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芳纶1414长丝生产设备的研发

高占勇    邯郸纺织机械有限公司（中国）

摘  要：简要介绍了芳纶1414的性能特点和当前状况。结合两条比较成熟的芳纶1414长丝纺丝生产线流程，对芳纶1414长丝纺丝生产线的设备排布特点进行了分析。根据这些设备排布特点，介绍了芳纶1414长丝纺丝生产线上主要单元机的结构形式、结构特征及研发注意事项等。

关键词：芳纶1414，长丝，纺丝，生产设备，单元机

引  言
  芳纶1414是一种高性能纤维，具有高强度高模量、耐高温、耐酸碱、质量轻等优良性能。芳纶1414的比强度是钢丝的6倍，玻纤的3倍，高强尼龙工业丝的2倍；在200℃下经历100 h，仍能保持原强度的75%，在160℃下经历500 h，仍能保持原强度的95%。芳纶1414性能的缺点是压缩强度和压缩模量较低，耐潮湿和耐紫外辐射性差，表面与基体复合黏合性差。芳纶1414主要应用在先进复合材料、防护材料、橡胶增强材料、缆绳和光缆、工业织物、建筑结构加固材料、摩擦材料和密封材料等领域。目前，国外只有美国杜邦公司和日本帝人公司能够进行大规模生产。国内从20世纪80年代开始，先后进行过多次中试研究，积累了宝贵的工业化生产经验，但由于其工艺过程涉及聚合、纺丝、溶剂回收三大部分，工艺要求和控制也相当复杂，因此未见大规模批量产品上市。
        芳纶1414采用干湿法进行纺丝。干湿法纺丝的成形方法与干法相似，但其纺丝液的表现黏度与熔体相近，而纺丝孔的直径、喷丝头拉伸倍数则与湿法纺丝相当。目前，由于国内各芳纶1414长丝生产企业的生产设备和工艺要求不同，因此设备的排布形式也不尽相同。本文以两条比较成熟的芳纶1414长丝纺丝生产线流程为例，对各流程的设备排布特点进行了分析。根据这些特点，介绍了主要单元机的结构形式、结构特征及研发注意事项等。
1 、生产线流程及其特点
1.1 流程一
干湿法纺丝机—浸浴式水洗机—喷淋式水洗机—喷淋式碱洗机—喷淋式高温水洗机—多辊烘筒式烘干机—多辊烘筒式烘干机—摩擦式双面上油机—丝束卷绕机。
该芳纶1414长丝生产线主要由纺丝、水洗、碱洗、高温水洗、烘干、上油、卷绕等工序组成。成品长丝中每束丝的单丝数1 000根。纺丝机共12个纺丝位，每两个纺丝位的间距为350 mm。生产线的最高工艺速度走为400 mm。每条生产线的产为450 T/a。该生产线的设备特点为：
    —辊体的空间排布采臣平行辊形式；
    —同时采用了浸浴式水洗喷淋式水洗两种水洗方，浸浴式水洗为初步水洗，喷淋式水洗为高效水洗，丝束整体水洗效果好；
    —为确保丝束的烘干效果，采用了两台多辊烘筒式烘干机，由于各烘干辊的轴心是相互平行的，因此这种烘干方式的烘干效率较低，设备占地空间和能耗比较大；
     —纺丝机和浸浴式水洗机之间没有专门配置张力机或牵引机，从纺丝机出来的丝束的牵引是靠浸浴式水洗机上的轧车来完成的。
1. 2 流程二
干湿法纺丝机—打结器—牵引机一两辊喷淋水洗机——两辊喷淋式碱水洗—两辊烘筒式烘干机—油盘浸油式上油机—丝束卷绕机。
    该芳纶1414长丝生产线主要由纺丝、水洗、碱洗、水洗、碱洗、烘干、上油、卷绕等工序组成。成品单丝的线密度为1. 6-2.5 dtex，成品长丝中每束丝的单丝数为1 000根。纺丝机共12个纺丝位，每两个纺丝位的间距为400 mm生产线的最高工艺速度为500 m/min。每条生产线的产量约为500 t/a。生产线显著特点有：
 —辊体的空间排布采用了倾斜辊形式，两根辊为一组，其中一个辊为倾斜辊；
 —丝束洗涤采用水洗和碱洗交错进行的方式，喷淋式水洗机使用的洗涤液为30℃去离子水，第一喷淋式碱洗机使用的洗涤液为30℃、质量浓度为1%的NaOH水溶液；第二喷淋式碱洗机使用的洗涤液为30℃、质量浓度为内o. o5%的NaOH水溶液；
 —由于两根烘干辊的轴心线不平行，因此这种烘干机的丝束烘干过程实际上上是丝束在两辊间多次缠绕的过程，这种烘干机的烘干效率比较高，设备占地空间和能耗比较小；
 —纺丝机和牵引机之间配置了一台打结器，用于生头时初生丝和牵引丝的打结。正常开车时打结器不工作。
 控制精度很高。电气方式为：工控机+可编程逻辑控制器(PLC)+伺服控制器，通过总线控制。
2 单元机的研发
 为生产优质的芳纶1414长丝，除应具备科学合理的生产线流程和生产工艺外，还必须有结构合理、性能可靠的单元机做支撑。单元机的结构形式、各项性能都必须：与生产线的具体流程相适应。
2.1 干湿法纺丝机
 干湿法纺丝机是芳纶1414长丝生产线上最重要的单元机之一，用于将纺丝原液以10 MPa左右的压力输入原液管，通过各支由纺丝计量泵输入喷丝头，从喷丝头小孔喷出，经气隙和凝固浴被拉伸并凝固成丝，再经过加速器进入浴槽，送往下道工序进行水洗、碱洗、烘干、上油、卷绕等工序。
 干湿法纺丝机一般由机架、防护窗、纺丝、加速器升降、浴槽、辅槽等部件组成。机架由型钢焊接而成，外表面应进行喷塑处理，机架上的操作平台四周必须设有护栏，以保证操作者的安全。由于空间限制，防护窗应设计成水平滑动式，窗玻璃选用聚碳酸酯板即可。
 纺丝部件一般由减速电机、计量泵泵、原液管路、喷丝组件、加速器、热水保温管路等部件组成。减速电机一般配同步电机，也可配伺服电机。减速电机通过联轴器拖动计量泵（根据需要，可在计量泵的前后设置压力和温度传感器），计量泵外面应带保温套。为保证纺丝原液的温度（最高90℃），原液管路和喷丝头等应采用热水保温夹套结构。每个加速器包括一套完整的凝固浴盘、凝固管（凝固管内设有喷嘴，高速喷射的凝固液拉动丝条达到需要的速度）及其延长部分。每个凝固浴盘一般都有单独的凝固浴液平衡支路，目的是为了保持凝固浴液面的水平。
 每个加速器都必须配备上下可移动（采用气缸或油缸驱动）的支架，以便调节喷丝板下缘与加速器顶部的距离，使其达到合适的纺丝气隙高度。此外，前后方向也应能手动平移，以便更换纺丝组件。
 浴槽部件一般由支架、浴槽、废丝罐等组成。浴槽位于较低位置，沿整台纺丝机布置， 用于收集使用过的凝固液。凝固液流至浴槽下游进入过滤器箱内，然后返回凝固液供给系统。开车时，操作者用水吸枪吸住丝条穿过导丝器，废丝及混入的空气从水 吸枪的出口软管排出。辅槽部件一般由混合罐、冷冻槽、冷冻机、流量控制、浓度及温度控制装置等组成。
 就设备材质而言，与纺丝原液接触管件、仪表的材质必须能耐质量分数大于99. 5%的浓硫酸，与凝固液接触的零件、管件仪表的材质必须能耐质量分数为10%左右的稀硫酸。
    芳纶1414长丝干湿法纺丝机的研发难点主要有：高浓度、高黏度、高腐蚀性纺丝原液的过滤和计量技术；高速纺丝技术；多部位多孔纺丝技术；纺丝原液管路的防渗漏技术等。
2.2  水洗机和碱洗机
 芳纶1414长丝生产线上常用的水洗机一般分为浸浴式水洗机和喷淋式水洗机两类。根据实使用情况，与浴液接触的零件的材质可以为316L不锈钢或聚氯乙烯。丝束必须在水洗过程中灌彻底，如果水洗不彻底，残留的硫酸就会导致烘干后的纤维在过放置过程中产生降解。
浸浴式水洗机一般由浴槽车等组成，结构比较简单，水洗温度不高于50℃。
 喷淋式水洗机一般由机架、传动、导丝辊、水槽、喷淋、密封排风等多个部件组成，结构比较复杂，但是水洗效果比浸浴式水洗机好。喷淋式水洗机大多采用丝束双面强制喷淋水洗方式。根据工艺要求和结构形式，喷淋式水洗机一般分为多种，如常温喷淋式水洗机（水温不高于50 0C）、高温喷淋式水洗机（水温约为80℃）、两辊喷淋式水洗机等。由于丝速很快，因而每台喷淋式水洗机的水洗时一般只有几秒钟。所用的洗涤必须是去离子水。
对于每一种芳纶1414长 丝生产线而言，其碱洗机的结构、材质、外观、洗涤时间等一般与其喷淋式水洗机的结构、材质、外观、洗涤时间等完全相同，表面看根本没什么区别，也就是说， 碱洗机和喷淋式洗机是同一种设备，仅使用的洗涤液不同而已。因此，在进行碱洗机或喷淋式水洗机应从材质选取方面综合考虑零件的耐酸碱性能。
2.3  烘干机
在芳纶1414长 丝生产线上，烘干机分为多辊烘筒式烘干机和两辊烘筒式烘干机两类。这两类烘干机都是由传动箱、烘干辊、传动系统、润滑系统、密封排风系统等组成，主要用于 降低纤维的含水率，并消除纤维内应力。烘干辊的结构分为虹吸式结构和夹套式结构两种，辊体应采用不锈钢材质，而且外圆面镀硬铬，辊与轴之间多为法兰式连 接。烘干辊的加热采用饱和水蒸气加热或热油加热两种加热方式，辊面工作温度一般为130～170℃o
多辊烘筒式烘干机的结构为常规结构，与紧张热定型机类似。两辊烘筒式烘干机的烘干辊 排布形式为倾斜辊式（两根烘干辊位于同一水平面上，其中一根辊为水平倾斜辊）。烘干机常出现的问题有：辊面跳动严重；辊面温度无法升高；辊与轴的连接处渗 漏，密封圈容易失效；旋转接头抖动严重。因此，就烘干机的研发而言，需要合理选择辊体的跳动公差、安装法兰的厚度、辊与轴之间的密封方式轴的同轴度公差 等。
2.4  上油机
摩擦式双面上油机通常由碳钢机架、电机驱动的不锈钢上油辊和导丝辊（各辊的外圆面应镀硬铬）、油剂循环系统等组成。芳纶1414丝 片的两侧各有一套上油辊和导丝辊，而且丝片的行进方向与上油辊的转向相反，然而在聚丙烯维原丝生产线和聚酰亚在聚丙烯腈基碳纤维原丝生产线和聚酰亚胺长丝 生产线上，摩擦式双面上油机中上油辊的转向与丝片的行进方向相同。上油辊转动时的辊面速度可以比丝速稍慢，然而导丝辊转动时的辊面线速度必须与丝速相同。
油盘浸油式上油机通常由碳钢机架、上油盘、油剂循环系统等组成，结构比较简单。
此外，在芳纶1414长丝生产线上比较常用的上油机还有复合上油机（丝片上侧用喷油管喷油，丝片下侧用上油辊摩擦上油）、油嘴喷油式上油机。
丝片从这三种上油机上水平经过时，运行的路径都为直线，由于丝片不与机件接触或接触很少，因此丝片几乎不受损伤。
2.5  打结器
打结器的打结是通过专用打结装置将一束牵引丝与过丝进行打结，然后由吸枪将废丝回 收。打结器通常由机架、传动装置、防护窗、打结装置等呈组成。机架主体为碳钢焊接结构，机架操作面必须贴一层不锈钢面板，以防止酸液腐蚀机架。传动装置主 要由电机驱动的不锈钢主动辊和气缸驱动的橡胶压辊组成，不锈钢主动辊外圆面上可喷涂陶瓷，橡胶压辊上的橡胶层必须耐酸。防护窗主要由碳钢支架、不锈钢拉 窗、无杆气缸等组成，不锈钢拉窗的升降依靠无缸驱动，为了减轻的质量，拉窗玻璃可采用聚碳酸酯板。打结装置一般为外购的配套件。打结器除必须满足使用要求 外，还应使外观美观。
2.6  牵引机
通常由碳钢机架、传动装置、防护窗等组成。机架、牵引辊以及防护窗的结构形式、质、防腐措施、产品外观等方面最好与打结器相同。根据生产线流程二(1.2节)的特点，牵引机的传动装置主要由两根不锈钞引辊、咸速电机等组成。两根牵引辊位于同一水平面上，其中一根辊为水平倾斜辊。根据欧拉公式当丝片在两个牵引辊上反复缠绕圈后，丝片将不再打滑，从而形成足够牵引力。此外，倾斜辊的倾斜角度最好可以调节。
结   语
进入2 1世纪以来，随着国民经济和国防现代化建设 的快速发展，我国对芳纶1414的需求呈现出持续增长的态势，市场供不应求。同时，国内也涌现出许多从事芳纶1414生产的企业。目前，我国芳纶1414 长丝产业化技术基本成熟，应用研究也取得重大突破，许多大型化纤企业已开始成为芳纶1414长丝产业化的主体。但同时也应该看到，国产芳纶1414长丝生 产设备的结构和性能还有待提高，因此，国产芳纶1414长丝生产设备的研发工作任重而道远，应紧密结合纤维的具体生产工艺要求，不断提高研发水平和制造能 力。 

参考文献：
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