纤维成型工艺学复习资料

第一章绪论定义：从形状上说，纤维是一种比较柔韧的细而长的物质。典型的纺织纤维直径为几微米到几十微米，而长度超过25mm。人造纤维(再生纤维)：以天然高聚物为原料，经过化学处理与机械加工而制得的纤维。合成纤维：由合成的高分子化合物加工制成的纤维。根据大分子主链的化学组成，又分为杂链纤维和碳链纤维两类。复合材料：是指把两种或两种以上宏观不同的材料，合理地进行复合而制得的一种材料。明显具有两相或多相。成纤高聚物的特征：(1)•大分子链必须是线性的，能伸直的分子，支链尽可能少，没有庞大的侧基(所有的天然聚合物和大多数成纤聚合物的侧链都含有极性基团。极性基团的存在对于大分子链间的相互作用和纤维的溶解性、热性能、吸湿性、染色性等都有很大的影响。)(2)•聚合物应具有适当的相对分子质量和较窄的相对分子量分布(过高不易加工，过低者性能不好。)(3).分子链间必须有足够的次价力(分子间次价力越大，纤维的强度越高。)(4)具有可溶性和熔融性(将高聚物溶解或熔融成溶液或熔体，再经纺丝、凝固或冷却形成纤维.)纤维的主要生产方法概述：原料准备 高分子化合物的制备和机械处理前纺工序 纺丝熔体或纺丝溶液的制备纺丝工序纤维的成形后纺工序纤维的后加工将纺丝熔体或溶液，用纺丝泵(或称计量泵)连续、定量而均匀地从喷丝头的喷丝孔中压出，呈液体细丝状，再在适当介质中固化成细丝，这一过程称为纺丝，这是化学纤维生产的核心工序。⑴、熔体纺丝凡能熔融或转变成粘流态而不发生显著分解的成纤聚合物都可采用熔体纺丝。将合成得到的聚合物熔体直接送至纺丝机纺丝，称为直接纺丝法。将合成得到的聚合物熔体冷却制成切片，干燥后再在纺丝机中重新熔融成熔体进行纺丝，称为切片纺丝。熔体纺丝不用溶剂，工艺简单，成本低，特点是纺丝速度快，生产能力大。一般纺丝速度在1000〜1200m/min。

熔体纺丝工艺主要包括：纺丝熔体的制备；将熔体经喷丝板眼压出一一熔体细流的形成；熔体细流被拉长变细并冷却凝固；固态丝条的上油和卷绕。熔纺的主要特点是卷绕速度高、不需要溶剂和沉淀剂，设备简单，工艺流程短。熔点低于分解温度、可熔融形成热稳定熔体的成纤聚合物，都可采用这一方法成熔体纺丝法工艺过程中析出，形成纤维。湿法纺丝工艺流程熔体纺丝法工艺过程中析出，形成纤维。湿法纺丝工艺流程形。⑵溶液纺丝、湿法纺丝将聚合物溶解于合适的溶剂中，制成纺丝液，再由喷丝孔喷出细流，进入凝固浴,细流中的溶剂向凝固液扩散，而凝固浴中的凝固剂向细流扩散，聚合物在凝固浴、干法纺丝也需要将聚合物溶解在溶剂中配成纺丝溶液，而后段过程与熔体纺丝相似，从喷丝头挤压出来的细流不是进入凝固浴，而是导入纺丝甬道，在甬道中利用热空气使细流中的溶剂挥发而凝固成纤维。使细流中的溶剂挥发而凝固成纤维。初生纤维的后处理主要有拉伸、热定型、上油和水洗。拉伸可改变初生纤维的内部结构，提高断裂强度和耐磨性,减少产品的伸长率。热定型可调节纺丝过程带来的高聚物内部分子间作用力，提高纤维的稳定性和其他物理一机械性能、染色性能。上油的目的是提高纤维的平滑性、柔和性及抱合力，减少摩擦和静电的产生卷曲是改善合成纤维的加工性（羊毛和棉花纤维都是卷曲的），克服合成纤维表面光滑平直的不足。1•线密度.特克斯（tex）：纤维或纱线长1000m时的质量克数，简称“特”分特克斯（dtex）：纤维或纱线长10000m时的质量克数。.旦尼尔（D）：纤维或纱线长9000m时的质量克数，简称“旦”•支数（Nm,Ne）：单位质量的长度指标。分为公制支数和英制支数。公制支数Nm是指质量为1g时的长度米数，简称为支。第二章聚酯纤维聚酯纤维是由大分子主链中含有酯基的成纤聚合物纺制的合成纤维。对苯二甲酸双羟乙酯BHET合成的工艺路线酯交换路线苯二甲酸用乙二醇直接酯化路线 环氧乙烷直接加成路线1.*HOCH£HeOcY§>^°OCH2CH4H=HOC耳CHQOcY§\CO匚聚对苯二甲酸乙二酯的生产原理••；-l)(HCH加-匕TIHCOJMH1.影响缩聚反应工艺的参数1、 反应温度缩聚是放热反应，升高温度是反应平衡常数略降，对提高PET的平均聚合度不利，但在一定温度范围内是有利的。温度过高，大分子链热降解的速度加快；还可使生产环状低聚物以及端羧基、端醛基、乙二醇醚等的反应加快，产物的熔点降低，可纺性变差。2、 真空度影响生成物的分子量和质量。真空度越高，PET的平均聚合度越高。3、 催化剂及稳定剂BHET缩聚常采用金属催化剂（如Sb2O3）,其催化活性和金属离子与BHET羧基氧的配位能力有关•热稳定剂通常为亚磷酸三苯酯。4、 缩聚时间与真空度、温度和催化剂有关，当这些因素不变时，主要取决于聚合物的分子量的大小。一般时间为4-6小时。PET纤维的生产熔体纺丝的基本过程包括：熔体的制备、熔体自喷丝孔挤出、熔体细流的拉长变细（同时冷却固化），以及纺出丝条的上油与卷曲。一般是将聚酯树脂切片经过真空干燥（真空度266.6〜666.5Pa,温度140〜150°C,时间10〜20h）,除去吸附的微量水分，并使树脂由无定型变为结晶形后，在惰性气体的保护下加热成熔体。再在一定压力下定量压出喷丝孔，冷却后形成纤维,再经拉伸、卷曲、切断等工序成为一定规格的可纺短纤维；或在拉伸后进行加捻、定型等后处理工序，成为符合各项指标的长纤维。主要设备是纺丝机。聚乳酸（PLA）是合成脂肪族聚酯，具有完全可生物降解性，无毒。第三章聚丙烯腈纤维聚丙烯腈纤维是指由聚丙烯月青或丙烯腈含量占85%以上的线性聚合物所纺织的纤维。腈纶是聚丙烯腈在我国的商品名，国外则称为“奥纶”“开司米纶”合成羊毛。聚丙烯青纤维大多是以丙烯青为主的三元共聚物制得，其中丙烯青占88%〜95%，第二单体用量为4%〜10%，第三单体用量为0.3%〜2%。第二单体的作用：降低大分子间的作用力，降低PAN的结晶性、增加纤维的柔软性、改善纤维的弹性。常用的第二单体有：非离子型单体丙烯酸甲酯（MA 甲基丙烯酸甲酯（MMA醋酸乙烯酯（VAC）丙烯酰胺（AAM）第三单体的作用：引入一定数量的亲染料基团，改进纤维的染色性和亲水性。常用的第三单体有：多是带有酸性基团的乙烯基单体对阳离子染料有亲和力含有羧基或磺酸基团：衣康酸（甲叉丁二酸，IA）、丙烯磺酸钠、甲基丙烯磺酸钠、对乙烯基苯磺酸钠对酸性染料有亲和力含有氨基，酰胺基，吡啶基：乙烯吡啶、2—甲基一5—乙烯吡啶溶剂无机溶剂：NaSCN水溶液，ZnC12水溶液有机溶剂：二甲基甲酰胺（DMF）、二甲基乙酰胺（DMAc）二甲基亚砜（DMSO）、碳酸乙烯酯（EC）引发剂偶氮类： 偶氮二异丁青（AIBN）氧化还原体系：氯酸钠一亚硫酸钠NaC103—Na2SO3过硫酸钾一亚硫酸氢钠K2S2O8—NaHSO3浅色剂一还原剂 可以提高纤维的白度，常用二氧化硫脲（TUD）。分子量调节剂 异丙醇（IPA）异丙醇分子中仲碳原子特别活泼，易和生长成的大分子自由基发生链转移反应。异丙醇自由基的活性强，但由于加入量少，对反应速度没影响。丙烯腈多采用溶液聚合。根据所用溶剂的不同，可分为均相溶液聚合和非均相溶液聚合。均相溶液聚合（一步法）:所用的溶剂既能溶解单体、又能溶解反应生成的聚合物。反应完毕，聚合液可直接用作纺丝。如以浓NaSCN水溶液、DMSO、DMF或DMAc为溶剂的聚合，均为均相溶液聚合，引发剂为偶氮类。转化率为50%〜75%。非均相溶液聚合（二步法）：可用介质只能溶解或部分溶解单体，而不能溶解反应生成的聚合物，纺丝前需要用溶剂重新溶解聚合物制成纺丝溶液。因非均相的聚合介质通常采用水，所以又称为水相沉淀聚合。采用氧化还原体系作为引发剂。转化率可达70〜80%。PAN纤维的湿法纺丝和干法纺丝相同点：干法纺丝和湿法纺丝均属于溶液纺丝，均需要将聚合物溶解在溶剂中配置纺丝溶液。凝固机理不同：湿法在凝固浴中双扩散成形 干法依靠溶剂挥发成形成形方法 PAN含量干法纺丝（DMF为溶剂） 25〜30%湿法纺丝（DMF为溶剂） 20〜25%湿法纺丝可用多种溶剂，如NaSCN，DMF，DMSO,DMAc等；目前，干法纺丝只用DMF为溶剂。因为DMF溶解能力最强，且其沸点较低，易挥发。干法成形机理：凝固介质：热空气溶剂蒸发：纺丝原液从喷丝孔挤出后进入纺丝甬道，溶液细流与甬道中热空气的热交换，使原液细流温度上升，当细流表面温度达到溶剂沸点时，便开始蒸发，细流内部的溶剂不断扩散至表面而蒸发。原液细流固化：由于溶剂蒸发，使原液细流中高聚物浓度增加，而溶剂含量则不断降低，当达到凝固临界浓度时，原液细流便固化为丝条。PAN干法制备工序：3•干法后处理干法成形的腈纶，因成形条件较缓和，纤维结构较致密，所以丝束的后处理工艺较湿法简单。水洗：热的无离子水与丝束逆向流动，洗涤后含有溶剂的洗涤水溢流而出，导入回收车间回收溶剂。丝束经洗涤后基本不含溶剂。拉伸：一般在水洗一拉伸机中完成，丝束在水洗一拉伸机中既洗去纤维中的溶剂，又进行拉伸，一般拉伸倍数为4.5左右。适宜的拉伸温度与丝条中的溶剂含量有关，丝条中的溶剂相当于增塑剂。因此，溶剂含量越高，拉伸温度越低。如未拉伸纤维中溶剂含量3%(8%),拉伸温度在140°C(120°C)；上油：减少在纤维卷曲和丝束输送中摩擦磨损，并增加纤维在卷曲和整理时的抱合力。(4)卷曲：一般经蒸汽箱后进入卷曲机。热定型：提高尺寸稳定性，消除内应力，提高物理机械性能和染色性能。切断：按长度，可切断为棉型或毛型等。干燥：短纤维干燥是丝束经上油，切断后进入干燥机；丝束状干燥则是丝束直接进入干燥机，干燥后的丝束再牵切加工，或经上油、切断后打包。聚丙烯睛的湿法纺丝成形(以NaSCN一步法生产为例)湿法纺丝成形机理凝固介质：PAN可以采用不同溶剂制备纺丝原液。湿法纺丝时，一般都用溶剂的水溶液作为凝固浴。双扩散纺丝液由喷丝头喷出进入凝固浴后，细流中的溶剂不断扩散到凝固浴中而凝固浴中的凝固剂(水)不断通过扩散到细流内部。影响成形速度的主要因素凝固浴浓度凝固浴中NaSCN的浓度Cbf双扩散速率/成形速度/凝固浴温度Tt扩散系数增大，凝固过程加速，纤维结构疏松；随凝固浴温度降低，凝聚速度下降，凝固过程均匀，初生纤维结构紧密，成品的强度上升。3)凝固浴循环量 在纤维成形过程中，纺丝原液中的溶剂不断地进入凝固浴，使凝固浴中溶剂浓度逐渐增浓，同时由于原液温度和室温都比凝固浴温度高，所以浴温也会有所升高。而凝固浴的浓度和温度又直接影响纤维的品质，因此必须不断地使凝固浴循环，以保证凝固浴浓度及温度在工艺要求的范围内波动以确保所得纤维的质量。后处理工序包括：拉伸、水洗、干燥致密化、卷曲、热定型、上油、切断和打包水洗目的是洗去纤维上残存的溶剂，否则会影响纤维质量，如纤维上NaSCN>0.1%会使染料沉淀，染色后纤维会有斑点。上油目的：纤维具有平滑性、柔软性，改善手感和抗静电性能，以利于后加工。干燥致密化经拉伸后的纤维超分子结构基本形成，但由于成形时间短，纤维中还存在内应力和缺陷，经干燥致密化和热定型消除内应力和结构缺陷。纤维致密化机理：拉伸水洗后的纤维，其微孔被拉长拉细，内部充满水，在适当温度下进行干燥，大分子链段能较自由地运动，水分逐渐蒸发产生毛细管压力，使得微孔半径相应收缩，最后微孔融合。热定型的目的是提高纤维尺寸稳定性（热定型后PAN沸水收缩率下降为4%以下），进一步改善纤维的机械性能、染色性能。溶剂的回收方法：课本224第四章聚酰胺纤维锦纶纤维:是由饱和的二元酸与二元胺通过缩聚反应制得的线性高分子缩聚物。聚酰胺纤维原料生产简述重要的方法：熔融缩聚法、开环聚合法和低温聚合法（界面聚合和溶液聚合）。熔融缩聚法：PA-66、PA-9、PA11、MAX6活化开环聚合：己内酰胺。其中己内酰胺的水解聚合工艺占优势。聚酰胺-6（锦纶-6）的生产由已内酰胺或①-氨基已酸经缩聚反应而制得的合成纤维。工业上普遍采用添加少量水使其聚合，称为水解聚合。主要原料：已内酰胺 生产原理：高温；惰性气体保护；水作引发剂；Mn=15000〜23000 生产工艺：有常压法、高压法、常减压并用、固相缩聚等分子质量调节剂：乙酸或己二酸；反应方程式：课本59萃取的目的：干燥：聚酰胺-66（锦纶-66）的生产是已二酸与已二胺的缩聚物，是最早实现工业生产的聚酰胺品种，也是产量最大。耐磨性最好主要原料:已二酸、已二胺 生产原理:需要严格控制两种单体配料比，才能得到高相对分子质量的高聚物。 生产上采用：缩聚反应前，先制成盐，再缩聚。甲醇为溶剂相对分子质量调节剂乙酸或已二酸反应方程式：课本60芳香族聚酰胺纤维的定义泛指至少有85%的酰胺基团直接与两个芳环基团连接而成的线形高分子制造的纤维，称作芳香族聚酰胺纤维（Aramid纤维）。聚对苯二甲酰对苯二胺纤维商品名为Kevlar纤维、我国称为芳纶1414。PPTA聚间苯二甲酰间苯二胺纤维商品名为Nomex纤维或Conex纤维，我国称为芳纶1313。PMIA聚对苯二甲酰对苯二胺纤维合成聚对苯二甲酰对苯二胺所用单体一般为芳香族二胺和芳香族二酸及其衍生物。合成方法1、界面缩聚2、固相缩聚3、低温溶液缩聚低温溶液缩聚制备PPTA工艺流程图低温溶液缩聚过程中氯化锂助溶机理、浓硫酸做PPTA的溶剂PPTA/H2SO4干喷湿纺PPTA/H2SO4干喷湿纺耐高温纤维的主要品种：石棉纤维、玻璃纤维、聚丙烯腈预氧化纤维聚苯并咪唑纤维（PBI）、聚酰亚胺纤维（PI）、聚苯硫醚纤维（PPS）聚四氟乙烯纤维（PTFE）、三聚氰胺缩甲醛纤维第五章聚烯烃纤维聚丙烯（PP）纤维是以丙烯聚合得到的等规聚丙烯为原料纺制而成的合成纤维，我国简称为丙纶。制备高强纤维的基本条件一、聚丙烯纤维的性能质轻：聚丙烯纤维的密度为0.90〜0.92g/cm3，在所有化学纤维中是最轻的，强度高，耐磨、耐腐蚀性好：③电绝缘性和保暖性好：聚丙烯纤维的电绝缘性和保暖性最好。④耐热及耐老化性能差：⑤吸湿性及染色性差：聚丙烯纤维的吸湿性和染色性在化学纤维中最差，有色聚丙烯纤维多数是采用纺前着色生产。UHMWPE纤维的纺丝方法还有高压固态挤出法、增塑熔融纺丝法、表面结晶生长法。凝胶纺丝一超拉伸技术UHMWPE冻胶纺工艺关键浓度：2%-8%第六章天然纤维与再生纤维粘胶纤维的制备工艺过程：1•黏胶的制备：浸渍、压榨、粉碎、老成、磺化、溶解2.黏胶的纺前准备：混合、过滤、脱泡3•黏胶的纺丝及纤维的拉伸：4.黏胶纤维后处理：水洗、脱硫、漂白、酸洗、上油、干燥、（长丝：加捻、络筒；短纤：切断、打包）浆粕---碱化---压榨---粉碎---老成---磺化---溶解---熟成---脱泡、过滤---纺丝---后处理---烘干---粘胶纤维碱纤维素的制备包括浆粕浸渍（碱化）、碱纤维素压榨、碱纤维素粉碎浸渍目的：溶出半纤维素；浆粕膨化，提高反应性浸渍浴比：浆粕的绝干重量（kg）和浸渍碱液体积（L）之比称为浸渍浴比压榨作用：压出多余碱；除去半纤维素及杂质；提高碱纤维素纯度；减少黄化副反应；粉碎作用：坚硬板块一粉碎一细小、松散屑状一比表面积老成时与空气接触老成均匀碱纤维素的老成定义：碱纤维素在恒温下保持一定时间，在空气中氧化降解，聚合度下降至工艺要求。磺化：碱纤维素与二硫化碳发生化学反应，生成纤维素磺酸钠的过程目的：磺酸基团引入f纤维素大分子间距ff大分子间作用力（磺酸基团（亲水）ff溶剂化ff纤维素磺酸酯稀碱溶液凝固浴组成及作用硫酸：1、使纤维素黄酸钠分解，再生出纤维素；2、中和粘胶中的碱，使粘胶凝固；3、使黄化产生的副产物分解硫酸钠：抑制硫酸的离解，减缓纤维素的再生速度；促进粘胶盐析脱水而凝固硫酸锌：与纤维素黄酸钠生成稳定的中间产物纤维素黄酸锌，纤维素黄酸锌在凝固浴中的分解速度比纤维素黄酸钠慢得多，有利于拉伸，纤维强度较高Lyocell纤维第七章聚乙烯醇纤维聚乙烯醇纤维是聚乙烯醇缩甲醛纤维的简称，商品名称维纶、维尼纶。水洗目的：⑴降低PVA中NaAc含量，使之V0.2%,减少热处理时的碱性着色;⑵除去低分子量PVA,改善分子量分布；⑶使PVA适度膨润，以利于溶解。脱水目的：（1）未脱水的PVA其醋酸钠含量偏高；（2）难以控制溶解时的浓度（3）不利于输送和计量凝固浴组成：Na2SO4：410〜420g/L ZnSO4：1〜5g/LNa2SO4使丝条脱水凝固成形ZnSO4控制纤维色相（强酸弱碱盐、水溶液pH=3.35）适当加入可增加纤维白度，过多将影响凝固能力。缩醛化：缩醛化基本反应为⑵缩醛化浴组成（短纤维）HCHO（g/L） 25±2缩醛化剂H2SO4（g/L） 225±3催化剂Na2SO4（g/L）70±3阻溶胀剂（由纤维带入）第八章聚氨酯纤维聚氨酯弹性纤维是一种含有85%以上氨基甲酸酯、具有线型链段结构的嵌段高分子化合物制成的纤维，国际统称“Spandex” ，我国商品名称为氨纶，是一种性能优异的合成纤维。弹性回复率高聚氨酯的主要原料：有机多元异氰酸酯、聚合物二醇、扩链剂、交联剂、催化剂扩链剂常见扩链剂是含双官能度的含活泼氢化合物作用：分子链增长作用，低分子化合物（二胺类、二肼类、 二醇）。聚氨酯分为混炼型、热塑型、烧注型两步法（预聚体法）：首先由脂肪族聚醚或脂肪族聚酯与二异氰酸酯加成生成预聚体，预聚体的端基为异氰酸酯基（一NCO），平均相对分子质量较低（＜5000），然后在预聚体中加入扩链剂进行反应，扩链剂中的双官能团（一OH或一NH2）与预聚体分子中的异氰酸酯基反应，使分子链进一步扩展，生成相对分子质量在2X104〜5X104之间的嵌段共聚物。化学反应纺丝法：课本108第九章碳纤维碳纤维——由有机纤维在惰性气氛中经高温（1500°C）碳化而成的纤维状碳化合物，其碳含量在90%以上。按原丝类型分：聚丙烯腈基碳纤维、粘胶基碳纤维、沥青基碳纤维、木质素纤维基碳纤维聚丙烯腈原丝：用于制备碳纤维的前物体聚丙烯腈纤维.制备碳纤维的前驱体的聚丙烯腈及原丝应具有的结构与性能：⑴较高的平均分子量，分子量分布为2-3⑵含有适量的共聚单体⑶高结晶度、高取向度，结构致密⑷含杂质少，各层次分子结构缺陷最少⑸纤度或直径小，圆形断面⑹较高的的碳收率强度、高模量⑺原丝性能指标变异系数小⑻预氧化是具备宽的环化、氧化放热反应区、比较低的环化开始反应温度。⑼具有较咼碳收率聚丙烯腈碳纤维的生产：第一步：聚丙烯腈原丝的生产第二步：原丝的预氧化和炭化进行预氧化处理的原因：PAN随着热处理温度的提高，在其熔融前会氧化分解，所以先在空气中进行预氧化处理，使PAN的线性分子链转化为热稳定的梯形六元环结构，以使其在高温炭化是不熔不燃。另外，当加热足够长的时间，将产生纤维吸氧作用，形成PAN纤维分子间的化学键合。预氧化又称热稳定化，在200-300°C下氧化气氛中（空气）受张力的情况下进行。预氧化过程可能存在的反应：氧化、脱氢、环化（均为放热反应）纤维颜色变化（白一黄一棕褐色一黑色）预氧化过程中的技术关键：预氧化过程中反应热的瞬间排除。采取措施：通入预氧化炉中流动空气。聚丙烯腈原丝的制备按聚合和纺丝的连续性分为：一步法、二步法按纺丝方法分为：湿法，干法，熔融法，干湿法和冻胶纺丝预氧化的机理预氧化工艺过程：主要包括：放丝架，改性槽，从低温到高温几个温度不等的预氧炉预氧化工艺条件炭化在4