聚氨酯弹性纤维干法纺丝加工工艺设计

材料化学专业

题目:聚氨酯弹性纤维干

法纺丝加工工艺设计

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指导教师:

2013年12月日

摘要

聚氨酯弹性纤维是由聚氨基甲酸酯制成的纤维，性能优异，织物质地柔软，制成的衣物有“第二皮肤”的美誉。本文主要阐述了聚氨酯弹性纤维的发展状况、趋势，以及其现有的纺丝工艺，着重进行了聚氨酯弹性纤维加工工艺设计，为了制得质量更好、成本更低、更环保的纤维，采用了PTMEG、MDI、BASF、DMAC等新的原料和配方，进行了设备的选取，聚合和纺丝的加工工艺流程设计，以及设计了功能齐全的厂房。

摘要I

目录III

第1章绪论1

目标材料介绍1

聚氨酯弹性纤维的国内外现状、发展趋势1

聚氨酯弹性纤维的国内外现状1

聚氨酯弹性纤维发展趋势1

第2章聚氨酯弹性纤维纺丝现有加工工艺2

干法纺丝法 2

湿法纺丝法 2

反应纺丝法 2

熔体纺丝法 2

第3章加工工艺设计3

原辅材料的选取、配方设计3

原料3

配方设计及依据3

拟采取的加工设备及工艺参数3

生产产量及设备数目3

设备及参数 3

加工工艺流程4

聚合工艺流程4

纺丝工艺流程4

质量控制点 4

纺丝液浓度 4

溶解5

进出脱泡机的原液温差5

纺丝温度5

厂房设计及图纸说明5

总结6

参考文献6

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目标材料介绍

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[1]。

聚氨酯弹性纤维性能优异，具有伸长率大、弹性回复率高、耐疲劳性好、强度较低、密度小等特点，并具有一定的耐腐蚀、耐晒、耐热、耐光、抗老化，以及对染料有良好的亲和力等性能。并且，聚氨酯弹性纤维织物质地柔软，穿着舒适，深受人们喜爱。主要用于制造各种运动衣、游泳衣等体育运动服装，健美服、高弹袜、内衣等女性用品，氨纶做成的内衣伸缩自如, 被誉为“第二皮肤”, 以及在医用方面作外科弹性绷带、皮管、人工器官材料等各种辅助器材设备物品等。

聚氨酯弹性纤维的国内外现状、发展趋势

聚氨酯弹性纤维的国内外现状

氨纶最早由德国拜耳公司于20 世纪30 年代开发成功, 1959 年美国杜邦公司首先实现了工业化生产, 商品名称为莱卡, 随后欧洲一些国家及日本也相继生产[2]。世界氨纶主要生产企业有美国杜邦英威达公司及环球公司、德国拜耳公司、韩国晓星公司和日本东丽、旭化成及东洋纺织公司等，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。

我国聚氨酯纤维工业起步较晚。1988 年底，烟台氨纶厂引进日本东洋纺织株式会社干法纺丝氨纶生产技术，建成了我国第一套氨纶生产装置，形成了300t/a的生产规模，后又经过5期改造，扩大了产能。随后江苏连云港、上海杜邦、广东鹤山、河北保定和浙江华峰等相继引进了国外生产装置，使我国2005年氨纶产能达到21万t/a，2013年氨纶产能已达到51万t/a。我国氨纶生产工艺技术和装置主要从美、日、韩及德国引进，其他仅有郑州中原氨纶技术工程有限公司自主开发的连续干法氨纶成套生产技术和大连合成纤维研究所与B. F. Goodrich化学公司合作开发的熔融纺丝技术。中国氨纶技术与发达国家之间的差距至少有10 年，70% 国内氨纶厂使用的技术是20 世纪70 年代的东洋纺织技术，虽有改进，但产品质量与国外产品仍存在明显差距。

聚氨酯弹性纤维发展趋势

新产品不断出现

美国环球公司为了利用聚氨酯型纤维特有的耐氯和高弹性能，生产出氨纶粗旦丝，用于制造泳装、裤袜和运动衣等服装，开辟了独有品种新市场。东洋纺一改传统的生产方法采用熔融纺丝技术生产的SPANOEX-M纤维，热稳定性好、模量低、耐光性优异，可适合与原来需要在低温热定形的尼龙、聚丙烯腈、羊毛、蚕丝等纤维混纺制作紧身内衣、裤袜、泳装，穿着轻柔舒适。日本钟纺、三洋化成、可乐丽、东丽—杜邦等公司研制的具有优异可纺性的弹性纤维，不需要很多化纤油剂，断头分岔少，不粘连，加工性能突出。东洋纺则推出采用熔融纺丝，利用高速吹空气使纤维起绒的新技术，生产抗菌灭菌含有多氰酸酯和杀菌剂银离子磷酸盐的氨纶弹性纤维，可广泛用于防霉灭菌医疗织物等领域。

生产中心逐渐向亚洲转移

近年来，世界氨纶市场需求激增，生产能力不断扩大，尤其是亚太地区的日本、韩国和中国的氨纶工业发展尤为迅速。中国的产能已占世界产能的一半以上，但质量与发达国家还有一定差距。世界各大生产厂商正在努力开发亚太地区市场，从原料到氨纶纺丝和成品加工，亚太地区已成为当前投资的热点地区，同时也是消费增长最高区[3]。氨纶生产中心正开始向亚洲转移。

聚氨酯弹性纤维纺丝现有加工工艺

干法纺丝法

干法纺丝是目前世界上应用最广泛的氨纶纺丝方法。干法纺丝产量约为世界氨纶总产量的8 0%。干法纺制纤维的纤度范围为～，纺丝速度一般为200～600m/min，有的甚至可高达1 000m/min。干纺法所制氨纶的质量优良。

聚醚与二异氰酸酯以1∶2的摩尔比在一定的反应温度及时间条件下形成预聚物，预聚物经溶剂混合溶解后，再加入二胺进行链增长反应，形成嵌段共聚物溶液，再经混合、过滤、脱泡等工序，制成性能均匀一致的纺丝原液。然后用计量泵定量均匀地将纺丝原液压入纺丝头。在压力的作用下，纺丝液从喷丝板毛细孔中被挤出形成丝条细流，并进入甬道。甬道中充有热空气，使丝条细流中的溶剂迅速挥发，并被空气带走，丝条浓度不断提高直至凝固，与此同时丝条细流被拉伸变细，最后被卷绕成一定的卷装。

湿法纺丝法

首先用与干法纺丝类似的方法，制成嵌段共聚物，溶液经纺前准备，送至纺丝机，通过计量泵压入喷丝头。从喷丝板毛细孔中压出的原液细流

进入凝固浴。凝固浴以温水(90℃以下)为凝固介质，原液细流中的溶剂向凝固浴扩散，原液细流中聚合物的浓度不断提高，于是高聚物在凝固浴中析出形成纤维，再经洗涤干燥后进行卷绕。湿法纺丝速度一般为5～50m/min，纤度在～44tex之间。湿法纺丝工艺流程复杂，投资费用大，纺速较低，生产成本高。目前湿法纺丝的产量约占氨纶总产量的10%左右。

反应纺丝法

反应纺丝法亦称化学纺丝法，此法由纺丝液转化成固态纤维时，必须经过化学反应，或用化学反应控制成纤速率。反应纺丝法由单体或预聚物形成高聚物的过程与成纤过程同时进行。

氨纶的反应纺丝，是将两端含有二异氰酸酯的聚醚或聚酯预聚物的溶液，经喷丝头压出进入凝固浴，与凝固浴中的链增长剂反应，生成初生纤维。初生纤维卷绕后还应在加压的水中进行硬化处理，使初生纤维内部未起反应的部分进行交联，从而转变为具有三维结构的聚氨酯嵌段共聚物。

反应纺丝法的纺丝速度一般为50～150m/min，纤度为～38tex。

熔体纺丝法

熔体纺丝法是利用高聚物熔融的流体进行纤维成形的一种方法。原则上讲，凡能熔融且不发生明显分解的成纤高聚物都可采用这种纺丝方法。但对氨纶生产，熔体纺丝只能适用于热稳定性良好的聚氨酯嵌段共聚物，如由4,4′-甲撑二苯二异氰酸酯和1,4-丁二醇缩聚所获得的聚氨酯嵌段共聚物等。纺丝温度为160～220℃，纺丝速度一般为200～800 m/min。氨纶的熔体纺丝主要经过6步完成:

切片干燥→熔融→熔体细流形成→冷却→延伸→卷绕

熔融纺丝技术不用溶剂，对环境无污染，设备装置简单，节省投资，生产成本最低，是最具经济性、最有发展潜力和最具竞争性的技术，是未来重点发展的方向。