第八章纖維的成型加工,8.5,合成纖維的熱定型,8.4,合成纖維的拉伸,8.6,幾種纖維的紡絲過程,8.3,合成纖維成型原理,8.1,概述,8.2,紡絲液的制備,8.1、概述,纖維：通常人們將長度比直徑（直徑在幾微米或幾十微米）大千倍以上且具有一定柔韌性和強(qiáng)力的纖細(xì)物質(zhì)統(tǒng)稱為纖維。纖維可被分作天然纖維及化學(xué)纖維天然纖維天然纖維是自然界存在的，可以直接取得纖維，根據(jù)其來源分成植物纖維、動(dòng)物纖維和礦物纖維三類植物纖維的主要化學(xué)成分是纖維素，故也稱纖維素纖維。動(dòng)物纖維的主要化學(xué)成分是蛋白質(zhì)，故也稱蛋白質(zhì)纖維。礦物纖維是從纖維狀結(jié)構(gòu)的礦物巖石中獲得的纖維，主要組成物質(zhì)為各種氧化物，如二氧化硅、氧化鋁、氧化鎂等。,8.1、概述,化學(xué)纖維經(jīng)過化學(xué)處理加工而制成的纖維。可分為人造纖維（再生纖維），合成纖維和無機(jī)纖維人造纖維：用含有天然纖維或蛋白纖維的物質(zhì)，如木材、甘蔗、蘆葦、大豆蛋白質(zhì)纖維等及其他失去紡織加工價(jià)值的纖維原料，經(jīng)過化學(xué)加工后制成的紡織纖維。主要用于紡織的人造纖維有：黏膠纖維、醋酸纖維、銅氨纖維。合成纖維的化學(xué)組成和天然纖維完全不同，是從一些本身并不含有纖維素或蛋白質(zhì)的物質(zhì)如石油、煤、天然氣、石灰石或農(nóng)副產(chǎn)品，先合成，再用化學(xué)合成與機(jī)械加工的方法制成纖維。如滌綸、錦綸、維綸、腈綸、丙綸、氯綸、氨綸等。無機(jī)纖維是以天然無機(jī)物或含碳高聚物纖維為原料，經(jīng)人工抽絲或直接碳化制成。包括玻璃纖維，金屬纖維和碳纖維。,8.1、概述,1833年法國藥物化學(xué)家泰奧菲爾朱爾佩盧茲（TheophileJulesPelouze）和亨利.布拉康納特（HenriBraconnot）首先研制成功硝酸纖維素。1847年，德國人克里斯琴弗里德里斯.申拜恩（ChristianFriedrichSchonbein）研制成火棉后，硝酸纖維素才投入工業(yè)生產(chǎn)。1878年，法國化學(xué)家德貝爾尼戈.夏爾多內(nèi)（BemigaudChardonner）開始進(jìn)行人造纖維的研究，于1884年第一次成功地取得了由硝酸纖維素制造人造纖維的專利權(quán)，后又經(jīng)多年的研究，解決了人造纖維的易燃問題。他于1891年在貝桑松（Besanaon）建立了世界上第一家人造絲廠,8.1、概述,1869年法國巴黎大學(xué)醫(yī)學(xué)博士、化學(xué)實(shí)驗(yàn)室副主任保羅.舒曾貝爾熱（PaulSchutzenberger）讓醋酐與纖維素發(fā)生作用，制成了醋酸纖維素。1884年，英國人查爾斯.克勞斯（Charles.F.Cross）和愛德華.貝文（Edttard.J.Betan）申請了第一個(gè)醋酯纖維的工業(yè)生產(chǎn)專利。1921年，貝文為一種醋酯人造纖維的制造方法申請了專利，這種人造絲在法國稱為羅達(dá)絲（Rhodia）。1890年法國L.H.德佩西發(fā)明了銅氨法人造絲（銅氨纖維）生產(chǎn)工藝，1891年工業(yè)化生產(chǎn)。1891年英國Cross、Beran、Beadle三人發(fā)明粘膠纖維，1904年工業(yè)化生產(chǎn),8.1、概述,1924年德國P.H.赫爾曼（Herrmann）和W.黑內(nèi)爾（Hahnel）最先研究成功維綸(聚乙烯醇纖維)，在20世紀(jì)30年代制成纖維，稱為津托菲爾（Synthofil）。由于它溶解于水而不能作為紡織纖維，主要用作外科的手術(shù)縫線。直至1939年，日本京都大學(xué)櫻田一郎等人研究成功聚乙烯醇的熱處理和縮醛化方法，使維綸成為耐熱水性良好的纖維，并于1940年6月正式投入工業(yè)化生產(chǎn)。,8.1、概述,1928年英國皇家化學(xué)工業(yè)公司（ICI）經(jīng)過一系列的研究，用高壓法制成乙烯聚合物，于1933年合成了一種高分子化合物。1928年起，美國化學(xué)家華萊士.休謨.卡羅瑟斯（WallaceHumeCarothers）在杜邦公司實(shí)驗(yàn)室主持一項(xiàng)高分子研究，用聚合的方法測定了高分子量物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和組成，這一研究導(dǎo)致他在1930年發(fā)明了聚酰胺，從而奠定了合成纖維工業(yè)的基礎(chǔ)。1931年德國教授克拉特（Klatte）申請了制造聚氯乙烯的第一個(gè)專利。自1931年起，法爾本（I.G.Farben）公司重新利用克拉特的專利，試制出普克纖維。1941年，法國人雅克科比埃（JacquesCorbiere）在羅達(dá)西塔（Rhodiaceta）工廠生產(chǎn)聚氯乙烯，法國商品名為羅維爾（Rhovyl）。,8.1、概述,1935年W.H.卡羅瑟斯又用己二胺、己二酸合成聚酰胺66，兩年后又發(fā)明了用熔融法制造聚酰胺66纖維的技術(shù)，商品名為尼龍（Nylon），1938年公開發(fā)表專利，并正式投人工業(yè)化生產(chǎn)。同年，德國的P施拉克發(fā)明了聚酰胺6制造技術(shù)，并于1940年1月開始工業(yè)化生產(chǎn)。1938年美國杜邦公司工程師羅伊普隆克特（Roy.J.Plunkett）偶然發(fā)現(xiàn)了四氟乙烯聚合物，英國稱之為氟綸（Fluon），法國稱為特氟?。═eflon）。特氟隆于1939年獲得專利，于1954年開始進(jìn)行商業(yè)性生產(chǎn)。1941年英國的J.R.溫菲爾德（Winfield）和J.T.迪克森（Dickson）以對苯二甲酸和乙二醇為原料在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)首先研究成功聚酯纖維，命名為特麗綸（Terylene），1950年開始工業(yè)化生產(chǎn)。1953年，美國開始生產(chǎn)商品名為達(dá)可綸（Dacron）的聚酯纖維。,8.1、概述,1941年和1942年美國杜邦公司化學(xué)家和德國拜耳公司化學(xué)家分別發(fā)明了聚丙烯腈溶劑。幾年之后，他們又解決了聚丙烯腈的紡絲工藝問題。1953年，杜邦公司實(shí)現(xiàn)了商品化，稱為奧綸。1954年，拜耳公司也推出新產(chǎn)品德拉綸。美國杜邦公司RC霍茲（Houtz）于1941年開始進(jìn)行聚丙烯腈系纖維的研究，1944年研究成功，并于1950年7月開始工業(yè)化生產(chǎn)。1955年由G.納塔首先采用了典型的K.齊格勒型催化型三乙基鋁（Al（C2H5）3和四氯化鈦（TiCl4），成功地制成了等規(guī)結(jié)構(gòu)的聚丙烯纖維，1951年由意大利開始工業(yè)化生產(chǎn)。1958年美國杜邦公司發(fā)明了聚氨酯纖維。,8.1、概述,科技的高速發(fā)展人們對衣著的更高要求各種高性能纖維手段：新型纖維開發(fā)、傳統(tǒng)化學(xué)纖維物理變性或化學(xué)變性差別化纖維高科技纖維（功能性纖維、高性能纖維和環(huán)保纖維）,1、成纖高聚物必須是線型的能夠伸直的的分子，支鏈盡可能少，沒有龐大的側(cè)基，大分子之間沒有化學(xué)鍵2、聚合物分子之間有適當(dāng)?shù)南嗷プ饔昧?，或具有一定?guī)律性的化學(xué)結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)3、聚合物應(yīng)具有適當(dāng)高的平均分子量和比較窄的的分子量分布4、聚合物應(yīng)具有一定的熱穩(wěn)定性，其熔點(diǎn)或軟化點(diǎn)應(yīng)比允許使用溫度高得多此外還應(yīng)該具有：染色性、吸附性、耐熱性、耐水性等。,8.1、概述,所謂可紡性指能形成纖維，即適合于制造纖維的意思。某種流體在單軸拉伸應(yīng)力的狀態(tài)下能大幅度的出現(xiàn)不可逆伸長形變，這種流體即為可紡。理解:可紡性是指流體承受穩(wěn)定的拉伸操作所具有的形變能力，即流體在拉伸作用下形成細(xì)長絲條的能力。聚合物的可紡性是指材料經(jīng)成型加工為連續(xù)的固態(tài)纖維的能力。,8.1、概述,作為紡絲體，必須在紡絲的條件下具有足夠的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，在形成絲條后容易轉(zhuǎn)化成固態(tài)，且固化的絲條經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚砗?，具有必要的物理力學(xué)性質(zhì)。,所以可紡性只是作為成纖聚合物的必要條件，但不是充分的。,8.1、概述,熔融紡絲（熔法紡絲）,8.1、概述,是采用溶劑和聚合物的溶解配成濃溶液作為紡絲原液進(jìn)行的紡絲。主要用于分解溫度低于成型溫度的聚合物，如聚丙烯腈，或者特殊要求的。分為：干法紡絲和濕法紡絲。,溶液紡絲,8.1、概述,干法紡絲：,8.1、概述,濕法紡絲：,8.1、概述,8.1、概述,8.2、紡絲液的制備,一、紡絲熔體的制備直接紡絲：聚合反應(yīng)后的聚合物熔體直接紡絲切片紡絲：聚合物切片經(jīng)干燥、熔融制成紡絲液后紡絲,8.2、紡絲液的制備,切片紡絲熔體的制備包括切片干燥和熔融兩個(gè)過程。切片干燥目的是去除水分防止造成紡絲斷頭率。但是聚酯切片在干燥前是無定形態(tài)，軟化點(diǎn)低，若干燥時(shí)溫度突然升高會(huì)使切片粘連。如果在120對切片進(jìn)行預(yù)結(jié)晶，當(dāng)其結(jié)晶度達(dá)到25%以上時(shí)進(jìn)入干燥塔，切片就不會(huì)發(fā)生粘連。因此聚酯事先進(jìn)行預(yù)結(jié)晶。切片熔融是在螺桿擠出機(jī)中完成的，這一過程同塑料在擠出機(jī)中的熔融過程是一樣的。,8.2、紡絲液的制備,二、紡絲溶液的制備紡絲溶液的制備也分為兩種方法，即一步法和二步法。一步法制備紡絲溶液是直接利用溶液聚合法聚合后得到的聚合物溶液作為紡絲原液。二步法制備紡絲溶液是將聚合后的聚合物溶液先制成顆粒狀或粉末狀的成纖聚合物，然后該成纖聚合物再利用一種或多種溶劑進(jìn)行溶解，以獲得紡絲液。,8.2、紡絲液的制備,1、成纖聚合物的溶解溶解機(jī)理：先溶脹，后溶解。溶劑的要求：良好的溶解性適宜的沸點(diǎn)足夠的穩(wěn)定性安全,通常，用于濕法紡絲的紡絲溶液濃度為1225，用于干法紡絲的紡絲溶液濃度則高一些，一般在2535之間。,8.2、紡絲液的制備,2、紡絲溶液的混合、過濾和脫泡,無論是什么方法的紡絲，紡絲細(xì)流的形成都是紡絲原液經(jīng)過計(jì)量泵，以一定的速度和壓力被泵送到紡絲頭的小孔中（噴絲板），在小孔中流動(dòng)并擠出形成纖維細(xì)流，然后再冷卻固化定型。關(guān)鍵：成型和冷卻定型。,8.3、合成纖維成型原理,紡絲細(xì)流是紡絲原液在噴絲孔中形成的。噴絲頭，也稱為紡絲頭，是纖維紡絲的精密機(jī)件。一般的噴絲孔的長徑比1.3，且為圓形，孔徑很小，剪切很高。紡絲原液在噴絲孔中的流動(dòng)與前述的聚合物流體在圓管中的流動(dòng)是一樣的。,8.3、合成纖維成型原理,噴絲頭的形狀一般為帽子形、圓板形或瓦楞形，面上有許多大小一致的孔眼。噴絲頭、分配板和過濾材料等合在一起組成噴絲頭組件。分配板把溶液或熔體均勻地分散到許多細(xì)小的孔中。濾料用來過濾渣滓。組件中以噴絲頭最為重要，直接影響成品絲的質(zhì)量。,8.3、合成纖維成型原理,根據(jù)紡絲方法的不同噴絲頭分為熔紡、濕紡和干紡三種。熔紡噴絲頭一般為圓板形，故又稱噴絲板，也有長方形的。圓形噴絲板用耐高溫的不銹鋼制成，結(jié)構(gòu)簡單，制造方便。供熔紡用的噴絲板上孔徑，與纖維品種和紡絲條件有關(guān)，一般直徑為0.20.5mm。紡長絲孔數(shù)一般為幾十孔，棕絲一個(gè)孔，紡短纖維孔數(shù)一般多達(dá)4002000。,8.3、合成纖維成型原理,濕法噴絲頭主要為帽子形、又稱噴絲帽，也有圓盤形和板形（瓦楞形），用耐腐蝕性強(qiáng)的金鉑合金或鈦、鈮、鉭、不銹鋼等金屬制成。紡制長絲時(shí)采用孔數(shù)較少的噴絲帽；紡短纖維時(shí)則需采用大面積多孔噴絲頭，孔數(shù)可達(dá)215萬之多；由于孔數(shù)甚多，可以采用組合形式分成若干個(gè)噴絲頭，配在同一塊不銹鋼底板上。濕紡噴絲頭的孔徑比熔紡噴絲板的孔徑小，孔徑一般為0.050.1mm。,8.3、合成纖維成型原理,常用的干紡噴絲頭（板）有帽形和圓形兩種，孔徑為0.070.16mm，孔數(shù)為3001200，由不銹鋼或特種合金鋼制成。,8.3、合成纖維成型原理,紡絲細(xì)流主要經(jīng)歷以下幾個(gè)階段：,、入口段：噴絲孔入口區(qū)的幾何結(jié)構(gòu)對聚合物的流動(dòng)特性，特別是彈性表現(xiàn)影響比較大。分為平板形入口區(qū)（入口角度180，能量效應(yīng)比較大）和錐形入口區(qū)（可以減少入口效應(yīng)）,8.3、合成纖維成型原理,8.3、合成纖維成型原理,紡絲細(xì)流的冷卻固化過程是指細(xì)流在降溫或脫除溶劑后細(xì)流的形狀固定階段。這一個(gè)過程同時(shí)還受到一定的拉伸，其外形及形態(tài)發(fā)生變化，此時(shí)的纖維稱為初生纖維(具有一定的初步結(jié)構(gòu)和性能)紡絲（熔體紡絲和溶液紡絲）過程中，細(xì)流冷卻固化的本質(zhì)就是傳熱和傳質(zhì)過程。,8.3、合成纖維成型原理,熔法紡絲：熔體細(xì)流與周圍介質(zhì)的熱交換而冷卻固化形成初生纖維，主要是傳熱過程。濕法紡絲：主要通過雙擴(kuò)散，把非揮發(fā)性的溶劑帶走，主要發(fā)生傳質(zhì)過程，使細(xì)流成為初生纖維。干法紡絲：利用加熱的介質(zhì)把揮發(fā)性溶劑帶走，而使細(xì)流固化，傳熱和傳質(zhì)過程使細(xì)流成為初生纖維。,8.3、合成纖維成型原理,1、傳熱過程,紡絲細(xì)流與周圍介質(zhì)的熱交換，主要紡絲線上的速度和應(yīng)力分布，以及分子的取向和結(jié)晶。,8.3、合成纖維成型原理,2、傳質(zhì)過程,傳質(zhì)過程主要是針對溶液紡絲（濕法紡絲和干法紡絲），主要是細(xì)流固化時(shí)去除溶劑的過程。,傳質(zhì)過程中主要考慮濃度的變化，但是傳質(zhì)過程伴隨傳熱過程，所以更加復(fù)雜。,8.3、合成纖維成型原理,1、紡絲過程中的拉伸作用,拉伸作用的產(chǎn)生是由于卷繞速度大于噴絲速度。,纖維的拉伸倍數(shù)：,8.3、合成纖維成型原理,2、紡絲過程中的受力分析,紡絲過程，實(shí)際上是纖維在