化学纤维概论(第二版)

第四节化学纤维生产方法概述化学纤维的生产过程大致包括四步：（1）原料的制备：高分子化合物的制备和机械处理；（2）纺前准备：纺丝熔体或纺丝溶液的制备；（3）纺丝：纤维的成形；（4）后加工：纤维的后加工。再生纤维，提纯合成纤维，聚合一、原料制备1、成纤高聚物的基本性质成纤聚合物：用于化学纤维生产的高分子化合物，称为成纤高聚物或成纤聚合物。包括：天然高分子化合物合成高分子化合物成纤聚合物应具备的基本性质：1.成纤聚合物大分子必须是线形的，能伸直的分子、支链应尽量的少，没有庞大的侧基;2.聚合物分子间有适当的相互作用力，或具有一定规律性的化学结构和空间结构。3.聚合物应具有适当高的分子量和较窄的分子量分布；4.聚合物应具有一定的热稳定性，其熔点或软化点应比允许使用温度高的多。主要成纤高聚物的相对分子质量高聚物相对分子质量高聚物相对分子质量聚酰胺-6或-66聚酯聚丙烯腈16000-2200016000-2000050000-80000聚乙烯醇全同聚丙烯60000-80000180000-300000几种主要成纤聚合物的热分解温度和熔点聚合物热分解温度/℃熔点/℃聚乙烯350～400138等规聚丙烯350～380176聚丙烯腈200～250320聚氯乙烯150～200170～220聚乙烯醇200～220225～230聚己内酰胺300～350215聚对苯二甲酸乙二酯300～350265纤维素180～220——醋酯纤维素酯200～230——2.原料制备再生纤维的原料制备过程，是将天然高分子化合物经一系列的化学处理和机械加工，除去杂质，并使其具有能满足再生纤维生产的物理和化学性能。合成纤维的原料制备过程，是将有关单体通过一系列化学反应，聚合而成具有一定官能团、一定分子量和分子量分布的线型聚合物。由于聚合方法和聚合物的性质不同，合成的聚合物可能是熔体状态或溶液状态。化学纤维的主要纺丝方法：熔体纺丝法和溶液纺丝法。熔体纺丝（简称熔纺）将高分子聚合物加热熔融成为一定粘度的纺丝熔体，利用纺丝泵连续均匀地挤压到喷丝头，通过喷丝头的细孔压出成为细丝流，然后在空气或水中使其降温凝固，通过牵伸成丝。将聚合（缩聚）所得到的聚合物熔体直接送去纺丝，这种方法称之为“直接纺丝法”；将聚合（或缩聚）得到的聚合物熔体经铸带、切粒等工序制成“切片”，然后在纺丝机上重新熔融成熔体并进行纺丝，这种方法称之为“切片纺丝”。溶液纺丝：将高聚物浓溶液定量从喷丝孔挤出，溶液细流经凝固浴或热空气或热惰性气体固化成纤维的方法。直接利用聚合得到的聚合物溶液作为纺丝原液，称为一步法；先将聚合得到的溶液分离制成颗粒状或粉末状的成纤聚合物，然后再溶解，以获得纺丝液，称为二步法。二纺前准备1、纺丝熔体的制备对于切片纺丝，需要在纺丝前将切片干燥，而后加热至熔点以上、热分解温度以下，将切片制成纺丝熔体。切片干燥切片的熔融切片干燥目的：含水使切片在熔融时会水解，使分子量下降，影响成丝质量。水在高温下汽化，可形成气泡丝，易造成纺丝断头或毛丝。含水切片是无定形结构，软化点低，在螺杆的加料段易造成环结阻料现象，影响正常生产切片的熔融在螺杆挤出机中完成的。切片自料斗进入螺杆，随着螺杆的转动被强制向前推进，同时螺杆套筒外的加热装置将切片加热熔融，熔体以一定的压力被挤出而输送至纺丝箱体中进行纺丝。以尼龙6为例：直接纺丝法：切片纺丝法：直接纺丝法（锦纶，涤纶）优点：工序简单，生产效率高，成本低缺点：聚合过程中的一些单体和低聚物难以除去，影响质量。切片纺丝法（锦纶，涤纶，丙纶）缺点：工序较多，成本高优点：灵活性好，产品质量好，可使切片在一定温度下进行固相补充聚合，进一步提高分子量，增大强度。产品质量要求高帘线丝采用溶液纺丝法生产的主要化学纤维品种中，只有腈纶既可采用一步法，又可采用二步法纺丝，其它品种的成纤聚合物，无法采用一步法生产工艺。采用二步法时，需要选择合适的溶剂将成纤聚合物溶解，溶解后，所得溶液在送去纺丝之前，要经过混合、过滤、脱泡等工序，称为纺前准备。2.纺丝溶液的制备（1）成纤聚合的溶解线形聚合物的溶解过程必先经溶胀，即溶剂先向聚合物内部渗入，聚合物的体积增大，当溶胀过程持续下去，大分子之间的距离不断增大，最后聚合物分子以分子状态进入溶剂，完成了溶解过程。聚合物的溶解过程实际是无限溶胀的结果。制备纺丝液的溶剂应具备如下特点：（1）在适宜的温度下有良好的溶解性能，（2）沸点不应太低或过高，太低挥发浪费，污染空气，太高则不利于回收。（3）溶剂具有足够的热稳定性和化学稳定性，在回收过程中不易于分解；（4）应无毒或微毒，对设备材料没有腐蚀性或腐蚀性较小。（5）在溶解过程中不引起聚合物分解或发生其他化学变化。纺丝液的浓度对制成纤维的品质有很大影响。在一定范围内，适当提高是有利的；但随着浓度的提高，纺丝液的粘度急剧增加，这就给原液的过滤、脱泡和纤维成形过程带来很大的困难；所得纤维的品质也并非随浓度的提高而成比例的提高。纺丝液的溶度根据纤维品种和纺丝方法的不同而异。通常用于湿法纺丝的溶度为12~25%，干法纺丝的浓度高一些，一般在25~35%之间。成纤聚合物溶剂聚丙烯二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、硫氰酸钠、硝酸或氯化锌的水溶液等聚乙烯醇水聚氯乙烯丙酮与二硫化碳、丙酮与苯、环己酮、四氢呋喃、二甲基甲酰胺、丙酮聚对苯二甲酰对苯二胺浓硫酸、含有LiCl的二甲基亚砜合成纤维生产中常用的纺丝溶剂（2）纺丝溶液的混合、过滤和脱泡混合的目的是使各批纺丝液的性质（浓度、粘度）均匀一致。过滤的目的是除去杂质和未溶解的高分子物质；脱泡是为了除去留存在纺丝溶液中气泡。纺丝液的过滤，通常有两种：另一种是恒量过滤目前原液的过滤通常以恒量过滤的方式进行。一种是恒压过滤随着时间的推移，滤材不断被污染阻塞，过滤阻力增大，单位时间内从压滤机滤过的原液量下降——不利于保持连续而稳定的生产单位时间内由压滤机流出的原液量按工艺要求保持恒定随着时间的推移，压滤机进口压力需不断增大脱泡就是除去纺丝液中的气泡影响：会造成毛丝或断头，甚至使纺丝过程无法正常进行，气泡直径较小时，留在单纤维中，形成气泡丝，会降低其强度，影响染色的均匀性。来源：1）溶解过程中机械搅拌或齿轮泵输送的过程中混入2）聚合过程产生的一些气泡脱泡过程：1)常压下脱泡，时间长2）真空脱泡，快速将成纤聚合物的熔体或浓溶液，用纺丝泵连续、定量而均匀地从喷丝头的毛细孔中挤出，而成液态细流，再在空气、水或专门的凝固浴中固化而成为初生纤维的过程称为纺丝，或称为“纤维成型”。这是化学纤维生产过程中的核心工序。调节纺丝工艺条件，可以改变纤维的结构和物理机械性能。三化学纤维的纺丝成型纺丝方法熔体纺丝溶液纺丝湿法纺丝干法纺丝最多1.熔体纺丝熔体纺丝：将高聚物熔体经纺丝喷头流出熔体细流、冷凝后而形成初生纤维的方法。特点：纺丝速度快，适用于能熔化、易流动、不易分解的高聚物(如聚酯、聚酰胺、聚丙烯)。切片在螺杆挤出机中熔融后——熔体被压送至纺丝箱体中的各纺丝部位——经纺丝泵定量送入纺丝组件，在组件中经过滤——然后从喷丝板的毛细孔中压出而形成细流——这种熔体细流在纺丝甬道中冷却成形——初生纤维被卷装成一定型式。成形过程中只发生熔体细流与周围空气的热交换，而没有传质过程。熔体纺丝过程包括四步:1.纺丝熔体的制备；2.将熔体经喷丝板眼压出——熔体细流的形成；3.熔体细流被拉长变细并冷却凝固；4.固态丝条的上油和卷绕。纤维的形态结构和微观结构是在整个成形过程中决定的，其中第三步对超分子结构的形成和纤维的物理-机械性能影响更大。2.湿法纺丝将高聚物在溶剂中配成纺丝原液（成纤聚合物的浓溶液）后，将原液经过滤、脱泡，通过计量泵从喷丝头挤出，在凝固浴的作用下，粘液细流内的溶剂扩散以及凝固剂向粘液细流中渗透，经过适当的喷丝头拉伸形成初生纤维的方法。湿法纺丝示意图1-喷丝头2-凝固浴3-导丝盘4-卷绕装置湿纺包括的工序是：(1)制备纺丝原液；(2)将原液从喷丝孔压出形成细流；(3)原液细流凝固成初生纤维；(4)初生纤维卷装或直接进行后处理。3.干法纺丝是将纺丝液经喷丝头形成细流，进入纺丝甬道，溶剂被甬道中热空气挥发带走的，溶液细流在逐渐脱去溶剂的同时发生浓缩和固化，并在卷绕张力的作用下伸长变细而成为初生纤维。溶液干法纺丝是历史上最早制备化学纤维的成形方法。1884年世界上第一根人造丝—纤维素硝酸酯纤维就是用干法成形的。干法纺丝工艺流程纺丝液由计量泵输送到喷丝头经喷丝孔挤出的纺丝细流进入垂直甬道与热气流接触在热气流中随着溶剂的挥发，丝中聚合物浓度升高，丝条固化，丝条以一定的速度卷取，使丝条拉伸细化而形成初生纤维在干法纺丝过程中，纺丝原液与凝固介质（空气）之间只有传热和传质过程，不发生任何化学变化。纺丝速度取决于溶剂的挥发速度，因此纺丝原液浓度应尽可能高，溶剂的沸点与蒸发潜热小。速度在200~600m/min之间。干法纺丝的成形过程与熔体纺丝的类似之处：都是在纺丝甬道中使聚合物溶液的粘度达到一极限值来实现凝固的；不同点：熔体纺丝借温度下降而达到的，干法纺丝是通过聚合物的浓度不断增大来完成的。1、纺丝液的浓度比湿法高，一般可达18%~45%，相应的粘度也较高，能承受比湿纺更大的喷丝头拉伸（2~7倍），易制得比湿纺更细的纤维；2、纺丝线上丝条所受到的力学阻力远比湿纺小，纺速比湿纺高，一般可达300~600m/min，但由于受到溶剂挥发速度的限制，干纺速度比熔纺低。3、喷丝头孔数远比湿纺少，这是因为干法固化慢，固化前丝条容易粘连。一般干纺短纤维的喷丝头孔数在1200孔左右，而湿纺短纤维的孔数高达数万孔，因此干法单个纺丝位的生产能力远低于湿纺，干纺一般适于生产长丝，有腈纶、醋酯纤维、氯纶、氨纶等。干法纺丝和湿法纺丝比较纺丝过程中得到的初生纤维结构不完善，物理-机械性能差，不能直接用于纺织加工，必须经过一系列的后加工工艺，以改进其结构提高其性能。后加工过程包括从拉伸到成品包装等一系列工序，其流程随纤维品种和类型而异。但是，拉伸与热定型是生产任何合成纤维都不可或缺的。这些工序对纤维的结构与性能有十分重要的影响。4.化学纤维的后加工拉伸的目的是使纤维的断裂强度提高，断裂伸长率降低，耐磨性和对各种形变的疲劳强度提高。拉伸的方式有多种，按拉伸次数分，有一道拉伸和多道拉伸；总拉伸倍数是各道拉伸倍数的乘积，一般熔纺纤维的总拉伸倍数为3.0~7.0倍；湿纺纤维可达8~12倍；生产高强度纤维时，拉伸倍数更高，甚至高达数十倍。热定型的目的是消除纤维的内应力，提高纤维的尺寸稳定性，并且进一步改善其物理机械性能。热定型可以在张力下进行，也可以在无张力下进行，前者称为紧张热定型，后者称为松弛热定型。热定型的方式和工艺条件不同，所得纤维的结构和性能也不同。上油的目的是提高纤维的平滑性、柔软性和抱和力，减小摩擦和静电的产生，改善化学纤维的纺织加工性能。上油的形式有：油槽或油辊上油及油嘴喷油。不同品种和规格的纤维需采用不同的专用油剂。除上述工序外，在用溶液纺丝法生产纤维和用直接纺丝法生产锦纶的后处理过程中，都要有水洗工序，以除去附着在纤维上的凝固剂和溶剂，或混在纤维中的单体和齐聚物在粘胶纤维的后处理工序中，还需设脱硫、漂白和酸洗工序。在生产短纤维时，需要进行卷曲和切断。在生产长丝时，需要进行加捻和络筒。加捻的目的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絮乱现象，并使纤维的断裂强度提高。络筒是将丝筒或丝饼退绕至锥形纸管上，形成双斜面宝塔型筒装，以便运输和纺织加工。第五节、化学纤维的鉴别在分析织物的纤维组成、配比以及对未知纤维进行剖析、研究、仿制时，都需要对纤维进行鉴别。纤维鉴别就是利用各种纤维的外观形态和内在性质的差异，采用物理、化学等方法将其区分开来。纤维鉴别通常采用的方法有显微镜法、燃烧法、溶解法、着色法、熔点法等。对组成、结构比较复杂的纤维，如接枝共聚、共混纤维等，则需借助适当的仪器进行鉴别，如差热分析法、红外光谱仪