涤纶纤维的工艺和性能

西安工程大学1涤纶长丝的制取工艺和性能影响涤纶长丝是用涤纶做成长丝。涤纶是合成纤维中的一个重要品种，是我国聚酯纤维的商品名称。它是以精对苯二甲酸(PTA)或对苯二甲酸二甲酯(DMT)和乙二醇(MEG)为原料，经酯化或酯交换和缩聚反应而制得的成纤高聚物——聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，经纺丝和后处理制成的纤维。涤纶纤维的强度比棉花高近1倍，比羊毛高3倍，因此涤纶织物结实耐用；涤纶长丝可在70～1700℃使用，是合成纤维中耐热性和热稳定性最好的；涤纶的弹性接近羊毛，耐皱性超过其他纤维，织物不皱，保形性好；涤纶的耐磨性仅次于锦纶，在合成纤维中居第二位；涤纶的吸水回潮率低，绝缘性能好，但由于吸水性低，摩擦产生的静电大，染料自然吸附性能差，因此涤纶一般染色采用高温高压染色法，染色条件比较苛刻。涤纶长丝作为衣用纤维，其织物在洗后达到不皱、免烫的效果。常将涤纶与各种纤维混纺或交织，如棉涤、毛涤等，广泛用于各种衣料和装饰材料。涤纶在工业上可用于传送带、帐篷、帆布、缆绳、渔网等，特别是做轮胎用的涤纶帘子线，在性能上已接近锦纶。涤纶还可用于电绝缘材料、耐酸过滤布、医药工业用布等。涤纶长丝合成纤维因具有强度高，耐磨、耐酸、耐碱、耐高温、质轻、保暖、电绝缘性好及不怕霉蛀等特点，在国民经济的各个领域得到了广泛的应用。1.长丝对切片质量的要求为了使产品具有适当的物理机械性能，又能顺利纺丝，要求聚酯切片有适当的分子量。而测定分子量及其分布，故用特性粘数表示其分子量的大小。凝聚粒子如氧化凝胶物、二氧化钛凝聚物以及在反应釜壁上生成的高熔点物、碳化物等，这些杂质不仅加重了熔体预过滤器或组件过滤层的负荷，而且还极易导致毛丝和断头。还有端羧基含量高，说明分子量分布宽，可纺性差，制得的成品在热态使用条件下，会导致聚酯大分子的降解加剧。二氧化钛含量在能取得较好的消光效果的前提下，二氧化钛的含量应尽量低，并分布均匀、粒子细。铁质含铁量高，会使纤维发黄，色泽变差。除去切片中的水分，可避免聚酯高分子在纺丝过程中西安工程大学2剧烈的水解，剧烈的水解使分子量降低，丝的质量下降，甚至无法纺丝。水分的去除，还可避免在单丝中夹带水蒸气，形成“气泡丝”，造成毛丝和断头；并可避免因纺丝含水量的差异，造成的染色不匀。2.常规纺丝（1）纺丝过程注意的问题混合指使用静态混合器将螺杆出口的熔体混合均匀。使用静态混合器混合可达到强化熔体均匀性的目的，同时可减小熔体通过弯管时，管壁中心温度及停留时间的差别。计量的目的是为了保证丝条纤度均匀。计量泵还可使熔体增压，以适应纺丝的需要。纺丝前须用滤砂等过滤材料对熔体进行过滤，以除去杂质。在高压纺丝中，过滤层还能产生较高的阻力，使熔体摩擦生热，温度升高，改善熔体的流变性能。卷绕筒管与卷绕头上的摩擦辊以一定的压力接触，通过摩擦传动保持相同的线速度。（2）纺丝原理熔体细流在成形过程中，粘度、速度、应力和温度，在其路径上存在着连续发生变化的梯度分布场，称之为粘度场、速度场、应力场和温度场，固化的纤维所具备的性能与这些场起的作用关系很大。①入口区入口区指熔体经过的每个喷丝孔的喇叭口部分，熔体从较大的空间进入直径逐渐变小的喇叭口内，流速增大所损失的能量以弹性能贮存于体系之中，高聚物在入口区具有的这种特征称为“入口效应”。②孔流区在此区域中，熔体有两个特点，一是流速不同，靠近孔壁处速度小，孔中心速度高，有一个径向速度梯度；另一个是入口效应产生的高弹形变有所消失。弹性形变的消失需要一定的时间，约0.1～0.3秒。由于熔体流径孔道的时间约为10.2～10.4秒，与松弛时间相差甚远，弹性内应力来不及松弛，故高弹形变的消失非常小。若径向速度梯度过大，或者说在孔流区的剪切速率过高，亦会继续产生入口效应中的高弹形变。高弹形变达到极限值，熔体细流发生破裂，无法成西安工程大学3纤。③膨化区对于非牛顿流体，流体离开喷丝孔时，流体直径会增大。这种现象的主要原因是高弹形变的迅速恢复，使细流产生膨胀。熔体细流的膨胀与熔体的粘度及喷丝板的长径比有关。粘度低时，熔体在孔道中能将更多的弹性形变消失松弛掉。这样应该适当提高熔体的温度。喷丝板板面温度对熔体温度有很大的影响，必须将其保持在275℃以上。长丝的泵供量较低，喷丝板板面暴露在纺丝窗中，其散热与箱体传给的热量和熔体带给的热量不容易平衡。在孔径一定的情况下，孔的长度增加，即长径比变大，熔体从入口到出口的松弛时间增长，膨化率可以降低。④形变区这是纺丝成形过程中最重要的区域。选择好成形工艺条件，使熔体细流在形变区内所受到的冷却条件稳定，是纺好丝的关键之一。熔体细流在离开喷丝板板面约10～15cm的距离内，温度仍然很高，流动性较好，在卷绕张力等力的作用下，细流很快被拉长变细、速度增快，同时由于接触到冷却风，细流从上到下温度逐渐降低。温度下降造成的熔体细流粘度增高愈来愈明显，细流细化的速度也愈来愈缓慢。之后，细度的变化基本停止，粘流态的细流变成了固态纤维。⑤稳定区熔体细流固化成为纤维以后，直径稳定，速度不再发生变化。调节卷绕张力对筒子的成型和退卷张力均有影响。卷绕张力、超喂及油剂被视为卷绕成型的三要素。卷绕丝被拉长和固化的过程，也就是卷绕丝的结构形成和发展的过程。它是纺丝过程中流变学因素、纺丝工程上的传热和高聚物结晶动力学之间相互作用的结果。取向和结晶是纤维的主要结构因素，它们对后加工和产品的质量有重要的影响。影响预取向度的主要因素是卷绕速度和冷却条件。卷绕速度高，预取向度相应也高。冷却条件包括风温、风湿和风速。熔体细流冷却过快或过慢均会使预取向度升高。在常规纺丝的条件下，卷绕丝基本上不产生结晶。低取向和不结晶是卷绕丝的结构特征。（3）纺丝工艺参数的选择西安工程大学4熔体温度控制适当，不仅可纺性好，而且得到的成品丝物理机械性能优异。在切片特性粘数为0.64～0.66的情况下，熔体温度控制在285～290℃之间为宜。在上述参数范围内，随着温度的提高，熔体的流动粘度逐渐降低，熔体的均匀性和流变性能变好，可纺性逐步提高，卷绕丝的预取向度降低，断面不匀率下降，纺丝张力也降低，卷绕丝的最大拉伸比和自然拉伸比增大。因此，在熔体粘度不大的情况下，温度尽可能取高。但熔体温度又不能过高，过高的温度会加剧熔体的降解，使螺杆压力降低或出现波动，组件压力下降，喷出的丝呈不连续状，无法卷绕等。即使没有这样严重，也会使凝固点上下波动，条干不匀率增大，染色等不匀率升高。另外，还会产生注头丝，卷绕时毛丝及断头增多等情况。若熔体温度太低，会因粘度太高，使熔体在喷丝孔中的剪切应力增大，造成熔体破裂，可纺性变差。在低于280℃的情况下，纺出的丝条其强、伸度均较低。另外还应考虑，螺杆转速愈快，摩擦产生的热量愈多的因素。箱体的主要作用是对纺丝组件起保温作用。螺杆挤出压力试验证明，泵前压力达到5210Pa时，计量泵才能精确地计量输出，否则，会产生泵供量不足或者波动，使纺出的丝变细或条干不匀。组件压力是熔体通过过滤层和喷丝孔时受到阻力的反压力，它与纤维质量的均匀性密切相关。随着组件使用时间的增长，过滤层内的杂质逐步增多，阻力愈来愈大，组件压力不断升高。对于组件压力，工艺上主要考虑初期压力和升压速度。冷却风的温、湿度和风速风速（风量）对卷绕丝的预取向和拉伸倍数影响较大。随着风速的增加，卷绕丝的双折射降低，冷拉倍数增大。这是由于风速大时冷却效果好，凝固点向喷丝板方向移动，形变区缩短，熔体凝固前受到的拉伸取向作用减弱所致。另外，风速大可改善染色不匀率和纤度不匀率，并能减弱室外气流的干扰。但风速超过一定程度，反而造成成品质量指标不匀率的上升。另外，风速还要稳定。卷绕速度是影响卷绕丝预取向度的一个重要因素。速度愈高，预取向度愈高，后拉伸倍数愈低。防了防止因叠丝造成卷绕成型不良，横动导丝器往复次数应进西安工程大学5行周期性的变化。卷绕速度加快时，振幅和周期应适当减小。（4）拉伸加捻拉伸过程必须稳定，得到的产品具有优良的内在和外观质量，生产效率高。由于纺丝过程中的急剧形变，卷绕丝内部分子间存在着内应力，结构极不稳定。拉伸之前必须将刚落筒的卷绕丝在一定的温、湿度条件下，放置一定的时间，使其内应力减小或消失、结构相对稳定及内外层均匀后，再进行拉伸。根据实验，2小时内，取向等结构的变化较明显，以后逐渐平稳。平衡时间不宜过长，若超过一个星期，卷绕丝分子间次价健增加，丝老化变硬，拉伸时，毛丝、断头率增高、甚至无法进行拉伸。平衡间保持一定的湿度，可防止原丝上水分的挥发。若湿度太低，表层丝中的含水会因蒸发而减少，造成内外层丝的含水率不一，水分对纤维起增塑作用，含水率的不匀会在拉伸时造成明显的纤度不匀和取向不匀。影响取向度的另外一个定型温度。拉伸温度适当提高，拉伸倍数可以增大。定型时的加热处理，可消除由于拉伸产生的内应力，防止已经取向的大分子改变它的取向状态。拉伸丝的结晶度可达40%左右。随着涤纶长丝结晶度的增大，纤维的密度增大，刚性降低，溶解变难，吸色性变差。结晶的生成需要一定的温度和时间。一般拉伸温度在玻璃化温度之上，并有一定的加热时间，则具备产生结晶的条件。但这不是造成拉伸丝高结晶度的主要原因，因为拉伸温度仅高于玻璃化温度20～30℃，加热时间又较短，主要因素是拉伸应力的诱导作用，促进结晶速度增大。染色均匀性是长丝的重要性能。纤维结晶区的吸色性差，无定形区吸色性好。无定形区分布的均匀性直接影响染色均匀性。如何控制好无定形区分布的均匀，是拉伸过程中的重要问题。因此，原丝的质量、拉伸、成型条件以及环境条件，都必须进行认真控制和管理。