1738，螺距等于直径，此时螺旋角的正切 tan=t/D=l/，在螺杆制造时较为方便。（5）螺杆与套筒的间隙：这是螺杆挤出机的一个重要结构参数，特别在计量段，对产量影响很大，漏流流量与间隙的三次方成正比，当间隙 =0.15D，漏流流量可达总流量的 1/3，故在保证螺杆与套筒不产生刮磨的条件下，间隙应尽可能取小值。一般小螺杆间隙 应小于0.002D，大螺杆 应小于 0.005D。（6）套筒：套筒是挤出机中仅次于螺杆的重要部件，它和螺杆组成了挤出机的基本结构。套筒实质上相当于一个压力容器和加热室，因此除
34、考虑套筒的材质、结构、强度等外，还应考虑其热传导和热容量，以及在工作时的熔体压力、螺杆转动时的机械磨损及熔体的化学腐蚀作用等。大多数套筒是整体结构，长度太大也可分段制作，但不易保证较高的制造精度和装配精度，影响螺杆和套筒的同心度。（7）材质要求：螺杆的材质要求较高，为满足工艺要求，螺杆必须具有高强度、耐磨、耐腐蚀、热变形小等特性。螺杆常用的材料有 45#钢、40Cr、38CrMoAlA、38CrWVAlA 、1Cr18Ni9Ti 等，尤以前三者应用较多。套筒的材料与螺杆要求相同，由于套筒的加工比螺杆更为困难，尤其是长螺杆的套筒，所以应在热处理或材质选择时，使其内表面硬度比螺杆高。2.3.2 纺
35、丝机的基本结构熔体纺丝机的种类及型号虽多种多样，但其基本结构类似，均包括以下一些构成部分：高聚物熔融装置：螺杆挤出机；熔体输送、分配、纺丝及保温装置：包括弯管、熔体分配管、计量泵、喷丝头组件及纺丝箱体部件；丝条冷却装置：包括纺丝窗及冷却套筒；丝条收集装置：卷绕机或受丝机构；上油装置：包括上油部件及油浴分配循环机构。（1）纺丝机及纺丝丝头组件熔体自螺、杆挤出后，经熔体管路分配至各纺丝位的计量泵和喷丝头组件。为进行熔体保温和温度控制，一般都采用 46 位（即一根螺杆所供给的位数）合用一个矩形载热体加热箱进行集中保温，通常称之为纺丝箱体。箱体内装有至各部位的熔体分配管，计量泵与喷丝头组件安置有保温座
36、以及电热棒等。通过加热联苯-联苯醚混合热载体气液两相保温，箱外包覆绝热材料。纺丝箱体中的熔体分配管有两种形式：一种为分支式，另一种为辐射式。箱体中熔体分配的原则，应确保熔体到达每个纺丝位所需时间完全相同，管径的选择和管线安排应有利于缩短熔体在分配过程中的停留时间，并尽可能减少回折，避免各纺丝位之间管路阻力差异。纺丝箱体采用联苯-联苯醚热载体加热方式。可以直接在箱内加入占箱体容积 1/22/3- 的联苯混合物液体，插入电热棒直接加热，气液两相同时保温；也可以用联苯混合物蒸气做载热体，在箱外附设联苯锅炉。喷丝头组件是喷丝板、熔体分配板、熔体过滤材料及组装套的结合件。喷丝头组件是熔体纺丝成型前最后通
37、过的一组构件，除确保熔体过滤、分配和纺丝成型的要求外，还应满足高度密封、拆装方便和固定可靠的要求。（2）计量泵与喷丝板计量泵与喷丝板是化纤生产中使用的两个高精密度标准件。成纤高聚物熔体经计量泵以准确的计量送至喷丝头组件，再从喷丝板上的喷丝孔挤出完成纤维成型。计量泵：熔体纺丝用计量泵属于高温齿轮泵类型，是由一对齿轮和三块板、联轴节等组成。这是单进液孔、单出液孔的计量泵，泵轴的轴头插在联轴节一头的槽中，转动轴转动时，主动齿轮被联轴节带动，从而使一对齿轮相啮合而运转。联轴节装在轴套内，用压盖及内六角螺钉固定在泵板上，一对齿轮密封装在中间板的“内形孔与上下板之间，借三块板之间高精度平面密合而不是用垫片
38、来实现密封，可防止熔体渗漏。为了适应多头纺的要求，可采用多层、多出液孔的计量泵，不仅简化泵的传动装置，且可大幅提高纺丝产量。喷丝板：喷丝板的形状有圆形和矩形两种，圆形喷丝板加工方便，使用比较广泛。矩形喷丝板主要用于纺制短纤维。喷丝孔的几何形状直接影响熔体的流动特性，从而影响纤维成型。喷丝孔通常由导孔和毛细孔两段构成，除纺异形丝的喷丝孔外，毛细孔都为圆柱形，导孔则有圆筒漏斗形、圆筒平底形、圆锥形和双曲面形等。最常见的是圆形导孔，其加工最方便；但为了控制熔体流动的切变速率并获得较大的压力差来源，以圆锥形和双曲面形导孔为好，但其加工较困难。（3）丝条冷却装置丝条冷却吹风形式有两种，即侧吹风和环形吹风
39、。侧吹风：目前涤纶长丝纺丝常采用侧吹风，此时，空气直接吹在纤维还未完全凝固的区域，并与纤维成垂直方向，故传热系数高，冷却效果好。侧吹风的弊端为冷却风往往不够均匀，尤其是单纤维根数较多时，位于侧吹风迎风侧和背风侧的冷却条件差异较大。环形吹风：环形吹风是从丝束周围吹向丝条，可克服凝固的丝条偏离垂直位置产生的弯曲，甚至互相碰撞粘结、并丝等缺点。有一种径向吹风装置，该装置是在圆形喷丝板中间的无孔区，自下方插入一个圆筒，圆筒壁由多孔材料制成（多孔青铜或多孔不锈钢） ，吹入空气能使所有的丝条均匀冷却。在采用 9001000 孔甚至更多纺丝孔的喷丝板生产短纤维时，这是一种简单有效的均匀冷却方法。（4）卷绕装
40、置成型的丝条经纺丝室和甬道冷却固化后，是完全干燥的，为避免产生静电，并进行正常的卷绕，必须先行给湿和上油，然后按一定规律卷绕。一般卷绕机由上油机构、导丝机构和卷绕机构三部分组成。高速纺丝的给油喷嘴安装在纺丝风窗的下部。国产纺丝机每位有两个油盘，可分别给湿和上油，也可将给湿和上油结合起来。导丝机构为导丝盘（辊）也称纺丝盘，所谓纺丝速度即为导丝盘转动的线速度。长丝纺丝机一般采用两个导丝盘。为了保证丝条有一定的张紧力，上下导丝盘直径有微小差异，后一盘比前一盘大 0.5%，也可分别用变频调速控制丝条张力。卷绕机构主要用于初生纤维的卷绕成型，长丝卷绕机的结构由往复机构、筒管及其传动装置组成，将卷绕丝卷成
41、筒子形式。2.3.3 纺丝过程的主要工艺参数熔体纺丝过程中有许多参数，这些参数决定纤维成型的历程和纺出纤维的约构和性能，生产上就是通过控制这些参数来制得所需性能的纤维。为方便起见，按工艺过程可将生产中控制的主要纺丝参数归纳为熔融条件、喷丝条件、固化条件、绕丝条件等项加以讨论。2.3.3.1 熔融条件这里主要指切片纺丝（间接纺丝）时，高聚物切片熔融及熔体输送过程的条件。（1）螺杆各区温度的选择与控制：切片自进料后被螺杆不断推向前，经过冷却区，进入预热段，被套筒壁逐渐加热，到达预热段末端紧靠压缩段时，温度达到熔点。在整个进料段内，物料有一个较大的升温梯度，一般从 50上升至 265。在预热段内，物
42、料温度基本低于熔点，即物料应基本上保持固体状态。在进入压缩段后，随着温度的升高，并由于螺杆的挤压作用，切片逐渐熔融，由固态转变为粘流态的熔体，其温度基本等于熔点或比熔点略高。在压缩段尚未结束前，切片已全部转化为流体，而在计量段内的物料，则全部为温度高于熔点的熔体。预热段温度：为保证螺杆的正常运转，在预热段内切片不应过早熔化，但同时又要使切片在达到压缩段时温度应达到聚合物的熔融温度，因此预热段套筒壁必须保持一个合适的温度。若预热段温度过高，切片在到达压缩段前就过早熔化，使原来固体颗粒间的空隙消失，熔化后的熔体由于在螺槽等深的预热段无法压缩，从而失去了往前推进的能力，造成“环结阻料” 。反之，若预
43、热段温度过低，以致切片在进入压缩段后还不能畅通地熔融，也必然会造成切片在压缩段内阻塞。对于某一给定的熔体挤出量，必然有与其相应合适的套筒壁温度。压缩段温度：螺杆的另一个重要的加热区在压缩段。切片在该区内要吸收熔融热并提高熔体温度，故该区温度可适当高一些，根据生产实践经验，可按下式确定：T=Tm+（2733）实际上加热温度的确定除需依据切片的熔点 Tm 及螺杆挤出量（螺杆转速和机头压力）外，还应考虑切片的特性粘度与切片尺寸等因素。原则上对于熔点高、粘度大或切片粒子大的聚酯，加热温度要相应高些，反之就稍低些。对于计量段的温度控制，是使切片进一步完全熔化，使其保持一定的熔体温度和粘度，并确保在稳定的
44、压力下输送熔体。对熔点在 255以上的聚酯切片，该区温度约为 285切片特性粘度较大时，温度要相应提高。总之，螺杆各区温度设定范围较灵活，可以是温度分布由高到低，或分布平稳，或分布由低到高，这种温度分布控制对于防止环结阻料，使聚合物熔体熔融均匀，减少降解，适于成型等方面均有利。（2）熔体输送过程中温度的选择与控制：螺杆通过法兰与弯管相接，由于法兰区本身较短，对熔体温度影响不大，但法兰散热较大，故该区温度也不宜过低，一般法兰区温度可与计量段温度相等或略低一些。弯管则起输送熔体及保温的作用，由于弯管较长，熔体在其中约停留 1.5min，对聚酯降解影响较大。一般弯管区温度可接近或略低于纺丝熔体温度。
45、据经验估算，弯管区温度可较PET 熔点高 1420。箱体是对熔体、纺丝泵及纺丝组件保温及输送并分配熔体至每个纺丝部位的部件，此区温度直接影响熔体纺丝成型，是纺丝工艺温度中的重要参数。熔体在箱体中约停留11.5min，箱体能力日热熔体并起保温匀温作用。适当提高箱体温度，有利于纺丝成型，并改善初生纤维的拉伸性能，但也不宜过高，以免特性粘度下降明显。通常箱体温度为285288，并依纺丝成型情况而定。以上举出的各种温度的具体数值，很大程度是根据经验而言，因此在确定工艺温度时仍应以纺丝质量为依据，加以适当调整。（3）熔体温度与熔体粘度的选定：由于熔体温度直接影响熔体粘度即熔体的流变性能，同时对熔体细流的
46、冷却固化效果、初生纤维的结构以及拉伸性能都有很大影响，所以正确地选择与严格控制熔体温度十分重要。聚酯的相对分子质量（特性粘度） 、熔体温度与熔体粘度之间有一定依赖关系。相对分子质量低于 20000 的 PET，其熔体粘度与温度呈明显的线性函数关系。熔体流出喷丝板孔道前的温度 Ts 称为纺丝温度或挤出温度。纺丝时，应控制 Ts 高于结晶高聚物的熔点 Tm，使聚合物熔体具有合适的熔体粘度，以保证纺丝成型顺利进行。纺丝熔体温度的提高有一定的限制性，它主要受到高聚物热裂解温度（T d）和熔体粘度的限制。因此，选择纺丝温度应满足下式：TdTsTm（或 Tf）熔体温度应根据成纤高聚物的种类、相对分子质量、
47、纺丝速度、喷丝板孔径及纤维的线密度等因素来决定；此外，纺丝熔体的温度和粘度的均匀稳定，对纺丝成型能否顺利进行也十分重要，若熔体不均匀、含杂质过多，则往往导致飘丝、毛丝等异常现象。此时可采取加强纺前预过滤器和纺丝组件中过滤介质的过滤作用，以及适当调整纺丝各区的温度和增强螺杆挤出机的混炼效果等措施来改善纺丝熔体的均匀性，使纺丝得以顺利进行。2.3.3.2 喷丝条件（1）泵供量：泵供量的精确性和稳定性直接影响成丝的线密度及其均匀性。熔纺计量泵的泵供量除与泵的转数有关外，还与熔体粘度、泵的进出口熔体压力有关。当螺杆与纺丝泵间熔体压力达 2MPa 以上时，泵供量与转速呈直线关系，而在一定转速下，泵供量为
48、一恒定值，不随熔体压力而改变。前已述及，螺杆的挤出量随挤出压力的大小而改变。当螺杆挤出量稍大于纺丝泵的输出量（总泵供量）时，在纺丝泵前产生一定的熔体压力，螺杆挤出量会相应下降（逆流量增加） ，熔体压力随二者之间的差值大小而改变。因此，欲使泵供量恒定，必须保持一定的熔体压力，亦即要求螺杆转数一定，熔体挤出虽恒定。（2）喷丝头组件结构：喷丝头组件的结构是否合理以及喷丝板清洗和检查工作的优劣，均对纺丝成型过程及纤维质量有很大影响。由于喷丝毛细孔孔径很小，若熔体内夹有杂质，易使喷丝孔堵塞，产生“注头丝” 、 “细丝” 、 “毛丝”等疵病，所以熔体在进入喷丝孔前，应先经仔细过滤，可用粗细不同的多层不锈钢
49、丝网组合作为过滤介质，也可采用石英砂和不锈钢丝网组合作为过滤介质。在高压纺丝时，则往往采用更稠密的烧结金属滤层、厚层石英砂、氧化铝颗粒、金属非织造布等组合使用。为使纤维成型良好，应使熔体均匀稳定地分配到每一个喷丝孔中去，这个任务由喷丝头组件内的耐压（扩散）板、分配板及粗滤网、滤砂来完成，且尽可能使组件内贮存熔体的空腔加大，保证喷丝头组件内熔体压力均匀，喷丝良好。纺丝成型时，由于增加纺丝熔体压力，可提高纤维线密度的均匀性和染色均匀性，所以喷丝头组件要承受很大的压力。采用高压纺丝工艺时，组件内压力高达 2050MPa 。因此组件各层间应采用铝垫圈或包边滤网，起严格密封的作用。组件组装后用油泵压紧，以防“漏浆” 。组件与泵体的熔体出口相接处也应用铝垫圈密封，以防止“泛浆” 。2.3.3.3 丝条冷却固化条件丝条冷却固化条件对纤维结构与性能有决定性的影响，为控制聚酯熔体细流的冷却速度及其均匀性，生产中普遍采用冷却吹风。冷却吹风可加速熔体细流的冷却速度，有利于提高纺丝速度；加强丝条周围空气的对流，使内外层丝条冷
