北服纤维材料学课件02工艺篇-3聚丙烯腈纤维生产工艺

第四节聚丙烯腈纤维的湿法成形(wet-spinningofPAN)一、湿法纺丝工艺流程第三章

聚丙烯腈纤维生产工艺meteringpumpelbowpipespinningpackcoagulationbathguiderollerguiderollercoagulationliquidinWetSpinningProcesscandlefiltercoagulationliquidout

纺丝原液（spinnigdope）

计量泵(meteringpump)

烛形滤器(candlefilter)喷丝头(spinningpack)

凝固浴(coagulationbath)二、湿法成形的机理（mechanismofwet-spinning）1、状态变化（statechanging）

由粘流态（viscousstate）

粘弹态(viscous-elasticstate)

弹塑性固态(elastic-plasticstate)2、组成的变化（compositionchanging）3、热力学参数的变化（thermodynamicparameters）1、状态变化粘流态

粘弹态

弹塑性固态原液组成（%）：PAN12.60NaSCN43.90H2O43.50

凝固浴组成（%）：NaSCN8~12H2O92~88

浓度差的存在是双扩散的推动力。2、组成的变化纺丝过程中丝条组成的变化

入凝固浴出凝固浴PAN共聚物12.6016.90NaSCN43.908.85H2O43.5074.253、热力学参数的变化

湿法纺丝纤维成形机理传热传质的双扩散过程三、影响纤维成形的因素（affectingfactorsofformationofthefiber）1、原液的浓度（concentrationofPAN）2、聚合物的平均分子量（molecularweight）3、原液温度（temperatureofdope）4、凝固浴中溶剂的浓度（concentrationofNaSCN）5、凝固浴温度（temperatureofcoagulationbath）6、凝固浴的循环量（circulatingquantityofliquor）7、浸长及初生纤维的卷绕速度第五节聚丙烯腈的干法纺丝干法成形的工艺流程（processflow）干法纺丝原液细流的凝固历程是传热传质的单扩散过程.即加热介质将热量传递给原液细流，细流中溶剂向外扩散并蒸发，这样使原液细流中高聚物浓度逐渐增加，当达到凝固临界浓度时原液细流便固化为丝条。二、干法纺丝纤维成形机理（mechanismofdry-spinningandthecross-sectionoffiber）

DMFEvaporationVelocity<DiffusionVelocity

EvaporationVelocity>>DiffusionVelocity

三、干法成形的影响因素（factorsofdry-spinning）聚合物的分子量（molecularweightofpolymer）原液浓度（concentrationofPAN）泵供量（pumpcapacity）纺丝甬道的长度（lengthofspinningchannel）甬道中溶剂蒸汽的浓度（solventconcentration）热载体的温度（heat-carriertemperature）纺丝速度（spinningspeed）四、干法纺丝设备杜帮：每台纺丝机14位，生产能力4000T/年。甬道：直径28cm;长5.5m；上部进N2420℃，下部进N2120℃甬道的送风方式有以下四种：五、干湿法纺丝工艺比较（comparingofdryandwetspinning）1、纺速：干法100~300m/min，最高600m/min

湿法5~10m/min，不超过50m/min2、原液浓度：干法30~40%（DMF）湿法10~15%（NaSCN）；20~30%（DMF）3、喷丝板孔数：干法200~3000（短纤）；

30~50或50~100（长丝）湿法可达10万孔以上（一般2~6万）4、溶剂回收：干法简单湿法复杂5、设备：干法设备较复杂（组件复杂，密闭性高）湿法纺丝设备较简单6、纤维质量：干法物理机械性能及弹性较好湿法相对较差六、其它纺丝方法1、PAN增塑熔融纺丝2、干湿法纺丝关键参数：Y=2(lgX-1.94)Y：喷丝头表面到凝固浴液面的距离（cm）

X：纺丝原液的粘度（dPa.s）第六节聚丙烯腈纤维后加工（posttreatment；postprocessing）、湿法成形PAN纤维后加工工艺路线（mathodofPANfiberpostprocessing）初生纤维(as-spunfiber)拉伸(drawing)水洗(waterflushing)上油（oiling）

干燥致密化(drydensification)卷曲(crimping)

热定型(heatsetting)干燥(drying)

切断(cutting)打包(wrapping；packing)预热浴—湿热二段拉伸（drawinginpreheatingbathandwet-heatingdrawing）

初生纤维(as-spunfiber)预热浴拉伸（drawinginpreheatingbath）

湿热拉伸（wetdrawing）水洗(waterflushing)

上油（oiling）干燥致密化(drydensification)(水或蒸汽；浴温：95~100℃；拉伸8~10倍)（水洗到溶剂含量小于0.1%）

(50~60℃；2.5~3%溶剂；拉伸1.5~2.5倍)二、各工序的主要作用及工艺条件（actionsofeachsequenceandprocessconditions）1、拉伸（drawing）预热浴拉伸（drawinginpreheatingbath）A、预热浴拉伸的目的（purposeoraim）(a)脱溶剂化(b)加强结构单元之间的作用力(c)脱除大分子中氰基与水分子的缔合体(d)提高可拉伸性B、预热浴拉伸的温度（drawingtemperature）预热浴拉伸的温度为55~65℃。（2）湿热拉伸(wet-heatingdrawing)A、拉伸介质（mediumofdrawing）先拉伸后水洗——一定浓度的溶剂为介质先水洗后拉伸——水为介质B、拉伸倍数（drawingratio）一般腈纶的总拉伸倍数为10倍以上（3）拉伸后纤维形态结构的变化（fibermorphologyafterdrawing）

a.初生纤维的微孔拉长变细

b.生成由大分子链束组成的微纤

c.微纤与微纤之间有结点连接2、水洗（waterflushing）水洗的目的（purpose）:

主要是除去丝束中含有的一定量的溶剂，一般溶剂含量小于0.1%。水洗温度（temperatureofwater）:

水洗温度一般为50℃左右3、上油（oiling）上油的目的：增加纤维之间的抱合力增加抗静电性，减少摩擦提高纺织加工性能毛型腈纶的上油率：0.2~0.3%

棉型腈纶的上油率：0.4~0.5%4、干燥致密化（关键工序）（drydensification）（1）干燥致密化的作用（actionofdrydensification）

A、去除水分

B、消除拉伸后纤维内部存在的内应力及存在的缺陷，并提高尺寸稳定性。

C、使纤维内部孔洞弥和，结构紧密，提高强度及染色均匀性。（2）干燥致密化后纤维结构的变化（fiberstructureafterdrydensification）

A、微孔和裂隙融合

B、纤维密度提高，比表面积下降（290m2/g下降到0.5~0.9m2/g）

C、序态结构加强，Tg升高

D、脱溶胀引起纤维径向轴向收缩

E、结晶粒子大小和准晶区取向度的变化

结晶粒子变大（30A50A）,准晶区取向度不变或略下降。（3）干燥致密化后纤维性能的变化（fiberpropertiesafterdrydensification）

A、透光率增加20%93%，白度下降；

B、染色的均匀性增加

C、物理机械性能提高（4）干燥致密化的机理（mechanismofdrydensification）A、要有适当的温度T>Tg，使大分子链段能比较自由地运动，使孔洞压缩并融合；B、脱除水分时存在微孔负压（毛细管压力），使水分蒸发。（5）干燥致密化的工艺条件（processconditionsofdrydensification）

A、温度和时间(temperatureandtime)

干燥的温度：应高于纤维的玻璃化温度。对于常用的圆网半松弛式干燥机各区温度控制如下：

Ⅰ区：130℃，Ⅱ区：115℃，Ⅲ区：105℃，

Ⅳ区：95℃，Ⅴ区：80℃，Ⅵ区：70℃干燥时间：18分钟B、介质的相对湿度（relativehumidityofmedium）C、张力(stress)5、热定型（heatsetting）热定型的目的

（1）热定型过程中纤维结构的变化

(effectofheatsettingonfibersupermolecularstructure)

结构主要是发生两种变化：一是晶粒尺寸变大，二是取向度下降。（2）热定型对腈纶性能的影响

(effectofheatsettingonfiberproperty)

沸水收缩率下