工艺技术_聚丙烯腈及粘胶纤维溶液纺成形培训课件

第十二章聚丙烯腈及粘胶纤维溶液纺成形 12 1聚丙烯腈纤维溶液纺成形12 2粘胶纤维湿纺成形 3 溶液纺丝成形品种 腈纶 粘胶纤维 维尼纶和氯纶腈纶 维尼纶和氯纶 纺丝过程主要是物理过程 不存在明显化学反应 都可采用湿法纺丝和干法纺丝维尼纶的独特之处是需要增加特殊的缩醛化处理工艺粘胶纤维 纺丝过程存在明显化学反应 特殊溶液纺过程 不能干法纺丝 12 1聚丙烯腈纤维溶液纺成形 12 1 1聚丙烯腈原料及纤维12 1 2聚丙烯腈纤维纺丝12 1 3聚丙烯腈纤维后加工 5 聚丙烯腈纤维 聚丙烯腈或丙烯腈含量占85 以上的聚合物所纺制的纤维丙烯腈35 85 共聚单体15 65 的共聚物纤维称为改性聚丙烯腈纤维聚丙烯腈纤维特性 具有羊毛特性 蓬松性和保暖性好 手感柔软 防霉 防蛀 耐光性和耐辐射性非常优越 通过聚丙烯腈改性可制成抗静电腈纶 导电腈纶 高吸湿腈纶 吸水腈纶 阻燃腈纶 高收缩腈纶和腈氯纶等 6 12 1 1聚丙烯腈原料及纤维 一 聚丙烯腈原料1 聚丙烯腈生产聚丙烯腈多采用溶液聚合 可分为均相溶液聚合和非均相溶液聚合均相溶液聚合采用硝酸 DMSO DMF NaSCN水溶液等为溶剂 均相溶液聚合所得的聚合液可直接用于纺丝 称为腈纶生产一步法 非均相聚合通常采用水为介质 亦称水相聚合法 非均相溶液聚合所得聚合物需再溶解方可制成纺丝原液 称为腈纶生产两步法 7 2 聚丙烯腈的结构和性质 1 聚丙烯腈的结构聚丙烯腈中丙烯腈单元的连接方式主要是首尾连接 主链是螺旋状的空间立体构象并具有不规则曲折和扭转 因此不能整齐堆砌成较完整的晶体 通常称为准晶聚丙烯腈纤维生产都采用丙烯腈三元共聚物为原料 共聚提高无序化 降低大分子敛集密度 以改善纤维手感 弹性和染色性 8 2 聚丙烯腈的性质性状 白色粉末状物质 表观密度200 250g L 密度1 14 1 15g cm1 220 230 时软化并同时发生分解耐光性 非常优良 因为氰基可吸收紫外光从而保护主键 分子量及其分布 低于10000时往往不可能形成纤维 多分散性越大或低分子组分含量越多 纤维性能越差 9 聚集状态 非晶相低序态 非晶相中序态和准晶相高序态三种 低序区玻璃化温度80 100 非晶相中序区玻璃化温度约140 150 间 三元共聚的玻璃化转变温度约75 100 化学稳定性 较低 碱或酸作用下能发生系列化学反应 在很宽温度范围内对各种醇类 有机酸 甲酸除外 碳氢化合物 油 酮 酯及其他物质的作用都较稳定热稳定性 较高 170 180 时颜色不会有变化 存在杂质时则加速 10 二 聚丙烯腈纤维1 聚丙烯腈纤维的性质腈纶很像羊毛 以人造羊毛著称 主要特点是质轻保暖 染色鲜艳而牢固 防蛀 防霉和耐日晒力学性能 长丝干湿态强度分别2 8 5 3cN dtex和2 6 5 3cN dtex 干湿态断裂伸长率均12 20 初始模量35 75cN dtex 打结强度和钩接强度分别2 6 7 1cN dtex和1 7 3 5cN dtex 3 伸长时的回弹率70 95 公定回潮率2 11 最突出优点 具有热弹性和极好的日晒牢度热弹性本质是高弹形变 经拉伸 水洗和热定形后的纤维在玻璃化温度以上再次进行拉伸1 1 1 6倍或更高 其时伸长以高弹形变为主 将此纤维进行骤冷 伸长暂时不能回复 但是当提高玻璃化温度以上 或者水分子增塑 时 纤维长度相应地发生大幅度回缩 17 18 或更高 腈纶结构中的准晶区仅是侧向高度有序 不能阻止链段大幅度热运动而使纤维发生热弹性回缩 利用此特性可以生产腈纶膨体纱所有合成纤维以腈纶对日光及大气作用的稳定性最好 12 2 聚丙烯腈纤维的用途腈纶广泛用于混纺或纯纺 制成哔叽 华达呢 大衣呢 运动衫 针织衫 毛毯 长绒织物以及缩绒拉毛织物等腈纶的吸湿性较低 因此常与吸湿性较好的棉 毛或粘胶纤维混纺腈纶既可制成粗硬的刚毛 也可制成柔细的绒毛 并可仿制兽皮腈纶因蓬松 柔软 织物尺寸稳定性较好等特点 适用于制作编结毛线腈纶压缩弹性恢复好 手感舒适 很适合制作装饰植绒腈纶因耐气候性和耐光性优良 可作为室外织物 窗帘等腈纶经特殊处理后可仿真丝 预氧化 碳化可制得碳纤维 13 12 1 2聚丙烯腈纤维纺丝 聚丙烯腈溶液纺有干法纺丝和湿法纺丝两种基本方法一 聚丙烯腈纺丝原液的制备一步法纺丝原液 含有未反应的单体 气泡和少量的机械杂质必须加以去除 同时各批次纺丝原液进行混合以避免波动 因此纺丝原液的制备包括脱单体 混合 脱泡 调温和过滤等环节二步法纺丝原液 水相沉淀聚合所得的聚丙烯腈是细小固体颗粒 必须将其溶解 混合 脱泡和过滤等工序制成纺丝原液 采用溶剂可以是DMSO DMF HNO3 碳酸乙酯 EC NaSCN水溶液 ZnCl2水溶液等 14 图12 1NaSCN一步法纺丝原液的准备工艺流程图1 7 管道混合器2 原液混合槽3 脱泡器4 密封槽5 多级混合器6 冷却器8 板框过滤机9 振荡研磨机10 荧光浆液计量罐11 球磨机12 球磨机接受槽13 消光浆液储槽 15 仅介绍NaSCN一步法纺丝原液的准备工艺 完成聚合 脱单后的原液浆液经管道混合器进入原液混合槽充分混合 真空脱泡塔脱除气泡 脱泡后浆液送入多级混合罐并加入消光剂和荧光增白剂 然后热交换器调温 再过滤除杂质 最后以稳定的压力送往纺丝机高转化率的聚合产物不需脱除单体 中 低转化率工艺路线必须进行脱单体浆液调温目的是稳定纺丝浆液黏度以利过滤和纺丝过滤设备一般采用板框式压滤机 16 二 聚丙烯腈纤维湿法纺丝腈纶湿法纺丝主要用于生产短纤维 凝固浴通常采用纺丝原液所用溶剂的水溶液 水即是沉淀剂 1 湿法纺丝工艺流程 1 DMF溶剂路线 图12 2DMF法腈纶的纺丝 后加工流程图1 凝固浴槽2 拉伸机3 水洗机4 上油浴5 干燥致密化机6 拉伸机7 卷曲机8 汽蒸热定形机9 冷却机10 切断机11 打包机 17 DMF溶剂优点 溶解能力强 可制得浓度较高的纺丝原液 溶剂回收较简单DMF溶剂湿纺是制备聚丙烯腈短纤维最常用的路线将粉末状PAN溶解于100 DMF制成PAN20 25 的纺丝原液凝固浴槽浴温10 15 DMF浓度50 60 喷丝头孔数30000 60000孔 孔径0 07 0 2mm纺速5 10m min 蒸汽拉伸或热水拉伸倍数5 8倍 热水拉伸浴为20 25 DMF水溶液 浴温80 90 拉伸后丝束进入水洗机用60 80 热水水洗水洗纤维上油后干燥致密化 再拉伸1 5倍左右 经卷曲 汽蒸热定形及冷却后切断和打包 18 2 NaSCN溶剂路线 图12 3NaSCN法腈纶纺丝 后加工流程图1 凝固浴2 预热浴3 水洗槽4 压辊5 拉伸机6 拉伸浴槽7 第一上油浴8 干燥机9 张力架10 卷曲加热槽11 卷曲机12 装丝箱13 汽蒸锅14 第二上油浴15 干燥机16 切断机17 吹风机18 打包机 19 NaSCN溶剂路线一般都采用一步法纺丝 该法优点 工艺过程简单 聚合速度较快 聚合时间较短 NaSCN不易挥发 溶剂的消耗定额较低纺丝原液 PAN含量12 14 NaSCN含量44 喷丝头孔径0 06mm 20000 60000孔凝固浴为9 14 NaSCN水溶液 浴温约10 20 纺速5 10m min 出凝固浴丝束引入预热浴预热 预热浴为3 4 NaSCN水溶液 浴温60 65 预热浴拉伸1 5倍预热浴后丝束引入水洗槽水洗 水洗热水温度50 65 水洗后丝束在拉伸浴槽拉伸 拉伸浴水温95 98 两次拉伸总拉伸倍数8 10倍随后经上油浴上油 干燥机干燥致密化 丝束经卷曲机再进入汽蒸锅热定形 随后丝束上油 再经干燥机干燥致密化 最后切断 或牵切加工 打包 21 2 湿法纺丝设备 1 纺丝机我国腈纶纺丝机主要为斜底水平式纺丝机 当然有立管式纺丝机 22 2 计量泵生产短纤维通常采用大容量计量泵 每转容量高达100mL或更高计量泵转速一般以不超过45r min为好 3 烛形过滤器烛形过滤器是喷丝头前最后一道过滤由滤头 滤栓 外壳和连接头等组合而成 滤栓与外壳同心套在一起 滤栓系一空管 外表面有螺纹和通液小孔 在其外面紧密地裹扎滤布滤液流向有两种 一种是由栓内流至外壳 称为里进外出式 外流式或内压式 另一种是由外壳流入栓内 称为外进里出式 内流式或外压式 23 4 喷丝头通常湿法纺丝所用喷丝头孔径比熔纺喷丝孔小 约0 06 0 10mm喷丝头孔数主要取决于纤维的总线密度和单纤维的线密度喷丝头有矩形或瓦楞形的 但多数为圆形纺制短纤维时喷丝头孔数一般几万甚至十几万孔 24 3 湿法纺丝工艺条件 1 原液中聚丙烯腈浓度原液中聚丙烯腈浓度应适中 浓度提高 初生纤维密度增大 孔洞数目减少 结构均一性提高 成品纤维力学性能提高 同时成形速度加快浓度太高 溶液黏度大幅提高 纺丝性差浓度过低却无法形成具有合适强度的冻胶体 因而不能形成纤维 25 2 凝固浴浓度及温度凝固浴一般为聚丙烯腈溶剂的水溶液 溶剂的浓度称为凝固浴浓度 凝固浴浓度过高或过低都不利于纺丝成形太高时 双扩散过程太慢以至凝固缓慢 丝条凝固不充分可能因牵引而断头或者表面凝固不良而发生并丝 以及初生纤维过分溶胀致使在出浴处发生坠荡现象 等过低时 双扩散速度增大 表层凝固过于激烈而很快形成皮层 表观凝固变慢 同时皮芯层结构差异大 空洞率大 结构疏松并失去光泽 初生纤维拉伸时易断裂而产生毛丝 干燥后手感发硬 色泽泛白 强度和伸度都很差 26 凝固浴温度 直接影响双扩散速度 是影响纺丝成形的重要因素DMF NaSCN DMSO和HNO3溶剂路线分别10 15 10 12 20 30 和0 5 适当降低浴温可使凝固速度减慢和凝固过程均匀 因此所得初生纤维结构较紧密 网络骨架较细 成品纤维强度和钩结强度上升但浴温不能过低 否则凝固过慢缓使纤维芯层凝固不够充分 拉伸时易造成毛丝 27 凝固浴浓度和凝固浴温度都能影响原液细流的凝固程度和凝固速度 两者可以互相调节凝固速度受凝固浴温度的影响较大 受凝固浴浓度的影响较小细流表面的凝固受凝固浴浓度的影响较大 而芯层凝固受凝固浴温度的影响较大调节凝固浴温度和浓度时要特别注意原液细流皮芯层的凝固情况凝固浴浓度和温度的波动或差异会影响丝条的稳定性 波动或差异较大 则与纺速不相应的初生纤维可能断裂而产生毛丝 28 3 凝固浴循环量纤维成形中凝固浴浓度不断升高 并且凝固浴温度会有所升高 原液温度和室温都比凝固浴温度高 因此必须按合适流量循环补充新鲜浴液循环应避免出现湍流状况 因此循环量不能太大 29 4 卷绕速度卷绕速度是指第一导盘把丝条从凝固浴中曳出的速度提高卷绕速度即降低丝束在浴中停留时间 因此必须提高凝固浴凝固能力 但凝固能力的提高必须兼顾成品纤维品质及其均匀性 因此要综合考虑生产能力和成品纤维质量 30 三 聚丙烯腈纤维的干法纺丝目前 腈纶干法纺丝都采用DMF为溶剂 干法纺产量约占腈纶总产量15 31 1 干法纺丝工艺流程 32 常用喷丝板规格有两种 纺1 7 3 3dtex的2800孔和纺5 11 1dtex的1860孔纺丝原液由计量泵送到原液加热器 加热到130 140 后送到喷丝板原液细流从喷丝板喷出后进入纺丝甬道 被热N2 或其他惰性气体 不断蒸发溶剂而逐渐成形丝束出甬道后用冷水喷淋降温 经导辊集束后用皮带夹送器送入摆丝装置均匀地装入盛丝桶纺长丝则将丝条经两对导盘进行拉伸2 4倍 拉伸后丝条以100 400m min的卷绕速度卷取 33 2 干法纺丝设备 1 直管式干法纺丝机纺丝甬道为直形圆柱体 一般长6 10m 直径250 450mm 靠夹套保持甬道内温度和温度梯度热风送风方式 通常有顺流式 逆流式 分流式和双进式四种 34 35 顺流式 采用较多 顺流式的丝束所受热风阻力较小 溶剂蒸发较慢 所得纤维质量较均一逆流式 溶剂蒸发速度较快 纤维成形不太均匀 丝束所受阻力较大 高强力腈纶纺丝以逆流式送风为宜分流式 溶剂蒸发速度比逆流式更快 浓度差较大 一部分气体与丝束成逆向流动 另一部分为顺流 所以丝条所受阻力较小 36 2 喷丝头组件喷丝头组件结构较复杂 为使喷丝头内 外部丝条DMF蒸发速度基本相同 供给喷丝板内侧的原液温度比外侧高10 措施 组件前采用两个同心圆柱环形通道分别控温加热 组件中的分离环能使供给喷丝板内侧与外侧的原液直至到达喷丝孔前一直保持分离状态喷丝板 喷丝孔径一般0 1 0 3mm 纺长丝时孔数一般30 50个 纺短纤维时孔数可高达2800个 37 干纺工艺条件 包括分子量 原液浓度 纺丝温度 甬道中介质温度 纺丝速度 喷丝头拉伸比 甬道中溶剂蒸气浓度以及喷丝头孔数和孔径等原液浓度 较高 常用原液浓度为25 33 分子量 应比湿纺适当降低 通常30000 40000纺丝温度 包括喷丝头出口处纺丝原液的温度 通入甬道热空气的温度和甬道夹套的温度 3 干法纺丝工艺条件 38 纺丝速度 一般100 400m min 适当增加纺丝甬道长度或者降低单纤维线密度 纺速可适当提高喷丝头拉伸比 比湿纺时高 通常10 15倍后拉伸倍数 离开甬道的纤维含有5 20 溶剂 需先洗涤除去部分溶剂再后拉伸10 15倍甬道中溶剂蒸气浓度 对纤维成形影响很大 决定溶剂回收的介质循环量 混合气体中DMF浓度35 45g m3为宜 39 12 1 3聚丙烯腈纤维后加工 一 聚丙烯腈纤维湿法纺丝后加工1 湿法纺丝后加工工艺流程后加工 通常主要包括拉伸 水洗 干燥致密化 卷曲 热定形 上油 干燥和打包等工序 见图12 2和图12 3 拉伸水洗顺序 可以是先水洗后拉伸 也可以是先拉伸后水洗预热浴第一道拉伸为低倍拉伸 目的是使丝条获得初步取向 进一步脱除溶剂 热水或蒸汽浴中进行第二道拉伸水洗后丝束含水约150 200 因此必须干燥致密化 然后再热定形 卷曲 切断和打包等制得成品纤维 40 后加工条件 拉伸 水洗 上油 干燥致密化 热定形 卷曲和切断等 1 拉伸拉伸条件 包括拉伸温度 拉伸介质和拉伸倍数拉伸多分预热浴拉伸和沸水 或蒸汽 浴拉伸两步完成预热浴 温度应高于聚丙烯腈大分子重排缔合温度5 10 为宜 一般50 60 浴中溶剂含量2 5 3 沸水 或蒸汽 浴 通常95 100 拉伸倍数 总拉伸倍数应控制10倍以上 但过高则往往断丝严重 预热浴拉伸倍数1 5 2 5倍 沸水或蒸汽拉伸拉伸倍数4 6倍 2 湿法纺丝后加工工艺条件 41 2 水洗水洗工序中丝条与水通常逆向而行 水洗水温一般50 100 左右 水洗后纤维上残余溶剂含量一般不宜超过0 1 常用水洗机 长槽式 多层式 喷淋式和U型水洗机等设备 42 3 干燥致密化初生纤维中存在大量空洞和裂隙结构并且水洗后丝束含有大量水分 因此必须进行干燥去除水分 并使微孔闭合 空洞及裂隙变小或部分消失 使纤维结构致密均匀干燥致密化设备 多采用松弛式帘板干燥机或半松弛式圆网干燥机干燥致密化工艺 温度 时间 介质相对湿度和张力等干燥温度多采用分区控制 各区温度依次逐步降低生产过程须循环和更换干燥介质 补充新鲜空气干燥致密化方式有定长紧张型 部分收缩型和自由收缩松弛型三种 43 4 热定形干燥致密化纤维须通过热定形进一步改善纤维的超分子结构热定形传热介质主要有热板 空气 水浴 饱和蒸汽和过热蒸汽等五种热定形温度 时间和方式对热定形效果和成品纤维性能有明显的影响 44 5 卷曲卷曲应严格控制温度 湿度及压力等参数 尤其是温度腈纶上油率一般控制0 1 0 7 一般在水洗和干燥致密化间设置上油位置根据产品要求将纤维切成相应的长度 45 图12 7干纺腈纶水洗 拉伸 卷曲流程示意图1 丝束桶2 水洗 拉伸机3 给油机4 集束导辊5 蒸汽箱6 卷曲机7 冷却输送带8 输送带9 卷曲丝束桶10 导辊11 丝束检测器 二 聚丙烯腈纤维干法纺丝后加工干纺腈纶的纺丝条件较缓和 纤维结构致密 因此后加工工艺较简单 46 图12 8短纤状和丝束状干纺腈纶的干燥上油流程示意图1 丝束桶2 切断机3 短纤输送箱4 丝束平铺辊5 汽蒸室6 风扇7 加热区8 张力辊9 喷油泵10 计量泵11 集捕器12 短纤打包机13 输送带14 成品丝束桶 47 三 聚丙烯腈纤维特殊加工1 牵切纺采用普通切断法生产得到的腈纶短纤维混乱无序 因此纺织时需纺纱牵切纺或直接制条 采用特殊机械方法将腈纶长丝束变成短纤维而又保持平行排列从而直接成条的工方法最常用牵切纺加工方法 切断法和拉断法两种 48 切断法 采用安装螺旋形刀片的切丝辊将片状丝束切断成一定长度的纤维片 但是其切断点排成对角线 然后将纤维片拉伸使切断点分布呈变成类似拉断的犬牙交错状态而排列成条子拉断法 将丝束先在高温下进行高倍拉伸 然后在张力下经特殊刀轮被拉断 经拉断的丝束断裂点参差不齐 因此得到的短纤维参差不齐地排列成条子 49 图12 9切断法直接制条工艺流程示意图1 引导罗拉2 螺旋刀切丝辊3 分离罗拉4 输送皮带5 后罗拉6 双针梳箱7 前罗拉8 漏斗形导槽9 卷曲装置10 导槽11 条筒12 铜辊 50 图12 10拉断法直接成条工艺流程示意图1 张力杆2 喂入罗拉3 引导罗拉4 加热板5 中罗拉6 刀轮7 出条罗拉 51 2 膨体纱加工合股 将经湿热处理过的拉断法牵切纺条子与未经湿热处理的拉断法牵切纺条子合股纺纱 按普通纺纱工艺纺成细纱湿热处理 然后对细纱施加湿热处理 在湿热处理过程中未湿热处理过的纤维会发生回缩 而湿热处理过的纤维不再回缩 前者成为细纱中心 后者被推向细纱外部并形成小圆圈状卷曲而浮在细纱表面 12 2粘胶纤维湿纺成形 12 2 1粘胶纤维及成形过程概论12 2 2粘胶的制备12 2 3粘胶纤维纺丝12 2 4粘胶纤维后处理 53 再生纤维主要品种 粘胶纤维 Lyocell纤维 铜氨纤维 二醋酯纤维和三醋酯纤维等粘胶纤维 目前产量最大 品种最多 用途最广的再生纤维品种以天然纤维素 浆粕 为基本原料 先经碱化制成碱纤维素后再黄化制成可溶解的纤维素黄酸酯 然后溶解得到纤维素黄酸酯溶液 即粘胶 再纺制而成的再生纤维素纤维粘胶纤维成形是纺丝过程涉及化学反应的特殊溶液纺丝成形过程 54 12 2 1粘胶纤维及成形过程概论 一 粘胶纤维特点与用途粘胶纤维原料丰富可再生 综合性能优异 因而占有重要的地位品种 普通粘胶纤维 高湿模量粘胶纤维 强力粘胶纤维和特种粘胶纤维等突出优点 染色 吸湿 抗静电等性能优良 织物穿着舒适卫生 色彩鲜艳 吸湿性仅次于羊毛而优于棉 因此织物吸水 透汗 透气性优良 穿着舒适卫生 55 缺点 易伸长变形 故织物缩水性大 尺寸稳定性较差 湿水后膨胀 变硬 湿态强度和湿态模量低 因此织物湿态牢度较差 粘胶纤维的弹性回复和抗皱性能较差 用途 可用作民用纺织纤维 纯纺或者混纺及交织 宜做内衣 外衣和装饰织物 用于制造非织造布和产业与其它用纤维 如轮胎 耐压胶管 纱布 绷带等 可经高温碳化制得碳纤维 用在高技术领域 56 二 粘胶纤维成形过程与特点粘胶纤维成形过程 粘胶的制备 粘胶纤维纺丝和粘胶纤维后处理粘胶的制备 包括浆粕的准备 碱纤维素的制备及老成和纤维素黄酸酯的制备及溶解粘胶纤维纺丝 粘胶纺前准备和纺丝及拉伸粘胶后处理 包括水洗 脱硫 漂白 酸洗 上油和干燥等粘胶长丝还涉及加捻 络丝 分级 包装等工序 粘胶短纤维还包括切断 打包等工序 57 粘胶纤维成形特点 需经历复杂的化学反应过程 耗用大量化工原料 生产工艺过程冗长 设备复杂 投资大 特别是 三废 污染严重 因此粘胶纤维向第三世界国家转移 世界总产量在下降新型环保纺丝工艺路线 发现N 甲基吗啉 N 氧化物 简写为NMMO 是纤维素良好溶剂 因此直接采用NMMO溶解纤维素浆粕得到纺丝溶液而干湿法纺丝制成再生纤维素纤维 称为Lyocell纤维 2006年世界产量约18万吨 预计2010年产量45万吨 目前粘胶纤维路线是主要工艺路线 我国是世界上粘胶纤维生产大国 2006年产量为134万吨 58 12 2 2粘胶的制备 一 粘胶纤维原料粘胶纤维基本原料是纤维素 浆粕 按照原料来源 粘胶纤维用浆粕有木浆 棉绒浆和草类浆等种类 对粘胶纤维用浆粕的品质要求有 1 纯度高 杂质含量少浆粕主要成分是纤维素 其次是非纤维素多糖 五碳糖和六碳糖 还有少量的灰分 含铁 钙 镁 锰 硅等的化合物 和木质素等 59 纤维素 纤维素和半纤维素两种 纤维素是指浆粕浸渍在20 17 5 NaOH水溶液中45min内不溶解的部分 而溶解部分称为半纤维素 纤维素是长链纤维素 半纤维素是非纤维素碳水化合物和聚合度小于200的短链纤维素 60 工业上通常用 纤维素的含量来表征浆粕的纯度 纤维素含量高 则成品纤维得率高 成品纤维品质优异 并且可提高设备生产能力 降低化工原料消耗量和简化浸渍碱液回收半纤维素会影响浸渍 老成 黄化 过滤 熟成等工艺过程和降低成品纤维品质灰分严重影响粘胶过滤性能和碱纤维素老成并使粘胶色泽灰暗木质素会降低浆粕的膨润能力和反应性能 延缓碱纤维素老成 并会使成品纤维产生斑点 61 2 纤维素聚合度适中且分散性小对浆粕中纤维素的聚合度要求 根据成品纤维的聚合度而定 通常500 1000聚合度过高 则粘胶黏度过高以致过滤困难或者需要延长碱纤维素的老成聚合度分散性要小 聚合度大于1200的黄化性能和黄酸酯的溶解性能差 而聚合度小于200会使粘胶过滤困难和纤维性能下降 62 3 膨润度适中膨润度是指浆粕在碱液中的膨润程度 其大小与浆粕中纤维素大分子间作用力和碱液浸渍条件有关膨润度小则浆粕浸渍不均匀 膨润度过大则碱纤维素压榨困难 4 反应性能和过滤性能良好反应性能是指浆粕在碱化 黄化和黄酸酯的溶解等性能过滤性能是指浆粕制得的粘胶过滤时的难易程度碱化 黄化 溶解不好 则粘胶的过滤性能差 两者密切相关 63 粘胶纤维生产过程还需要使用多种化工原料 如烧碱 二硫化碳 硫酸 硫酸锌和纯度较高的水粘胶纤维生产过程还需使用各种辅助原料 比如油剂 消光剂 TiO2 以及多种有机或无机助剂 64 二 碱纤维素的制备及老成1 碱纤维素的制备碱纤维素的制备过程 包括浆粕的浸渍 碱化 碱纤维素的压榨和碱纤维素的粉碎浆粕浸渍 碱化 之前浆粕通常需经过贮存 调湿和混粕等准备过程浸渍 碱化 是碱纤维素制备的最主要过程 65 碱化过程的化学反应碱化反应是可逆平衡反应 反应过程是放热过程 浸渍时还发生系列副反应如半纤维素的碱化反应 部分纤维素的碱性氧化降解反应等 1 碱化机理 66 纤维素结构的变化随着碱液浓度和温度的变化可以生成结晶形态不同的五种碱纤维素结构变体 碱纤维素 和 只有浆浓10 20 温度0 30 时制得的碱纤维素 才是制备粘胶所需要的碱纤维素 67 浆粕的膨化和半纤维素的溶出浆粕浸渍于碱液中即发生膨化 膨润度达4 10倍浆粕膨化有利于半纤维素溶出 有利于提高粘胶和成品纤维的质量浆粕膨化使浆粕在黄化反应时CS2向内扩散的速度加快 并且破坏纤维素大分子间氢键 使更多羟基游离出来而提高黄化反应能力 68 碱纤维素生产方法 通常有间歇法 五合机法和连续法三种间歇法 生产效率低 现已很少采用五合机法 将碱纤维素制备与粘胶制备过程 浸渍 粉碎 老成 黄化 初溶解 合在一台机器上完成 但对原料浆粕纯度要求较高 目前仅少量工厂采用连续法 使浸渍 压榨和粉碎等过程连续进行 目前大型厂广泛采用 2 碱化方法与工艺控制 69 图12 11LR型连续浸压粉联合机流程示意图1 浆粕输送带2 碱液计量桶3 浸渍桶4 浆粥泵5 压力平衡桶6 压榨机7 预粉碎辊8 输送带9 粉碎机10 压实机11 冲洗碱液泵12 工作碱液桶13 碱液泵 70 连续法工艺控制 包括浸渍时间 浸渍温度 浸渍碱液浓度 浸渍液中半纤维素浓度和浆粥浓度 浸渍时间碱纤维素生成速度很快 一般2 5min内 但半纤维素溶出速度很慢 间歇法浸渍时间需45 60min 连续法可能缩短到15 20min浸渍时间过长 会因碱纤维素膨润过大造成压榨困难 71 浸渍温度低温有利于碱纤维素的生成 但纤维素的剧烈膨润会使压榨困难但温度过高会使碱纤维素的水解反应和氧化降解反应加速连续法采用较高浸渍温度 一般40 45 72 浸渍碱液浓度浸渍碱液浓度影响黄酸酯的酯化度及粘胶的过滤性能理论上制取碱纤维素I所需的碱浓度 10 20 浸渍温度升高 碱纤维素水解作用加速 因此须提高碱液浓度 73 浸渍液中半纤维素的浓度由于碱液是循环使用 故浸渍碱液中不可避免地会有半纤维素浸渍液中半纤维素浓度高 则浆粕中的半纤维素溶出困难且碱纤维素压榨困难 74 浆粥浓度连续浸渍的浆粥浓度实际是指100L浆粥中含有的绝干浆的质量 kg 通常生产上控制浆粥浓度4 6 浆粥浓度小 浸渍均匀性好 利于半纤维素溶出 但设备能力低和碱液回收量增加提高浆粥浓度 则浆粥黏稠度大 影响半纤维素溶出 使浸渍不充分和不均匀 75 压榨压榨 将浸渍浆粕多余碱液和半纤维素压除的工艺过程压榨程度可用压榨倍数和碱纤维素中 纤维素含量表示 通常控制碱纤维素压榨倍数2 8 3 3或 纤维素含量29 32 3 碱纤维素的压榨和粉碎 76 粉碎通常把碱纤维素粉碎成0 1 5 0mm的细小微粒 以增大反应表面积利于提高黄化反应速度和均匀性粉碎后的碱纤维素较疏松 因此碱纤维素粉碎后将其适当压实 控制表观密度120 150kg m3 77 2 碱纤维素的老成碱纤维素的老成或老化 将粉碎后的碱纤维素在恒定温度下保持一定时间 使其在空气中氧化降解 聚合度下降至工艺要求的过程老成目的 调节制成粘胶的黏度和最终成品纤维的聚合度实例 原始浆粕中纤维素聚合度700 1000 制备普通粘胶纤维和强力粘胶纤维的聚合度分别300 350和400 550 78 1 碱纤维素的降解机理 纤维素分子中的苷键容易被酸水解 但对碱的稳定性较高 因此碱纤维素的降解主要不是碱降解 而主要是氧化降解 大分子上的羟基氧化成羰基及过氧化物 使连接各葡萄糖基环的苷键 氧桥 变弱而断裂氧化反应机理目前有游离基型连锁反应和离子型聚合反应等不同见解 按照游离基型连锁机理 氧化降解过程可分为链引发 自动催化作用和链终止三阶段 79 2 碱纤维素的老成工艺 老成设备 高温老成鼓 回转圆筒式老成鼓和多层输送带式连续老成设备等老成因素 老成温度及时间 碱纤维素压榨及粉碎度 碱纤维素中的半纤维素含量和反应助剂等 老成温度及时间温度提高 老成时间可缩短 老成方式有常温老成 18 25 中温老成 30 34 和高温老成 50 60 三种 80 碱纤维素的压榨及粉碎度压榨倍数越低 粉碎度越高 碱纤维素降解速度越快 碱纤维素中的半纤维素含量半纤维素是氧的接受体 消耗空气中的氧 因而使碱纤维素的老成延缓 81 反应助剂生产上常采用催化剂和氧化剂提高老成速度常用催化剂有高锰酸钾等含锰化合物和氯化钴等含钴化合物常用氧化剂有过氧化氢和次氯酸钠等 金 银等还原剂使老成速度延缓 82 三 纤维素黄酸酯的制备及溶解1 纤维素黄酸酯的制备黄化 碱纤维素在控制条件下与二硫化碳反应生成纤维素黄酸酯的反应过程黄化目的 引入黄酸基团可增大纤维素大分子间距离削弱大分子间的作用力 氢键 使碱纤维素成为可溶于水或稀碱中的纤维素黄酸酯 83 1 黄化过程的化学反应 黄化主反应黄化反应程度 取代度X值或者酯化度r值表示 r值是指平均每100个葡萄糖基环结合CS2的摩尔数 84 黄化反应特点 可逆平衡反应 黄化温度提高 主逆反应速度均增加 但是平衡向降低酯化度方向移动 黄化反应不均匀性 黄化反应是非均相态反应 反应产物具有明显非均一性黄化反应是固相 液相 CS2 水 和气相 CS2气 水蒸气 多相反应碱纤维素宏观形态 粒度 和大分子聚集态 晶态与非晶态分布 不均匀纤维素葡萄糖基环上的三个羟基反应能力有差异 黄化反应70 80 都发生在2位和3位仲羟基 CS2过量时6位伯羟基才参与反应黄化反应达到一定程度 r值大于50 且黄酸基团分布较均匀才能良好溶解于稀碱水溶液 85 黄化时的副反应黄化体系十分复杂 因此发生复杂的副反应 主要有三类 a 纤维素黄酸酯的水解和皂化 86 b CS2与NaOH反应c 半纤维素的黄化反应及其黄化产物的分解黄化副反应危害很多 消耗20 30 CS2 放出大量H2S CS2等 生产上应尽量减少副反应 87 2 黄化工艺控制 黄化工艺因素 黄化温度 黄化时间 黄化浴比和CS2加入量等 黄化浴比黄化浴比直接影响黄化速度和黄化均匀性 浴比适中 则纤维素膨胀度适中 则黄化反应较快 均匀性较好 88 过小 则碱纤维素膨胀度小 CS2不易向内部扩散 黄化不均匀过大 则过量的水会加速纤维素黄酸酯的水解 导致酯化度偏低 根据黄化浴比 黄化分为干黄化法和湿黄化法两种 干黄化法浴比通常2 6 3 0 湿黄化浴比通常3 5 4 0 89 黄化温度黄化温度提高 正副反应速度均增加 同时因黄化反应是放热反应 黄化温度提高 平衡 最高 酯化度下降控温方式 通常采用升温黄化 始温21 23 终温28 30 和倒温黄化 始温30 33 终温25 27 两种 90 黄化时间随着黄化时间的延长 黄化过程和黄酸酯水解皂化均不断发生 酯化度与时间的关系曲线有一极大值通常黄化温度下黄化时间1 5 2h 干法黄化一般100 120min 湿法黄化约80 100min 91 CS2加入量CS2加入量取决于纤维素黄酸酯要求的酯化度 CS2有效利用率和纤维素原料酯化度要求越高 则CS2加入量约大 生产方法和工艺条件不同 CS2有效利用率不同 浆粕来源及性质不同 CS2加入量相应改变 92 2 纤维素黄酸酯的溶解 1 溶解过程纤维素黄酸酯溶解于NaOH稀碱溶液中制成粘胶的工艺过程称为纤维素黄酸酯的溶解 93 2 溶解的影响因素及工艺控制 纤维素黄酸酯的内在结构和性质纤维素黄酸基团的数量及分布 纤维素聚合度等是影响纤维素黄酸酯溶解性能的关键因素随着酯化度升高 溶解度增大且溶剂种类增多聚合度提高 则溶解度降低 溶解速度变慢 粘胶黏度增大 94 溶解温度溶解过程为放热反应 从热力学角度 低温有利于溶解 从动力学角度 温度降低 则溶液体系黏度增高 扩散速度下降 溶解速度显著减慢生产上通常将溶解温度分段控制 先在20 25 溶解一段时间后再降温至10 12 继续溶解其他因素 黄酸酯颗粒越细 则溶解速度越快 强烈的搅拌或研磨 溶解时间减短 95 96 12 2 3粘胶纤维纺丝 粘胶纤维纺丝过程大体划分为粘胶纺前准备和粘胶纺丝两个阶段一 粘胶纺前准备粘胶纺前准备 粘胶混合 熟成 过滤和脱泡 仅简单介绍粘胶熟成 熟成过程 将纤维素黄酸酯存放而使其结构和性质变化的过程生产上为使粘胶满足纺丝成形要求 往往需进行专门的熟成过程 97 1 熟成过程的化学反应 熟成过程的化学反应很复杂 大致归纳为两大类 黄酸酯的转化反应 包括黄酸酯的水解 皂化反应以及纤维素的补充黄化和再酯化反应熟成过程CS2与NaOH不断被消耗 但是黄酸基团补充量远少于分解量 因而粘胶酯化度不断降低 而黄酸基团分布均匀性却有所提高 副反应产物的转化反应 黄酸酯分解的副产物和黄化过程生成的副产物相互反应 或者这些副产物发生氧化 使粘胶体系产生复杂的副反应 98 2 熟成过程的物理化学变化 1 粘胶黏度的变化 99 粘胶黏度变化及分析 熟成开始时由于补充黄化和再黄化作用 黄酸基团分布均匀性改善 粘胶黏度急剧下降 最低点后由于水解和皂化反应继续进行 黄酸酯酯化度下降 脱溶剂化和结构化程度增加 黏度开始上升 再继续熟成 酯化度继续下降 副反应产物不断增多 纤维素大分子间因氢键作用而不断凝集 故粘胶黏度便急剧上升 最后全部凝固为凝胶 100 2 粘胶熟成度的变化粘胶的熟成度 表示粘胶熟成进行的程度 实质是指粘胶对凝固作用的稳定程度生产上常用氯化铵值表示熟成度 氯化铵值是指在100mL粘胶中加入浓度为10 的NH4Cl水溶液 直至粘胶开始胶凝时所用的NH4Cl溶液量 ml NH4Cl值越小 表示粘胶的熟成度越高熟成开始粘胶结构化程度总的来说有所降低 氯化铵值略有升高或变化不明显 随着熟成的进行 溶液稳定性下降 NH4Cl值迅速降低 101 3 粘胶熟成的工艺粘胶熟成影响因素 熟成温度 熟成时间 粘胶组成及各种添加剂或杂质等 根据使用设备 粘胶熟成方式 连续熟成和静置熟成两种熟成度是粘胶的重要指标 控制熟成度对粘胶可纺性和纤维品质具有重要影响普通粘胶纤维纺丝粘胶的熟成度通常控制9 12 氯化铵值 102 二 粘胶纺丝粘胶难以干纺 通常只能湿纺 当然可采用干湿法纺丝1 粘胶纤维纺丝流程 按纺丝浴槽数 纺丝方法 通常一浴法和二浴法 个别多浴法一浴法 粘胶凝固和纤维素黄酸酯分解都在同一浴槽内完成 比如普通粘胶长丝成形二浴法 粘胶凝固主要在第一浴 纤维素黄酸酯分解主要在第二浴 比如强力粘胶纤维成形 103 图12 14粘胶短纤维纺丝拉伸流程示意图1 粘胶管2 计量泵3 桥架4 曲管5 烛形滤器6 喷丝头组件7 凝固浴8 进酸管9 回酸槽10 导丝杆11 导丝盘12 前拉伸辊13 塑化浴14 罩盖15 后拉伸辊 104 图12 15连续纺丝后处理流程示意图1 计量泵2 烛形滤器3 喷丝头4 凝固浴5 丝条6 8 9 10 分别为再生 洗涤 上油和干燥辊筒7 再生浴11 锭子 105 2 成形过程的化学反应粘胶的主要成分 纤维素黄酸酯 NaOH和水以及少量未反应的CS2和副反应产生的产物Na2CS3 多硫化物等杂质凝固浴 采用H2SO4 Na2SO4 ZnSO4三组分组成 106 1 主反应 主反应 指与粘胶的凝固和纤维素再生有直接关系的反应 黄酸酯的分解与纤维素的再生随反应过程不断进行 大分子上羟基增多 大分子间相互作用 氢键 加强 粘胶体系稳定性下降需要注意 再生的纤维素与原料浆粕的纤维素具有相同的化学组成 但是分子结构和聚集结构 包括分子量 结晶态 宏形态 发生了变化 107 中和反应粘胶中NaOH被凝固浴中的H2SO4中和 中和反应使粘胶中游离碱浓度下降 粘胶的稳定性降低 108 2 副反应 粘胶中许多副反应产物会被凝固浴的H2SO4分解而成为系列不稳定产物 109 总结 主反应和副反应都消耗大量的H2SO4 生成大量Na2SO4 水和硫磺 使凝固浴组分发生变动 因此凝固浴必须不断循环和除杂 主副反应都生成CS2 H2S SO2和CO2等有毒气体 因此纺丝过程必须加强回收和通风 110 1 粘胶的组成及性质粘胶的组成在很大程度上决定了粘胶的特性 包括黏度和熟成度 粘胶的组成是指粘胶中主要组分 纤维素和NaOH 的含量 碱比大 粘胶稳定 黏度低 成形相应减慢黏度 影响粘胶的可纺性和喷丝头拉伸比 3 纺丝工艺因素及控制 111 熟成度 影响粘胶的可纺性 纺丝粘胶有最适宜的熟成度熟成度过高 粘胶成形过快 所得纤维结构不均匀 力学性能较差熟成度太低 纺丝稳定性下降 甚至无法纺丝粒子和气泡 对可纺性及成品纤维品质影响极大 112 2 凝固浴因素 凝固浴组成纺丝凝固浴 采用含有H2SO4 Na2SO4 ZnSO4三组分的水溶液 有时加入少量有机化合物作为变性剂 硫酸钠作用 作为强电解质促使粘胶脱水凝固 盐析凝固 硫酸盐与硫酸的同离子效应 有效地降低凝固浴中H 浓度 延续纤维素黄酸酯的分解 以使初生丝束离开凝固浴时仍具有剩余酯化度 具有塑性 能经受拉伸过程使分子取向 113 硫酸锌作用 除硫酸钠作用外还有两个特殊作用 与纤维素黄酸酯作用生成纤维素黄酸锌 纤维素黄酸锌在凝固浴中的分解比纤维素黄酸钠慢得多 在初生丝经过拉伸后才完全分解 众多而分散的纤维素黄酸锌可成为结晶中心 使纤维具有均匀的微晶结构 使纤维具有优异的力学性能 114 通常纺速下要求凝固浴能使纤维素黄酸酯酯化度0 1 0 2s内由25 30降至5 10H2SO4浓度太低 粘胶细流凝固距离过长 易引起单丝早期断裂H2SO4浓度过高 粘胶细流凝固过剧 纤维脆硬 受拉伸时易脆断 115 凝固浴中Na2SO4和ZnSO4浓度应与H2SO4浓度配合提高Na2SO4和ZnSO4浓度 有利于增强对粘胶的盐析作用和交联作用 而抑制纤维素的再生作用 可使纤维皮层厚度和纤维柔韧性增加 可拉伸性能提高 成品纤维品质改善硫酸盐浓度过高 黄酸酯分解速度过慢 会造成纺丝困难和纤维成形不良 116 凝固浴温度凝固浴温度影响粘胶凝固和纤维素再生的速度浴温过高 纤维成形过快 使纤维品质下降和纺丝操作困难浴温过低 粘胶细流凝固过慢 也不能正常纺丝 117 3 纺丝速度纺速过高 纤维素黄酸酯来不及凝固和分解 同时丝条张力大 因此粘胶细流断裂的可能性增加 成形稳定性下降粘胶纤维纺丝速度随所纺制的品种不同而异普通粘胶长丝 短纤维纺速60 80m min 强力粘胶纤维40 60m min采用不同的纺丝设备 纺速亦不同筒管式长丝纺丝机纺速一般65 90m min 而连续式纺丝机一般50 60m min 118 4 纤维的拉伸取向 拉伸取向 一般包括喷丝头拉伸比 塑性拉伸和回缩三个阶段 1 喷丝头拉伸比喷丝头拉伸比属于粘流拉伸 因此得到的取向度很小 基本上是无效拉伸常规纺丝喷丝头拉伸比都比较小 20 20 常采用负喷丝头拉伸比 119 2 塑性拉伸塑性拉伸 粘胶细流基本凝固后但还处于可塑状态 施加拉应力使大分子和缔合体产生滑移而沿拉伸方向取向塑性拉伸时大分子和缔合体之间的缔合点的强度应适宜强度太高 原有缔合结构难以破坏 大分子或结构单元无法活动和取向强度太弱 则取向后结构单元间无法相对固定 分子热运动会导致解取向 120 普通粘胶长丝 粘胶细流凝固后在导丝盘上的拉伸即属于塑性拉伸普通粘胶短纤维 通常是在纺丝机出来的丝束集束后在含有H2SO4和硫酸盐的塑化浴中95 98 进行塑化拉伸 121 3 松弛回缩纤维经过强烈拉伸后 为改善纤维的脆性 通常在拉伸后给予纤维适当的回缩 松弛 以消除纤维的内应力 生产普通粘胶长丝时 采用紧张式 筒管式 后处理的回缩率较少 2 12 而采用松弛式 丝饼 后处理的回缩率较大 12 20 粘胶短纤维在切断后的完全松弛状态下进行后处理的回缩率可达15 35 122 12 2 4粘胶纤维后处理 纺丝拉伸后粘胶纤维必须