聚酯纤维生产工艺

SichuanUniversityTextileEngineering化纤生产各论SichuanUniversity课程介绍•第一节概论重点内容：聚酯纤维的发展简史与产品分类。•第二节聚酯原料生产工艺及技术重点内容：聚酯原料的生产技术与工艺。第一章聚酯纤维生产工艺SichuanUniversity结构对称，线性好，易于平行排列分子链中含酯基，刚性大，熔点高（267oC)两种构象(顺式和反式)立构规整度高，所有芳环处在同一平面上，能形成紧密堆积结构，结晶能力强。分子间作用力强许多重要的性质与酯基相关有少量的羧基和醚键存在分子量通常在15000~22000之间分子量分布越小可纺性越好1.2.2聚酯分子结构特征SichuanUniversityPET的物理性质SichuanUniversity课程介绍•第三节聚酯纤维的生产技术及工艺重点内容：聚酯纤维的的生产技术与工艺。第一章聚酯纤维生产工艺SichuanUniversity1.3聚酯纤维的生产技术及工艺聚酯纤维的纺丝-采用熔体纺丝技术。根据原料的状态不同，可以将聚酯的纺丝工艺分为直接纺丝和切片纺丝两类。直接纺丝工艺流程：聚合物熔体→纺丝→后处理→成品切片纺丝工艺流程：聚合物切片→干燥→熔融→纺丝→后处理→成品SichuanUniversity直接纺丝与切片纺丝技术比较直接纺丝切片纺丝优点：工艺流程短：可省去切片的生产、运输、混合、干燥、熔融等工序设备投入小：单位产量建设资金投入小原料单耗及能耗低缺点：要求聚酯的聚合工序与纺丝工序配合紧密，一体化程度高聚合工序的故障或熔体的供应不足均会影响纺丝工序，纺丝工序的严重故障也可能会影响到聚合工序，因此要求工艺和设备十分稳定应用范围：适合于产品单一、生产规模大、连续化程度高的情况下使用优点：聚合与纺丝相互独立，有利于纺丝厂的合理布局纺丝品种可根据市场的变化做出快速改变，灵活性大缺点：工艺流程长原料消耗和能耗高单位产量的建设资金投入大应用范围：适合小品种、多功能、差别化纤维的生产，适合于长丝的生产SichuanUniversity切片的干燥干燥的目的（普通聚酯切片含水率通常约为0.4％）–干燥的目的是除去切片中的水分–提高聚酯的软化点；切片中水的危害–聚酯分子链在纺丝过程中产生剧烈的水解，造成分子量降低；–形成所谓“气泡丝”、毛丝和飘丝；–切片含水量的差异，造成的纤维染色不匀。–含水的聚酯切片软化点较低，造成“环结”堵塞现象不同聚酯纤维对切片含水的要求–长丝：含水率应小于50ppm，最好小于30ppm。–短纤维：含水率应小于80ppm。1.3.1原料的纺前准备及处理SichuanUniversity干燥的工艺原理切片干燥是一个传热、传质的物理过程。未干燥切片中的含水W=Wf+We式中W表示切片的含水量，Wf自由含水量，We平衡含水量。自由水分属于表面吸附水分，存在于切片表面或孔隙之中。平衡含水属于分子间结合水，其中部分水分子与聚酯大分子形成氢键，很难完全脱除。水分的平衡：切片内部和表面的平衡、切片表面与干燥介质的平衡。这一平衡过程对干燥的条件有很大的依耐性。我们可以用亨利分压定律来简单地描述平衡含水量与水汽分压的之间的关系：We=KP，式中，K为平衡常数，P为平衡蒸汽压。升高温度和增加干燥介质的流动有利于干燥过程。SichuanUniversity干燥过程干燥分为两个阶段，即预结晶阶段和高温干燥阶段预结晶温度和时间–沸腾床：温度可高至160~180oC，时间8~15min。–搅拌式充填：温度120~140oC，时间1~l.5小时。–转鼓干燥时，在120℃以下缓慢升温，预结晶时间应控制为4~5小时。高温干燥阶段–转鼓真空干燥温度为120~140oC。–热风干燥一般在160℃以上。SichuanUniversity聚酯切片的干燥有真空干燥和气流干燥两种。由于干燥方式或设备的不同，工艺流程、工艺条件及操作规则方面会有差异，但干燥的原理基本相同。真空干燥（进出料1.5-2h，升温2.5-3.5h，保温3-4h，冷却1h）VC353真空干燥机示意图1-冷却桶、2-除尘桶、3-加热夹套SichuanUniversity连续式气流干燥SichuanUniversity回转圆筒-充填组合干燥（热空气介质加热，165-180℃）SichuanUniversitySichuanUniversitySichuanUniversity纺丝熔体的制备的输送熔融装置：螺杆挤出机熔体输送、分配：弯管、熔体分配管保温装置：纺丝箱体计量装置：计量泵纺丝：纺丝组件丝条冷却装置：纺丝窗、侧吹风丝条收集装置：卷绕机SichuanUniversity纺丝熔体的制备纺丝熔体的制备-连接切片干燥和纺丝两个重要的工序。纺丝熔体是通过熔融过程制备的，它是将切片在加热下由固态转变为液态的一个过程。主要有两种熔融方式，即采用炉栅或采用螺杆挤出机熔融。螺杆挤出机的优点传热效率高,能挤出高粘度的熔体熔体在螺杆中塑化搅拌均匀,能形成均匀的熔体聚合物在螺杆中停留时间短,减小分解的可能,停留时间一般为5~10minSichuanUniversity螺杆挤出机的结构SichuanUniversity熔体制备中经常遇到的问题（1）熔体均匀性差；（2）降解程度高；（3）环结堵料。切片熔融温度通常在熔点以上20℃左右，低于其分解温度。螺杆分3~6区加热。聚酯熔融温度的选择SichuanUniversitySichuanUniversity熔体的混合用机械方式将螺杆出口的熔体混合均匀的过程。早期的混合是采用静态混合器，使用静态混合器可以达到强化熔体均匀性的目的，同时可以减少熔体通过弯管时，管壁与管中心温度及停留时间的差别。在较新型的螺杆挤出机中，往往采用特殊设计的混炼头来代替静态混合器。混炼头的主要作用是改变螺杆沟槽中挤出的熔体的流线，使熔体进一步均匀化SichuanUniversity熔体的计量（计量泵、高温齿轮泵）计量的目的是保持丝束纤度均匀，同时使熔体增压，以保证稳定纺丝。泵供量取决于齿轮齿谷的容积和齿轮的转速工作原理：两个齿轮转动→吸入孔1成低压→熔体有吸入孔1进入→充满齿轮的齿隙→随齿轮的转动→在孔2处形成压力→将熔体从压出孔压出（齿隙容积恒定，精确计量）1—熔体进口；2—熔体出口；3—主动齿轮；4—被动齿轮5—上板；6—中板；7—下板；8—联轴节SichuanUniversity过滤过滤的目的是除去熔体中的杂质SichuanUniversity结构：导孔+毛细孔图喷丝孔的几何形状a—圆筒漏斗形；b—圆筒平底形；c—圆锥形；d—双曲面形导孔：圆筒漏斗形、圆筒平底形、圆锥形、双曲面形毛细孔：圆柱形，孔径0.20～0.45mm，长径比1～2（比值↑→熔体在毛细管内应力松弛↑→出口膨化↓→纺丝有利→机械加工困难）孔数：短纤维（500孔、600孔、900孔、1120孔、3600孔、2400孔）长丝：几～几十孔排列：同心圆、菱形、星形喷丝板质材：耐热不锈钢1Cr18Ni9Ti喷丝板喷丝板SichuanUniversity1.3.2聚酯短纤维的生产聚酯短纤维纺丝的特点：大型化、高速化、连续化单线日产20~50吨，最大规模为日产200吨大型喷丝板，其孔数达5000～50000孔纺丝线集束线密度达30000dtex以上较高纺丝速度1500~2500m／minSichuanUniversity5万t/年聚酯短纤维T-16N纺丝机SichuanUniversity聚酯短纤维的后加工高强低延伸聚酯短纤维后加工的集束、拉伸、紧张热定型、上油、卷曲工序流程示意图SichuanUniversity聚酯短纤维后加工的干燥、切断、打包工序流程示意图SichuanUniversitySichuanUniversity聚酯短纤维的后加工工艺讨论存放与集束：初生纤维的预取向度不均匀，有内应力，需经存放平衡，以减小或消除内应力，降低预取向度，使油剂扩散均匀，从而改善纤维的拉伸性能。存放平衡后的丝条进行集束。所谓集束是把若干个盛丝筒的丝条合并，集中成工艺规定线密度的大股丝束，以便进行后处理。SichuanUniversity聚酯短纤维的后加工工艺讨论拉伸：拉伸是靠各拉伸机之间的速度差异来完成的。拉伸又称为纤维的“二次成形”。拉伸是后加工过程中最重要的工序，拉伸的工艺条件包括拉伸温度、拉伸介质、拉伸速度、拉伸倍数及其分配。国内外大多数公司采用水浴、水浴或水浴-蒸汽2道拉伸。对于纺速超过2000m/min的高速纺聚酯初生纤维，已具有一定取向度，因此后处理的拉伸倍数可降低。通常卷绕速度每提高100m/min，最大拉伸倍数可降低15%~20%。T-16N纺丝机的纺速比其他纺丝机速度高500~800m/min，所以其后加工拉伸工序可以采用较简单的干热拉伸装置。这样可以使操作简便，也使废水排出量大大减少。SichuanUniversity热定型：热定型的目的是消除纤维内应力，提高纤维的尺寸稳定性，并促进结晶化，进一步改善其力学性能。热定型可使拉伸、卷曲效果固定，并使成品纤维符合使用要求。热定型可以在张力下进行，也可以在无张力下进行，前者称紧张热定型（包括定张力热定型和定长热定型），后者称松弛热定型。生产不同品种和不同规格的纤维，往往采用不同的热定型方式。影响热定型的主要工艺参数是定型温度、时间及张力。上油：为了防止纤维在后加工过程摩擦产生静电以及使纤维在棉纺厂加工时改善其纺织加工性能还需再次上油。卷曲：赋予纤维的弹性聚酯短纤维的后加工工艺讨论SichuanUniversity切断：短纤维的长度由纤维的品种决定。通常，棉型聚酯短纤维名义长度为38mm，毛型为90~120mm，中长纤维长度介于棉型与毛型之间，一般为51~76mm。切断纤维主要控制长度偏差，超倍长纤维量以及粘结丝（或称并丝）量等几个指标。切断机采用压切式，可按照纤维品种对长度的不同要求，安装不同数量的刀片。打包机为油压式箱式打包机。聚酯短纤维的后加工工艺讨论SichuanUniversity1.3.3聚酯长丝的生产按纺丝速度可分为–常规纺丝–中速纺丝–高速纺丝。按工艺流程又可分为–三步法–二步法–一步法。SichuanUniversity常规纺丝常规纺丝-低速纺丝纺丝速度低：1000~1500m/min采用纺丝卷绕-拉伸加捻-假捻变形的三步法工艺路线(UDY-DY-TY)。拉伸加捻速度为600~1000m/min。假捻变形的速度为120~160m/min。可生产33~167dtex的聚酯长丝。常规纺丝工艺既可生产拉伸丝，又能生产变形丝。其特点是工艺成熟、设备运转稳定、技术容易掌握、产品质量较好。SichuanUniversity工艺的流程为：干切片→熔融挤出→混合→计量→过滤→纺丝→冷却成型→上油→卷绕→UDY筒子（未拉伸丝）SichuanUniversityUDY丝的拉伸加捻拉伸加捻机从结构上可以分为三部分，即原丝架、拉伸机构、卷绕成型机构SichuanUniversity拉伸丝假捻变形SichuanUniversity中速纺丝工艺中速纺丝采用二步法工艺纺丝速度为1800~2500m/min，得到半预取向丝(MOY)中速纺丝有两种工艺路线：–（1）MOY-DY工艺：此工艺采用中速纺丝和低速拉伸，拉伸加捻的速度为800~1200m/min，可纺制33~167dtex的拉伸丝，常见的是75dtex和50dtex。–（2）MOY-DTY工艺:此工艺采用中速纺丝和高速拉伸变形，MOY的剩余拉伸倍数为2.1~2.4倍，拉伸变形的速度为400~500m/min。可纺制55~88dtex的变形丝，超过110dtex时，需将两根丝条合股成一个筒子。此工艺的生产效率不如POY-DTY工艺路线。SichuanUniversity高速纺丝高速纺丝的纺丝速度为3000~3500m/min。制得的纤维为预取向丝(POY)。POY主要用于变形丝的生产。SichuanUn