合成纤维第五章干法纺丝.ppt

第五章第五章 干法纺丝干法纺丝（（dry spinning）工艺原理）工艺原理 第一节第一节 概述概述 溶液干法纺丝是历史上最早制备化学纤维的成形方法溶液干法纺丝是历史上最早制备化学纤维的成形方法1884年世界上第一根人造丝年世界上第一根人造丝—纤维素硝酸酯纤维纤维素硝酸酯纤维就是就是用干法成形的用干法成形的目前世界上干纺的主要产品是目前世界上干纺的主要产品是首先以首先以DMF为溶剂生产的聚丙烯腈长纤维；为溶剂生产的聚丙烯腈长纤维；其次以其次以丙酮为溶剂的醋酯纤维丙酮为溶剂的醋酯纤维——香烟滤嘴丝束香烟滤嘴丝束  干法纺丝工艺流程干法纺丝工艺流程 纺丝液由计量泵输送到纺丝液由计量泵输送到喷丝头喷丝头 经喷丝孔挤出的纺丝经喷丝孔挤出的纺丝细流进入垂直甬道与细流进入垂直甬道与热气流接触热气流接触 在热气流中随着溶剂的挥在热气流中随着溶剂的挥发，丝中聚合物浓度升高，发，丝中聚合物浓度升高，丝条固化，丝条固化， 丝条以一定的速度卷取，丝条以一定的速度卷取，使丝条拉伸细化而形成初使丝条拉伸细化而形成初生纤维生纤维  干法纺丝干法纺丝（（1）成纤聚合物的熔点在其分解温度之上，）成纤聚合物的熔点在其分解温度之上，熔融时要分解，不能形成一定粘度的热稳定熔融时要分解，不能形成一定粘度的热稳定的熔体；的熔体；（（2）成纤聚合物在挥发性的溶剂中能溶解形）成纤聚合物在挥发性的溶剂中能溶解形成浓溶液。

成浓溶液哪类哪类POLYMER适合干纺？适合干纺？适于采用干法工艺生产纤维适于采用干法工艺生产纤维n干法纺丝是目前世界上应用最广泛的干法纺丝是目前世界上应用最广泛的氨纶纺丝方法氨纶纺丝方法其纤度为度为1.1~246.4 tex，纺丝速度一般为，纺丝速度一般为200~600 m/min，，有的甚至可高达有的甚至可高达1 000 m/minn干法纺丝工艺技术成熟，制成的纤维质量和性能都很优良干法纺丝工艺技术成熟，制成的纤维质量和性能都很优良世界氨纶第一大厂商拜耳公司的世界氨纶第一大厂商拜耳公司的Dorlastan氨纶纺丝工艺就是氨纶纺丝工艺就是典型的干法纺丝典型的干法纺丝n目前我国主要氨纶企业都采用干法纺丝技术，目前我国主要氨纶企业都采用干法纺丝技术，从全球氨纶工厂产能情况来看，采用干法纺丝从全球氨纶工厂产能情况来看，采用干法纺丝技术的产能也是占据主导地位技术的产能也是占据主导地位n氨纶干法纺丝技术以美国杜邦、韩国晓星、日氨纶干法纺丝技术以美国杜邦、韩国晓星、日本东洋纺等为代表本东洋纺等为代表，不同生产专利商的纺丝聚，不同生产专利商的纺丝聚合物合成方法、纤维的生产技术和加工过程具合物合成方法、纤维的生产技术和加工过程具有独特的技术特征。

有独特的技术特征 n 干法纺丝过程中，通常要受到溶剂从丝条中干法纺丝过程中，通常要受到溶剂从丝条中挥发速度的限制，聚合物的固化速度较慢，这挥发速度的限制，聚合物的固化速度较慢，这就决定了干纺工艺的如下特点：就决定了干纺工艺的如下特点： （（1））纺丝液的浓度比湿法高，一般可达纺丝液的浓度比湿法高，一般可达18%~45%，，相应的粘度也较高，相应的粘度也较高，能承受比湿能承受比湿纺更大的喷丝头拉伸（纺更大的喷丝头拉伸（2~7倍）倍），易制得比湿，易制得比湿纺更细的纤维；纺更细的纤维；  （（2）纺丝线上丝条所受到的力学阻力远比湿纺小，）纺丝线上丝条所受到的力学阻力远比湿纺小，纺速比湿纺高，一般可达纺速比湿纺高，一般可达300~600m/min，，但由于但由于受到溶剂挥发速度的限制，干纺速度比熔纺低受到溶剂挥发速度的限制，干纺速度比熔纺低 （（3））喷丝头孔数远比湿纺少喷丝头孔数远比湿纺少，这是因为干法固化，这是因为干法固化慢，固化前丝条容易粘连一般干纺短纤维的喷丝慢，固化前丝条容易粘连一般干纺短纤维的喷丝头孔数在头孔数在1200孔左右，而湿纺短纤维的孔数高达数孔左右，而湿纺短纤维的孔数高达数万孔，因此干法单个纺丝位的生产能力远低于湿纺，万孔，因此干法单个纺丝位的生产能力远低于湿纺，干纺一般适于生产长丝干纺一般适于生产长丝。

n干法纺丝具有连续生产、纺丝速度高、产量干法纺丝具有连续生产、纺丝速度高、产量大、销售收入高、污染少等优点；纤维质量大、销售收入高、污染少等优点；纤维质量及耐化学性和染色性比湿法纤维好但干法及耐化学性和染色性比湿法纤维好但干法纤维耐氯性较差，技术难度较大，需纤维耐氯性较差，技术难度较大，需溶剂回溶剂回收收，生产成本相对较高生产成本相对较高 25第二节第二节 溶剂的选择与干法纺丝工艺溶剂的选择与干法纺丝工艺n干纺工艺的工序如下：干纺工艺的工序如下：n溶解溶解→过滤过滤→脱泡脱泡→纺丝纺丝→拉伸拉伸，拉伸以后的，拉伸以后的工序，根据产品的形态工序，根据产品的形态——长丝、短纤维、丝长丝、短纤维、丝束而不同束而不同n一一. 溶剂的选择溶剂的选择n溶剂的选择是制备干纺溶液的首要问题，溶剂的溶剂的选择是制备干纺溶液的首要问题，溶剂的性质对于干纺工艺起着决定性的影响性质对于干纺工艺起着决定性的影响n实际选择溶剂是根据溶剂的溶解度和所制成的溶实际选择溶剂是根据溶剂的溶解度和所制成的溶液的性质液的性质n一般认为等浓度溶液的粘度越小，或者等粘度溶一般认为等浓度溶液的粘度越小，或者等粘度溶液的浓度越大，该溶剂就越好，这样制得的溶液液的浓度越大，该溶剂就越好，这样制得的溶液具有良好的可纺性具有良好的可纺性。

干法纺丝所用溶剂干法纺丝所用溶剂n干纺时，纺丝原液与周围气体介质之间只有干纺时，纺丝原液与周围气体介质之间只有传热和传质过程，不发生任何化学变化传热和传质过程，不发生任何化学变化干干纺的纺丝速度主要取决于溶剂挥发的速度纺的纺丝速度主要取决于溶剂挥发的速度，，通常在聚合物的溶解度和纺丝液粘度许可的通常在聚合物的溶解度和纺丝液粘度许可的条件下条件下原液浓度应尽可能高，并选择沸点较原液浓度应尽可能高，并选择沸点较低和蒸发潜热较小的溶剂低和蒸发潜热较小的溶剂，借以减少纺丝原，借以减少纺丝原液转化为纤维所需挥发的溶剂量，降低热能液转化为纤维所需挥发的溶剂量，降低热能消耗并提高纺丝速度消耗并提高纺丝速度 n二二. 纺丝溶液的制备和纺前准备纺丝溶液的制备和纺前准备n 纺丝溶液的制备是干纺工艺的一个重纺丝溶液的制备是干纺工艺的一个重要环节成纤聚合物溶解的好坏，直接影要环节成纤聚合物溶解的好坏，直接影响到纺丝液的稳定性和可纺性，同时还影响到纺丝液的稳定性和可纺性，同时还影响到成品纤维的性质响到成品纤维的性质 n1. 纺丝液浓度纺丝液浓度：在纺丝过程中，挥发除去的溶剂要回收使：在纺丝过程中，挥发除去的溶剂要回收使用，因此总希望采用高浓度的纺丝溶液，尽可能减少溶剂用，因此总希望采用高浓度的纺丝溶液，尽可能减少溶剂的用量，尽可能增加溶剂的回收量。

但是，的用量，尽可能增加溶剂的回收量但是，浓度要受多方浓度要受多方面的制约：面的制约：（（1）浓度过高，难于得到溶解完全而均匀的溶液，并且使过）浓度过高，难于得到溶解完全而均匀的溶液，并且使过滤脱泡困难；滤脱泡困难； （（2）浓度高，粘度就大，会使纺丝溶液的输送压力增加；）浓度高，粘度就大，会使纺丝溶液的输送压力增加；（（3）超过一定的浓度，纺丝溶液的流变性变差，可纺性降低，）超过一定的浓度，纺丝溶液的流变性变差，可纺性降低，容易造成纺丝断头现象的产生容易造成纺丝断头现象的产生n在实际生产中纺丝溶液浓度一般在在实际生产中纺丝溶液浓度一般在18%~45%之间之间干法纺丝的纺丝溶液浓度干法纺丝的纺丝溶液浓度n2. 溶解溶解A：溶解机理：溶解机理（（1）溶剂向聚合物内部扩散；（）溶剂向聚合物内部扩散；（2）粒状聚合物表面生）粒状聚合物表面生成的膨润层剥离脱落，向溶剂相分散成的膨润层剥离脱落，向溶剂相分散B：遇到的问题：遇到的问题：聚合物细粉料在溶解过程中经常聚集成块，而难以：聚合物细粉料在溶解过程中经常聚集成块，而难以得到完全溶解的均匀的纺丝溶液；得到完全溶解的均匀的纺丝溶液； 解决办法解决办法：采用：采用将聚合物加入到常温的溶剂中溶胀将聚合物加入到常温的溶剂中溶胀，，避免上述的避免上述的不良影响，然后进一步加热溶解。

不良影响，然后进一步加热溶解C：水分的控制：水分的控制：将含水量控制在稍微超过聚合物和溶剂正常含水量：将含水量控制在稍微超过聚合物和溶剂正常含水量的程度D：添加剂的加入：添加剂的加入：颜料、消光剂：颜料、消光剂TiO2、过滤助剂硅藻土等过滤助剂硅藻土等n3. 过滤过滤：为了：为了防止喷丝头堵塞，纺丝溶液必须均匀，不含防止喷丝头堵塞，纺丝溶液必须均匀，不含任何未溶物，溶胀聚合物以及任何外来杂质任何未溶物，溶胀聚合物以及任何外来杂质这一过程通这一过程通常是在压滤机中完成的常是在压滤机中完成的4. 脱泡脱泡：纺丝前的另一道工序，：纺丝前的另一道工序，除去气泡除去气泡三三. 干纺工艺干纺工艺纺丝工艺主要由四步组成：纺丝工艺主要由四步组成：（（1）纺丝原液的制备；）纺丝原液的制备；（（2）从喷丝头挤出；）从喷丝头挤出；（（3）挤出丝条的脱溶剂及干燥；）挤出丝条的脱溶剂及干燥；（（4）丝条的卷绕丝条的卷绕从喷丝头挤出的原液温度在任一时间，在纺丝线上任一从喷丝头挤出的原液温度在任一时间，在纺丝线上任一点都应保持匀一，是确保成品丝质量均一的主要因素点都应保持匀一，是确保成品丝质量均一的主要因素n在干纺的纺丝行程中，原液细流中溶剂的脱在干纺的纺丝行程中，原液细流中溶剂的脱除通过下列三步实现：除通过下列三步实现：①①原液一出喷丝孔立原液一出喷丝孔立即快速挥发即快速挥发──闪蒸闪蒸；；②②溶剂从原液细流内部溶剂从原液细流内部向外向外扩散扩散；；③③从细流表面向周围气体介质作从细流表面向周围气体介质作对流对流传质。

传质在在靠近喷丝头靠近喷丝头的一段纺程上，传的一段纺程上，传质的机理包括质的机理包括闪蒸、对流和扩散闪蒸、对流和扩散的综合作用，的综合作用，随后随后纯扩散纯扩散就逐渐变成控制传质过程速率的就逐渐变成控制传质过程速率的因素 n四、溶剂的回收四、溶剂的回收 工业回收溶剂的方法：冷凝法、工业回收溶剂的方法：冷凝法、液体吸收法和固体液体吸收法和固体吸附法吸附法吸收法：吸收法：含丙酮的空气经过洗涤塔进行水洗，丙含丙酮的空气经过洗涤塔进行水洗，丙酮被水吸收成为酮被水吸收成为10%左右的水溶液，然后送往精左右的水溶液，然后送往精馏回收率夏季馏回收率夏季:90~93%,冬季：冬季：92~95%吸附法：吸附法：一般采用活性炭作为吸附剂，活性炭粒度一般采用活性炭作为吸附剂，活性炭粒度4~8目，实际操作时，当通过活性碳槽的排出气体目，实际操作时，当通过活性碳槽的排出气体能检验出丙酮应立即中止吸附能检验出丙酮应立即中止吸附回收的方式：吸附回收的方式：吸附—脱吸附；吸附脱吸附；吸附—脱吸附脱吸附—冷却冷却第三节第三节 干纺纤维结构的形成和性能干纺纤维结构的形成和性能n一一.干纺时纤维结构的形成干纺时纤维结构的形成n干纺过程中，纤维结构的形成机理目前研究还干纺过程中，纤维结构的形成机理目前研究还比较少。

比较少n干法成形的相变过程干法成形的相变过程n从图中可以看出体系从图中可以看出体系的相态变化，图中的相态变化，图中X1代表体系的原始组成，代表体系的原始组成，随着干纺过程的溶剂随着干纺过程的溶剂的蒸发，体系的粘度的蒸发，体系的粘度增加，组成接近于增加，组成接近于XTB，该位置是由流动性，该位置是由流动性温度温度-组成曲线决定的组成曲线决定的XTBX0n在干法成形过程的上述区域中，体系的粘度急剧增加，而成形在干法成形过程的上述区域中，体系的粘度急剧增加，而成形丝条的变形过程也基本结束丝条的变形过程也基本结束n干纺成形时，溶剂进一步挥发，体系转变为组成相应于干纺成形时，溶剂进一步挥发，体系转变为组成相应于X0的玻的玻璃化状态，此时丝条的形变完全停止在这种情况下，因为在璃化状态，此时丝条的形变完全停止在这种情况下，因为在整个纺丝过程中聚合物溶液为单相，纤维的固化过程是与体系整个纺丝过程中聚合物溶液为单相，纤维的固化过程是与体系的的聚集态变化聚集态变化相联系，而不是与体系的相联系，而不是与体系的相态变化相态变化相联系这种这种变化几乎沿所有纤维截面同时发生，因此纤维的超分子结构和变化几乎沿所有纤维截面同时发生，因此纤维的超分子结构和宏观结构比较均一。

宏观结构比较均一n干纺过程中，溶剂存在于整个丝条中，干纺过程中，溶剂存在于整个丝条中，溶剂从溶剂从丝条表面蒸发的速度丝条表面蒸发的速度E和溶剂从丝条中心扩散和溶剂从丝条中心扩散到表面的速度到表面的速度V的相对大小可以用来表征干纺的相对大小可以用来表征干纺成形过程和初生纤维截面形态结构的表征成形过程和初生纤维截面形态结构的表征nE/V≤1，，成纤干燥固化过程十分缓和均匀，纤成纤干燥固化过程十分缓和均匀，纤维截面趋近于圆形，几乎没有皮层维截面趋近于圆形，几乎没有皮层;n随着随着E/V的增加，纤维截面不同程度的变化的增加，纤维截面不同程度的变化E/V略略>1纤维的截面呈扁平状，近于大豆形或哑铃形纤维的截面呈扁平状，近于大豆形或哑铃形n干纺纤维的截面形状除与成形过程中丝条表面干纺纤维的截面形状除与成形过程中丝条表面和内部溶剂的蒸发、扩散速度有关外，在很大和内部溶剂的蒸发、扩散速度有关外，在很大程度上还取决于纺丝液的初始浓度和固化时的程度上还取决于纺丝液的初始浓度和固化时的浓度纺丝液的浓度越低，纤维截面形状与圆纺丝液的浓度越低，纤维截面形状与圆形的差别越大形的差别越大由于干纺纺丝液的浓度较高，由于干纺纺丝液的浓度较高，纤维截面收缩不大，因此在显微镜下纤维内没纤维截面收缩不大，因此在显微镜下纤维内没有明显可见的孔洞。

有明显可见的孔洞n大量的研究表明：干纺和湿纺纤维的结构大量的研究表明：干纺和湿纺纤维的结构有很大差异，干纺制得的纤维宏观结构较有很大差异，干纺制得的纤维宏观结构较均匀，没有明显的芯层和皮层，纤维的超均匀，没有明显的芯层和皮层，纤维的超分子结构尺寸大，同时纤维的微纤结构也分子结构尺寸大，同时纤维的微纤结构也不明显n二二. 干纺成形条件与纤维的性能干纺成形条件与纤维的性能如：干纺腈纶由于纺丝成形条件比湿法缓和，所以如：干纺腈纶由于纺丝成形条件比湿法缓和，所以纤维截纤维截面结构均匀、致密，表面光滑染色后色泽鲜艳同时纤面结构均匀、致密，表面光滑染色后色泽鲜艳同时纤维更富有弹性，织物尺寸稳定性也较好维更富有弹性，织物尺寸稳定性也较好相同的相同的成纤聚合物成纤聚合物湿法纺丝湿法纺丝干法纺丝干法纺丝具有均一而致密的结具有均一而致密的结构，而且力学性能更构，而且力学性能更为优良为优良成形方法及成形条件成形方法及成形条件重点重点n1）干法纺丝的过程和特点）干法纺丝的过程和特点n2）干纺纤维在结构的形成上有什么特点）干纺纤维在结构的形成上有什么特点思考题：思考题：纺制腈纶的干法与湿法相比，成形过程有何区别？你认为哪纺制腈纶的干法与湿法相比，成形过程有何区别？你认为哪种方法成形条件更剧烈？对纤维品质有何影响？种方法成形条件更剧烈？对纤维品质有何影响？。