化纤工艺学(化学纤维概论).ppt

化纤工艺学（化学纤维概论）,第一节 化学纤维的发展概况,第一章 总论,纺织纤维,（包括棉花、羊毛、蚕丝等）,一、纺织纤维的分类,再生纤维：,以天然高分子为原料，经化学处理和机械加工制得的纤维。,合成纤维：,用石油，天然气，煤及农副产品为原料经一系列化学反应制成合成高分子化合物，再经加工制得的纤维。,纺织纤维,（包括棉花、羊毛、蚕丝等）,一、纺织纤维的分类,目前世界上已工业化的合成纤维有十几种，但产量集中在几种上。,三大纶：聚酯、聚酰胺、聚丙烯腈纤维六大纶：聚酯、聚酰胺、聚丙烯腈、聚丙烯、聚乙烯 醇、聚氯乙烯纤维,二、世界合成纤维发展概论,1935年Carothers以己二胺、己二酸为原料，合成聚酰胺66，再经熔融纺丝制成聚己二酰己二胺纤维，并在美国实现工业化生产。1941年由德国Schlack发明的聚己内酰胺纤维在德国实现了工业化生产。1946年在德国又开始了聚氯乙烯纤维的工业规模生产。上世纪50年代初期，聚丙烯腈纤维、聚乙烯醇缩甲醛纤维、聚酯纤维等相继实现了工业化。1960年聚烯烃纤维中的主要产品聚丙烯纤维在意大利实现了工业化。,随后，因石油化学工业的迅猛发展促进了合成纤维工业的发展。世界合成纤维的产量于1962年超过了羊毛产量，1967年又超过了再生纤维产量，近年又与棉花产量基本持平，成为主要纺织原料。,我国和世界化学纤维产量（kt）,合成纤维的发展一般认为可以分为以下四个阶段：,第一阶段 19381950 重点发展尼龙，探索新的合成高聚物,第二阶段 19501956 涤纶，腈纶等合纤工业化,第三阶段 1956迄今 发展第二代合纤改性纤维,第四阶段 1960迄今 发展特种纤维,在三大合成纤维工业化以后，56年进入了合成纤维的第三阶段，即进入了“分子工程”阶段。人们开始利用化学改性和物理改性手段，通过分子设计，制成具有特定性能的第二代化学纤维，即“差别化纤维”。改性的内容很多，如赋予纤维抗静电、抗起球、光热稳定、防污、阻燃、蓬松、手感好、高吸水、高收缩、可染性等性能。仿毛、仿麻、仿丝绸、仿棉都可以通过改性达到目的。差别化纤维在化学纤维中的比例迅速增加，如最近日本的差别化纤维产量已占其全部合成纤维的50以上。其中，原液着色、异形、复合等加工技术早已成熟，在近年开发的高附加值织物中被大量采用。聚酯细旦丝的仿真丝绸产品，由于其外观、手感、悬垂性、穿着舒适性等大为改善，在国际市场上也受到青睐。,随着化学纤维应用领域的不断扩大，一些具有特殊性能的第三代化学纤维不断问世。如强度为1922dNtex、模量为460850dNtex的高强度、高模量纤维聚对苯二甲酰对苯二胺纤维；在304下连续加热1000h强度仍保持64，在火焰中难燃，具有自熄性的耐高温纤维聚间苯二甲酰间苯二胺纤维；伸长率为500600时，弹性回复率为9798的弹性纤维聚氨酯弹性纤维；在天然纤维及化学纤维中，化学稳定性最优异的高温耐腐蚀纤维聚四氟乙烯纤维；在175的热空气中稳定、耐超高电压500kV以上的电绝缘纤维聚2，6二苯基对苯醚纤维；水溶温度为1095、不同规格的水溶性纤维等。另外，还有在大分子中引入磺酸基、羧基、胺基等活性基团，使纤维具有离子交换、捕捉重金属离子功能的离子交换纤维；用折射率不同的两种透明高分子材料，通过特殊复合技术制成的塑料光导纤维；具有多微孔结构，表面有很强吸附特性的活性碳纤维；具有微孔结构，在压力差、浓度差或电位差的推动下，进行反渗透、超滤、透析用的中空纤维膜等。在合成纤维中，占主导地位的是聚酯纤维、聚酰胺纤维、聚丙烯腈纤维等三大品种。俗称“三大纶”。尤其是后起之秀的聚酯纤维在化学纤维中居于遥遥领先的地位。聚丙烯纤维，由于其原料成本低，在纤维改性和应用研究方面不断取得进展，可望今后会有较大发展。,三、我国化学纤维工业的发展概况,我国的化学纤维工业发展历程可以大致分为四个阶段。第一阶段，即起步阶段(19561965年)。从粘胶纤维起步，从东欧、日本、英国分别引进了生产粘胶、维纶、腈纶设备和技术。第二阶段，即奠基阶段(19661980年)。化纤原料开始转向石油化工路线。建立了一批维纶厂，在上海、辽阳、天津、四川引进四套大型石油化纤联合企业的成套设备，相应配套发展了一批合成纤维纺丝厂，为我国化纤工业的更大发展奠定了基础。第三阶段，即发展阶段(19811995年)。上世纪80年代建设了特大型化纤企业江苏仪征化纤工程；完成了上海石化公司的二期工程，并在广东新会、佛山、河南平顶山以及辽宁抚顺等地，建成了多个技术先进的涤纶、锦纶和腈纶厂。90年代又完成了仪征三期和辽化二期工程。第四阶段，即持续增长阶段(1996年)。成为世界上化学纤维第一生产大国。已形成国营、民营、外资三足鼎立的局面。重视差别化、高性能、功能纤维的研究与开发，化纤新品种不断投产。总之，今后我国化纤工业将不断由生产大国向高技术、高质量、多品种大国转化，进一步提高集约化程度，迈向国际先进水平。,一、纤维比较柔韧的细而长的物质。,纺织纤维长径比一般大于1000：1，直径几微米几十微米,二、长丝（Continuous Filament）,在化纤生产中经纺丝处理以后得到的长以千米计的丝叫长丝,长丝,一根单纤维的连续丝条（包括36孔少孔丝）,由数十根单纤维组成的丝条(做帘子线的复丝),三.短纤维(STAPLE),化纤生产中被切成几厘米十几厘米短段的纤维称短纤维.短纤维主要用于混纺(涤棉,毛涤等)锦纶以长丝为主,腈纶以短纤维为主,涤纶各半。,第二节 化学纤维的常用基本概念,图1l所示为几种制造异形纤维所用喷丝孔的形状（上）和相应的纤维横截面形状（下）。,四.丝束(tow),丝束-由几万根百万根丝组成的一束.,丝束,用于切断成短纤维,经牵切制成毛条.棉条(可省去纺织厂梳理工序),五.异型纤维(shaped fibre)在合成纤维成形过程中，采用异形喷丝孔纺制的具有非圆形截面的纤维或中空纤维，这种纤维称为异形截面纤维，简称异形纤维。,六、复合纤维(composite fibre)在纤维横截面上存在两种或两种以上不相混合的聚合物，这种化学纤维称为复合纤维，或称双组分纤维。,八、超细纤维（Superfine fiber）由于单纤维的粗细对于织物的性能影响很大，所以化学纤维可按单纤维的粗细（线密度）分类，一般分为常规纤维、细旦纤维、超细纤维和极细纤维。涤纶常规纤维的线密度为1.47.0dtex 细旦纤维的线密度为0.551.4dtex 用于仿真丝类的轻薄型或中厚型织物 超细纤维的线密度为0.110.55dtex，用双组分复合裂离法生产 用于高密度防水透气织物和人造皮革、仿桃皮绒织物等 极细纤维的线密度在0.11dtex以下 通过海岛纺丝法生产 用于人造皮革和医学滤材等特殊领域。,七、变形纱(Textured filament,Textured yarn)变形纱包括所有经过变形加工的丝和纱，如弹力丝和膨体纱都属于变形纱。,九、差别化纤维(Differential fiber)泛指通过化学改性或物理变形使常规化纤品种有所创新或赋予某些特性的服用化学纤维。,十、特种纤维（Special fiber）特种纤维一般指具有特殊的物理化学结构、性能和用途的化学纤维，如高性能纤维、功能纤维等。主要用于产业、生物医药及尖端技术等领域。高性能纤维（High performance fiber）通常是指具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、耐辐射、耐化学药品等纤维。功能纤维(Function fiber)泛指在一般纤维具有的物理机械性能基础上，具有某种特殊功能和用途的纤维。,一、线密度 线密度的法定计量单位名称为特克斯(tex)-1000m长纤维重量的克数 非法定计量单位:旦尼尔数为9000 m长纤维重量的克数。公支为单位重量纤维的长度，既1公支=1m/g。它们与特数之间的换算关系如下。1000 特克斯数=100%公制支数 特克斯数0.11旦尼尔数,二、断裂强度 常用相对强度表示化学纤维的断裂强度。即纤维在连续增加负荷的作用下，直至断裂所能承受的最大负荷与纤维的线密度之比。单位为牛顿特克斯（Ntex）、厘牛顿特克斯（cNtex）、厘牛顿分特克斯（cNdtex）。,第三节 化学纤维的主要质量指标,主要纺织纤维的断裂强度,五、燃烧性能“极限氧指数”（Limiting Oxggen Index，简称LOI）-就是使着了火的纤维离开火源，而纤维仍能继续燃烧时，环境中氮和氧混合气体内所含氧的最低百分率。,四、初始模量 纤维的初始模量即弹性模量（或杨氏模量）是指纤维受拉伸而当伸长为原长的1%时所需的应力。初始模量表征纤维对小形变的抵抗能力，在衣着上则反映纤维对小的拉伸作用或弯曲作用所表现的硬挺度。,三、断裂伸长率 纤维的断裂伸长率一般用断裂时的相对伸长率，即纤维在伸长至断裂时的长度比原来长度增加的百分数表示：LL。Y=100%L。,部分纤维的极限氧指数,六、吸湿性纤维的吸湿性是指在标准温湿度（20、65相对湿度）条件下纤维的吸水率。一般采用两种指标来表示：回潮率和含湿率。试样所含水分的重量 回潮率=100%干燥试样重量 试样所含水分的重量 含湿率=100%未干燥试样重量各种纤维的吸湿性有很大差异，同一种纤维的吸湿性也因环境温湿度的不同而有很大变化。为了计重和核价的需要，必须对各种纺织材料的回潮率作出统一规定，称公定回潮率。各种纤维在标准状态下的回潮率和我国所规定的公定回潮率如表16所示。,纤维在20、65相对湿度下的回潮率和我国所规定的公定回潮率,七、染色性染色性是纺织纤维的一项重要性能，它包含的内容主要有：可采用的合适染料，可染得的色谱是否齐全及深浅程度，染色工艺实施的难易，染色均匀性以及染色后的各项染色牢度等。,八、卷曲度 将纤维进行化学、物理或机械卷曲变形加工，而赋予纤维一定的卷曲，可以有效地改善纤维的抱合性，同时增加纤维的蓬松性和弹性，使其织物具有良好的外观和保暖性。可采用下列指标表征短纤维的卷曲度：弯折点个数1/2(L。-预加张力为1.2610-卷曲数（个cm）=dNtex时的纤维长度)L。(L1-加负荷 8.8 10-dN tex L1L。并保持 lmin后测得的纤维长度)卷曲率=100%(L2 除去负荷使纤维松弛2min L。后，再加预张力测得的纤维长度)L1L 卷曲回复率=100%L1 L1L2 卷曲弹性回复率=100%L1L。,九、沸水收缩率将纤维放在沸水中煮沸30min后，其收缩后的长度与原来长度之比，称为沸水收缩率。计算式如下：L。L1 沸水收缩率=100%L。式中：L。纤维原长；L1 煮沸30min后的纤维长。沸水收缩率是反映纤维热定型程度和尺寸稳定性的指标。,一、原料制备1.纤维高分子的基本性质用于化学纤维生产的高分子化合物，称为成纤聚合物。对成纤聚合物一般要求如下：（1）成纤聚合物大分子必须是线型的、能伸直的分子，支链尽可能的少，没有庞大侧基；（2）聚合物分子之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相对分子质量和较窄的相对分子质量分布；（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。,化学纤维的生产过程可概括为以下四个工序。（1）原料制备：高分子化合物的合成（聚合）或天然高分子化合物的化学处理和机械加工；（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：纤维的后处理。,第四节 化学纤维的生产方法概述,几种主要成纤聚合物的热分解温度和熔点,二、熔体或溶液的制备 1.纺丝熔体的制备 聚合物熔体纺丝分为直接纺丝（一步法）和切片纺丝（二步法）。对于切片纺丝：（1）切片干燥：切片干燥的目的是除去水分，提高聚合物的结晶度与软化点。（2）切片的熔融：切片的熔融是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。与切片纺丝相比，直接纺丝法省去了诸多工序，大大简化生产流程，减小车间面积，节省投资，有利于提高劳动生产效率和降低成本。但是直接纺丝，对于某些聚合过程（如己内酰胺的聚合）留存在熔体中的一些单体和低聚物难以去除，影响纤维质量，恶化纺丝条件，工艺控制也比较复杂。因此，对产品质量要求比较高的品种，一般常采用切片纺丝法。切片纺丝法的工序较多，但具有较强的灵活性，产品质量也较高。可以制取高强度的纤维。目前对于生产产品质量要求较高的帘子线或长丝，以及不具备聚合生产能力的企业，大多采用切片纺丝法。,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、一定相对分子质量和相对分子质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。在化学纤维原料制备过程中，可采用共聚、共混、接枝、加添加剂等方法，以生产某些改性化学纤维。,2.纺丝溶液的制备 目前在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。虽然采用一步法省去的聚合物的分离、干燥、溶解等工序，可简化工艺流程，提高劳动生产率，但制得的纤维质量不稳定。采用二步法时，需要选择合适的溶剂将成纤聚合物溶解，所得的溶液在送去纺丝之前还要经过混合、过滤和脱泡等工序，这些工序总称为纺前准备。,（1）成纤聚合物的溶解：线型聚合物的溶解过程是先溶胀后溶解。用于制备纺丝溶液的溶剂必须满足下列要求：在适宜的温度下具有良好的溶解性能，并能使所得聚合物溶液在尽可能高的浓度下具有较低的粘度；,沸点不宜太低，也不宜过高。如沸点太低，溶剂挥发性太强，会增加溶剂损耗恶化劳动条件；沸点太高，则不易进行干法纺丝，且溶剂回收工艺复杂；,有足够的热稳定性和化学稳定性，并易于回收；,应尽量无毒和无腐蚀性，并不会引起聚合物分解或发生其它化学变化。纺丝溶液的浓度根据纤维品种和纺丝方法的不同而异。通常，用于湿法纺丝的纺丝溶液浓度为12%25%；用于干法纺丝的纺丝溶液浓度则高一些，一般在25%35%之间。,三、合成纤维的纺丝方法,将成纤聚合物熔体或浓溶液，用纺丝泵（或称计量泵）连续、定量而均匀地从喷丝头（或喷丝板）的毛细孔中挤出，而成为液态细流，再在空气、水或特定的凝固浴中固化成为出生纤维的过程称作“纤维成形”，或称“纺丝”，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。,（2）纺丝溶液的混合、过滤和脱泡：混合的目的是使各批纺丝溶液的性质（主要是浓度和粘度）均匀一致。过滤的目的是除去杂质和未溶解的高分子物。脱泡是为了除去留存在纺丝溶液中气泡。这些气泡会在纺丝过程中造成断头、毛丝和气泡丝而降低纤维质量，甚至使纺丝无法正常进行。,合成纤维的纺丝方法,其它纺丝方法包括乳液纺丝、悬浮纺丝、干湿法纺丝、冻胶纺丝、液晶纺丝、相分离纺丝和反应纺丝法等，用这些方生产的纤维量很少。,1.熔体纺丝 切片在螺杆挤出机中熔融后或由连续聚合制成的熔体，送至纺丝箱中的各个纺丝部位，再经纺丝泵定量压送纺丝阻件，过滤后从喷丝板的毛细孔中压出而成为细流，并在纺丝甬道中冷却成形。初生纤维被卷绕成一定形状的卷装（对于长丝）或均匀落入盛丝桶中（对于短纤维）。图1-3为熔体纺丝示意图。,图片,图1-3 熔体纺丝示意图,1.熔体纺丝,返回上一张,图1-4 湿法纺丝示意图,1-喷丝头 2-凝固浴 3-导丝盘 4-卷绕装置,纺丝溶液经混合、过滤和脱泡等纺前准备后，送至纺丝机，通过纺丝泵计量，经烛形滤器、鹅颈管进入喷丝头（帽），从喷丝头毛细孔中挤出的溶液细流进入凝固浴，溶液细流中的溶剂向凝固浴扩散，浴中的凝固剂向细流内部扩散，于是聚合物在凝固浴中析出而形成初生纤维。,2.湿法纺丝,图1-5 干法纺丝的示意图,3、干法纺丝,三种纺丝成形方法的基本特征,合成纤维生产中常用的纺丝溶剂,第五节化学纤维的鉴别,一、显微镜法,表1-9 常见纤维的横截面及外观形态特征,二、燃烧法,表1-10 常见纤维的燃烧特性,三、溶解法,表 1-11 纤维的溶解性能,注溶解；部分溶解；不溶。表中的“”均为相应物质的质量分数。,思考题 1、何谓纤维的初始模量 2、推导回潮率和含湿率的关系 名词解释化学纤维 合成纤维 再生纤维 异形纤维 复合纤维熔体纺丝 湿法纺丝 干法纺丝 冻胶纺丝 初始模量干湿纺丝法 极限氧指数,