一种多条数细旦聚酯预延伸丝及其制造方法 【技术领域】
本发明系有关多条数细旦聚酯长丝的制造方法，尤指聚酯多条数细旦预延伸丝及多条数细旦延伸丝的制造方法。
背景技术
聚酯纤维具有优良机械特性及染色性，而且成本低廉，因此在三大合成纤维中最常被使用着。近年来，随着衣料用途高级化更进一步提高织物的手感及机能性要求，以熔融纺丝制法而得的单丝旦数(或称单纤纤度，d.p.f)细旦化合成纤维编织物及其起毛制品的衣料用途已被广泛使用，然在其制程中，聚酯丝束经熔融吐出后的冷却作用，对丝的物性及均匀性有相当大的影响。
目前常用的冷却方式有横式吹风装置(Cross flow quenching system，示如图1)。辐射型内吹装置(Radial out-to-in flow quenching system，示如图2)。辐射型外吹装置(Radial in-to-out flow quenching system，示如图3)。分别说明如下：在横式吹风系统中，丝束由喷丝板吐出后，冷却风由丝单侧冷却丝束；而在辐射型内吹系统中，丝由喷丝板吐出后，经由吹风管内部通过，冷却风自吹风管内壁上的吹风孔吹出，从丝束外围吹向丝束中央部，使丝束冷却；而在辐射型外吹系统中，丝束由喷丝板吐出后，经由吹风管外部通过，冷却风自吹风管外壁上的吹风孔吹出，从丝束中央部吹向丝束外围，使丝束均匀冷却。
目前三种吹风方式以横式吹风最为普遍使用，而辐射型内吹装置和辐射型外吹装置在短纤(Staple)方面则较为常用，甚少用于工业纱生产。
使用聚酯多条数细旦纱作成高密度布帛及衣料以达柔软且具透湿、防水、防绒目的的单丝旦数(d.p.f)需在0.3den以下，效果始能显著。一般市面上流通甚久的单丝旦数(d.p.f)小于0.3den的纤维制造方法，系使用两成分熔融复合纺丝法，即事先制成较高纤度的纤维，再以机械或化学开纤方法制成单丝旦数(d.p.f)小于0.3den的超细纤维，但上述以复合双成分纺丝，先制成较高纤度的丝束再加工处理此等丝束的制法，除了需投资高额设备外，且后段处理因使用化学减量或利用机械方式将两成分分纤时过程繁琐，品质控制不易，并不合适。
而使用单成分聚合物以现有的熔融纺丝方法降低单丝旦数(d.p.f)，则一般使用下述两种方法，其一为固定聚酯熔融体总吐出量、增加喷丝板吐出孔数，其二系维持喷丝板吐出孔数、降低聚酯融体的总吐出量达成。但前者于纺丝阶段生产时随着单丝旦数(d.p.f)细小化，喷丝板吐出孔数需增加，如以一般横式吹风地冷却装置加以冷却，则因丝束单面受风致接近受风面的丝束及离开受风面较远的丝束的冷却差异大，无法使丝束均匀冷却，各单纤间的物性差异甚大，均匀性差；更甚者当单丝旦数(d.p.f)小于0.3den时，此差异现象更为明显，无法提供可供生产的预延伸丝；而后者为维持喷丝板吐出孔数，需降低聚酯熔融体的总吐出量，但此举将使聚酯融体于融体管路的停留时间增加，造成聚酯熔融体裂解严重，低聚合物大量生成，纺丝产况极度恶化；加之若欲生产总纤度较高的规格，需以并股方式生产，常使产量减少外，还易因两股丝束物性差异，导致后段加工后染色时产生染斑(不均)等问题。
另外，辐射型的内吹装置，因冷却风较难调整，风速太小无法使丝束获得充分的冷却，造成均匀度长周期变异率(Uster halfinert value)高，更严重者单丝间相互黏着而无法顺利纺丝；风速太高，相反吹风方向的冷却风相互干扰造成丝束不稳导致单丝相互碰撞，产况不佳；而且丝束不易进入狭窄的冷却风管，操作性不佳，亦不利于聚酯多条数细旦预延伸丝的生产。
因此，如何在不牺牲产量下，降低单丝旦数(d.p.f)并同时制得稳定生产的高品质聚酯多条数细旦预延伸丝，即成为聚酯合纤制造业者急欲突破的主题，例如美国专利US 5,288,553、US 5,145,623、US 5,407,621、US5,250,245系选用特殊范围熔融粘度的酯粒、选择喷丝板的孔径与孔长，以及限制聚酯熔体于管路停留时间等纺丝条件，生产单纤纤度0.2至0.8den的聚酯多条数细旦预延伸丝，但上述专利并未详细说明使用何种冷却方式，且其无风带长度2cm至(12×单丝旦数-2(d.p.f))cm，因该无风带长度太长，当借善助增加每单位面积喷丝板上吐出孔数时仍无法达到所期待均匀度长周期变异(Uster halfinert value)小于0.3％及热应力变异小于2％的要求；日本专利公开公报特开昭55-132708揭示了一种聚酯、聚酰胺、聚烯烃单丝旦数(d.p.f)小于0.3den的延伸丝制法，该制法系控制熔融体吐出时粘度小于950泊(poise)，及喷丝板下方1至3cm处周围温度保持于200℃以下，冷却风于喷丝板下方10cm以内以与水平方向，向上成5°至85°角冷却丝束，此制法因喷丝板表面易受冷却风影响致温度不均，无法安定纺丝。至于辐射型外吹装置，如美国专利US 5,536,157及US 5,866,055所述，系用于生产单丝旦数1.1至22.2聚酯工业纱，并未揭示出可供生产聚酯多条数细旦预延伸丝的制法。
【发明内容】
有鉴于在使用上述横式吹风的冷却装置，因丝束单面受风致接近受风面的丝束及离受风面较远的丝束冷却差异大，无法使丝束均匀冷却，各单纤间的物性差异较大，均匀性差；及辐射型内吹装置操作性不佳、风速调整不易等缺点，本发明人等经精心检讨、研制后发现，采用辐射型外吹装置制造聚酯多条数细旦预延伸丝，所得单丝旦数(d.p.f)可达0.3至2.0den，均匀度长周期变异(Uster half inert value)小于0.3％，锭间热应力变异小于2％，经后段加工后，可得染性优良的延伸丝。
因此，本发明所要解决的技术问题藉助一种聚酯多条数细单尼预延伸丝的制法得以实现，该方法包括对固有粘度(IV)为0.5～0.7，且熔点245～265℃的聚酯聚合物加热，使之熔化，过滤后定量挤出多条数细旦聚酯预延伸丝，其特征在于，该方法包括下列步骤：
(a)将所述定量挤出的聚酯熔融物经由一种具有多重圆环状排列的喷丝板吐出孔均匀吐出丝束，所述多重圆环状排列的喷丝板吐出孔排列方式为最外圈直径D2mm，最内圈排列直径为D1mm，而且(D2-D1)≤20(mm)；
(b)所述吐出后的丝束于喷丝板下方经过一段长度为Lsmm的无风带区，并通过一根直径为D0mm、长度为Lqcm的圆柱状冷却风管，该冷却风管位于喷丝板中央无吐出孔部位的下方，它自丝束内部向外辐射型吹送径向冷却风，所供冷却风的风速为0.2～0.6米/秒，以使丝束均匀冷却，直至所述聚酯聚合物的玻璃化转变温度Tg或更低，然后予以集束，其中所述D1、D0、Ls、Lq需满足下列各式：
(i)12≤(D1-D0)≤33(mm)，
(ii)2≤Ls≤20(mm)，
(iii)15≤Lq≤40(cm)；
(c)最后以1800至3000米/分钟的速度卷取所得丝束。
按照本发明，优选的是，所述喷丝板吐出孔的孔排列密度为7～21孔/cm2。
按照本发明，还优选的是，所述喷丝板吐出孔的断面选自圆形、中空、Y型、一字型、四角形、三角形、六角形、十字型及C型中的一种或多种。
本发明的另一目的是提供一种由本发明方法制得的多条数细旦聚酯预延伸丝，其特征在于，该预延伸丝的单丝旦数(d.p.f)为0.3至2.0den，且其断点伸度为100至160％、均匀度长周期变异小于0.3％、热应力变异小于2％。
按照本发明，优选的是，上述多条数细旦聚酯预延伸丝，其特征在于，将所述延伸丝对预延伸丝经假捻加工、伸捻加工、空气吹捻加工或一段直接纺丝延伸制程而得的单丝旦数(d.p.f)0.2至1.0，染性优良多条细旦聚酯延伸丝。
本发明提供生产聚酯多条数细旦预延伸丝用的辐射型外吹冷却装置，可使丝束均匀受风，而制得均匀的聚酯多条数细旦预延伸丝。为达到本发明单丝旦数(d.p.f)0.3至2.0den的预延伸丝，其中单丝旦数(d.p.f)系(熔融体吐出量(g/min)×卷取速度(m/min)÷(9000×喷丝板吐出孔数))。
本发明系采用提高单位面积喷丝板吐出孔数(即孔密度)达到降低单丝旦数(d.p.f)的要求，无风带长度以2至20mm为佳。当孔密度增加时，因单纤间的距离缩短，无风带长度大于20mm，单纤丝束因共振作用产生不稳定状况，致使均匀度长周期变异变大，甚至相互碰撞造成断丝，即使调高风速，亦无法得到所期待的均匀度长周期变异(Uster halfinert value)小于0.3％的预延伸丝；当无风带长度小于2mm时，冷却风会影响喷丝板表面温度，使产况变差，经延伸加工后的成品染色性不良。
本发明方法所用喷丝板吐出孔的排列方式(如图5所示)
为：最内圈直径D1与最外圈直径D2之差(D2-D1)≤20(mm)。若(D2-D1)值大于20mm时，则内外层丝束受风差异过大，因单纤间细化点与喷丝板的距离差异大，则丝束内各单纤间物性差异大，无法制得本发明所述均匀度长周期变异(Uster halfinert value)小于0.3％及热应力变异小于2％的预延伸丝。而上述最内圈直径D1与吹风管直径D0的差值介于12至33mm之间，D1-D0值小于12mm，丝束易触及吹风管而断丝，无法正常纺丝；D1-D0值大于33mm时，则吹风冷却效率降低，且喷丝板最外圈直径D2处丝束因冷却不足易断丝。
为使丝束能获得到适当冷却，本发明所采用的吹风管长度以15至40cm最佳。吹风管长度小于15cm时，丝束会因冷却不足，致使丝束粘着而断丝；吹风管长度大于40cm时，则易形成扰流而使均匀度长周期变异(Usterhalf inert value)变差；本发明所使用的吹风管为圆筒状，可由多层纤维素或多层金属网或金属烧结滤网或陶瓷烧结滤网，或由多层多孔板制成；冷却风经由细孔自径向以辐射型由内向外均匀吹出而冷却丝束。
于本发明，以冷却风速0.2米/秒至0.6米/秒较佳。风速若小于0.2米/秒时，冷却不足，致使丝黏着而断丝且伴随均匀度长周期变异变大；风速大于0.6米/秒，无法使均匀度长周期变异变小，对均匀度长周期变异无明显助益，且易使丝束过冷造成断丝。
本发明所采用的吐出孔在喷丝板排列区密度(孔密度)为7～21孔/cm2。孔密度定义：如图5所示，以D2及D1间的吐出孔总孔数除以D2及D1间面积表示，即D2与D1间的总孔数×4/π÷(D22-D12)。
孔密度小于每平方厘米7孔时，因需降低总吐出量始能达到本发明的单丝旦数(d.p.f)0.3～2.0den的要求，且需以并股生产，经济效益降低；孔密度高于每平方厘米21孔时，因单纤间排列紧密，导致单丝间冷却差异大，均匀度长周期变异大且无法安定纺丝。
本发明所使用的聚酯粒固有粘度(IV)介于0.5至0.7之间，熔融后由喷丝板挤出，经纺丝制得聚酯多条数细旦预延伸丝，其断点伸度介于100％至160％，单丝旦数为0.3至2.0den，均匀度长周期变异(Uster half inertvalue)小于0.3％；热应力变异小于2％。再经延伸加工后，如伸捻加工，假捻工加工、空气吹捻加工而得的单丝旦数数0.2至1.0den，且染性优良的聚酯多条数细旦延伸丝。
【附图说明】
图1是习用横式吹风冷却装置制取多条数细单尼聚酯预延伸丝的示意图；
图2是习用辐射型内吹冷却装置制取多条数细单尼聚酯预延伸丝的示意图；
图3是本发明中用辐射型外吹冷却装置制取多条数细单尼聚酯预延伸丝的示意图；
图中标号
1、聚酯熔体 2、纺丝头 3、喷丝板 4、丝束
5、吹风装置 6、油嘴 7、集束后丝束 8、不加热罗拉
8-1、加热罗拉 8-2、加热罗拉 8-3、分离轮 9、卷取机
10、预延伸丝饼 11、加热罗拉 12、加热器 13、加热罗拉
14、原丝
图4为本发明所用辐射型外吹冷却装置中冷却风管的示意图；
图5为本发明使用辐射型外吹冷却装置时所用喷丝板吐出孔的排列方式示意图；
图6为本发明延伸加工用伸捻机示意图；
图7为本发明使用辐射型外吹装置制时所得多条数细单尼聚酯延伸丝的直接纺丝延伸的示意图。
为证明本发明所能达到的有益效果，兹对按本发明方法所得多条数细旦聚酯预延伸丝采用如下方法进行分析：
a.热应力变异分析：
分析仪器：Textechno Dynafil M Type DPG/M；
分析条件：延伸比1.6，加热温度150℃；分析速度50m/min；
分析时间：1分钟，求得热应力变异率(CV％)。
b.均匀度长周期变异(Uster halfinert value)分析：
分析仪器：USTER TESTER 3；
分析速度：400m/min；分析时间：2.5分钟；
分析长度：1000米。
c.单丝旦数分析：
卷绕丝束90圈，称重，(重量以a克表示)，a值乘100为丝束总旦尼耳b(den)，b值除以每股丝束条数c，即为单丝旦数。
d.断点伸度强度分析：
分析仪器：Textecho Type FPA/M；
分析条件：分析长度10厘米，拉伸速度60 CM/MIN，预荷重0.5CN/tex，强度为最大强度，其所对应伸度为断点伸度。
e.打纬染性(woven fabrics dyability)判定方法：
织物组织：缎纹(satin)经：75d/36f加工纱，经密每英吋150条，纬纱使用本发明产品.纬密配合丹尼数调整。
染整条件：分散性染料，130℃、130min，染整布烘干后，于自然光线下，查看纬向是否有条斑。评定结果分级如下，
○：染性正常，无深浅条斑；△：轻微条斑；×：严重条斑。
【具体实施方式】
下面用仅起示例作用的实施例及其比较例来进一步阐明本发明，但本发明范围不仅限于此。
按照本发明，实施例1～3及比较例1中使用(示如图3)，以表1中所列纺丝条件生产圆形断面的多条数聚酯细旦丝。实施例1～3所得样品的均匀度长周期变异(Uster half inert value)小于0.3％，热应力变异(cv％)小于2％，经后段假捻加工后所得的延伸丝，打纬染性正常(○)；比较例1中使用长度为45mm的无风带，其余条件同实施例1，其均匀度长周期变异较大，约为0.55％，经后段假捻加工后所得的延伸丝，打纬染性有轻微条斑(△)。
表1中的比较例2～3系使用如图1所示的横式吹风装置，其余条件同实施例3，比较例2中无风带长度为15mm，虽符合优选的的2～20mm的范围，但因使用横式吹风装置，离受风面较远的单纤受风不足，均匀度长周期变异(Uster half inert value)高至0.85％，打纬染性严重条斑(×)；比较例3因无风带长度为45mm，单纤间因相互碰撞严重无法生产。
表1预延伸丝纺丝条件项目实施例1实施例2实施例3比较例1比较例2比较例3聚酯粒IV0.640.640.520.640.520.52热媒温度℃295298292295292292预延伸丝纤度旦16080801608080预延伸丝单纤维纤度旦0.550.370.370.550.370.37无风带长度(Ls)mm41515451545吹风型式幅射型外吹装置←←←横式吹风←吹风管长度dm40353540100100吹风管直径(D0)mm30303030风速米/秒0.450.350.350.450.600.60喷丝板孔密度孔 数/dm21420201466喷丝板吐出孔数288216216288216216喷丝板吐出孔排列最内层直径(D1)mm49494946.51212喷丝板吐出孔排列最外层直径(D2)mm616161696969卷取速度m/min250022502500230023002500均匀度长周期变异％0.270.250.290.550.85无法生产热应力变异％1.51.71.92.93.0延伸丝物性单纤维纤度旦0.350.250.250.350.25强度克/旦4.554.564.324.604.30断点伸度％2323252423打纬染性○○○△×
表2中，实施例4至5系按本发明使用如图3所示的辐射型外吹装置，以表2中所列的纺丝条件生产Y型断面的多条数聚酯细旦丝，其中实施例4～5所得样品的均匀度长周期变异各为0.29％、0.25％、＜0.3％，热应力变异各为1.8％、1.7％和小于2％，经后段假捻加工后所得的延伸丝，打纬染性正常(○)；比较例4至5系使用如图1所示的横式吹风装置，其余条件同实施例4至5，比较例4～5中无风带长度均为15mm，虽符合优选的2～20mm范围，但因使用横式吹风装置，离受风面较远的单纤受风不足，均匀度长周期变异(各为0.55.0.70％)大，打纬染性严重条斑(各为×)。
表2项目实施例4实施例5比较例4比较例5预延伸丝纺丝条件聚酯粒IV0.640.640.640.64热媒温度℃295295295295预延伸丝纤度旦1278712787预延伸丝单纤维纤度旦0.880.600.880.60无风带长度(Ls)毫米15151515吹风型式幅射型外吹装置←横式吹风←吹风管长度dm4035100100吹风管直径(D0)mm3030风速米/秒0.250.250.50.5喷丝板孔密度孔数/dm214143.973.97喷丝板吐出孔数144144144144喷丝板吐出孔排列最内层直径(D1)mm49491212喷丝板吐出孔排列最外层直径(D2)mm61616969卷取速度m/min2300230023002300均匀度长周期变异％0.290.250.550.70热应力变异％1.81.72.92.7延伸丝物性单纤维纤度旦0.880.350.88强度克/旦5.35.14.84.7断点伸度％29253027打纬染性○○××