Lyocell纖維噴絲板制造工藝研究

郭慶平

(山西經緯化纖機械股份有限公司 技術中心，山西 晉中 030601)

0 引言

在化纖紡絲生產線上，無論哪種紡絲工藝方法，噴絲組件中直接參與紡絲原液出絲的噴絲頭、噴絲板的制造質量尤為重要。噴絲頭、噴絲板的材質、微孔孔形、尺寸精度及孔道表面粗糙度，甚至微孔排列方式都對纖維成品絲的質量起關鍵作用。因此，噴絲頭制造企業都以提高噴絲頭產品質量為宗旨，在研發新型產品的同時，致力于逐步提高微孔自動化加工技術，以與國際同類技術水平接軌。

目前，國外企業已基本實現了數控加工噴絲頭、噴絲板微孔，且微孔尺寸精度控制較好，而我國正在由傳統手工加工過渡到數控加工的技術轉變中。在這個過程中，應努力探尋高精度、高效率的先進制造工藝方法以提升噴絲頭產品的總體質量。

1 Lyocell纖維的發展

Lyocell纖維是一種再生纖維素纖維，最早由Enka公司研發。生產工藝為：將木漿粕溶解在NMMO溶劑中，采用干噴濕紡工藝紡絲，對紡出的絲束進行水洗、干燥、卷曲和切斷。因為原料為天然木漿，整個紡絲過程無化學反應、不產生毒物，溶劑可反復回收利用[1]，紡出的絲和制成的織物可生物降解，對環境無污染。由于紡絲成品性價比高、混紡性良好，可與棉、麻、毛等纖維混紡，因此，Lyocell纖維以優良的性能和性價比在中國紡織工業的發展中占據重要地位，被世界公認為最具發展潛力的再生纖維素纖維、綠色環保纖維。未來，在同類再生纖維素纖維中，其極有可能不斷取代其他粘膠纖維等纖維素纖維。

我國作為紡織工業大國，面對市場對新型纖維的需求，纖維制造企業為進口設備及其專利技術付出了昂貴費用，迫切需要國內相關領域進行技術開發、改進、升級。因此，Lyocell纖維紡絲成套設備及其組件的國產化制造成為紡織機械的發展趨勢。這既順應市場發展趨勢，也符合《新材料產業“十三五”發展規劃》中可持續發展道路的主導思想。纖維成套設備及其組件的研發試制、投產對中國紡織工業領域及綠色環保纖維素纖維的廣泛推廣應用具有重要現實意義。筆者重點闡述纖維噴絲板制造工藝技術的研究與探索。

2 各類噴絲頭、噴絲板特點

由于紡絲工藝技術不同，Lyocell纖維噴絲板在結構形式、基體材質以及制造工藝上與其他的噴絲頭、噴絲板有不同程度的區別。

2.1 熔融法紡絲噴絲板

熔融法紡絲是將聚合物加熱熔融、通過噴絲板微孔擠出，同時在壓力作用下拉伸變細，并在空氣中冷卻固化成極細的纖維絲束。經熔融紡絲的初生纖維只需拉伸機熱定型即得到成品纖維，一般用于錦綸、滌綸、丙綸等合成纖維，工作溫度不高于450 ℃。

按纖維絲束長度，噴絲板分為長絲噴絲板、短絲噴絲板、大型短絲噴絲板；按外形,噴絲板分為平板形、凸緣形、平板環形、凸緣環形。噴絲板的基體材質推薦不銹鋼類，如0Cr17Ni12Mo2，1Cr17Ni2，0Cr17Ni4Cu4Nb或0Cr18Ni9[2]等。其微孔孔形為圓形或異形，均由錐形導孔和直孔組成，異形孔采用推薦孔形或由用戶確定；圓形微孔孔徑為0.2 mm～0.5 mm，長絲噴絲板孔數為1～80，短絲噴絲板孔數為100～1260，大型短絲噴絲板孔數為2000以上，長徑比為1.5∶1～2∶1。

2.2 溶液法紡絲噴絲板

溶液法紡絲是將纖維漿粕溶解在某種溶劑中，形成濃度適宜的紡絲溶液，再將溶液從噴絲微孔中擠出后進入凝固浴或熱氣體中，從而析出固體絲束，經拉伸、定型、洗滌、干燥等工藝過程得到成品纖維。根據纖維絲束凝固方式的不同，溶液法紡絲可分為濕法紡絲、干法紡絲及干濕法紡絲。3種溶液紡絲法所用噴絲頭區別較大。

2.2.1 濕法紡絲噴絲頭

濕法紡絲噴絲頭的形狀為帽形或瓦形，適用于紡粘膠、腈綸、維綸等纖維[3]。小帽形噴絲頭孔數一般為1～50，大帽形噴絲頭孔數為500～12 000，瓦形噴絲頭的孔數為1000～60 000，孔徑尺寸一般為0.05 mm～0.20 mm，長徑比為1∶0.8～1∶1.3；噴絲頭材質選用金鉑合金、鉭、不銹鋼等。短絲噴絲頭也可采用小帽形噴絲頭組合壓配在圓形或圓環形的不銹鋼座板組件的方式。

紡制短絲噴絲頭的噴絲面用肉眼觀察在有孔區不允許有明顯的麻點、傷痕、折痕和波浪形，無孔區允許有個別的缺陷；而紡長絲噴絲頭的噴絲面不允許有缺陷。所以一般情況下，長絲噴絲頭的成品驗收標準高于短絲噴絲頭。

2.2.2 干法紡絲噴絲頭

干法紡絲與濕法紡絲的區別在于干法絲束凝固是通過熱空氣使溶劑快速揮發而逐漸固化，而不是在凝固浴中固化，干法一般用于紡制腈綸、氯綸、氨綸纖維等，其噴絲頭材質選用不銹鋼，孔徑一般為0.07 mm～0.16 mm，孔數為300～12 000。

2.2.3 干濕法紡絲噴絲頭

將干法紡絲與濕法紡絲結合起來的紡絲方法稱為干濕法紡絲或干噴濕法紡絲。一般用于紡制腈綸、芳綸、聚苯并咪唑纖維，噴絲頭材質選用不銹鋼，其孔徑尺寸及孔數根據用戶要求的選擇范圍較大。Lyocell纖維紡絲采用此法。

3 Lyocell纖維噴絲板的制造

Lyocell纖維紡絲屬溶液紡絲中的干濕法紡絲，選用的噴絲組件結構形式有圓環形組合或長矩形組合。噴絲組件及噴絲板主體采用1Cr17，2Cr13不銹鋼，噴絲板上的微孔數為30 000～70 000，孔徑為0.075 mm～0.095 mm，長徑比為2∶1。

筆者主要研究圓環形Lyocell纖維噴絲板的制造方法。噴絲板組裝在噴絲組件中使用，噴絲板有孔工作區域為φ497 mm～φ537 mm的環形區(如圖1所示)，共排孔30圈，圈距為1.3 mm，排列約73 000個孔徑為0.095 mm的微孔。微孔由錐形孔與直孔光滑連接，孔壁表面經特殊拋光處理、表面粗糙度Ra值較小，微孔間排列均勻規律、錯落有致，且保證直孔長徑比為2∶1。

圖1 圓環形Lyocell纖維噴絲板結構

3.1 選材

噴絲板的材質一般要求耐腐蝕性好、機械加工性能好，同時要有足夠的強度和硬度，以適應應用環境，保證微孔的加工粒度且使噴絲板在使用中不變形。Lyocell纖維紡絲原液和溶劑均無毒、無腐蝕性，噴絲組件選用耐輕腐蝕的1Cr17，2Cr13馬氏體不銹鋼板材，比0Cr17Ni12Mo2等奧氏體不銹鋼板材切削加工性能優，且可進行熱處理，高溫冷卻后有較高的硬度和耐磨性[4]。 Lyocell纖維圓環形噴絲板選用厚度為1.2 mm的1Cr17不銹鋼板材，利于長徑比較大的微孔加工。

3.2 制造

3.2.1 制坯

Lyocell纖維噴絲板為φ476 mm～φ556 mm的圓環形，截面形狀如圖2所示，其底平面為布孔區。

圖2 Lyocell纖維噴絲板截面

先將600 mm×600 mm、厚度為1.2 mm的不銹鋼板切割成圓環形后組裝于沖壓模具中，用70 t壓力機沖壓成型，放置6 h釋放應力后將法蘭邊和環形工作表面整平，以保證有孔區域平整光滑、無劃痕和毛刺。

3.2.2 沖孔

將坯料安裝在自動沖孔夾具中，沖孔程序設定為由外至內逐圈按坐標信息沖孔，如：第2圈、第30孔，其坐標位置為x=-8.180 8，y=-8.439 0。在沖孔前應設定沖孔的數據中心與數控沖孔機的工作中心重合，機械誤差盡量減小以保證微孔位置準確無誤。

如圖3所示，第1道沖孔采用錐形硬質合金沖針在環形布孔區沖制錐形盲孔，錐形盲孔與頭道沖針錐形吻合。在沖制其他材質且微孔長徑比較小的噴絲頭時，一般采取頭道沖孔一次成型，而Lyocell纖維噴絲板板材的厚度為1.2 mm，是其他噴絲頭的3～4倍，沖針長度增大而直徑較小，若采取1次沖孔即達到沖孔深度則沖針極易斷裂。經反復對比試驗后將程序改為單孔20次，每次沖孔深度為15個脈沖，這樣沖針每次受到沖擊力很小，從而減少了斷針數。

1—噴絲板坯料；2—頭道沖針。圖3 第1道沖孔

將全部沖好頭道錐孔的坯料砂光毛刺后，清洗吹干后再進行第2道沖孔，采用2道沖針在數控或手動2，3道沖孔機進行2道沖孔，將噴絲板的圓柱形孔部分沖制成型，如圖4所示。圓柱形孔出現仍未到完工最終尺寸，還應進行第2次擴孔以保證各微孔的尺寸穩定一致，即第3道沖孔是將拋光清洗好的坯料用3道沖針數控或手動第2，第3道沖孔機進行第3道沖孔，達到完工要求的微孔尺寸，如圖5所示。在第2和第3道沖孔中，沖針形狀如圖6所示，由圓錐部1、圓柱部和圓錐部2組成，圓柱孔有尺寸精度要求，以保證噴絲板的孔徑尺寸及深度。第2，第3道沖針的各部分總長度大于噴絲板板材厚度，圓柱長度應為直徑的2倍以上，才能有效保證2∶1的長徑比。在噴絲板微孔加工中使用全自動數控磨針機加工的沖針，沖針各部位尺寸精準可靠、光滑過渡，比人工加工沖針的尺寸一致性好，從而有效地保證整個噴絲板孔型及尺寸一致性。

1—噴絲板坯料；2—2道沖針。圖4 第2道沖孔

1—噴絲板坯料；2—3道沖針。圖5 第3道沖孔

1—柄部；2—圓錐部1；3—圓柱部；4—測量位置；5—圓錐部2。圖6 沖針結構

3.2.3 拋光及清潔

沖制了3道孔的噴絲板在平面拋光機上進行砂光和拋光處理，去除沖孔產生的孔口毛刺后，噴絲板出絲面的表面粗糙度Ra值應為0.05 μm；必要時再加入拋光膏，在布輪上多次拋光后再用特制拋光液進行拋亮處理。噴絲板的微孔孔道采用磨料流加工技術和超聲波振動相結合的方式進行拋光和清洗，流體介質及其攜帶的磨料反復沖刷工件微孔孔壁以保證對微孔內壁表面的拋光要求[5]。內孔表面粗糙度Ra值應為0.1 μm，當紡絲原液流經噴絲微孔時的可紡性和成型穩定性較好，從而使成品絲的品質得到提升。經過反復拋光、清洗的Lyocell纖維噴絲板，無論是外觀質量，還是各幾何尺寸精度均能達到預期效果。

4 結語

我國近年來對Lyocell纖維的生產極為重視，其產量也逐年增長，但是高端紡絲設備及噴絲組件基本依靠進口，紡絲工藝也受技術制約、發展緩慢。尤其噴絲板作為化纖紡絲的關鍵器材，對紡絲原液的流體成纖能力具有決定性的作用，隨著Lyocell纖維在化纖市場占有率的提高，對噴絲板微孔加工技術的創新要求也越來越高。通過了解國內外Lyocell纖維紡絲設備、紡絲工藝方法的技術現狀，結合國內Lyocell纖維生產線實際以及用戶需求，對紡絲設備及組件的制造技術進行理論分析、深入研究以解決行業難題。通過加工技術改進和工藝創新提高噴絲板的微孔制造精度，使Lyocell纖維噴絲板從微孔質量到出絲面的表面質量得到大的提高，從而提高Lyocell纖維紡絲的絲束質量。

Lyocell纖維噴絲板制造工藝的微孔單孔多次沖擠法沖孔，能保證微孔的圓柱孔長徑比，有效減少斷針數，采用數控沖孔減小了傳統手工沖孔的人工誤差、提高了加工效率。在整個沖制過程中優化了數控沖孔機各項參數，使噴絲板產品整體質量水平達到預期效果。Lyocell纖維噴絲板的研發及試制、投產，對中國紡織領域綠色環保纖維素纖維的推廣應用具有重大意義。