合成纤维课件

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1、合成纤维课件,第十章合成纤维Synthetic Fiber,学习目的要求 掌握纤维的分类与特征；初步掌握聚酯纤维、锦纶纤维、腈纶纤维、聚丙烯纤维的生产技术、结构、性能及应用,合成纤维课件,9-1纤维的分类与特征,纤维是指柔韧、纤细，具有相当长度、强度、弹性和吸湿性的丝状物。大多 数是不溶于水的有机高分子化合物，少数是无机物。根据来源可以分为天然纤维 和化学纤维两大类。 一、纤维的分类,合成纤维课件,9-1纤维的分类与特征,二、成纤高聚物的特征 高聚物的品种很多，但并不是所有高聚物都能用于纺丝，而是具有如下特征 的高聚物都能进行纺丝。 成纤高聚物均为线型高分子用这类高分子纺制的纤维能沿纤维纵轴方

2、向拉 伸而有序排列。当纤维受到拉力时，大分子能同时承受作用力，使纤维具有较高 的拉伸强度和适宜的延伸度及其他物理-力学性能。 成纤维高聚物具有适宜的相对分子质量线型高聚物分子链的长度对纤维的 物理-力学性能影响很大，尤其是对纤维的机械强度、耐热性和溶解性的影响更 大。相对分子质量的高低均不好，高者不易加工，低者性能不好。常见的主要成 纤高聚物的相对分子质量如下表所示。 主要成纤高聚物的相对分子质量,合成纤维课件,9-1纤维的分类与特征,成纤高聚物的分子链间必须有足够的次价力高聚物的物理-力学性能与次 价力有密切关系。分子间次价力越大，纤维的强度越高，次价力大于20.92kJ/mol 的高聚物适

3、宜作纤维材料。 成纤高聚物应具有可溶性和熔融性只有这样才能将高聚物溶解或熔融成溶 液或熔体，再经纺丝、凝固或冷却形成纤维，否则就不能进行纺丝。,合成纤维课件,9-2聚酯纤维,聚酯是制造聚酯纤维、涂料、薄膜及工程塑料的原料，是由饱和的二元酸与 二元醇通过缩聚反应制得的一类线性高分子缩聚物。这类缩聚物的品种因随使用 原料或中间体而异，故品种繁多数不胜数。但所有品种均有一个共同特点，就是 其大分子的各个链节间都是以酯基“COO”相联，所以把这类缩聚物通称为聚 酯。以聚酯为基础制得的纤维称为涤纶，是三大合成纤维（涤纶、锦纶、腈纶） 之一，是最主要的合成纤维。下面主要介绍对苯二甲酸乙二醇酯（简称PET）

4、生 产工艺。 一、主要原料 1对苯二甲酸（TPA） 对苯二甲酸是芳香族二元羧酸的一种，它在常温下，外观为白色晶体，无毒， 易燃。稍溶于热乙醇，微溶于水，不溶于氯仿、乙醚、醋酸，能溶于碱。物性常 数如下： 相对分子质量166.13相对密度1.55 熔点384421升华点402 自燃点680升华热98.4kJ/mol 燃烧热3227.8kJ/mol,合成纤维课件,9-2聚酯纤维,对苯二甲酸由对二甲苯、苯酐或甲苯制得，主要用于制造聚酯纤维和塑料。 2对苯二甲酸二甲酯（DMT） 对苯二甲酸二甲酯是芳香族二元酯的一种，在常温下，外观为白色结晶粉末， 无毒、易燃，其蒸气或粉尘与空气混合至一定比例，遇为能发

5、生爆炸。物性常数 如下： 相对分子质量194.18相对密度1.065 熔点140.65沸点288 纯度99.9% 对苯二甲酸二甲酯由对苯二甲酸与甲醇酯化，然后经重结晶或真空蒸馏制得。 3乙二醇 乙二醇为无色微粘稠液体。具有较强的吸湿性，有醇味但不能饮用。可以和 水、醇、醛、吡啶等混溶，微溶于乙醚。其物性常数如下： 相对分子质量62.07熔点13 沸点197.6闪点（开口）116 相对密度1.1154粘度（20）20.93cp 折射率1.4316膨胀系数0.00062,合成纤维课件,9-2聚酯纤维,介电常数38.66 乙二醇主要由环氧乙烷水合制取，其用途广泛，在合成工业上主要用于生产 合成纤维、

6、不饱和聚酯和增塑剂等。 其中直接化聚酯法对苯二甲酸和乙二醇的质量要求实例如下表所示。 直接酯化法聚醚对对苯二甲酸和乙二醇的质量指标 4、环氧乙烷,合成纤维课件,9-2聚酯纤维,环氧乙烷又称氧化乙烯。就最简单的环醚。在常温下是无色气体，在低温下 是无色易流动液体。有乙醚气味，有毒。溶于水、乙醇和乙醚等，化学性质非常 活泼，能与许多化合物起加成反应。能与空气形成爆炸性混合物，爆炸极限为 3.6%78%（体积）。其物性常数如下： 相对分子质量44.050相对密度0.8711 熔点111.3沸点1314 临界温度（气体）195.8临界压力（气体）7.33MPa 闪点17.8 环氧乙烷由乙烯直接或间接氧

7、化制得。主要用于制乙二醇、非离子型表面活 性剂，食品及纺织工业的熏蒸剂等。 二、聚酯纤维的生产原理与工艺 1聚酯合成的工艺路线,聚酯合成的工艺路线,酯交换聚酯路线,对苯二甲酸用乙二醇直接酯化聚酯路线,环氧乙烷酯化聚酯路线,合成纤维课件,9-2聚酯纤维,（1）酯交换聚酯路线（酯交换聚酯法） 是最早（1953年）实现工业的聚酯路线。是将对苯二甲酸二甲酯与乙二醇按 12.5（摩尔比）比例混合，在醋酸锌、醋酸锰和醋酸钴催化剂的作用下，发生 酯交换反应，生成对苯二甲酸双羟乙酯。 （2）对苯二甲酸用乙二醇直接酯化聚酯路线（直接酯化聚酯法） 该路线对原料对苯二甲酸和乙二醇的纯度要求较高。,2HOCH2CH2

8、OH,Zn（CH2COO）2,对苯二甲酸双羟乙酯,2HOCH2CH2OH,对苯二甲酸双羟乙酯,合成纤维课件,9-2聚酯纤维,（3）环氧乙烷酯化聚酯路线（环氧乙烷法） 该路线是1973年开始工业化生产的。其反应如下： 该反应在饱和低分子脂肪胺或季胺盐存在下，进行极为顺利，该路线具有成 本低；产物低聚物少，容易精制；设备利用率高，辅助设备少等优点。如果采用 高纯度的对苯二甲酸和环氧乙烷进行反应，其产物可不经过精制就可以直接用于 缩聚成聚酯。 （4）聚酯合成原理 用精制后的对苯二甲酸双羟乙酯或它与苯甲酸混合的反应物进行缩聚反应， 分离出乙二醇后即得聚对苯二甲酸乙二醇酯，其反应如下：,合成纤维课件,9

9、-2聚酯纤维,由于缩聚反应属于可逆反应，为了使缩聚反应进行完全，必须排出反应生成 的低分子物质（乙二醇），为此必须采用真空及强力搅拌，缩聚反应最终压力不 大于266.6Pa，才能获得高相对分子质量的聚酯，一般产品的平均相对分子质量不 低于20000，用于制造纤维、薄膜的相对分子质量约为25000。 在三种合成路线中，酯交换聚酯法和直接酯化聚酯法现在依然是合成聚酯的 两大主要工艺路线，其生产过程如图10-1所示。 酯交换聚酯路线是传统的方法，因工艺技术成熟，所以至今在工业生产中仍 占有相当的地位。直接酯化聚酯路线虽然起步较晚，但与酯交换聚酯路线相比， 因具有消耗定额低，乙二醇配料比低，无甲醇回收

10、，生产控制稳定，流程短，投 资低等优点，而发展迅速。目前国内引进的聚酯装置多以后者为主，其生产能力 1997年就已达到152万t/a。,合成纤维课件,9-2聚酯纤维,DMT（液体）,合成纤维课件,9-2聚酯纤维,2聚对苯二甲酸乙二醇酯的生产工艺 从操作方式上看，聚对苯二甲酸乙二醇酯的两种主要生产路线都有间歇操作 和连续操作之分。相比较而言，直接酯化法聚酯连续法比间歇法的成本低20%； 酯交换法聚酯连续比间歇的成本低10%。下面主要介绍酯交换法和直接酯化法聚 酯的生产工艺。 （1）酯交换法连续生产聚酯工艺 酯交换法连续生产聚酯工艺包括酯交换、预缩聚、缩聚等过程，其原则工艺 流程如图10-2所示。

11、 酯交换将原料对苯二甲酸二甲酯连续加入熔化器中，加热（1505） 熔化后，用齿轮泵送入高位槽中。另将乙二醇连续加入到乙二醇预热器中预热至 150160后，用离心泵送入高位槽中。将上述两种原料按摩尔比12分别用计 量泵连续定量加入酯交换塔上部。分别将催化剂醋酸锌和三氧化二锑按DMT的 0.02%加入量，用过量0.4mol的乙二醇配制成液体加入高位槽中，并连续定量送 入连续酯交换塔上部。 连续酯交换塔是一个塔顶带有乙二醇回流的填充式精馏柱的立式泡罩塔。控 制酯交换温度为190220，反应所生成的甲醇蒸气通过塔内各层塔板上的泡罩 齿缝上升，进行气液交换后进入冷凝器冷凝后流入甲醇贮槽中。,合成纤维课件

12、,9-2聚酯纤维,原料由塔顶加入后，经十六个分段反应室流到最后一块塔板，完成酯交换反 应，酯交换的生成物由塔底再沸器加热后流入混合器中。 预缩聚混合器中的单体经过滤器过滤后，经计量泵、单体预热器送入预 缩聚塔底部。预缩聚塔由十六块塔板构成，控制塔内温度在（2655）。单体 由塔底进入后，沿各层塔板的升液管逐层上升，在上升过程中进行缩聚反应，反 应所生成的乙二醇蒸气起搅拌作用，可以加快反应速率。当物料到达最上一层塔 板后，便得到特性粘度0.20.25的预聚物，预聚物由塔顶物料出口流出，进,合成纤维课件,9-2聚酯纤维,缩聚预聚物由计量泵定量连续输送到卧式连续真空缩聚釜的入口。该釜 为圆筒形的内有

13、49枚圆盘轮的单轴搅拌器，釜的底部有与圆盘轮交错安装的隔板 隔成的多段反应室，如图10-3所示。以锌催化剂时，釜内缩聚反应温度不超过 270，加入稳定剂后可控制275278，压力小于133.3Pa。在搅拌器的作用下， 物料由缩聚釜的一端向另一端移动，在移动过程中进行缩聚反应。当物料到达另 一端时，聚酯树脂的特性粘度逐渐增加到0.640.68。然后经过连续纺丝、拉膜或 造粒即得其产品。 （2）直接酯化聚酯生产工艺 直接酯化聚酯生产工艺所用的原料对苯二甲酸与乙二醇的质量要求如表10-3 所示。其工艺过程包括酯化与缩聚。 酯化反应对苯二甲酸与乙二醇按摩尔比11.33配料，以三氧化二锑为 催化剂，在搅

14、拌下，控制酯化温度在乙二醇沸点以上。酯化反应在如图10-2所示 的反应釜中进行。用平均聚合度为1.1的酯化物在反应器中循环，酯化物与对苯 二甲酸的摩尔比为0.8。控制釜的夹套温度为270，物料在釜内第一区室内充分 混合，制成粘度为2Pas的浆液。这种浆液穿过区室间档板上的小孔进入下一个区 室，物料在前进中进行反应，最后获得均一低聚物。反应产生的水，经蒸馏排出 设备外。,合成纤维课件,9-2聚酯纤维,缩聚反应缩聚反应设备与酯交换基本相同，连续酯化后的产物进入缩聚 设备进行连续缩聚反应，即得聚对苯二甲酸乙二醇 酯。 由于直接酯交换法中一般要加入了磷酸三苯酯、 亚磷酸三苯酯等稳定剂，所以聚酯产物的热

15、稳定性 和聚合度都比酯交换法聚酯高，可以作为生产轮胎 帘子线的高质量纤维。 3聚酯的纺丝 聚酯纤维是通过熔融纺丝法生产的，一般是将 聚酯树脂切片经过真空干燥（真空度266.6 666.5Pa，温度140150，时间1020h），除去 吸附的微量水分，并使树脂由无定型变为结晶形后， 在惰性气体的保护下加热成熔体。再在一定压力下 定量压出喷丝孔，冷却后形成纤维，再经拉伸、卷曲、切断等工序成为一定规格 的可纺短纤维；或在拉伸后进行加捻、定型等后处理工序，成为符合各项指标的 长纤维。,合成纤维课件,9-2聚酯纤维,三、聚酯纤维的结构、性能及用途 1聚酯纤维的结构 聚酯纤维的结构为高度对称芳环的线性聚合

16、物，易于取向和结晶，具有较高 的强度和良好的成纤性及成膜性，结晶度为40%60%，结晶速度慢。 2聚酯纤维的性能 用于聚酯纤维原料的具体性能参数参见附表9所示。 聚酯纤维一般为乳白色，相对密度为1.381.4，回潮率很低，具有易洗快 干的特性。在纺织时，容易产生静电，其纺织品在使用过程中易积累静电荷而吸 灰尘。 聚酯纤维的熔点为255265，软化温度230240。遇明火能燃烧，有黑 烟并有芳香气味，离火后自息。 聚酯纤维在承受外力时不易发生变形，纺织品尺寸稳定性好，使用过程中褶 裥持久。耐磨性仅次于聚酰胺纤维。 在室温下，聚酯纤维能耐弱酸、弱碱和强酸，但不耐强碱；对丙酮、苯、卤 代烃等有机溶剂较稳定，但在酚类及酚类与卤代烃的混合溶剂中能溶胀。,合成纤维课件,9-2聚酯纤维,3聚酯纤维的用途 即可以纯纺也或以与其他纤维混纺制成各种机织物和针织物。聚酯长丝可用 于织造薄纱女衫、帷幕窗帘等，与其他纤维混纺可制成各种棉型、毛型及中长纤 维纺织品。 聚酯纤维在工业上可作为轮胎帘子线、制作运输带、篷帆、绳索等。,合成纤维课件,9-3锦纶纤维,锦纶纤维是以聚酰胺基础制得的纤维，是三大合成纤维之一，也