化纤工艺聚丙烯纤维

第五章聚丙烯纤维第一节概述1953年zieglar和natta发明了能够使烯烃定向聚合的有机金属络合催化剂，同年意大利的纳塔用这种催化剂合成了等规聚丙烯，1957年意大利开始工业化生产聚丙烯。1960年工业化生产聚丙烯纤维。随着石油工业的发展，丙烯来源丰富，价廉使聚丙烯纤维的发展很快，七十年代末产量已达一百多万吨，居合纤第四位。聚丙烯纤维的主要商品名称：我国意大利美国日本丙纶MeraklonHerculonPylen丙纶纤维的主要特点：1、比重小：丙纶是目前所有纤维中比重最小的0.918/cm^32、强度高：丙纶是强度比较高的一种纤维，由于丙纶不吸水，其干湿强度基本相同更适用湿态的使用要求。3、弹性好：回弹率与涤纶、腈纶、尼龙类似，弹性模量略低于涤纶4、光热稳定性差：易于老化，在加工使用中容易失去光泽、强伸度下降。5、染色性差：PP上没有极性基因缺乏对一般染料的亲和性。表5-1PP纤维的主要性能性能指标复丝短纤维断裂强度/cN·dtex-1断裂伸长/%弹性回复率/%（在5%伸长时）初始模量/cN·dtex-1沸水收缩率/%回潮率/%3.1-6.415-3588-9846-1360-50.032.5-5.320-3588-9523-630-50.03第二节纺丝级聚丙烯聚丙烯的生产一般都是由较大型的石油化工企业完成的，化纤厂基本上都采用聚丙烯切片纺丝。切片的主要指标：等规度≥95％[η]2dl/g分子量18～20万熔融指数6g/10min水分0.1%用齐格勒－纳塔催化剂可以获得高规整性的聚丙烯，从而得到较高结晶性和较高的熔点及良好的物理机械性能。丙烯单元中没有极性基因，为了增加分子间作用力，其分子量比一般成纤高聚物要高。等规度的测定：丙稀聚合物中含有等规、间规、无规三种结构组成。而正庚烷能溶解无规、间规聚合物，可以采用沸腾的正庚烷对聚丙烯聚合物试样进行萃取、萃取后所剩残渣即为等规聚丙烯。用萃取前后试样质量之比即为等规度。熔融指数的测定：“MI”是热塑性高聚物在规定地温度和压力下在十分钟内通过指定长度和内径的毛细管的重量值。单位“g/10min”。PP的测定条件：温度230℃，压力2160g，毛细管d=2.095mm，l=8mm。MI可表征PP的流动特性，估量其分子量的大小。PP切片不用干燥可直接用于纺丝。（吸水性差并对热降解影响小）第三节聚丙烯的熔体纺丝一、熔体纺丝与PET、PA熔体纺丝过程一样PP也可以用熔体纺丝法制成长丝、短纤维。工业生产PP纤维一般采用普通的熔体纺丝法和膜裂纺丝法。随着生产技术的发展，近年来又有许多新的生产工艺出现，如复合纺丝、短程纺、膨体长丝、纺—牵一步法（FDY）、纺粘和熔体喷射法非织造布工艺等。主要的工艺参数及其分析如下：1、纺丝温度PP熔体温度高出其熔点100℃左右，原因如下：(1)PP的分子量高，熔融后的熔体粘度很高，因此要提高纺丝温度以增加流动性使纺丝顺利进行。(2)PP中没有强极性基因，内聚能较小，纺丝时容易出现熔体破裂(3)PP分子量分布宽，熔体弹性较大牛顿性能差。(4)高温下纺丝，卷绕丝的预取向度低并生成不稳定的碟状液晶结构以利于后拉伸倍数的提高。2、冷却条件冷却速率快，卷绕丝易生成不稳定的碟状液晶结构。冷却速率慢，卷绕丝易生成稳定的单斜晶体结构。实际生产中丝室温度偏低，侧吹风时35～40℃，环状吹风30～40℃冷却风温25℃风速0.3~0.4m/s。3、喷丝头拉伸喷丝头拉伸倍数比涤纶纺丝低，一般为60倍左右，若预拉伸倍数过高会导致卷绕丝生成稳定的单斜晶体从而使后拉伸倍数降低，影响纤维质量。4、后处理丙纶短纤维后处理的流程也和涤纶、锦纶相似:集束→第一拉伸机→第二拉伸机→过热蒸汽加热器→第三拉伸机→卷曲→热定型→切断→打包丙纶长丝的熔体纺丝过程也与涤纶丝锦纶丝相似。下面以聚丙烯复丝生产的录象为例介绍常规聚丙烯纤维的生产过程。二、聚丙烯纤维的老化及防止措施聚丙烯纤维虽具有许多优点，但由于等规纤维的结构非常单一，在分子链上含有许多不太稳定的叔碳原子，而且大分子中不含极性基团,导致聚丙烯有容易老化和染色性差的缺陷。老化：高分子材料在加工、贮存和使用过程中逐渐失去原有的优良性能以致最后丧失使用价值的现象。丙纶老化：失去光泽、退色、强伸度下降。老化外因：光、热、氧的作用结果。1、热氧老化（主要发生在加工过程中）PP本身结构不耐老化，加工温度比较高在加工中很容易发生热氧化降解。（分子链中生成一些羟基基团）2、光氧老化（主要发生在使用过程中）PP在使用过程中，由于日光中紫外线、热、氧等作用发生的老化。（羟基化合物能强烈地吸收紫外线成为激发态，使高分子降解老化）热老化与光老化有密切的关系，PP在热氧化老化中产生的化合物是光氧化的先导、反过来光老化又会诱导热氧降解的继续发生，两者互为因果彼此促进。3、稳定老化的措施添加各种稳定剂、高聚物改性、改进聚合和加工工艺。工业中主要采用添加稳定剂的方法，这种方法简单易行收效快。第四节聚丙烯全拉伸纤维（FDY）下面我们以一段录象进行介绍。第五节聚丙烯的裂膜纺丝特点：生产过程简单、原料要求低，产量高、能耗低。膜裂纤维包括：割裂纤维和撕裂纤维一、割裂纤维（扁条、扁丝）割裂纤维是把T型机头挤出的平膜或吹塑得到的管状膜通过具有一定间隔的刀具架被切割成扁带、再经拉伸、热定型得到扁丝。一般宽2.5-6mm,厚20－50μm纤度1100dtex左右，强度4.4cn/dtex。平膜挤出法：纤度较均匀，手感和耐冲击性较差。吹型薄膜法：产量高、手感好、纤度均匀性较差。主要用途：地毯底布、编织袋、工业织物、绳索等。二、撕裂纤维（原纤化纤维）将挤出或吹塑得到的薄膜经单轴拉伸使大分子沿拉伸方向取向，拉伸方向强度↑，垂直拉伸方向强度↓，然后薄膜通过针辊或齿辊等破纤装置，被开纤，再经物理、化学或机械作用使开纤薄膜进步离散成纤维网状物或连续丝条，长丝。主要用途：地毯、人造草坪、包装材料、绳索、工业用织物。图5-7针辊法撕裂纤维生产工艺流程1-挤出机２-歧管式机头３-冷却水箱４-切割设备５-加热烘箱６-拉伸机７-热定型烘箱８-抗静电油剂９-橡胶压辊１０-机械原纤化辊１１-去卷取第六节聚丙烯的短程纺丝短程纺丝技术是较常规纺丝的工艺流程短，纺丝工序与拉伸工序直接相连，喷丝头孔数增加，纺丝速度降低的一种新工艺路线。整套生产线可缩短到50m左右，从切片输入到纤维打包全部连续化，可生产单丝线密度为1~200dtex的短纤维。它具有占地面小，产量高，成本较低，操作方便，宜于迅速开发且适应性强等优点。近年来短程纺有很大发展，在技术与设备上都有所突破。如机器高度由三层压缩到一层，该技术主要以生产丙纶为主，也可用于涤纶、锦纶生产。1.工艺流程短程纺设备虽不尽相同，但工艺流程基本相似，即：切片喂入→添加剂注入→切片共混→螺杆挤出→熔体过滤→熔体分配→纺丝→冷却成形→上油卷曲张力调节→拉伸→卷取→热定型张力消除→切断→打包。2.设备与工艺特点纺丝箱体有6-32个纺丝位，喷丝板有环形和矩形两种，喷丝孔数多达15万孔，冷却吹风形式有侧吹、中心放射和真空环吸等。采用环形喷丝板、中心放射冷却形式时，喷丝孔均匀分配在圆环上，纺出的丝像吹塑圆形薄膜，冷却气体由中心向外吹，以便迅速冷却。图5-5RIETEX公司短程纺流程图1-自动计量与混料系统2-螺杆挤出机3-纺丝机4-卷绕装置5-排烟装置6-控制柜7-设备框架8-五棍牵伸机9-蒸汽箱10-导丝机11-叠丝机12-卷曲机13-干燥热定型机14-切断机15-打包机表5-3RIETEX公司短程纺装置的主要技术特征每台纺丝位数细纤维1.7-3.3dtex粗纤维6.7-200dtex螺杆直径mm小时产量Kg·h-1年产量t螺杆直径mm小时产量Kg年产量t6810122821021221612015017017015017017018030040050060080010001200160025203360420050406720840010080134401501701802001701802002004506007509001200150018002400378050406300756010080126001512020160下面以一段录象使同学们对短程纺丝有一个更直观的了解。第六节聚丙烯膨体长丝膨体长丝的缩写为BCF。其生产过程请看录象：第七节纺粘法非织造布纺粘法是指纺丝直接成布法，其工艺流程包括PP切片熔融纺丝、牵伸、分丝成网和粘合加固。纺粘法非织造布其工艺流程如下：PP切片→熔融纺丝→冷却成形→拉伸→铺网→纤网输送→纤网加固→卷装具体的生产过程我们还是来看录象：第八节熔喷法熔喷法非织造布和纺粘法非织造由一样都是利用化纤纺丝得到的纤维直接铺网而成，但是它和纺粘法有原则的区别，纺粘法是在聚合物熔体喷丝后才和拉伸的空气相接触，而熔喷法则是在聚合物熔体喷丝的同时利用热空气以超音速和熔体细流接触，使熔体喷出并被拉成极细的无规则短纤维，是制取超细纤维非织造布的主要方法之一。熔喷法非织造布工艺流程如下：图5-９熔喷法成网工艺原理粉状或粒状PP经挤压熔融后定量送入熔喷模头，熔体B从模头喷板的小孔喷出后在高速热空气流A的作用下，被拉伸成很细的细流，然后在周围的冷空气C的作用下冷却固化成纤维，其后被捕集装置D捕集，经压辊进入铺网机成网，切边后卷装为成品。熔喷法非织造布空隙率高、孔径小、过滤性好、手感柔软，生产设备紧凑。用途十分广泛，并在不断发展，特别是在过滤材料、吸附材料和一次性用品方面。但熔喷法非织造布强度不高，延伸度大，因此产品尺寸不稳定，从而限制了它在衣着、家用以及合成革等方面的应用。第三节聚丙烯纤维的改性及新品种PP纤维具有许多优良的性能，但也有蜡感强、手感偏硬、难染色、易积聚静电等缺点。因此对其进行改性，开发新品种已成为PP纤维发展的主要方向。一、可染聚丙烯纤维PP大分子不含极性基团或可反应的官能团，而且聚合物结构中缺乏适当容纳染料分子的位置，所以染色相当困难。除原液染色外，解决PP纤维染色问题的途径有以下两条：2、共聚改性：与丙稀酸、丙稀腈、乙烯基吡啶等共聚，或接技共聚在聚合物中引入可接受染料的极性基团。3、共混改性：在熔体中混入少量染料接受剂。如引入有机金属化合物、阳离子有机氮化物。主要产品包括：①媒介染料可染PP纤维；②碱性染料可染PP纤维；③分散染料可染PP纤维；④酸性染料可染PP纤维，其中酸性染料可染PP纤维最有前途。二、高强高模聚丙烯纤维通过选用高分子、高等规度的PP原料，从提高大分子链伸展程度和结晶度着手，对纺丝和拉伸、热处理工艺过程合理控制可获得高强高模PP纤维。高强PP纤维在产业用纤维领域中具极大竞争潜力。因为其除具有优良力学性能和耐化学性外，还具有生产设备投资少、原料价格便宜、生产过程耗能少等明显的技术经济优势。国外高强PP纤维的年销量不断递增。高强PP纤维可以用作各种工业吊带、建筑业安全网、汽车及运动的安全带、船用缆绳，冶金、化工、食品及污水处理等行业的过滤织物，加固堤坝、水库、铁路、高速公路等工程的土工布，汽车和旅游业用的蓬苫布，以及高压水管和工业缝纫线等产业领域。三、细旦及超细旦聚丙烯纤维普通PP纤维手感较硬，有蜡状感，因此服用数量很小。细旦PP长丝具有密度小、静电小、保暖、手感好及特殊光泽、酷似真丝等特点，并且有“芯吸”效应及疏水、导湿性，是制作内衣及运动服的理想材料。国内用可控流变性能的PP切片在常规纺、高速纺及FDY设备上开发出了单丝线密度达0.7~1.2dtex的PP细旦丝。超细旦PP纤维是指直径小于5μm的纤维。其制品作为气悬体的优良过滤介质，在防止空气污染装置、卷烟过滤嘴、采矿、医药及工业用滤网、饮料的速过滤装置等方面得到广泛应用。超细PP纤维还可作离子交换树脂的载体及电绝缘材料。其生产方法有离心纺丝、熔喷纺和闪蒸纺及不相容混合物纺丝。四、阻燃聚丙烯纤维由PP纤维制成的织物易燃烧并伴有燃挠滴熔现象，这一点限制了它的使用范围。PP纤维的阻燃研究主要是通过共混改性的方法。共混阻燃改性是选用溴系、磷系或含氮阻燃剂或它们的复合物与PP预先制成阻燃母