湿法纺丝综合实验

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二、实验仪器 • 差热分析仪（纤维玻璃化温度）
纤维强力测试仪 •
偏光显微镜（色拉蒙补偿法测定纤维双折射 ） •
声速法测定仪（测定纤维取向度和模量 ） •
数码显微镜（纤维切片摄影） •
思考题
• 1．写出共聚反应混合液的物料配比及计算出各物料的 用量。 • 2．在共聚合反应过程中，影响聚合反应的因素主要有 哪些？ • 3．实验中各种试剂的作用是什么？ • 4．简述以NaSCN水溶液为溶剂的丙烯腈共聚物湿法纺 丝原理。 • 5．简述以NaSCN水溶液为溶剂的丙烯腈共聚物湿法纺 丝工艺流程及每步的条件、作用。
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GMP Wx Cx
G为需配制的反应混合液的重量（g）； M为反应混合液中总单体量的百分浓度； P为所求的X物质占总单体浓度的百分比； Cx为X物质的纯度（%）。 所需要的51%NaSCN溶液的毫升数=
G 各反应物的总重量 NaSCN 溶液的密度
2、共聚物制备
• • • 1.合成 （1）安装好实验仪器 （2）将各种反应物和占计算量2/3的NaSCN溶液加入碘量瓶（注意有毒的物 料应在通风橱内加入），盖上瓶塞，轻轻摇动，直至固体物料完全溶解。随 后，小心地倒入三颈瓶中，用剩余的NaSCN溶液洗涤碘量瓶后，也加入三颈 瓶中，并将装置复原。 （3）开启搅拌器并升温聚合。当反应温度达75℃时，使温度缓慢上升，在 78~80℃反应1h，反应物即成淡黄色的粘稠浆液。 （4）反应结束后，拆去搅拌器和冷凝管，迅速倒出聚合液约5~10g于高型称 量瓶中，留作测转化率用。以后将三颈瓶接通真空水泵以脱去残余单体。 2. 聚合转化率的测定 （1）称取聚合液0.8~1g（精确到0.1mg）置于方玻璃的光面上，再盖上一块 方玻璃，用力压成很薄的一层。然后，将两块玻璃移开并浸在培养皿的蒸馏 水中，使其凝固、析出。 （2）用尖玻璃棒将凝固的薄膜谨慎地揭下来（防止薄膜破损），放在100ml 烧杯中，用蒸馏水洗涤，直至洗液用铁矾指示剂检验，不显红色为止。 （3）将洗净的薄膜挤干、拉松后放在扁型称量瓶中，于105℃的鼓风干燥箱 中烘至恒重（约3-4h）。 （4）将薄膜称重（精确到0.1mg），求其转化率。同时做一平行实验。
丙烯腈共聚物湿法纺丝
综合实验
实验内容
• 第一部分 • 第二部分 • 第三部分
丙烯腈共聚物的制备 丙烯腈共聚物湿法纺丝 腈纶纤维物理性能测试
实验要求
• （1）实验笔记：记录每天参观、听讲及 实验内容，并写心得体会。 • （2）实验报告：实验结束后，交一份实 验报告，内容包括：综合实验内容总结、 实验的体会和收获、实验存在什么问题 及解决方案和建议。
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二、实验原理
• 聚丙烯腈纤维是指由聚丙烯腈或丙烯腈占85%以上的共 聚物制得的纤维，在我国其商品名称为腈纶。丙烯腈的聚 合属自由基（游离基）型链式反应。 • 聚丙烯腈除了丙烯腈为第一单体外，常用的第二单体有 丙烯酸甲酯（MA）、甲基丙烯酸甲酯（MMA）、醋酸乙 烯（VAc）等，常用的第三单体则为丙烯磺酸钠（SAS）、 甲基丙烯磺酸钠（SMAS）、衣康酸（ITA）、甲基丙烯苯 磺酸钠等。 • 丙烯腈共聚合以硫氰酸钠溶液为溶剂，则采用偶氮二异 丁腈为引发剂。 • 以丙烯腈、丙烯酸甲酯和衣康酸为原料进行三元共聚合 总的反应可表示如下：
高聚物薄膜重 100% M 0 与薄膜相应的聚合物液 重
式中：M0—体系中总单体的初始浓度，（%） M—反应结束时体系中残余总单体浓度，（%）。
三、合成仪器和试剂
• 1、仪器 • 数显 恒温水浴锅 2孔强力电动搅拌器 500ml四颈瓶 冷凝管 • 温度计 方玻璃块 塑料水槽 • 2、试剂 • 丙烯腈 • 丙烯酸甲酯 • 衣康酸 • 偶氮二异丁腈 • 异丙醇 • 硫氰酸钠（51%） • 铁钒指示剂
三元共聚物（三种单体在大 分子链中的排列是随机的）
丙烯腈的聚合反应是属于自由基型链式聚合反应，反应体系中活化 中心一旦形成，就有成千上万个分子经历着链的引发、增长及终止三个 阶段，逐步生成聚丙烯腈。 本实验采用以硫氰酸钠水溶液为溶剂的溶液聚合，在反应前后体系 的总重量不变，则：
转化率（ %）
M0 M 聚合液中高聚物的百分 含量 100% 100% M0 M0
院士基地湿法纺丝机 •
溶解釜 •
中间釜 •
纺丝釜 •
安装喷丝头 •
计量泵 烛型过滤器 鹅颈管 喷丝头 凝 固 浴循环装置 •
凝固浴 •
牵伸浴 水洗浴 •
上油 干燥 致密化
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卷绕
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卷曲
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切断
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二、工艺流程
• 以NaSCN水溶液为溶剂时一般都采用丙烯腈在NaSCN溶液中聚合，并 直接用聚合液进行纺丝。该法的主要优点是工艺过程简单，聚合速度 较快，聚合时间较短，NaSCN不易挥发，溶剂的消耗定额较低。 • 纺丝原液(PAN含量12％～14％ ，NaSCN含量44％的水溶液)经过滤、 计量泵计量后，再经喷丝头(孔径 0．06mm，本机为0．07mm；若干 孔，本机为100孔)进入凝固浴，凝固浴为9％～14％ 的NaSCN水溶液， 浴温10℃左右，纺丝速度5～10m／min 。出凝固浴的丝束引入预热浴 进行预热处理，预热浴为3 ％～4％的 NaSCN水溶液，浴温为60～ 65℃，纤维在预热浴中被拉伸至1．5倍。经预热浴处理后的丝束引入 水洗槽进行水洗，水洗槽中的热水温度为50～65℃。水洗后丝束在拉 伸浴槽中进行拉伸，拉伸浴的水温为95～98℃，拉伸倍数为5．3～ 6．7倍。两次拉伸总拉伸倍数要求为8～10倍。随后经上油浴上油， 在干燥机中进行干燥致密化。接着丝束经卷曲机，再进入汽蒸锅进行 热定型，蒸汽压力为2．5×102kPa，定型时间10min左右。接着丝束 进行上油，再经干燥机进行干燥致密化，最后经切断(或牵切加工)， 打包。
第三部分 物理性能测试
一、实验目的
了解和掌握一些高分子材料物理性能的一些测试 仪器和测试纤维物理性能的方法。 （1）掌握热分析仪器的使用和测试方法。 （2）掌握化学纤维力学性能的测试。 （3）掌握用色拉蒙补偿法测定纤维双折射。 （4）掌握用声速法测定纤维取向度和模量。 （5）掌握用哈氏切片器制纤维切片，对切片进 行摄影。
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mCH2=CH + nCH2=CH + xCH2=C-COOH | | | CN C=O CH2-COOH | OCH3
引发聚合
COOH | ~~-CH2-CH-CH2-CH-CH2-CH-CH2-C-CH2-CH-CH2-CH-CH2-CH-~~ | | | | | | | CN CN C=O CH2 CN C=O CN | | | OCH3 COOH OCH3
实验重点
• （1）了解和掌握聚丙烯腈纤维纺丝的原 理、方法、生产过程和加工工艺流程， 熟悉本校院士基地的湿法纺丝机。 • （2）了解和掌握一些高分子材料物理性 能的一些测试仪器和测试方法，会使用 高分子实验室现有的测试仪器。
第一部分
• 一、实验目的
丙烯腈共聚物的制备
• 1．通过本实验，掌握丙烯腈共聚合反应的 基本原理。 • 2．了解影响反应的主要因素，熟悉配料计 算及转化率的测定。 • 3．掌握聚丙烯腈制备的实验方法。
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第二部分 湿法纺丝
• 一、实验目的 • 了解和掌握聚丙烯腈纤维纺丝的原理、 方法、生产过程和加工工艺流程。 • （1）掌握实际生产中腈纶纤维的基本组成、 配比和作用。 • （2）掌握纺丝原液的制备工艺。 • （3）了解腈纶纺丝机的结构和作用。 • （4）掌握腈纶纤维的后加工工艺。
合成仪器
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四、实验内容
• 1、物料用量计算：
• 配制反应混合液300g(如果不做粘度测定，就只配制150g混合液)，其总单体浓度为17%。三种单体 的重量配比为：丙烯腈：丙烯酸甲酯：甲基丙烯磺酸钠=91.7：7：1.3，偶氮二异丁腈为单体总量的 0.3%或0.5%（任选一种）；二氧化硫脲为单体总量的0%或0.4%（任选一种）；异丙醇为单体总量的 0%、3%或6%（任选一种）。 将各种物质的需要量按下列公式预算（液体物料均用其密度转换为按体积计算）： 式中：Wx为X物质所需要的重量（g）；