传统立式纺单丝工艺的技术探讨

单丝生产广泛使用两种工艺，即传统立式纺丝工艺（MVS）和卧式低速纺丝工艺（MHS），其中前者主要用于装饰用、家纺等纺织品的原料加工。目前MVS工艺路线主要包括一步法和二步法，相较而言，一步法具有工艺先进、流程短、加工成本低、能耗小、纺速高、生产效率高、产品质量稳定等特点。本文重点介绍了中丽制机开发的一步法单丝加工设备，包括工艺特点、参数选配及产品性能等，同时对国内外MVS工艺的发展进行了比较。

MVS and MHS are the most prevalent methods adopted to produce monofilaments. The former, which is primarily used for the production of ornamental and home textiles materials, comprises a one-step process and a two-step process. Comparatively, the one-step process is more efficient, low-cost, low-energy-consumption with higher spinning speed and stable quality. This paper has introduced the one-step filament manufacturing equipment developed by Chonglee Machinery Engineering including correlated techniques, parameters and performances. Domestic and international development of MVS method was also compared.

1前言

单丝是具有足够强度和韧性、可直接作为单纱或网线使用的单根长丝。较粗的合成纤维单丝（2 000 ～ 3 000 dtex）可用作渔网线或制绳索等；稍细的单丝（66 dtex以上）可用作人造鬃丝、假发、睫毛、眉毛和刷子等；再细的单丝（44 ～ 55 dtex）可制作汽车座垫间隙布、床垫、垫肩、罩杯、窗帘布等；单丝线密度为 22 ～ 33 dtex的单丝应用较为广泛，可用来织造蚕翼布面料、头巾、婚纱、面罩、鞋材等；更细的单丝（6 ～ 13 dtex）可加工成弹力丝，用于织弹力袜、丝袜及其他高级纺织面料，在工业上则可用来织造高档渔网线、高密度滤网、印刷筛网、造纸长网和人造草 坪等。

2涤纶单丝的生产工艺和生产设备

单丝生产广泛使用两种工艺，即传统立式纺丝工艺（MVS）和卧式低速纺丝工艺（MHS）。

传统立式纺丝工艺（MVS）用于生产单丝的生产工艺路线有一步法和二步法。二步法通常是由常规纺丝的UDY设备生产出未牵伸母丝，再经牵伸机牵伸成分纤母丝，最后经分丝得到成品单丝。该法生产单丝一般采用 4 头纺，纺速不到 3 000 m/min，单机产量低、能耗高，特别是UDY母丝在存放过程中纤维大分子的预取向度等超分子结构容易发生变化，甚至存放 1 周以上就会发生结晶，破坏了初生纤维的可拉伸性，因此可存放周期短，对平衡、存放环境的温湿度要求高。另外，由于生产路线长，单丝产品质量指标的稳定性较差，整体生产效率低、运行成本高。

一步法是用FDY设备，采用纺丝 拉伸 卷绕工艺生产出牵伸母丝，喷丝板孔数有 10、12、14、16 等 4 种，再经分丝加工而成，单丝规格 16.7 ～ 33.3 dtex。该方法工艺先进、流程短、加工成本低、能耗小、纺速高，生产效率高，产品质量稳定。目前这类单丝的生产企业主要集中在中国、韩国、日本和法国等地，而单丝设备的生产商主要包括德国的Oerlikon Barmag（欧瑞康巴马格）、意大利VIBA公司等，两家公司均提供 3 纺位生产模块，卷绕速度 2 500 ～ 3 200 m/min，产能 250 ～ 320 t/a。国内MVS单丝生产基本采用常规纺丝工艺，经拉伸、分丝而成单丝。

日前，北京中丽制机工程技术有限公司在众多单丝用户的帮助下，与下游化纤厂合作，自主研发了单丝一步法生产工艺和设备，填补了国内空白，生产技术和产品质量已达到国际水平，得到了广大客户的认可。

3北京中丽MVS的工艺与设备特点

3.1概述

北京中丽制机、中纺精业公司、中纺优丝公司和吴江精美化纤有限公司共同研制开发的、生产分纤母丝的纺丝 牵伸一步法纺丝设备联合机，可采用 6、8、10 或 12 孔的喷丝板，在同一台机器上先后完成纺丝成形、初生纤维牵伸取向、纤维热定形和卷绕等工艺流程，在卷绕的丝饼上得到分纤母丝，再经过分丝机分纤后得到 6、8、10 或 12 根单丝。其FDY分纤母丝及单丝的生产工艺路线为：聚酯切片 干燥 熔融挤出 纺丝成形（侧吹冷却） 牵伸 热定形 卷绕 分纤母丝 分纤 单丝。

这是典型的一步法生产全拉伸丝（FDY）工艺路线。该技术不仅单机产能大、流程短、生产效率高、能耗低、设备占地面积小，而且生产工艺过程和产品质量的稳定性比二步法有较大提高。这是一种生产涤纶母丝的方法，包括：经过熔融挤压的聚酯熔体通过圆孔的或异形孔的喷丝板纺丝组件喷出细流熔体，然后通过丝束冷却装置凝固，经过牵伸、定形、卷绕得到相应的母丝纤维丝束，进而可以分成单丝。其特征在于聚酯熔体采用低温工艺纺制，用自补偿方式的热媒循环系统熔融聚酯熔体，圆孔或异形孔的纺丝组件兼顾孔少、单孔纤度大的特点，保证熔体细流均匀流动，冷却凝固的初生纤维经过牵伸辊的多级牵伸、定形、卷绕，最终得到截面为圆形或异形的、且可以分成单丝的母丝纤维产品，其中可以同时纺制多个丝饼。

3.2设备特点

（1）研制了热媒加热系统：采用汽液分离型热媒加热系统，系统温差可以控制在 ±0.5 ℃以内，满足了纺制分纤母丝的温度要求。其特征在于加热聚酯熔体温度的热媒循环供热系统是全系统的汽液分离，进汽、排汽、回液采用全并联、单流向、自补偿方式，以保证分纤母丝低温纺丝对温度精度的要求。

（2）研制了新型螺杆挤压机：针对纺丝时熔体流动黏度大、反压大的情况，选配了合适的加强型齿轮减速箱；螺杆设计上避免了熔体高聚物的降解，保证了高黏度熔体的物理性能。

（3）研制了熔体管道系统：原则上使熔体在纺丝管道的停留时间尽量短，根据工艺温度选择了最佳的管道直径。

（4）研制了高性能纺丝箱体：分纤母丝的生产一般采用高压纺丝，纺丝全过程要承受较大的熔体压力，因此加大了纺丝箱管道的管壁厚度，在熔体进入喷丝板前的短时间内，提高熔体自身温度，提高了熔体的输送压力，改善了熔体的流动性，并保证熔体以相等的滞留时间输送到每一个纺丝部位。

（5）研制了新型纺丝组件：与一般复丝生产相比，对分纤母丝中每一根单丝的纤度要求更高。因此要求纺丝组件的结构设计能够保证熔体到达每个板孔的压力降相同，同时喷丝板的微孔精度高（孔径要高度一致）。纺丝压力通常在 16 ～ 26 MPa之间，泵、组件和喷丝板都需要耐高压。为了防止漏浆，设计上采用被普遍认可的圆形下装式，纺丝分配板为斜孔分布的高压自密封式下装杯形组件，并根据纺丝特点，对组件结构做了适当改动，确保了熔体的分配均匀，流动无死角。

（6）研制了专用的缓冷器：纺丝时，为承受高倍拉伸，在喷丝板下方设置了延迟冷却区，使从喷丝板喷出的熔体细流暂时在 200 ～ 300 ℃的热空气中保留一段时间，延缓冷却速度，不至于使其迅速冷却。设计了特殊的缓冷器，起到了延迟冷却的作用。使纺丝机的各部位间都可以获得取向度低、无结晶结构、拉伸性能良好的初生纤维。

（7）研制了专用侧吹风及纺丝甬道：设计的甬道进口装有均流板，出口装有挡风板和泄压孔，确保甬道气流稳定，以减小丝条的摆动，冷却效果好，丝束稳定。

（8）上油、吸丝、断丝监控系统：上油选用宽体油轮，可使丝束垂直下降，减小丝束条的集束角，确保单丝在冷却时不粘连。上油量可以通过调节油轮转速来控制，丝束经上油、剪丝、吸丝、导丝、断丝监控器后进入牵伸。低温纺丝方法是保证纤维丝束通过油剂轮时低于玻璃化温度，以利于丝束的牵伸。

（9）牵伸 定形辊表面处理：根据纺丝特点，第 1 对喂入辊表面采用镀镜面铬并有预张紧作用（带张紧角的方式），以增加丝束与牵伸辊的摩擦力和预张紧，起到稳定拉伸点的作用；第 2 对辊表面采用镀陶瓷处理，增加辊的耐磨性；第 3 对辊表面采用镀铬犁地处理，既减小了丝束与辊的摩擦，又避免了“镜面吸附”现象，降低卷取张力。纺制有特殊要求的产品时，可采用具有双段、不同材质、不同表面粗糙度的喂入辊和热牵伸辊。

（10）热牵伸辊的制造工艺技术：热牵伸辊采用电感应汽相加热热辊。辊体为圆周钻孔管列式，热辊表面温度分布均匀，在 45 ～ 250 ℃范围内，温度控制精度可达 ±1.5 ℃。

3.3工艺参数

3.3.1熔融温度及纺丝温度

采用不高于聚酯熔融温度的低温工艺纺丝方法。干燥后的聚酯切片，由充填干燥器出口进入螺杆挤压机，为了避免切片过早熔融发粘，冷却区温度控制在 60 ℃以下。对比 200 D/10 f圆形截面分纤母丝和 240 D/8 f 三角形截面分纤母丝生产中螺杆各区及纺丝箱的温度控制情况，由于聚酯熔体在三角形截面喷丝孔中流动时，其流动阻力远大于圆形喷丝孔，因此提高了螺杆各区的温度及纺丝温度，以降低熔体黏度，提高熔体在三角形截面喷丝孔中的流动性。

3.3.2冷却条件

在风速、风温、风压、风湿等冷却条件中，风速对纺丝过程的影响最大。当纺制分纤母丝的单丝纤度较大时，风速高于普通涤纶复丝。当然也不能过高，过高的风速会使纺程丝束扰动加剧（纺丝线上张力增大），不利于实现稳态纺丝。因此还要适当降低风温和提高冷却风的湿度，项目的侧吹风湿度控制在 80RH%。

3.3.3喷丝头拉伸比

分纤母丝的喷丝头拉伸比与一般复丝差别较大。生产 200 D/10 f圆形截面纤维时，聚酯熔体从喷丝孔的喷出速度为 47.5 m/min，喷丝头拉伸比为 20.2；生产 240 D/8 f三角形截面纤维时，聚酯熔体从喷丝孔的喷出速度为 32.7 m/min，喷丝头拉伸比为 27.5。由于喷丝头拉伸比比一般涤纶复丝低得多，而且纺丝过程又采取了缓冷措施，因此确保到达第 1 对热辊的初生纤维为低取向、无结晶结构，其拉伸性得到很大提高，为制取高强度纤维奠定了基础。

工艺上，通过调整不同热辊速度、牵伸比及热辊温度，能够得到不同强伸度和不同沸水收缩率的丝束。本项目生产的分纤母丝的纤度范围为 60 ～ 300 D，单丝纤度为 15 ～ 30 D，纤度CV值 ≤ 2%。

3.3.4第 1 喂入辊（热辊）速度

本项目中，第 1 对热辊的速度就是纺丝速度，纺丝速度将随决定纺丝机产量的卷绕速度的提高而相应提高。但在卷绕速度不变的条件下，随着纺丝速度的提高，纤维的强力降低，伸度增加，沸水收缩率降低。

3.3.5第 1 喂入辊（热辊）温度

第 1 对热辊的温度对纤维微观结构有很大影响，会影响纤维染色性能的均匀性和丝束的条干不匀率。第 1 对辊起喂入预张紧作用，以增加丝束与牵伸辊摩擦力，稳定拉伸点，同时又要将丝束加热到玻璃化温度；第 2 对辊将丝束拉伸，以获得高取向、高张力和低结晶效果；第 3 对辊将丝束充分结晶和定形。

3.3.6拉伸比

名义拉伸比由第 1、2、3 对热辊的速度控制。拉伸比分配及大小将决定拉伸过程的稳定性、纤维强度和均匀性。本项目的第 1 级拉伸（在第 1、2 对热辊之间进行）不仅完成了细颈过程，且使细颈部分进一步变细，即实际拉伸比要大于初生纤维固有的自然拉伸比。第 2 级拉伸（在第 2、3 对热辊之间进行）应使纤维再进一步发生均匀变细过程。

3.3.7拉伸温度

拉伸温度由第 1、2 对热辊的温度控制。拉伸温度的基本要求是要在玻璃化温度以上。第 1 级拉伸后纤维大分子发生了沿纤维轴向的取向，纤维玻璃化温度得到提高，因此第2 级的拉伸温度要高于第 1 级拉伸。拉伸温度过高将会减小纤维大分子间在拉伸过程中的内摩擦，影响纤维大分子的取向；拉伸温度过低，纤维形变困难，容易出现毛丝，从而影响纤维的力学指标。实际生产中第 2 对热辊的温度控制在 125 ～ 135 ℃。

3.3.8热定形温度

热定形温度由第 3 对热辊的温度控制，其温度越高成品纤维的沸水收缩率越低。温度偏高会出现丝条抖动，断头率增加，温度偏低会出现染色不匀。实际生产中其温度控制在 130 ～ 150 ℃。

3.3.9超喂卷绕

本项目为了提高热定形效果，在第 3 对热辊和卷绕辊之间给予了一定的超喂。如 200 D/10 f圆形截面分纤母丝的超喂率为 4.6%，240 D / 8 f三角形截面分纤母丝的超喂率为 3.9%。即将第 3 对热辊上的定长热定形与离开第 3 对热辊瞬间的控制收缩热定形相结合，更有利于提高热定形效果，使产品纤维的结构及尺寸更加稳定。另外适当的超喂也有利于纤维的卷绕成形。

3.4单丝物理指标（表 1）

4结语

当前，国内单丝生产与国外相比，还存在着使用原料单一、品种不全、高性能技术开发少等差距。一些单丝后加工中，如韩国鲜于公司的分丝整经技术、日本爱机公司 TH211 B单丝加弹技术、KA ST单丝加弹分丝技术在国内均属空白。未来应立足于现有的涤纶分纤母丝纺丝设备和工艺技术，不断优化现有生产工艺，开发出分纤母丝及单丝的系列化产品，使其在装饰、家纺等领域得到更加广泛的应用，不断满足不同用户对各种规格纤维品种的要求。