喷丝板的设计

收稿日期:2006201215。

作者简介:王永恒(19752),男,甘肃武威人,助理工程师,工学学士,从事化纤、化工设备研究工作。

喷丝板的设计
王永恒,石彩杰,崔再治
(大连合成纤维研究所股份有限公司,辽宁　大连　116021)
摘要:介绍了熔融纺丝所用喷丝板的材质、喷丝板形状、熔体在喷丝孔中的流变特征,喷丝板微孔几何形状重要参数,喷丝孔排列方式,开孔范围及孔间距,喷丝板的厚度。

关键词:熔纺;喷丝板;设计
中图分类号:T Q340.5; 文献标识码:B 文章编号:100828261(2006)0320027204
近年来,合成纤维的开发和研究进入了一个新
阶段。

合成纤维品种规格差别很大,采用的纺丝机的形式及工艺条件也多种多样,而喷丝板作为纺丝机不可缺少的精密部件,其功能是将纺丝泵(或称计量泵)精确计量过的纺丝熔体通过喷丝板上的微孔喷挤出具有一定粗细和质地细密的纤维束。

它的形状及特征尺寸是保证纤维成品品质的重要条件。

1　喷丝板的材质
喷丝板工作状态相当苛刻,既要承受高温高压,
又要保证纤维的品质要求。

喷丝板的材质对其机械性能和使用寿命和周期有很大的影响。

通常材质的硬度越高,喷丝板的使用寿命就越长,但是其加工难度会加大,所以需选用耐高温、耐腐蚀以及具有优良机械性能的不锈钢为材质。

常用不锈钢有S US304,S US316L,S US321,S US431以及S US630,其特性如表1所示。

其中S US316加工性能好,耐腐蚀性好,熔融纺喷丝板多用S US316加工;S US630的机械强度较高,耐腐蚀性好,常用于制造耐高压的喷丝板。

表1　喷丝板材质的特性
Table 1　Properti es of sp i n neret ma ter i a l
牌号对照
A I SI (美国)
D I N (德国)J I S (日本)G B (中国)
3041.4301S US3040Cr18N i93161.4401S US304-316L 1.4304S US316L 0Cr18N i14Mo
3211.4541S US3211Cr18N i9Ti 4311.4057S US4311Cr17N i26301.4542S US6300Cr17N i4Cu4Nb
合金元素的质量分数/%
C ≤0.080.080.030.120.170.17Cr
18～2016～1816～1817～1915～1715.5～17.5
Mo -2～32～3---N i 8～10.5
10～1410～148～11 1.5～2.5
3～5Cu -----3～5Ti ---2～3--Nb /Ta
-----0.15～0.45机械物理性能
硬度
HB
130～180
130～180
130～180
130～180
HRC 26～35
HRC 28～44
磁性无
无
无
-有
有
抗拉强度/MPa
496～600496～600480～600490～600785～1370
840～1370
屈服强度/MPa 196205176205588785延伸率/%504550501414～22密度/(t ·m -3)7.97.957.957.97.77.75弹性模量E /GPa
197
197
197
197
204
209
　第19卷第3期　2006205　聚酯工业
　Polyester I ndustry
Vol .19No .3　May .2006　
2　喷丝板的结构
2.1　喷丝板形状
常用喷丝板为圆形,为适用于不同品种化纤纺丝场合,圆形结构又分为平板型、凸缘平板型、平板环型、凸缘环型等;也有矩形喷丝板,矩形喷丝板又分为凸缘矩型及凸缘凹槽矩型等,多用于孔数较多的短纤维纺丝。

2.2　熔体在喷丝孔中的流变特征
聚合物熔体为非牛顿流体,是黏弹性流体,在小孔中作黏性流动的同时,将发生弹性形变,而弹性形变的存在是纺丝不稳定的关键因素之一。

减小弹性形变的方法可归结为:
(1)减小熔体在小孔中的流动速度;
(2)提高纺丝温度从而降低熔体黏度;
(3)正确设计喷丝微孔的几何形状。

显然前2种方案并不可行,因为纺丝速度不能太低,纺丝温度不能过高。

只有第(3)种方案可行。

而几何形状中主要是微孔直径、长径比、导孔形状对熔体内弹性能的贮存及松弛程度有很大影响。

下面主要讨论微孔的几何形状中的几个重要参数。

2.3　喷丝板微孔的几何形状重要参数
2.3.1　微孔直径[1]
微孔直径计算公式为d
=2(4Q/πγR)1/3。

式中:d
为微孔直径,c m;Q为单孔流量,c m3/s;
γ
R
为孔理想剪切速率,s-1。

一般情况下理想剪切速率γ
R
如表2。

表2　喷丝板设计剪切速率范围
Table2　Sp i n neret desi gn shear i n g ra te scope 高聚物温度/℃γR/s-1
P A66275105
P A6285102～103
PET280104
PE250102～103
一般情况下,熔体黏度越高,微孔直径宜越大。

以下高聚物黏度由小到大依次是:聚酰胺、聚酯、聚丙烯,而纺相同规格产品时,三者喷丝板微孔直径由小到大依次应是:聚酰胺、聚酯、聚丙烯。

喷丝板微孔的设计还应考虑喷丝头拉伸比,熔体从喷丝板微孔挤出后,由于喷丝速度与卷取速度间的速度差,使熔体细流在沿运行方向的速度场中逐渐被拉长变细。

喷丝头拉伸比过小,丝束拉伸不足,条干不匀,影响产品染色性能;喷丝头拉伸比过
大,拉伸过度,会造成单丝断裂,形成毛丝,生产状况恶化。

喷丝头拉伸比R计算式为[1]:
R=πd20Vρ/4Q。

式中:Q为单孔吐出量,g/s;ρ为熔体密度,一般取1.18g/c m3;d0为喷丝板微孔直径,c m;V为第一导丝辊速度,c m/s。

喷丝头拉伸比一般控制在80～200,纺丝效果较好,生产涤纶F DY时,由于第一牵引辊速度较低,喷头拉伸比应小些,约80～100,而生产涤纶P OY 时喷丝头拉伸比应较大些。

2.3.2　微孔长径比
根据熔体在微孔中流动特性的分析可知,增大长径比有助于弹性能的松弛,减小出口处的压力和膨化,纺丝相对稳定。

选择长径比的原则是:
①熔体在孔道中的停留时间t3必须大于熔体的松弛时间(高速纺PET的松弛时间为10-3s)。

②必须考虑喷丝板的加工的可行性和清洗条件。

同样直径,微孔越长,加工和清洗越困难。

只有满足了上述2点,才可适当增大长径比(L/d
,L为微孔长度,d0为微孔直径)。

常见喷丝板的长径比列于表3。

表3　喷丝板的长径比
Table3　Sp i n neret slenderness ra ti o
高聚物喷丝板微孔长径比
聚酰胺2～4
聚酯2～4
聚丙烯5～10
2.3.3　导孔设计
喷丝板导孔形状有带锥底的圆柱形、圆锥形、双锥形、双曲线型和平底圆柱形等几种。

见图1[2]。

以带锥孔的圆柱形用的最多,因为加工方便。

圆锥角θ大小在60°～120°。

减小圆锥角,可缓和熔体的收敛程度,因此,常选用90°和60°的锥角。

圆柱形导孔直径d与小孔直径d
o
之比称为直径收缩比。

直径收缩比愈小,熔体在入口区获得的
弹性能就愈小。

但d/d
o
的值还与出口的稳定性有关,导孔越小,出口压力降波动越大。

当导孔直径d 大于2mm,出口压力降变化很小,故d值不能过小,常用d值为2,2.5,2.8,3mm等几种规格,常规长丝常用2mm导孔,短纤维用2.5;2.8;3.6mm等。

82　聚酯工业 第19卷　
图1　喷丝板导孔形状
F i g .1　Sp i n neret gu i de hole shape
在导孔基础上增开导槽的方式目前被广泛采
用,可以增加熔体势能和流动性,降低熔体在入口区获得的弹性能,
减少板前网和喷丝板背面的接触面,尽可能减小出现死角的可能性,同时也缩短了熔体停留时间,避免降解和炭化的产生。

导孔+导槽方式见图2。

图2　导孔+导槽方式
F i g .2　Gu i de hole and gu i de groove m ode
2.3.4　导孔及微孔制造精度
导孔及微孔的尺寸公差和光洁度对纤维成形的
过程和品质影响最大,微孔应与喷丝板平面垂直,微孔中心应与下导孔中心线重合;表面要经过梨面或镜面处理。

具体尺寸及公差值见表4。

表4　导孔及微孔制造精度
Table 4　M anufacture prec isi on of gu i de hole and m i crohole 导孔参数
主要尺寸
精度备注d /mm
2.0～6.0±0.02d o /mm
0.2;0.25;0.3
±0.001孔数
<4000.45
±0.005
孔数<4000.2;0.25;0.3
+0.010
-0.005孔数>4000.45
+0.015-0.005
孔数>400L /mm
1;2;5;14;30±0.025长丝1;2;5;14;30
±0.04短丝
θ/°
60±1.5t (板厚)/mm
12～40
±0.05
2.4　喷丝孔排列方式
可以归纳为5种主要方式:即同心圆形、正方形、菱形、一字形、分区均布等,见图3。

图3　喷丝孔排列方式
F i g .3　O r i f i ce arrange m ode
矩形板通常用直线形排列;圆形板的同心圆形排列应注意下面几个问题:
(1)各小孔的出液应均匀一致,因此所有小孔均匀地分组排列。

尽量避免采用密集式排列。

(2)每根单丝应能得到均匀冷却,所以要有足够的孔间距,外层孔的密度应比内层的稀,有利于冷风吹入内层,提高冷却效果。

(3)有足够的刚度,以避免加工喷丝板时发生
形变,保证在高温下具有足够的耐压能力。

采用分区排列,区与区的无孔带有加强筋的作用。

2.5　开孔范围及孔间距
开孔范围:
(1)同心圆中心圈直径应大于20mm ,末圈直径应比喷丝板的外径小20～30mm;
9
2第3期王永恒,等:喷丝板的设计
(2)孔间距
a .周向间距,可用下式计算:
t 0=
πD 0
n 0
≥5mm 。

式中:D 0为喷丝孔圈层直径,mm;n 0为每圈层喷丝
孔数。

b .圈层间距计算:
t D =12(D n -D 1
n -1
)≥4.5。

式中:D n 为末圈直径,mm;D 1为首圈直径,mm;n 为总圈数。

2.6　喷丝板的厚度正常操作条件下,熔体到达喷丝板上的压力为4MPa 左右,但在喷丝微孔堵塞时,压力可高达10MPa 以上,设计压力不同,喷丝板的厚度也不同,其厚度可用下式计算:
S =K D (mm )。

式中:D 为喷丝板直径,mm;K 为与材料及熔体有关的常数。

熔体压力与系数K 值(材料I Cr18Ti9Ti )见表5。

表5　熔体压力与K 值
Table 5　M elt pressure and the correspond i n g K va lue 熔体压力/MPa
4681015K
0.080
0.100
0.113
0.127
0.155
参考文献:
[1]　魏大昌.化纤机械设计原理[M ].北京:纺织工业出版社,
1991.
[2]　郭大生,王文科.聚酯纤维科学与工程[M ].北京:中国纺织出
版社,2001.
D esi gn of sp i n neret
WANG Yong 2heng ,SH I Cai 2jie ,CU I Zai 2zhi
(Dalian Synthetic Fiber Research I nstitute Co,L td .,Dalian 116021,China )
Abstract:The s p inneret material used in melt s p inning,the s p inneret shape,the rheol ogical behavi our of the melt in orifice,the s p inneret m icr ohole geometric i m portant indexes,the orifice arrange mode,the orifice opened scope and distance,the s p inneret thickness were intr oduced in detail .Key words:melt s p inning;s p inneret;design
(上接第18页)
表4　瓶级聚酯标准切片标准定值表
Table 4　St andard certi f i ca ti on va lue of bottle grade
polyester st andard ch i p
项目p 标准值S 总u
允差D 95
n =1
n =2
黏度/(dL ·g -1
)
20
0.86650.00070.00150.01240.0120端羧基/(mol ·t -1)2021.270.270.52 1.60 1.545w (二甘醇)/%200.9950.00340.0710.0510.048w (间苯二甲酸)/%20 1.7470.00310.00580.0620.059DSC 熔点/℃20248.380.2340.3630.5020.485w (乙醛)/10-6200.6460.0040.0050.1390.145结晶度/%
2053.90.0250.049 1.35 1.28L 值2089.880.1300.274 2.82 2.75a 值20-0.9440.0160.0310.1750.171b 值
20-1.9090.00920.0170.2610.253
7　结论
新的瓶级聚酯切片标准样定值项目包括特性黏度、乙醛、DSC 熔点、色值、间苯二甲酸、端羧基、结晶度、二甘醇等主要品质指标。

实验表明,新的瓶级聚酯切片标准样品均匀性、稳定性良好,定值数据准确可靠,满足瓶级聚酯切片的测试要求。

参考文献:
[1]　G B 1793122003,瓶用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET )树脂[S].[2]　BG8522003,瓶级聚酯切片定等质量指标[S].
Prepara ti on of reference ma ter i a ls of bottle 2grade PET ch i p
CHEN J in 2guo,HAN Chun 2yan,Z HOU J ian 2p ing,X I A L in 2m i,Q I A N L i 2qun
(M anufacturing Center of Bottle 2grade Resin of Yizheng Che m ical fiber Co .L td .,Yizheng 211900,China )
Abstract:For m the as pect such as reference material p r oducti on,evenness and stability test,reference material cer 2tificati on value etc,the p reparati on p r ocess of bottle 2grade PET chi p reference material were intr oduced .The results showed that the evenness and stability of ne w bottle 2grade PET chi p reference material was good,the cetificati on value data was accurate and reliable,the deter m inati on require ments of bottle 2grade PET chi p were met .Key words:PET ;bottle 2grade chi p;reference material
3　聚酯工业 第19卷　。