郑州大学：塑料成型工艺学 郑国强(模具方向)――第十章 合成纤维的成型加工

第十章合成纤维的成型加工◆纤维：长径比很大，并具有一定柔韧性的纤细物质;◆纺织纤维包括天然纤维（如羊毛、蚕丝、棉花、麻、竹等）和化学纤维（由聚合物等材料制成）。10.1概述◆人造纤维：是以天然聚合物如纤维素和蛋白质等改性而成，如粘胶纤维、醋酸纤维、蛋白质纤维等；◆合成纤维：是由合成的聚合物经纺丝而成，如聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维（涤纶）、聚酰胺（锦纶）、聚乙烯醇缩甲醛（维纶）、聚丙烯（丙纶）、聚丙烯腈（腈纶）、聚氯乙稀（氯纶）、聚氨酯弹性体纤维（氨纶）、芳香族聚酰胺纤维（Kevlar）等。◆合成纤维是用石油、天然气、煤炭等矿产资源以及农副产品为原料，经过一系列的化学反应，制备成高分子化合物，再经过纺丝加工而得到的纤维。纺丝过程是将聚合物熔体或将其用其它溶剂将聚合物溶解为黏性溶液，用齿轮泵定量供料，在牵引的作用下，通过喷丝头的小口，经凝固或冷凝成纤维。◆主要有三种纺丝方法：—熔融纺丝—干法纺丝—湿法纺丝◆纺丝液在纺丝过程中的流动：—纺丝液（溶液或熔体）在喷丝毛细孔中的流动—纺丝流体的内应力松弛和流场的转化，即剪切向拉伸转化—纺丝条的拉伸流动—纤维的固化10.2成纤聚合物的基本性质(可纺性)通常，成纤聚合物具有以下一些特性：成纤聚合物的分子为线性结构，具有良好的结晶性；用于溶液纺丝的聚合物可溶于溶剂中制成聚合物溶液，聚合物溶液或熔体具有适当的粘度；聚合物应具有适当高的相对分子质量和较窄的相对分子质量分布；聚合物分子链间具有较强的相互作用；成纤聚合物的玻璃化温度高于其使用温度，熔点应超过洗涤和烫熨温度（100℃以上）。10.3纤维的主要性能指标线密度（纤度）表示纤维粗细程度的指标,是指一定长度纤维所具有的重量，其单位名称为“tex”—特（克斯），1/10称为分特（克斯），单位符号dtex。1000m长纤维重量的克数称为“特”。支数是指单位重量的纤维所具有的长度。对于同一种纤维，支数越高，纤维越细。断裂强度是指纤维在连续增加负荷的作用下，直至断裂所能承受的最大负荷与纤维的线密度之比。断裂强度高，纤维在加工过程中不易断头、绕辊，纱线和织物牢度高；断裂强度太高，纤维刚性增加，手感变硬。断裂伸长率是指纤维在伸长至断裂时的长度比原来长度增加的百分数。断裂伸长率大，纤维的手感柔软，在纺织加工时，毛丝、断头少；断裂伸长率过大，织物易变形。模量是指抵抗外力作用下形变能力的量度。纤维的初始模量为纤维受拉伸而当伸长为原长的1％时所需的应力。它表征纤维对小形变的抵抗能力。纤维的初始模量越大，越不易变形，在合成纤维中，涤纶的初始模量最大，腈纶次之，锦纶较小，故涤纶织物挺括，不易起皱，锦纶织物易起皱，保形性差。初始模量（弹性模量）长丝：长度以千米计的丝。短纤维：被切成几厘米或十几厘米长的纤维。混纺织物不可能用长丝制造，只有用短纤维与天然纤维或其它化学纤维的短纤维进行混纺，才能得到混合良好的混纺织物。如用涤纶与棉花混纺得到的织物即“涤棉”，与羊毛混纺的织物叫“毛涤”。10.4合成纤维的分类异形截面纤维：在合成纤维成型过程中，采用非圆形孔眼的喷丝板，可得不同截面形状的纤维，用以改善纤维的手感、回弹性等。如三角形截面的维纶光泽良好，不易沾尘土，其织物耐穿；五叶形截面的涤纶长丝有类似真丝的光泽，手感良好等。变形纱：经过变形加工处理的丝和纱，如弹力丝和膨体纱。六大合成纤维：氯纶（聚氯乙烯）、锦纶（尼龙6）、涤纶（聚对苯二甲酸乙二醇酯）、腈纶（聚丙烯睛）、维纶（聚乙烯醇）、丙纶（聚丙烯）（以上纤维的分子式应熟记）10.5化学纤维的生产方法化学纤维的生产工艺流程主要包括纺丝熔体和溶液的制备、纺丝及初生纤维的后加工;目前，合成纤维的纺丝方法主要有两大类：熔体纺丝法和溶液纺丝法，在溶液纺丝法中，根据凝固方式的不同，又可分为湿法纺丝和干法纺丝两种。◆工艺过程－将聚合物熔融;－喷丝泵将溶体压入喷丝头;－熔体从喷丝头流出形成细丝;－经冷凝形成纤维;熔融纺丝1.齿轮泵2.过滤填料3.导丝4.卷绕辊5.骤冷浴6.喷丝板涤纶纤维螺杆纺丝示意图1.大料斗2.小料斗3.进料筒4.螺杆挤出机5.熔体导管6.计量泵7.纺丝箱体8.喷丝头组件9.纺丝套筒10.给油盘11.卷绕辊12.16.废丝辊13.牵引辊14.喂入轮15.盛丝桶◆工艺特点工艺过程简单、纤维强度高、不使用其他溶剂、纺丝速率高（800-1000m/min）,适用此法的聚合物种类比较多（聚酰胺、聚酯）◆纺丝设备－螺杆挤出机;－纺丝组件;－纺丝泵;－纺丝吹风窗及纺丝冷却套管;1.厚铝垫圈2.薄铝垫圈3.外螺纹套4.压板5.过滤网6.分配板7.过滤网8.喷丝板9.内螺纹套◆纺丝工艺－温度温度太高，黏度低，形成自重引申大于喷丝头拉伸，易造成细丝屈服粘结的现象－冷却冷却慢时，细丝冷凝时间长，经不起拉伸、易发生断头；冷却快时，细丝易出现“夹心”，导致强度低－喷丝速率和卷绕速率－给湿及油剂处理对于难熔融或易分解的聚合物来说，干（湿）法纺丝是一种恰当的方法，湿法和干法的差别只是纤维凝固方式的不同。晴纶、维纶、氨纶以及芳纶都采用此法生产。其工艺过程都是将聚合物做成纺丝原液（成纤聚合物的溶液），然后将原液经过过滤脱泡后，经过计量泵把原液从喷丝头挤出，在凝固浴的作用下，经过适当的拉伸而形成初生纤维。干（湿）法纺丝1.第一导辊2.导辊丝3.凝固浴槽4.喷丝头5.鹅颈管6.烛形过滤器7.计量泵8.进浆管9.凝固液进口10.凝固液放空管11.凝固浴出口10.6粘胶纤维工艺过程及特点粘胶纤维是以天然纤维如木质纤维、棉纤维、禾本科植物纤维（如甘蔗渣、芦苇、麦杆等）为原料，经纤维素黄酸酯溶解以湿法纺丝制成的。它也称为人造纤维，是将不能直接纺织的原料经过化学方法制造而成的纤维。简单的讲就是首先用棉短绒（也可以用其他）制成浆板，然后浆板粉碎后加入烧碱制成碱纤维素，碱纤维素、二硫化碳、烧碱反应生成碱纤维素黄酸酯。黄酸酯从喷头中喷出，经过酸浴（硫酸、硫酸钠、硫酸锌）凝固、分解，从而等到的成品即粘胶纤维。粘胶纤维的生产包括以下四个过程：(1)粘胶的制备：即浆粕的准备、碱纤维素的制备及老成、纤维素黄酸酯的制备（磺化）和溶解等。浆粕是将原料经蒸煮、精选、漂白等预处理而得到的；老成是借空气的氧化作用，使碱纤维素分子链断裂，聚合度下降，以达到适当调整粘胶粘度的目的；磺化是使难溶解的纤维素变成可溶性的纤维素黄酸酯，以便进行湿法纺丝；（2）粘胶的纺前准备：包括粘胶的混合、过滤、熟成、脱泡等。（3）纺丝：粘胶经过计量和纺前过滤后，通过喷丝孔形成多根粘胶细流，进入凝固浴而固化成丝条，再经塑化拉伸和受丝卷取等过程。（4）纤维的后处理：包括纤维的水洗、脱硫、漂白、酸洗、上油、干燥等，长丝要进行加捻、络丝、分级、包装等加工过程，短纤维则需经切断、开松、打包等。上油：使纤维表面覆上一层油膜，赋予纤维平滑柔软的手感，降低纤维间或纤维与金属间的摩擦，使加工过程顺利进行，并使其湿度增加，改善纤维的抗静电性能。加捻：目的主要是使复丝中各根单纤维紧密地抱合，避免在纺织加工时发生断头或紊乱现象，并使纤维的断裂强度提高。络丝：将经过压洗、定型后的纤维在络丝机上由有孔的丝筒退绕至锥形筒管，形成双斜面宝塔形式，以便运输和纺织加工。切断：将纤维切割成规定长度的短段，以使合成纤维在纺丝加工过程中适应混纺的棉、毛等天然纤维的长度和纺丝加工设备的特殊需要。粘胶纤维的性质与棉极为相似，吸湿、透气、易染色、抗静电、易于纺织加工，制成的织物花色鲜艳，穿着舒适。但粘胶纤维的的湿态强度大大低于干态强度，且缩水性较大，纤维吸水后膨化，织物在水中易变硬。粘胶纤维应用广泛，其长丝称为人造丝，可织成各种平滑柔软的丝织品，毛型短纤维俗称人造毛，是毛纺厂重要的原料，棉型粘胶短纤维俗称人造棉，可织成各种色彩绚丽的人造棉布。■聚酯纤维它通常是指聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）纤维，为目前发展速度最快、产量最大的合成纤维品种。聚酯纤维又称涤纶，的确良，特丽纶、达克纶、帝特纶等，是以对苯二甲酸二甲酯、乙二醇为原料，经酯交换、缩聚、纺丝和纤维后加工等四个步骤而得。聚酯纤维常采用熔体纺丝法，可分为切片纺丝和直接纺丝。目前，聚酯短纤维大多采用直接纺丝法，即将聚合釜中的熔体直接送入纺丝机；而聚酯长丝多采用切片纺丝法。10.6常用的聚合物纤维及其应用PET的软化点230～240℃，熔点范围255～264℃，纤维级PET树脂的相对分子质量为15000～2000，特性粘度通常为0.62～0.68dL/g。PET分子中含有酯基，易发生水解，故在纺丝时应严格控制水分含量。—弹性好：其弹性接近于羊毛，耐皱性超过其它纤维；—强度大：干态强度和湿态强度接近；—模量高：其初始模量为大规模生产的合成纤维中最高者，故其织物的尺寸稳定、不变形；—吸湿性低：吸湿情况下强度下降少，织物易洗快干；—耐热性好。聚酯纤维的性能■聚酰胺纤维聚酰胺及锦纶、尼龙、卡普龙，是世界上最早投入工业化生产的合成纤维。聚酰胺的品种很多，目前工业化生产及应用最广泛的是PA6和PA66，PA1010是我国的特有品种。PA6在大规模工业生产中大多采用以己内酰胺为原料，经开环水解聚合制得。PA66是将己二胺和己二酸反应生成66盐，然后进行缩聚而得，其中河南神马集团的产量最大。聚酰胺纤维目前大多采用切片熔融纺丝法，纺丝前，切片应充分干燥。—耐磨性好：为所有纺织纤维中耐磨性最好的品种；—强度高，抗冲击强度高；—弹性高，耐疲劳性好，耐低温性能良好；—吸湿率较低。聚酰胺纤维的性能■聚丙烯腈纤维聚丙烯腈（PAN）简称腈纶，为目前世界上产量仅次于聚酯纤维和聚酰胺纤维的第三大品种的纤维材料。聚丙烯腈在加热下既不软化又不熔融，在280～300℃下分解，一般不能采用熔体纺丝，而是采用溶液纺丝法。—柔软性和保暖性好，外观和手感像羊毛；—耐光性和耐辐射性优异；—弹性模量高，保型性好；—化学稳定性和耐热性好；—优良的耐霉菌和耐虫蛀性。聚丙烯腈的特性■聚乙烯醇纤维聚乙烯醇（PVA）又称维纶、维尼纶。工业上成纤用聚乙烯醇是以醋酸乙烯为单体，经缩聚生成聚醋酸乙烯，然后进行醇解反应而得。聚乙烯醇的熔融温度为220～240℃，在250℃以上完全分解变色，且没有明显的稳定熔融态，故不能采用熔融法纺丝，而是采用溶液纺丝法生产纤维。湿法纺丝法主要生产短纤维，干法纺丝主要生产长丝。维纶短纤维的外观形状接近棉花，因此有“合成棉花”之称，其长丝则似蚕丝。维纶的强度和耐磨性优于棉花，吸湿率大，与棉花接近，导热性差，具有良好的保暖性。维纶的主要缺点是染色性差，色泽不鲜艳；耐水性较差，易收缩和变形；弹性较差，其织物不够挺括，易发生折皱。■聚对苯二甲酸对苯二胺纤维聚对苯二甲酸对苯二胺纤维商品名为Kevlar，又称芳纶1414，是目前国外产量最大、应用最广的高强度、高模量、耐高温的纤维。Kevlar纤维具有极好的力学性能。10.7聚合物纤维对基体结晶的影响碳纤维(左)和聚对苯二甲酸对苯二胺纤维(右)在135℃恒温结晶时,不同结晶时间下的结晶形态:a=7min;a=20min;Figure1升温200˚C后以1˚C/min降温非等温结晶Figure2升温200˚C后以10˚C/min降温非等温结晶非等温下PET纤维对PP结晶的影响升温300˚C后以1˚C/min降温升温300˚C后以10˚C/min降温●PET/PP的横晶受冷却速率的影响比较大；●PET纤维内在的取向结构的松弛是影响其横晶生成的最主要因素；iPP基体200℃熔融,然后冷却至165℃,此时把不同的纤维包埋,并迅速转移到138℃的热台上恒温结晶不同聚合物纤维对PP结晶的影响iPP基体200℃熔融,然后冷却至165℃,此时把不同的纤维包埋,并迅速转移到138℃的热台上恒温结晶(左),然后升温至200℃后迅速降至138℃恒温结晶iPP基体200℃熔融,然后冷却至165℃,此时把不同纤维包埋,然后在此温度恒温40min,并迅速转移到138℃的热台上恒温结晶●PET纤维和PA6纤维对基体iPP的异相成核能力主要是由制样时所引入的剪切应力所决定的;●同质纤