化纤工艺学 聚酯纤维

化纤工艺学第三章聚酯纤维第三章聚酯纤维化纤工艺学第三章聚酯纤维化纤工艺学化纤工艺学第三章聚酯纤维学习目的要求初步掌握聚酯纤维的合成、纺丝等生产技术,把握结构、性能及应用,了解其改性和新型聚酯纤维.第三章聚酯纤维化纤工艺学化纤工艺学第三章聚酯纤维第一节概述聚酯是制造聚酯纤维、涂料、薄膜及工程塑料的原料，是由饱和的二元酸与二元醇通过缩聚反应制得的一类线性高分子缩聚物。这类缩聚物的品种因随使用原料或中间体而异，故品种繁多数不胜数。但所有品种均有一个共同特点，就是其大分子的各个链节间都是以酯基“－COO－”相联，所以把这类缩聚物通称为聚酯。以聚酯为基础制得的纤维称为涤纶，是三大合成纤维（涤纶、锦纶、腈纶）之一，是最主要的合成纤维。第三章聚酯纤维化纤工艺学化纤工艺学第三章聚酯纤维第二节聚对苯二甲酸乙二酯一、对苯二甲酸乙二酯的制备1．合成的工艺路线合成的工艺路线酯交换路线环氧乙烷直接加成路线对苯二甲酸用乙二醇直接酯化路线化纤工艺学第三章聚酯纤维PET纤维生产路线化纤工艺学第三章聚酯纤维（1）酯交换路线（酯交换法）将对苯二甲酸二甲酯与乙二醇按1∶2.5（摩尔比）比例混合，在醋酸锌、醋酸锰和醋酸钴催化剂的作用下，发生酯交换反应，生成对苯二甲酸双羟乙酯。第三章聚酯纤维化纤工艺学H3COOC－－COOCH3＋2HOCH2CH2OHZn（CH2COO）2HOCH2CH2COOC－－COOCH2CH2OH+2CH3OH对苯二甲酸双羟乙酯化纤工艺学第三章聚酯纤维（2）对苯二甲酸用乙二醇直接酯化路线（直接酯化法）HOOC－－COOH＋2HOCH2CH2OHHOCH2CH2COOC－－COOCH2CH2OH对苯二甲酸双羟乙酯化纤工艺学第三章聚酯纤维（3）环氧乙烷直接加成路线（环氧乙烷法）该路线是1973年开始工业化生产的。其反应如下：该反应在饱和低分子脂肪胺或季胺盐存在下，进行极为顺利，该路线具有成本低；产物低聚物少，容易精制；设备利用率高，辅助设备少等优点。HOOC－－COOH＋2CH2－CH2HOCH2CH2COOC－－COOCH2CH2OH对苯二甲酸双羟乙酯O化纤工艺学第三章聚酯纤维如果采用高纯度的对苯二甲酸和环氧乙烷进行反应，其产物可不经过精制就可以直接用于缩聚成聚酯。其中，酯交换聚酯法和直接酯化聚酯法现在依然是合成聚酯的两大主要工艺路线.酯交换路线是传统的方法，因工艺技术成熟，所以至今在工业生产中仍占有相当的地位。第三章聚酯纤维化纤工艺学化纤工艺学第三章聚酯纤维直接酯化聚酯路线虽然起步较晚，但与酯交换聚酯路线相比，因具有消耗定额低，乙二醇配料比低，无甲醇回收，生产控制稳定，流程短，投资低等优点，而发展迅速。目前国内引进的聚酯装置多以后者为主，其生产能力1997年就已达到152万t/a。化纤工艺学第三章聚酯纤维二、聚对苯二甲酸乙二酯的生产1.生产原理用精制后的对苯二甲酸双羟乙酯在缩聚反应催化剂和稳定剂缩聚反应，分离出乙二醇后即得聚对苯二甲酸乙二醇酯，其反应如下：COOCH2CH2OHHOCH2CH2OOCnCO－OCH2CH2OOC－HOCH2CH2OOC[CO－n-1OCH2CH2OH+HOCH2CH2OH](PET)(EG)化纤工艺学第三章聚酯纤维由于缩聚反应属于可逆反应，为了使缩聚反应进行完全，必须排出反应生成的低分子物质（乙二醇），为此必须采用真空及强力搅拌，缩聚反应最终压力不大于266.6Pa，才能获得高相对分子质量的聚酯，一般产品的平均相对分子质量不低于20000，用于制造纤维、薄膜的相对分子质量约为25000。化纤工艺学第三章聚酯纤维2．聚对苯二甲酸乙二醇酯的生产工艺从操作方式上看，聚对苯二甲酸乙二醇酯的两种主要生产路线都有间歇操作和连续操作之分。相比较而言，直接酯化法连续法比间歇法的成本低20%；酯交换法连续比间歇的成本低10%。下面主要介绍酯交换法和直接酯化法聚酯的生产工艺。化纤工艺学第三章聚酯纤维（1）酯交换法连续生产聚酯工艺酯交换法连续生产聚酯工艺包括酯交换、预缩聚、缩聚等过程，其原则工艺流程如图3-2所示。①酯交换将原料对苯二甲酸二甲酯连续加入熔化器中，加热（150±5）℃熔化后，用齿轮泵送入高位槽中。另将乙二醇连续加入到乙二醇预热器中预热至150～160℃后，用离心泵送入高位槽中。将上述两种原料按摩尔比1∶2分别用计量泵连续定量加入酯交换塔上部。化纤工艺学第三章聚酯纤维分别将催化剂醋酸锌和三氧化二锑按DMT的0.02%加入量，用过量0.4mol的乙二醇配制成液体加入高位槽中,并连续定量送入连续酯交换塔上部。连续酯交换塔是一个塔顶带有乙二醇回流的填充式精馏柱的立式泡罩塔。控制酯交换温度为190～220℃，反应所生成的甲醇蒸气通过塔内各层塔板上的泡罩齿缝上升，进行气液交换后进入冷凝器冷凝后化纤工艺学第三章聚酯纤维流入甲醇贮槽中。原料由塔顶加入后，经十六个分段反应室流到最后一块塔板，完成酯交换反应，酯交换的生成物由塔底再沸器加热后流入混合器中。化纤工艺学第三章聚酯纤维12345678910111213DMTEG催化剂去甲醇贮槽回收EG接真空系统去包装1415酯交换法连续生产聚酯工艺流程化纤工艺学第三章聚酯纤维②预缩聚混合器中的单体经过滤器过滤后，经计量泵、单体预热器送入预缩聚塔底部。预缩聚塔由十六块塔板构成，控制塔内温度在（265±5）℃。单体由塔底进入后，沿各层塔板的升液管逐层上升，在上升过程中进行缩聚反应，反应所生成的乙二醇蒸气起搅拌作用，可以加快反应速率。当物料到达最上一层塔板后，便得到特性粘度[η]＝0.2～0.25的预聚物，预聚物由塔顶物料出口流出.化纤工艺学第三章聚酯纤维③缩聚预聚物由计量泵定量连续输送到卧式连续真空缩聚釜的入口。该釜为圆筒形的内有49枚圆盘轮的单轴搅拌器，釜的底部有与圆盘轮交错安装的隔板隔成的多段反应室，如图10-3所示。以锌催化剂时，釜内缩聚反应温度不超过270℃，加入稳定剂后可控制275～278℃，压力小于133.3Pa。在搅拌器的作用下，物料由缩聚釜一端向另一端移动，在移动过程中进行缩聚反应。当物料到达另一端时，聚酯化纤工艺学第三章聚酯纤维树脂的特性粘度逐渐增加到0.64～0.68。然后经过连续纺丝、拉膜或造粒即得其产品。（2）直接酯化聚酯生产工艺直接酯化聚酯生产工艺所用的原料对苯二甲酸与乙二醇的质量要求如表10-3所示。其工艺过程包括酯化与缩聚。化纤工艺学第三章聚酯纤维①酯化反应对苯二甲酸与乙二醇按摩尔比1∶1.33配料，以三氧化二锑为催化剂，在搅拌下，控制酯化温度在乙二醇沸点以上。酯化反应在如图3-2所示的反应釜中进行。用平均聚合度为1.1的酯化物在反应器中循环，酯化物与对苯二甲酸的摩尔比为0.8。控制釜的夹套温度为270℃，物料在釜内第一区室内充分混合，制成粘度化纤工艺学第三章聚酯纤维为2Pa·s的浆液。这种浆液穿过区室间档板上的小孔进入下一个区室，物料在前进中进行反应，最后获得均一低聚物。反应产生的水，经蒸馏排出设备外。②缩聚反应缩聚反应设备与酯交换基本相同，连续酯化后的产物进入缩聚设备进行连续缩聚反应，即得聚对苯二甲酸乙二醇酯。化纤工艺学第三章聚酯纤维由于直接酯交换法中一般要加入了磷酸三苯酯、亚磷酸三苯酯等稳定剂，所以聚酯产物的热稳定性和聚合度都比酯交换法聚酯高，可以作为生产轮胎帘子线的高质量纤维。化纤工艺学第三章聚酯纤维第三节聚酯切片的干燥1、切片干燥的目的和要求切片在熔融纺丝之前必须进行干燥。干燥的目的是除去切片中的水分，并提高切片的结晶度和软化点。2、切片干燥的工艺控制切片干燥过程实质上是一个同时进行的传热和传质过程，并伴随着高聚物结构(结晶)与性质(软化点等)的变化。温度时间风速风湿度化纤工艺学第三章聚酯纤维3、切片干燥设备PET切片干燥设备分为间歇式和连续式两大类。间歇式设备有真空转鼓干燥机；连续式设备有回转式、沸腾式和充填式等干燥机，也有用多种形式组合而成的联合干燥装置，如德国的KF、BM，吉玛和日本的钟纺、奈良等干燥装置。化纤工艺学第三章聚酯纤维VC353真空干燥机示意图化纤工艺学第三章聚酯纤维回转圆筒一充填组合干燥工艺流程图化纤工艺学第三章聚酯纤维KF式干燥工艺流程化纤工艺学第三章聚酯纤维间歇式预结晶和BM式干燥工艺流程图化纤工艺学第三章聚酯纤维第四节聚酯纤维的纺丝聚酯纤维是通过熔融纺丝法生产的，一般是将聚酯树脂切片经过真空干燥（真空度266.6～666.5Pa，温度140～150℃，时间10～20h），除去吸附的微量水分，并使树脂由无定型变为结晶形后，在惰性气体的保护下加热成熔体。再在一定压力下定量压出喷丝孔，冷却后形成纤维，再经拉伸、卷曲、切断等工序成为一定规格的化纤工艺学第三章聚酯纤维可纺短纤维；或在拉伸后进行加捻、定型等后处理工序，成为符合各项指标的长纤维。PET纤维一般以纺丝速度高低来划分纺丝技术路线类型①常规纺丝：纺丝速度1000～1500m／min，其卷绕丝为未拉伸丝，通称UDY（undrawyarn）化纤工艺学第三章聚酯纤维②中速纺丝：纺丝速度为1500～3000m／min。其卷绕丝具中等取向度，为中取向丝，通称MOY（mediumorentedyarn）③高速纺丝：纺丝速度为3000～6000m／min。纺丝速度为4000m／min以下的卷绕丝具有较高的取向度，为预取向丝POY（pre—orientedyarn）。化纤工艺学第三章聚酯纤维若在纺丝过程中引入拉伸作用，可获得具有高取向度和中等结晶度的卷绕丝，为全拉伸丝FDY（fulldrawyarn）。④超高速纺丝：纺丝速度为6000～8000m／min。卷绕丝具有高取向和中等结晶结构，为全取向丝，通称FOY。化纤工艺学第三章聚酯纤维1.纺丝熔体的制备由缩聚釜或用连续缩聚制得的PET熔体可直接用于纺丝，也可以经铸带、切粒后再熔融以制备纺丝熔体。用于熔纺合成纤维生产的主要是单螺杆挤出机，其结构见图。化纤工艺学第三章聚酯纤维单螺杆挤出机结构简图化纤工艺学第三章聚酯纤维2.纺丝机的基本结构VD405高压纺丝头组件化纤工艺学第三章聚酯纤维3.纺丝过程中的主要工艺参数熔法纺丝过程中有许多参变数，这些参变数决定纤维成形的历程和纺出纤维的结构和性能，生产上就是通过控制这些参数来制得所要求性能的纤维。按工艺过程生产中控制的主要纺丝参数:熔融条件喷丝条件固化条件绕丝条件化纤工艺学第三章聚酯纤维4.聚酯短纤维的纺丝工艺PET短纤维的纺丝，按其使用的原料状态不同，可分为切片纺丝和直接纺丝两类。切片纺丝工艺流程：PET切片→干燥→熔融→纺丝→后处理→成品纤维直接纺丝工艺流程：PET熔体一纺丝一后处理一成品纤维。化纤工艺学第三章聚酯纤维PET短纤维常规纺丝工艺流程图化纤工艺学第三章聚酯纤维5.聚酯长丝的纺丝工艺PET长丝普通长丝(复丝)、工业用长丝弹力丝空气变形丝等品种。聚酯长丝的生产工艺路线化纤工艺学第三章聚酯纤维PET长丝分类如下：聚酯长丝初生丝拉伸丝变形丝未拉伸丝（常规纺丝）—UDF半预取向丝（中速纺丝）—MOY预取向丝（高速纺丝）—POY高取向丝（超高速纺丝）—HOY低速拉伸丝—DY全拉伸丝（纺丝拉伸一步法）—FDY常规变形丝—TY拉伸变形丝—DTY空气变形丝—ATY化纤工艺学第三章聚酯纤维长丝纺丝工艺流程图化纤工艺学第三章聚酯纤维第五节聚酯纤维的高速纺丝图３-１４PET短纤维高速短程纺丝工艺流程示意图1.短纤维高速纺丝化纤工艺学第三章聚酯纤维PET预取向丝的生产全拉伸丝的生产全取向丝的生产2.长丝高速纺丝化纤工艺学第三章聚酯纤维第六节聚酯纤维后加工纤维后加工作用：（1）将纤维进行拉伸（或补充拉伸），使纤维中大分子取向，并规整排列，提高纤维强度，降低伸长率。（2）将纤维进行热处理，使大分子在热作用下，消除拉伸时产生的内应力，降低纤维的收缩率，并提高纤维的结晶度。（3）对纤维进行特殊加工，如将纤维卷曲或变形、加捻等，以提高纤维的摩擦系数、弹性、柔软性、蓬松性，或使纤维具有特殊的用途及纺织加工性能。化纤工艺学第三章聚酯纤维图３-15PET短纤维后加工工艺流程示意图化纤工艺学第三章聚酯纤维2.PET长丝后加工