浅谈聚丙烯腈纤维工艺与用途

浅谈聚丙烯腈纤维工艺与用途

摘要：主要论述了聚丙烯腈纤维的加工方法与工艺流程和纤维的特点，说明了其具有良好的性能，在纺织工程与高科技领域有较大的运用前景。

关键字：聚丙烯腈纤维；生产技术；应用；介绍

1、引言

聚丙烯腈纤维，在我国的商品名称为腈纶，是由丙烯腈的均聚物或共聚物经纺丝加工制得的纤维。这类纤维的主要特点，是它的柔软性和保暖性与羊毛十分相似，故又称为“合成羊毛”。因此，其大量用作“仿羊毛”纤维，替代羊毛。聚丙烯腈纤维可以用来制作套衫、毛毯、地毯、童装以及诸如旗布、遮阳篷等户外产品，在纺织上有很大的用处。它的发展很快，现今已是合成纤维中的第三位，其产量仅次于涤纶和尼龙。腈纶的优良性能使其在服装、服饰、产业三大领域有广泛的运用。所以了解一下腈纶的用途以及生产方法生产工艺，对于学习高聚物合成工艺学的学生来说是非常必要的。

2、聚丙烯腈纤维的结构和性质

2.1 聚丙烯腈纤维的结构

聚丙烯腈纤维是由单体丙烯腈经自由基聚合反应而得到的。一般的腈纶是丙烯腈含量占85%以上的共聚体。为了改进腈纶的特性，会在聚合反应时引入第二单体和第三单体。常用的第二单体有丙烯酸甲酯(CH2＝CH-COOCH3)、甲基丙烯酸甲酯[CH2C(CH3)COOCH3]、醋酸乙烯酯(CH2＝CHOOCCH3)等中性单体，第三单体有丙烯磺酸[CH2＝C(SO3H)-CH3]、丙烯酸(CH2＝CHCOOH)、衣康酸(CH2=CHCOOHCH2COOH)等。例：由丙烯腈、丙烯酸甲酯和丙烯磺酸聚合成的聚丙烯腈纤维的结构如下：

2.2 聚丙烯腈纤维的性质

2.2.1聚丙烯腈纤维引入单体改性

纯粹的丙烯腈纤维，由于内部结构紧密，服用性能差，所以通过加入第二，第三单体，改善其性能。聚合的第二单体主要目的是破坏大分子链的规整性，降低链的敛集密度，改善可纺性及纤维的手感、柔软性和弹性；第三单体通过引入亲染料的基团来改进纤维的染色性，可采用阳离子染料或酸性染料染色。

2.2.2聚丙烯腈纤维的热学性能

聚丙烯腈经二次拉伸所纺得的纤维中，非晶区中弯曲的大分子链已伸展。骤冷后，链段冻结；当温度再次升至Tg以上，链段运动受热而加强，大分子链恢复卷曲状态，纤维长度可大幅度回缩，这就是聚丙烯腈纤维所呈现的热弹性（可加工膨体纱），腈纶密度小，比羊毛还小，织物保暖性好。聚丙烯腈具有较高的热稳定性，通常制备纤维的聚丙烯腈加热至170～180℃，其颜色不会变化。

2.2.3 聚丙烯腈纤维的化学性质

腈纶对化学药品的稳定性良好，但在浓硫酸、浓硝酸、浓磷酸的作用下会溶解。由于聚丙烯腈大分子主链上带有的-CN侧基，在酸、碱作用下易发生一系列化学反应，其释放的氨能与未水解的-CN基反应生成脒基，呈黄色。例如水解反应：

2.2.4聚丙烯腈纤维耐溶剂型

由于含有极性很强的氰基，所以不溶于常见的醇、醚、酯及油等溶剂，而溶于强极性的有机溶剂，如二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、乙腈等。无机溶剂则有NaSCN或ZnCl2的浓水溶液，硝酸及硫酸等。

2.2.5聚丙烯腈纤维耐光性

腈纶大分子中含有氰基，能吸收日光中的紫外线并转变为热能从而保护分子主链不发生降解，因而腈纶的耐日光性与耐气候性是一切天然纤维和合成纤维中（除含氟纤维外）最好的一种。

3、聚丙烯腈纤维的生产工艺

聚丙烯腈纤维通过自由基聚合反应制得，其对原料丙烯腈的纯度要求较高，各种杂质的总含量应低于0.005 ％。世界各国生产的聚丙烯腈纤维大多由三元共聚物制得，丙烯腈占90 %～94 %，第二单体加入量为5%～8%第三单体为0.3 %～2.0 %。制取三元共聚物时，为了使共聚物的组成单一，保证产品质量的稳定，选用的各种单体竞聚率值不宜相差过大。腈纶的主要生产工艺流程：聚合→纺丝→预热→蒸汽牵伸→水洗→烘干→热定形→卷曲→切断

→打包。

3.1 聚合

腈纶的原料丙烯腈由石油裂解的副产品丙烯制得，由丙烯、液氨以及氧气在400℃～500 ℃下发生气、固相催化反应制取(丙烯- 氨氧化法)。由于聚丙烯腈共聚物加热到230℃以上时只发生分解而不熔融，因此，采用溶液纺丝的方法。根据所用溶剂的溶解性不同分为均相溶液聚合和非均相溶液聚合。均相溶液聚合所得的聚合物可直接用于纺丝；故又称为腈纶生产的“一步法”。非均相溶液聚合所得聚合物不断地呈絮状沉淀析出．经分离后用合适的溶剂溶解．以制成纺丝原液．此法称为腈纶生产的“两步法”。因非均相的溶液聚合介质通常采用水，所以又称为“水相沉淀聚合法”。聚合时根据溶剂不同选用不同的引发剂，在水相聚合时则用氧化还原引发体系。为防止聚合体产生颜色，在聚合过程中加入少量的还原剂或其它添加剂，以提高纤维的白度。

3.2 纺丝工艺

一般为聚丙烯腈聚合体，平均分子量53000～106000，它的纤维白度比较好，热分解的温度在200℃～250℃，溶点为320℃。因此，聚丙烯腈纤维用高聚物溶液的湿法纺丝和干法纺丝制得。干法纺丝的纺丝液浓度为25％～30％，纺丝的速度快，但因喷丝头喷出的细流固化慢，固化前易粘结，所以不能采用孔数较多的喷丝头，纺丝溶剂仅二甲基甲酰胺一种，所得纤维结构均匀致密，适于织制仿真丝织物。湿法纺丝适于制作短纤维，纤维蓬松柔软，宜织制仿毛织物，所用的纺丝溶剂除溶液聚合用的溶剂外，还有二甲基乙酰胺、碳酸乙烯酯、硝酸等，大部分溶剂的沸点较高，在纺丝过程中不易蒸出。

3.2.1 干法纺丝

在干法纺丝时，纺丝前的纺丝溶液需要立即加热到150℃，通过一加热的齿轮计量泵后再被压入一具有从300孔到超过2000孔孔( 孔径为0.1mm～ 0.5 mm)的环形喷丝板。如果为了生产聚丙烯腈长丝，那么使用的喷丝板最多含有200个喷丝孔。纺丝出来的材料经过一 6m～10m长的垂直纺丝甬道，每一套喷丝板中的纺丝甬道彼此排在一起。在纺丝甬道的顶部保持200℃～250℃的温度，并且用300℃～400℃的惰性气体吹向纺丝材料。这样一方面可以使氧及水含量降至极低从而确保纺丝端不被沾污，另一方面DMF不会分解。纺丝甬道的温度在接近卷取位置时降至80℃～110。在溶剂浓度达到30g/m3～40g/m3时爆炸危险就会降低，并且纱线是在含氮氛围下成形的。

喷丝板的几何形状、惰性气体提供给喷丝头的热量及纺丝甬道壁都对纺丝效果产生显著的影响。干燥、硬化的长丝以200m/min～600m/min的速度被牵伸。单个纺丝位产量为8kg/h～