第十四章 合成纖維的紡絲及加工

第十一章合成纖維的紡絲(fǎnɡsī)及加工第一節(jié)概述化學(xué)纖維的成型是將紡絲液體(聚合物熔體或溶液）以一定(yīdìng)的流量從噴絲空擠出，固化而成為纖維的過程。一、化學(xué)纖維的主要品質(zhì)指標(biāo)1.吸濕性物理性能指標(biāo)之一，一般將纖維吸收或放出氣態(tài)水的能力稱為吸濕性，將吸收或放出液態(tài)水的能力稱為吸水性。纖維吸濕性用兩種指標(biāo)來表示回潮率=試樣所含水分的重量/干燥試樣的重量含濕率=試樣所含水分的重量/未干燥試樣的重量共三十一頁纖維公定的回潮率纖維公定的回潮率/%棉8.5維倫5.0羊毛(yángmáo)16滌綸0.1蠶絲8.5晴綸2.0可見天然纖維的回潮率較高。2.密度試樣的單位體積的質(zhì)量，常用單位為g/cm3滌綸1.38棉1.32維倫1.26羊毛1.32丙綸0.91蠶絲1.32-1.45共三十一頁3.斷裂伸長指試樣拉伸至斷裂時試樣產(chǎn)生的伸長。一般紡織物的斷裂伸長率在10%—-30%范圍內(nèi)較好。4.初始模量測其伸長1%時的負荷求出。5.耐磨性6.對高溫、化學(xué)試劑、日光、大氣的穩(wěn)定性7.染色性8.熱收縮受熱條件下纖維尺寸的收縮?？煞譃?fēnwéi)8.1沸水收縮率。溫度100℃沸水8.2熱空氣收縮率溫度100℃熱空氣8.3過熱水蒸氣收縮率溫度100℃過熱水蒸氣熱收縮率=（L0-L1）

/L0

共三十一頁二、纖維的發(fā)展趨勢傳統(tǒng)纖維，四大綸，滌綸（聚酯，產(chǎn)量為第一）、錦綸（聚酰胺、尼龍）、丙綸、晴綸（聚丙烯晴）。日本等發(fā)達國家：主要開發(fā)高科技纖維，如高強度高模量碳纖維、芳族聚酰胺纖維及通用級瀝青碳纖維。例，42層高的建筑，用150噸通用級瀝青碳纖維，代替3000噸鋼，重量減輕了10倍，混凝土的抗張強度和抗彎強度提高(tígāo)5-10倍，重量減輕60%。國防上：特種纖維可用于高性能殲擊機，主戰(zhàn)坦克、、軍用直升機、導(dǎo)彈、防彈背心、特種軍服等。例，用芳綸織物制成的復(fù)合鋼板抗穿甲彈能力可提高10-20倍，未來美國先進戰(zhàn)斗機特種纖維復(fù)合材料可達70%。共三十一頁第二節(jié)成纖聚合物的性質(zhì)成纖聚合物應(yīng)具有的特性(tèxìng)1.成纖聚合物應(yīng)該是線性的；2.用于溶液紡絲的聚合物要求能溶于溶劑，并具有適當(dāng)?shù)酿ざ龋?.有適當(dāng)?shù)姆肿恿浚肿恿糠植驾^窄；4.成纖聚合物應(yīng)該有好的結(jié)晶性；5.成纖聚合物應(yīng)該有好的熱穩(wěn)定性，其熔點應(yīng)比使用溫度高得多。共三十一頁一、成纖聚合物溫度特性及熱穩(wěn)定性常用的纖維(xiānwéi)適用的溫度范圍為—50℃到+50℃之間，甚至溫度范圍更寬，纖維(xiānwéi)的洗滌和熨燙溫度在100℃以上，故要考慮成纖聚合物有一定的玻璃化溫度和粘流溫度，對于特種纖維(xiānwéi)材料則要求有更高的熔化溫度。幾種主要成纖聚合物的熱分解溫度和熔點聚合物熱分解溫度熔點聚乙烯350-400138等規(guī)聚丙烯350-380176其余見表11-1，可見聚丙烯晴、纖維素和聚乙烯醇只能用溶液放絲。？共三十一頁二、成纖聚合物的結(jié)晶性能一般使用(shǐyòng)的成纖聚合物大多有結(jié)晶性能，真正有使用(shǐyòng)價值的成纖聚合物都是結(jié)晶或是產(chǎn)生部分結(jié)晶的聚合物，這類聚合物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、耐熱性高、纖維形狀穩(wěn)定。但高結(jié)晶的聚合物和高結(jié)晶性能的聚合物不好的地方，其拉伸性能可能降低，見251圖11-1． 共三十一頁三、分子量和分子鏈的結(jié)構(gòu)對成纖聚合物的性能的影響1.分子量成纖聚合物的分子量一般在20000-100000之間。見表11-2分子鏈結(jié)構(gòu)對成纖聚合物的性能的影響高分子聚合物的性能主要為主鏈所決定，但側(cè)基（取代基）的組成、數(shù)量(shùliàng)、大?。臻g位阻）對高分子化合物性質(zhì)有影響，等規(guī)立構(gòu)和間規(guī)立構(gòu)PP的性能共三十一頁性能等規(guī)立構(gòu)間規(guī)立構(gòu)密度g/cm3屈服強度MPa彎曲模量GPa沖擊強度J/m223℃—10℃熱變形溫度℃（1.82MPa）斷裂伸長率%0.903371.2531281126700.86624.80.72不斷裂35115402共三十一頁第三節(jié)成纖聚合物的熔融和溶解一、紡絲液體的制備1.紡絲熔體的制備成纖聚合物吸收能量后，分子間的活動能力大于分子間的作用力，分子鏈節(jié)和整個大分子能產(chǎn)生自由運動，最后隨溫度的升高，由玻璃態(tài)變?yōu)槿垠w。2.聚合物的溶解分解溫度低于熔點，用溶液(róngyè)法。?G=?H-T?S?G<0時才能溶解共三十一頁2.1大分子鏈結(jié)構(gòu)對溶解的影響分子(fēnzǐ)間作用力強的聚合物較難溶解。例，增加溶解性的方法可用甲基丙烯酸甲酯等低極性的單體與丙烯晴共聚，所得到的丙烯晴共聚物的溶解度比丙烯晴均聚物的溶解度大得多。分子鏈的柔性柔性大者較易溶解。2.2溶劑性質(zhì)的影響大部分成纖聚合物都為極性聚合物，一般采用極性溶劑。常常采用混合溶劑，例，纖維素二醋酯在丙酮-水（4%-5%）的混合溶劑中，比在無水丙酮中的溶解度大。共三十一頁3.溶劑的選擇3.1溶劑的極性越接近，兩者越容易互溶。例聚丙烯晴能溶于二甲基甲酰胺等極性溶劑；非極性的聚苯乙烯可溶于非極性的苯或異苯中。3.2在適當(dāng)?shù)臏囟认拢軇┯泻玫娜芙庑浴?.2沸點(fèidiǎn)不應(yīng)太高或太低，一般在50-160℃之間。3.3溶劑有適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)和熱穩(wěn)定性。3.4溶劑的毒性低，對設(shè)備腐蝕小。3.5溶劑對溶解的聚合物不引起對聚合物的破壞或其他變化。共三十一頁幾種成纖聚合物常用的溶劑聚合物溶劑溶劑的沸點(fèidiǎn)/℃聚合物溶解最低溫度聚乙烯醇水10060-80聚三醋酸酯二氯甲烷40-42----聚醋酸酯二甲基甲酰胺15320聚丙烯晴丙酮55----二甲基乙酰胺16575碳酸乙酯23870-80二甲基亞砜189----共三十一頁第四節(jié)紡絲液體的性能紡絲液體的黏度(niándù)對紡絲成型很重要，應(yīng)有合適的黏度(niándù)，黏度(niándù)過高，紡絲困難。一、紡絲液體的黏度與溫度、壓力的關(guān)系1.溫度溫度升高，黏度降低。2.壓力壓力升高，黏度增大。二、黏度與聚合物結(jié)構(gòu)的關(guān)系分子量增加，黏度增加。三、黏度與溶劑性質(zhì)和聚合物溶度的關(guān)系1.純?nèi)軇┑酿ざ仍酱螅频镁酆衔锏恼扯染驮酱?。見?1-8共三十一頁溶劑溶劑黏度厘泊10%PAN溶液的黏度在黏度為31.5厘泊的濃度%相對黏度二甲基甲酰胺二甲基亞砜0.1730.1761.86.518.214.91537共三十一頁四、聚合物液體在陳化過程中的粘度變化原因1.在陳化過程中產(chǎn)生大分子降解2.聚合物化學(xué)(huàxué)結(jié)構(gòu)變化。3.溶液結(jié)構(gòu)化的變化共三十一頁

第五節(jié)合成纖維的紡絲一、熔融紡絲在熔融紡絲機中進行，將高聚物加熱熔融，制成熔體，通過紡絲泵打入噴絲頭，并由噴絲頭噴成細流，再經(jīng)冷凝而成纖維。P264，圖12-1優(yōu)點：成本低、不用溶劑，生產(chǎn)工藝簡單。主要以雜鏈高聚物生產(chǎn)纖維，一般采用此法。例如(lìrú)，聚酰胺、聚酯纖維等。1.熔體直接紡絲聚合后的熔體直接送到紡絲機的紡絲頭行紡絲。2.間接紡絲先將聚合后的高聚物做成小顆粒切片，然后熔融紡絲。共三十一頁二、干法紡絲首先將聚合物配成溶液，用紡絲泵喂料，經(jīng)由噴絲頭噴出液體細流，進入熱空氣套筒，使細流中的溶劑遇熱蒸發(fā)，蒸汽被熱空氣帶走，而高聚物則隨之凝固成纖維。聚氯乙烯、聚丙烯長絲(chánɡsī)纖維采用此法。干法紡絲速度受溶劑揮發(fā)速度的限制，紡絲速度一般為200-500m/min.共三十一頁三、濕法紡絲同干法紡絲一樣，先配成紡絲溶液，用紡絲泵加料，通過過濾器，通入浸在凝固池中的噴絲頭，噴出液體細流，此時，細流中的溶劑向凝固池擴散，與此同時凝固劑則向細流滲透，這樣紡絲細流同凝固液的組分之間產(chǎn)生(chǎnshēng)雙擴散過程，使聚合物的溶解度發(fā)生變化，聚合物從紡絲溶液中分離出來而成纖。聚丙烯晴等采用此法。例，硫氰酸鈉法紡絲纖維紡絲，凝固液中的硫氰酸鈉質(zhì)量分數(shù)為10%，從噴絲頭噴出的細流中硫氰酸鈉為44-45%，故溶解在硫氰酸鈉中的聚丙烯晴失去了溶解性能，細流變成纖維。共三十一頁1.晴綸濕法紡絲的主要設(shè)備一般采用水平浴式紡絲機，主要部件：1）紡絲計量泵其作用是定量地將紡絲溶液壓入燭形過濾器，以保證紡成一定規(guī)格而且纖度均勻的的纖維。常用齒輪泵，工作壓力1.5-2.0Mpa.2）噴絲頭其作用是將準確計量過的紡絲溶液的總流，分成許多股細流(xìliú)，形成一定纖度的多根單纖維。噴絲頭一般為圓形，采用組合型噴絲頭，如由12個2000孔的小噴頭組合而成24000孔的一個大噴絲頭。要求耐腐蝕、一定強度，目前采用金和鉑的合金。共三十一頁3.燭形過濾器在紡絲計量泵和噴絲頭之間連接有過濾器，作用是紡絲溶液在流向噴絲頭之前再進行一道紡前過濾，過濾器由含鉬不銹鋼制成，內(nèi)有濾布。干法(ɡànfǎ)紡絲和濕法紡絲均屬于溶液紡絲。相同點均要制成溶液。區(qū)別：干法紡絲的溶劑容易揮發(fā)濕法紡絲的溶劑為非揮發(fā)性溶劑。共三十一頁第六節(jié)螺桿擠出機紡絲1.螺桿擠出紡絲機1）螺桿擠出機螺桿擠出機與紡絲部件之間用彎管連接，彎管采用(cǎiyòng)聯(lián)苯介質(zhì)加熱，并裝有電熱棒及溫度控制裝置。2）紡絲組件即噴絲頭，由噴絲板、過濾網(wǎng)(三層不銹鋼絲，底層為900孔/cm3、中層2500孔/cm3、上層10000孔/cm3），石英砂（一般分粗砂、中砂、細砂三種，主要起過濾作用的是細砂）共三十一頁3）紡絲泵作用是將彎管送來的聚合物熔體定量地輸送至紡絲頭組件，用齒輪泵。4）紡絲吹風(fēng)窗及紡絲冷卻套筒紡絲吹風(fēng)窗用來保護絲在冷卻過程(guòchéng)中只受定量、定向和定質(zhì)的氣流冷卻。纖維出紡絲吹風(fēng)窗后立即進入紡絲冷卻套筒，冷卻套筒的目的在于保證纖維不損傷，并使其繼續(xù)冷卻。共三十一頁2.螺桿擠出紡絲工藝滌綸樹脂切片（原料）-真空干燥-螺桿擠出紡絲-卷繞-集束-拉伸-（第一道五輥預(yù)熱-第二道五輥一級拉伸兼上油-過熱蒸汽加熱-第三道五輥二級拉伸）-卷曲-干燥定型-切斷-氣流開松收集-打包（成品）。260，圖-503．螺桿擠出紡絲工藝的選擇（1）熔體溫度即紡絲溫度。范圍：聚合物熔點和分解溫度之間。例，滌綸熔體紡絲溫度286-290℃，需真空干燥，水含量(hánliàng)在0.03%以下。（2）冷卻速度，冷卻室溫為35-37℃。（3）噴絲速度和卷繞速度（600-700m/min）。（4）給濕及油劑處理目的：吸水份和防靜電共三十一頁第七節(jié)纖維的后拉伸及熱處理一、初生纖維的拉伸取向過程紡絲成型后的纖維不論是熔融紡絲還是濕法紡絲，統(tǒng)稱為初生纖維，其結(jié)構(gòu)尚不穩(wěn)定，物理機械性能還不能滿足紡織(fǎngzhī)加工的要求，必須通過一系列后加工工序，其中最重要的是拉伸和熱定型。在拉伸過程中纖維結(jié)構(gòu)的變化，分子鏈或鏈段取向度的增大，使分子構(gòu)象數(shù)目減少，卷曲的分子鏈轉(zhuǎn)為排列整齊和舒展?fàn)顟B(tài)。故纖維的強度指標(biāo)上升。見表13-1共三十一頁PA-6的拉伸倍數(shù)強度克/特伸長率%密度克/平方厘米雙折射103PA-6的拉伸倍數(shù)強度克/特伸長率%密度克/平方厘米雙折射1031.151.52.02.53.01.141.702.262.802.6136925913375671.13271.13311.13371.13241.132411.92.042.543.243.83.53.84.03.84.204.604.756.25483424411.13671.13601.13851.144546.049.553.554.2共三十一頁1.纖維取向度的表征取向度可用雙折射之差值來表示(biǎoshì)，即拉力方向和與拉力方向垂直的兩個方向的雙折射之差。取向度越大，雙折射之差值就越大，見公式13-12.拉伸的方法纖維的拉伸可一次完成，也可分段拉伸，總拉伸倍數(shù)：熔法約為3-7倍，濕法：8-12倍。1）纖維的干拉伸拉伸時初生纖維處于熱空氣的包圍之中。2.蒸氣浴拉伸拉伸時初生纖維處于蒸氣的包圍之中。3.濕拉伸拉伸時被液體介質(zhì)包圍。例熱水或熱油。共三十一頁二、纖維的熱處理1.目的：纖維的熱處理促進分子鏈的鏈段運動，使內(nèi)應(yīng)力得到松弛，同時使纖維結(jié)構(gòu)趨于完善和穩(wěn)定。2.纖維的熱處理時性能和結(jié)構(gòu)(jiégòu)的變化1）結(jié)晶度變化在無張力下熱處理，結(jié)晶度增大，如，PA、PP、PVA、PP、聚酯，結(jié)晶度上升20-30%。2）微晶尺寸和晶格結(jié)構(gòu)變化：一般會增大微晶尺寸，晶區(qū)缺陷減少，晶區(qū)完整度會改善。共三十一頁3）