第四章--聚丙烯纤维

1第四章聚丙烯纤维2第一节聚丙烯纤维原料聚丙烯纤维的定义：聚丙烯（Polypropylene，缩写为PP）纤维是以丙烯（CH3-CH=CH2）为初始原料聚合得到的等规聚丙烯为原料纺制而成的合成纤维，在我国的商品名为丙纶。等规聚丙烯是意大利的纳塔(Natta)等首先研制成功并于1957年实现工业化生产的。2005年世界聚丙烯纤维产量已经达到了583万吨，占合成纤维产量的16.6％，产量也首次超过锦纶而成为第二大合成纤维品种。3一、等规聚丙烯的合成1.初始原料：丙烯（CH3-CH=CH2），无色，石油或天然气热裂解制得。2.催化剂：茂金属催化剂迅速发展。CH2CHn结构式：CH3从PP的化学结构可以看出，它可以几种不同空间排列方式聚合，而各种PP构形的形成取决于所用的聚合催化剂及聚合条件。45二、等规聚丙烯的结构和性能1.分子结构与结晶分子结构模型图螺旋结构等规聚丙烯间规聚丙烯无规聚丙烯R=CH3成纤聚合物通常是等规聚丙烯6等规聚丙烯的等规度一般大于95％，因此其具有很强的结晶能力，同时会大大改善产品的力学性能。等规PP的结晶形态为球晶结构。最佳结晶温度为125~135℃。温度过高或过低，都要不利于结晶的进行。PP初生纤维的结晶度为33%~40%，经后拉伸，结晶度上升至37%~48%，再经热处理，结晶度可达65%~75%。72.相对分子质量及其分布平均分子量：纤维级为18~30万。测定PP的特性粘数可求出其分子量，特性粘数和分子量间的关系式可利用以下经验式求定；[η]1=1.07×10-4M0.8（溶剂：十氢萘；温度：135℃）[η]2=0.80×10-4M0.8（溶剂：四氢萘；温度：135℃）工业上常采用熔融指数（MI）表示PP的流动特性3.热性质玻璃化温度：-30~25℃熔点：165~176℃导热系数：(8.79～17.58)×10－2w／(m·K)84.耐化学药品性与抗生物性：等规聚丙烯是碳氢化合物，因此其耐化学性很强。在室温下，聚丙烯对无机酸、碱、无机盐的水溶液、去污剂、油及油脂等有很好的化学稳定性。聚丙烯还具有极好的耐霉性和抑菌性，不需任何整理手段即可防蛀。5.耐老化性：PP的特点之一是易老化，使纤维失去光泽、褪色、强伸度下降，这是热、光及大气综合影响的结果。9三、成纤聚丙烯的性能特点与质量要求1.成纤聚丙烯的性能特点与质量要求相对分子质量(18~36)×104相对分子质量分布系数α6等规度为95%以上熔点约在164~172℃之间灰分小于0.05%铁、钛含量应小于20mg／kg；含水率0.01%102.茂金属等规聚丙烯的特点密度低：0.88（0.90-0.92）熔点低：130~150℃（165~173℃）熔化热低：15~20J/g等规度为80~90%分子量分布较窄：2.0结晶速度慢且晶粒小耐化学稳定性和耐辐射性比IPP好。11第二节聚丙烯纤维的成型加工纺丝方法；常用有熔体纺丝和膜裂纺丝新的纺丝法：复合纺丝、短程纺、膨体长丝、纺牵一步法（FDY）、纺粘和熔体喷射法非织造布工艺等。一、常规熔体纺丝和聚酯纤维、聚酰胺纤维一样，PP可以用熔体纺丝法生产长丝和短纤维，而且熔体纺丝法的纺丝原理及生产设备与聚酯和聚酰胺纤维基本相同，但工艺控制有些差别。纺制长丝时，卷绕丝收集在筒管上，经热板或热辊在90～130℃下拉伸4～8倍。纺制短纤维一般采用几百或上千孔的喷丝板。12（一）混料：聚丙烯的含水率极低，可不必干燥直接进行纺丝。由于聚丙烯染色困难，所以常在纺丝时加入色母粒以制得色丝。（二）纺丝:聚丙烯纤维的纺丝设备和聚酯纤维相似，但也有其特点。通常使用大长径比的单螺杆挤出机，纺低线密度纤维时，螺杆的计量段应长而浅，以减少流速变化，有利于更好的混合，得到组成均一的流体，且高速剪切有利于聚丙烯降解，改善高分子量聚丙烯熔体的流动性能1.纺丝温度：纺丝温度直接影响着聚丙烯的流变性能、聚丙烯的降解程度和初生纤维的预取向度。1314纺丝温度主要是指纺丝箱体(即纺丝区)温度。纺丝温度过高，熔体粘度过小，容易产生注头丝和毛丝，熔体流动性过大，容易产生并丝；纺丝温度过低，熔体粘度过大，出丝困难，容易造成喷丝头拉伸产生熔体破裂而无法卷绕，甚至全面出现断头或硬丝。2.冷却成型条件成型过程中的冷却速度对聚丙烯纤维的质量有很大影响。15冷却快：纺丝得到的初生纤维是不稳定的碟状结晶结构；冷却慢，则得到的初生纤维是稳定的单斜晶体结构。冷却条件不同，初生纤维内的晶区大小及结晶度也不同。当丝室温度较低时，成核速度大，晶核数目多，晶区尺寸小，结晶度低，有利于后拉伸。实际生产中，丝室温度以偏低较好。采用侧吹风时：丝室温度可为35~40℃；环吹风时：丝室温度可为30~40℃，送风温度：15~25℃，风速为0.3～0.8m／s。163.喷丝头拉伸喷丝头拉伸影响纤维后拉伸及纤维结构。喷丝头拉伸比增大，纤维在凝固区的加速度增大，初生纤维的预取向度增加，结晶变为稳定的单斜晶体，纤维的可拉伸性能下降。聚丙烯纺丝时，喷丝头拉伸比一般控制在60倍以内，纺丝速度一般为500~1000m／min，这样得到的卷绕丝具有较稳定的结构，后拉伸容易进行。174.挤出胀大比比聚酯和聚酰胺要大，粘度高，可纺性差。若纺丝速度过高或纺丝温度偏低，其切变应力超过临界切变应力时就会出现熔体破裂，影响纺丝和纤维质量。措施：1、切片中加入调节剂、增塑剂来提高可纺性2、控制适宜的相对分子质量3、提高纺丝温度4、喷丝孔径及长径比大一点18(二)拉伸拉伸目的：赋予纤维强力及其它性能。1.拉伸温度：因此聚丙烯纤维的拉伸温度一般控制在120～130℃。2.拉伸速度：一般偏低一点为好。短纤维拉伸速度为180～200m／min；长丝拉伸速度一般为300～400m|min。3.拉伸倍数：短纤维拉伸为二级拉伸，第一级拉伸温度为60～65℃，拉伸倍数为3.9～4.4倍；第二级拉伸温度为135～145℃，拉伸倍数为1.1～1.2倍。总拉伸倍数：棉型纤维为4.6～4.8倍；毛型纤维为5～5.5倍。高强纤维的制备技术：低速成纺丝、高倍拉伸的工艺路线192021(四)热定型目的：结晶度提高、沸水收缩率下降、纤维尺寸稳定性提高。结晶度：随定型温度的提高和时间的延长而增大，结晶度增加的原因是热处理使某些内部的结晶缺陷得到愈合，并使一些缚结分子和低分子进入晶格。张力松弛有利于定型这一过程晶体的稳定和结晶度的提高。定型温度：一般为120～130℃。22二、膜裂纺丝膜裂纺丝法是将聚合物先制成薄膜，然后经机械加工方式制得纤维。根据机械加工方式不同，所得纤维又分为割裂纤维和撕裂纤维两种。三、短程纺丝定义：是指纺丝有纺丝丝仓而无纺丝通道的熔体纺丝方法。较常规工艺路线短，纺丝工序和拉伸工序直接相连，喷丝头孔数增加，纺丝速度降低的一种新的工艺路线。232425261.优点：占地面积小、产量高、成本低、操作方便、易于迅速开发且适应性强等。已经开发的短程纺丝有低速、中速、高速三种。2.工艺流程：PP切片喂入→混料斗→挤出熔融→过滤→纺丝→环吹风→牵引上油→七辊拉伸→蒸气加热→七辊拉伸→上油→收幅→张力调节→卷曲→松弛热定型→切断→打包。3.设备与工艺共同的特点：（1）可以纺有色纤维；2）喷丝板孔数多，达70000～90000孔，最多多达15万孔；（3）冷却吹风速度高。27四、非织造布生产方法:纺粘法、熔喷法。纺粘法非织造布可以采用不同的工艺过程进行加工。最具有代表性且被广泛应用的是德国的Reicofil工艺和Docon工艺。熔喷法非织造布和纺粘法非织造布一样，都是利用化纤纺丝得到的纤维直接铺网而成。但是它和纺粘法有原则性的区别，纺粘法是在聚合物熔体喷丝后才与拉伸的空气相接触，而熔喷法则是在聚合物熔体喷丝的同时利用热空气以超音速与熔体细流接触，使熔体喷出并被拉成极细的无规则短纤维，是制取超细纤维非织造布的主要方法之一。2829第三节聚丙烯纤维的性能和用途一、聚丙烯纤维的性能：1.质轻：PP纤维的密度为0.90~0.92g/cm32.强度高、耐磨、耐腐蚀3.具有电绝缘性和保暖性：电阻率很高（7×1019Ω·cm）4.耐热及耐老化性能差：熔点低（165~173℃）5.吸湿性及染色性差：回潮率小于0.03%二、聚丙烯纤维的用途：30聚丙烯纤维具有高强度、高韧度、良好的耐化学性以及价格低廉等特点，因此在装饰及产业领域有广泛的用途。(1)产业用途：PP纤维具有高强度、高韧性、良好的耐化学性和抗微生物性以及低价格等优点，故广泛用于绳索、渔网、安全带、箱包带、缝纫线、过滤布、电缆包皮、造纸用毡和纸的增强材料等产业领域。PP纤维可制成土工布，用于土建和水利工程。(2)室内装饰用途：用PP纤维制成的地毯、沙发布和贴墙布等装饰织物及絮棉等，不仅价格低廉，而且具有抗沾污、抗虫蛀、易洗涤、回弹性好等优点。(3)服装用途：PP纤维可制成针织品，如内衣，袜类等；聚丙烯纤维的用途31可制成长毛绒产品，如鞋衬、大衣衬、儿童大衣等；可与其它纤维混纺用于制作儿童服装、工作衣、内衣、起绒织物及绒线等。随着PP生产和纺丝技术的进步及改性产品的开发，其在服装领域应用日渐广泛。(4)其它用途：PP烟用丝束可作为香烟过滤烟嘴填料；PP纤维的非制造布可用于一次性卫生用品，如卫生巾、手术衣、帽子、口罩、床上用品、尿片面料等；PP纤维替代黄麻编织成的麻袋，成为粮食、工业原料、化肥、食品、矿砂、煤炭等最主要的基本包装材料。聚丙烯纤维的用途32PP纤维具有许多优良的性能，但也有蜡感强、手感偏硬、难染色、易积聚静电等缺点。因此对其进行改性，开发新品种已成为PP纤维发展的主要方向。第四节聚丙烯纤维的改性及新品种33接枝共聚法：通过接枝共聚将含有亲染料基团的聚合物或单体接枝到聚丙烯分子链上，使之具有可染性；共混法：通过共混纺丝破坏和降低聚丙烯大分子间的紧密聚集结构，使含有亲染料基团的聚合物混到聚丙烯纤维内，使纤维内形成一些具有高界面能的亚微观不连续点，使染料能够顺利渗透到纤维中去并与亲染料基团结合。共混法是目前制造可染聚丙烯纤维的主要而实用的方法，主要产品包括：媒介染料可染聚丙烯纤维；碱性染料可染聚丙烯纤维；分散染料可染聚丙烯纤维；酸性染料可染聚丙烯纤维，其中酸性染料可染聚丙烯纤维最有前途。一、可染聚丙烯纤维34通过选用高分子、高等规度的PP原料，从提高大分子链伸展程度和结晶度着手，对纺丝和拉伸、热处理工艺过程合理控制可获得高强高模PP纤维。强度大于6.5cN／dtex，具有优良力学性能和耐化学性，投资少、原料价格便宜、生产过程耗能少。高强聚丙烯纤维可以用作各种工业吊带、建筑业安全网、汽车及运动的安全带、船用缆绳，冶金、化工、食品及污水处理等行业的过滤织物，加固堤坝、水库、铁路、高速公路等工程的土工布，汽车和旅游业用的篷苫布，高压水管和工业缝纫线等产业领域。二、高强聚丙烯纤维35三、烯烃共聚物或混合体系聚丙烯纤维烯烃有相类似的物理化学性能，通过共聚或共混得到的烯烃共聚物或混合体系仍具有良好的可纺性，用烯烃共聚物或混合体系纺丝可改善单种烯烃纤维的性能。使不同MI的聚丙烯或聚丙烯与不同烯烃(较常用的为聚乙烯)混合，能得到各种特色的聚丙烯纤维，如日本窒素公司用PE／PP、改性PE／PP、改性PP／PP的复合纤维生产的ES纤维、EA纤维、EPC纤维等。36将聚丙烯与液体石蜡混合，熔融纺丝，拉伸热处理后浸渍在己烷中溶去液体石蜡，制得了孔隙率高达25％的多孔性聚丙烯纤维，这种纤维比表面积大，能瞬时吸收、吸附各种物质，可用于清除液体中的不溶性物质和物质中的臭气。如果在本工艺中添加成核剂，能使孔径变得更小而均匀，可用作人工肺的材料。日本三菱利用特殊的冷拉技术制得了孔隙率高达80％以上的多孔中空聚丙烯纤维，其透气性大于4×105L／(m2·h)，48kPa。四、多孔性聚丙烯纤维37普通聚丙烯纤维手感较硬，有蜡状感，因此主要用于地毯、非织造布、装饰布和产业等方面，服用数量很小。用细旦聚丙烯长丝作为服用材料具有密度小、静电少、保暖、手感好及特殊光泽、酷似真丝等特点，并且有“芯吸”效应及疏水、导湿性，是制作内衣及运