Линия для производства волокна из ПЭТ

Оборудование для производства синтетического волокна - это линия, состоящая из нескольких последовательно установленных агрегатов, которые перерабатывают ПЭТ-сырье в полиэфирное волокно методом экструзии с последующим его вытяжением, скручиванием. Линия может включать блок переработки отходов ПЭТ или начинаться с этапа экструзии при использовании готового гранулята, флекса. Результатом переработки является жгут в бобинах или резаное волокно.

Ежегодно на полигонах накапливается большое количество использованных изделий из полиэтилентерефталата, которые не подвергаются биологическому разложению. Для предотвращения необратимых для экологии последствий ПЭТ-бутылки и иные отходы отправляют на вторичную переработку и применяют при формовании новых изделий.

Фото заимствовано с сайта kupi-othodov.ru

Бутылки сортируют, первично моют, пропускают через перфоратор ПЭТ, удаляют этикетки (если линия по переработке отходов включает машину для удаления этикеток и клеевого слоя), измельчают в дробилках. Полученный флекс подвергают многостадийной мойке, сепарации во флотационной ванне для отделения мусора и остаточных элементов этикеток, сушке в сушильных агрегатах, центрифугах. Количество циклов мойки зависит от степени загрязнения отходов. При этом используется интенсивная мойка, ванны флотации. Далее флекс может сразу отправляться на этап формования будущих изделий или на этап грануляции.

Фото заимствовано с сайта p-z-o.com

Виды синтетических волокон

Из переработанного полиэтилентерефталата изготавливают не только новую тару, но и синтетическое ПЭТ-волокно, тестурированное волокно, нетканое полотно технического назначения, текстильное полотно. Нетканое полотно используется в качестве основы для линолеума, гидроизоляционного полотна. Полотно может применяться в различных сферах строительства: при подготовке фундаментов, кровельных конструкций, при реконструкции автодорог, железных дорог. Также нетканые полотна могут применяться в текстильной промышленности при производстве верхней одежды (подкладка), стеганых одеял и покрывал; при изготовлении мебели; при изготовлении матрасов, детских игрушек. Основу нетканого полотна составляют синтетические волокна (жгут), которые могут поставляться в формате нарезки заданной длины или в виде бобинной намотки.

Основным критерием разделения полиэфирного волокна является его линейная плотность, которая измеряется в текс (tex). Текс равен 1г/1 км нити. Средняя линейная плотность равна 0,22-1,5 текс для регулярных волокон; 0,67-0,84 текс для силиконизированных волокон. В России налажен выпуск следующих видов полиэфирных нитей:

1. POY;

2. FDY;

3. текстурированная нить (DTY, ATY).

POY

POY - предварительно ориентированная нить (Pre Oriented Yarn). Волокна экструдируют из расплава, в котором макромолекулы не ориентированы (первично ориентированы), обладают низкой степенью кристалличности. Волокно при этом имеет низкую прочность. Для улучшения физических свойств нити выполняется ее одноосная вытяжка на прядильной установке с высокой скоростью намотки. Готовая нить имеет среднюю прочность, относительно невысокую плотность, но значительный показатель удлинения до 200%.

FDY

FDY - полностью ориентированная нить (Fully Drawn Yarn). Вытяжка нити производится в два этапа. Прядение происходит на повышенных скоростях с использованием подогреваемых галет или с предварительным разогревом в специальных печах. В результате можно получить высокопрочную нить high tenacity - НТ. Она востребована в текстильной промышленности (трикотаж, галантерея).

Текстурированная нить

Текстурированная нить отличаются от исходных волокон повышенным удельным объемом, рыхлой структурой, большей растяжимостью и сильной извитостью. В качестве исходных материалов используются волокна POY или FDY. Нити POY дополнительно ориентируют (вытягивают). Нити FDY не требуют дополнительной ориентации.

Волокно по способу последующего ориентирования делят на два вида: DTY и ATY. Синтетические нити DTY изготавливают путем фрикционного текстурирования, для ATY используют аэродинамическое текстурирование.

- DTY

DTY - вытянутые текстурированные нити (Draw Textured Yarn). Получают кручением комплексных синтетических нитей до достижения 2500-5000 круток на линейный метр. Затем выполняется термофиксация скрученной нити и последующее раскручивание после термической стабилизации волокна. Готовая нить имеет спиралеобразную форму, характеризуется большой пушистостью и упругой растяжимостью.

- ATY

ATY - пневмотекстурированные нити (Air Textured Yarn). Исходным сырьем служит гранулят (формование из гранулята) или расплав полимеров (прямое формование).

Текстурирование производится в пневматических устройствах, куда одновременно с нитью подается сжатый воздух. Нить вводится с одинаковой или разной скоростью(зависит от технологии). Под действием турбулентного потока она пушится, образуются множественные петли и завитки, ориентированные вокруг основной нити в различных плоскостях.

Схема производства синтетического волокна

Синтетическое волокно производят из полиэтилентерефталата и иных полимеров (ПП, ПА). В случае ПЭТФ используется как первичный, так и вторичный материал.

Фото заимствовано с сайта p-z-o.com

Вторичный ПЭТФ - результат рециклинга полигонного пластика. Он может поступать в экструдер в виде оформленного гранулята или флекса. В общем случае на линии по производству регенерированного синтетического ПЭТ-волокна последовательно выполняются следующие операции:

- растарка кип бутылок ПЭТ (отходы);

- сортировка сырья;

- предварительная мойка;

- измельчение в дробилках;

- мойка с отделением грязи, пыли, клея;

- отделение этикеток;

- мойка и сепарация в ваннах флотации;

- сушка в центрифугах или сушилках;

- грануляция (можно использовать ПЭТ-флекс).

В процессе подготовки материала методом рециклинга теряется до 1/3 его первоначальной массы. Далее материал при помощи пневмотранспорта подается к узлу производства полиэфирного волокна. Сам процесс производства волокна может протекать по периодической (двухстадийной) или непрерывной схеме.

Периодическая схема производства подразумевает две стадии технологического процесса. Этот метод применяется для изготовления жгутов и резаного волокна (штапельное волокно). На первом этапе осуществляется формование элементарных нитей и их растарка в контейнеры. Оборудование для производства волокна из ПЭТ современных моделей включает блок укладки жгута с вращающимися зубчатыми колесами. Натяжение нити регулируется за счет разности скоростей движения жгута на выходе из приемных роликов и на входе в жгутоукладчик. Разница скоростей достигает 10%, что полностью исключает провисание нити и неравномерную укладку.

Зубья колес жгутоукладчика захватывают нити и передают их в контейнеры, установленные на поворотном столе. Скорость вращения платформы обеспечивает равномерную укладку жгутов в контейнер. В каждый контейнер укладывается равное количество волокна за счет работы счетчика метража или веса. Замена заполненного контейнера осуществляется в автоматическом режиме.

На втором этапе из нескольких контейнеров (от 20 до 40) отдельные элементарные нити (жгутики) собираются в общий жгут, обрабатываются паром, эмульсией, вытягиваются и сматываются в катушки или нарезаются и прессуются в кипы. Нарезанное (штапельное) волокно длиной 6-100 мм используется при производстве нетканого полотна.

Под непрерывным производством понимается процесс получения бесконечно длинного волокна с совмещением формования и отделки (текстурирования). Производство может протекать при низких (до 240 м/мин) и высоких (до 1200 м/мин) скоростях. От скорости зависит тип оборудования и состав линии, количество зон вытягивания. Для получения волокон средней прочности достаточно одной зоны вытягивания. При установке двух зон вытягивания значительно повышается прочность волокна из ПЭТФ, ПП, ПА. Оборудование для непрерывного производства синтетического волокна пригодно для переработки полимеров в широком диапазоне вязкости. С его помощью можно наладить выпуск изделий  с бактерицидными свойствами, бикомпонентных волокон, нитей, не поддерживающих горение.

В общем случае производственный процесс включает следующие этапы:

- сушка ПЭТ-флекса, гранулята;

- экструзия волокна;

- охлаждение волокна;

- обработка волокна замасливателем (прядильная препарация);

- вытягивание волокна на вытяжных станах;

- обработка волокна в термоусадочной камере;

- намотка в бобины или нарезка волокон;

- прессование волокон в кипы (для нарезанных волокон).

Сушка ПЭТ-флекса, гранулята

Сушка сырья обязательна, поскольку в полимерах присутствует остаточная влага, ухудшающая качество готовых изделий. Исключением является подача материала с линии переработки в бункерную сушилку, установленную на экструдере. При таком решении материал просушивается и сразу подается в зону загрузки экструдера. В случае хранения материала он повторно адсорбирует влагу из воздуха и нуждается в досушке перед этапом формования.

Экструзия волокна

Формование готового волокна происходит методом экструзии. Оборудование - одношнековый или двухшнековый экструдер. Формование нитей осуществляется из гранулята или флекса. С момента попадания в зону загрузки начинается процесс плавления полимера при температуре ниже температуры деструкции. Материал нагревается до температуры 260-300⁰С и под давлением шнека продвигается последовательно к зоне формования.

При нагреве полимер переходит в вязкотекучее состояние, пропускается через центральный фильтр для отсеивания нежелательных включений, непроплавов и дозированно подается в зону экструзионной головки. При прохождении через каналы фильеры расплав приобретает форму нитей. Экструзия позволяет получить нити бесконечной длины различного диаметра. Диаметр волокна определяется диаметром отверстия канала.

Фото заимствовано с сайта ok-stanok.ru

Охлаждение волокна

На выходе из фильеры нити подаются в специальную шахту, где охлаждаются воздухом. С целью улучшения фрикционных свойств дополнительно осуществляют обработку волокна поверхностно-активными веществами (ПАВ).

Затем производится воздушное охлаждение волокон. В охлаждающих шахтах происходит одновременное фильерное вытягивание, охлаждение выходящей струи расплава (будущей нити), ориентация макромолекул и кристаллизация. Фильерное вытягивание происходит на первоначальном этапе формования - сразу при выходе из экструзионной головки. При этом наблюдается первичная продольная ориентация макромолекул. Она не обеспечивает достаточную прочность готового изделия.

По мере вытяжения диаметр нити постепенно уменьшается в сравнении с диаметром выходного отверстия. Своего минимального значения диаметр нити достигает в конечной точке охлаждения, после чего он остается практически неизменным. Продолжительность участка, на котором осуществляется продольное вытяжение и формование требуемого диаметра, составляет 0,3-1,5 м. В конце этого пути начинается процесс кристаллизации. Завершается он уже на приемном устройстве.

Далее обработанные нити собираются вместе в общий жгут и подаются на приемные ролики (три пары хромированных роликов). Каждая пара приводится в движение индивидуальным приводом. Между верхним и нижним роликом каждой пары имеются регулируемые нитепроводники. Диаметры роликов увеличиваются по направлению движения нитей, что способствует увеличению линейной скорости движения волокна.

Прядильная препарация

Для снятия статического заряда и последующей компактной укладки жгутики нити подвергаются прядильной препарации. Под прядильной препарацией понимается нанесение многокомпонентной водной эмульсии. В ее состав входит замасливатель, антистатические средства, подклеивающий компонент, эмульгатор, бактерицидные и коррозионно-защитные добавки. За счет замасливателя улучшаются скользящие свойства, снижается трение. Антистатические средства предотвращают возникновение зарядов статического электричества и снимают уже имеющиеся. Эмульгаторы закрепляют достигнутый эффект.

Вытяжение

Первоначальное состояние полимера при экструзии характеризуется как разориентированное. Молекулы не ориентированы в продольном направлении или ориентированы в минимальной степени после фильерной вытяжки, что негативно отражается на прочности нити на разрыв, упругости. Исправить ситуацию позволяет ориентированное вытягивание в паровой либо воздушной камере при 120-180°С. Скорость вытягивания волокна составляет 100-350 м/мин. После вытяжения осуществляется стабилизация удлинения при растяжении 2-4% и температуре 200-220°С.

Важным моментом вытягивания является нагрев синтетического сформированного жгута. При нагреве невытянутая нить переходит из стеклообразного в высокоэластичное состояние с одновременной ориентацией макромолекул и кристаллизацией ПЭТ. Поскольку качественно прогреть составной жгут (может содержать до 200000 элементарных нитей) достаточно сложно, выполняется вытяжка на нескольких последовательно установленных вытяжных станах.

Вытяжная машина состоит из вытяжного станов (один-три), паровой камеры и парогенератора. Жгуты располагаются на цилиндрах станов в виде ленты без обвития. Цилиндры питающего стана расположены таким образом, что траектория движения жгута составляет 180⁰. Часть цилиндров выполнены с кольцевой системой охлаждения, часть пустотелыми. В конструкции предусмотрен прижимной валик, обеспечивающий удаление лишне препарации.

В первой зоне волокно разогревается и увлажняется горячим паром или воздухом. Температура нагрева цилиндров составляет 50-80⁰С. Нагретый агент подается снизу, жгут протягивается через боковые зазоры  камере. Линейная скорость выхода жгута из вытяжкой машины составляет 100-200 м/мин, в отдельных случаях - до 400 м/мин.

Конструкция вытяжного стана второй очереди идентична конструкции первого вытяжного стана. Цилиндры нагреваются до температуры до 100-150⁰С для достижения заданных физико-механических свойств изделия. Коэффициент вытяжения должен составлять 3-5.

Намотка, нарезка волокон

На финальном этапе после обработки, просушки и термической стабилизации готовые жгуты наматываются на катушки или нарезаются на волокна определенной длины. При нарезке предусмотрено прессование волокон в кипы. Также нити могут использоваться для производства нетканого полотна различного назначения.

Приемное устройство обеспечивает намотку на бобину движущейся нити бесконечной длины.  Бобина установлена на вращающемся валу бобинодержателя. Нить подается с заданным натяжением и наматывается на бобину по винтовой линии при помощи нитеукладчика. Контактный цилиндр прижимает нить к поверхности бобины, регулируя плотность намотки. Сила прижатия должна обеспечивать плотную намотку, но исключать истирание нити о гарнитуру. При достижении заданной массы намотки бобина снимается и заменяется пустой.

Нарезка жгута на отрезки заданной длины осуществляется на резательной машине. Перед нарезкой важно обеспечить полное охлаждение жгута с целью предотвращения склеивания отдельных нитей и продления срока службы ножей. Под резательной машиной зачастую устанавливается упаковочный пресс, куда штапельные волокна засасываются пневмосистемой и утрамбовываются в кипы массой 100-250 кг. Средняя производительность упаковочной камеры 25-30 т/сут.

Состав линии для производства полиэфирных волокон

В составе линии оборудования для производства синтетических нитей присутствуют следующие основные узлы:

- экструдер;

- охлаждающая шахта;

- узел прядильной препарации;

- приемно-намоточные устройства;

Экструдер

Для формования нитей используются экструдеры одношнекового или двухшнекового типа. Они устанавливаются в начале линии или после оборудования для рециклинга ПЭТ. Главным элементом экструдера является шнек, движущий раствор от зоны загрузки к зоне формования. Сам процесс формования осуществляется путем продавливания расплава через каналы фильеры (формующей головки).

Формующая головка может иметь различное число отверстий, определяющее количество готовых экструдатов (нитей). Для волокон количество отверстий составляет 100-2000, для технических нитей - от 140 до 280, для текстильных нитей - от 8 до 80.

Диаметр отверстий в фильере колеблется от 0,2 до 0,6 мм. При увеличении количества отверстий наблюдается уменьшение толщины нитей, их линейной плотности. В стандартных фильерах количество отверстий может варьироваться от нескольких десятков до нескольких тысяч.

Охлаждающая шахта

В охлаждающей шахте происходят все основные процессы формования нитей из жидкого расплава. Она состоит из обдувочной и сопроводительной шахт. В обдувочной шахте под действием воздушного потока происходит охлаждение расплава. В сопроводительной шахте осуществляется последующее охлаждение, стабилизация состояния нити и перемещение к следующему узлу. На выходе из сопроводительной шахты нить имеет температуру 30-35⁰С.

Охлаждение должно производиться в мягких условиях с минимальной скоростью воздушного потока. При возникновении турбулентности воздушного потока может наблюдаться неравномерная плотность нити по длине, качество готовой продукции ухудшается.

Длина зоны обдува определяется с учетом теплоемкости полимера. Для полиэтилентерефталата она составляет 1,2 м, для полиамида 1,7-1,9 м, для пропилена больше.

Узел прядильной препарации

Данный узел необходим для придания компактности волокну, снижения трения посредством прядильной препарации. Для нанесения препарации могут использоваться валики, подающие жгуты в ванну с эмульсией. Ванна - это открытая емкость прямоугольной формы. Подпитка ванны осуществляется через трубу перелива. Количество препарации на волокно составляет 10-12% от массы изделия. Часто применяют способ нанесения препарации с помощью форсунок или штифтов, эмульсия через которые подается дозирующими насосами. Это позволяет увеличить количество эмульсии до 20-25% по массе. Но такой способ приводит к образованию тумана с каплями эмульсии, что негативно влияет на условия труда персонала.

Вытяжное устройство

При производстве текстильных нитей и отдельных видов технических нитей используются специальные цилиндры, обеспечивающие растягивание нити при одновременном нагревании. Цилиндры могут иметь различный диаметр, длину, шероховатость поверхности, температурный профиль. Число цилиндров вытяжных также может отличаться. Чаще встречаются два установленных последовательно цилиндра, один с роликом, один или два парных.

Благодаря равномерному распределению тепла по поверхности цилиндров нить равномерно нагревается и обвивается вокруг цилиндров с одинаковыми промежутками между витками. Для достижения равномерного температурного профиля в каждой зоне вытяжного устройства устанавливаются контролирующие температурные датчики. Нагрев выполняется индукционными нагревателями, для регулировки температуры и защиты от перегрева предусмотрена система водяного охлаждения.

Рабочая поверхность цилиндров должна быть твердой, износостойкой. Оптимально использовать хромированные цилиндры. Хромирование может быть заменено нанесением тонкого слоя керамики или твердого сплава. Цилиндры имеют индивидуальные приводы, частота вращения может достигать 10000 об/мин.

Приемно-намоточное устройство

Приемно-намоточное устройство обеспечивает приемку бесконечно движущейся нити и ее намотку на бобину с определенным натяжением до достижения заданной массы намотки. Основными характеристиками намоточного устройства являются: скорость намотки, число принимаемых на бобину нитей, размер и масса намотки.

Бобина устанавливается на вал бобинодержателя. Вал может быть подвижным или неподвижным. Для подвижного вала применяют электропривод, приводящий бобину во вращение и обеспечивающий намотку. Наибольшее распространение получил фрикционный тип привода, при котором бобинодержатель остается неподвижным, а бобина приводится во вращение силами трения. В конструкции фрикционного приемно-намоточного устройства может использоваться вспомогательный двигатель для быстрого разгона бобинодержателя.

Правильную намотку обеспечивает нитеукладчик кулачкового типа. Кулачковый нитеукладчик обеспечивает раскладку нити на скорости приема до 1200 м/мин. Он состоит из цилиндрического кулачка с замкнутым винтовым пазом, нитеводителя, размещенного в пазу. Диаметр кулачка 25-60 мм. Нитеводитель - один из самых изнашиваемых элементов конструкции приемно-намоточного устройства. Его следует менять каждые 6-8 недель по мере износа.