丙纶短纤维、丙纶膨体长丝装置简介和重点部位及设备
一、装置简介
(一)装置发展及其类型
1．装置发展
聚丙烯纤维在我国简称“丙纶”。丙纶短纤维和丙纶膨体长丝是聚丙烯纤维的两个主要品种。
1954年Ziegler和Natta发表了等规聚丙烯的制造专利(即有名的Ziegler—Natta催化剂)之后，于1957年由意大利Mantefibre公司实现了聚丙烯纤维的工业化生产。以后，英国、美国相继开始生产等规聚丙烯短纤维。1960年意大利开发的商品名为Meraklon的纤维，其产量较大。1970年后，又开发出针滚原纤化和压制凹凸条痕生产纤维的方法。1971年，西班牙首先采用短程纺设备使丙纶生产设备大大简化，更加快了聚丙烯纤维的发展。例如，纤维级聚丙烯树脂生产工艺的改进与产品的系列化；丙纶改性产品的出现；丙纶原液着色、色母液染色、分散性染料染色等技术得到发展；并且还发展了短程纺设备、一步法BCF纺丝机、空气变形机与复合变形机等聚丙烯纤维加工设备；尤其是非织造布的出现，使丙纶向产业用布方向发展，如土工布、复合建材、地毯、绳索、渔网、过滤材料等。故丙纶的开发与应用有着广阔的前景。
2．装置的主要类型
等规聚丙烯是一种典型的热塑性高聚物，可以熔融加工成为各种用途的制品。工业生产辆纶的纺丝方法一般有两种，即一种是熔体纺丝法，一种是膜裂纺丝法。
聚丙烯熔体纺丝法，与聚酯纤维、聚酰胺纤维加工方法一样，可以用熔体纺丝加工制得长丝和短纤维。但由于成纤聚丙烯具有较高的相对分子质量和较高的熔体黏度，故需采用高于聚丙烯熔点100℃左右或更高的挤出温度(熔体温度)，才能使其熔点具有必要的流动性别顺利地进行纺丝加工。若纺制长丝，卷绕丝收集在筒管上后，经热板或热辊将初生纤维拉伸至4—8倍，然后即在同一台机器上用热板或热辊再一次加热至所要求的温度，将拉伸纤维进行热定型，使纤维收缩至预定的长度。若纺制短纤维，则采用500孔或更多孔数的喷丝孔，初生纤维经喷丝丝束成几十万至几百万分特的丝束，在蒸汽箱中于100-130℃下拉伸，其拉伸倍数较长丝为低，通常仅为3-4倍。拉伸后进行卷曲，然后再进行松弛热处理，最；后经切断成为棉型或毛型短纤维。
聚丙烯膜裂纺丝法，是一种较熔体纺丝法投资少、可更方便廉价地将聚丙烯加工成纤维的生产方法。其特点为生产工序简单、消耗定额低、产量高，且对原料要求不高，甚至聚合物中填充有40％的有机物时，仍能进行膜裂加工。其成形方法有2种，一种是通过挤出机或吹塑机将聚丙烯聚合体挤出或吹塑得到聚丙烯薄膜，然后通过具有一定间隔的刀具架，切割得到2．5—6mm宽和20-50μm厚的单轴拉伸的扁丝(或扁条)，细度约为1lOtex左右，这种扁丝(或扁条)就叫割裂纤维，又称切割纤维；另一种为撕裂纤维(或称原纤化纤维)，是将聚丙烯聚合体挤出或吹塑得到的薄膜，经单轴拉伸，使聚合物大分子沿拉伸方向取向，然后对薄膜施以外力，即通过针辊或齿辊等破纤装置，将薄膜开纤，再经物理、化学或机械作用，使开纤薄膜进一步离散而制成纤维网状物或连续长丝。
本节以聚丙烯熔体纺丝法为例，对丙纶短纤维和丙纶膨体长丝的安全技术加以阐述。
(二)单元组成与工艺流程
1。丙纶短纤维装置
(1)单元组成
①纺丝单元。聚丙烯短纤维的纺丝单元是主要生产单元，其设备和聚酯、聚酰胺纤维相仿，设备包括有螺杆挤出机、纺丝机等。纺丝机内有纺丝机箱体和喷丝头。螺杆挤出机采用电加热方式，纺丝机箱体采用热油或热媒加热方式。结晶的聚丙烯片状料在螺杆挤出机内被加热熔融，并以恒定流动的形式，在保持熔体压力的情况下受定向挤压出机头，再进入纺丝机箱体分配管，经喷丝头孑L连续地纺出丝条，再转入喷丝拉伸(在蒸汽箱中加热拉伸)，第一次拉伸倍数为3．9—4．4倍；然后经过带有一定温度、湿度的冷却风的冷却、固化后，转入下道生产工序加工处理。
②卷取单元。卷取单元又可称卷绕单元。从此单元起到切断打包成为成品出厂人库前，均属于后处理加工生产工序。卷绕单元是将从纺丝单元而来，经过第一次喷丝拉伸成形的聚丙烯初生纤维丝束，先上油，再由卷绕机卷绕、合股，送入拉伸单元进行定向拉伸。
③拉伸单元。该单元是丝束经过喷丝拉伸后对初生纤维的再一次拉伸(亦称二次拉伸)的专门设施。初生纤维在受热的情况下，使其第二次拉伸倍数达1．1～1．2倍，最后总拉伸倍数棉型为4．0—4．6倍，毛型为5．0—5．5倍(可按生产要求调整)，然后通过卷曲机卷曲使纤维具有卷曲性，以提高其可纺性，再转入下步松弛热定型处理工序。
④热定型单元。热定型单元是采用热板或热辊将经二次拉伸成形后的聚丙烯纤维，再加热至要求温度，除去一定的水分，调整分子结构使之趋于稳定，按棉型或毛型短纤维不同⑤切断打包单元。切断打包单元是丙纶短纤维装置末道生产单元。该单元是将经卷曲、热定型处理后的纤维，经由切断机切成一定长度的短纤维，再通过皮带输送机进入打包机，以一定的重量打包，将成品入库或出厂。这样，便完成了整个丙纶短纤维装置的全过程生产作业。
(2)工艺流程
①流程方框图
工艺流程方框图如图6—10所示。
②流程叙述
由聚丙烯装置来的聚丙烯切片料喂入料斗，加入添加剂与切片共混后，送人单螺杆挤出机。挤出机螺杆为单头螺纹、等螺距，并按加料段、压缩段和计量段三段分布，长径比为L／D20—26。混合后的聚丙烯切片和添加剂物料，在螺杆挤出机螺杆的压缩段加热熔融、挤压压缩和推进流动下，流体在计量段内保持恒定流量和熔体压力，使聚丙烯熔体被挤出并进行熔体过滤后，进入纺丝机。在纺丝机里，聚丙烯熔体通过纺丝箱体分配管进行熔融分配后，进入有无数细孔的喷丝板，将熔体集束成特细的丝束，完成纺丝成形(通过环形内冷却后成形为初生纤维)。
丙纶短纤维加工需要将纺丝成形后的初生纤维进行二次拉伸。因此，成形丝束需先进入蒸汽箱中进行边加热边拉伸(第一次拉伸)。经第一次拉伸后的热丝束再转入卷绕机，通过上油盘先上油后卷绕、合股，然后进至辊牵伸机和导丝机作第二次丝束拉伸，使纤维的总拉伸倍数达到生产产品的要求。
在总拉伸倍数达标后的丝束进人张力调整架进行张力调节，再送卷曲机内卷曲和在烘干定型机中作热定型处理。热定型之后转入定型槽予以张力消除，再进切断机，按不同产品要求(棉型或毛型纤维)将纤维切成短纤维。最后送自动打包机打包成成品出厂、入库。
2．丙纶膨体长丝装置
丙纶长丝的缩写代号为BCF，所用的设备是将几道生产工序联系在一起，并组装在一台主机上完成整个纤维加工生产过程。故此生产工艺被称为连续一步法制取弹力丝工艺。
(1)单元组成
①纺丝单元。与丙纶短纤维装置基本相似。
②拉伸单元。该单元是将未拉伸丝(UDY)经拉伸变形并转入网络加工成BCF长丝。
③卷绕单元。此单元是丙纶膨体长丝装置最后一道生产工序。通过拉伸后的BCF长丝或由网络加工成膨体长丝，进入卷绕机卷绕成丝筒，然后落料装箱包装入库。
(2)工艺流程
①生产流程图
膨体长丝生产流程见图6—11。
图6—ll膨体长丝生产流程图1一螺杆挤出机；2一计量泵；3一纺丝组件；4一纺丝仓；5一上油盘；6一第一牵伸辊；7一第二牵伸辊；8一空气变形箱；9—冷却鼓；10—网络器；11一高速卷绕机
②流程叙述
聚丙烯膨体长丝的简单生产流程如图6—11：由聚丙烯装置来的聚丙烯切片输送至螺杆挤出机(1)。在挤出机内经加热熔融、挤压压缩和推进流动下，聚丙烯流体由计量泵(2)计量后泵送纺丝机的纺丝组件(3)。纺丝组件由纺丝箱体分配管和喷丝板所组成。熔体进纺丝箱体分配管进行熔融分配，并入喷丝板中，将其集束成特细的丝束，然后在纺丝仓(4)内通过环形内冷却后成形为初生纤维。初生纤维在上油盘(5)上油，再通过第一牵伸辊(6)和第二牵伸辊(7)两次拉伸后在空气变形箱(8)内变形，再在冷却鼓(9)中冷却，转入网络器(10)进行网络加工(也可以直接由空气变形箱变形)成BCF长丝，最后该丙纶膨体长丝在高速卷绕机(11)内卷绕成丝筒，然后落料装箱包装入库。
(三)工艺技术特点
１．丙纶短纤维装置
(1)与聚酯、聚酰胺纤维装置一样，因采用高聚物切片供料，故便于更换纤维品种，适宜于新产品的开发。
(2)开停车较为方便，与上游聚丙烯装置无相互干扰因素；采用混切片料斗，能起到切片与添加剂均匀混合的作用，不易受上游聚合生产波动的影响。
(3)采用螺杆挤出机加料、压缩、计量三段式挤压纺丝工艺，传热效率高，停留时间短，热分解可能性小，均化效果好，熔体黏度均匀，有利于提高纺丝纤维的质量。
(4)纺丝机箱体采用热油或热媒加热方式，丝束受热均匀，但发生泄漏现象，可能有燃烧或中毒危险等劳动安全卫生问题出现。
(5)纺丝采用环形吹风内冷却形式，可便于经常性地铲板面，以延常纺丝组件的使用周期。
(6)设置了二次拉伸，可使初生纤维增加丝束的拉伸倍数，有利于定向取向，增强纤维强度，并可按不同的纤维产品(如棉形和毛形短纤维)要求，调节所需要的总拉伸倍数。
(7)纺丝加工流程较长，化纤设备品种较多，厂房占地面积较大，投资较高。
2．丙纶膨体长丝装置
(1)螺杆挤出和熔融纺丝部分的工艺技术特点，与丙纶短纤维装置基本相同。
(2)由于采用了连续一步法加工工艺，其所用设备将纤维的上油、拉伸、变形、网络、卷绕等后加工部分的几道生产工序联系在一起，并组装在一台主机上，后加工生产工序的功能在同一台机器上完成，这样可以大幅度缩小厂房占地面积，设备减少，操作简便，还节省了投资。
(3)因产品要求的不同，虽然不像丙纶短纤维产品那样需设立二次拉伸工序，但一步法工艺的卷绕速度很快，且是在一台机器上快速连续地完成所有的纤维后加工生产，工序相当紧凑。为提高自动化生产程度和保证纤维加工质量，采用了DCS微机控制的高科技设备，技术要求较高。
(四)导生油及组件清洗剂
丙纶短纤维装置和丙纶膨体长丝装置的主要危险危害物质，与聚酯纤维和聚酰胺纤维装置基本相仿，均为导生油和组件清洗剂。其中导生油，聚酯纤维和聚酰胺纤维装置大多数使用的导生油为热媒(联苯—联苯醚)，而丙纶短纤维装置和丙纶膨体长丝装置，有使用热媒联苯—联苯醚为导生油的(国产装置居多)，也有使用热油为导生油的(部分进口装置使用专用牌号热油)。前者有可燃性和一定毒性，后者主要为可燃性。导生油是在受加热情况下循环使用的，可使聚丙烯树脂保持均匀的加热熔融流动状态，以在纺丝箱体内纺丝成形。
组件清洗剂常用三甘醇作溶剂，其目的是利用对丙纶熔体的可溶性，通过对纺丝箱体内的喷丝板、整流箱、喷丝头等纺丝组件进行分析、清洗、吹干，再组装使用，使之纺丝组件始终保持光洁性，以确保纺丝的正常进行和丝束的质量。
但是，导生油和组件清洗剂均属于危险化学物质，因此在实际使用中必须十分注意它们的安全性。联苯—联苯醚(导生热媒)和三甘醇(组件清洗剂)物性表见第一节表6—1和表6—2。
(五)原料及产品性质
丙纶短纤维装置和丙纶膨体长丝装置的原料均为聚丙烯树脂(又称成纤用聚丙烯)，其产品均称为聚丙烯纤维(或丙纶纤维)。下面就以两装置统称的原料及产品对其性质加以叙述。
1．原料
聚丙烯树脂(或成纤用聚丙烯)的化学结构式为：
聚丙烯树脂是由碳原子为主链的大分子所组成的。根据其甲基在空间排列位置的不同，存在有三种立体结构形式，即等规、间规和无规。等规聚丙烯是一种相同构形的有规则的重复单元。成纤用聚丙烯通常是等规聚合物，具有高度的结晶性。
聚丙烯树脂为五色圆柱形颗粒(成纤用聚丙烯树脂可制成片状)，具有强度好、耐磨损和良好的化学稳定性，并有较好的耐热性。成纤用聚丙烯的熔点为165。176℃，较聚乙烯高33-55℃，比聚酰胺等要低；相对密度(23℃时)0．905-0．910；导热系数为(8．79-17．58)X10—2W／m•k，是所有纤维中最低的，用作保温材料比羊毛还要好。
聚丙烯的火灾危险性属丙类，有防火安全的要求。
2．产品
聚丙烯纤维，又称丙纶纤维，色泽为五色，具有优越的导湿性和柔软性，良好的成网性、梳理性和黏合性，还有高延伸度的特性。产品安全、卫生、无毒、无刺激、无过敏性。聚丙烯纤维有较好的耐磨性，但染色性较差，导热性则比其他纤维要低，导热系数与羊毛相似，还具抗虫蛀和霉菌的作用，耐化学性优良。
丙纶纤维的火灾危险性属丙类，有防火安全的要求。
二、重点部位及设备
(一)重点部位
丙纶短纤维装置和丙纶膨体长丝装置的重点部位相同，现叙述如下：
1．导生油系统
在丙纶纤维装置生产过程中，由于经螺杆挤出机挤压后的聚丙烯树脂熔体，在纺丝时需要加热和保温，而设立导生油系统就可以提供足够的热量来确保实现聚丙烯加工的工艺需要。采用联苯—联苯醚热媒系统，其联苯—联苯醚系统为可燃有毒的危险化学物质(建规火险分级为丙类物质)，且是在高温加热蒸汽状态下，由热媒泵通过热媒炉电加热后不断地经由热媒管道循环使用的。因此，在工艺上和安全上都提出了很高的要求。该系统当属丙纶纤维装置的重点部位。
2.组件清理系统
组件清洗系统是聚丙烯纤维装置的一个辅助生产系统，但因所使用的组件清洗剂介质为易燃的三甘醇有机化学物质(建规火险分级为丙类物质)，有一定的燃烧爆炸危险性，并且在纺丝工艺生产时，纺丝组件的清洗操作较为频繁，故也列入该装置的重点部位。
3．化纤仓库
由于丙纶纤维属丙类火灾危险性物质，有燃烧的性能，加上装置连续性生产，产品量较大，因此丙纶纤维产品的仓库储存有安全防火的要求，垛距、堆距、间距、通道、通风、采；光等都有一定的规范规定，所以这也是一个重要部位。
(二)重点设备
1．丙纶短纤维装置
(1)螺杆挤出机
螺杆压出机是挤压被加热熔融的聚丙烯切片的第一道生产设备，主要的危险危害因素是环境的高温热辐射及易烫灼伤操作人员。
(2)卷取(或卷绕)机
卷取(或卷绕)机是聚丙烯纺丝成形后续设备。卷取机的旋转速度很快。在高速旋转运动中，生产上如果发生乱丝、断丝等故障而出现异常情况时，一旦操作处理不当，常易导致机械伤害、人身事故的发生，故是事故的多发之点。
(3)切断机
切断机是对聚丙烯纤维成品进行切断操作的工艺设备。在切断机开机升头时，将丝头送人切断钩轮时，如果操作失误，易发生人身伤害事故。切断机也是事故多发点之一的机械传动设备。
(4)打包机
打包机是将聚丙烯短纤维产品打包成型的专门机器。如果运转时安全限位锁停装置失灵，或操作、检修时违反安全操作、检修规程，极易发生设备损坏或人员挤压工伤事故。
2．丙纶膨体长丝装置
(1)螺杆挤出机
与丙纶短纤维装置同。
(2)丙纶膨体长丝一步法加工机
该一步法加工机集丙纶纤维上油、拉伸、变形、网络、卷绕等后加工处理工艺于一身，有加热、旋转、切断等多种工序，存在着烫、灼伤、机械伤害等人身事故的危险，因此是重点的生产设备。