第五章纺部机械设备
化学纤维可分为两大类：再生纤维和合成纤维。再生纤维是用天然高分子化合物为原料，经化学处理和机械加工而制得的纤维；合成纤维是用石油、天然气、煤及农副产品等为原料经一系列化学反应，合成高分子化合物，再经加工而制得的纤维。
纺部又可以分为短纤纱纺部和长丝纺部，短纤纱纺部使用的纺织机械有：开清棉机械、梳棉机械、牵伸机械、卷绕机械、气流输送机械等。长丝纺部主要是化纤原丝和真丝的制取。因为我国南方使用化纤纺部较多，本书以化纤纺部的设备为主介绍。
化学纤维常用纺丝设备一般可分为湿法纺丝设备和熔融纺丝设备二大类。 湿法纺丝，简称湿纺。湿纺包括的工序是：(1)制备纺丝原液；(2)将原液从喷丝孔压出形成细流；(3)原液细流凝固成初生纤维；(4)初生纤维卷装或直接进行后处理。设备由于品种不同设备也不同，即使同一品种，也由于溶剂不同，腐蚀性不同，设备使用的材料也不相同，因而较难相互通用。
熔融纺丝法又分为聚合法、共混纺丝法、皮芯复合纺丝法；采用后整理聚合技术也可使纤维具有变色性能。例如，将纤维或织物用含毗喃衍生物的单体浸渍，单体一般为苯乙烯或醋酸乙烯酯，单体在纤维内进行聚合，使纤维具有光致变色性。熔融纺丝设备大部分都可以通用，且纤维性能优良，产量大，设备的加工速度高，因而发展更快。作为主机设备的熔融纺丝机已实现高压高速纺丝，替代了过去的常规低速纺丝。纺丝三大关键设备螺杆挤压机、计量泵和喷丝板已有多家专业厂生产。 第一节 聚脂切片的干燥设备
一、聚酯切片的干燥的目的
㈠．除去切片中水分 微量水分的存在会大大加速高聚物在熔融纺丝过程中水解，使高聚物分子量降低。同时，由于水在高温下汽化，被熔体夹带而出喷丝孔，会形成气泡丝而造成纺丝断头或毛丝，不但降低纺丝质量，严重时更会使纺丝无法进行。
㈡．提高软化点 聚酯熔体要在水中急剧冷却，得到的切片是无定形结构。这种切片软化点很低，如用这种切片纺丝，则在进人螺杆挤压机后很快软化变粘，造成“环结”阻料使生产中断。而经过干燥的切片会形成部分结晶，使软化点大大提高。
干燥设备还应符合干燥速度快、能耗低、操作方便、设备制造容易和运转安全、设备价格便宜等要求。
㈢、干燥原理
切片干燥是一种固体粒子的干燥，就是要除去粒子外部和内部的水分。涤纶切片的外部水分只是切片表面和表层的非结合水分，去除这部分水分的过程一般属于等速干燥，干燥速度取决于提供的热量和蒸发作用。由于涤纶切片的内部水分必须先从内部扩散到表面，然后再蒸发，故干燥速度取决于扩散速度，而扩散速度又取决于温度和气流与切片的湿度差，这种水分称为结合水分。 二、干燥设备
为了达到上述干燥目的，可以选择各种各样的干燥设备。目前国内外应用较多的有下列几种；真空转鼓干燥机、回转圆筒干燥机、沸腾干燥设备、充填干燥设备和联合干燥设备等。用得较为广泛的有真空转鼓干燥装置和沸腾结晶充
填干燥装置。
1、 真空转鼓干燥装置 真空转鼓干燥装置发展比较早，这种设备主要由转鼓及其传动系统、真空系统和加热系统组成，如图3—1所示。
图5-1 转鼓
转鼓是一个内衬不锈钢的圆筒（见图5-1）。外面有加热夹套，可通入热油、联苯或饱和水蒸气等加热介质。转鼓两端有轴和轴承，用支架支承，为了使转鼓转动，轴上装有齿轮，电动机经过减速器来传动。为了防止切片磨损产生过多的粉末，转鼓转速不宜过快，一般为4r／min左右，转鼓采用倾斜式装置，使转鼓内的切片能借自重沿鼓壁翻动，不需安装搅拌器，而且便于出料，转鼓的倾斜角为20”～30“。
图5-2转鼓加热部分的轴头结构
切片干燥除需加热外，还应在高真空的状态下进行，才能防止高温下的氧化裂解。加热管道和真空管道是通过转鼓的两端轴通人夹套内和转鼓内的。图5-2为转鼓加热部分的轴头结构，图5—3为真空部分的轴头结构。
图5-3为真空部分的轴头结构
真空转鼓机在操作时，先将切片送入鼓内，接着抽真空，同时开动转鼓马达，使转鼓转动，然后在夹套内通人蒸汽，对切片进行加热。出料前要停止加热，使转鼓冷却一定时间，防止切片出料时由于温度过高而发生氧化。干燥后的切片应避免再与空气接触而回潮，一般是密封在特制的干切片贮桶中贮存或采用密闭的气流输送装置。
2．沸腾结晶充填干燥设备 以把预结晶和主干燥分开进行工艺控制为特征而设计的沸腾结晶充填干燥设备获得了广泛的应用，它特别适应于聚酯切片的干燥。这类设备又可分为间歇式和连续式两种。
第二节 纺丝卷绕设备
聚酯纤维的生产采用熔融纺丝方法，即把具有一定聚合度的成纤高聚物（聚对苯二甲酸乙二酯）加热熔融成具有一定粘度和压力的熔体，经精确计量喷丝成形，然后在恒温恒湿条件下固化。因而其纺丝成形过程是加热熔融一喷丝成形一冷却固化的过程。
经过干燥的聚酯切片呈半结晶状态，熔融温度常有一个波动范围（5～10℃之间），但分解温度高于熔融温度，故可以采用速度较高的熔融纺丝法。
聚酯纤维的纺丝工艺流程可分直接纺丝或切片纺丝两种。直接纺丝是把聚合釜中的熔体直接送到纺丝箱中纺丝成形，省去了铸带、切片、干燥及再熔融的工序。而切片纺丝工艺流程虽然较长，但是聚合和纺丝分开控制，互不干扰，纤维质量容易保证，可以单独建立纺丝厂，调换品种较方便，适合于中小型合成纤维厂的生产。
一、 熔体纺丝液的制备与设备
从20世纪50年代开始，开发应用了螺杆挤压纺丝，到了60年代，已得到了广泛应用，目前，螺杆挤压机已经系列化生产。
螺杆挤压机有单螺杆和多螺杆之分，现代生产中熔融纺丝大多采用单螺杆挤
图5-4卧式螺杆挤压机
压机。单螺杆挤压机可分为卧式和立式两种，见图5-4、图5-5。
图5-5立式螺杆挤压机
卧式挤压机中，螺杆和套筒是水平安装的，装拆和维修较方便，但螺杆为一悬臂梁，挠度较大，螺杆头部易磨损。而立式挤压机的螺杆和套筒垂直安装，不易变形，占地面积较小，但需要较高的厂房，减速箱密封要求高，装拆和维修较麻烦。因此，卧式挤压机应用较广。
1．挤压过程 切片在挤压机中熔融挤出，是一个从常温固态转化为高温粘流态的挤压过程，因而挤压机要同时完成加热熔融和挤压输送的作用，所以它既是加热器，又是熔体输送泵。
物料沿着螺杆的螺槽向机头方向前进，经历着温度、压力和粘度的变化，由玻璃态、高弹态转变成粘流态。按物态的不同，把螺杆长度分成加料段、压缩段和计量段三部分。
螺杆挤压机是由螺杆与套筒，加热与冷却装置以及传动系统等组成。其中，螺杆与套筒是关键零件，其类型、结构尺寸、材料与热处理质量、加工制造与装配精度均会影响产量、功率、熔体均匀性等挤压机的主要性能。
2．螺杆与套筒
⑴螺杆 螺杆的类型可分为单头与多头，渐变与突变，有无混炼头等。聚酯纤维的纺丝螺杆一般选用单头渐变螺杆，在压缩段螺槽变化规律是螺距相等而螺槽深度逐渐变浅。这种类型的螺杆，适用于从高弹态到粘流态范围较宽且熔体粘度较高的聚合物纺丝，加工方便，工艺易控制。
图5-6 螺杆
a、突变螺杆 b、渐变螺杆
螺杆直径D是指螺杆外径的名义尺寸，也是挤压机的特征尺寸，为了适应
生产需要，已经系列化。我国的螺杆直径系列为45、60、65、80、90、100、110、120、150等（单位均为mm）。
图5-7 螺杆结构
⑵套筒。套筒是一个加热的高压容器，又是支承挤压机加热器、传动箱与出料熔体管道连接的机架，与螺杆配合完成对物料的加热熔化和挤压输送作用。
图5-8 套筒的结构
⑶材料。工作时，螺杆受很大的载荷，套筒要经受很高的熔体压力，并且在高温下与物料直接作用，因而要求螺杆和套筒强度高，耐磨、耐腐蚀和热机械性能好。
3．加热方式 一般螺杆转速较低，热量主要依靠外界的电热器供给。电加热方式可分电阻丝加热和电感应加热两种。一般都采用电阻丝加热，干扰小，热容量大，效率高。
4．螺杆的传动
传动系统有两种形式：
⑴变速电动机一减速箱一螺杆。这是广泛采用的传动系统。
⑵常速电动机+机械无级变速器+减速箱 由于大功率的机械变速器结构复杂，应用较少。
5．挤压机的主要技术参数 挤压机的主要技术参数有温度、机头熔体压力、螺杆转速、产量、功率消耗等。 二、 纺丝成形与设备
纺丝成形工艺及设备是合成纤维生产过程中的关键。熔融纺丝按速度分有常规纺丝、高速纺丝及超高速纺丝，按纺丝熔体压力分有常压纺丝和高压纺丝之别。
高速纺丝也叫拉伸纺丝。当纺丝速度达到一定值时，纺丝过程中丝条受到很高的速度梯度和空气阻力的影响，获得相当高的大分子轴向取向（称为取向度），制得预取向丝。预取向丝物理机械性能稳定，染色性能均匀，而纺丝机产量可提高；后加工可省去单独的拉伸工序，将其合并到其他机器中，缩短了工艺流程，降低了生产成本。当纺丝速度提高到6000～8000m／min以上时，可获得全取向丝，无需后拉伸，一步法制得全取向丝。 ㈠、保温箱体
保温箱为一密闭容器，一般用8～12mm钢板焊接而成，每个纺丝部位有一个泵座，泵座与熔体分配管及箱壁焊成一体。泵座内装计量泵及纺丝组件。保温箱中有载热体加热，使通人计量泵、纺丝组件中的熔体在纺丝温度下完成喷
纺部机械设备
