第八章 合成纤维的成型(一)

无论是什么方法的纺丝，纺丝细流的形成都是纺丝原液 经过计量泵，以一定的速度和压力被泵送到纺丝头的小孔中 （喷丝板），在小孔中流动并挤出形成纤维细流，然后再冷 却固化定型。 关键：成型和冷却定型。
8.3、合成纤维成型原理
纺丝细流的形成 纺丝细流是纺丝原液在喷丝孔中形成的。 喷丝头，也称为纺丝头，是纤维纺丝的精密机件。 一般的喷丝孔的长径比1.3，且为圆形，孔径很小，剪切 很高。 纺丝原液在喷丝孔中的流动与前述的聚合物流体在圆管 中的流动是一样的。
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8.1、概述
化学纤维经过化学处理加工而制成的纤维。可分为人造纤维 （再生纤维），合成纤维和无机纤维 人造纤维：用含有天然纤维或蛋白纤维的物质，如木材、甘 蔗、芦苇、大豆蛋白质纤维等及其他失去纺织加工价值的纤维原 料，经过化学加工后制成的纺织纤维。主要用于纺织的人造纤维 有：黏胶纤维、醋酸纤维、铜氨纤维。 合成纤维的化学组成和天然纤维完全不同，是从一些本身并不 含有纤维素或蛋白质的物质如石油、煤、天然气、石灰石或农副 产品，先合成，再用化学合成与机械加工的方法制成纤维。如涤 纶、锦纶、维纶、腈纶、丙纶、氯纶、氨纶等。 无机纤维是以天然无机物或含碳高聚物纤维为原料，经人工抽 丝或直接碳化制成。包括玻璃纤维，金属纤维和碳纤维。
8.1、概述
科技的高速发展 ＋ 人们对衣着的更高要求→各种高性能纤 维
手段：
新型纤维开发、传统化学纤维物理变性或化学变性→
差别化纤维
高科技纤维
（功能性纤维、高性能纤维和环保纤维）
8.1、概述
成纤高聚物的性质 1、成纤高聚物必须是线型的能够伸直的的分子，支链尽可能 少，没有庞大的侧基，大分子之间没有化学键 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平均分子量和比较窄的的分子量分 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 使用温度高得多 此外还应该具有：染色性、吸附性、耐热性、耐水性等。
8.1、概述
聚合物的可纺性
作为纺丝体，必须在纺丝的条件下具有足够的热稳定性 和化学稳定性，在形成丝条后容易转化成固态，且固化的丝 条经过适当的处理后，具有必要的物理力学性质。
所以可纺性只是作为成纤聚合物的必要条件，但不是充 分的。
8.1、概述
熔融纺丝（熔法纺丝）
纺丝方法和过程
8.1、概述
溶液纺丝
8.1、概述
1935年 W. H. 卡罗瑟斯又用己二胺、己二酸合成聚酰胺66，两 年后又发明了用熔融法制造聚酰胺66纤维的技术，商品名为尼龙 （Nylon），1938年公开发表专利，并正式投人工业化生产。同 年，德国的P．施拉克发明了聚酰胺6制造技术，并于1940年1月 开始工业化生产。 1938年 美国杜邦公司工程师罗伊· 普隆克特（Roy. J. Plunkett） 偶然发现了四氟乙烯聚合物，英国称之为氟纶（Fluon），法国 称为特氟隆（Teflon）。 特氟隆于1939年获得专利，于1954年开始进行商业性生产。 1941年 英国的J. R. 温菲尔德（Winfield）和J. T. 迪克森 （Dickson）以对苯二甲酸和乙二醇为原料在实验室内首先研究 成功聚酯纤维，命名为特丽纶（Terylene），1950年开始工业化 生产。 1953年，美国开始生产商品名为达可纶（Dacron）的聚酯纤维。
纺丝细流的冷却及固化过程 纺丝细流的冷却固化过程是指细流在降温或脱除溶剂后 细流的形状固定阶段。 这一个过程同时还受到一定的拉伸，其外形及形态发生 变化，此时的纤维称为初生纤维(具有一定的初步结构和性能) 纺丝（熔体纺丝和溶液纺丝）过程中，细流冷却固化的 本质就是传热和传质过程。
8.3、合成纤维成型原理
第八章 纤维的成型加工
8.1 8.2
概述 纺丝液的制备
8.3 合成纤维成型原理 8.4 8.5 合成纤维的拉伸 合成纤维的热定型
8.6 几种纤维的纺丝过程
8.1、概述
纤维：通常人们将长度比直径（直径在几微米或几十微米）大 千倍以上且具有一定柔韧性和强力的纤细物质统称为纤维。 纤维可被分作天然纤维及化学纤维 天然纤维天然纤维是自然界存在的，可以直接取得纤维，根据 其来源分成植物纤维、动物纤维和矿物纤维三类 植物纤维的主要化学成分是纤维素，故也称纤维素纤维。 动物纤维的主要化学成分是蛋白质，故也称蛋白质纤维。 矿物纤维是从纤维状结构的矿物岩石中获得的纤维，主要组 成物质为各种氧化物，如二氧化硅、氧化铝、氧化镁等。
纺丝方法和过程
是采用溶剂和聚合物的溶解配成浓溶液作为纺丝原液 进行的纺丝。 主要用于分解温度低于成型温度的聚合物，如聚丙烯 腈，或者特殊要求的。 分为：干法纺丝和湿法纺丝。
8.1、概述
干法纺丝：
纺丝方法和过程
8.1、概述
湿法纺丝：
纺丝方法和过程
8.1、概述
纺丝方法和过程
8.2、纺丝液的制备
一、纺丝熔体的制备 直接纺丝：聚合反应后的聚合物熔体直接纺丝 切片纺丝：聚合物切片经干燥、熔融制成纺丝液后纺丝
8.1、概述
1833年 法国药物化学家泰奥菲尔· 朱尔· 佩卢兹（Theophile Jules Pelouze）和亨利.布拉康纳特（Henri Braconnot）首先 研制成功硝酸纤维素。 1847年，德国人克里斯琴· 弗里德里斯.申拜恩（Christian Friedrich Schonbein）研制成火棉后，硝酸纤维素才投入工 业生产。 1878年，法国化学家德贝尔尼戈.夏尔多内（Bemigaud Chardonner）开始进行人造纤维的研究，于1884年第一次成 功地取得了由硝酸纤维素制造人造纤维的专利权，后又经多 年的研究，解决了人造纤维的易燃问题。他于1891年在贝桑 松（Besanaon）建立了世界上第一家人造丝厂
8.2、纺丝液的制备
切片纺丝熔体的制备包括切片干燥和熔融两个过程。
切片干燥目的是去除水分防止造成纺丝断头率。
但是聚酯切片在干燥前是无定形态，软化点低，若干燥时 温度突然升高会使切片粘连。
如果在120℃对切片进行预结晶，当其结晶度达到25%以上 时进入干燥塔，切片就不会发生粘连。因此聚酯事先进行预结 晶。 切片熔融是在螺杆挤出机中完成的，这一过程同塑料在挤 出机中的熔融过程是一样的。
纺制长丝时采用孔数较少的喷丝帽；
纺短纤维时则需采用大面积多孔喷丝头，孔数可达2～ 15万之多；由于孔数甚多，可以采用组合形式分成若干个 喷丝头，配在同一块不锈钢底板上。 湿纺喷丝头的孔径比熔纺喷丝板的孔径小，孔径一般为 0.05～0.1mm。
8.3、合成纤维成型原理
常用的干纺喷丝头（板）有帽形和圆形两种，孔径为0.07～ 0.16mm，孔数为300～1200，由不锈钢或特种合金钢制成。
8.1、概述
1924年 德国P. H. 赫尔曼（Herrmann）和W. 黑内尔 （Hahnel）最先研究成功维纶(聚乙烯醇纤维)，在20世纪 30年代制成纤维，称为津托菲尔（Synthofil）。由于它溶 解于水而不能作为纺织纤维，主要用作外科的手术缝线。 直至1939年，日本京都大学樱田一郎等人研究成功聚乙烯 醇的热处理和缩醛化方法，使维纶成为耐热水性良好的纤 维，并于1940年6月正式投入工业化生产。
熔纺喷丝头一般为圆板形，故又称喷丝板，也有长方形的。
圆形喷丝板用耐高温的不锈钢制成，结构简单，制造方便。 供熔纺用的喷丝板上孔径，与纤维品种和纺丝条件有关，一般 直径为0.2～0.5mm。 纺长丝孔数一般为几十孔，棕丝一个孔，纺短纤维孔数一 般多达400～2000。
8.3、合成纤维成型原理
湿法喷丝头主要为帽子形、又称喷丝帽，也有圆盘形 和板形（瓦楞形），用耐腐蚀性强的金铂合金或钛、铌、 钽、不锈钢等金属制成。
8.1、概述
1941年和1942年美国杜邦公司化学家和德国拜耳公司化学家 分别发明了聚丙烯腈溶剂。几年之后，他们又解决了聚丙烯腈 的纺丝工艺问题。1953年，杜邦公司实现了商品化，称为奥纶。 1954年，拜耳公司也推出新产品德拉纶。 美国杜邦公司R．C．霍兹（Houtz）于1941年开始进行聚丙 烯腈系纤维的研究，1944年研究成功，并于1950年7月开始工 业化生产。 1955年 由G. 纳塔首先采用了典型的K. 齐格勒型催化型—三 乙基铝（Al（C2H5）3〕和四氯化钛（TiCl4），成功地制成了 等规结构的聚丙烯纤维，1951年由意大利开始工业化生产。 1958年 美国杜邦公司发明了聚氨酯纤维。
8.1、概述
1928年 英国皇家化学工业公司（ICI）经过一系列的研究， 用高压法制成乙烯聚合物，于1933年合成了一种高分子化合物。 1928年起，美国化学家华莱士.休谟.卡罗瑟斯（Wallace Hume Carothers）在杜邦公司实验室主持一项高分子研究， 用聚合的方法测定了高分子量物质的结构和组成，这一研究导 致他在1930年发明了聚酰胺，从而奠定了合成纤维工业的基础。 1931年 德国教授克拉特（Klatte）申请了制造聚氯乙烯的第 一个专利。自1931年起，法尔本（I. G. Farben）公司重新利 用克拉特的专利，试制出普克纤维。1941年，法国人雅克· 科 比埃（Jacques Corbiere）在罗达西塔（Rhodiaceta）工厂生 产聚氯乙烯，法国商品名为罗维尔（Rhovyl）。
8.3、合成纤维成型原理
纺丝细流主要经历以下几个阶段：
纺丝细流的形成原理
Ⅰ、入口段： 喷丝孔入口区的几何结构 对聚合物的流动特性，特别是 弹性表现影响比较大。 分为平板形入口区（入口 角度180°，能量效应比较大） 和锥形入口区（可以减少入口 效应）
8.3、合成纤维成型原理
纺丝细流的形成原理
8.3、合成纤维成型原理
8.2、纺丝液的制备
二、纺丝溶液的制备 纺丝溶液的制备也分为两种方法，即一步法和二步法。 一步法制备纺丝溶液是直接利用溶液聚合法聚合后得到 的聚合物溶液作为纺丝原液。 二步法制备纺丝溶液是将聚合后的聚合物溶液先制成颗粒 状或粉末状的成纤聚合物，然后该成纤聚合物再利用一种 或多种溶剂进行溶解，以获得纺丝液。
8.1、概述
1869年 法国巴黎大学医学博士、化学实验室副主任保罗.舒 曾贝尔热（Paul Schutzenberger）让醋酐与纤维素发生作用， 制成了醋酸纤维素。 1884年，英国人查尔斯.克劳斯（Charles. F. Cross）和爱德 华.贝文（Edttard. J. Bet an）申请了第一个醋酯纤维的工业 生产专利。1921年，贝文为一种醋酯人造纤维的制造方法申 请了专利，这种人造丝在法国称为罗达丝（Rhodia）。 1890年 法国L. H. 德佩西发明了铜氨法人造丝（铜氨纤维） 生产工艺，1891年工业化生产。 1891年 英国Cross、Beran、Beadle三人发明粘胶纤维， 1904年工业化生产
8.3、合成纤维成型原理
喷丝头的形状一般为帽子形、圆板形或瓦楞形，面上有 许多大小一致的孔眼。 喷丝头、分配板和过滤材料等合在一起组成喷丝头组件。 分配板把溶液或熔体均匀地分散到许多细小的孔中。
滤料用来过滤渣滓。
组件中以喷丝头最为重要，直接影响成品丝的质量。
8.3、合成纤维成型原理
根据纺丝方法的不同喷丝头分为熔纺、湿纺和干纺三种。
纺丝细流的冷却及固化过程
熔法纺丝：熔体细流与周围介质的热交换而冷却固化形成 初生纤维，主要是传热过程。 湿法纺丝：主要通过双扩散，把非挥发性的溶剂带走，主 要发生传质过程，使细流成为初生纤维。
8.1、概述
聚合物的可纺性 所谓可纺性指能形成纤维，即适合于制造纤维的意思。 某种流体在单轴拉伸应力的状态下能大幅度的出现不可 逆伸长形变，这种流体即为可纺。 理解:
可纺性是指流体承受稳定的拉伸操作所具有的形变能力， 即流体在拉伸作用下形成细长丝条的能力。
聚合物的可纺性是指材料经成型加工为连续的固态纤维 的能力。
8.2、纺丝液的制备
1、成纤聚合物的溶解 溶解机理：先溶胀，后溶解。 溶剂的要求：良好的溶解性 适宜的沸点 足够的稳定性 安全 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。
8.2、纺丝液的制备
2、纺丝溶液的混合、过滤和脱泡
8.3、合成纤维成型原理