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摘要:本文主要从多元柔性直纺在线添加装备的设计简述、多元柔性直纺在线添加装备的设计及多元柔性直纺在线添加典型工藝三个方面对多元柔性直纺在线添加装备的设计进行了详细的分析与介绍，以供参考。
关键字：多元柔性直纺；设计加工；控制系统；
中图分类号： S611 文献标识码： A
前言：由于多元柔性直纺在线添加装备的设计还没有在环保彩色纤维领域得到广泛的应用，但是由于其具有的显著的优点，使得其的发展前景十分的广阔。
一、多元柔性直纺在线添加装备的设计简述
多元柔性直纺在线添加装备及工艺技术研究项目通过自主设计制造气动无死角注入头、计量及多元耦合装置、系列动态分散器等关键设备技术，研究彩色及功能性差别化涤纶长丝熔体直纺在线添加工艺中不同添加剂与聚酯熔体间进行高效耦合、快速动态均匀分散的纺丝工艺技术，在聚酯熔体进入纺丝箱体之前由两台添加物制备装置将一种或多种添加原料经过滤后通过计量装置精确计量进入无死角注入头和多元耦合设备，主熔体通过压力调整后进入多元耦合与一种或数种添加物高效偶合，经多元耦合对不同温度的熔体经热交换后一同注入到动态分散器中，对共混熔体进行充分地分散后进入纺丝箱体进行纺丝，所生产出的彩色涤纶纤维或改性纤维产品质量高、色系全、色彩亮丽鲜艳、色牢度好，耐水洗、抗磨性等性能良好，产品档次高等。工艺调整方便，添加、分散易于实现自动化精密控制，利用该技术可以相当方便的生产各种功能性纤维以及对色彩具有敏感性的彩色纤维，其熔体排废量小，避免了染色和后整理环境污染，节省能耗，适用范围广。
二、多元柔性直纺在线添加装备的设计
（一）三个关键单机设备技术
1、气动无死角注入头的设计加工
（1）为防止功能化或彩色系列纤维加工过程中，品种更换之间由于设备内部残存对纤维品种的影响，在添加剂加入部位设计了气动式无死角注入装置，其机构原理示意。在启动电磁阀开关控制下，双向作用汽缸可双向运动，带动含有热媒保温的拉动连杆实现开与关，完成添加组分的进入和切断过程。当不需要添加时，连杆右移到装置的右端，阻止添加剂熔体组分的进入。
（2）该装置类似于开关作用，主要应用于大单元的母粒法和较小单元的液相法，但是在切换颜色或改变添加物时，注入头关闭时不会在系统中留有死角，同时，防止残留物降解碳化。工作过程中在一个组分关闭时，不会产生该组分的残留参与，保证了纤维品种批次间的的纯洁性。
（3）该装置的组成包括：双作用驱动汽缸、万向连杆、注入头套和柱塞式滑杆等组成。注入头套设计成带热媒保温和不带热媒保温两种形式。其规格根据流量大小通径不同。
2、多元耦合器的设计加工
在聚酯熔体进入纺丝箱体之前，由添加物制备装置将一种或多种添加原料经过滤后，通过计量装置精确计量进入无死角注入头和多元耦合制备，主熔体通过压力调整后进入多元偶合与一种或数种添加物高效偶合，使其立即形成共混熔体，并在共混过程中实现温度的均匀一致，而后进入到动态分散器中进行强力分散。在实际生产中我们设计了添加物熔体精密计量及耦合初混的单元。
该单元一般由计量泵座、注入导流管、组合式静态混合器等组成，可独立设置在一个保温箱内，也可以设置在动态分散器入口。计量和分散是本项目的关键技术，但在实践中不可忽视的是，添加物熔体或液相色浆与熔体的迅速初混的重要性。因此，在设备设计中引入中心注入和高效静态混合的方法，使最终效果得到保证。
3、动态分散器设备的设计加工及系列化
动态分散器主要是保证共混物的混合均匀性，特别是针对彩色聚酯纤维纺丝熔体输送过程中有可能发生的颜料或添加物分散不匀等问题设置的装置。
动态分散器的性能对产品的质量十分关键，其性能主要体现在熔体压降、剪切速率、流动速度等参数上，同时，要求熔体输送压降与分散剪切尽可能不相关以减少相互间影响。动态分散器是彩色或功能性熔体在纺前制备的最后一道关键工艺，在前段利用相关程序对压力、多元添加物注入量等各项工艺参数进行精确系统控制的前提下，在此对共混熔体进行终端充分稳定的分散后进入纺丝箱体进行纺丝。
（二）对三种添加系统控制的分析
1、2500吨/年中单元色母粒添加系统
（1）系统基本流程为：聚酯熔体----增压泵----偶合单元---动态分散---过滤---纺丝。
（2）添加物计量--熔体制备--粗过滤--精密计量--该系统的控制系统包括：隔离增压泵压力反馈闭环控制控制、添加物熔体制备闭环控制（包括母粒计量、熔融挤出等）、添加物熔体注入计量控制、动态分散器控制等。控制系统中，色母粒的体积计量和添加物熔体注入计量的变频器是与纺丝计量泵分段连锁的。
（3）通常设计，母粒浓度中心值为30%，一次母粒添加量为10%～30%，二次与主熔体混合比为10%～20%，最终使添物含量为0.3%～1.8%。在实际操作中，一般按照母粒的比例进行控制，即1%-6%。
2、大单元母粒添加系统
（1）本系统主要由母粒干燥计量、干切片输送、熔融挤出、添加物熔体过滤、添加物熔体计量、气动注入头、24台串接式动态分散器及其控制系统所组成，其它部分与熔体直纺系统相同。
（2）其流程可以表述为：主熔体由聚合输入，经过本线增压泵增压至设定压力；添加物首先由母粒计量按照浓度比例计量进入螺杆挤出机，形成一定浓度的添加物熔体，经过过滤、精确计量比例由注入头注入增压泵出口熔体管内，再经过冷却器，形成共混熔体，并通过分流节点的静态混合器均化，保持共混状态；在进入纺丝箱体之前经过动态分散器，实现终端强力分散，然后进入纺丝箱纺丝。对于分散性良好的添加物，可以不运转动态分散器。
（3）控制系统中，由包括增压泵闭环控制、母粒失重法计量控制、螺杆挤出机闭环控制、色料熔体计量控制、动态分散器控制等组成。一次和二次计量的变频器是与纺丝计量泵分段连锁。系统设计，母粒浓度中心值设为40%，一次计量母粒添加量为20%～40%，二次计量添加物熔体与主熔体比为10%～15%，最终使母粒添加量达到2%～6%。添加物计量精度达到±0.5%以上。
3、1250吨/年小单元液相色料添加系统
（1）1250吨/年小单元液相色料添加系统，在注入端设计、耦合技术和动态分散技术方面方案相似，所不同的是混合添加剂变为液相色料，可以常温下计量，因此省去了切片、母粒干燥和色料熔体熔融制备等环节。主要由1加压料罐、4常温高精密液相计量装置、5气动注入头、6、耦合元件和7动态分散装置等组成。
（2）该装置主要适合于液相常温添加，根据液相色料的特性，目前较适合于小单元多品种生产，其原料耐热时间不能超过15分钟，设计停留时间一般在10分钟以内，但已经可以满足多色系小批量产品的稳定生产。
（3）其设备系统流程：聚酯熔体分配管→动态分散器→纺丝箱→涤纶彩色POY生产
（4）加压料罐→高精度计量装置→气动注入头
（5）系统设计，母液浓度一般为30-40%，一次计量添加量为1%～3%，最终使添物含量加量0.3%～1.2%。添加物计量精度达到±0.1%以上。
三、多元柔性直纺在线添加典型工艺
（一）中单元母粒添加系统生产FDY的工艺
1、设备及工艺流程概述
（1）主要设备：
熔体输送系统：熔体管线、增压泵、熔体冷却器、静态混合器、热媒供给和循环系统、空气冷却器。
六位添加系统及纺丝设备：隔离增压泵、添加物熔体制备系统、二次计量计量及耦合单元、动态分散器、熔体过滤器、纺丝箱体、纺丝计量泵、纺丝组件、喷丝板、侧吹风系统、上油装置、纺丝甬道等。
卷绕设备：予网络装置、热牵伸辊、终网络器、FDY全自动卷绕机等。
（2）生产工艺流程如下：
终缩聚反应釜→熔体出料泵→熔体过滤器→热交换增压泵→隔离增压泵→多元耦合→多功能均匀分散→熔体过滤器→纺丝箱体→计量泵→纺丝组件→ （色母粒一次计量计量装置和功能添加剂母粒计量→熔融） 喷丝板→侧吹风→纺丝甬道→上油轮→予网络喷嘴→导丝器→热牵伸辊→终网络→断丝检测→卷绕成型→物理检验定等→外观分级→包装→入库→成品出厂
（二）小单元液相添加系统生产彩色POY/DTY的工艺
1、设备及工艺流程概述
（1）主要设备：
熔体输送系统：熔体管线、增压泵、熔体冷却器、静态混合器、热媒供给和循环系统、空气冷却器。
三位添加系统及纺丝设备：加压料罐、常温高精密液相计量装置、气动注入头、偶合元件、动态分散装置、熔体过滤器、纺丝箱体、纺丝计量泵、纺丝组件、喷丝板、侧吹风系统、上油装置、纺丝甬道等。
卷绕设备：予网络装置、导丝盘、POY全自动卷绕机等。
2）生产工艺流程如下：
终缩聚反应釜→熔体出料泵→熔体过滤器→热交换增压泵→熔体分配→三位熔体管→偶合→多功能均匀分散→纺丝箱体→计量泵→纺丝组件→喷丝板→侧吹（母液料罐→液相添加母液一次计量装置→气动注入头）风→上油嘴→纺丝甬道→予网络喷嘴→导丝盘→断丝检测器→卷绕成型→物理检验→DTY加工→物理及外观检验分级→包装成品出厂。
（三）影响纤维品质的主要因素分析
1、主熔体
（1）聚合的稳定性；
（2） 熔体输送系统 ；
（3） 聚酯熔体黏度 ；
（4）聚酯熔体二甘醇含量；
2、添加物品质及处理工艺；
（1） 色母粒及功能添加剂组分的影响及要求
（2） 添加物工艺条件控制和纺丝温度
3、纺丝工艺条件
（1） 熔体过滤和组件压力
（2）侧吹风条件
（3） 上油集束位置
（4）卷绕张力与卷绕角
（四）本项目工艺柔性化技术的主要体现
1、本系统的柔性差别纤维生产技术主要体现在以下几个方面：
根据生产所需要的色母粒品种、添加量以及纤维生产数量，可选择不同的方式进行彩色纤维的生产。
（1）熔体直纺白丝工艺：控制单元色母粒或气动注入头处于关闭状态，此时主熔体沿熔体管道直接进入纺丝组件，进行常规或差别化白丝的生产；
（2）彩色纤维或功能性纖维：根据添加的品种以及生产数量，可以安排不同单元纺丝系统，此时按照工艺控制程序开启色母粒或液相添加物计量装置以及通过静态混合器和偶和单元、动态分散器，完成设定配比的彩色纤维的生产；
（3）彩色纤维或功能性纤维：对于黑色以及分散性不好的色母粒，开启熔体管道中的动态分散器，实施色母粒或液相添加物强化均匀混合过程，按设定配比生产彩色纤维。
2、系统的柔性化色纺配置的必要条件
生产管理方面：有色聚酯纤维的生产加工过程中，为减少不同纤维批次间色系的沾色，降低批次间损失，在更换不同色系纤维生产时，颜色编组要遵从以下原则进行：
（1）每单元应按照标准色卡确定相对稳定的基色系；
（2）每单元色系过渡时要按照由浅到深的顺序进行。
系统设计方面：设备的单元配置要有利于实现产品更换是，设备停台比例最小化，必须应用生产运营信息化管理系统，对设备稳定运行实行安全联锁保护。
结论
使用多元柔性直纺在线添加装备的设计出的彩色涤纶纤维或改性纤维产品质量高、色系全、色彩亮丽鲜艳、色牢度好，耐水洗、抗磨性等性能良好，产品档次高。熔体直纺生产线采用多元柔性直纺在线添加装备的设计生产涤纶彩色及多功能纤维，大大降低了传统切片纺丝的能耗和熔体排废量，避免了后染色环境污染，适用范围广、产品附加值高。希望多元柔性直纺在线添加装备的设计能够得到广泛的应用与推广，以取得更高的经济效益。
关键字：多元柔性直纺；设计加工；控制系统；
中图分类号： S611 文献标识码： A
前言：由于多元柔性直纺在线添加装备的设计还没有在环保彩色纤维领域得到广泛的应用，但是由于其具有的显著的优点，使得其的发展前景十分的广阔。
一、多元柔性直纺在线添加装备的设计简述
多元柔性直纺在线添加装备及工艺技术研究项目通过自主设计制造气动无死角注入头、计量及多元耦合装置、系列动态分散器等关键设备技术，研究彩色及功能性差别化涤纶长丝熔体直纺在线添加工艺中不同添加剂与聚酯熔体间进行高效耦合、快速动态均匀分散的纺丝工艺技术，在聚酯熔体进入纺丝箱体之前由两台添加物制备装置将一种或多种添加原料经过滤后通过计量装置精确计量进入无死角注入头和多元耦合设备，主熔体通过压力调整后进入多元耦合与一种或数种添加物高效偶合，经多元耦合对不同温度的熔体经热交换后一同注入到动态分散器中，对共混熔体进行充分地分散后进入纺丝箱体进行纺丝，所生产出的彩色涤纶纤维或改性纤维产品质量高、色系全、色彩亮丽鲜艳、色牢度好，耐水洗、抗磨性等性能良好，产品档次高等。工艺调整方便，添加、分散易于实现自动化精密控制，利用该技术可以相当方便的生产各种功能性纤维以及对色彩具有敏感性的彩色纤维，其熔体排废量小，避免了染色和后整理环境污染，节省能耗，适用范围广。
二、多元柔性直纺在线添加装备的设计
（一）三个关键单机设备技术
1、气动无死角注入头的设计加工
（1）为防止功能化或彩色系列纤维加工过程中，品种更换之间由于设备内部残存对纤维品种的影响，在添加剂加入部位设计了气动式无死角注入装置，其机构原理示意。在启动电磁阀开关控制下，双向作用汽缸可双向运动，带动含有热媒保温的拉动连杆实现开与关，完成添加组分的进入和切断过程。当不需要添加时，连杆右移到装置的右端，阻止添加剂熔体组分的进入。
（2）该装置类似于开关作用，主要应用于大单元的母粒法和较小单元的液相法，但是在切换颜色或改变添加物时，注入头关闭时不会在系统中留有死角，同时，防止残留物降解碳化。工作过程中在一个组分关闭时，不会产生该组分的残留参与，保证了纤维品种批次间的的纯洁性。
（3）该装置的组成包括：双作用驱动汽缸、万向连杆、注入头套和柱塞式滑杆等组成。注入头套设计成带热媒保温和不带热媒保温两种形式。其规格根据流量大小通径不同。
2、多元耦合器的设计加工
在聚酯熔体进入纺丝箱体之前，由添加物制备装置将一种或多种添加原料经过滤后，通过计量装置精确计量进入无死角注入头和多元耦合制备，主熔体通过压力调整后进入多元偶合与一种或数种添加物高效偶合，使其立即形成共混熔体，并在共混过程中实现温度的均匀一致，而后进入到动态分散器中进行强力分散。在实际生产中我们设计了添加物熔体精密计量及耦合初混的单元。
该单元一般由计量泵座、注入导流管、组合式静态混合器等组成，可独立设置在一个保温箱内，也可以设置在动态分散器入口。计量和分散是本项目的关键技术，但在实践中不可忽视的是，添加物熔体或液相色浆与熔体的迅速初混的重要性。因此，在设备设计中引入中心注入和高效静态混合的方法，使最终效果得到保证。
3、动态分散器设备的设计加工及系列化
动态分散器主要是保证共混物的混合均匀性，特别是针对彩色聚酯纤维纺丝熔体输送过程中有可能发生的颜料或添加物分散不匀等问题设置的装置。
动态分散器的性能对产品的质量十分关键，其性能主要体现在熔体压降、剪切速率、流动速度等参数上，同时，要求熔体输送压降与分散剪切尽可能不相关以减少相互间影响。动态分散器是彩色或功能性熔体在纺前制备的最后一道关键工艺，在前段利用相关程序对压力、多元添加物注入量等各项工艺参数进行精确系统控制的前提下，在此对共混熔体进行终端充分稳定的分散后进入纺丝箱体进行纺丝。
（二）对三种添加系统控制的分析
1、2500吨/年中单元色母粒添加系统
（1）系统基本流程为：聚酯熔体----增压泵----偶合单元---动态分散---过滤---纺丝。
（2）添加物计量--熔体制备--粗过滤--精密计量--该系统的控制系统包括：隔离增压泵压力反馈闭环控制控制、添加物熔体制备闭环控制（包括母粒计量、熔融挤出等）、添加物熔体注入计量控制、动态分散器控制等。控制系统中，色母粒的体积计量和添加物熔体注入计量的变频器是与纺丝计量泵分段连锁的。
（3）通常设计，母粒浓度中心值为30%，一次母粒添加量为10%～30%，二次与主熔体混合比为10%～20%，最终使添物含量为0.3%～1.8%。在实际操作中，一般按照母粒的比例进行控制，即1%-6%。
2、大单元母粒添加系统
（1）本系统主要由母粒干燥计量、干切片输送、熔融挤出、添加物熔体过滤、添加物熔体计量、气动注入头、24台串接式动态分散器及其控制系统所组成，其它部分与熔体直纺系统相同。
（2）其流程可以表述为：主熔体由聚合输入，经过本线增压泵增压至设定压力；添加物首先由母粒计量按照浓度比例计量进入螺杆挤出机，形成一定浓度的添加物熔体，经过过滤、精确计量比例由注入头注入增压泵出口熔体管内，再经过冷却器，形成共混熔体，并通过分流节点的静态混合器均化，保持共混状态；在进入纺丝箱体之前经过动态分散器，实现终端强力分散，然后进入纺丝箱纺丝。对于分散性良好的添加物，可以不运转动态分散器。
（3）控制系统中，由包括增压泵闭环控制、母粒失重法计量控制、螺杆挤出机闭环控制、色料熔体计量控制、动态分散器控制等组成。一次和二次计量的变频器是与纺丝计量泵分段连锁。系统设计，母粒浓度中心值设为40%，一次计量母粒添加量为20%～40%，二次计量添加物熔体与主熔体比为10%～15%，最终使母粒添加量达到2%～6%。添加物计量精度达到±0.5%以上。
3、1250吨/年小单元液相色料添加系统
（1）1250吨/年小单元液相色料添加系统，在注入端设计、耦合技术和动态分散技术方面方案相似，所不同的是混合添加剂变为液相色料，可以常温下计量，因此省去了切片、母粒干燥和色料熔体熔融制备等环节。主要由1加压料罐、4常温高精密液相计量装置、5气动注入头、6、耦合元件和7动态分散装置等组成。
（2）该装置主要适合于液相常温添加，根据液相色料的特性，目前较适合于小单元多品种生产，其原料耐热时间不能超过15分钟，设计停留时间一般在10分钟以内，但已经可以满足多色系小批量产品的稳定生产。
（3）其设备系统流程：聚酯熔体分配管→动态分散器→纺丝箱→涤纶彩色POY生产
（4）加压料罐→高精度计量装置→气动注入头
（5）系统设计，母液浓度一般为30-40%，一次计量添加量为1%～3%，最终使添物含量加量0.3%～1.2%。添加物计量精度达到±0.1%以上。
三、多元柔性直纺在线添加典型工艺
（一）中单元母粒添加系统生产FDY的工艺
1、设备及工艺流程概述
（1）主要设备：
熔体输送系统：熔体管线、增压泵、熔体冷却器、静态混合器、热媒供给和循环系统、空气冷却器。
六位添加系统及纺丝设备：隔离增压泵、添加物熔体制备系统、二次计量计量及耦合单元、动态分散器、熔体过滤器、纺丝箱体、纺丝计量泵、纺丝组件、喷丝板、侧吹风系统、上油装置、纺丝甬道等。
卷绕设备：予网络装置、热牵伸辊、终网络器、FDY全自动卷绕机等。
（2）生产工艺流程如下：
终缩聚反应釜→熔体出料泵→熔体过滤器→热交换增压泵→隔离增压泵→多元耦合→多功能均匀分散→熔体过滤器→纺丝箱体→计量泵→纺丝组件→ （色母粒一次计量计量装置和功能添加剂母粒计量→熔融） 喷丝板→侧吹风→纺丝甬道→上油轮→予网络喷嘴→导丝器→热牵伸辊→终网络→断丝检测→卷绕成型→物理检验定等→外观分级→包装→入库→成品出厂
（二）小单元液相添加系统生产彩色POY/DTY的工艺
1、设备及工艺流程概述
（1）主要设备：
熔体输送系统：熔体管线、增压泵、熔体冷却器、静态混合器、热媒供给和循环系统、空气冷却器。
三位添加系统及纺丝设备：加压料罐、常温高精密液相计量装置、气动注入头、偶合元件、动态分散装置、熔体过滤器、纺丝箱体、纺丝计量泵、纺丝组件、喷丝板、侧吹风系统、上油装置、纺丝甬道等。
卷绕设备：予网络装置、导丝盘、POY全自动卷绕机等。
2）生产工艺流程如下：
终缩聚反应釜→熔体出料泵→熔体过滤器→热交换增压泵→熔体分配→三位熔体管→偶合→多功能均匀分散→纺丝箱体→计量泵→纺丝组件→喷丝板→侧吹（母液料罐→液相添加母液一次计量装置→气动注入头）风→上油嘴→纺丝甬道→予网络喷嘴→导丝盘→断丝检测器→卷绕成型→物理检验→DTY加工→物理及外观检验分级→包装成品出厂。
（三）影响纤维品质的主要因素分析
1、主熔体
（1）聚合的稳定性；
（2） 熔体输送系统 ；
（3） 聚酯熔体黏度 ；
（4）聚酯熔体二甘醇含量；
2、添加物品质及处理工艺；
（1） 色母粒及功能添加剂组分的影响及要求
（2） 添加物工艺条件控制和纺丝温度
3、纺丝工艺条件
（1） 熔体过滤和组件压力
（2）侧吹风条件
（3） 上油集束位置
（4）卷绕张力与卷绕角
（四）本项目工艺柔性化技术的主要体现
1、本系统的柔性差别纤维生产技术主要体现在以下几个方面：
根据生产所需要的色母粒品种、添加量以及纤维生产数量，可选择不同的方式进行彩色纤维的生产。
（1）熔体直纺白丝工艺：控制单元色母粒或气动注入头处于关闭状态，此时主熔体沿熔体管道直接进入纺丝组件，进行常规或差别化白丝的生产；
（2）彩色纤维或功能性纖维：根据添加的品种以及生产数量，可以安排不同单元纺丝系统，此时按照工艺控制程序开启色母粒或液相添加物计量装置以及通过静态混合器和偶和单元、动态分散器，完成设定配比的彩色纤维的生产；
（3）彩色纤维或功能性纤维：对于黑色以及分散性不好的色母粒，开启熔体管道中的动态分散器，实施色母粒或液相添加物强化均匀混合过程，按设定配比生产彩色纤维。
2、系统的柔性化色纺配置的必要条件
生产管理方面：有色聚酯纤维的生产加工过程中，为减少不同纤维批次间色系的沾色，降低批次间损失，在更换不同色系纤维生产时，颜色编组要遵从以下原则进行：
（1）每单元应按照标准色卡确定相对稳定的基色系；
（2）每单元色系过渡时要按照由浅到深的顺序进行。
系统设计方面：设备的单元配置要有利于实现产品更换是，设备停台比例最小化，必须应用生产运营信息化管理系统，对设备稳定运行实行安全联锁保护。
结论
使用多元柔性直纺在线添加装备的设计出的彩色涤纶纤维或改性纤维产品质量高、色系全、色彩亮丽鲜艳、色牢度好，耐水洗、抗磨性等性能良好，产品档次高。熔体直纺生产线采用多元柔性直纺在线添加装备的设计生产涤纶彩色及多功能纤维，大大降低了传统切片纺丝的能耗和熔体排废量，避免了后染色环境污染，适用范围广、产品附加值高。希望多元柔性直纺在线添加装备的设计能够得到广泛的应用与推广，以取得更高的经济效益。