聚酰胺纤维

高分子材料加工工艺学高分子材料加工工艺学朱鹏南通大学化学化工学院LOGO2008.9第二章聚酰胺纤维第二章聚酰胺纤维1.背景聚酰胺纤维是指纤维大分子主链有酰胺键连接起来的一类合成纤维。由于其具有优良的物理性能和纺织性能，发展速度很快，直至20世纪60年代末，在合成纤维产量中一直居首位，但从1972年开始为涤纶所超过而退居第二位。聚酰胺纤维有许多品种，目前工业化生产及应用最为广泛的是聚酰胺6和聚酰胺66。各国的商品名称不同，如我国称聚酰的是聚酰胺6和聚酰胺66。各国的商品名称不同，如我国称聚酰胺纤维为“锦纶”，美国称为“尼龙”（Nylon）。22:08第二章聚酰胺纤维第二章聚酰胺纤维22:0822:08第二章聚酰胺纤维第二章聚酰胺纤维Supplex是Invista公司继Tactel之后推出的新型锦纶66纤维。它具有以下特性：型锦纶66纤维。它具有以下特性：—曲折刚性低于羊毛、涤纶和棉等大多数纤维，具有棉一般的手感和柔顺，消光；—吸湿性好，在化纤中仅次于粘胶；吸湿性好，在化纤中仅次于粘胶；—质量轻，强度和耐磨性超过涤纶；—弹性恢复仅次于羊毛和腈纶，优于其它化纤；—制成的服装不易起皱、不缩水、不变形、易干制成的服装不易起皱、不缩水、不变形、易干燥、易保养；—染色性能较好，不易退色等。22:08—染色性能较好，不易退色等。第二章聚酰胺纤维第二章聚酰胺纤维Coolmax排汗面料当然首推Coolmax，其实就是涤纶Coolmax，其实就是涤纶（POLYESTER聚酯）。Coolmax面料的确具有优良的Coolmax面料的确具有优良的排汗性能，能够将汗水导到体外。它的四孔中空的纤维构造，加上一般coolmax面料内紧外加上一般coolmax面料内紧外松的针织构造，可以最大限度的利用毛细现象导湿。22:08的利用毛细现象导湿。第二章聚酰胺纤维第二章聚酰胺纤维聚酰胺合成工艺一般可分为两类：一类是由二元胺和二元酸缩聚而得；另一类为ω－氨基酸缩聚或由内酰胺开环聚合而得。命名:前一数字为二元胺的碳原子个数，后一数字为二元酸的碳原前一数字为二元胺的碳原子个数，后一数字为二元酸的碳原子个数。对于开环聚合只有其单元结构所含碳原子数目。注：根据ISO的定义，全芳香族聚酰胺纤维不在聚酰胺纤维类内。22:08第二章聚酰胺纤维第二章聚酰胺纤维22:08第二章聚酰胺纤维第二章聚酰胺纤维第一节聚酰胺纤维原料一、聚酰胺纤维的原料及生产聚酰胺树脂工业上主要方法包括•熔融缩聚、•开环聚合开环聚合•低温聚合。聚酰胺66，聚酰胺9等由于聚合体有适当的熔点，分解温度聚酰胺66，聚酰胺9等由于聚合体有适当的熔点，分解温度比熔点高，可以采用熔融缩聚，而己内酰胺，则需要适当的活化剂使之开环并聚合。化剂使之开环并聚合。22:08第二章聚酰胺纤维第二章聚酰胺纤维1.已内酰胺的开环聚合环状化合物能否变成聚合物，是由热力学函数决定的。环状化合物的自由能F1大于聚合物的自由能F2，即满足，聚合反状化合物的自由能F1大于聚合物的自由能F2，即满足，聚合反应才有可能进行。热力学上能够聚合的环状单体，还必须满足动力学的条件热力学上能够聚合的环状单体，还必须满足动力学的条件才能聚合。如已内酰胺在热力学上能够开环聚合，但是纯无水已内酰胺在加热条件下，并不能发身聚合。（原因）已内酰胺在加热条件下，并不能发身聚合。（原因）已内酰胺转化成线性高聚物，除了必须适当的温度条件外，还必须有活化剂存在。（活化剂的作用）。工业上普遍采用添还必须有活化剂存在。（活化剂的作用）。工业上普遍采用添加少量水使其聚合，称为水解聚合。其包括：链的引发、链的增长及链的终止。22:08增长及链的终止。第二章聚酰胺纤维第二章聚酰胺纤维2.聚已内酰胺的生产流程间歇工艺多采用搅拌釜式反应器，而连续工艺多采用管式反应器。22:08第二章聚酰胺纤维第二章聚酰胺纤维二、聚酰胺的结构和性质（一）聚酰胺结构1.分子结构聚酰胺的分子是通过酰胺键连接起来的线形长链分子，在晶体中呈完全伸展的平面锯齿形构形。适合于纺制纤维的聚已内酰胺的平均分子量一般为14000～20000左右。制纤维的聚已内酰胺的平均分子量一般为14000～20000左右。2.晶态结构X射线衍射分析表明，线型聚酰胺在固态时只是部分结晶，结晶度通常在50％以下。聚己内酰胺通常具有多是部分结晶，结晶度通常在50％以下。聚己内酰胺通常具有多种晶态结构，包括α型、β型及γ型。22:08第二章聚酰胺纤维第二章聚酰胺纤维22:08第二章聚酰胺纤维第二章聚酰胺纤维α型的晶体是最稳定的形式，其密度也最大。式，其密度也最大。β型和γ型的晶体不稳定，通过对样品的不同处理，这种结构可以转变成稳定的α型的晶体。22:08第二章聚酰胺纤维第二章聚酰胺纤维（二）聚酰胺的物理和化学性质1.密度聚己内酰胺的密度随着内部结构和制造条件不同而有差异，其测得密度为1.12～1.14g/cm3。而聚己二酰己二胺密度范围为1.13～1.16g/cm3。22:08第二章聚酰胺纤维第二章聚酰胺纤维2.熔点根据测试方法不同，其熔点数值也有所差异。22:08第二章聚酰胺纤维第二章聚酰胺纤维3.玻璃化温度聚酰胺的玻璃化温度与测定方法和测定条件有关。聚酰胺的玻璃化温度与测定方法和测定条件有关。22:08第二章聚酰胺纤维第二章聚酰胺纤维4.熔体粘度聚己内酰胺的熔体粘度随着数均分子量增大而增加，在恒定温度下，符合下列公式：22:08第二章聚酰胺纤维第二章聚酰胺纤维判断聚己内酰胺的可加工性，除了测量温度要相同以外，还必须在低聚物含量和含水量相同的情况下，才可能得到有还必须在低聚物含量和含水量相同的情况下，才可能得到有用数据。22:08第二章聚酰胺纤维第二章聚酰胺纤维6.吸湿性PA相对于其它纤维，由于酰胺键中的N原子具有孤对电子，其可以与水分子形成氢键，其具有较好的吸湿性。每两个酰胺间与其配位的水分子有三配位的水分子有三个，其中一个分子产生强的氢键结合。产生强的氢键结合。22:08第二章聚酰胺纤维第二章聚酰胺纤维7.耐化学药品性聚酰胺耐碱性很好，但耐酸性差，通常可溶于有机酸和无机酸，也可溶于苯酚或一些醇类。机酸，也可溶于苯酚或一些醇类。22:08第二章聚酰胺纤维第二章聚酰胺纤维第二节聚酰胺的纺丝成型一、概述聚酰胺纤维一般采用熔体纺丝成型，主要以切片熔融纺丝为主。聚酰胺纤维的结构与聚酯不同，为了避免卷绕丝在卷装上发生过多的松弛而变软，其相应纺丝速度必须达到上发生过多的松弛而变软，其相应纺丝速度必须达到4200m/min～4500m/min。由于常规纺丝已逐步被高速纺丝取代，为此，本节主要介由于常规纺丝已逐步被高速纺丝取代，为此，本节主要介绍高速纺丝。22:08第二章聚酰胺纤维第二章聚酰胺纤维二、聚酰胺纤维高速纺丝的工艺和设备特点1.对切片含水率和熔体纯度要求含水率小于0.08％，熔体中不允许有6μm以上的杂质存在。含水率小于0.08％，熔体中不允许有6μm以上的杂质存在。原因：高速纺丝，张力大，气泡或杂质的存在会引起应力集中，发生单丝断裂。集中，发生单丝断裂。2.对纺丝设备的要求高卷绕速度要求纺丝头的吐胶量较大，为此需要增加螺杆挤出量和提高纺丝熔体的均匀性。22:08第二章聚酰胺纤维第二章聚酰胺纤维3.丝条冷却和上油方式高速纺丝，冷却停留时间短，因此需要加大风速和风窗的高度。而上油方式也不同与常规纺丝，其不在卷绕机板面而在纺丝窗下方的甬道入口处。原因：减少丝条与空气的接触表面，较少摩擦阻力和张力，原因：减少丝条与空气的接触表面，较少摩擦阻力和张力，保证高速卷绕。22:08第二章聚酰胺纤维第二章聚酰胺纤维三、聚酰胺高速纺丝工艺聚酰胺6高速纺丝设备与聚酯基本相同，但由于物性差异，其工艺具有差别。聚酰胺6纺丝温度为265～270℃；纺丝速度比聚酯高，至少在4000m/min以上。纺丝速度比聚酯高，至少在4000m/min以上。原因：由于聚酰胺纤维分子间结合力大，容易结晶、吸水性强，在低速时容易吸水膨胀变形，造成卷装不良。性强，在低速时容易吸水膨胀变形，造成卷装不良。22:08第二章聚酰胺纤维第二章聚酰胺纤维聚酰胺纤维的取向度随纺丝速度的提高而增加，为此聚酰胺纤维预取向丝POY的纺速宜为4000～为此聚酰胺纤维预取向丝POY的纺速宜为4000～5200m/min。22:08第二章聚酰胺纤维第二章聚酰胺纤维四、聚酰胺高速纺丝拉伸一步工艺聚酰胺6全拉伸丝（FDY）工艺在常规纺丝工艺的基础上加入了第二、第三导丝辊，完成拉伸工艺，可基础上加入了第二、第三导丝辊，完成拉伸工艺，可直接制得锦纶长丝FDY产品。具体工艺参见书P81。22:08第二章聚酰胺纤维第二章聚酰胺纤维工艺参数对成品丝质量的影响1.纺丝温度纺丝温度主要取决于聚合体的熔点和熔体粘度。聚酰胺6的纺丝温度控制在270℃，聚酰胺66则控制在280～290℃左右。原因：聚酰胺6的熔点215℃；聚酰胺66的熔点255℃。原因：聚酰胺6的熔点215℃；聚酰胺66的熔点255℃。2.冷却条件一般选择侧吹风，使用20℃的露点风，送风速度一般为0。一般选择侧吹风，使用20℃的露点风，送风速度一般为0。4～0.5m/s，相对湿度为75％～80％。22:08第二章聚酰胺纤维第二章聚酰胺纤维3.纺丝速度和喷丝头拉伸倍数数熔体纺丝速度很快，一般对速度设有下限值，高速纺一般为4000m/min～6000m/min，喷丝头4000m/min～6000m/min，喷丝头拉伸倍数可达200倍。纺丝速度越快，喷丝头拉伸纺丝速度越快，喷丝头拉伸倍数越大，而后期剩余拉伸倍数减小。减小。22:08第二章聚酰胺纤维第二章聚酰胺纤维4.上油高速纺丝上油比常规纺丝上油更为重要。常规纺丝采用油盘上油，吹风位置为卷绕机上；高速纺丝采用齿轮泵计量、喷嘴上油法。同时由于FDY具有较高的取向和结晶度，为此上油位置吹风窗下端。较高的取向和结晶度，为此上油位置吹风窗下端。5.拉伸倍数FDY工艺是经第一导辊的预取相丝（POY）连续绕经高速运行的辊筒来实行拉伸。拉伸倍数一般为1.2～1.3倍。22:08第二章聚酰胺纤维第二章聚酰胺纤维第三节聚酰胺纤维的后加工一、聚酰胺长丝后加工现在聚酰胺长丝的生产多采用POY－DT工艺，即以高速纺的POY为原料，在同一机台上（拉伸加捻机）一步完成拉伸加捻作用，其与聚酯长丝后加工类似，具体参加书P83。用，其与聚酯长丝后加工类似，具体参加书P83。22:08第二章聚酰胺纤维第二章聚酰胺纤维二、聚酰胺高弹丝后加工聚酰胺高弹丝后加工采用假捻变形法，其与聚酯假捻变形丝工艺类似，具体参加书P84。假捻变形丝工艺类似，具体参加书P84。高弹丝与低弹丝工艺差别，有无加热器。22:08第二章聚酰胺纤维第二章聚酰胺纤维三、聚酰胺帘子线的后加工工帘子线是橡胶制品的骨架帘子线是橡胶制品的骨架材料，广泛用于轮胎、胶管、运输带等领域。其第一代产品运输带等领域。其第一代产品为棉帘子线，到20世纪50～60年代为粘胶帘子线取代。由于年代为粘胶帘子线取代。由于聚酰胺纤维帘子线具有断裂强度高、抗冲击强度高、耐疲劳度高、抗冲击强度高、耐疲劳等优良性能，而发展迅速。22:08第二章聚酰胺纤维第二章聚酰胺纤维聚酰胺帘子线生产特点1.聚合由于帘子线的强度要求高于一般长丝，其必须要提高分子量。其聚酰胺6目前采用加压预缩聚－真空闪蒸－后缩聚工艺。2.纺丝成型2.纺丝成型由于粘度高，一般采用高压纺丝法，避免高温，有利于产品质量的提高。品质量的提高。3.复捻和合股经拉伸加捻后的丝条，捻度较低，还需要进行复捻和合股。22:08第二章聚酰胺纤维第二章聚酰胺纤维四、聚酰胺膨体长丝的生产聚酰胺膨体长丝的生产是采用SDTY法，与聚酯空气变形丝工艺类似，具体参见书P89。工艺类似，具体参见书P89。纺丝－拉伸－喷气变形加工一步法22:08第二章聚酰胺纤维第二章聚酰胺纤维22:08第二章聚酰胺纤维第二章聚酰胺纤维第四节聚酰胺纤维的性能、用途及其改性一、聚酰胺纤维的性能™聚酰胺纤维因为部分结晶和分子间作用力大，其强度较高。™其初始模量比其它多数纤维都低，表现为纤维在使用过程中容易变形。