搜索
第五章干法纺丝（dryspinning）工艺原理第一节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。1884年世界上第一根人造丝—纤维素硝酸酯纤维就是用干法成形的。目前世界上干纺的主要产品是首先以DMF为溶剂生产的聚丙烯腈长纤维；其次以丙酮为溶剂的醋酯纤维——香烟滤嘴丝束。干法纺丝工艺流程纺丝液由计量泵输送到喷丝头经喷丝孔挤出的纺丝细流进入垂直甬道与热气流接触在热气流中随着溶剂的挥发，丝中聚合物浓度升高，丝条固化，丝条以一定的速度卷取，使丝条拉伸细化而形成初生纤维干法纺丝（1）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的熔体；（2）成纤聚合物在挥发性的溶剂中能溶解形成浓溶液。哪类POLYMER适合干纺？适于采用干法工艺生产纤维干法纺丝是目前世界上应用最广泛的氨纶纺丝方法。其纤度为1.1~246.4tex，纺丝速度一般为200~600m/min，有的甚至可高达1000m/min。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Dorlastan氨纶纺丝工艺就是典型的干法纺丝。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，采用干法纺丝技术的产能也是占据主导地位。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，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有独特的技术特征。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18%~45%，相应的粘度也较高，能承受比湿纺更大的喷丝头拉伸（2~7倍），易制得比湿纺更细的纤维；（2）纺丝线上丝条所受到的力学阻力远比湿纺小，纺速比湿纺高，一般可达300~600m/min，但由于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，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头孔数在1200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，干纺一般适于生产长丝。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，需溶剂回收，生产成本相对较高。25第二节溶剂的选择与干法纺丝工艺干纺工艺的工序如下：溶解→过滤→脱泡→纺丝→拉伸，拉伸以后的工序，根据产品的形态——长丝、短纤维、丝束而不同。一.溶剂的选择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。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。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，这样制得的溶液具有良好的可纺性。干法纺丝所用溶剂干纺时，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。干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条件下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，借以减少纺丝原液转化为纤维所需挥发的溶剂量，降低热能消耗并提高纺丝速度。二.纺丝溶液的制备和纺前准备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。1.纺丝液浓度：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，尽可能减少溶剂的用量，尽可能增加溶剂的回收量。但是，浓度要受多方面的制约：（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；（3）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。在实际生产中纺丝溶液浓度一般在18%~45%之间干法纺丝的纺丝溶液浓度2.溶解A：溶解机理（1）溶剂向聚合物内部扩散；（2）粒状聚合物表面生成的膨润层剥离脱落，向溶剂相分散。B：遇到的问题：聚合物细粉料在溶解过程中经常聚集成块，而难以得到完全溶解的均匀的纺丝溶液；解决办法：采用将聚合物加入到常温的溶剂中溶胀，避免上述的不良影响，然后进一步加热溶解。C：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的程度。D：添加剂的加入：颜料、消光剂TiO2、过滤助剂硅藻土等。3.过滤：为了防止喷丝头堵塞，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。这一过程通常是在压滤机中完成的。4.脱泡：纺丝前的另一道工序，除去气泡。三.干纺工艺纺丝工艺主要由四步组成：（1）纺丝原液的制备；（2）从喷丝头挤出；（3）挤出丝条的脱溶剂及干燥；（4）丝条的卷绕。从喷丝头挤出的原液温度在任一时间，在纺丝线上任一点都应保持匀一，是确保成品丝质量均一的主要因素。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：①原液一出喷丝孔立即快速挥发──闪蒸；②溶剂从原液细流内部向外扩散；③从细流表面向周围气体介质作对流传质。在靠近喷丝头的一段纺程上，传质的机理包括闪蒸、对流和扩散的综合作用，随后纯扩散就逐渐变成控制传质过程速率的因素。四、溶剂的回收工业回收溶剂的方法：冷凝法、液体吸收法和固体吸附法吸收法：含丙酮的空气经过洗涤塔进行水洗，丙酮被水吸收成为10%左右的水溶液，然后送往精馏。回收率夏季:90~93%,冬季：92~95%。吸附法：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能检验出丙酮应立即中止吸附。回收的方式：吸附—脱吸附；吸附—脱吸附—冷却第三节干纺纤维结构的形成和性能一.干纺时纤维结构的形成干纺过程中，纤维结构的形成机理目前研究还比较少。干法成形的相变过程从图中可以看出体系的相态变化，图中X1代表体系的原始组成，随着干纺过程的溶剂的蒸发，体系的粘度增加，组成接近于XTB，该位置是由流动性温度-组成曲线决定的。XTBX0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。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的聚集态变化相联系，而不是与体系的相态变化相联系。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宏观结构比较均一。干纺过程中，溶剂存在于整个丝条中，溶剂从丝条表面蒸发的速度E和溶剂从丝条中心扩散到表面的速度V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。E/V≤1，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;随着E/V的增加，纤维截面不同程度的变化E/V略1纤维的截面呈扁平状，近于大豆形或哑铃形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，纤维截面形状与圆形的差别越大。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有明显可见的孔洞。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不明显。二.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，所以纤维截面结构均匀、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。相同的成纤聚合物湿法纺丝干法纺丝具有均一而致密的结构，而且力学性能更为优良成形方法及成形条件重点1）干法纺丝的过程和特点2）干纺纤维在结构的形成上有什么特点思考题：纺制腈纶的干法与湿法相比，成形过程有何区别？你认为哪种方法成形条件更剧烈？对纤维品质有何影响？