聚丙烯腈及粘胶纤维溶液纺成形培训课件.ppt

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1、第十二章 聚丙烯腈及粘胶纤维 溶液纺成形,12.1 聚丙烯腈纤维溶液纺成形 12.2 粘胶纤维湿纺成形,3,溶液纺丝成形品种：腈纶、粘胶纤维、维尼纶和氯纶 腈纶、维尼纶和氯纶：纺丝过程主要是物理过程，不存在明显化学反应，都可采用湿法纺丝和干法纺丝 维尼纶的独特之处是需要增加特殊的缩醛化处理工艺 粘胶纤维：纺丝过程存在明显化学反应，特殊溶液纺过程，不能干法纺丝,12.1 聚丙烯腈纤维溶液纺成形,12.1.1 聚丙烯腈原料及纤维 12.1.2 聚丙烯腈纤维纺丝 12.1.3 聚丙烯腈纤维后加工,5,聚丙烯腈纤维：聚丙烯腈或丙烯腈含量占85%以上的聚合物所纺制的纤维 丙烯腈35%85%、共聚单体15

2、%65%的共聚物纤维称为改性聚丙烯腈纤维 聚丙烯腈纤维特性：具有羊毛特性，蓬松性和保暖性好，手感柔软、防霉、防蛀，耐光性和耐辐射性非常优越，通过聚丙烯腈改性可制成抗静电腈纶、导电腈纶、高吸湿腈纶、吸水腈纶、阻燃腈纶、高收缩腈纶和腈氯纶等,6,12.1.1 聚丙烯腈原料及纤维,一、聚丙烯腈原料 1聚丙烯腈生产 聚丙烯腈多采用溶液聚合，可分为均相溶液聚合和非均相溶液聚合 均相溶液聚合采用硝酸、DMSO、DMF、NaSCN水溶液等为溶剂，均相溶液聚合所得的聚合液可直接用于纺丝（称为腈纶生产一步法） 非均相聚合通常采用水为介质（亦称水相聚合法），非均相溶液聚合所得聚合物需再溶解方可制成纺丝原液（称为腈

3、纶生产两步法）,7,2聚丙烯腈的结构和性质 （1）聚丙烯腈的结构 聚丙烯腈中丙烯腈单元的连接方式主要是首尾连接，主链是螺旋状的空间立体构象并具有不规则曲折和扭转，因此不能整齐堆砌成较完整的晶体，通常称为准晶 聚丙烯腈纤维生产都采用丙烯腈三元共聚物为原料，共聚提高无序化，降低大分子敛集密度，以改善纤维手感、弹性和染色性,8,（2）聚丙烯腈的性质 性状：白色粉末状物质，表观密度200250g/L，密度1.141.15g/cm1，220230时软化并同时发生分解 耐光性：非常优良（因为氰基可吸收紫外光从而保护主键） 分子量及其分布：低于10000时往往不可能形成纤维，多分散性越大或低分子组分含量越多

4、，纤维性能越差,9,聚集状态：非晶相低序态、非晶相中序态和准晶相高序态三种，低序区玻璃化温度80100，非晶相中序区玻璃化温度约140150间，三元共聚的玻璃化转变温度约75100 化学稳定性：较低，碱或酸作用下能发生系列化学反应，在很宽温度范围内对各种醇类、有机酸（甲酸除外）、碳氢化合物、油、酮、酯及其他物质的作用都较稳定 热稳定性：较高，170180时颜色不会有变化，存在杂质时则加速,10,二、聚丙烯腈纤维 1聚丙烯腈纤维的性质 腈纶很像羊毛（以人造羊毛著称），主要特点是质轻保暖、染色鲜艳而牢固、防蛀、防霉和耐日晒 力学性能：长丝干湿态强度分别2.85.3cN/dtex和2.65.3cN/

5、dtex，干湿态断裂伸长率均12%20%，初始模量3575cN/dtex，打结强度和钩接强度分别2.67.1cN/dtex和1.73.5cN/dtex，3%伸长时的回弹率70%95%，公定回潮率2%,11,最突出优点：具有热弹性和极好的日晒牢度 热弹性本质是高弹形变：经拉伸、水洗和热定形后的纤维在玻璃化温度以上再次进行拉伸1.11.6倍或更高，其时伸长以高弹形变为主，将此纤维进行骤冷，伸长暂时不能回复，但是当提高玻璃化温度以上（或者水分子增塑）时，纤维长度相应地发生大幅度回缩（17%18%或更高） 腈纶结构中的准晶区仅是侧向高度有序，不能阻止链段大幅度热运动而使纤维发生热弹性回缩，利用此特性可

6、以生产腈纶膨体纱 所有合成纤维以腈纶对日光及大气作用的稳定性最好,12,2聚丙烯腈纤维的用途 腈纶广泛用于混纺或纯纺，制成哔叽、华达呢、大衣呢、运动衫、针织衫、毛毯、长绒织物以及缩绒拉毛织物等 腈纶的吸湿性较低，因此常与吸湿性较好的棉、毛或粘胶纤维混纺 腈纶既可制成粗硬的刚毛，也可制成柔细的绒毛，并可仿制兽皮 腈纶因蓬松、柔软、织物尺寸稳定性较好等特点，适用于制作编结毛线 腈纶压缩弹性恢复好，手感舒适，很适合制作装饰植绒 腈纶因耐气候性和耐光性优良，可作为室外织物、窗帘等 腈纶经特殊处理后可仿真丝，预氧化碳化可制得碳纤维,13,12.1.2 聚丙烯腈纤维纺丝,聚丙烯腈溶液纺有干法纺丝和湿法纺丝

7、两种基本方法 一、聚丙烯腈纺丝原液的制备 一步法纺丝原液：含有未反应的单体、气泡和少量的机械杂质必须加以去除，同时各批次纺丝原液进行混合以避免波动，因此纺丝原液的制备包括脱单体、混合、脱泡、调温和过滤等环节 二步法纺丝原液：水相沉淀聚合所得的聚丙烯腈是细小固体颗粒，必须将其溶解、混合、脱泡和过滤等工序制成纺丝原液，采用溶剂可以是DMSO、DMF、HNO3、碳酸乙酯（EC）、NaSCN水溶液、ZnCl2水溶液等,14,图12.1 NaSCN一步法纺丝原液的准备工艺流程图 1、7管道混合器 2原液混合槽 3脱泡器 4密封槽 5多级混合器 6冷却器 8板框过滤机 9振荡研磨机 10荧光浆液计量罐 1

8、1球磨机 12球磨机接受槽 13消光浆液储槽,15,仅介绍NaSCN一步法纺丝原液的准备工艺：完成聚合、脱单后的原液浆液经管道混合器进入原液混合槽充分混合，真空脱泡塔脱除气泡，脱泡后浆液送入多级混合罐并加入消光剂和荧光增白剂，然后热交换器调温，再过滤除杂质，最后以稳定的压力送往纺丝机 高转化率的聚合产物不需脱除单体，中、低转化率工艺路线必须进行脱单体 浆液调温目的是稳定纺丝浆液黏度以利过滤和纺丝 过滤设备一般采用板框式压滤机,16,二、聚丙烯腈纤维湿法纺丝 腈纶湿法纺丝主要用于生产短纤维，凝固浴通常采用纺丝原液所用溶剂的水溶液（水即是沉淀剂） 1湿法纺丝工艺流程 （1）DMF溶剂路线,图12.

9、2 DMF法腈纶的纺丝、后加工流程图 1凝固浴槽 2拉伸机 3水洗机 4上油浴 5干燥致密化机 6拉伸机 7卷曲机 8汽蒸热定形机 9冷却机 10切断机 11打包机,17,DMF溶剂优点：溶解能力强，可制得浓度较高的纺丝原液，溶剂回收较简单 DMF溶剂湿纺是制备聚丙烯腈短纤维最常用的路线 将粉末状PAN溶解于100%DMF制成PAN20%25%的纺丝原液 凝固浴槽浴温1015，DMF浓度50%60% 喷丝头孔数3000060000孔，孔径0.070.2mm 纺速510m/min，蒸汽拉伸或热水拉伸倍数58倍，热水拉伸浴为20%25%DMF水溶液，浴温8090 拉伸后丝束进入水洗机用6080热水

10、水洗 水洗纤维上油后干燥致密化，再拉伸1.5倍左右，经卷曲、汽蒸热定形及冷却后切断和打包,18,（2）NaSCN溶剂路线,图12.3 NaSCN法腈纶纺丝、后加工流程图 1凝固浴 2预热浴 3水洗槽 4压辊 5拉伸机 6拉伸浴槽 7第一上油浴 8干燥机 9张力架 10卷曲加热槽 11卷曲机 12装丝箱 13汽蒸锅 14第二上油浴 15干燥机 16切断机 17吹风机 18打包机,19,NaSCN溶剂路线一般都采用一步法纺丝，该法优点：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%） 喷丝头孔径0.06mm，

11、2000060000孔 凝固浴为9%14%NaSCN水溶液，浴温约10,20,纺速510 m/min，出凝固浴丝束引入预热浴预热，预热浴为3%4%NaSCN水溶液，浴温6065，预热浴拉伸1.5倍 预热浴后丝束引入水洗槽水洗，水洗热水温度5065 水洗后丝束在拉伸浴槽拉伸，拉伸浴水温9598，两次拉伸总拉伸倍数810倍 随后经上油浴上油，干燥机干燥致密化，丝束经卷曲机再进入汽蒸锅热定形，随后丝束上油，再经干燥机干燥致密化，最后切断（或牵切加工）、打包,21,2湿法纺丝设备,（1）纺丝机 我国腈纶纺丝机主要为斜底水平式纺丝机，当然有立管式纺丝机,22,（2）计量泵 生产短纤维通常采用大容量计量泵

12、，每转容量高达100mL或更高 计量泵转速一般以不超过45r/min为好 （3）烛形过滤器 烛形过滤器是喷丝头前最后一道过滤 由滤头、滤栓、外壳和连接头等组合而成，滤栓与外壳同心套在一起，滤栓系一空管，外表面有螺纹和通液小孔，在其外面紧密地裹扎滤布 滤液流向有两种，一种是由栓内流至外壳（称为里进外出式、外流式或内压式），另一种是由外壳流入栓内（称为外进里出式、内流式或外压式）,23,（4）喷丝头 通常湿法纺丝所用喷丝头孔径比熔纺喷丝孔小，约0.060.10mm 喷丝头孔数主要取决于纤维的总线密度和单纤维的线密度 喷丝头有矩形或瓦楞形的，但多数为圆形 纺制短纤维时喷丝头孔数一般几万甚至十几万孔,

13、24,3湿法纺丝工艺条件,（1）原液中聚丙烯腈浓度 原液中聚丙烯腈浓度应适中：浓度提高，初生纤维密度增大，孔洞数目减少，结构均一性提高，成品纤维力学性能提高，同时成形速度加快 浓度太高，溶液黏度大幅提高，纺丝性差 浓度过低却无法形成具有合适强度的冻胶体，因而不能形成纤维,25,（2）凝固浴浓度及温度 凝固浴一般为聚丙烯腈溶剂的水溶液，溶剂的浓度称为凝固浴浓度，凝固浴浓度过高或过低都不利于纺丝成形 太高时，双扩散过程太慢以至凝固缓慢，丝条凝固不充分可能因牵引而断头或者表面凝固不良而发生并丝，以及初生纤维过分溶胀致使在出浴处发生坠荡现象，等 过低时，双扩散速度增大，表层凝固过于激烈而很快形成皮层，

14、表观凝固变慢，同时皮芯层结构差异大，空洞率大，结构疏松并失去光泽，初生纤维拉伸时易断裂而产生毛丝，干燥后手感发硬，色泽泛白，强度和伸度都很差,26,凝固浴温度：直接影响双扩散速度，是影响纺丝成形的重要因素 DMF、NaSCN、DMSO和HNO3溶剂路线分别1015、1012、2030和05 适当降低浴温可使凝固速度减慢和凝固过程均匀，因此所得初生纤维结构较紧密，网络骨架较细，成品纤维强度和钩结强度上升 但浴温不能过低，否则凝固过慢缓使纤维芯层凝固不够充分，拉伸时易造成毛丝,27,凝固浴浓度和凝固浴温度都能影响原液细流的凝固程度和凝固速度，两者可以互相调节 凝固速度受凝固浴温度的影响较大，受凝固

15、浴浓度的影响较小 细流表面的凝固受凝固浴浓度的影响较大，而芯层凝固受凝固浴温度的影响较大 调节凝固浴温度和浓度时要特别注意原液细流皮芯层的凝固情况 凝固浴浓度和温度的波动或差异会影响丝条的稳定性，波动或差异较大，则与纺速不相应的初生纤维可能断裂而产生毛丝,28,（3）凝固浴循环量 纤维成形中凝固浴浓度不断升高，并且凝固浴温度会有所升高（原液温度和室温都比凝固浴温度高），因此必须按合适流量循环补充新鲜浴液 循环应避免出现湍流状况，因此循环量不能太大,29,（4）卷绕速度 卷绕速度是指第一导盘把丝条从凝固浴中曳出的速度 提高卷绕速度即降低丝束在浴中停留时间，因此必须提高凝固浴凝固能力，但凝固能力的

16、提高必须兼顾成品纤维品质及其均匀性，因此要综合考虑生产能力和成品纤维质量,30,三、聚丙烯腈纤维的干法纺丝 目前，腈纶干法纺丝都采用DMF为溶剂，干法纺产量约占腈纶总产量15%,31,1干法纺丝工艺流程,32,常用喷丝板规格有两种：纺1.73.3dtex的2800孔和纺511.1dtex的1860孔 纺丝原液由计量泵送到原液加热器，加热到130140后送到喷丝板 原液细流从喷丝板喷出后进入纺丝甬道，被热N2（或其他惰性气体）不断蒸发溶剂而逐渐成形 丝束出甬道后用冷水喷淋降温，经导辊集束后用皮带夹送器送入摆丝装置均匀地装入盛丝桶 纺长丝则将丝条经两对导盘进行拉伸24倍，拉伸后丝条以100400m/min的卷绕速度卷取,33,2干法纺丝设备,（1）直管式干法纺丝机 纺丝甬道为直形圆柱体，一般长61