化学纤维生产原理及工艺

高分子科学与工程学院 化学纤维生产原理及工艺 内容 第一节化学纤维的发展概况第二节化学纤维的常用基本概念第三节化学纤维的主要质量指标 第一节合成纤维的发展概况 一 纤维的分类二 化学纤维的发展概况三 我国化学纤维工业的发展概况 纤维的定义及分类 纤维的定义 可供纺织加工的一类细长而柔韧的材料 化学纤维的主要品种与结构 化学纤维的主要品种与结构 化学纤维的主要品种与结构 二 化学纤维的发展概况 以天然原料为主 1880 1930 1884年Chardonnet 硝酸纤维素 1891年工业化1901年铜氨纤维1905年粘胶纤维 以合成原料为主 1938 1960 1939尼龙661941尼龙61946聚氯乙烯纤维1950 1956腈纶 维纶 涤纶等 化学纤维的发展概况 改性纤维 特种纤维的发展 1960 PTTPBT聚酰亚胺 聚苯并咪唑 芳香族聚酰胺 聚苯撑苯并口恶唑差别化 多功能纤维的发展 1970 全面超越天然纤维的性能 HistoryandFacts Facts Facts 世界纤维产量对比1unit 1000Tonnes 纤维的发展趋势 从蚕 蜘蛛吐丝想到的 仿生学是化纤发展的智慧宝库超细旦纤维 0 001dtex diameter0 1 m高强度高模量纤维 超过钢材不是梦功能纤维 丰富多彩的选择智能纤维 能识别 响应 执行的高级纤维具有传感功能的纤维 智能机器人的保障居安思危 可再生资源的开发 纤维的发展趋势 蜘蛛丝 最强的纤维蛋白纤维吐丝机理尚不完全清楚特殊酶作用下的快速取向 属液晶纺丝蚕丝 最美丽的天然纤维蛋白纤维室温固化成型吐丝速度极低 取向的动力何来 纤维的发展趋势 超细化带来的变革纤度在1 9dtex为普通丝 0 4 1dtex为微细旦丝 小于0 4为超细旦天然纤维最细为真丝 1 1dtex 化学纤维目前的纤度可达0 001dtex 仅4g质量的聚合体纺出了长度能够到达月球距离的超细纤维 超细纤维的优点织物更加柔软 手感改进 比表面积增大 透气性改善 吸水吸油性提高 保温隔热性增加 织物光泽更加柔和超细纤维的应用人造麂皮 仿真丝绸 高密度织物 新合纤 高性能洁净布 高强度高模量纤维 先进复合材料的基础 纤维的发展趋势 功能纤维 丰富多彩的选择抗静电 导电纤维 电子工业用 防止火灾而使用的阻燃纤维运动服所用的防水透湿织物体操 健美运动员使用的高弹性织物内衣和医疗方面使用的高吸水纤维加工袜类和医疗服装使用的防菌纤维生物降解纤维远红外纤维抗紫外线纤维分离膜用的中空纤维 纤维的发展趋势 智能纤维 能识别 响应 执行的高级纤维智能纤维就是当纤维所处的环境发生变化时 其形状 温度 颜色和渗透速率等随之发生敏锐响应 即突跃性变化的纤维 包括 pH响应纤维温闽纤维光敏纤维形状记忆纤维应用领域服装药物控制释放新型热机转换智能开关具有传感功能的纤维 智能机器人的保障用于测量和信号传输 纤维的发展趋势 人口将持续不断的增加 2050年世界人口达90亿纤维用量8公斤 人 2050 纤维产量约1亿吨自然资源不断的枯竭靠什么来支撑未来舒适的生活 对策 可再生资源的利用现有资源的节约开发新的能源和原料来源 三 我国化学纤维工业的发展 历史短20世纪50年代开始起步 以棉短绒为主要原料的粘胶纤维和以电石为主要原料的维纶 自70年代开始 我国化学纤维工业发展的重点转向以石油为基础原料的涤纶 锦纶 腈纶和丙纶 融入国际化学纤维发展的主流之中 特别是70年代末 我国实行以经济建设为中心的历史性转变 化学纤维工业进入高速度发展时期 我国化学纤维工业的发展 速度快1960年我国化学纤维产量只有1万t 1970年才达到10万t 1980年45万t 1986年突破100万t 1992年超过200万t 1997年达到460万t 1998年达到510万t 成为世界化学纤维生产第一大国 2005年我国化纤总产量已达到1629 2万t 技术相对落后自有技术少 产品单一 2000年世界各国和地区化学纤维生产量 我国化学纤维历年总需求 我国化纤工业面临的问题 1 经济规模 生产力布局状况不合理 2 国内化学纤维市场遭受国外产品的猛烈冲击 3 自有资金缺乏 债务负担重 4 产品结构和生产流程配置不合理 效益低下 5 产品开发跟不上市场需求 产品缺乏竞争力 6 经营管理机制落后 方式陈旧 市场营销不利 7 品种和质量问题 总之 与国际先进水平相比 我国化纤行业仍然缺乏强有力的竞争能力 纤维的应用 从神舟5号看高技术纤维 纤维的应用 高技术纤维在神舟五号飞船上的应用 1 非电传爆导爆索 高强纤维2 宇航服 高强 阻燃 抗静电纤维3 引导伞 减速伞 主伞 备份伞及伞索 高强 阻燃 抗静电纤维4 舱内装饰织物 阻燃纤维5 复合材料 高强高模纤维 纤维的应用 四川大学研制的高技术纤维在神舟五号飞船上的应用应用形式非电传爆导爆索示意图应用部位发射轨道舱与回收舱分离回收舱与推进舱分离抛伞窗盖 纤维的应用 宇航服 不仅仅是保暖那么简单 杨利伟所穿的宇航服是宇航服中要求比较简单的一种 但其中所含的科技成份不简单 这款宇航服中已经应用了一百三十多种新型材料 为了防止膨胀 宇航服上特制了各种环 拉链 缝纫线以及衬料等 同时 保温 吸汗散湿 防细菌 防幅射等功能也体现在其中 价值人民币一千多万元 与国外同类产品相比 中国的宇航服处于先进水平 这表现在新型材料的应用 同等功能优异 加工程度精细等方面 舱外航天服每套总重量约 公斤 造价 万元人民币左右 与你相伴 纤维在日常生活中的应用 Fiberuses 涤棉混纺布用作被套 T恤衫 纯棉T恤 纯棉牛仔裤 羊毛 腈纶毛衣 高强度聚乙烯纤维绳 绝缘纸 鱼线 滤材 Fiberuses 尼龙防寒服 尼龙防滑地毯 高弹性运动短裤 防水背包 尼龙帐篷和睡袋 双层防水服 尼龙 棉 氨纶混纺弹力袜 玻璃纤维杆 中纤板 第二节化学纤维的基本概念 一 长丝二 短纤维三 丝束四 牵切纱五 预取向丝六 变形纱七 化学纤维中的新名词异形纤维 复合纤维 超细纤维 差别化纤维高性能纤维 功能纤维 高技术纤维 长丝 定义 纺丝流体 溶体或溶液经纺丝成型和后加工处理得到的长度以千米计的连续纤维 长丝包括单丝 复丝 帘子线单丝 用单孔喷丝头纺制而成的一根或几根连续纤维 较粗的单丝称为鬃丝 福丝 数十根以上单纤维组成的丝条 数根单纤维组成 专门用于制造轮胎帘子布 短纤维 定义 化学纤维的产品被切成几厘米至十几厘米的长度 这种长度的纤维称为短纤维 根据切断长度的不同 短纤维可分为棉型 毛型 中长型短纤维 棉型短纤维 长度为25 38mm 纤维较细 类似棉花 主要用于与棉混纺 例如用棉型聚酯短纤维 涤纶 与棉混纺 得到的织物称 涤棉 织物 毛型短纤维 长度为70 150mm 纤维较粗 类似羊毛 主要用于与羊毛混纺 例如用涤纶毛型短纤维与羊毛混纺 得到的织物称 毛涤 织物 中长纤维 纤维的长度为51 76mm 纤维的粗细介于棉型和毛型之间 主要用于织造中长纤维织物 短纤维除可与天然纤维混纺外 还可与其它化学纤维的短纤维混纺 由此得到的混纺织物具有良好的综合性能 另外 短纤维也可进行纯纺 丝束 牵切纱 预取向丝 丝束由几万根甚至几百万根单丝组成的束丝 用来切断成短纤维和牵切成条子 牵切纤维丝束经拉伸而断裂成短纤维 纤维长度不等 预取向丝经高速纺制得的纤维 具有一定取向度 但仍需后处理加工 异型纤维 定义 在合成纤维成形过程中 采用异形喷丝孔纺制的具有非圆形横截面的纤维或中空纤维 这种纤维称为异形截面纤维 简称异形纤维 几种非圆形喷丝孔形状及其相应纤维横截面形状 异型纤维的功能 异形纤维具有特殊的光泽 并具有蓬松性 耐污性和抗起球性 纤维的回弹性与覆盖性也可得到改善 三角形横截面的涤纶或锦纶与其它纤维的混纺织物有闪光效应 十字形横截面的锦纶回弹性强五叶形横截面的涤纶长丝有类似真丝的光泽 抗起球 手感和覆盖性良好 扁平 带状 哑铃形横截面的合成纤维纤维具有麻 羚羊毛和兔毛等纤维的手感和光泽 中空纤维的保暖性和蓬松性优良 某些中空纤维还具有特殊用途 如制作反渗透膜 用于人工肾脏 海水淡化 污水处理 硬水软化 溶液浓缩等 复合纤维 定义 在纤维横截面上存在两种或两种以上不相混合的聚合物 这种化学纤维称为复合纤维 或称双组分纤维 复合纤维的品种很多 有并列型 皮芯型 海岛型和裂离型等 复合纤维 并列型复合和偏皮芯型复合 由于两种聚合物热塑性不同或在纤维横截面上不对称分布 在后处理过程中产生收缩差 从而使纤维产生螺旋状卷曲 有类似羊毛弹性和蓬松性 皮芯型纤维是兼有两种聚合物特性或突出一种聚合物特性的纤维 如将锦纶作皮层 涤纶作芯层 可制得染色性好 手感柔中有刚的纤维 利用高折射率的芯层和低折射率的皮层可制成光导纤维 若利用岛组分连续分散于海组分中形成海岛型复合纤维 再用溶剂溶去海组分 剩下连续的岛组分 就成为非常细的超细纤维 裂离型复合纤维在纺丝成形和后加工过程中均以较粗的长丝形态出现 而在织造加工中 特别是整理和磨毛过程中 由于两组分的相容性和界面粘结性差 每一根较粗的长丝分裂成许多根丝 复合形式不同 裂离后纤维的截面形状和粗细也不同 如图 f 为桔瓣型复合纤维 裂离后纤维横截面为三角形 g 为裂片型复合纤维 裂离后成为扁丝 这种裂离型复合纤维生产技术在超细纤维的制造中已被广泛采用 变形纱 定义 变形纱包括所有经过变形加工的丝和纱 如弹力丝和膨体纱都属于变形纱 弹力丝即变形长丝 可分高弹丝和低弹丝两种 弹力丝伸缩性 蓬松性好 其织物在厚度 重量 不透明性 覆盖性和外观特征等方面接近毛织品 丝织品或棉织品 涤纶弹力丝多数用于衣着 锦纶弹力丝宜于制造袜子 丙纶弹力丝则多数用于家用织物及地毯 其变形方法主要有假捻法 空气喷射法 热气流喷射法 填塞箱法和赋型法等 膨体纱是利用高聚物的热可塑性 将两种收缩性能不同的合成纤维毛条按比例混合 经热处理后 高收缩性的毛条迫使低收缩性的毛条卷曲 从而使其具有伸缩性和蓬松性 类似毛线的变形纱 以腈纶膨体纱产量为最大 用于制作针织外衣 内衣 毛线 毛毯等 超细纤维 由于单纤维的粗细对于织物的性能影响很大 所以化学纤维也可按单纤维的粗细 线密度 分类 一般分为常规纤维 细旦纤维 超细纤维和极细纤维 常规纤维的线密度为1 4 7dtex 细旦纤维的线密度为0 55 1 3dtex 主要用于仿真丝类的轻薄型或中厚型织物 超细纤维的线密度为0 11 0 55dtex 可以用双组分复合裂离法生产 主要用于高密度防水透气织物和人造皮革 仿桃皮绒织物等 极细纤维的线密度在0 11dtex以下 可通过海岛纺丝法生产 主要用于人造皮革和医学滤材等特殊领域 差别化纤维 差别化纤维系外来语 来源于日本 一般泛指通过化学改性或物理变形使常规化纤品种有所创新或赋予某些特性的服用化学纤维 在聚合及纺丝工序中改性的有 共聚 超有光 超高收缩 异染 易染 速染 抗静电 抗起毛起球 防霉 防菌 防污 防臭 吸湿 吸汗 防水 荧光变色等纤维 在纺丝 拉伸和变形工序中形成的有 共混 复合 中空 异形 异缩 异材 异色 细旦 超细 特粗 粗细节 三维卷曲 网络 混纤 混络 皮芯 并列 毛圈喷气变形以及各种竹节 疙瘩 结子 链条 辫子 夹色 混色 包覆 起毛起绒的花色丝 纱或纤维条等都属于差别化纤维的范畴 这类纤维主要用于服装及装饰织物 可提高经济效益 优化工序 节约能源 减少污染以及增加纺织新产品 特种纤维 特种纤维一般指具有特殊的物理化学结构 性能和用途的化学纤维 如高性能纤维 功能纤维等 耐高温耐腐蚀耐辐射高强高模反渗透导光导电等特性主要用于产业及尖端技术等领域 第三节化学纤维的质量指标 一 线密度 纤度 二 断裂强度三 断裂伸长率四 初始模量五 燃烧性能 阻燃性 六 吸湿性能七 染色性八 卷曲度九 沸水收缩率 化学纤维的质量指标 十 纤维长度十一 密度十二 耐疲劳性十三 耐磨性十四 耐高温性十五 耐化学试剂稳定性十六 耐候性 大气 日光 纤维的线密度 表示纤维粗细程度的法定计量单位 在我国化学纤维工业中 称 纤度 线密度的单位名称为特 单位符号为tex 定义为 1000m长纤维重量的克数即为该纤维的特数 常用单位分特 特的1 10称分特 符号为dtex 其它约定单位 公制支数 支 1克纤维的米长度 特 1000 支Danier 旦 9000m长纤维的重量克数 特 1 9旦 拉伸性能 断裂强度 常用相对强度表示化学纤维的断裂强度 即纤维在连续增加负荷的作用下 直至断裂所能承受的最大负荷与纤维的线密度之比 单位为牛 特 N tex 厘牛 特 cN dtex 在国际单位中用Mpa表示 请换算两个单位 断裂强度是反映纤维质量的一项重要指标 断裂强度高 纤维在加工过程中不易断头 绕辊 最终制成的纱线和织物的牢度性 但断裂强度太高 纤维刚性增加 手感变硬 纤维在干燥状态下测定的强度称干强度 纤维在润湿状态下测定的强度称湿强度 回潮率较高的纤维 湿强度比干强度低 粘胶纤维湿强度要比干强度低30 50 大多数合成纤维的回潮率很低 湿强度接近或等于干强度 断裂伸长率 纤维的断裂伸长率一般用断裂时的相对伸长率表示 即纤维在拉伸至断裂时的长度比原来长度增加的百分数表示 式中 L0 纤维的原长 L 纤维伸长至断裂时的长度 纤维的断裂伸长率是决定纤维加工条件及其制品使用性能的重要指标之一 断裂伸长率大的纤维手感比较柔软 在纺织加工时 可以缓冲所受到的力 毛丝 断头较少 但断裂伸长率也不宜过大 否则织物易变形 普通纺织纤维的断裂伸长率在10 30 初始模量 纤维的初始模量即弹性模量是指纤维受拉伸而当伸长为原长的1 时所需的应力 初始模量表征纤维对小形变的抵抗能力 例如在主要的合成纤维品种中 以涤纶的初始模量为最大 其次为腈纶 锦纶则较小 因而涤纶织物挺括 不易起皱 而锦纶则易起皱 保形性差 燃烧性能 纤维的燃烧性能是指纤维在空气中燃烧的难易程度 国际规定采用 极限氧指数 LimitingOxygenlndex 简称LOI 表示 所谓极限氧指数 就是使着了火的纤维离开火源 而纤维仍能继续燃烧时 环境中氮和氧混合气体内所含氧的最低百分率 在空气中 氧的百分率为21 故若纤维的LOI21 难燃性或阻燃性纤维 当LOI 26 时称为阻燃纤维 部分纤维的极限氧指数 聚苯撑苯并68 吸湿性能 纤维的吸湿性是指在标准温湿度 20 65 相对湿度 条件下纤维的吸水率 一般采用回潮率和含湿率来表示 吸湿率取决于纤维的结构吸湿率取决于环境条件吸湿率取决于测定方法 我国采用公定回潮率吸湿率影响纤维的加工性和使用性 一些纤维在标准温湿度下的回潮率和我国公定回潮率 染色性 染色性是纺织纤维的一项重要性能 它包含的内容主要有 可采用的合适染料 可染得的色