湿法纺丝原理稻谷书苑

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1、濕法紡絲工藝原理濕法紡絲工藝原理1知识书苑第一節概述第一節概述一、工藝概述一、工藝概述1.溶液紡絲工藝流程溶液紡絲工藝流程原液制原液制備備紡前準備（過濾、紡前準備（過濾、脫脫泡、混合泡、混合）紡絲紡絲後處理（水洗、拉伸、熱定型、捲曲、切後處理（水洗、拉伸、熱定型、捲曲、切斷、打包）斷、打包）2. 溶液紡絲的分類溶液紡絲的分類在溶液紡絲法中，根據凝在溶液紡絲法中，根據凝固方式不同，又分為：固方式不同，又分為： 濕法紡絲濕法紡絲 幹法紡絲幹法紡絲濕法紡絲濕法紡絲2知识书苑（1）濕法紡絲）濕法紡絲從從噴噴絲絲頭頭毛毛細細孔孔中中擠擠出出的的紡紡絲絲溶溶液液細細流流進進入入凝凝固固浴浴，聚聚合合物物在

2、在凝凝固固浴浴中中析析出出而而形形成成初初生生纖纖維維的過程。的過程。圖圖1-4 濕法紡絲示意圖濕法紡絲示意圖1-噴絲頭噴絲頭2-凝固浴凝固浴3-導絲盤導絲盤4-捲繞裝置捲繞裝置3知识书苑濕法紡絲中的擴散和凝固不僅是一般的物理和化濕法紡絲中的擴散和凝固不僅是一般的物理和化學過程，對某些化學纖維如粘膠纖維同時還發生學過程，對某些化學纖維如粘膠纖維同時還發生化學變化，因此，濕法紡絲的成形過程比較複化學變化，因此，濕法紡絲的成形過程比較複雜，紡絲速度受溶劑和凝固劑的雙擴散、凝固浴雜，紡絲速度受溶劑和凝固劑的雙擴散、凝固浴的流體阻力等因素限制，所以紡絲速度比熔體紡的流體阻力等因素限制，所以紡絲速度比熔

3、體紡絲低的多。紡絲速度為絲低的多。紡絲速度為5100m/min，而熔體紡，而熔體紡絲的捲繞速度為每分鐘幾百米至幾千米。絲的捲繞速度為每分鐘幾百米至幾千米。 採採用用濕濕法法紡紡絲絲時時，必必須須配配備備凝凝固固浴浴的的配配置置、迴迴圈圈及及回回收收設設備備，工工藝藝流流程程複複雜雜，廠廠房房建建築築和和設設備備投投資資費費用用都都較較大大，紡紡絲絲速速度度低低，成成本本高高且且對對環環境境汙汙染較嚴重。染較嚴重。 目目前前腈腈綸綸、維維綸綸、氯氯綸綸、氨氨綸綸、纖纖維維素素纖纖維維以以及及某某些些由由剛剛性性大大分分子子構構成成的的成成纖纖聚聚合合物物都都需需要要採採用用濕法紡絲。濕法紡絲。4

4、知识书苑（2）乾乾法紡絲法紡絲從噴絲頭毛細從噴絲頭毛細孔孔中中擠擠出出的的紡紡絲絲溶溶液液進進入入紡紡絲絲甬甬道道。通通過過甬甬道道中中熱熱空空氣氣的的作作用用，使使溶溶液液細細流流中中的的溶溶劑劑快快速速揮揮發發，溶溶液液細細流流在在逐逐漸漸脫脫去去溶溶劑劑的的同同時時發發生生濃濃縮縮和和固固化化而而成成為為初初生生纖纖維維的的過過程程。5知识书苑採用採用乾乾法紡絲時，首要的問題是選擇溶法紡絲時，首要的問題是選擇溶劑劑。因因為為紡紡絲絲速速度度主主要要取取決決於於溶溶劑劑的的揮揮發發速速度度，所所以以選選擇擇的的溶溶劑劑應應使使溶溶液液中中的的聚聚合合物物濃濃度度盡盡可可能能高高，而而溶溶劑

5、劑的的沸沸點點和和蒸蒸發發潛潛熱熱應應盡盡可可能能低低，這這樣樣就就可可減減少少在在紡紡絲絲溶溶液液轉轉化化為為纖纖維維過過程程中中所所需需揮揮發發的的溶溶劑劑量量，降降低低熱熱能能消消耗耗，並並提提高高紡紡絲絲速速度度。除除了了技技術術經經濟濟要要求求外外，還還應應考考慮慮溶溶劑劑的的可可燃燃性性以以滿滿足足安安全全防防護護要要求求。最最常常用用的的幹幹法法紡紡絲絲溶溶劑劑為丙為丙酮酮、二甲基甲醯胺等。、二甲基甲醯胺等。6知识书苑 目前幹法紡絲速度一般為目前幹法紡絲速度一般為200500m/min，高者可達高者可達10001500m/min，但由於受溶，但由於受溶劑劑揮揮發發速速度度的的限限

6、制制，幹幹紡紡速速度度還還是是比比熔熔紡紡低低，而而且且還還需需要要設設置置溶溶劑劑回回收收等等工工序序，故故輔助設備比熔體紡絲多。輔助設備比熔體紡絲多。 幹幹法法紡紡絲絲一一般般適適宜宜紡紡制制化化學學纖纖維維長長絲絲，主主要要生生產產的的品品種種有有腈腈綸綸、醋醋酯酯纖纖維維、氯氯綸綸、氨綸等。氨綸等。7知识书苑（3）乾乾濕法紡絲濕法紡絲從噴絲頭毛細孔中擠出的紡絲溶液先經從噴絲頭毛細孔中擠出的紡絲溶液先經過過一一段段空空氣氣層層，然然後後進進入入凝凝固固浴浴凝凝固固成成形形的的過過程程。與與普普通通濕濕法法紡紡絲絲相相比比，紡紡絲絲速速度度提高提高510倍。倍。8知识书苑2. 紡絲溶液的製

7、備和紡前準備紡絲溶液的製備和紡前準備（1）紡絲溶液的製備）紡絲溶液的製備對於溶液紡絲紡絲溶液對於溶液紡絲紡絲溶液的製備有兩種方法：的製備有兩種方法：一一步步法法：將將聚聚合合後後的的聚聚合合物物溶溶液液直直接接送送去去紡紡絲絲，這這種種方方法法稱稱一一步步法法。必必須須採採用用均均相相聚合，只有聚合，只有腈腈綸可採用一步法。綸可採用一步法。 二二步步法法：先先將將聚聚合合得得到到的的溶溶液液分分離離製製成成顆顆粒粒狀狀或或粉粉末末狀狀的的成成纖纖聚聚合合物物，然然後後在在溶溶解解製成紡絲溶液，這種方法稱為二步法。製成紡絲溶液，這種方法稱為二步法。9知识书苑 目目前前在在採採用用溶溶液液紡紡絲絲

8、法法生生產產的的主主要要化化學學纖纖維維品品種種中中，只只有有腈腈綸綸既既可可採採用用一一步步法法，又又可可採採用用二二步步法法紡紡絲絲，其其它它品品種種的的成成纖纖聚聚合合物物，無無法法採採用用一一步步法法生生產產工工藝藝。雖雖然然採採用用一一步步法法省省去去的的聚聚合合物物的的分分離離、乾乾燥燥、溶溶解解等等工工序序，可可簡簡化化工工藝藝流流程程，提提高高勞勞動動生生產產率，但制得的纖維品質不穩定。率，但制得的纖維品質不穩定。10知识书苑 在纖維素纖維生在纖維素纖維生產產中，由於纖維素不溶于中，由於纖維素不溶于普通溶劑，所以通常是將其轉變成衍生物普通溶劑，所以通常是將其轉變成衍生物（纖維素

9、黃酸（纖維素黃酸酯酯、纖維素醋酸、纖維素醋酸酯酯、纖維素、纖維素氨基甲酸氨基甲酸酯酯CC等）之後，再溶解製成紡絲等）之後，再溶解製成紡絲溶液，進行紡絲成形及後加工。採用新溶溶液，進行紡絲成形及後加工。採用新溶劑（劑（N-甲基嗎啉甲基嗎啉- N-氧化物）紡絲工藝時，氧化物）紡絲工藝時，纖維素可直接溶解在溶劑中製成紡絲溶液纖維素可直接溶解在溶劑中製成紡絲溶液（Lyocell）。）。 紡絲溶液的濃度根據纖維品種和紡絲方法紡絲溶液的濃度根據纖維品種和紡絲方法的不同而異。通常，用於濕法紡絲的紡絲的不同而異。通常，用於濕法紡絲的紡絲溶液濃度溶液濃度為為12%25%；用於幹法紡絲的紡；用於幹法紡絲的紡絲溶液

10、濃度則高一些，一般絲溶液濃度則高一些，一般在在25%35%之之間。間。11知识书苑（2）紡前準備）紡前準備採採用用二二步步法法時時，需需要要選選擇擇合合適適的的溶溶劑劑將將成成纖纖聚聚合合物物溶溶解解，所所得得的的溶溶液液在在送送去去紡紡絲絲之之前前還還要要經經過過混混合合、過過濾和濾和脫脫泡等工序，這些工序總稱為紡前準備。泡等工序，這些工序總稱為紡前準備。混合：混合的目的是使各批紡絲溶液的性質（主要是混合：混合的目的是使各批紡絲溶液的性質（主要是濃度和粘度）均勻一致。濃度和粘度）均勻一致。過濾：過濾的目的是除去雜質和未溶解的高分子物。過濾：過濾的目的是除去雜質和未溶解的高分子物。紡絲溶液的過

11、濾，一般採用板框式壓濾機，過濾材紡絲溶液的過濾，一般採用板框式壓濾機，過濾材料選用能承受一定壓力、並具有一定緊密度的各種織料選用能承受一定壓力、並具有一定緊密度的各種織物，一般要連續進行物，一般要連續進行24道過濾。後一道過濾所用的道過濾。後一道過濾所用的濾材應比前一道更緻密，這樣才能發揮應有的效果。濾材應比前一道更緻密，這樣才能發揮應有的效果。12知识书苑 脫脫泡：泡：脫脫泡是為了除去留存在紡絲溶液中氣泡是為了除去留存在紡絲溶液中氣泡。這些氣泡會在紡絲過程中造成斷頭、毛泡。這些氣泡會在紡絲過程中造成斷頭、毛絲和氣泡絲而降低纖維品質，甚至使紡絲無絲和氣泡絲而降低纖維品質，甚至使紡絲無法正常進行

12、。法正常進行。脫脫泡過程可在常壓或真空狀態泡過程可在常壓或真空狀態下進行。在常壓下靜置下進行。在常壓下靜置脫脫泡，因氣泡較小，泡，因氣泡較小，氣泡上升速度很慢，氣泡上升速度很慢，脫脫泡時間很長；而在真泡時間很長；而在真空狀態下空狀態下脫脫泡，真空度越高，液面上壓力越泡，真空度越高，液面上壓力越小，氣泡會迅速脹大，小，氣泡會迅速脹大，脫脫泡速度可大大加快。泡速度可大大加快。13知识书苑3. 濕法紡絲工藝過程濕法紡絲工藝過程圖圖1-4 濕法紡絲示意圖濕法紡絲示意圖1-噴絲頭噴絲頭2-凝固浴凝固浴3-導絲盤導絲盤4-捲繞裝置捲繞裝置紡絲溶液經混合、過濾和紡絲溶液經混合、過濾和脫脫泡等紡前準備後，送泡

13、等紡前準備後，送至紡絲機，通過紡絲至紡絲機，通過紡絲泵泵計量，經燭形濾器、鵝頸管計量，經燭形濾器、鵝頸管進入噴絲頭（帽），從噴絲頭毛細孔中擠出的溶液進入噴絲頭（帽），從噴絲頭毛細孔中擠出的溶液細流進入凝固浴，溶液細流中的溶劑向凝固浴擴細流進入凝固浴，溶液細流中的溶劑向凝固浴擴散，浴中的凝固劑向細流散，浴中的凝固劑向細流內內部擴部擴散散(雙擴散）。於是雙擴散）。於是聚合物在凝固浴中析出而形成初生纖維。聚合物在凝固浴中析出而形成初生纖維。14知识书苑4.熔紡和濕紡的不同熔紡和濕紡的不同紡絲方法紡絲方法熔紡熔紡濕紡濕紡紡絲體系組成紡絲體系組成一元（高聚物）一元（高聚物）二元（幹法）高聚物二元（幹法）

14、高聚物+溶劑溶劑三元三元（濕法）高聚（濕法）高聚物物+溶溶劑劑+沉澱劑沉澱劑固化過程機理固化過程機理傳熱傳熱傳熱、傳質、擴散、相分離傳熱、傳質、擴散、相分離紡絲速度紡絲速度每分鐘幾百米至幾千米每分鐘幾百米至幾千米每分鐘幾米至幾十米每分鐘幾米至幾十米工藝流程工藝流程簡單簡單複雜複雜設備設備自動化和精度要求高自動化和精度要求高自動化和精度要求一般自動化和精度要求一般環境環境污污染染環境環境污污染較輕染較輕環境環境污污染較嚴重染較嚴重經濟經濟成本低成本低必須配備凝固浴的配置、迴圈及回必須配備凝固浴的配置、迴圈及回收設備，收設備，成本高。成本高。15知识书苑第二節 聚合物的溶解一. 溶解過程的特點和熱

15、力學解釋（1）聚合物溶解過程的特點聚聚合合物物的的溶溶解解過過程程是是聚聚合合物物大大分分子子在在溶溶劑劑分分子子的的作作用用下下，使使大大分分子子之之間間的的作作用用力力不不斷斷減減弱弱，進進而而均均勻勻地地與與溶溶劑劑分分子子相相互互混混合合直直至至成成為為分分子子分分散散的的均均相體系的過程。相體系的過程。高聚物的溶解過程一般分為兩個階段：先溶脹後溶解。首首先先是是溶溶劑劑分分子子擴擴散散進進入入高高聚聚物物的的外外層層，並並逐逐漸漸由由外外層層進進入入內內層層，使使高高聚聚物物體體積積膨膨脹脹，稱稱為為膨膨脹脹階階段段；然然後後，大大分分子子逐逐漸漸進進入入到到溶溶劑劑中中去去，直直到

16、到形形成均勻的溶液，達到完全溶解。成均勻的溶液，達到完全溶解。16知识书苑17知识书苑18知识书苑 交聯高聚物只溶脹，不溶解。 高聚物支化度越高，溶解度越低。 晶態高聚物的溶解是先熔融後溶解。由由於於晶晶態態高高聚聚物物的的分分子子排排列列規規整整，堆堆砌砌緊緊密密，分分子子間間作作用用力力很很強強，溶溶劑劑分分子子很很難難滲滲入入高高聚聚物物內內部部，因因此晶態高聚物的溶解要比非晶態高聚物困難的多。此晶態高聚物的溶解要比非晶態高聚物困難的多。 高聚物的極性越高，越容易溶解。 非極性的晶態非極性的晶態高聚物在室溫下很難溶解，一般需升高聚物在室溫下很難溶解，一般需升高溫度，甚高溫度，甚至到熔點附

17、近，晶態轉變為非晶態後才至到熔點附近，晶態轉變為非晶態後才能溶解，例能溶解，例如全同立構聚丙如全同立構聚丙烯烯在十在十氫萘氫萘中需中需135才才能溶解。能溶解。極性晶態高聚物在室溫下溶解於極性溶劑極性晶態高聚物在室溫下溶解於極性溶劑中，如聚中，如聚醯胺可溶於甲苯酚、醯胺可溶於甲苯酚、40%硫酸、苯酚硫酸、苯酚-冰醋冰醋酸的混酸的混合溶劑中；合溶劑中；聚乙聚乙烯烯醇可溶于水、乙醇等。醇可溶于水、乙醇等。19知识书苑高聚物的溶解速度較小。高高聚聚物物的的溶溶解解速速度度較較之之小小分分子子物物質質的的溶溶解解過過程程要要慢慢的的多多，一一般般需需要要幾幾個個小小時時乃乃至至數數天天。由由於於高高聚

18、聚物物與與溶溶劑劑分分子子的的尺尺寸寸相相差差懸懸殊殊，兩兩者者分分子子運運動動的的速速度度存存在在數數量量級級的的差差別別，因因此此，當當高高聚聚物物與與溶溶劑劑混混合合後後，溶溶劑劑分分子子很很快快滲滲透透進進入入高聚物，而高聚物向溶劑擴散速度卻非常慢。高聚物，而高聚物向溶劑擴散速度卻非常慢。20知识书苑2. 聚合物溶解過程的熱力學聚合物溶解過程的熱力學1. 聚合物溶解過程中的分子運動變化：聚合物溶解過程中的分子運動變化：作用力作用力大分子與溶劑間作用力大分子與溶劑間作用力大分子之間大分子之間溶溶劑劑之之間間各種分子空間排列狀態數及運動自由度各種分子空間排列狀態數及運動自由度2. 聚合物溶

19、解過程中的熱力學參數變化聚合物溶解過程中的熱力學參數變化:Fm 0，因此，因此Fm 的正負取決於的正負取決於Hm 的正負和大小。的正負和大小。21知识书苑通常根據聚合物溶劑體系在溶解過程中熱力學函數的變化，大體可以劃分為下述兩種類型的 溶解情況。（A）由熱焓變化決定的溶解過程 在這類體系中，溶解過程所發Th的熵變與過程的熱焓變化相比非常小，可以忽略，Sm 0，則Fm= Hm= X1 H11+X2 H22- H12聚合物溶解的條件： Fm|x1H12+x2H22|特徵： Sm 0， Hm 1.72.0, 溶劑系不良溶劑。溶劑系不良溶劑。選擇溶劑常用的規則選擇溶劑常用的規則：盡可能找與聚合物：盡可

20、能找與聚合物C.E.D.或或相近的溶劑。相近的溶劑。mSPSPm2 VH= 37知识书苑高聚物的溶解度參數除用實驗方法直接測定高聚物的溶解度參數除用實驗方法直接測定外，還可以從高聚物的結構式按下式進行近似外，還可以從高聚物的結構式按下式進行近似估算估算。式中：式中：E為高聚物分子的結構單元中不同基團為高聚物分子的結構單元中不同基團或原子的摩爾吸引常數；或原子的摩爾吸引常數；為高聚物的密度；為高聚物的密度；M0000為結構單元的分子量。為結構單元的分子量。MO Ep =38知识书苑基團E基團E基團ECH3CH2302.83269.07COCHO538.14599.53Cl2 Cl（伯）700.8

21、1419.46CH175.97（CO）2O1160.18Cl（仲）425.60C65.48OH462.43Cl（芳）329.43CH2=CH=258.84248.61OH（芳）-H（酸性二聚物）349.89-103.33F共軛鍵83.8947.06C172.90NH2463.46順-14.32CH=（芳）239.40NH368.31反-27.62C=（芳）200.52N124.82六元環-48.09O（醚）235.31CN725.37鄰19.44O（環氧）360.13NCO733.55間13.30COO668.07S428.67對81.85表表 某些基團的摩爾吸引常數某些基團的摩爾吸引常數E（

22、Jcm3）1/239知识书苑表表4-1查查到到-CH2，-CH，-Cl（仲）的摩爾吸（仲）的摩爾吸引常數分別為引常數分別為269.07、175.97、425.60（J/cm3）1 / 2。結構單元的分子量。結構單元的分子量M0 0 0 0為為66662222.5555，聚聚氯氯乙乙烯烯的密度的密度 =1.4，則，則 聚聚氯氯乙乙烯烯的實測的實測值值 =19.44，二者非常接近。，二者非常接近。62.5M01.4 (269.07 + 175.97 + 208)E = 19.50CH2CHCl 如聚如聚氯氯乙乙烯烯的結構式為的結構式為n，由，由40知识书苑 在選擇高聚物的溶劑時，除使用單一溶劑在選

23、擇高聚物的溶劑時，除使用單一溶劑外，還經常選用混合溶劑，混合溶劑對高聚外，還經常選用混合溶劑，混合溶劑對高聚物的溶解能力往往高於單一溶劑，甚至兩種物的溶解能力往往高於單一溶劑，甚至兩種非溶劑的混合物也會對某種高聚物有很好的非溶劑的混合物也會對某種高聚物有很好的溶解能力。在某些情況下，高聚物不能溶于溶解能力。在某些情況下，高聚物不能溶于單組分溶劑中，必須使用二元或多元混合溶單組分溶劑中，必須使用二元或多元混合溶劑。劑。 如聚丙如聚丙烯腈烯腈不能溶解於硝基甲不能溶解於硝基甲烷烷或甲酸中，或甲酸中，卻能溶於硝基甲卻能溶於硝基甲烷烷-甲酸的混合溶劑中。甲酸的混合溶劑中。 如醋酸纖維素溶於醇如醋酸纖維素

24、溶於醇-水水-丙丙酮酮或水或水-丙丙酮酮的混的混合溶劑。合溶劑。41知识书苑混合溶劑的溶解能力混合溶劑的溶解能力內內聚能密度聚能密度單一溶劑的單一溶劑的混合溶劑的混合溶劑的體體系系（J/cm3）溶解能力溶解能力溶解能力溶解能力2，3-碳酸二丁碳酸二丁酯酯607聚丙聚丙烯腈烯腈992不溶解不溶解150160時溶解時溶解丁二丁二烯烯亞胺亞胺1105硝基甲硝基甲烷烷674聚丙聚丙烯腈烯腈992不溶解不溶解溶溶解解甲甲酸酸465丙丙酮酮403聚聚氯氯乙乙烯烯381不溶解不溶解很容易溶解很容易溶解二硫化碳二硫化碳419甲甲苯苯338丁丁腈腈橡膠橡膠370不溶解不溶解溶溶解解丙二酸二甲丙二酸二甲酯酯444

25、42知识书苑混合溶劑的溶解度參數可用下式計算：混合溶劑的溶解度參數可用下式計算：上上訴訴的的溶溶解解度度參參數數理理論論，只只有有在在估估計計非非極極性性溶溶劑劑和和非非極極性性高高聚聚物物的的互互溶溶性性時時才才適適用用。對對於於極極性性較較高高的的或或易易形成形成氫氫鍵的溶劑或高聚物，常會出現偏差情況。鍵的溶劑或高聚物，常會出現偏差情況。1122式 中 ：式 中 ： xi為為i(i=1， 1 11 = =iii( (2 )2)組分組分2 )2) 的摩爾分數；的摩爾分數；Vi為摩爾體積；為摩爾體積；i i iVVV i為溶解度參數；為溶解度參數；max為混合溶劑的溶解度參數。為混合溶劑的溶解

26、度參數。此式只有在混合前後無體積變化時才適用。此式只有在混合前後無體積變化時才適用。如果兩種溶劑的摩爾體積近於相等，如果兩種溶劑的摩爾體積近於相等，V1V2時時maxxV + x V= x1V11 + x2V22min= x11+ x2243知识书苑2. 對對極極性性溶溶劑劑體體系系：Hansen基基於於上上述述溶溶解解度度參參數數理理論論的的缺缺點點，提提出出了了進進一一步步的的改改進進。他他將將內內聚聚能能密密度度看成由三種不同性質的作用力看成由三種不同性質的作用力色散力、極性色散力、極性（包括誘導）和（包括誘導）和氫氫鍵的總貢獻。鍵的總貢獻。溶解度參數可表示為：溶解度參數可表示為：式中：

27、式中：dddd表示溶解度參數中色散力表示溶解度參數中色散力的貢獻；的貢獻；pppp表示極性對溶解度參數的表示極性對溶解度參數的貢獻；貢獻；hhhh表示表示氫氫鍵對溶解度參數的貢鍵對溶解度參數的貢獻。獻。222 =d+ p + h44知识书苑選擇溶劑的方法：選擇溶劑的方法：由三維座標由三維座標(d、p、h)圖預測圖預測以某以某高聚物的溶解度參數（高聚物的溶解度參數（dddd、pppp和和hhhh）為）為球心，以球心，以R為半徑，在三維座標上作一球形。如果某為半徑，在三維座標上作一球形。如果某高聚物在某些溶劑中介於溶解和部分溶解之間，則可高聚物在某些溶劑中介於溶解和部分溶解之間，則可根據它們的溶解

28、度參數（根據它們的溶解度參數（dddd、pppp和和hhhh）與相應高）與相應高聚聚物的溶解度參數（物的溶解度參數（ ddd d、 ppp p和和 hhh h） 之 間 的 距） 之 間 的 距 離，作為離，作為球的半徑球的半徑R。球球內內的的，可可以以與與高高聚聚物物生生成成真真溶溶液液；凡凡接接近近於於球球體體邊邊界界的的，與與該該高高聚聚物物可可部部分分互互溶溶；在在邊邊界界之之外外的的，為該高聚物的非溶劑。為該高聚物的非溶劑。45知识书苑溶劑的三因次溶解度參數（溶劑的三因次溶解度參數（J/cm3）1/2溶劑dph甲醇29.2215.1812.2822.30乙醇26.4415.828.8

29、019.44環 己 醇22.4117.394.0913.50間-甲 酚22.7318.045.1212.89醋酸21.4814.537.8913.50甲酸24.8614.3211.8716.57-丁內酯26.1518.9516.577.37二硫化碳20.4220.3200氯仿18.9717.703.075.73三氯甲烷20.3218.236.346.14甲 乙 酮18.9715.909.005.12二甲基亞碸26.4618.4216.3710.23二甲基甲醯胺24.8417.4313.7011.25四氫呋喃19.4816.825.737.98苯18.7218.311.022.05丙酮19.99

30、15.5110.446.96四氯化碳16.6817.7000鄰二氯苯20.4219.136.343.2746知识书苑高聚物的三因次溶解度參數高聚物的三因次溶解度參數聚合物dph聚異丁烯36.0132.744.0914.73聚苯乙烯41.1336.0112.488.39聚氯乙烯46.0439.2918.2814.73聚醋酸乙烯47.2738.8820.8716.78聚甲基丙烯酸甲酯47.2738.4720.8717.60聚甲基丙烯酸乙酯45.2238.4722.108.80聚丁二烯38.4738.4710.445.12聚異戊二烯38.4735.606.346.34根根據據這這一一作作圖圖法法，可

31、可以以對對各各種種溶溶劑劑進進行行比比較較，離離球球心心越越近近的的溶溶劑劑，對對該該聚聚合合體體的的溶溶劑劑性性能能就就越越好好。這這一一原原理理不不僅僅適適用用與與非非極極性性高高聚聚物物與與溶溶劑劑，而而且且也也適適用用於於極極性性的的，易易成成氫氫鍵鍵的的高高聚物及溶劑。聚物及溶劑。47知识书苑（三（三高高）分子分子-相互作用參數相互作用參數(哈金斯哈金斯參數參數) 1X1111反映了高分子與溶劑混合過程中相互作用能的變化。反映了高分子與溶劑混合過程中相互作用能的變化。X11 11的數的數值值可作為溶劑優劣的半定量判據。可作為溶劑優劣的半定量判據。如如X1 1 1 1 00 00. .

32、55 55，高聚物一般不能溶解；，高聚物一般不能溶解；如如X1 1 1 1 00 00. .55 55，高聚物能，高聚物能夠夠溶解。溶解。1 ，高分子，高分子-溶劑相互作用力溶劑相互作用力即溶劑的溶解能力即溶劑的溶解能力48知识书苑（四）紡絲原液所用溶劑的工藝要求1. 從工藝學上考慮（1）溶劑還必須使濃溶液具有良好的流變性能。（2）等濃度溶液的粘度越低或等粘度溶液的濃度越高。 2. 從經濟效果和勞動保護考慮（1）沸點不應太低或過高，通常以溶劑沸點在50160範圍內為佳；如沸點太低，會由於揮發而造成浪費， 並污染空氣；如沸點太高，則不便回收。（2）溶劑需具備的足夠熱穩定性和化學穩定性，在回收 過

33、程中不易分解。（3）要求溶劑的毒性低，對設備的腐蝕性小。（4）溶劑在溶解聚合物的過程中，不引起對高聚物的破 壞或發Th其他的化學變化。49知识书苑目目前前生生產產中中採採用用的的有有些些溶溶劑劑或或多多或或少少存存在在著著不不穩穩定定、有有毒毒、不不易易回回收收、價價格格昂昂貴貴等等缺點。一種代替易揮發溶劑缺點。一種代替易揮發溶劑離子液體離子液體（ionic liquid），正在研究和開發之中。），正在研究和開發之中。離離子子液液體體是是在在室室溫溫及及相相鄰鄰溫溫度度範範圍圍內內完完全全由由離離子子組組成成的的有有機機液液體體。離離子子液液體體具具有有極極性性強強、不不揮揮發發、不不易易氧氧

34、化化、不不易易燃燃易易爆爆、對對無無機機和和有有機機化化合合物物有有良良好好的的溶溶解解性性和和對對絕絕大大部部分分試試劑劑穩穩定定等等優優良良特特性性，因因此此被被稱稱為為綠綠色色溶劑。溶劑。50知识书苑 聚聚丙丙烯烯腈腈在在濃濃鹽鹽水水中中的的溶溶解解性性能能表表明明，濃濃鹽鹽水水是是一一種種極極性性溶溶劑劑，它它一一般般是是極極性性高高聚聚物物的的良良溶溶劑劑；並並且且它它對對聚聚丙丙烯烯腈腈的的溶溶解解度度在在某某一一濃濃度度達達到到最最佳佳值值，此此時時鹽鹽的的離離子子幾幾乎全部溶劑化。乎全部溶劑化。 另另外外，在在溶溶劑劑中中加加入入一一些些添添加加劑劑，也也能能使使聚聚丙丙烯烯腈

35、腈的的溶溶解解度度增增加加。例例如如，在在溶溶液液中中加加入入氯氯化化鋅鋅，氯氯化化鈣鈣等等電電解解質質，可可使使聚聚丙丙烯烯腈腈的的溶溶解解度度增增加加並並使使溶溶液液的的粘粘度度降降低低。在在硫硫氰氰酸酸鈉鈉水水溶溶液液中中添添加加一一些些乙乙醇醇，也也能能收到類似的效果。收到類似的效果。51知识书苑幾種成纖高聚物常用的溶劑幾種成纖高聚物常用的溶劑聚 合 物溶劑溶劑的沸點（）聚合物溶解的最溫 度低溫度（）聚乙烯醇水1006080聚丙烯腈DMF15320DMAc16575碳酸乙烯酯2387080DMSo189硝酸（5070）低於0硫酸（6070）NaSCN溶77液（4855）低於20聚氯乙烯

36、丙酮加二硫化60碳（1:1）DMF15360150DMAc165110130聚間苯甲醯胺含有親液鹽類（氯化鋰）的DMAc溶液聚間苯二甲醯間苯二胺DMF153DMAC165DMSO189含有親液鹽類（氯化鋰）的DMSO溶液聚間苯二甲醯間苯二胺硫酸（發煙硫酸）聚對苯甲醯胺含有親液鹽類（氯化鋰）的DMAc溶液52知识书苑四、聚合物溶劑體系的相平衡四、聚合物溶劑體系的相平衡1、聚合物、聚合物-溶劑體系的相平衡關係溶劑體系的相平衡關係+S溶劑（溶解、原液製備）溶劑（溶解、原液製備）P紡絲溶液紡絲溶液+N凝固劑（相分離、紡絲成形）凝固劑（相分離、紡絲成形）兩相兩相均相體系均相體系在制取紡絲原液時，要選擇合

37、適的聚合物在制取紡絲原液時，要選擇合適的聚合物-溶劑體溶劑體系，以便在一般工藝條件下制得均勻的單項溶液；系，以便在一般工藝條件下制得均勻的單項溶液；在纖維形成時，無論是排除部分溶劑，或是使凝在纖維形成時，無論是排除部分溶劑，或是使凝固劑擴散到原液細流中，都應使體系固劑擴散到原液細流中，都應使體系內內的高聚物和的高聚物和溶劑具有最小的互溶性。溶劑具有最小的互溶性。53知识书苑2、聚合物、聚合物-溶劑體系的相平衡關係圖及其基本類型溶劑體系的相平衡關係圖及其基本類型不同的聚合不同的聚合物物-溶劑體系具有不同的相平衡特徵。溶劑體系具有不同的相平衡特徵。相圖：多組分溶液相態的溫度與濃度關係圖。相圖：多組

38、分溶液相態的溫度與濃度關係圖。圖中：劃線區圖中：劃線區內內表示不能互相混溶的兩相體系；表示不能互相混溶的兩相體系；劃線區外是互溶的均相體系；劃線區外是互溶的均相體系；P聚合物；聚合物；S溶劑；溶劑；Tb溶劑的沸點；溶劑的沸點；Tf溶劑的凝固點；溶劑的凝固點；UCST上臨界混溶溫度；上臨界混溶溫度；LCST下臨界混溶溫度。下臨界混溶溫度。54知识书苑（1）Tf LCST UCST Tb在溶劑的常規溶液相態下，也即在溶劑在溶劑的常規溶液相態下，也即在溶劑的的T bbb b - - TTT T fff f溫 度 圍 範溫 度 圍 範 內內 ， 體 系 基 本 為 不 相 混 溶， 體 系 基 本 為

39、 不 相 混 溶 的的兩相。兩相。 不適用於紡絲溶液體系不適用於紡絲溶液體系。55知识书苑（2）Tf Tb LCST在溶劑的常規溶液相態下，也即在在溶劑的常規溶液相態下，也即在溶 劑 的溶 劑 的T bbb b - - TTT T fff f溫 度 圍 範溫 度 圍 範 內內，體系為混溶的均，體系為混溶的均相；溫度高於溶劑沸點相；溫度高於溶劑沸點Tbbbb以上會出現互不相以上會出現互不相溶的區域。溶的區域。 適用於幹法紡絲溶液體系。適用於幹法紡絲溶液體系。56知识书苑（3）UCST Tf Tb在在溶溶劑劑的的常常規規溶溶液液相相態態下下，也也即即在在溶溶劑劑的的T bbb b - - TTT

40、T fff f溫溫 度度 圍圍 範範 內內 ，體體系系為為混混溶溶的的均均相相；溫溫度低於溶劑凝固點度低於溶劑凝固點Tffff以下會出現互不相溶以下會出現互不相溶的區域。的區域。適用於凍膠紡絲溶液體系。適用於凍膠紡絲溶液體系。57知识书苑（4） Tf LCST Tb下臨界混溶溫度下臨界混溶溫度L C S T 在在T b - T f溫 度 圍 範溫 度 圍 範fff TTT - bbb 內內，溫度越低溶解度越高。溫度越低溶解度越高。適用於粘膠紡絲溶液適用於粘膠紡絲溶液體系。體系。58知识书苑（5）Tf UCST Vo, 熔紡和部分濕紡熔紡和部分濕紡噴頭拉伸率（噴頭拉伸率（VL -Vo）/ Vo0

41、（2）零拉伸：）零拉伸：VLVo, 濕紡濕紡噴頭拉噴頭拉伸率伸率（VL-Vo）/Vo=0（3）負拉伸：）負拉伸：VL Vo, 濕紡濕紡噴頭拉伸噴頭拉伸率（率（VL -Vo）/ Vo 0, 02xdvxdx2d vdx2 0,dx 077知识书苑二、濕法形成區二、濕法形成區內內的噴絲頭拉伸的噴絲頭拉伸1.紡絲線在成型區紡絲線在成型區內內的拉伸狀態的表徵的拉伸狀態的表徵（1）噴絲頭拉伸率）噴絲頭拉伸率（2）噴絲頭拉伸比）噴絲頭拉伸比（3）平均軸向速度梯度）平均軸向速度梯度式式中中：V0為為紡紡絲絲原原液液的的擠擠出出速速度度；VL為為初初生生纖纖維維在在第第一一導導輥輥上上的的卷卷取取速速度度；X

42、e為為凝凝固固長長度度、即即凝凝固固點與噴絲頭表面之間的距離。點與噴絲頭表面之間的距離。0av (%) = vL v0 100av0 100i= vL= a+ 1xae(q )X= VLV 078知识书苑2.紡絲線在成型區紡絲線在成型區內內的真實拉伸狀態的表徵的真實拉伸狀態的表徵可以可以看出，上述公式計算均看出，上述公式計算均以以V0作為基準。對作為基準。對於於濕濕法法紡紡絲絲所所採採用用的的負負拉拉伸伸、零零拉拉伸伸或或不不大大的的正正拉拉伸伸工工藝藝，其其絲絲條條所所受受到到的的真真正正拉拉伸伸狀狀況況無無法法表表征征，所所以以噴噴絲絲頭頭拉拉伸伸狀狀態態的的表表徵徵就就不不應應該該以以V

43、0為為計算基準，而應該以計算基準，而應該以Vf為計算基準。為計算基準。79知识书苑（1）真實噴絲頭拉伸率）真實噴絲頭拉伸率（2）真實噴絲頭拉伸比）真實噴絲頭拉伸比（3）真實平均軸向速度梯度）真實平均軸向速度梯度Vf可以直接從單位時間可以直接從單位時間內內自由流出細流的長度測自由流出細流的長度測得，也可以從紡絲線上拉伸應力為零時的外推得，也可以從紡絲線上拉伸應力為零時的外推值值求出。此外，還有人建議從自由流出細流的直徑求出。此外，還有人建議從自由流出細流的直徑Dm來間接計算，但這樣做，必須考慮品質傳遞過來間接計算，但這樣做，必須考慮品質傳遞過程中的影響。程中的影響。xfe(q )Xvv=LfVf

44、fVL Vf(%) = 100ffVLi=+ 1V100f80知识书苑根據連續方程，在無品質傳遞時，單位時間根據連續方程，在無品質傳遞時，單位時間內內通過通過紡程各點的紡絲線品質應相等，即：紡程各點的紡絲線品質應相等，即：當紡絲線的密度沿紡程變化不大時，則可簡化為：當紡絲線的密度沿紡程變化不大時，則可簡化為：22000R (X)v(X)(X) = R v R2 (X)v(X)(X) = K式式中中x為紡程處紡絲線的密度。為紡程處紡絲線的密度。對於自由流出細流：對於自由流出細流：R v 22000fff= R v ff2200R v= R v81知识书苑B00110000= ffff v v 2

45、RRB= v v 220ff0 R R= 0 = v 0B2vv此時，自由流出細流的脹大比與之間有下列關係：此時，自由流出細流的脹大比與之間有下列關係：這就是這就是說說，在傳質和密度變化可以忽略的情況下，在傳質和密度變化可以忽略的情況下，Vf可從自由流出細流的直徑求得。即可從自由流出細流的直徑求得。即在有傳質過程的一般濕紡情況下，上式不再成立。在有傳質過程的一般濕紡情況下，上式不再成立。82知识书苑當表觀噴絲頭拉伸率當表觀噴絲頭拉伸率a一定時，如果一定時，如果Rf/R0比比值值不不同，則真實噴絲頭拉伸率亦異。同，則真實噴絲頭拉伸率亦異。f與與a的的值值不不僅大小上經常不同，而且符號亦常相異。僅

46、大小上經常不同，而且符號亦常相異。00100100ffvLR0v ( R0 )2R (%) = 1100 = ( a+ 1)( Rf )2 1100= ( a+ 1)B 2 1100200fvvi= vL Rf= vL B 2 R00 0L 0 L 0fxfeeRBXXvv ( R0 )2vv ( 1 )2(q )=83知识书苑B0對脹大細流拉伸的影響對脹大細流拉伸的影響可見在表觀上，噴絲頭的拉伸率是負的，如果由於細流的可見在表觀上，噴絲頭的拉伸率是負的，如果由於細流的脹大較大，細流實際上所經受的拉伸率卻是正的。脹大較大，細流實際上所經受的拉伸率卻是正的。84知识书苑3. 噴絲頭拉伸率對纖維品

47、質和可紡性的影響噴絲頭拉伸率對纖維品質和可紡性的影響腈腈綸硫綸硫氰氰酸鈉法成形時，噴絲頭拉伸率對可紡性的影響酸鈉法成形時，噴絲頭拉伸率對可紡性的影響85知识书苑a 一定時，一定時，B0不同則不同則f不同（不僅大小不同，不同（不僅大小不同，為正為正值值時，時，如果如果 取取值值不合理，不但會影響紡絲的順利不合理，不但會影響紡絲的順利符號也可能相反）當符號也可能相反）當a 為負為負值值而而fa進行，而且成品纖維品質也會下降。進行，而且成品纖維品質也會下降。經驗關係式經驗關係式2maxln= 0.567 0.362ln + 0.074ln X S X S* eeVfVL VfE VfE 鬆弛時間；鬆

48、弛時間；E彈性模量；彈性模量；S*斷裂強度；斷裂強度；VLmax第一導絲輥的最大速度第一導絲輥的最大速度Vf VLmax ( (幅度較小幅度較小) )86知识书苑正常紡絲的緩衝範圍正常紡絲的緩衝範圍 VLVL = VLmaxVL 成形穩定成形穩定性性v0一定時一定時，B0 Vf VLmax VL 即可紡性即可紡性最小的擠出脹大比相當於最好的可紡性最小的擠出脹大比相當於最好的可紡性例例PAN-NaSCN紡絲：紡絲：原液溫度原液溫度 3235 紡速紡速6070m/min原液溫度原液溫度6070 紡速紡速200m/minT 可以提高可以提高 B VL87知识书苑第四節第四節 濕法成形中紡絲線上受力分

49、析濕法成形中紡絲線上受力分析一、紡絲線上軸向的力平衡一、紡絲線上軸向的力平衡濕法紡絲線上軸向受力分析與熔紡基本相同。濕法紡絲線上軸向受力分析與熔紡基本相同。紡絲線上各項力的平衡應滿足於下列方程式：紡絲線上各項力的平衡應滿足於下列方程式：Fr(X) + Fg (X) = Fs(X) + Fi(X) + Ff (X) + Fc + Fr(0)Fr(X)為紡絲線在為紡絲線在X點的流變力或張力；點的流變力或張力；Fg(X)為為0至至X長的紡絲線所受到的重力；長的紡絲線所受到的重力；Fs(X) 為紡絲線所需克服的表面張力；為紡絲線所需克服的表面張力；Fi(X)為為0至至X紡絲線作軸向加速運動所需克服的慣

50、性力；紡絲線作軸向加速運動所需克服的慣性力；Ff(X)為為0至至X處凝固浴對紡絲線表面所處凝固浴對紡絲線表面所產產生的摩擦阻力；生的摩擦阻力；Fc(X)為導絲裝置對紡絲線所造成的摩擦阻力；為導絲裝置對紡絲線所造成的摩擦阻力；Fr(0)為原液細流在噴絲孔出口處的流變阻力。為原液細流在噴絲孔出口處的流變阻力。88知识书苑F2=F1exp(d ) )d表面動摩擦係數表面動摩擦係數 ， 包角包角導絲裝置摩擦阻導絲裝置摩擦阻力力FcFc=F2F1 =F1exp(d ) )1111如如果果導導絲絲裝裝置置為為一一導導絲絲輥輥（轉轉動動）則則Fc可可不不計計。當當XXc(導絲棒與噴絲板距離導絲棒與噴絲板距離

51、)時時Fc可不計。可不計。這這樣樣力平衡方程式可以簡化為力平衡方程式可以簡化為Fr(x) = Ff (0 x)+ Fr(0)式中式中Fr(x) xx處流變力或紡絲張力，可直接測定。處流變力或紡絲張力，可直接測定。xxxx xx外推。外推。Fr(0) 噴絲孔出口處流變阻力，可由噴絲孔出口處流變阻力，可由Fr(x)Ff (0 x) 絲條在介質中的摩擦阻力，在下一節中討論。絲條在介質中的摩擦阻力，在下一節中討論。89知识书苑二、紡絲線上徑向應力分析二、紡絲線上徑向應力分析1.紡絲線上的徑向應力分佈（a）沿連續變化；（）沿連續變化；（b）沿保持不變）沿保持不變（c）皮芯兩層結構中沿有兩個不同的定）皮芯

52、兩層結構中沿有兩個不同的定值值90知识书苑粘度沿徑向連續變化粘度沿徑向連續變化R(x)xxFr( x)d (x) =02(.x)xx既是既是xx xx的函數又是的函數又是rr rr的函數的函數xxxx處紡絲線的半徑。處紡絲線的半徑。拉伸粘度沿徑向不變拉伸粘度沿徑向不變( )( )( )2R(x)re 0exRx xd = F ( x) = 2 e( x) ( x) R(x)0R(x)= 2r(x)e(r, x) dr91知识书苑拉伸粘度在皮芯層結構中有兩個定拉伸粘度在皮芯層結構中有兩個定值值e s()設：皮層拉伸粘度為設：皮層拉伸粘度為芯層拉伸粘度為芯層拉伸粘度為e c()均為常數拉伸應力拉伸

53、應力()( )( )xe s x= x(x) ()e se c一般可一般可達達101010102 2 2 21010101012121212所以上式所以上式可寫成可寫成) RFser(x) (x)(2 (x) 2 (x)93知识书苑3、在捲繞處、在捲繞處 x=L結論：結論：1、絲線上的張力實際上完全由皮層承受和絲線上的張力實際上完全由皮層承受和傳遞，傳遞，處於處於流動狀態的芯層基本上是鬆弛狀態的，流動狀態的芯層基本上是鬆弛狀態的，張力雖小但是張力雖小但是足以使皮層取向。足以使皮層取向。2、 x處處皮皮層層所所受受的的拉拉伸伸應應力力x x.s(x) 沿沿紡紡程程單單調調的的減減小小，在在靠靠近近噴噴絲絲頭頭附附近近時時皮皮層層最最薄薄，應應力力達達極極限限值值，所所以以濕濕法法紡紡絲絲的的斷斷裂裂往往往往發發生生在在噴噴絲絲頭頭附附近近，為為了了防防止止張張力力過過大大濕濕紡紡中中常常採採用用噴噴絲絲頭頭負負拉拉伸伸或或較較小小的的正正拉拉伸伸。( )( )( )(L)(L)RFe srL = x22 R (L) (L) 22Fr(L) 說說明所得纖維皮層越厚，芯層越小、捲繞張力越大。明所得纖維皮層越厚，芯層越小、捲繞張力越大。而所得纖維物理機械性能而所得纖維物理機械性能。94知识书苑