003第三章-聚酰胺纤维

1学习目的要求：初步掌握聚酰胺分子聚集态结构特征、聚酰胺高速纺丝工艺与工艺控制与纤维结构性能的关系；了解后加工方法及原理，熟悉其性能及应用,了解其新品种特种及制备方法。第三章聚酰胺纤维●概念：聚酰胺纤维是指纤维大分子主链由酰胺键连接起来的一类合成纤维。各国名称叫法不一样：中国－绵纶，美国－尼龙,苏联－卡普隆，德国－贝纶，日本－阿米伦●分类：1.由二元胺和二元酸缩聚而得。通式：2.由ω-氨基酸缩聚或由内酰胺开环聚合而得：通式：2一、概述●典型的代表：也是现在工业化生产纤维的二大品种，前者是PA66，后者是PA6。3锦纶DTY系列产品锦纶POY、FDY系列产品锦纶长丝PA6切片●原料与聚合反应式：1.PA6原料：己内酰胺聚合反应式：2.PA66原料：己二胺和己二酸聚合反应式：45以PA6为例详细阐述聚酰胺纤维的制备过程。二、聚酰胺纤维的制备工艺流程图：干燥、熔融挤压过滤纺丝1.原料：己内酰胺2.活化剂（催化剂或开环剂）：微量，用量为已内酰胺的0.5%～5%3.适当的温度：一般控制在250～260℃4.分子量调节剂（链的终止剂）：单体量的0.07%～0.14%的乙酸或0.2%～0.3%的已二酸5.其他助剂：如二氧化钛等6以PA6为例详细阐述聚酰胺纤维的制备过程：二、聚酰胺纤维的制备---切片制备第一步：熔体的制备1.聚酰胺切片的制备2.聚酰胺干燥、熔融5.聚合反应原理：在上述条件下，发生以下聚合反应：该反应为可逆逐步缩聚反应，并可形象地分为：（1）已内酰胺的引发和加成：水解后生成氨基已酸后，已内酰胺逐个连接上去。（2）链的增长：满足纺丝要求的分子量为止（18000--33000）。（3）平衡阶段：进行着链交换、缩聚、水解等反应。最终反应物是混合物，产品质量取决于工艺的控制。7二、聚酰胺纤维的制备---切片制备聚己内酰胺的聚合工艺分间歇聚合和常压连续聚合两种。间歇聚合：是将引发剂、分子量调节剂和熔融的己内酰胺一起加入聚合釜中，在一定的温度和压力下进行聚合。特点：只适应于小批量、多品种的生产，而大规模生产则采用连续聚合法为宜。常压连续聚合：是在己内酰胺连续聚合工艺中用得最多的。近年来，我国从国外引进了一批聚酰胺6生产技术和设备。特点：产量大，生产连续化、自动化程度高，产品质量稳定。86.聚已内酰氨的生产流程：二、聚酰胺纤维的制备---切片制备9连续聚合生产流程图二、聚酰胺纤维的制备---切片制备经以上制得的切片还需经萃取、干燥等纺前处理，以除去切片中的单体和低聚物，并通过干燥降低切片的含水率。制得成品切片如下：10送纺丝厂进行纺丝二、聚酰胺纤维的制备---切片制备◆切片的物理性质和化学性质1.密度：聚己内酰胺1.12～1.14g/cm3；聚己二酰己二胺1.13～1.16g/cm3。2.熔点：聚己内酰胺206～230℃；聚己二酰己二胺250～269℃。3.玻璃化转变温度：聚己内酰胺48℃；聚己二酰己二胺50℃。4.耐化学药品性：耐碱性好；耐酸性差（稀酸溶液中水解成单体和低聚物）。11二、聚酰胺纤维的制备---切片制备5.吸湿性：聚酰胺6和聚酰胺66相对于其他合成纤维，有较好的吸湿性，水分子可进入聚酰胺的非结晶区与酰胺键结合。6.熔体黏度：聚己内酰胺的熔体黏度随着数均分子量的增大而增加。7.动态黏弹谱：典型的聚己内酰胺动态黏弹谱如图3－11所示。12二、聚酰胺纤维的制备---切片制备聚酰胺纤维主要以切片熔融纺丝法为主，虽然在生产上也采用缩聚后熔体直接纺丝，但由于其技术要求高，质量较难控制，特别是聚酰胺6，其聚合体内含10%左右的单体和低聚物，造成纺丝困难，纤维结构不均匀，因此聚酰胺6直接纺丝法目前大多限于生产短纤维，而对于长丝品种则主要采用切片纺丝法。纺丝原理与聚酯纤维相同，只是由于聚合物性能的不同而工艺控制有所不同。工艺流程图如下：13第一、二、三步：干燥、熔融挤压、过滤、纺丝二、聚酰胺纤维的制备---纺丝纺丝窗及冷却装置二、聚酰胺纤维的制备---纺丝15纺丝过程的主要工艺参数1.熔融条件：螺杆各区温度的选择与控制、熔体输送过程中温度的选择与控制、熔体温度与熔体黏度的选定；2.喷丝条件：泵供量、喷丝头组件结构；3.固化条件：风温与风湿、风速及其分布；4.卷绕条件：纺丝(卷绕)速度，上油、给湿，卷绕车间温湿度。二、聚酰胺纤维的制备---纺丝聚酰胺高速纺丝工艺：1.纺丝温度、速度和冷却成型条件：聚酰胺6纺丝温度为265～270℃；纺丝速度至少在4000m／min以上，冷却成型一般风温20℃，风速0.3～0.5m／s，相对湿度65％～75％。2.预取向丝取向度与卷绕张力：聚酰胺6预取向丝的取向度与纺丝速度和卷绕张力有关。在卷绕张力的作用下，丝条受到拉伸而发生分子取向和结晶，这主要发生在纺丝头与上油装置之间。3.纺丝速度对卷绕丝结构和性能的影响：聚酰胺纤维的取向度随纺丝速度的增加而增加，当纺速在1400m／min以下时，其取向度随纺速的提高而急剧增大，当纺速达1400m／min以上时，取向度的增大缓慢。16二、聚酰胺纤维的制备---纺丝聚酰胺纤维高速纺丝的工艺及特点：171.对切片含水和熔体纯度的要求高的含水率和含杂会使丝条出现气泡丝或内部、表面出现孔洞，在较高纺丝张力下，丝束容易断裂或毛丝，不利于纺丝。一般要求高速纺丝时聚酰胺切片含水率必须小于0.08％；熔体中不允许有6μm以上的杂质存在。二、聚酰胺纤维的制备---纺丝2.对纺丝设备的要求因聚酰胺纤维生产的卷绕速度较高，要求熔体产生量大，当选定了螺杆直径D及其长径比L／D后，可通过增加螺纹深度、适当减少计量段螺杆与套筒的间隙或提高螺杆转速等手段增加螺杆的挤出量。混炼头可使熔体更为均匀，且对破除熔体内气泡有效果。183.丝条冷却和上油方式高速纺可适当增加风速加强冷却效果，油嘴上油有利于上油均匀，油嘴的材质可使用耐磨性好的二氧化钛陶瓷或三氧化二铝陶瓷，在油嘴与丝接触部分，要求十分光滑。二、聚酰胺纤维的制备---纺丝三、聚酰胺高速纺丝拉伸一步法工艺1.生产流程（见图3－18）2.生产工艺（纺丝设备与涤纶高速纺基本相同）(1)纺丝温度：聚酰胺6的纺丝温度控制在260～270℃，聚酰胺66控制在280～290℃。(2)冷却条件：通常冷却吹风使用20℃左右的露点风，送风速度一般为0.4～0.5m／s，相对湿度为75％～80％，冷却吹风位置上部应靠近喷丝板。(3)纺丝速度和喷丝头拉伸倍数：目前高速纺丝已达到4000～6000m／min，甚至更高。卷绕速度和喷丝头拉伸倍数的变化会影响卷绕丝的结构和拉伸性能。19(4)上油：高速纺丝上油比常规纺丝上油更为重要，它直接影响纺丝拉伸卷绕成型工艺的正常进行和丝条的质量。喷嘴上油的位置设在吹风窗下端。(5)拉伸倍数:聚酰胺FDY工艺的拉伸倍数一般只有1.2～1.3倍。(6)交络作用:在第二拉伸辊下部对应于每根丝束设置交络喷嘴，以保证每根丝束中具有每米约20个交络点。丝束经交络后，便进入高速卷绕头，卷绕成为FDY成品丝。20PA-6短纤生产线PA-6工业丝生产设备一、聚酰胺长丝的后加工1.长丝后加工工艺流程POY（UDY）－DT工艺流程如下：POY(UDY)丝筒→导丝器→喂入罗拉→热盘→热板→拉伸盘→钢丝圈→环锭加捻→卷绕筒管→DT丝2.长丝后加工工艺特点(1)拉伸：在聚酰胺长丝加工过程中，拉伸是一个关键工序。21第四步：后加工◆拉伸目的：使纤维根据用途不同而具有适当的物理一力学性能和纺织性能，如强度、延伸度、弹性、沸水收缩率、染色性等。◆主要工艺参数：拉伸倍数、拉伸温度、拉伸速度。(2)环锭加捻:环锭加捻机构由导丝钩、隔丝板、钢领、钢丝钩、锭子和筒管等几个重要部分组成。常用的加捻方法是，拉伸盘和小转子握持丝的一端，另一端由锭子和钢丝钩带动加以回转，使丝条得到加捻。(3)后加捻:◆目的：捻度↑→抱合力↑→强力↑（有个最大值）↑→捻度↑→强力↓提高纤维抱合力2223二、高弹丝的后加工1.假捻法高弹丝生产工艺流程拉伸丝→加捻、热定型和解捻→合股并捻→预取向丝→内拉伸加捻、热定型和解捻络筒上油→整理包装→成品倒框成绞→放置平衡经热定型再解捻的丝，会发生与解捻方向相反的转矩，其转矩在针织加工时，由于丝松弛而缠结，会影响针织加工的正常进行。对针织用变形丝，需将捻向不同的两束丝合捻，以抵消其转矩，而用于机织加工的高弹丝，则不需合股并捻。三、短纤维的后加工聚酰胺短纤维的生产过程在原料熔融和聚合等方面和长丝生产工艺基本相同，但在纺丝方法上一般是采用熔体直接纺丝法。其工艺流程：集束→拉伸→洗涤→上油→卷曲→切断→开毛→干燥定型→打包24→◆锦纶6具有下列优良性能：1.强度高：锦纶纤维的强度是目前已工业化生产的合成纤维中强力最高的一种。普通丝的强度为4.4～5.7cN／dtex，强力丝高达6.2～8.4cN／dtex。2.回弹性好：锦纶的回弹性极好，例如在纤维伸长3-6%时，弹性恢复率接近100%，当伸长10%时为92-99%，而在此状态下，涤纶的弹性恢复率为67%，腈纶为56%，维纶为45%，粘胶仅为32%。3.耐磨性好：在纺织纤维中锦纶的耐磨性最好，它比棉纤维高10倍，比羊毛高20倍。254.耐疲劳性好（轮胎）：可经得住数万次双曲挠，在同样试验条件下，比棉花高7-8倍，比粘胶高几十倍。5.耐碱性和耐微生物性好：锦纶对碱的作用稳定性较高，它在高温下不受碱的作用，即使把它放在100℃的10%的苛性钠溶液中浸渍100小时，纤维强力也降低甚少，对细菌和微生物的作用具有较好的抵抗力，它耐腐蚀、不发霉、不怕虫蛀。6.染色性能良好：锦纶的染色性能虽不及天然纤维和人造纤维，但在合成纤维中是比较易染色的，它可用酸性染料、分散染料及其它染料染色。26◆锦纶6的缺点：1.初始模量低：初始模量比其他大多数纤维低，因此纤维易变形，制得的织物挺括性较差，制得的轮胎容易产生平点现象，而使汽车行驶之初会产生颠簸现象。2.耐热和耐光性差：它的物理机械性能随温度而发生变化，当温度升高时，强力和伸长下降而收缩率增加。它的熔点为215℃左右，软化点为170℃左右，比锦纶66低，锦纶6和锦纶66的安全使用温度分别是93℃和130℃，汽车轮胎帘子线在使用中温度较高，故需加入防老化剂。273.耐光性差：聚酰胺纤维的耐光性较差，在长时间的日光和紫外光照射下，强度下降，颜色发黄。例如，锦纶在日光照射下16周后，有光纤维强力降低23%，无光纤维强力降低50%，在同样条件下棉纤维仅下降18%。对于上述主要缺点，近年来已研究出各种办法如添加耐光剂以改善耐光性；纺制异形纤维以改善外观和手感；采用共混或共聚改进其织物的挺括性等。2829服装用纤维工业用纤维地毯用纤维3031◆锦纶地毯纱32◆锦纶应用领域3334聚酰胺纤维的改性方法一般分为化学改性法和物理改性法两种。化学改性的方法有共聚、接枝等，以改善纤维的吸湿性、耐光性、耐热性，染色和抗静电性。物理改性的方法有改变喷丝孔的形状和结构，改变纺丝成型条件和后加工技术等，以改善纤维的蓬松性、伸缩性、手感、光泽等性能，如纺制复合纤维、异形纤维、混纤丝或经特殊热处理的聚酰胺丝，可获得各种聚酰胺差别化纤维。◆聚酰胺纤维的改性和新品种35(1)异形截面纤维（2）混纤丝（异收缩）(3)抗静电、导电纤维杜邦Antron—III36(4)高吸湿纤维东丽TOREX*QUUP*（5）耐光耐热纤维纤维在光和热作用下老化，特别是有二氧化钛存在时，可加入紫外线吸收剂和稳定剂等（6）抗菌防臭纤维纤维成型前添加抗菌药剂或成型后进行抗菌防臭整理(7)改善“平点”效应的聚酰胺帘子线共混纺丝以提高纤维的抗变形和抗湿热降解的能力●聚酰胺纤维的新品种耐光耐热纤维高吸湿纤维双组分纤维抗静电、导电纤维阻燃纤维抗菌防臭纤维改善“平点”效应的聚酰胺帘子线聚酰胺纤维的新品种脂环族聚酰胺纤维芳香族聚酰胺纤维371.PA6和PA66的原料各是什么？写出其分子结构式。2.请写出已内酰氨聚合过程中的主要反应式。反应后的体系有何特点？3.为什么聚酰氨纤维高速纺丝的纺速要求要高于聚酯纤维？4.简述假捻法高弹丝工艺流程。