氨纶干法纺丝实验

氨纶干法纺丝中的纺丝实验
专业：材料科学与工程
班级：材料071班
姓名：万香宏
学号：0710230114
指导教师：尹翠玉
天津大学材料科学与工程学院
2010年12月20日
氨纶干法纺丝中的纺丝实验
材料071 万香宏 0710230114
天津工业大学材料科学与工程学院
1.前言
1.1氨纶简介
聚氨酯弹性纤维是由聚氨基甲酸酯制成的纤维。

国际商品名称为SPANDEX，我国商品名则为氨纶。

聚氨基甲酸酯是一种以二醇和二异氰酸盐类进行聚台加成反应制成的含有85%以上氨基甲酸酯的、具有线性链段结构的嵌段聚合物,具有天然橡胶丝的弹性。

主要商标名称有Lycra（英威达）、Dorlastan（德国拜耳公司）、ESPA（日本东洋公司）、Opelon（日本东丽- 杜邦公司）等。

聚氨酯弹性纤维是一种性能优异的化学纤维，具有伸长率大(400-800%) 弹性回复率高．聚酯型氨纶伸长600%时，回弹率为95％．弹性模量低(0．1icN／dt~x)：耐疲劳性好(伸长50—300%)，密度小(1—1．39％／cm3)；耐腐蚀、耐晒、耐热、耐光、抗老染料有良好的亲和力，无论采用分散性酸性或复舍性还是金属性染料均可染色均匀。

聚氨酯嵌段共聚物可以纺出极细旦的丝．且品质优良。

氨纶织物质地柔软．穿着舒适。

主要用于制造各种运动衣，游泳衣溜冰衣，高尔夫球农等体育运动服；还有宇航服．飞行服，工作服等各种专用服装的柬带紧身部分；妇女的紧身衣，健美服，内衣，高弹棘，手套等女性用品，弹力灯芯皱，劳动布，弹力毛华达呢和毛花呢服装用料；医药方面用的弹性绷带，器官材料各种辅助器材设备物品等。

氨纶的研究最早始于德国，1959年杜邦首先实现了干法纺氨纶的工业化生产，60年代日本旭化成、东洋纺等公司也先后开发出了氨纶生产技术。

20 世纪80 年代后，由于氨纶包覆纱和包芯纱技术的开发，氨纶的应用领域不断扩大，市场需求不断增加。

1989 年，我国在山东烟台建成第一个氨纶生产装置，90年代一批氨纶企业也先后投产，2001年后中国企业全面进入，产能迅猛增加，截至04年11月，我国氨纶产量已占世界产量的40%多。

随着国内氨纶市场的开发和发展，氨纶的应用领域不断扩大，已从过去的针织用扩大到机织用，从过去单一的服装内用，扩大到服装外用、包装用、医药用等领域，且随着人们生活水平的不断提高，氨纶产品的舒适性越来越受到人们的喜爱，氨纶的需求量迅速增加。

随着我国经济的发展，出口纺织品和服装的档次不断提高，氨纶必将有广阔的发展空间。

1.2氨纶生产技术发展概况
1.2.1氨纶的主要生产方法
根据纺丝方法的不同，氨纶生产的工艺路线可分为溶液纺丝法、熔融纺丝法、化学反应纺丝法，其中溶液纺丝又根据凝固介质不同分为干法溶液纺丝和湿法溶液纺丝。

目前，世界范围内干法纺丝占全球氨纶生产的80%以上、湿法纺丝约占10%左右、其它两种约占10%。

而在我国至今没有化学反应法。

化学反应纺丝法因工艺复杂，纺丝速度低，生产成本高，设备投资大且存在二胺环境污染等问题，今后发展的可能性也不大。

1、干法溶液纺丝
干法纺丝是目前世界上采用最广的一种生产聚氨酯弹性纤维的方法，美国的DuPont、德国的Dorlas—tan及日本东洋纺等大厂商均采用干法纺丝的方法生产氨纶。

干法纺丝生产的氨纶产量占氨纶总产量80％以上干法纺丝以热塑性聚氨酯为原料。

其工艺过程是，以二甲基甲酰胺(DMF)或二甲基乙酰胺(DMA)为溶剂，加热将聚氨酯溶解，制成聚氨酯质量分数为25％～35％、粘度为10—80P丑·s的溶液，加入添加剂后，经过滤、脱泡、除气，得到粘度均匀的纺丝原液。

再将纺丝原液用精确齿轮泵定量均匀地压人纺丝头，通过喷丝板的小孔挤出，形成细流，进入直径为30—50 crn、长3—6 m、温度为200—250℃的纺丝甬道，甬道中的高温气体迅速将溶剂从原液细流中蒸发出来，直至丝条凝固成0．6 41 7 tex单丝，然后集束并进行上油等后处理，最后卷绕成丝锭。

根据纤度的不同，每个纺丝甬道可允许有1～8个弹性纤维丝柬同时通过。

用这种方法生产时，还需注意溶剂的回收提纯干法纺丝工艺中的纤维卷绕速度一般在200～600 m／min，最高可达1000 m／min；所得纤维的纤度为2．2～2．9 tex。

其生产设备占地面积小。

2、湿法溶液纺丝
湿法纺丝是一个物理过程，通过分子的扩散作用，使从喷丝头中出来的液态细流中的溶剂扩散到凝固浴中，进而喷出的细液流固化为丝束。

聚氨酯的二甲基甲酰胺或二甲基乙酰胺或四氢呋喃溶液，被挤入水(或醇)和溶剂的凝固浴中。

用水为纺丝凝固浴液时，纤维表面凝固快，有皱折现象；用醇时，纤维结构均匀，强度高。

凝固浴中DMF或DMA的质量分以15％～30％为宜，并应保持凝固浴液的循环流动。

由于DMA或DMF等分子的扩散较慢，纺丝液凝固时间长，所以浴槽一般需要20 m左右的长度，它的前几段浴槽起凝固丝束的作用，后几段起水洗作用出浴后的丝条在干燥定型前上油，以防丝束的并粘。

干燥定型的丝束，再经一次上油后卷到简管上。

和干法纺丝相似，单丝的纤度为0．6～1．7，一条湿法生产线可同时生产100～300条丝束。

湿法纺丝工艺复杂，厂房建筑和设备投资费用大。

因凝固浴流体的阻力，纺丝速度一般为50～150 m／min。

且干燥定型温度为250～270℃，干燥后的丝条需要经3倍左右的拉仲该法所制纤维的纤度范围为5～4O0tex。

目前湿法纺丝的聚氨酯弹性纤维产量约占总量的10％。

日本富士纺公司的v~jibo氨纶就是采用湿法纺丝技术生产。

这种纺丝方法工艺复杂，纺丝速度低，生产成本高，所以发展较慢。

3、熔法纺丝
熔融纺丝的过程是，将干燥后的热塑性聚氨酯切片进入螺杆挤压机，切片由于受热而熔融，熔体以一定压力被挤出并输送至纺丝部位．然后用纺丝泵将熔体定量均匀地压至喷丝板，熔体细流从喷丝板小孔挤出，在甬道中冷却而凝固成纤维。

一般以易熔的和在熔融温度下稳定性良好的聚合物，如由芳香族二异氰酸酯和线性聚酯或聚醚多元醇反应所制得的聚氨酯为熔融纺丝原料。

该热塑性聚氨酯一般用l，4一丁二醇为扩链剂。

热塑性聚氨酯在160～220℃熔融，熔融后从喷丝装置中挤出，进入热水浴中进行拉伸。

该法的纺丝速度一般在200—8130 m／min。

熔融纺丝工艺流程简单，原材料及设备费用都较低，生产效率高特别是不使用可燃和有毒的有机溶剂，因此不需象干纺、湿纺那样需用昂贵的回收设备。

其产品耐热性、耐氯性、生物相容性均较好。

但是由于聚氨酯在高温下熔融加工不稳定，停留时间稍长时，纺成的丝物理机械性能较差。

熔纺聚氨酯弹性纤维的生产公司主要有日本的曰清纺、钟纺、可乐丽、油墨化工及大塞璐公司等。

其生产方法主要有一步法、二步法与封端法。

熔纺法已受到重视，具有较好的发展前途。

4、化学反应纺丝
该法是将端异氰酸酯基聚酯型或聚醚型聚氨酯预聚体经计量泵喷丝头压出而进入纺丝浴，与
纺丝浴液中的扩链剂(如乙二胺)组分发生化学反应，预聚物链增长的同时生成不溶于纺丝浴的初生纤维。

从纺丝浴中出来的丝条经喷淋水洗去丝条上夹带的乙二胺后，送人干燥定型机上干燥定型。

初生纤维经卷绕后，在加压的水中进一步硬化，以使其内部尚未反应的部分交联。

化学反应纺丝法的纺丝速度一般为50～150 m／rain，单丝的纤度为1．1～3．7 Iex，根据需要撮后纤维丝束的纤度一般为4．4～340 tex，化学纺丝法的缺点是其效率较低，且存在二胺化合物污染环境的问题，目前世界上用这种方法纺丝的氨纶产量不到其总产量的10％。

美国Globe、西班牙的Enkaswing、英国的Spanzelle等公司都用这种方法生产。

1.2.2 氨纶干法纺丝的主要技术及特点
干法纺丝工艺流程复杂，装置设备投资费用大，对环境也有一定污染，但工艺技术成熟，纺速高，制成的纤维质量和性能优良，在氨纶生产技术中占有主导地位，并将在相当长时间内仍成为投资主流。

目前我国主要氨纶企业都采用干法纺丝技术，大部分在建和待建的项目计划采用干法纺丝技术，从全球氨纶工厂产能情况来看，采用干法纺丝技术的产能也是占据主导地位。

氨纶干法纺丝技术以美国杜邦、韩国晓星、日本东洋纺等为代表，不同生产专利商的纺丝聚合物合成方法、纤维的生产技术和加工过程具有独特的技术特征。

1、英威达和晓星技术
英威达(原杜邦)最早实现氨纶干法纺丝的工业化，其氨纶产品“莱卡”在产品质量和品牌推广上都独树一帜。

英威达和晓星技术采用连续聚合、高速纺丝，比常规的间歇聚合、中速纺丝有更好的产品质量。

同时产量高、公用工程消耗少，单位生产成本低。

但氨纶生产技术壁垒非常强，英威达和晓星在中国的发展战略主要以合资建厂为主，没有进行技术转让，我国的氨纶企业基本采用日本技术。

2、东洋纺技术
东洋纺是日本最早生产氨纶和纤维的厂商，1963年开发出自有知识产权的干法生产技术，采用间歇聚合、连续纺丝的工艺技术路线，经过多年的探索和改进，工艺成熟，生产过程稳定。

纺速在500-600m/min，国内一些企业在此基础上通过技术改造，目前纺速可达到800m/min。

纺速高、单位生产成本低、产品性能优良、规格齐全，从20D到210D，应用领域广泛，可用于机织、纬编、经编、织袜、包芯纱、包覆纱等等。

在溶剂方面，东洋纺新技术采用环保型溶剂DMAC替代DMF，大大降低了环境污染。

我国一些主要的氨纶企业如烟台氨纶、浙江华峰、连云港杜钟、江苏双良、杭州舒尔姿等都采用东洋纺技术。

3.、日清纺技术
日清纺也采用间歇聚合、连续纺丝的工艺技术，纺速可达600-800m/min，其技术在开发细旦纤维、提高产品弹性伸长等方面有一定先进性，生产单位成本低、质量稳定。

一些新建企业如浙江绍兴龙山、江苏双良四期均采用此技术。

1.2.3 我国生产氨纶技术
近几年我国氨纶技术水平明显提高，在引进基础上不断改进，生产工艺更加成熟稳定，纺速不断提高，成本逐步降低，部分企业基本完成了生产技术的国产化。

在生产技术快速进步的同时，氨纶应用技术也得到很快发展，氨纶制品的新工艺、新技术不断涌现，为氨纶进一步拓展市场提供了可能。

目前在氨纶常规品种上，我国已经具备很强的市场竞争能力，但
在差别化、功能化品种上与美国、日本等还存在较大差距。

随着氨纶投资大幅度下降，产能迅速增加，市场竞争进一步加剧，发展先进生产力，用技术进步促进产业升级将是氨纶产业今后的主要任务。

目前我国引进和合资的氨纶生产厂的纺丝技术工艺均为干法纺丝法。

而随着环保要求的不断提高．我国生产厂家应更多地考虑其工艺技术的多样化和发展潜力及方向。

目前正逢亚太地区氨纶纶扩产新建装置高峰时期，原料．辅助原料资源偏紧．所以应抓紧氨纶工业的配套建设，重视氨纶原料．辅助料的研制开发生产，应和氨纶生产同步进行。

我国国产氨纶产量尚不能满足国内市场需求，需求不断激增的市场几乎被进口货垄断着。

要 想确保国内氨纶工业健康、稳步发展，我们认为一是起点要高， 同时也应有相关部门提供必要的保护政策，保驾护航．另外应加强打击走私力度，对来料加工要严格监管，防止在合法外衣下的走私，冲击国货的起步。

从全球氨纶工厂产能情况来看，采用干法纺丝技术的产能也是占据主导地位。

氨纶干法纺丝技术以美国杜邦、韩国晓星、日本东洋纺等为代表。

近几年我国氨纶技术水平明显提高，在引进基础上不断改进，生产工艺更加成熟稳定，纺速不断提高，成本逐步降低，部分企业基本完成了生产技术的国产化。

2. 实验部分
2.1工艺流程
图1和图2分别是纺丝流程图和纺丝设备简图，其中在纺丝设备简图中的虚线代表二楼和三楼的楼层。

图1 纺丝流程图
纺丝原液是制成纤维的原料，它的合成主要是在聚合车间完成。

制备好的原液将被分别送到几个原液供给罐1（D-FETK ）中，并且要在供给罐中存放30小时以上，以便原液中的物质反应的更加彻底、均匀。

待达到要求的时间后，几个供给罐1中的原液通过原液供给泵被送到立式过滤器内，这是纺丝总流程中的第一个过滤器，用来除去纺丝原液中的杂质，减少断丝和各种劣质丝的产生。

立式过滤器在试用一段时间后要进行更换，以避免原液堵塞，流通不畅，一般要保证过滤器内部的压力小于4.0MPa 。

原液在通过过滤器后，在泵的作用下被输送到原液供给罐2中。

原液到达供给罐2中，可以避免更换原液配料或其它情况下造成的原液供给不足，使其断流。

原液聚合
原液供给罐 1
第一过滤器
原液供给罐2
第二过滤器 脱泡器
纺丝槽 计量泵 纺前过滤器
纺丝组件 甬道 卷绕
泵
泵
供给泵
以上供给罐中都要充有氮气来对原液进行保护，避免原液与空气发生反应。

图2 纺丝设备简图
供给罐2中的原液在泵的作用下将被送往脱泡器，途中要再次经过一个立式过滤器（第二过滤器）。

脱泡器被放置于纺丝车间的三楼，内部有一定的真空度，其数值设定为-0.1kpa，原液在沿脱泡器内壁以薄膜状下降过程中被脱去气泡，脱泡器中的原液在经过很长的一段管道被送往一楼，管道之所以设置很长距离是为了使原液能够更加充分的进行脱泡。

经过脱泡后的原液，在一楼DEA泵的作用下被送往三楼的纺丝槽中。

纺丝槽内部用3kpa 的氮气对原液进行保护和稳压，其内部的原液液位一般被控制在76%，使脱泡后的纺丝原液能够连续供应，保证生产的顺利进行。

在以上的纺丝槽和脱泡器中都具有夹套结构，内部通有30℃左右的水，对原液进行保温。

从纺丝槽流出后的原液被SP-TK的增压泵送往计量泵，使计量泵入口保持稳定的入口压力，计量泵以一定转速按定量输送原液，在再次经过一个过滤器之后，到达纺丝组件。

纺丝组件主要有以下几个部分组成：底座、喷丝头、过滤网、分配板、聚丙烯垫、分配体、空管、底座短水管。

短水管可以向底座内部输入45℃热水，起保温作用。

根据生产的丝的旦数不同，会按要求更换具有不同喷丝孔数目的喷丝头，而且在使用了一定时间后，纺丝组件及其过滤器要及时更换，送到组建车间清洗。

原液在经过组件后已被纺织成纤维状细流，在一楼卷绕的牵引下经过甬道。

甬道含有一个入风口和两个出风口，主要用来输送热风，将原液中的溶剂挥发，使原液固化成纤，挥发的溶剂将在回风的作用下被回收。

其中甬道中的风量主要根据所要生产的纤维的旦数来进行调整，丝的旦数越大，其风量就越大。

经过甬道后，丝便到达了一楼卷绕器。

纤维首先通过加捻器，加捻器通过高压气体对纤维进行加捻，这样能够提高纤维的强度和弹性。

加捻后的纤维通过两个导丝辊和油辊来分别进行牵伸和上油，来提高纤维的强度和均匀性，以及避免纤维粘连，并且提高了纤维的亮度，最后丝卷绕在具有一定转速的纸管上。

纺制成辊的丝被送往外检部门进行外观及其重量的检查，并对丝分成AA、A、B、C、D1、
D2五个等级。

外观检查项目如初丝不良、加捻不良、纸管不良、断层、边磨损、蛛网丝、合丝、断丝、凹面、纸管偏离、丝卷重量是否符合标准（如40D的丝卷要求质量在510±8g）等,如果各项符合标准则为AA级，否则降级。

通过外检检查合格的丝卷将被打包装箱。

2.2工艺参数
系统事项参考值原液系统D-FL背压0-35Kpa
DEA-P压力5-14Kpa
DEA温度30-60℃
SP-TK压力2-3.5Kpa
N3压力 2.5-3.5Kpa
DEA真空度-0.1Mpa
SP-TK-AG油位油管看的见液位
US封轴US封轴有US
SP-BLK背压10-80Kpa
HW（45℃）视镜有水流
DEA-EJ压力
HM系统上甬伴热泵入口压力>0.1Mpa
上甬伴热泵出口压力
中甬伴热泵入口压力>0.1Mpa
中甬伴热泵出口压力
SM系统SM积液有或无
SM-ABS压力20-40H2Omm
SM-ABS-P压力2±0.4Kg
S7压力>16Kg
PI I 现场值
PI II 现场值
PI III 现场值
PI IV 现场值
PI V 现场值
USW-PTK视镜流量稳定
闪蒸罐压力<4Kg 第二回风LIA-5015C液位现场值
LIA-5016C液位现场值
冷却塔温度现场值
回风压力现场值HW系统HW30压力0.2-0.6Mpa
HW30温度20-38℃
HW-TK液位>70％
HW45压力0.2-0.3Mpa
HW45温度40-48℃
HW-TK液位>70% TUO TUO-TK油剂种类
YOU-TK液位
机架后废油是否倾倒
风道废油是否排放AIR AJ用压力0.28-0.33Mpa
AJ用温度30℃
WD用压力0.55-0.62Mpa
DCS系统
DOPE DEA真空度2-15
DEA液位25-35
SP-TK液位70-80
SP-TK-P出口压力 2.0±0.6Mpa
SP-TK-P开度现场值SM 主风道压力205mmH2O
开度70%
CO2/CO4温度现场值
SM-HEX1后面温度215-225℃
SM-HEX1回风温度>180℃
SM-ABS-CO温度10±5℃
USW-RTK液位曲线现场值HW HW30温度现场值
CO开度现场值
HW45温度现场值
CO开度现场值HM HM-STK温度现场值
HM-STK液位现场值
HM-HE-1温度现场值
HM-HE-1流量现场值
HM回路压力/开度现场值
HM-HE-2-1温度现场值
HM-HE-2-1流量现场值
HM-HE-2-2温度现场值
HM-HE-2-2流量现场值
上甬伴热温度现场值
上甬伴热流量现场值
中甬伴热温度现场值
中甬伴热流量现场值
表2-2-1 参数表
纺丝甬道内入口风温保持在235-250℃之间，入口风量保持在30-50m ³/h，风温、风量根据不同旦数的丝条改变，通常，旦数越高风温、风量增大。

2.3 工艺计算
纺丝原液的浓度为33.5±0.2%，以33.5%为例计算。

1吨的原液可产335Kg的丝条，但由于在纺丝过程中有出现损耗，有效利用率通常只有98%，故成品丝可产328.3Kg。

目前，杭州益邦氨纶有限公司有四期的成品丝的最大年产量为1.85万吨。

每年360天连续生产，可以算出每天最大产量为51.39吨。

2.4 质量指标
表2-4-1 氨纶细旦丝物性指标
名称纤度
断裂
强度
断裂
伸长率
拉伸三
倍应力
沸水
收缩率
弹性回复力含油率
单位旦尼尔(D) 克(g) % 克(g) % % % 规格标准标准标准标准标准标准标准20D 19±1 ≥15 500±50 5±2 ≤18 ≥96 6±3 30D 29±1.5 ≥21 500±50 8±3 ≤16 ≥96 6±3 40D 40±2 ≥25 520±75 10±4 ≤14 ≥96 6±3
表2-4-2 氨纶丝外观指标
项目AA A B C D1 D2
无芯
丝
外观
满卷丝
卷，无任
何外观
不良
满卷丝卷，无
任何外观不
良
外观成型有明显
不良，有少量物
性指标不达标
非满卷
外观成型不良
的，物性指标多
项不合格
严
重
异
常
无纸
管
重量500g
级
510±
10g
350～499g 250～349g 150～249g 50～149g
50g
以下400g
级
408±
10g
280～397g 200～279g 120～199g 40～119g
1000g
级
1010±
10g
700～999g 500～749g 300～499g 100～299g
大型综合实验。