Wymagania dotyczące jakości poliestru i suszenia wiórów w przędzarce wysokoobrotowej

Wymagania dotyczące jakości poliestru i suszenia wiórów przy przędzeniu z dużą prędkością

1. Wymagania dotyczące jakości poliestru

Przędzenie poliestrowe można podzielić na dwa typy: przędzenie bezpośrednie ze stopu i przędzenie wiórowe. Różne stopione i wióry poliestrowe znacząco wpływają na jakość przędzenia i gotowych produktów. Warunki przędzenia i jakość POY (częściowo zorientowanej przędzy) są związane nie tylko ze względną masą cząsteczkową poliestru i jego rozkładem, właściwościami reologicznymi stopu i pojemnością cieplną wiórów, ale także z zawartością zagregowanych cząstek w wiórach, pozostałością z katalizatorów dodanych podczas polimeryzacji, zawartością popiołu, innymi zanieczyszczeniami mechanicznymi i właściwościami dodanego TiO2. Różne procesy przędzenia prowadzą do różnych sytuacji przędzenia, a tym samym mają różne wymagania dotyczące surowców. Przędzenie z dużą prędkością ma następujące wymagania dotyczące jakości poliestru:

1. Zawartość zanieczyszczeń mechanicznych i cząstek zagregowanych w poliestrze powinna być jak najniższa. W idealnym przypadku wartość wahań lepkości charakterystycznej stopu powinna być mniejsza niż 0,01, przy wartości środkowej pomiędzy 0,63 a 0,68, przy czym preferowana jest nieco wyższa. Wyższa lepkość charakterystyczna jest korzystna do wytwarzania dobrego POY, ale nadmierna lepkość może prowadzić do trudności w przędzeniu i zwiększonego włochatości.

2. Względny rozkład masy cząsteczkowej poliestru powinien być wąski, ze wskaźnikiem rozkładu α ​​małym (α < 2,2), a średnia względna masa cząsteczkowa powinna być umiarkowana. Większe α powoduje słabe tworzenie się przędzy, co prowadzi do włochatości i stapiania, wielu defektów i znacznych wahań lepkości przędzy innej niż olej i wytrzymałości włókien. Wyższa względna masa cząsteczkowa pozwala polimerowi wytrzymać wysokie napięcie podczas przędzenia, co jest korzystne. Jednakże, jeśli względna masa cząsteczkowa jest zbyt wysoka, długie łańcuchy cząsteczkowe mogą nie rozwijać się i prostować łatwo, co wymaga większej siły do ​​orientacji cząsteczek, co może skutkować niepełną orientacją. I odwrotnie, jeśli względna masa cząsteczkowa jest zbyt niska, krótsze łańcuchy cząsteczkowe mogą pękać pod wpływem napięcia podczas wytłaczania z dyszy przędzalniczej i rozciągania w celu orientacji. Dlatego średnia względna masa cząsteczkowa powinna być umiarkowana. Względna masa cząsteczkowa poliestru w dużej mierze determinuje wydajność włókien i ma istotny wpływ na warunki procesu przędzenia. Optymalny zakres względnej masy cząsteczkowej należy wybrać w regionie, w którym jest on najmniej wrażliwy na warunki procesu przędzenia i jakość produktu.

3. Skuteczność filtracji stopionego poliestru powinna być dobra. Wydajność filtracyjną stopu poliestru można opisać i określić za pomocą średniego spadku ciśnienia ΔP w ustalonym czasie G (w minutach) na powierzchni filtracyjnej S (w m²). Jego wartość A nazywana jest współczynnikiem filtracji, który wyraża się w następujący sposób:

Jeśli wartość A jest mała, oznacza to dobrą wydajność filtracji. Wióry o dobrych właściwościach filtracyjnych charakteryzują się stosunkowo stabilną fazą ciśnienia początkowego na wylocie filtra wstępnego, które następnie stopniowo maleje. Natomiast słaba wydajność filtracji nie wykazuje stabilnej fazy, a ciśnienie spada szybko, często liniowo.

1. Niska zawartość pyłu w wiórach
   Wysoka zawartość pyłu w wiórach może powodować silne przyklejanie się do dyszy przędzalniczej, przy czym w przypadku nowych dysz przędzalniczych zjawisko sklejania pojawia się już po 8 do 12 godzinach od użycia. Prowadzi to do pogorszenia procesu przędzenia, a nawet może skutkować przerwaniem włókien lub defektami bloków, skracając żywotność elementów przędzenia. Nagromadzenie kurzu może wypełnić boczne nawiewy okien, wpływając na prędkość i równomierność przepływu powietrza chłodzącego, powodując w ten sposób słabą jakość POY. Temperatura topnienia pyłu jest od 10 do 15°C wyższa niż w przypadku zwykłych wiórów, co utrudnia topienie w typowych temperaturach przędzenia. Ponadto pył zawiera znaczną ilość niestopionego materiału i cząstek zagregowanych, co pogarsza jego przędzalność. Dlatego zawartość pyłu w wiórach powinna być mniejsza niż 0,1%.

2. Minimalizuj zawartość żelu w chipsach.
   Zawartość żelu w chipsach powinna być jak najniższa, szczególnie eliminując stare żele. Żele to trójwymiarowo usieciowane poliestry powstałe w wyniku krakingu termicznego poliestru i nie mają wyraźnej temperatury topnienia. Na degradację termiczną poliestru wpływają takie czynniki, jak temperatura, czas przebywania i obecność tlenu podczas produkcji. Dlatego należy zminimalizować czas przebywania stopu podczas polimeryzacji i przędzenia, utrzymując niską temperaturę, jeśli to możliwe, jednocześnie minimalizując użycie pojemników i rur, które mogą prowadzić do degradacji polimeru.

Obecność żelu znacznie zwiększa pękanie podczas przędzenia, czego skutkiem są ciemne, długie włókna, które szybko powodują blokowanie filtrów wstępnych i komponentów. Żele mogą występować w trzech postaciach w składnikach przędzalniczych:

1. Delikatny żel : Ten rodzaj żelu przypomina stop w typowych warunkach przetwarzania i ma dobrą płynność. Jest to poliester o krótkim okresie generacji i niezbyt silnie usieciowany. Występuje w postaci mikrożółtej fluorescencyjnej cząsteczki zmieszanej z kawałkami poliestru, trudnej do rozróżnienia w świetle białym, ale widocznej w świetle UV. Jego obecność prowadzi do pękania przędzenia, zwiększonego wchłaniania barwnika przez włókna i gorszej wydajności filtracji. Drobne media filtracyjne nie są w stanie go usunąć, co niekorzystnie wpływa na proces wirowania.

2. Dojrzały żel : Ten żel ma dłuższy okres wzrostu i jest twardszy. W standardowych warunkach przetwarzania pozostaje zdeformowaną półstałą substancją, która w białym świetle wygląda żółtawo, a czasem brązowo. Jego obecność powoduje poważne pęknięcia i zwiększone wchłanianie barwnika przez włókna. Zwykle można go odfiltrować przy użyciu drobnego materiału filtracyjnego, ale szybko prowadzi to do zablokowania.

3. Stary żel : ten typ ma długi okres wzrostu i znaczne usieciowanie, co czyni go twardszym ciałem stałym bez kruchości. W świetle białym wygląda jak cząstki od ciemnobrązowych do czarnych, przypominające zwęglony materiał. Te tak zwane cząstki czarnego rdzenia, chociaż nie występują często, mogą poważnie zakłócić stabilność przędzenia i jakość produktu. Mogą one prowadzić do szybkiego zatykania filtrów wstępnych, zatykania otworów dyszy przędzalniczej i zwiększania defektów produktu, dlatego ich obecność jest niedopuszczalna.

4. Minimalizuj polimery wysokokrystaliczne Polimery
   wysokokrystaliczne to części poliestru, które mają temperaturę topnienia powyżej 280°C i krystaliczność większą niż 45% (w suchych wiórach). Mogą wyglądać jak białe rdzenie w mokrych wiórach i wykazywać fluorescencję w świetle UV. Tworzą się one, gdy zlokalizowany poliester pozostaje w temperaturze bliskiej topnienia (260°C) przez dłuższy czas podczas produkcji i przędzenia. Ze względu na ich wysoką temperaturę topnienia trudno je topić w typowych temperaturach przędzenia, potencjalnie tworząc delikatne lub dojrzałe żele w składnikach przędzenia, co prowadzi do pękania i szybkiego blokowania. Jeśli te składniki o wysokiej zawartości kryształów dostaną się do przędzy, mogą spowodować nierównomierne barwienie, nierówną wytrzymałość na rozciąganie i nierównomierne wydłużenie, w wyniku czego włókna ciągłe będą słabe i o niskiej wytrzymałości.

5. Minimalizuj pozostałości katalizatora
   Katalizatory estryfikacji i polikondensacji dodane podczas procesu polimeryzacji pozostają w stopionym poliestrze (wiórach), wpływając na zdolność przędzenia (skuteczność filtracji). Dlatego ważne jest, aby wybierać katalizatory metaliczne o minimalnym wpływie na przędzalność podczas polimeryzacji i oszczędnie ich używać, aby zmniejszyć ich wpływ na wydajność przędzenia. Obecnie tlenki antymonu (Sb2O3) są powszechnie stosowane jako katalizatory polimeryzacji w produkcji poliestrów w Chinach, przy poziomach retencji w zakresie od 2,0 do 4,5 ppm. Obecność antymonu może wpływać na kolor polimeru; wyższe poziomy mogą zmniejszyć wartość „L” (zwiększyć szarość), jednocześnie zwiększając zanieczyszczenia wewnątrz kapilar dyszy przędzalniczej, prowadząc do większego pękania podczas przędzenia i zmniejszonej przędzalności. Podczas przędzenia bardzo drobnych włókien istotne jest stosowanie wiórów poliestrowych o niskiej zawartości katalizatora, np. antymonu.

Zmniejszanie ilości katalizatorów takich jak antymon podczas polimeryzacji zależy od procesu i sprzętu, a także jakości i czystości katalizatorów, zwłaszcza Sb2O3. Ponieważ sam antymon i jego niekompletne tlenki (Sb2O5) nie mają działania katalitycznego, niska czystość Sb2O3 zawierającego znaczne ilości metalicznego antymonu i jego tlenków wymagałaby zwiększonego użycia w celu uzyskania tego samego efektu katalitycznego, podnosząc końcową zawartość antymonu w polimerze. Podobne problemy obserwuje się w przypadku innych katalizatorów, takich jak mangan i kobalt, zwłaszcza jeśli stosuje się katalizatory wapniowo-metaliczne, co prowadzi do bardziej znaczących osadów i większego wpływu na zdolność przędzenia.

1. Minimalna zawartość TiO2 spełniająca wymagania dotyczące nieprzezroczystości
   TiO2 negatywnie wpływa na wydajność wirowania, zwłaszcza gdy obecne są duże cząstki TiO2. Poprzednio dodatek w Chinach wynosił 0,5%, obecnie skorygowano go do 0,3%. Na arenie międzynarodowej do półmatowych wiórów poliestrowych zazwyczaj dodaje się TiO2 w ilości od 0,15% do 0,3%. TiO2 ma również dwa niekorzystne skutki: służy jako katalizator degradacji poliestru, sprzyjając jego degradacji podczas przędzenia, a jego agregaty są nierozpuszczalne w glikolu trietylenowym, co utrudnia czyszczenie stopionego filtra. Dodatkowo kluczowa jest wielkość cząstek stosowanego TiO2 oraz jego właściwości emulgujące i dyspersyjne w oligomerach glikolowych i poliestrowych. Jeśli wielkość cząstek TiO2 przekracza 0,3 μm lub łatwo agreguje w zawiesinie glikolowej, skutkuje to powstaniem cząstek TiO2 o wielkości większej niż 0,3 μm, co znacząco wpływa na przędzalność poliestru.

2. Zawartość glikolu dietylenowego.
   Zawartość na ogół mieści się w zakresie od 0,7% do 1,5%, przy czym preferowane są większe ilości. Glikol dietylenowy (DEG) jest produktem ubocznym reakcji binarnego alkoholu podczas polimeryzacji, powstającym w wyniku nadmiaru glikolu etylenowego, wraz z celowym dodatkiem w procesie kondensacji. Chociaż powstawanie DEG podczas polimeryzacji jest nieuniknione, właściwa kontrola warunków przetwarzania może dostosować jego poziom. Uważa się, że celowy dodatek DEG poprawia przędzalność i jakość końcowych włókien.

Ilość DEG w poliestrze faktycznie odnosi się do zawartości wiązań eterowych. Wiązania eterowe w DEG mogą zmieniać segmenty glikolu etylenowego w makrocząsteczkach poliestru, zwiększając w ten sposób liczbę wiązań eterowych. Ponieważ wiązania eterowe są grupami pochłaniającymi barwnik, mogą zwiększać wchłanianie barwnika przez włókna poliestrowe (które naturalnie zawierają bardzo niewiele grup pochłaniających barwnik). Tymczasem obecność wiązań eterowych zakłóca uporządkowany układ makrocząsteczek. Wiązania eterowe mają również dobrą polarność, wysoką entropię, a zatem mogą obniżyć temperaturę topnienia i zmniejszyć krystaliczność, odpowiednio zmniejszając wytrzymałość włókna. Jednakże wyższa zawartość DEG zwiększa wartość b (żółty odcień) wiórów poliestrowych, dlatego należy kontrolować tę zawartość. Co ważne, kluczowa jest jednolitość zawartości DEG. Jeśli ilość jest duża, ale brakuje jej jednorodności, może to w dalszym ciągu pogarszać zdolność przędzenia i konsystencję barwienia włókien. W idealnym przypadku zakres wahań powinien wynosić od 0,05% do 0,1%.

Dodatkowo wzrost wiązań eterowych obniża temperaturę topnienia wiórów poliestrowych i obniża stabilność utleniania cieplnego; jednakże nie wpływa to na stabilność termiczną w warunkach beztlenowych. Poliestry o wysokiej zawartości DEG wykazują gorszą krystalizację, co prowadzi do wolniejszej krystalizacji podczas przędzenia, co jest korzystne przy wytwarzaniu POY o niskiej krystaliczności i wysokiej orientacji, poprawiając jakość końcowego DTY.

1. Szczyty krystalizacji topnienia
   Proces przędzenia wiórów poliestrowych obejmuje wszystkie zmiany zachodzące podczas topienia, chłodzenia i kształtowania. Zdolność krystalizacyjna poliestru wpływa nie tylko na krystaliczność i orientację włókien, ale także na warunki przędzenia. Temperatura krystalizacji topnienia i wysokość piku na krzywej DSC są znaczącymi wskaźnikami zdolności poliestru do krystalizacji. Wyniki analizy termicznej sześciu różnych próbek przedstawiono w tabeli 10-2.

Z tabeli jasno wynika, że ​​przędzalność wiórów poliestrowych jest ściśle związana z ich temperaturą topnienia i krystalizacją oraz kształtem piku. Wióry o niższych temperaturach krystalizacji topnienia i szerszym, bardziej płaskim rozkładzie pików wykazują lepszą przędzalność; odwrotnie, wióry o wyższych temperaturach topnienia i ostro określonych kształtach pików wykazują gorszą przędzalność. Ogólnie uważa się, że wióry poliestrowe o temperaturze topnienia i krystalizacji około 170-180°C charakteryzują się dobrą przędzalnością. Jeśli charakteryzujemy przędzalność na podstawie wartości szczytowej, wióry o wartościach od 0,5 do 1,0 uważa się za lepsze, natomiast te poniżej 0,5 wykazują słabą przędzalność. Poliester topiący się, który krystalizuje zbyt szybko po opuszczeniu dyszy przędzalniczej, szybko tworzy struktury krystaliczne, komplikując równoległą orientację makrocząsteczek i powodując gorszą jakość włókna. W kolejnych procesach rozciągania wirowanie musi odbywać się w wyższych temperaturach, co zwiększa trudność odkształcenia. Podczas dalszego utwardzania cieplnego w wyniku szybkiej krystalizacji często powstają duże krystaliczne bloki o nierównej strukturze krystalicznej. Wszystkie te czynniki mogą prowadzić do niskiej jakości produktu końcowego. Dlatego korzystny jest poliester o niższej temperaturze topnienia krystalizacji i wolniejszej szybkości krystalizacji.

2. Wymagania dotyczące suszenia wiórów

Temperatura przędzenia w przypadku przędzenia z dużą prędkością jest zazwyczaj o 5 do 15°C wyższa niż w przypadku przędzenia konwencjonalnego. Zatem zawartość wilgoci w suchych wiórach do przędzenia z dużą prędkością musi być niższa, aby zmniejszyć hydrolizę stopu. Co więcej, podczas przędzenia z dużą prędkością, jeśli w stopie znajdują się nawet minimalne ilości wilgoci, powstałe pęcherzyki mogą zostać uwięzione w drobnym strumieniu stopu wyrzucanym z dyszy przędzalniczej, co prowadzi do latających włókien lub ukrytych defektów w pojedynczych włóknach, powodując włochatość lub pękanie podczas późniejszego rozciągania. Dlatego zawartość wilgoci w suchych zrębkach powinna być mniejsza niż 50 ppm, najlepiej poniżej 30 ppm. Wyższa zawartość wilgoci negatywnie wpływa na lepkość charakterystyczną stopu podczas przędzenia, pogarszając warunki przędzenia. Aby utrzymać dobry stan wirowania, zawartość wilgoci w suchych zrębkach musi nie tylko spełniać wymagania, ale powinna być również jednolita.

Podczas suszenia zrębków temperatura suszenia wpływa zarówno na wydajność, jak i jakość suchych zrębków. Temperatura suszenia musi zapewniać całkowite i szybkie odparowanie wilgoci, zapobiegając jednocześnie obniżeniu lepkości charakterystycznej zrębków lub żółknięciu odcienia w podwyższonych temperaturach. Idealnie podczas suszenia rzeczywista temperatura zrębków nie powinna przekraczać 160°C, a temperatura gorącego powietrza suszącego nie powinna przekraczać 185°C. Zwiększenie ilości powietrza suszącego i obniżenie jego wilgotności może pomóc w poprawie efektywności suszenia. Wybór temperatury i czasu wstępnej krystalizacji powinien być również dostosowany do różnych urządzeń i materiałów na wióry. W przypadku wiórów, które krystalizują szybko, należy stosować niższe temperatury i krótsze czasy wstępnej krystalizacji.