第十四章 合成纤维的纺丝及加工

第十一章合成纤维的纺丝(fǎnɡsī)及加工第一节概述化学纤维的成型是将纺丝液体(聚合物熔体或溶液）以一定(yīdìng)的流量从喷丝空挤出，固化而成为纤维的过程。一、化学纤维的主要品质指标1.吸湿性物理性能指标之一，一般将纤维吸收或放出气态水的能力称为吸湿性，将吸收或放出液态水的能力称为吸水性。纤维吸湿性用两种指标来表示回潮率=试样所含水分的重量/干燥试样的重量含湿率=试样所含水分的重量/未干燥试样的重量共三十一页纤维公定的回潮率纤维公定的回潮率/%棉8.5维伦5.0羊毛(yángmáo)16涤纶0.1蚕丝8.5晴纶2.0可见天然纤维的回潮率较高。2.密度试样的单位体积的质量，常用单位为g/cm3涤纶1.38棉1.32维伦1.26羊毛1.32丙纶0.91蚕丝1.32-1.45共三十一页3.断裂伸长指试样拉伸至断裂时试样产生的伸长。一般纺织物的断裂伸长率在10%—-30%范围内较好。4.初始模量测其伸长1%时的负荷求出。5.耐磨性6.对高温、化学试剂、日光、大气的稳定性7.染色性8.热收缩受热条件下纤维尺寸的收缩。可分为(fēnwéi)8.1沸水收缩率。温度100℃沸水8.2热空气收缩率温度100℃热空气8.3过热水蒸气收缩率温度100℃过热水蒸气热收缩率=（L0-L1）

/L0

共三十一页二、纤维的发展趋势传统纤维，四大纶，涤纶（聚酯，产量为第一）、锦纶（聚酰胺、尼龙）、丙纶、晴纶（聚丙烯晴）。日本等发达国家：主要开发高科技纤维，如高强度高模量碳纤维、芳族聚酰胺纤维及通用级沥青碳纤维。例，42层高的建筑，用150吨通用级沥青碳纤维，代替3000吨钢，重量减轻了10倍，混凝土的抗张强度和抗弯强度提高(tígāo)5-10倍，重量减轻60%。国防上：特种纤维可用于高性能歼击机，主战坦克、、军用直升机、导弹、防弹背心、特种军服等。例，用芳纶织物制成的复合钢板抗穿甲弹能力可提高10-20倍，未来美国先进战斗机特种纤维复合材料可达70%。共三十一页第二节成纤聚合物的性质成纤聚合物应具有的特性(tèxìng)1.成纤聚合物应该是线性的；2.用于溶液纺丝的聚合物要求能溶于溶剂，并具有适当的黏度；3.有适当的分子量，分子量分布较窄；4.成纤聚合物应该有好的结晶性；5.成纤聚合物应该有好的热稳定性，其熔点应比使用温度高得多。共三十一页一、成纤聚合物温度特性及热稳定性常用的纤维(xiānwéi)适用的温度范围为—50℃到+50℃之间，甚至温度范围更宽，纤维(xiānwéi)的洗涤和熨烫温度在100℃以上，故要考虑成纤聚合物有一定的玻璃化温度和粘流温度，对于特种纤维(xiānwéi)材料则要求有更高的熔化温度。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其余见表11-1，可见聚丙烯晴、纤维素和聚乙烯醇只能用溶液放丝。？共三十一页二、成纤聚合物的结晶性能一般使用(shǐyòng)的成纤聚合物大多有结晶性能，真正有使用(shǐyòng)价值的成纤聚合物都是结晶或是产生部分结晶的聚合物，这类聚合物结构稳定、耐热性高、纤维形状稳定。但高结晶的聚合物和高结晶性能的聚合物不好的地方，其拉伸性能可能降低，见251图11-1． 共三十一页三、分子量和分子链的结构对成纤聚合物的性能的影响1.分子量成纤聚合物的分子量一般在20000-100000之间。见表11-2分子链结构对成纤聚合物的性能的影响高分子聚合物的性能主要为主链所决定，但侧基（取代基）的组成、数量(shùliàng)、大小（空间位阻）对高分子化合物性质有影响，等规立构和间规立构PP的性能共三十一页性能等规立构间规立构密度g/cm3屈服强度MPa弯曲模量GPa冲击强度J/m223℃—10℃热变形温度℃（1.82MPa）断裂伸长率%0.903371.2531281126700.86624.80.72不断裂35115402共三十一页第三节成纤聚合物的熔融和溶解一、纺丝液体的制备1.纺丝熔体的制备成纤聚合物吸收能量后，分子间的活动能力大于分子间的作用力，分子链节和整个大分子能产生自由运动，最后随温度的升高，由玻璃态变为熔体。2.聚合物的溶解分解温度低于熔点，用溶液(róngyè)法。∆G=∆H-T∆S∆G<0时才能溶解共三十一页2.1大分子链结构对溶解的影响分子(fēnzǐ)间作用力强的聚合物较难溶解。例，增加溶解性的方法可用甲基丙烯酸甲酯等低极性的单体与丙烯晴共聚，所得到的丙烯晴共聚物的溶解度比丙烯晴均聚物的溶解度大得多。分子链的柔性柔性大者较易溶解。2.2溶剂性质的影响大部分成纤聚合物都为极性聚合物，一般采用极性溶剂。常常采用混合溶剂，例，纤维素二醋酯在丙酮-水（4%-5%）的混合溶剂中，比在无水丙酮中的溶解度大。共三十一页3.溶剂的选择3.1溶剂的极性越接近，两者越容易互溶。例聚丙烯晴能溶于二甲基甲酰胺等极性溶剂；非极性的聚苯乙烯可溶于非极性的苯或异苯中。3.2在适当的温度下，溶剂有好的溶解性。3.2沸点(fèidiǎn)不应太高或太低，一般在50-160℃之间。3.3溶剂有适当的化学和热稳定性。3.4溶剂的毒性低，对设备腐蚀小。3.5溶剂对溶解的聚合物不引起对聚合物的破坏或其他变化。共三十一页几种成纤聚合物常用的溶剂聚合物溶剂溶剂的沸点(fèidiǎn)/℃聚合物溶解最低温度聚乙烯醇水10060-80聚三醋酸酯二氯甲烷40-42----聚醋酸酯二甲基甲酰胺15320聚丙烯晴丙酮55----二甲基乙酰胺16575碳酸乙酯23870-80二甲基亚砜189----共三十一页第四节纺丝液体的性能纺丝液体的黏度(niándù)对纺丝成型很重要，应有合适的黏度(niándù)，黏度(niándù)过高，纺丝困难。一、纺丝液体的黏度与温度、压力的关系1.温度温度升高，黏度降低。2.压力压力升高，黏度增大。二、黏度与聚合物结构的关系分子量增加，黏度增加。三、黏度与溶剂性质和聚合物溶度的关系1.纯溶剂的黏度越大，制得聚合物的粘度就越大。见表11-8共三十一页溶剂溶剂黏度厘泊10%PAN溶液的黏度在黏度为31.5厘泊的浓度%相对黏度二甲基甲酰胺二甲基亚砜0.1730.1761.86.518.214.91537共三十一页四、聚合物液体在陈化过程中的粘度变化原因1.在陈化过程中产生大分子降解2.聚合物化学(huàxué)结构变化。3.溶液结构化的变化共三十一页

第五节合成纤维的纺丝一、熔融纺丝在熔融纺丝机中进行，将高聚物加热熔融，制成熔体，通过纺丝泵打入喷丝头，并由喷丝头喷成细流，再经冷凝而成纤维。P264，图12-1优点：成本低、不用溶剂，生产工艺简单。主要以杂链高聚物生产纤维，一般采用此法。例如(lìrú)，聚酰胺、聚酯纤维等。1.熔体直接纺丝聚合后的熔体直接送到纺丝机的纺丝头行纺丝。2.间接纺丝先将聚合后的高聚物做成小颗粒切片，然后熔融纺丝。共三十一页二、干法纺丝首先将聚合物配成溶液，用纺丝泵喂料，经由喷丝头喷出液体细流，进入热空气套筒，使细流中的溶剂遇热蒸发，蒸汽被热空气带走，而高聚物则随之凝固成纤维。聚氯乙烯、聚丙烯长丝(chánɡsī)纤维采用此法。干法纺丝速度受溶剂挥发速度的限制，纺丝速度一般为200-500m/min.共三十一页三、湿法纺丝同干法纺丝一样，先配成纺丝溶液，用纺丝泵加料，通过过滤器，通入浸在凝固池中的喷丝头，喷出液体细流，此时，细流中的溶剂向凝固池扩散，与此同时凝固剂则向细流渗透，这样纺丝细流同凝固液的组分之间产生(chǎnshēng)双扩散过程，使聚合物的溶解度发生变化，聚合物从纺丝溶液中分离出来而成纤。聚丙烯晴等采用此法。例，硫氰酸钠法纺丝纤维纺丝，凝固液中的硫氰酸钠质量分数为10%，从喷丝头喷出的细流中硫氰酸钠为44-45%，故溶解在硫氰酸钠中的聚丙烯晴失去了溶解性能，细流变成纤维。共三十一页1.晴纶湿法纺丝的主要设备一般采用水平浴式纺丝机，主要部件：1）纺丝计量泵其作用是定量地将纺丝溶液压入烛形过滤器，以保证纺成一定规格而且纤度均匀的的纤维。常用齿轮泵，工作压力1.5-2.0Mpa.2）喷丝头其作用是将准确计量过的纺丝溶液的总流，分成许多股细流(xìliú)，形成一定纤度的多根单纤维。喷丝头一般为圆形，采用组合型喷丝头，如由12个2000孔的小喷头组合而成24000孔的一个大喷丝头。要求耐腐蚀、一定强度，目前采用金和铂的合金。共三十一页3.烛形过滤器在纺丝计量泵和喷丝头之间连接有过滤器，作用是纺丝溶液在流向喷丝头之前再进行一道纺前过滤，过滤器由含钼不锈钢制成，内有滤布。干法(ɡànfǎ)纺丝和湿法纺丝均属于溶液纺丝。相同点均要制成溶液。区别：干法纺丝的溶剂容易挥发湿法纺丝的溶剂为非挥发性溶剂。共三十一页第六节螺杆挤出机纺丝1.螺杆挤出纺丝机1）螺杆挤出机螺杆挤出机与纺丝部件之间用弯管连接，弯管采用(cǎiyòng)联苯介质加热，并装有电热棒及温度控制装置。2）纺丝组件即喷丝头，由喷丝板、过滤网(三层不锈钢丝，底层为900孔/cm3、中层2500孔/cm3、上层10000孔/cm3），石英砂（一般分粗砂、中砂、细砂三种，主要起过滤作用的是细砂）共三十一页3）纺丝泵作用是将弯管送来的聚合物熔体定量地输送至纺丝头组件，用齿轮泵。4）纺丝吹风窗及纺丝冷却套筒纺丝吹风窗用来保护丝在冷却过程(guòchéng)中只受定量、定向和定质的气流冷却。纤维出纺丝吹风窗后立即进入纺丝冷却套筒，冷却套筒的目的在于保证纤维不损伤，并使其继续冷却。共三十一页2.螺杆挤出纺丝工艺涤纶树脂切片（原料）-真空干燥-螺杆挤出纺丝-卷绕-集束-拉伸-（第一道五辊预热-第二道五辊一级拉伸兼上油-过热蒸汽加热-第三道五辊二级拉伸）-卷曲-干燥定型-切断-气流开松收集-打包（成品）。260，图-503．螺杆挤出纺丝工艺的选择（1）熔体温度即纺丝温度。范围：聚合物熔点和分解温度之间。例，涤纶熔体纺丝温度286-290℃，需真空干燥，水含量(hánliàng)在0.03%以下。（2）冷却速度，冷却室温为35-37℃。（3）喷丝速度和卷绕速度（600-700m/min）。（4）給湿及油剂处理目的：吸水份和防静电共三十一页第七节纤维的后拉伸及热处理一、初生纤维的拉伸取向过程纺丝成型后的纤维不论是熔融纺丝还是湿法纺丝，统称为初生纤维，其结构尚不稳定，物理机械性能还不能满足纺织(fǎngzhī)加工的要求，必须通过一系列后加工工序，其中最重要的是拉伸和热定型。在拉伸过程中纤维结构的变化，分子链或链段取向度的增大，使分子构象数目减少，卷曲的分子链转为排列整齐和舒展状态。故纤维的强度指标上升。见表13-1共三十一页PA-6的拉伸倍数强度克/特伸长率%密度克/平方厘米双折射103PA-6的拉伸倍数强度克/特伸长率%密度克/平方厘米双折射1031.151.52.02.53.01.141.702.262.802.6136925913375671.13271.13311.13371.13241.132411.92.042.543.243.83.53.84.03.84.204.604.756.25483424411.13671.13601.13851.144546.049.553.554.2共三十一页1.纤维取向度的表征取向度可用双折射之差值来表示(biǎoshì)，即拉力方向和与拉力方向垂直的两个方向的双折射之差。取向度越大，双折射之差值就越大，见公式13-12.拉伸的方法纤维的拉伸可一次完成，也可分段拉伸，总拉伸倍数：熔法约为3-7倍，湿法：8-12倍。1）纤维的干拉伸拉伸时初生纤维处于热空气的包围之中。2.蒸气浴拉伸拉伸时初生纤维处于蒸气的包围之中。3.湿拉伸拉伸时被液体介质包围。例热水或热油。共三十一页二、纤维的热处理1.目的：纤维的热处理促进分子链的链段运动，使内应力得到松弛，同时使纤维结构趋于完善和稳定。2.纤维的热处理时性能和结构(jiégòu)的变化1）结晶度变化在无张力下热处理，结晶度增大，如，PA、PP、PVA、PP、聚酯，结晶度上升20-30%。2）微晶尺寸和晶格结构变化：一般会增大微晶尺寸，晶区缺陷减少，晶区完整度会改善。共三十一页3）