第2章聚酯纤维

2020/3/81第2讲聚酯纤维1－纺前主要内容：聚酯纤维原料，聚酯切片的干燥；聚酯纤维纺丝机的基本结构、生产工艺、高速纺丝工艺；聚酯纤维的后加工生产工艺、纤维性质和用途、纤维改性。重点、难点：聚酯纤维纺丝机的基本结构、生产工艺、高速纺丝工艺。高分子材料加工工艺学2020/3/82认识聚酯——结构与性质聚酯合成——纺丝原料切片干燥——纺前准备高分子材料加工工艺学2020/3/83认识聚酯高分子材料加工工艺学聚酯吸音板2020/3/84聚酯纤维－涤纶长丝短纤维高分子材料加工工艺学2020/3/85PET纤维生产路线高分子材料加工工艺学2020/3/86聚酯的分子结构PET：聚对苯二甲酸乙二酯，PBT：聚对苯二甲酸丁二酯，PTT：聚对苯二甲酸丙二酯，COCOOCH2CH2OnCOCOOCH2CH2CH2CH2OnCOCOOCH2CH2CH2On高分子材料加工工艺学2020/3/87结构特点线型、双端羟基、高温含水或强碱介质水解，需严格控制含水量——切片干燥。刚性（主链含苯环、纯PET熔点267℃，工业品熔点约260℃）顺式：无定形（成纤，无色透明）；反式：结晶型（成瓶，乳白色）——结晶与透明关系。立构规整，芳环在同一平面，有结晶倾向，但常温下结晶速度极慢，一般施加拉伸外力以加速结晶。COCOOCH2CH2On2020/3/88CH2CH2OCOCOO无定形PET为顺式构象CH2OCOH2COCO结晶时，即转变为反式构象2020/3/89聚酯物理性质1、密度固态密度：1.335～1.455g/cm3熔体密度：1.220（270℃）1.117（295℃）2、玻璃化温度无定形：67℃晶态：81℃取向态结晶：125℃3、吸水性：25℃浸水7天后的吸水重量为5％4、能燃，但不着火；高分子材料加工工艺学2020/3/810聚酯分子量及其分布PET纤维分子量：15000～22000，多在2万左右两个相关概念：高分子材料加工工艺学2020/3/811聚酯流变性质PET熔体粘度影响因素：温度：T↑，η↓（熔点对成型过程的影响不如特性粘数或聚合度大）压力：P↑，η↑聚合度：DP↑，η↑切变速率：↑，η↓（切力变稀体）高分子材料加工工艺学2020/3/812聚酯合成合成总反应式：OCCOOCH2CH2OHHOCH2CH2OCOCOOCH2CH2OnHHOCH2CH2OHOCH2CH2OH+(n-1)(BHET)(PET)(EG)n高分子材料加工工艺学2020/3/813缩合反应通式COCOOCH2CH2OmHHOCH2CH2O+COCOOCH2CH2On-mHHOCH2CH2OCOCOOCH2CH2OnHHOCH2CH2OHOCH2CH2OH+BHET+BHET二聚体+EGBHET+二聚体+EGBHET+三聚体+EG三聚体四聚体高分子材料加工工艺学2020/3/814BHET原料合成酯交换法——2步法（1）对苯二甲酸（TPA）与甲醇反应制得对苯二甲酸二甲酯（DMT）HOOCCOOH+2CH3OH(TPA)CH3OOCCOOCH3+2H2O(DMT)（2）对苯二甲酸二甲酯（DMT）与乙二醇（EG）酯交换+2CH3OHCH3OOCCOOCH3+(DMT)2HOCH2CH2OH(EG)HOCH2CH2OOCCOOCH2CH2OH(BHET)高分子材料加工工艺学-H2020/3/815BHET原料合成直接酯化法——1步法COOHHOOC(TPA)+2HOCH2CH2OH(EG)OCCOOCH2CH2OHHOCH2CH2O(BHET)+2H2O-H高分子材料加工工艺学2020/3/816聚酯切片干燥什么是切片？怎样得到切片？为什么要用切片？为什么要干燥？怎样进行干燥？PET熔体→挤出铸带→水中急剧冷却→无定形PET切片（软化点低）高分子材料加工工艺学2020/3/817为什么要用切片？切片纺丝工艺稳定、灵活，易于控制直接纺丝连续生产、效率高、能耗低高分子材料加工工艺学2020/3/818为什么要切片干燥？1、除去切片含水湿切片含水0.4％～0.5％，干切片0.01％。切片含水不良影响：纺丝温度下，PET酯键水解水分汽化造成纺丝断头。2、提高切片微量含水均匀性3、提高切片结晶度及软化点较低温度下（70～80℃）就变软变粘，易在螺杆挤出机中环结阻料。高分子材料加工工艺学2020/3/819切片含水特征高分子材料加工工艺学2020/3/820切片干燥机理根据切片结构变化，干燥过程分预结晶和均化干燥两个阶段（机理）：（快速，恒速）预结晶阶段：迅速脱除切片表面含水，热风与切片并流，提高切片结晶度和软化点；（慢速，降速）均化干燥阶段：脱除切片内部含水，热风与切片逆流。分阶段干燥（原因）可以防止湿切片在高温下粘连，避免因表面结晶大于切片内部结晶而阻碍切片内部水分向表面扩散，从而促进切片内部结合水的脱除，达到平衡含水，并使切片微量含水均匀分布高分子材料加工工艺学2020/3/821切片干燥曲线切片经不同温度热风干燥时的干燥曲线高分子材料加工工艺学2020/3/822切片干燥过程的结晶半结晶化时间先随温度上升而缩短，后随温度进一步上升而延长，在170℃～190℃时半结晶化时间最短，结晶速率最高。早期温度升高，链运动活跃，且倾向敛集而结晶，结晶速率加快，但超过190℃后的高温下晶核生成减少，链运动过于活跃，结晶速率反而下降。PET切片的结晶速率2020/3/823结晶对切片干燥速率的影响结晶时体积收缩挤压空穴，一部分水挤压到表面，加快干燥。另一部分水挤压到切片内部，170℃外加热干燥时，切片表面温度高于内部温度，表面结晶后形成致密化层而不利干燥。圆柱体切片干燥优于平板切片，因为外表面积大于内表面积，补偿了外表面结晶度较大而形成的扩散阻力。高分子材料加工工艺学2020/3/824干燥过程伴随的水解反应COOCOOCH2CH2OCOOCOOHCOOCOOCOCOO+H2OHOCH2CH2280-300℃+高分子材料加工工艺学2020/3/825切片干燥的工艺控制温度：预结晶温度（170℃以下）；干燥温度（180℃以下）时间：与设备和温度有关。风速：8-10m/s风湿度:补充经除湿的低露点空气。高分子材料加工工艺学2020/3/826第3讲聚酯纤维2－纺丝2020/3/827熔体纺丝的基本过程：熔体的制备、熔体自喷丝孔挤出、熔体细流的拉长变细同时冷却固化，以及纺出丝条的上油和卷绕。聚对苯二甲酸乙二酯属于结晶性高聚物，其熔点Tm低于分解温度Td，因此常采用熔体纺丝法纺丝。2020/3/828熔融纺丝法工艺流程2020/3/829纺速分类1、常规纺丝纺速1000～1500m/min未拉伸丝（UDY，undrawyarn）2、中速纺丝纺速1500～3000m/min中等取向丝（MOY,mediumorientedyarn）3、高速纺丝纺速3000～6000m/min预取向丝（POY,pre-orientedyarn），较高取向度纺丝过程有拉伸时为全取向丝（FDY,fullydrawyarn），高取向度，中等结晶度。4、超高速纺丝纺速6000～8000m/min全取向丝（FOY,fullyorientedyarn），高取向，中等结晶结构。2020/3/830纺丝机的基本结构（1）高聚物熔融装置（螺杆挤出机）（2）熔体的输送、分配、纺丝及保温装置（3）丝条冷却装置（4）丝条收集装置（5）上油装置高分子材料加工工艺学2020/3/831纺丝熔体的制备高分子材料加工工艺学2020/3/832螺杆挤出机高分子材料加工工艺学2020/3/833螺杆挤出机构造螺杆挤出机的特征集中反映于螺杆的结构。螺杆的结构特征主要有直径、长径比、压缩比、螺距、螺槽深度、螺旋角、螺杆与套筒的间隙等，这些因素互相联系，互相影响。高分子材料加工工艺学1.螺杆直径通常指螺杆的外径。直径加大，产量上升，目前设计提高产量的挤出机都采用放大直径的方法。然而直径太大会引起其他方面的问题，例如导致单位加热面积所需加热的物料增加，传热变差，功率消耗大等。2．长(L)径(D)比长径比是指螺杆工作长度(不包括鱼雷头及附件)与外径之比。物料在这个长度上被输送、压缩和加热熔化。螺杆的加热面积和物料停留时间都与炽杆长度成正比。长径比大，有利于物料的混合塑化、提高熔体压力和减少逆流以及漏流损失。目前一般采用L／D＝20-27的螺杆，也有L/D＝28-33的.但是螺秆太长，物料在高温下的停留时间增加，对一些热稳定性较差的高聚物就会引起热分解。2020/3/8343．压缩比螺杆的压缩作用以压缩比i表示。压缩比主要决定于物料熔融后密度的变化，不同形态(粉状、粒状或片状)的物料其堆砌密度不同．压实和熔融后体积的变化也不同，螺杆的压缩比应与此相适应。熔体纺丝用螺杆常用压缩比为3-3.5。4.螺距螺旋角不同，送料能力不同，不同形状的物料，对螺旋角的要求也不同力间隙。5．螺杆与套简的间隙特别在计量量，对产量影响很大，小于0.002D.6.套筒套简是挤出机中仅次于螺杆的重要部体，它和螺杆组成了挤出机的基本结构。套筒实质上相当于一个压力容器和加热室。2020/3/835计量泵2020/3/836喷丝板2020/3/837丝条冷却固化侧吹风：适合长丝环形吹风（适合短纤）：内环吹风外环吹风2020/3/838上油卷绕2020/3/839纺丝工艺参数（一）熔融条件--高聚物切片熔融和熔体输送过程的条件1、螺杆各区温度的选择与控制预热段：基本低于熔点，基本保持固体状态（50~265℃）压缩段：切片熔融，固态→粘流态；T=Tm+(27~33)；计量段：切片完全熔化；Tm为255℃切片，该区温度约285℃；2、熔体输送过程（螺杆→法兰→箱体）法兰区：较短；温度等于或略低于计量段；纺丝箱体：熔体停留约1.5min；箱体温度为285~288℃。高分子材料加工工艺学2020/3/8403、熔体温度与黏度熔体温度直接影响熔体黏度即熔体的流变性能，同时对熔体细流的冷却固化效果，初生纤维的结构以及拉伸性能都有很大的影响。熔体流出喷丝板孔道前的温度Ts称为纺丝温度或挤出温度。选择纺丝温度应满足下式：TdTsTm（或Tf）高分子材料加工工艺学2020/3/841纺丝工艺参数（二）喷丝条件１、泵计量-——精确性和稳定性直接影响成丝的线密度及其均匀性。螺杆挤出量（取决于挤出压力）要与总泵供量基本相当：1、挤出压力过小，熔体供量不足；2、挤出压力过大，挤出量减少（逆流增大）保证熔体均匀、稳定地分配进入到每一个喷丝孔。2、喷丝头组件结构——结构及清洗和检查工作高分子材料加工工艺学2020/3/842（三）冷却固化条件对纤维结构与性能有决定性影响，控制熔体细流的冷却速度及均匀性。冷却吹风工艺条件：风温、风湿、风速（风量）（四）上油卷绕卷绕速度（纺丝速度提高，卷绕丝取向度高，双折射率增加，后拉伸倍数减小）上油、给湿（增加丝束的集束性、抗静电性、平滑性；喷嘴上油、油盘上油及结合）车间温湿度（冬季20℃，夏季25~27℃；60~75%湿度）高分子材料加工工艺学2020/3/843聚酯短纤维的纺丝工艺流程2020/3/844短纤纺丝工艺的工艺条件1、螺杆：270~300℃，箱体：260~285℃2、纺丝压力低压纺丝：0.5-0.9MPa高压纺丝：15MPa以上3、丝条冷却固化条件：环吹风的温度30±2℃,风的湿度70-80%,风速0.3-0.4m/s。4、纺丝速度：2000m/min以下2020/3/845聚酯长丝的纺丝工艺2020/3/846工艺特点1、对原材料的质量要求高含水率0.008%以下；干切片中粉末和粘连粒子少；干燥均匀性好。2、工艺要求严工艺参数严格控制，如熔体温度波动不超过±1℃，风速差异不大于0.1m/s；张力稳定。3、高速度、大卷装工业生产中普遍采用5500m/s的纺速。丝筒的净重从3~4kg增至15kg高分子材料加工工艺学2020