Die Anforderungen an die Polyesterqualität und die Spänetrocknung in der Hochgeschwindigkeitsspinnerei

Die Anforderungen an Polyesterqualität und Spantrocknung beim Hochgeschwindigkeitsspinnen

1. Anforderungen an die Polyesterqualität

Das Spinnen von Polyester kann in zwei Arten eingeteilt werden: Schmelzdirektspinnen und Spanspinnen. Die unterschiedlichen Polyesterschmelzen und -chips haben einen erheblichen Einfluss auf die Qualität der Spinn- und Endprodukte. Die Spinnbedingungen und die Qualität des POY (Partially Oriented Yarn) hängen nicht nur vom relativen Molekulargewicht des Polyesters und seiner Verteilung, den rheologischen Eigenschaften der Schmelze und der Wärmekapazität der Chips ab, sondern auch vom Gehalt an aggregierten Partikeln in den Chips, den Rückständen der während der Polymerisation zugesetzten Katalysatoren, dem Aschegehalt, anderen mechanischen Verunreinigungen und den Eigenschaften des zugesetzten TiO2. Unterschiedliche Spinnprozesse führen zu unterschiedlichen Spinnsituationen und stellen somit unterschiedliche Anforderungen an die Rohstoffe. Beim Hochgeschwindigkeitsspinnen werden folgende Anforderungen an die Polyesterqualität gestellt:

1. Der Gehalt an mechanischen Verunreinigungen und aggregierten Partikeln im Polyester sollte möglichst gering sein. Der Schwankungswert der charakteristischen Viskosität der Schmelze sollte idealerweise kleiner als 0,01 sein, mit einem zentralen Wert zwischen 0,63 und 0,68, wobei ein etwas höherer Wert bevorzugt wird. Eine höhere charakteristische Viskosität ist für die Herstellung von gutem POY von Vorteil, eine zu hohe Viskosität kann jedoch zu Spinnschwierigkeiten und erhöhter Haarigkeit führen.

2. Die relative Molekulargewichtsverteilung des Polyesters sollte eng sein, mit einem kleinen Verteilungsindex α (α < 2,2), und das durchschnittliche relative Molekulargewicht sollte moderat sein. Ein größerer α führt zu einer schlechten Spinnbildung, was zu Haarigkeit und Verschmelzung, vielen Fehlern und erheblichen Schwankungen der Viskosität des Nichtölgarns und der Faserfestigkeit führt. Ein höheres relatives Molekulargewicht ermöglicht es dem Polymer, hohen Spannungen beim Spinnen standzuhalten, was günstig ist. Wenn jedoch das relative Molekulargewicht zu hoch ist, können sich die langen Molekülketten möglicherweise nicht leicht entfalten und aufrichten, sodass für die molekulare Ausrichtung eine größere Kraft erforderlich ist, was möglicherweise zu einer unvollständigen Ausrichtung führt. Wenn umgekehrt das relative Molekulargewicht zu niedrig ist, können kürzere Molekülketten unter Spannung brechen, wenn sie aus der Spinndüse extrudiert und zur Orientierung gezogen werden. Daher sollte das durchschnittliche relative Molekulargewicht moderat sein. Das relative Molekulargewicht von Polyester bestimmt weitgehend die Faserleistung und hat einen erheblichen Einfluss auf die Spinnprozessbedingungen. Der optimale Bereich für das relative Molekulargewicht sollte in einem Bereich gewählt werden, in dem er am wenigsten empfindlich auf die Spinnprozessbedingungen und die Produktqualität reagiert.

3. Die Filtrationsleistung der Polyesterschmelze sollte gut sein. Die Filtrationsleistung der Polyesterschmelze kann anhand des durchschnittlichen Druckabfalls ΔP über eine eingestellte Zeit G (in Minuten) auf einer Filtrationsfläche S (in m²) beschrieben und bestimmt werden. Sein Wert A wird als Filtrationskoeffizient bezeichnet, der wie folgt ausgedrückt wird:

Wenn der Wert von A klein ist, deutet dies auf eine gute Filterleistung hin. Späne mit guter Filtrationsleistung weisen am Ausgang des Vorfilters eine relativ stabile Anfangsdruckphase auf, die dann allmählich abnimmt. Im Gegensatz dazu zeigt eine schlechte Filtrationsleistung keine stabile Phase und der Druck fällt schnell, oft linear.

1. Niedriger Staubgehalt in den Spänen
   Ein hoher Staubgehalt in den Spänen kann zu starken Verklebungen an der Spinndüse führen, wobei neue Spinndüsen bereits 8 bis 12 Stunden nach dem Gebrauch Klebephänomene zeigen. Dies führt zu einer Verschlechterung der Spinnformation und kann sogar zu gebrochenen Filamenten oder Blockdefekten führen, was die Lebensdauer der Spinnkomponenten verkürzt. Staubansammlungen können die seitlichen Blasfenster füllen und die Geschwindigkeit und Gleichmäßigkeit des Kühlluftstroms beeinträchtigen, was zu POY von schlechter Qualität führt. Der Schmelzpunkt von Staub ist 10 bis 15 °C höher als der von normalen Spänen, was es schwierig macht, ihn bei typischen Spinntemperaturen zu schmelzen. Darüber hinaus enthält Staub eine beträchtliche Menge an ungeschmolzenem Material und aggregierten Partikeln, was seine Spinnfähigkeit verschlechtert. Daher sollte der Staubanteil in den Spänen weniger als 0,1 % betragen.

2. Gelgehalt in Chips minimieren
   Der Gelgehalt in den Chips sollte so gering wie möglich sein, insbesondere alte Gele sollten vermieden werden. Gele sind dreidimensional vernetzte Polyester, die durch thermische Spaltung des Polyesters entstehen und keinen eindeutigen Schmelzpunkt haben. Der thermische Abbau von Polyester wird durch Faktoren wie Temperatur, Verweilzeit und die Anwesenheit von Sauerstoff während der Produktion beeinflusst. Daher sollte die Verweilzeit der Schmelze während der Polymerisation und des Spinnens minimiert werden, wobei nach Möglichkeit eine niedrige Temperatur aufrechterhalten werden sollte und gleichzeitig der Einsatz von Behältern und Rohren, die zum Polymerabbau führen können, minimiert wird.

Das Vorhandensein von Gel erhöht den Spinnbruch erheblich, was zu dunklen, langen Filamenten führt, die schnell zu Verstopfungen in Vorfiltern und Komponenten führen. Gele können in Spinnkomponenten in drei Formen vorliegen:

1. Zartes Gel : Diese Art von Gel ähnelt der Schmelze unter typischen Verarbeitungsbedingungen und weist eine gute Fließfähigkeit auf. Es ist ein Polyester mit kurzer Generationszeit und nicht stark vernetzt. Es erscheint als mikrogelbe fluoreszierende Einheit, die in die Polyesterchips eingemischt ist und unter weißem Licht schwer zu unterscheiden ist, unter UV-Licht jedoch sichtbar ist. Seine Anwesenheit führt zu Spinnbrüchen, erhöhter Faserfarbstoffaufnahme und schlechterer Filtrationsleistung. Feine Filtermedien können es nicht entfernen, was sich negativ auf den Spinnprozess auswirkt.

2. Reifes Gel : Dieses Gel hat eine längere Wachstumsphase und ist härter. Unter normalen Verarbeitungsbedingungen bleibt es ein verformter Halbfeststoff, der unter weißem Licht gelblich und manchmal braun erscheint. Seine Anwesenheit verursacht schwere Brüche und eine erhöhte Farbstoffaufnahme in den Fasern. Es lässt sich in der Regel mit feinen Filtermedien herausfiltern, führt jedoch schnell zu Verstopfungen.

3. Altes Gel : Dieser Typ hat eine lange Wachstumsphase und eine starke Vernetzung, was ihn zu einem härteren Feststoff ohne Sprödigkeit macht. Unter weißem Licht erscheinen sie als dunkelbraune bis schwarze Partikel, die an karbonisiertes Material erinnern. Diese sogenannten schwarzen Kernpartikel kommen zwar nicht häufig vor, können jedoch die Spinnstabilität und Produktqualität erheblich beeinträchtigen. Sie können zu einer schnellen Verstopfung der Vorfilter, einer Verstopfung der Spinndüsenlöcher und einer Zunahme von Defekten im Produkt führen, weshalb ihr Vorhandensein inakzeptabel ist.

4. Minimierung hochkristalliner Polymere
   Hochkristalline Polymere sind Polyesteranteile, die einen Schmelzpunkt über 280 °C und eine Kristallinität von mehr als 45 % (in trockenen Chips) haben. Sie können in nassen Spänen als weiße Kerne erscheinen und unter UV-Licht fluoreszieren. Diese entstehen, wenn örtlich begrenzter Polyester während der Produktion und beim Spinnen über längere Zeiträume nahe der Schmelztemperatur (260 °C) bleibt. Aufgrund ihres hohen Schmelzpunkts sind sie bei typischen Spinntemperaturen schwer zu schmelzen und bilden möglicherweise zarte Gele oder reife Gele in den Spinnkomponenten, was zu Bruch und schnellen Verstopfungen führt. Wenn diese hochkristallinen Komponenten in das Garn gelangen, können sie zu ungleichmäßiger Färbung, ungleichmäßiger Zugfestigkeit und ungleichmäßiger Dehnung führen, was zu schwachen Filamenten mit geringer Festigkeit führt.

5. Katalysatorrückstände minimieren
   Die während des Polymerisationsprozesses zugesetzten Veresterungs- und Polykondensationskatalysatoren verbleiben in der Polyesterschmelze (Chips) und beeinträchtigen die Spinnbarkeit (Filtrationsleistung). Daher ist es von entscheidender Bedeutung, Metallkatalysatoren mit minimalem Einfluss auf die Spinnbarkeit während der Polymerisation auszuwählen und sie sparsam zu verwenden, um ihren Einfluss auf die Spinnleistung zu reduzieren. Derzeit werden Antimonoxide (Sb2O3) häufig als Polymerisationskatalysatoren bei der Polyesterproduktion in China verwendet, wobei die Retentionswerte zwischen 2,0 und 4,5 ppm liegen. Die Anwesenheit von Antimon kann die Farbe des Polymers beeinflussen; Höhere Konzentrationen können den „L“-Wert verringern (Grauheit erhöhen) und gleichzeitig die Verschmutzung in den Spinndüsenkapillaren erhöhen, was zu mehr Spinnbrüchen und einer verringerten Spinnfähigkeit führt. Beim Spinnen ultrafeiner Fasern ist es wichtig, Polyesterchips mit geringem Katalysatorgehalt wie Antimon zu verwenden.

Die Reduzierung der Menge an Katalysatoren wie Antimon während der Polymerisation hängt vom Prozess und der Ausrüstung sowie von der Qualität und Reinheit der Katalysatoren, insbesondere Sb2O3, ab. Da Antimon selbst und seine unvollständigen Oxide (Sb2O5) keine katalytische Wirkung haben, würde eine geringe Reinheit von Sb2O3, das erhebliche Mengen an metallischem Antimon und seinen Oxiden enthält, für die gleiche katalytische Wirkung einen erhöhten Einsatz erfordern, was den Antimongehalt des Endpolymers erhöhen würde. Ähnliche Probleme werden bei anderen Katalysatoren wie Mangan und Kobalt beobachtet, insbesondere wenn Calciummetallkatalysatoren beteiligt sind, was zu größeren Ablagerungen und größeren Auswirkungen auf die Spinnbarkeit führt.

1. Mindestgehalt an TiO2 zur Erfüllung der Opazitätsanforderungen.
   TiO2 wirkt sich negativ auf die Spinnleistung aus, insbesondere wenn große TiO2-Partikel vorhanden sind. Zuvor betrug der Zuschlagsbetrag in China 0,5 %, jetzt beträgt er 0,3 %. International weisen halbmatte Polyesterchips typischerweise TiO2-Zugaberaten von 0,15 % bis 0,3 % auf. TiO2 hat auch zwei nachteilige Auswirkungen: Es dient als Abbaukatalysator für Polyester und fördert dessen Abbau beim Spinnen, und seine Aggregate sind in Triethylenglykol unlöslich, was die Reinigung des Schmelzefilters erschwert. Darüber hinaus sind die Partikelgröße des verwendeten TiO2 sowie seine Emulgier- und Dispersionseigenschaften in Glykol- und Polyester-Oligomeren entscheidend. Wenn die TiO2-Partikelgröße 0,3 μm überschreitet oder sich in der Glykolsuspension leicht aggregiert, führt dies zu aggregierten TiO2-Partikeln, die größer als 0,3 μm sind, was die Spinnbarkeit von Polyester erheblich beeinträchtigt.

2. Diethylenglykolgehalt
   Der Gehalt liegt im Allgemeinen zwischen 0,7 % und 1,5 %, wobei höhere Mengen bevorzugt werden. Diethylenglykol (DEG) ist ein Nebenprodukt der binären Alkoholreaktion während der Polymerisation, das aus dem Überschuss an Ethylenglykol und der absichtlichen Zugabe während des Kondensationsprozesses entsteht. Obwohl die Bildung von DEG während der Polymerisation unvermeidbar ist, kann die Menge durch die richtige Kontrolle der Verarbeitungsbedingungen angepasst werden. Es wird angenommen, dass die absichtliche Zugabe von DEG die Spinnbarkeit und die Qualität der Endfasern verbessert.

Die Menge an DEG in Polyester bezieht sich effektiv auf den Gehalt an Etherbindungen. Die Etherbindungen in DEG können die Ethylenglykolsegmente in Polyestermakromolekülen verändern und dadurch die Anzahl der Etherbindungen erhöhen. Da es sich bei Etherbindungen um farbstoffabsorbierende Gruppen handelt, können sie die Farbstoffaufnahme von Polyesterfasern (die von Natur aus nur sehr wenige farbstoffabsorbierende Gruppen enthalten) verbessern. Unterdessen stört das Vorhandensein von Etherbindungen die geordnete Anordnung von Makromolekülen. Etherbindungen haben außerdem eine gute Polarität und hohe Entropie und können daher den Schmelzpunkt senken und die Kristallinität verringern, was entsprechend zu einer Verringerung der Faserfestigkeit führt. Allerdings erhöht ein höherer DEG-Gehalt den B-Wert (Gelbton) von Polyesterchips, sodass dieser Gehalt kontrolliert werden muss. Wichtig ist, dass die Einheitlichkeit der DEG-Inhalte von entscheidender Bedeutung ist. Ist die Menge hoch, aber nicht gleichmäßig, kann sie dennoch die Spinnbarkeit und Färbekonsistenz der Fasern beeinträchtigen. Idealerweise sollte die Schwankungsbreite zwischen 0,05 % und 0,1 % liegen.

Darüber hinaus verringert eine Zunahme der Etherbindungen den Schmelzpunkt von Polyesterchips und verringert die Hitzeoxidationsstabilität; Allerdings beeinträchtigt es die thermische Stabilität unter anoxischen Bedingungen nicht. Polyester mit hohem DEG-Gehalt zeigen eine schlechtere Kristallisation, was zu einer langsameren Kristallisation während des Spinnens führt, was für die Herstellung von POY mit niedriger Kristallinität und hoher Orientierung von Vorteil ist und die Qualität des endgültigen DTY verbessert.

1. Kristallisationsspitzen beim Schmelzen
   Der Spinnprozess von Polyesterchips umfasst alle Veränderungen, die vom Schmelzen bis zum Abkühlen und Formen auftreten. Die Kristallisationsfähigkeit von Polyester beeinflusst nicht nur die Kristallinität und Ausrichtung der Fasern, sondern wird auch von den Spinnbedingungen beeinflusst. Die Schmelzkristallisationstemperatur und die Peakhöhe auf der DSC-Kurve sind wichtige Indikatoren für die Kristallisationsfähigkeit eines Polyesters. Die Ergebnisse der thermischen Analyse von sechs verschiedenen Proben sind in Tabelle 10-2 aufgeführt.

Aus der Tabelle geht hervor, dass die Spinnfähigkeit von Polyesterchips eng mit ihrer Schmelzkristallisationstemperatur und Peakform zusammenhängt. Chips mit niedrigeren Schmelzkristallisationstemperaturen und breiteren, flacheren Peakverteilungen weisen eine bessere Spinnbarkeit auf; Im Gegensatz dazu zeigen Chips mit höheren Schmelztemperaturen und scharf definierten Spitzenformen eine schlechtere Spinnbarkeit. Im Allgemeinen gelten Polyesterchips mit Schmelzkristallisationstemperaturen um 170–180 °C als gut spinnbar. Bei der Charakterisierung der Spinnbarkeit anhand des Spitzenwerts gelten Chips mit Werten von 0,5 bis 1,0 als besser, während Chips unter 0,5 eine schlechte Spinnbarkeit aufweisen. Polyesterschmelzen, die beim Austritt aus der Spinndüse zu schnell kristallisieren, bilden schnell kristalline Strukturen, was die parallele Ausrichtung von Makromolekülen erschwert und zu einer schlechteren Faserqualität führt. Bei nachfolgenden Streckprozessen muss das Spinnen bei höheren Temperaturen erfolgen, was die Verformungsschwierigkeiten erhöht. Bei der weiteren Wärmehärtung entstehen durch schnelle Kristallisation oft große Kristallblöcke mit ungleichmäßiger Kristallstruktur. All diese Faktoren können zu einer schlechten Qualität des Endprodukts führen. Daher wird ein Polyester mit einer niedrigeren Schmelzkristallisationstemperatur und einer langsameren Kristallisationsgeschwindigkeit bevorzugt.

2. Anforderungen an die Spantrocknung

Die Spinntemperatur beim Hochgeschwindigkeitsspinnen liegt im Allgemeinen 5 bis 15 °C höher als beim konventionellen Spinnen. Daher muss der Feuchtigkeitsgehalt trockener Späne für das Hochgeschwindigkeitsspinnen niedriger sein, um die Hydrolyse der Schmelze zu reduzieren. Darüber hinaus können sich beim Hochgeschwindigkeitsspinnen auch dann, wenn in der Schmelze nur geringe Mengen Feuchtigkeit vorhanden sind, die entstehenden Blasen im feinen Schmelzestrom, der aus der Spinndüse ausgestoßen wird, verfangen, was zu herumfliegenden Filamenten oder versteckten Defekten innerhalb einzelner Filamente führt und beim anschließenden Strecken zu Haarigkeit oder Bruch führt. Daher sollte der Feuchtigkeitsgehalt trockener Späne weniger als 50 ppm, idealerweise unter 30 ppm, betragen. Ein höherer Feuchtigkeitsgehalt wirkt sich negativ auf die charakteristische Viskosität der Schmelze beim Spinnen aus und verschlechtert die Spinnbedingungen. Um einen guten Spinnzustand aufrechtzuerhalten, muss der Feuchtigkeitsgehalt der trockenen Späne nicht nur den Anforderungen entsprechen, sondern auch gleichmäßig sein.

Bei der Spänetrocknung beeinflusst die Trocknungstemperatur sowohl die Effizienz als auch die Qualität der trockenen Späne. Die Trocknungstemperatur muss eine vollständige und schnelle Verdunstung der Feuchtigkeit gewährleisten und gleichzeitig eine Verringerung der charakteristischen Viskosität der Chips oder ein Vergilben des Farbtons bei erhöhten Temperaturen verhindern. Während der Trocknung sollte die tatsächliche Temperatur der Späne idealerweise 160 °C nicht überschreiten und die Temperatur der trocknenden Heißluft sollte 185 °C nicht überschreiten. Durch Erhöhen des Trocknungsluftvolumens und Senken der Luftfeuchtigkeit kann die Trocknungseffizienz verbessert werden. Die Wahl der Vorkristallisationstemperatur und -zeit sollte auch auf unterschiedliche Geräte und Chipmaterialien abgestimmt sein. Für schnell kristallisierende Späne sollten niedrigere Temperaturen und kürzere Vorkristallisationszeiten eingesetzt werden.