《纺丝成网法工艺》PPT课件.ppt

第八章 纺丝成网法工艺,8-1 聚合物原料基本性能 8-2 纺丝成网工艺原理与过程8-3 典型纺丝成网工艺与设备 8-4 纺丝成网工艺与产品性能,第八章 纺丝成网法工艺,纺丝成网法是非织造材料生产的主要方法之一，又被称为纺粘法。其原理是利用化纤纺丝的方法，将高聚物纺丝、牵伸、铺叠成网，最后经针刺、热轧或自身粘合等方法加固形成非织造材料。,第八章 纺丝成网法工艺,发展简况：1959年美国Dupont公司首先成功开发聚酯纺丝成网法非织造材料，同时期研制成功的，还有德国的Freudenberg公司，德国的Lurgi公司也是该技术的先驱者之一。近十几年工艺技术取得突破性的发展，产品性能有很大的提高，如产量提高，纺丝速度提高，单丝强度提高，纤维细度降低，双组份纺粘以及SMS、SMMS复合材料等。目前产量超过80万吨，占世界非织造材料总产量的30%。加工能力主要集中在西欧、美国、日本和中国。,第八章 纺丝成网法工艺,我国纺丝成网法工艺的发展情况 我国自1986年开始陆续从国外进口纺丝成网法生产线，虽然起步较晚，但发展迅速。到2001年为止，拥有纺丝成网法生产线超过70条，总生产能力约为23万吨/年。与国外先进水平相比，我国纺丝成网法工艺技术尚存一定的差距，尤其是在产量、纺丝速度、成网宽度、成网均匀度及纤维细度方面的差距还很大，有待于进一步提高。,第八章 纺丝成网法工艺,特点：工艺流程短，产量高产品机械性能好产品适应面广可制得细纤维纤网成网均匀度不及干法工艺产品变换的灵活性较差,第八章 纺丝成网法工艺,纺丝成网法土工织物与干法针刺土工织物的技术经济指标对比(%)：,第八章 纺丝成网法工艺,产品应用：聚丙烯：土工织物，簇绒地毯基布，涂层底布，医卫材料，用即弃产品的包覆材料等。聚乙烯：书籍封面材料，高级信封，包装材料等。聚 酯：过滤材料，衬里材料，簇绒地毯基布，农用材料，包装材料等。聚酰胺：过滤材料，抛光材料，叠层织物底基等。,第八章 纺丝成网法工艺 8-1 聚合物原料基本性能,纺丝成网非织造技术是传统纺丝工艺的延续，因此，从理论上讲，任何成纤聚合物均可用于纺丝成网工艺。但考虑到纺丝性能、生产成本以及产品性能等因素，目前较多采用聚丙烯、聚酯、聚乙烯和聚酰胺。,第八章 纺丝成网法工艺 8-1 聚合物原料基本性能,一、纺丝成网法聚合物原料的基本性能 纺丝成网法生产过程中聚合物经历了复杂的物理变化，聚合物本身的性质对最终产品的质量起到至关重要的作用。纺丝成网法聚合物原料基本性质通常包括以下几个方面：聚合物分子量和分布高分子链结构对成纤高聚物性质影响成纤高聚物分子间的作用力 高分子结构与结晶能力 成纤高聚物的热性质 不同聚合物原料还有不同的要求，如聚丙烯原料的等规度和熔融指数，聚酯原料的粘度等。,第八章 纺丝成网法工艺 8-1 聚合物原料基本性能,1、聚合物分子量和分布(MWD)聚合物原料的分子量体现其聚合度的高低，分子量及分子量分布对加工性能和成纤后的性能等具有明显的影响。分子量过高过低，均不利于丝束强力的提高，因此纺丝成网工艺要求聚合物原料的分子量适中。分子量分布对纤维结构的均一性有很大的影响，分子量分布宽时，内部取向杂乱，表面存在不均匀裂痕。分子量分布越宽，熔体粘弹性越显著，挤出膨大现象越严重。因此纺丝成网工艺要求聚合物原料的分子量分布要窄。,第八章 纺丝成网法工艺 8-1 聚合物原料基本性能,数均分子量 粘均分子量 重均分子量 Z均分子量,典型分子量分布微分曲线,第八章 纺丝成网法工艺 8-1 聚合物原料基本性能,成纤高聚物的平均分子量和分子量分布是表征该高聚物远程链结构的重要参数，它对于该高聚物的加工性能及所得纤网的性能等具有明显的影响。当平均分子量相近时，分子量分布宽度对流动曲线亦有明显的影响。,分子量分布宽度剪切速率非牛顿区负斜率,第八章 纺丝成网法工艺 8-1 聚合物原料基本性能,分子量分布相似时，平均分子量对流动曲线的影响,第八章 纺丝成网法工艺 8-1 聚合物原料基本性能,2、高分子链结构对成纤高聚物性质影响 主链结构：当聚合物主链结构引入双键时，由于诱导效应或共轭效应，而改变链中原子间的相互作用。引入与主链原子不同价的原子、双键或环结构，则会改变链的柔性。高聚物链的结构变化，均会改变分子间相互作用力的大小，和改变链的构型和晶格，以及分子间距离。大分子链中侧基的性质：改变大分子链中侧基的性质，使分子中的电子云密度重新分布，改变键的长度、能量和极性。由于未结合原子和基团相互作用而引起大分子链的柔性发生改变，同时对大分子链的平衡构型、分子间的相互作用力和晶格产生显著影响。,第八章 纺丝成网法工艺 8-1 聚合物原料基本性能,高聚物特性支配的纤维性质(-影响),第八章 纺丝成网法工艺 8-1 聚合物原料基本性能,3、成纤高聚物分子间的作用力 分子间的作用力包括范德华力（静电力、诱导力和色散力）和氢键。静电力是极性分子之间的引力，极性分子都具有永久偶极，永久偶极之间的静电相互作用的大小与分子偶极的大小和定向程度有关。诱导力是极性分子的永久偶极与它在其他分子上引起的诱导偶极之间的相互作用力。大分子间的相互作用以氢键为最强。氢键可以在分子间形成，如极性的液体水、醇、氢氟酸和有机酸等都有分子间的氢键，在极性的高聚物如聚酰胺、纤维素、蛋白质等中，也都有分子间的氢键。,第八章 纺丝成网法工艺 8-1 聚合物原料基本性能,4、高分子结构与结晶能力 高聚物应具有一定规律性的化学结构和空间结构，使可能形成最佳超分子结构的纤维。为制得具有最佳综合性能的纤维，成纤高聚物应有形成半结晶结构的能力。高聚物中无定型区的存在，决定了纤网中纤维的柔软性、染色性、吸收性等。成纤高聚物的结晶能力非常重要，结晶度在很大程度上影响纺丝成网纤维的物理机械性能，通过结晶作用，纤维中的大分子与其聚集体沿着纤维轴向排列的取向状态才能固定下来。,第八章 纺丝成网法工艺 8-1 聚合物原料基本性能,5、成纤高聚物的热性质 高聚物制造纺丝成网非织造材料的可能性和纤维的性质与高聚物的热性质关系密切，高聚物的热性质取决于分子链结构。高聚物在受热过程中将产生两类变化。物理变化：软化、熔融。化学变化：环化、交联、降解、分解、氧化、水解等。表征这些变化的温度参数是：玻璃化温度（Tg）、熔点温度（Tm）和热分解温度（Td）。从非织造材料应用的角度来看，聚合物耐高温的要求不仅是能耐多高温度的问题，还必须同时给出耐温的时间，使用环境以及性能变化的允许范围。,第八章 纺丝成网法工艺 8-1 聚合物原料基本性能,典型成纤高聚物的Tm和Td,第八章 纺丝成网法工艺 8-1 聚合物原料基本性能,6、聚合物降解 聚合物降解有助于修正聚合物熔体粘度和分子量分布。通常有三种降解方式：化学、机械剪切和热降解。纺丝成网工艺可采用氧或过氧衍生物来实现化学降解，增加挤压速率、热量和熔体滞留时间均可达到机械剪切降解和热降解的目的。对于聚合物熔体来说，要求均匀发生降解，避免聚合物熔体降解不一致而造成粘度不均匀，分子量分布离散。同时还要求不能过度降解。,第八章 纺丝成网法工艺 8-1 聚合物原料基本性能,7、含杂 聚合物原料中铝、钛、铁及灰分含量的增加，将影响纤维的耐气候性能，同时缩短纺丝组件的使用周期，引起生产成本上升。因此，改善聚合物切片原料生产环境，优化切片生产工艺，降低切片含杂量，可提高产品性能，有效延长纺丝组件更换周期，减少耗能，降低产品生产成本。,第八章 纺丝成网法工艺 8-1 聚合物原料基本性能,二、纺丝成网法常用原料(一)聚丙烯(PP)聚丙烯是纺丝成网工艺常用的一种聚合物，主要性能参数有等规度、熔融指数(MFI)和灰分。纺丝成网工艺要求聚丙烯的等规度在95%以上，若低于90%则纺丝困难。聚丙烯的结构式为：CH2CH n CH3 在聚合过程中，因甲基在立体空间所取位置不同，可产生三种构型的聚合物。,第八章 纺丝成网法工艺 8-1 聚合物原料基本性能,如果把线型聚合物的主链看作是在同一平面内，那么甲基都在主链同侧的，为等规聚合物；甲基依次交替有规则地分布在主链平面两侧的，是间规聚合物；甲基排列无规则的，是无规聚合物。聚合物等规度直接影响纤维的各种性能，等规度高，熔点高，易结晶，纤维的物理机械性能好，而且耐化学药品的性能也高。纺丝成网工艺要求聚丙烯的熔融指数(MFI)大于27，熔融指数高，则熔体流动性好。通常情况下，聚合物分子量提高，则熔融指数减小。纺丝成网工艺要求将聚丙烯原料的灰分控制在0.05%以下。,第八章 纺丝成网法工艺 8-1 聚合物原料基本性能,熔体指数（MFI）是纺丝成网、熔喷实际生产中对原料性能的主要指标，其定义为：在一定的温度下，熔融状态的高聚物在一定负荷下，10分钟内从规定直径和长度的标准毛细管中流出的重量，单位为g/10min，熔体指数越大，流动性越好。,第八章 纺丝成网法工艺 8-1 聚合物原料基本性能,不同MFI聚丙烯切片的熔体粘度与切变率的关系,第八章 纺丝成网法工艺 8-1 聚合物原料基本性能,(二)聚酯(PET)聚酯纤维工业化生产始于1953年，其性能优良，强度和弹性模量较高，耐热和耐日晒性能高超，纺丝成网工艺应用较多的原料。聚酯的熔点比聚丙烯要高得多，纯PET的熔点为267。工业化生产的PET熔点略低，一般在255264之间。熔点是PET切片的一项重要指标，如熔点波动较大，则纺丝成网工艺中的加热温度条件要适当调整。PET切片的熔点对纤维成形过程的影响不如分子量的影响大。,第八章 纺丝成网法工艺 8-1 聚合物原料基本性能,熔体粘度是PET熔体流变性能的表征，与纤维成形好坏密切相关。影响熔体粘度的因素有温度、压力、聚合度和切变速率等。PET熔体粘度与切变速率有密切关系。通常，切应力在9.65105达因/cm2以下为牛顿流动，以上为非牛顿流动。当切片的分子量增大时，牛顿区变窄变长，且温度对粘度的影响增大。熔体粘度与分子量有关。分子量低于20000的PET，其熔体粘度与温度呈明显的线性函数关系，而分子量超过20000时，则呈非线性函数关系。纤维级的PET的分子量通常为1500022000。随着温度的升高，熔体粘度依指数函数关系而降低。随着PET分子量的提高，在相同温度下的熔体粘度增加。而在不同温度下，熔体温度每增减10，大约相当于特性粘数减增0.05，这一点对生产控制颇有现实意义。,第八章 纺丝成网法工艺 8-1 聚合物原料基本性能,PET可能发生的降解有三种：热降解、热氧化降解和水解。由于PET分子结构中存在酯基，在熔融时极易水解，使分子量下降，影响纤维质量。因此，熔喷前，PET切片必须进行干燥，使其含水率从0.4降到0.01以下。PET切片干燥的目的不仅仅是除去水分，还可提高切片的结晶度和软化点。PET切片造粒时，其熔体铸带是在水中急剧冷却的，所得到的切片是无定形结构，软化点较低。这种切片如不经过干燥，进入螺杆挤压机后，会很快软化粘结，造成环结阻料。PET切片干燥后，因发生结晶，使其软化点大大提高，切片变得坚硬，且熔程狭窄，熔体质量均匀，不再发生粘结阻料现象。PET切片干燥后应密封充氮保护，以防止切片重新吸湿。,第八章 纺丝成网法工艺 8-1 聚合物原料基本性能,不同温度下PET熔体粘度与切变速率的关系0.60,第八章 纺丝成网法工艺 8-1 聚合物原料基本性能,PET干切片的吸湿性能,第八章 纺丝成网法工艺 8-1 聚合物原料基本性能,(三)聚乙烯 美国Dupont公司溶剂纺丝成网工艺采用线性聚乙烯(LPE)，与聚丙烯相比，其结构没有长链分枝，而且MWD分布较窄，因此更容易获得较细的纤维。此外，LPE 通常具有较好的耐气候性，溶剂纺丝成网工艺制成的非织造材料具有高强度、抗撕裂、耐穿刺、防水透气、可印刷等特点。,第八章 纺丝成网法工艺 8-1 聚合物原料基本性能,(四)聚酰胺(PA)聚酰胺纤维是世界上最早投入工业化生产的合成纤维。聚酰胺66发明于1935年，通过进一步的研究，Carothers等人于19361937年又发明了用熔体纺丝法制造PA66纤维的技术。1938年，德国的Schlack发明了制取PA6及生产纤维的技术，PA6纤维于1941年开始工业化生产。纺丝成网工艺所用的聚酰胺主要是PA6，但用量不及PP和PET。对于聚合物，结晶固体才有鲜明的熔点，无定形固体只有熔融温度范围或软化温度范围，部分结晶的聚合物根据其结晶度而有宽或窄的熔融温度范围。聚酰胺是一种部分结晶高聚物，具有较窄的熔融范围。差热分析表明，PA6的熔点范围为220226，PA66为261269。,第八章 纺丝成网法工艺 8-1 聚合物原料基本性能,聚酰胺的熔体粘度与温度、剪切速率以及单体含量等因素密切相关。随着水萃取物含量的增加，PA熔体粘度呈下降趋势。和聚酯一样，聚酰胺在纺丝成网工艺前必须进行干燥，以防止聚酰胺熔融时发生水解。通常，干燥可使聚酰胺的含水率从0.20.4下降到0.06，同时伴随着聚合物内部结构的变化。为了防止切片泛黄，PA6干燥温度不得超过135，宜采用115130。,第八章 纺丝成网法工艺 8-1 聚合物原料基本性能,PA6表观粘度与剪切速率的关系,第八章 纺丝成网法工艺 8-1 聚合物原料基本性能,PA6熔体粘度与水萃取物含量的关系,第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,一、纺丝成网工艺类型 纺丝成网工艺按纺丝原理可分为：熔融纺溶剂纺湿纺 目前，纺丝成网工艺以熔融纺丝为主，溶剂纺较少，而湿纺未见有工业化生产的报道。,第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,熔融、干法、湿法纺丝的内容和特征,第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,二、纺丝成网工艺原理 指熔融纺丝成网工艺原理：聚合物切片送入螺杆挤出机，经熔融、挤压、过滤、计量后，由喷丝孔喷出，长丝丝束经气流冷却牵伸后，均匀铺放在凝网帘上，形成的长丝纤网经热粘合、化学粘合或针刺加固后成为纺丝成网法非织造材料。工艺流程为：聚合物切片切片烘燥熔融挤压纺丝冷却 牵伸分丝铺网加固切边卷绕,第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,熔融纺丝成网工艺原理,料斗,螺杆挤出机,计量泵,纺丝箱,冷却风,牵伸装置,分丝,至卷绕,加固,成网装置,第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,三、纺丝成网工艺过程(一)切片烘燥 PET、PA切片用于纺丝成网工艺需进行烘燥。1、目的含水PET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PET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。,第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,2、烘燥原理 PET切片的含水形式有两种，一是吸附在切片表面和细小缝隙中的吸附水，所占比例较大，容易去除；另一种是存在于切片内部的氢键结合水，所占比例较小，难以去除。通常以热空气干燥PET切片，可分两个阶段，第一阶段为预结晶阶段，热空气温度为120150；第二阶段为干燥阶段，热空气温度为160180。预结晶可提高PET切片的软化点，从而使切片不易粘连，为加快干燥速度创造有利条件。,第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,PET切片的干燥进程,干燥时间(min),干燥阶段,预结晶阶段,10,20,30,40,50,60,70,80,H2O含量(%),0.30,0.20,0.10,0.02,T=120,T=170,第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,PET预结晶度与时间的关系,第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,3、干燥设备 真空转鼓干燥装置：容量7006000kg，干燥时间1024h，真空度一般大于740Pa。特点：干燥质量高，更换品种容易，干燥过程中特性粘度降低小，但干燥时间长，产量低。,第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,真空转鼓干燥装置,切片进出口,回转接头,检修进出口,夹层内通入蒸汽或导热油,真空抽吸,第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,RD型回转圆筒干燥装置：设备结构简单，连续化生产，干燥效率高，但最后干燥切片的含水量不均匀。,回风,切片,热风,回转圆筒,抄板,第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,沸腾式干燥装置：干燥效率极高，适合大规模连续生产，但设备较复杂。,空气,过滤器,除湿器,缓冲器,加热器,切片,振动筛,除尘器,预结晶器,沸腾干燥器,干切片,第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,充填式干燥装置：可保证切片干燥时间一致，干燥质量较好，可直接连续喂入螺杆挤出机料斗，设备也较简单。,切片,空气,空气,干切片,水平搅拌,柱式搅拌,第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,其它干燥形式：回转圆筒+充填式间歇式预结晶+连续充填式沸腾式干燥+回转圆筒微波、高频、远红外预干燥和预结晶,第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,(二)熔融挤压 固体切片进入螺杆后，首先在螺杆进料段被输送和预热，继而经螺杆压缩段压实、排气并逐渐熔化，然后在螺杆计量段中进一步混和塑化，并达到一定的温度，以一定的压力输送至后道工序。螺杆挤出机：纺丝成网工艺一般使用单螺杆挤出机，主要由螺杆、套筒、传动系统、加料装置、加热和冷却装置等构成。,第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,螺杆挤出机结构示意,第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,螺杆挤出过程示意,第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,螺杆挤出机的特征主要反映在螺杆结构上，有等距不等深螺杆、等深不等距螺杆和不等深不等距螺杆。实际生产中主要应用等距不等深螺杆，其又有四种形式：长区渐变型螺杆、短区渐变型螺杆、突变型螺杆和计量型螺杆。螺杆的结构特征如螺杆直径、长径比、螺杆分段与分段长度、压缩比、螺距与螺槽深度等，决定了螺杆挤出机的使用特性。1、螺杆直径 通常指螺杆的外径，对挤出机有决定性的影响，直径加大，挤出机产量增加，但加热和驱动能耗均增加。,第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,2、螺杆长径比L/D 螺杆长径比指螺杆工作长度(不包括鱼雷头及附件)与外径之比。聚合物切片在这个工作长度上被加热熔化、压缩和输送。加热面积和切片停留时间都与螺杆长度成正比。长径比大，有利于切片原料的混和塑化、提高熔体压力和减少逆流以及漏流损失。因此，螺杆挤出机的长径比有不断增大的趋势。目前，加工塑料的螺杆L/D一般为1520，加工纤维时，L/D一般为2030，甚至高达35，常用的是2530。如螺杆太长，聚合物切片在高温下停留时间增加，对某些热稳定性差的聚合物会引起热分解，同时，机械制造难度加大，所以，螺杆长度是有限度的。,第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,3、螺杆分段与分段长度 螺杆分进料段、压缩段和计量段，三段长度的分配与被加工的聚合物切片性质有关。加工塑料等非结晶聚合物时，由于此类聚合物没有明显的熔点，而且有明显的高弹形变，因此需要螺杆的压缩段较长，一般为螺杆全长的5055，聚合物切片原料在一个较长的距离内逐渐被压缩、软化至熔融。而结晶型的成纤高聚物有熔点，而无明显的高弹形变，因此加工此类聚合物的螺杆的压缩段较短，如加工PET仅为螺杆直径的45倍。由此，加工PET的螺杆进料段约为全长的30，压缩段约为全长的15，计量混和段约为全长的55。,第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,4、压缩比 螺杆的压缩比是指螺杆进料口处螺槽容积与计量段最后一个螺槽容积之比。等距不等深螺杆的压缩比可用下式计算：,式中：D螺杆直径 d1进料口螺杆根径 d2出料口螺杆根径,第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,压缩比主要取决于聚合物性质、状态和切片截面形状，通常为2.53.5，加工PET时，常采用3.0左右，加工PP时，最小为2.8。5、螺距与螺槽深度 螺杆直径一定时，螺距决定了螺杆的螺旋角，由此影响螺纹的推进力。通常螺杆的螺旋角取1738，螺距等于直径，螺杆制造时较方便。螺槽深度对产量和质量均有较大的影响，深螺槽产量大，但对熔体压力反应灵敏；螺槽浅则产量小，但塑化作用好，挤出量稳定。加工PET时一般采用浅槽螺杆。,第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,6、螺杆与套筒之间的间隙 这是螺杆挤出机的一个重要的结构参数，特别是在计量段，对螺杆挤出机的产量影响很大。通常，漏流流量与间隙的三次方成正比，所以，在保证螺杆与套筒之间不产生刮磨的条件下，应尽可能地采用较小的间隙。通常，小螺杆间隙应小于0.002D，大螺杆应小于0.005D。普通螺杆是不带混炼结构的单螺纹螺杆，当螺杆转速提高到一定程度时，聚合物原料在螺杆挤出机中停留时间缩短，使物料来不及熔融就进入计量段，导致熔体质量下降，挤出压力和挤出量波动。这主要是固体切片在熔融过程中，固体床发生破裂，破裂后的碎块失去控制，不能及时熔化而浮于熔体中。这种碎块颗粒会引起熔体温度、压力的差异和影响残留水分的排除。针对上述的问题，目前出现了一些新型螺杆，主要有分离型螺杆、销钉型螺杆等。,第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,销钉型螺杆 销钉设置在压缩段与计量段之间，可将未熔融的固相物料分离细化，以增加固相与液相的接触面积，加速固相颗粒的熔融速度。设置在螺杆头部或计量段的销钉，具有分流、剪切和混合的作用，通过销钉的激烈搅拌，细化和粉碎熔体中的颗粒物料，促使其加速熔化。设置销钉后，螺杆挤出机的产量和普通螺杆相比，可以提高30左右。,第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,(三)纺丝1、纺丝工艺过程 与传统纺丝类似，工艺过程为：熔融挤压过滤静态混和计量熔体分配 挤出成形冷却 过滤可去除聚合物熔体中一些凝胶和细小的固体粒子。静态混和，是指聚合物熔体输送管道中静态混和器对聚合物熔体的均匀混和作用。计量和熔体分配可精确控制产量和纤维细度的一致性。聚合物熔体从喷丝孔挤出，经历入流、微孔流动、出流、变形和稳定的流变过程。,第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,聚合物熔体从喷丝孔挤出的流变模型,入流区,孔流区,出流区,挤出膨化胀大,第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,(1)入流 聚合物熔体从直径较大的空间挤入较小的微孔，流动速度急剧增大，动能增加。熔体的分子构象也发生改变，并贮存了一定的变形弹性能，称为“入口效应”。熔体单位体积贮存的变形弹性能超过一定限度时，将影响熔体的流动稳定。因此，入口导角越小，熔体的流动越稳定。纺PP时入口导角一般为3050之间，纺PET时入口导角一般在6570之间。入口导角太小制造比较困难。聚合物熔融指数上升有利于稳定流动。,第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,(2)微孔流动 流动特点：流速不同，靠近孔壁速度小，孔中心速度大，存在径向速度梯度。入口效应产生的高弹形变来不及消失，因为熔体在微孔中的流速很高，通过时间仅10-410-3s。如径向速度梯度过大，还会继续产生高弹形变。当高弹形变达到极限值时，熔体细流就会产生破裂，从而无法成纤。研究表明，径向速度梯度与微孔半径的三次方成反比，因此，微孔大一些纺丝比较稳定。纺PP时微孔直径一般为0.30.5mm，纺PET时微孔直径一般在0.3mm以下。,第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,(3)出流 聚合物熔体从微孔挤出后即产生“膨化胀大”现象，其原因是高弹形变的迅速恢复。膨胀严重时将出现熔体破裂现象，此时丝条表面不光滑，出现波纹、竹节或螺旋等外观。熔体膨化胀大的程度可用膨化胀大率X来表示：式中：DB熔体细流膨化区最大直径 D喷丝孔直径 研究表明，增大微孔直径和长度，升高纺丝温度，均可使膨化胀大率 减小。,第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,(4)变形与稳定 聚合物熔体离开出口区时，温度仍然很高，流动性也较好，在张力的作用下能迅速拉伸变形。同时，由于空气的冷却作用，熔体细流的温度越来越低，而粘度越来越高，因此，粘流态的熔体细流逐渐变成稳定的固态纤维。如果不再创造新的拉伸条件，纤维直径将稳定不变，但刚成形的初生纤维的性能是很低的。,第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,纺丝过程,第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,2、主要设备(1)计量泵 计量泵为外啮合齿轮泵，齿轮啮合运转时，齿轮啮合脱开使吸入腔容积增大，形成负压，聚合物熔体被吸入泵内并填满两个齿轮的齿谷，齿谷间的熔体在齿轮的带动下紧贴着“8”字形孔的内壁回转近一周后送至出口腔，由于出口腔的容积不断变化，聚合物熔体得以顺利排出。,第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,计量泵每转输出的聚合物熔体量称为计量泵的公称流量，泵的实际流量与理论流量之比称为泵的容积效率。影响容积效率的因素很多，有泵结合面的密封性能、造成熔体回流的间隙、转速、进出口熔体压力、熔体粘度等。齿轮计量泵的总效率是容积效率和机械效率的乘积。精度较高的齿轮泵，总效率通常为0.900.95。计量泵是一种高精度的纺丝部件，我国已有系列化产品。,第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,计量泵标记示例 J R G-1.2 2,表示计量泵,表示熔纺，此外，可用Y表示粘胶，S表示腈纶，N表示维纶,表示高压泵,表示公称流量，即每转的流量为1.2ml,表示为叠泵,第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,(2)纺丝组件 纺丝系统的重要部件，由箱体、熔体分配板、喷丝板等组成。纺丝成网工艺可采用单块大型喷丝板，也可采用多块小型板拼接而成，而且，矩形板应用较多，圆形次之。喷丝孔的直径应根据成纤聚合物熔体在喷丝孔中流动的剪切速度梯度来决定，通常，喷丝孔直径和长度大一些，纺丝比较稳定，尤其是对高粘度熔体的纺丝有利。,第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,陶氏纺丝箱结构,第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,喷丝板喷丝孔的结构,(a)圆柱形(b)圆锥形(c)双曲线形(d)二级圆柱形(e)平底形,第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,微孔直径对单纤维的最小纤度的影响,微孔直径对挤出膨化比的影响,第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,L/d0对聚丙烯挤出膨化比的影响 T=190C 进料速率=0.3g/min D=0.8mm=1.9dl/g,第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,(四)冷却 该过程与熔体细流的变形同时进行。从喷丝板挤出的丝束温度相当高，冷却可防止丝条之间的粘连和缠结，配合拉伸，使粘流态的熔体细流逐渐变成稳定的固态纤维。纺丝成网工艺常采用单面侧吹和双面侧吹的形式，冷却介质为洁净空调风，风量应保证流动方式为稳定的层流状态，从而避免丝条振动，影响丝条的均匀性。冷却过程伴随着结晶过程，初期由于温度过高，分子的热运动过于剧烈，晶核不易生成或生成的晶核不稳定。随着温度的降低，均相成核的速度逐渐加快，熔体粘度增大，链段的活动能力降低，晶体生长速度下降。,第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,意大利STP纺粘生产线，幅宽3.2m，生产规模为3000t/y，侧吹送风量为16000m3/h。国内经验：送风温度：1516(1)送风湿度：80%送风余压：300400Pa(2%)洁净程度：1.2m,第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,骤冷室结构示意图,第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,(五)牵伸1、取向 线性高分子的长度是其宽度的几百、几千甚至几万倍，这种结构上悬殊的不对称性使它们在某些情况下很容易沿特定方向作占优势的平行排列，称为取向。2、牵伸的作用 刚成形的初生纤维强力低，伸长大，结构极不稳定。牵伸的目的，在于让构成纤维的分子长链以及结晶性高聚物的片晶沿纤维轴向取向，从而提高纤维的拉伸性能、耐磨性，同时得到所需的纤维细度。牵伸是手段，取向是获得的结果。取向后应使温度迅速降到聚合物玻璃化温度以下，以“冻结”取向结果，防止解取向。,第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,大分子的自然状态和取向的示意,(a)未取向的自然状态(b)取向的大分子,第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,纺丝成网的纤维拉伸过程不同于对传统化纤初生纤维的拉伸作用。,纺丝成网的纤维拉伸过程不同于对传统化纤初生纤维的拉伸作用。,不同拉伸工艺制取的聚丙烯纤维的双折射(n),第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,3、牵伸装置 主要方式有罗拉机械牵伸和气流牵伸，纺丝成网工艺多数采用气流牵伸。气流牵伸是利用高速气流对丝条的摩擦进行牵伸，分正压牵伸和负压牵伸。气流牵伸的形式有喷嘴牵伸和窄缝牵伸，气流速度达到30004000m/min或更高。不同公司的牵伸装置和牵伸工艺有很大差别，近期纺丝成网法工艺的技术突破，如纺丝速度提高，纤维细度降低，主要是牵伸装置和牵伸工艺的技术突破。,第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,典型的纺丝成网和拉伸系统,(a)-机械拉伸纺丝成网(b)-圆管式拉伸纺丝成网(c)-圆形喷丝板狭缝拉伸纺丝成网(d)-矩形喷丝板狭缝拉伸纺丝成网,第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,典型的正压拉伸工艺(DOCAN纺丝成网工艺),第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,一种气流牵伸装置,喷丝板,冷却空气,牵伸空气,第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,一种气流牵伸喷嘴结构示意图1-拉伸空气2-长丝3-喷嘴4-空压腔5-整流板6-环形狭缝7-拉伸管,第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,两种气流牵伸喷嘴结构示意图,第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,一种长丝气流拉伸管示意图,第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,机械-气流相结合长丝拉伸示意图,第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,典型的纺丝成网抽吸式负压拉伸工艺,Recofil-型 Recofil宽幅狭缝气流拉伸装置,第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,一种气流牵伸装置,第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,(六)纺程上作用力分析 机械牵伸：重力Fg 表面张力Fs 惯性力Fi 摩擦阻力Ff 流变阻力Fr,第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,(六)纺程上作用力分析 气流牵伸：,无“波动”时气流拉伸“波动”时气流拉伸,第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,(七)分丝 将经过牵伸的丝束分离成单丝状，防止成网时纤维间互相粘连或缠结。常用形式有：气流分丝法 利用空气动力学的coanda效应，气流在一定形状的管道中扩散，形成紊流达到分丝目的。机械分丝法 丝束牵伸后与挡板等撞击达到分丝目的。静电分丝法 丝束牵伸后经过高压静电场或摩擦带电达到分丝目的。,第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,一种摆丝成网机构1-气流分丝器出口2-摆丝辊3-丝束4-成网帘5-吸风6-纤网,第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,(八)铺网 控制经牵伸和分丝的长丝以一定的方式铺放到凝网帘上，主要有两种控制方式：气流控制 利用气流扩散和附壁效应使长丝束按一定方式铺放到凝网帘上，如圆周运动或椭圆运动；也有利用侧吹气流交替吹风使长丝左右摆动而铺置成网。机械控制 利用罗拉、转子、摆片或牵伸分丝管道的左右往复运动将丝束规则地铺放到凝网帘上。纺丝成网工艺的成网均匀度不及干法工艺，产品单位面积质量越小，cv值越大。,第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,狭缝牵伸铺网,第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,牵伸摆丝铺网,第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,(九)加固主要方式有：热粘合 聚丙烯薄型产品采用热轧。针刺加固 厚型产品采用，可配高速针刺机，如Dilo公司的DI-LOOM OD-SC或Fehrer公司的NL3000。自身粘合 如PA66纤网采用盐酸水溶液处理产生自身粘合，已较少应用。此外，还有针刺加固高温拉幅定型化学粘合等组合加固和后整理的方法。,第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,PP纤网面密度、纤维细度与加固方式,500,200,100,50,20,10,1000,面密度(g/m2),17 纤维细度(dtex),1.7,热粘合,针刺,第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,PET、PA纤网单位面积质量、纤维细度与加固方式,500,200,100,50,20,10,1000,面密度(g/m2),17 纤维细度(dtex),3.5,热粘合,针刺,第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,四、溶剂纺丝成网工艺原理与过程 溶剂纺丝成网工艺是美国Dupont公司开发的专利技术，也可称作闪蒸法、闪纺法和瞬时溶剂挥发纺丝成网法，其产品名称为“Tyvek”，具有高强度、抗撕裂、耐穿刺、防水透气、可印刷等特点。工艺原理与过程：将LPE溶于200的二氯甲烷中，浓度为13%，并以CO2在6.9Mpa的压力下饱和制成纺丝溶液，然后从刀口状的喷丝孔中喷出，长丝丝束直径约1120dtex，喷出速度约为1011km/min。丝束喷出过程中，二氯甲烷瞬间挥发，丝束变细，并形成速度梯度，从而使丝束得到牵伸，形成0.110.17dtex的超细单纤维，其取向度极高，强度很大。同时采用静电分丝和凝网技术，使纤维成网，再经热轧加固后成为溶剂纺丝成网法非织造材料。,第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,溶剂纺丝成网工艺示意,挡板,喷丝板,纺丝溶液,分丝静电器,凝网静电器,热轧加固,第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,溶剂纺丝成网喷嘴示意图,1聚乙烯溶液入口 2聚乙烯溶液输入管 3减压孔 4减压室 5喷丝孔 6喷丝口 7纺丝喷流,第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,Tyvek纤网结构,第八章 纺丝成网法工艺 8-2 纺丝成网工艺原理与过程,Tyvek纺粘非织造材料的应用,第八章 纺丝成网法工艺 8-3 典型纺丝成网工艺与设备,典型的纺丝成网工艺：DOCAN法，德国Lurgi公司专利，现已被德国Zimmer公司收购。Reicofil法，德国Reifenhaeuser公司在原民主德国Kride纺丝成网技术上发展而成。Typar法，美国Dupont公司开发的纺丝成网技术。Cerex法，美国Monsanto公司开发的以PA66为原料的纺丝成网技术。Freudenberg法，德国Freudenberg公司开发的纺丝成网技术。Rhone Poulenc法，法国Rhone Poulenc公司开发的纺丝成网技术，产品名称为Bidim。,第八章 纺丝成网法工艺 8-3 典型纺丝成网工艺与设备,典型的纺丝成网工艺,第八章 纺丝成网法工艺 8-3 典型纺丝成网工艺与设备,一、NWT纺丝成网工艺与设备 由意大利NWT公司提供技术与设备。适合加工纤网单位面积质量为151000g/m2，幅宽2.45.4m，螺杆直径为120mm，气流窄缝牵伸系统，摆丝铺网，热轧或针刺加固。生产设备主要由喂料系统、干燥系统、螺杆挤出机、纺丝箱体、气流牵伸装置、摆丝器、成网机、热轧或针刺机和分切卷绕机等组成。生产PP产品工艺流程：PP切片气流输送纺前料斗熔融挤压熔体过滤纺丝、冷却、牵伸分丝铺网热轧或针刺分切卷绕成品,第八章 纺丝成网法工艺 8-3 典型纺丝成网工艺与设备,生产PET产品工艺流程：PET切片料斗振动筛切片干燥纺前料斗熔融挤压熔体过滤纺丝、冷却、牵伸分丝铺网热轧或针刺分切卷绕成品(一)切片干燥 采用填充式干燥装置，由两部分组成，第一部分是结晶器，设搅拌器防止切片结块；第二部分为干燥器，干燥时间为78h，生产能力为3t/d。对PET切片，要求