化学纤维概论.doc

化 学 纤 维 概 论秦 志 忠苏州大学材料学院2005第一部分：总 论一、化学纤维的分类纺织纤维可以分为两大类：一类是天然纤维；另一类是化学纤维，是用天然或合成高分子化合物经化学加工制得的纤维。化学纤维又可以分为两大类：1、再生纤维：以天然高分子化合物为原料，经化学处理和机械加工制得的纤维。主要产品代表有：粘胶纤维；醋酸纤维；铜氨纤维等。2、合成纤维：以石油、天然气、煤及农副产品等为原料，经一系列的化学反应，制成合成高分子化合物，再经机械加工而制得的纤维。主要产品代表：聚酯纤维（涤纶）；聚酰胺纤维（锦纶、尼龙）；聚烯烃纤维（丙纶、乙纶等）；聚丙烯腈纤维（腈纶）；聚乙烯醇纤维（维纶）；聚氯乙烯纤维（氯纶）。以上就是我们通常所称的六大纶。此外还有一些高性能纤维，如：芳香族的聚酰胺（芳纶）、芳香族的聚酯等。化学纤维的分类可以归纳成下表.化学纤维再生纤维再生纤维素纤维、粘胶、铜氨纤维素酯纤维、三醋酯、二醋酯纤维合成纤维六大纶其它纤维二、世界化学纤维工业的发展概况1、天然纤维天然纤维是人类使用最早、时间最长的纤维材料，主要是棉、毛、丝、麻，它们伴随着早期人类的一切活动。棉纤维：线密度1.31.5dtex/f，截面形状带有空腔的腰子形，纵向为扭曲的扁平带状的，吸湿性814%。其特点：手感柔软、舒适、吸湿性好、透气性好。羊毛：截面呈不规则的圆形，表面覆盖着鳞片结构和内部的非对称结构所引起的卷曲特性，蓬松度高。其特点：保暖性好，蓬松度高。蚕丝：一根蚕丝线密度粗细不等，横截面呈两个基本对称的三角形，蚕丝有丝胶和丝素。其特点：光泽柔和，织物华丽富贵，吸湿性好，有特殊的丝鸣声。2、再生纤维应运而生大家知道蚕丝是由蚕吃了桑叶后生长，吐出一种粘稠液体遇到空气便凝固成丝素，这种现象引起了欧洲化学家们的注意，人们开始尝试用人工的方法是否可以制造出具有象天然纤维那样性质、特征的纤维品种。人类经过无数次尝试，经历了200多年的探索，终于在1884年制成了硝酸酯纤维，并在1891年在法国建厂生产。在1901年制得了铜氨纤维，1905年制成了粘胶纤维，并使粘胶纤维发展成为再生纤维中最主要品种。继粘胶纤维之后，醋酯纤维、再生蛋白质纤维等再生纤维也相继实现了工业化生产。上述三种纤维都是以天然高分子化合物纤维素为原料，经化学处理和机械加工来制得纤维，因此我们称之为人造纤维或再生纤维。3、世界合成纤维的探索与研究再生纤维的问世的确大大丰富了世界纤维家族的成员，在其发展过程中，人们发现其主要原材料天然纤维素的来源要受到自然资源的限制，人们不可能无限制地去利用天然资源，因此，再生纤维的发展受到一定的限制。与此同时世界石油化工行业的发展有许多副产品，如：甲苯、二甲苯、甲醇、乙醇等，一时找不到合适的用途，能否用这些石油化工的副产品来经过适当的途径制成类似天然纤维那样的有用的材料？许多国家的科学家们为此进行了许多有益的探索研究。经过长期的探索研究，终于在1935年，由美国的Carthers等首先研究成功第一种聚酰胺纤维尼龙66，并于19391940年间开始工业化生产。所以，实际上尼龙66是第一种正式生产的合成纤维。一般认为合成纤维的发展史是从19381940年算起的。从1938年至今，合成纤维生产已经有60余年历史，它的发展可以分为四个阶段。第一阶段：19381950年，主要发展尼龙，同时集中探索新的成纤纤维。第二阶段：19501956年，尼龙以外的主要合成纤维（涤纶和腈纶）问世，并实现工业化。第三阶段：1956迄今，发展第二代合成纤维改性纤维，包括差别化纤维。第四阶段：1960迄今，发展特种纤维，亦称之为高技术纤维或高性能纤维。这些纤维可称之为第三代合成纤维，包括碳纤维（或石墨纤维）、耐热高强高模的聚芳酰胺纤维（芳纶，如kevlar纤维）、高弹性纤维（氨纶）、超高分子量并高强高模的聚乙烯纤维等。由于合成纤维性能优良，用途广泛，原料来源丰富，生产又不受气候和地址条件的影响，所以合成纤维工业自建立以来，发展速度便十分迅速。在品种方面，占主导地位的是涤纶、尼龙、腈纶三大纶。开发一个新品种需要大量的探索研究工作和时间，也有投资问题，而改进老品种则较为经济且收效快，所以在研究方面，目前仍以老品种的改进和提高工作仍将占主要地位。4、我国的化纤工业发展历程我国的化学纤维工业是新中国成立后发展起来的一门新兴工业，发展历程可以大致分为四个阶段。第一阶段：起步阶段（19561965年），主要是粘胶纤维，60年代初，从日本、英国分别引进了生产维纶、腈纶的成套设备。第二阶段：奠基阶段（19661980年），随着我国石油工业的发展，化纤原料开始转向石油化工路线，我国相继建立一批维纶厂。如上海、辽阳、天津、四川等。第三阶段：发展阶段，80年代建设了特大型化纤企业江苏仪征，完成了上海石化的二期工程；90年代又完成了仪征三期和辽化二期工程。第四阶段：百花齐放，升级换代。从90年代开始，随着经济建设的发展，各地的民营企业在化纤发展中扮演了重要的角色，使我们的化纤又进入了一新的发展时代，主要向高质量、多品种、多功能的方向发展。三、化学纤维的常用基本概念1、纤维（Fibre）从形状上说，纤维是一种比较柔韧的细而长的物质，供纺织应用的纤维长度与直径之比一般大于1000：1。典型的纺织纤维的直径为几微米至几十微米，长度超过25mm，线密度的数量级为10-5g/mm。对于纺织纤维，还要有较大的断裂伸长，纺织纤维的典型断裂伸长在10%50范围内。2、长丝（Continuous Filament）在化学纤维制造过程中，纺丝流体（熔体或溶液）经纺丝成形和后加工后，得到的长度以千米计的纤维称为长丝。长丝包括单丝、复丝和帘线丝。3、短纤维（Staple）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。根据切断强度的不同，短纤维可分为棉型、毛型、中长型短纤维。棉型短纤维：长度2538mm，纤维较细（线密度1.31.7dtex），类似棉花，主要用于与棉混纺涤棉织物。毛型短纤维：长度为70150mm，纤维较粗（线密度3.37.7dtex），类似羊毛，主要用于与羊毛混纺毛涤织物。中长短纤维：纤维长度为5176mm，纤维的线密度为2.23.3dtex，介于棉型和毛型之间，主要用于制造中长纤维织物。4、异形截面纤维（Shaped Fibres）在合成纤维成型过程中，采用异形喷丝孔（非圆形孔眼）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。异形纤维具有特殊的光泽，并且具有蓬松性、耐污性和抗起球性，纤维回弹性与覆盖性也可得到改善。如三角形横截面的涤纶具有闪光性；五叶形横截面涤纶有类似真丝的光泽、抗起球、手感和覆盖性好；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、硬水软化等。5、复合纤维复合纤维是将两种或两种以上成纤高聚物的熔体或浓溶液，利用组分、配比、粘度或品种的不同，分别输入同一纺丝组件，在组件中的适当部位汇合，在同一纺丝孔中喷出而成为一根纤维，称为复合纤维。复合纤维的品种很多，有并列型、皮芯型、散布型（海岛型）等。6、变形纱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，有高弹丝和低弹丝之分。弹力丝的伸缩性、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。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。类似毛线的变形纱和膨体纱以腈纶为主。7、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照单纤维的粗细（线密度）分类，一般分为常规纤维、细旦纤维、超细旦纤维和极细纤维。常规纤维：线密度1.47dtex；细旦纤维：线密度为0.551.3dtex，主要用于仿真丝类的轻薄型和中厚型织物；超细纤维：线密度为0.110.55dtex，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：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。8、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、三维卷曲、网络、混纤、混络、皮芯、并列以及竹节、混色、包覆等等都属于差别化纤维的范畴。差别化纤维主要用于服装及服饰织物，可提高经济效益、优化工序、节约能源、减少污染、增加纺织新产品。9、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。特种纤维主要用于产业及尖端技术领域等。四、化学纤维的主要质量指标1、线密度（纤度）在法定计量单位中，表示纤维粗细程度的两的名称为“线密度”，在我国化学纤维工业中，旧称“纤度”。线密度的单位名称为特，符号为tex，其1/10称分特，符号记为dtex。1000m长纤维质量的克数即为该纤维的特数。旦尼尔（Denien简称旦）和公制支数（简称公支）为非法定计量单位，以后不单独使用。特数=1000/公制支数特数0.11*旦尼尔数2、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/tex）。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，纱线和织物的牢度高，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；在润湿状态下测定的强度称湿强度。回潮率较高的纤维的湿强度比干强度低。大多数合成纤维回潮率很低，湿强度接近或等于干强度。3、断裂伸长纤维的断裂伸长率一般用断裂时的相对伸长率，即纤维在伸长至断裂时的长度比原来长度增加的百分数表示：Y=（L-L0）/L0*100%式中：L0纤维原长；L纤维伸长至断裂时的强度。断裂伸长率是一种反映纤维韧性的指标。对于衣着用长丝，伸长率愈大，手感愈柔软，后加工中毛丝、断头较少；但过大时，织物易变形。对于工业用长丝，伸长率愈小，其最终产品不易变形。4、条干不匀率条干不匀率是一种表示长丝条干均匀度的指标，用CV值（变异系数）或U(Uster%)表示。这项指标对预取向丝和拉伸丝尤为重要。 长丝条干不匀，在加工过程中容易产生毛丝和染色不匀。5、初始模量纤维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。在衣着上则反映纤维对小的拉伸作用或弯曲作用所表现的硬挺度。纤维的初始模量越大，越不易变形。在合成纤维的主要品种中，涤纶的初始模量为最大，其次为腈纶，锦纶则较小。因此涤纶织物挺括、不易起邹；锦纶易邹，保形性差。6、吸湿性纤维的吸湿性是指在标准温度（20，65%相对湿度）条件下纤维的吸水率，一般采用两种指标来表示：回潮率 = （试样中所含水分的重量/干燥试样的重量）*100%含湿率 = （试样中所含水分的重量/未干燥试样重量）*100%各种纤维的吸湿性有很大的差异，同一种纤维的吸湿性也因环境温湿度的不同而有很大的变化。为了计重和核价的需要，必须对各种纺织材料的回潮率作出统一规定，称公定回潮率，各种纤维在标准状态下的回潮率和我国所规定的公定回潮率如表1所示。表1：纤维在20，RH为65%下的回潮率和我国所规定的公定回潮率纤维回潮率（%）公定回潮率（%）纤维回潮率（%）公定回潮率（%）蚕丝911.0维纶3.55.05.0棉78.5锦纶3.55.01.5羊毛1616.0腈纶1.22.02.0亚麻71012.0涤纶0.40.50.1苎麻71012.0氯纶00粘胶纤维121413.0丙纶00醋酯纤维677.0乙纶00由表1可见，天然纤维和再生纤维的回潮率较高，合成纤维的回潮率较低，其中丙纶、氯纶的回潮率为零。吸湿性影响纤维的加工性能和使用性能。吸湿性好的纤维摩擦和静电作用减小，穿着舒适；对于吸湿性差的合成纤维可以利用改性的方法来提高其吸湿性。7、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、可染得的色谱是否齐全及深浅程度、染色工艺实施的难易、染色均匀性以及染色后的各项染色牢度等。纤维的染色性与三方面因素有关：染色亲和力、染色速度及染料纤维复合物的性质。染料与纤维的结合可通过离子键、氢键以及偶极的相互作用等，对于活性染料的染色还包括共价键的作用，有时则是各种作用的综合结果。纤维结构对纤维与染料的亲和力影响很大。为了改善其亲和力，可采用适当的共聚、共混等方法，这样既可引入亲染料基团，增加染色亲和力；又可增大纤维结构上的无序程度和松散性，提高染色速度。染色速度也是一个十分重要的指标。染料从溶液中进入纤维是一个扩散过程，它取决于染浴中的染料向纤维表面扩散、染料被纤维表面吸附以及染料从纤维表面向纤维内部扩散。染色速度与纤维结构的无序程度和松散性有关。纤维 染料复合体的稳定性是决定染色牢度的结构因素，各种色牢度，如耐洗色牢度和耐光色牢度等，主要与纤维染料复合体的性质有关，而不仅仅取决于染料本身的性质。染色均匀性反映纤维结构的均匀性，与纤维生产的工艺条件（特别是纺丝、拉伸和热定型条件）密切相关。肉色均匀性是化学纤维生产长丝的主要指标之一。8、卷曲度（卷曲度主要针对短纤维）9、沸水收缩率将纤维放在沸水中煮沸30min后，其收缩后的长度与原来长度之比，称沸水收缩率。L0-L1沸水收缩率=-*100%L0式中：L0 纤维原长L1 煮沸30min后的纤维长度沸水收缩率是反映纤维热定型程度和尺寸稳定性的指标。沸水收缩率越小，纤维的结构稳定性越好，纤维在加工和服用过程中遇到湿热处理（如染色、洗涤等）时，尺寸越稳定，而不易变形；同时物理机械性能和染色性能也好。纤维的沸水收缩率主要由纤维的热定型工艺条件来控制。10、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”，简称LOI法。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中所含氧的最低百分率。在空气中，氧的百分率为21%。如果纤维的LOI小于21%，就意味着空气中的氧气足以维持纤维继续燃烧，就属于可燃性或易燃性纤维；若LOI大于21%，就意味着这种纤维离开火焰后，空气中的氧气不能满足使纤维继续燃烧的最低条件，会自然熄灭，这种纤维属难燃性纤维；若LOI大于26%，称为阻燃性纤维。表2：部分纤维的极限氧指数纤维腈纶醋酯锦纶涤纶丙纶维纶LOI18.218.620.120.618.619.7纤维粘胶棉羊毛芳纶氯纶偏氯纶LOI%19.720.125.228.237.14548由表2可见，几种主要化学纤维的LOI都小于21%，属可燃或易燃纤维。对化学纤维的阻燃处理，国内外进行过大量的研究，主要采用共聚、共混、表面处理等方法，在纤维或织物中引入有机磷化合物、有机卤素化合物或二者并用。五、化学纤维的鉴别在分析织物的纤维组成、配比以及对未知纤维进行剖析、研究、仿制时，都需要对纤维进行鉴别。纤维鉴别就是利用各种纤维的外观形态和内在性质的差异，采用物理、化学等方法将其区别开来。纤维鉴别通常采用的方法有显微镜法、燃烧法、溶解法、着色法、熔点法等。对一般纤维，用上述方法就可以比较准确、方便地进行鉴别，但对组成结构比较复杂的纤维，如接枝共聚、共混纤维等，则需借助适当的仪器进行鉴别，如：差热分析仪、红外光谱仪、气相色谱仪、X射线衍射仪和电子显微镜等。1、显微镜法利用显微镜法可以观察纤维的纵向外观和横截面形状，以此来鉴别纤维，尤其是对异形纤维和复合纤维的观察、分析，不仅方便，而且直观，但对外观特性相近的纤维，如涤纶、丙纶、锦纶等就必须借助其它鉴别方法。表3：常见纤维的横截面及纵向形态结构纤维横截面形状纵向外观棉腰子形，有空腔扭曲的扁平带状亚麻多角形，有空腔有竹节状横节及条纹羊毛不规则圆形有鳞片状横纹蚕丝三角形、圆形表面光滑粘胶锯齿形有条纹维纶腰子形有粗条纹腈纶哑铃形有条纹涤纶圆形表面光滑锦纶圆形表面光滑丙纶圆形表面光滑2、燃烧法根据不同纤维的燃烧特性来鉴别纤维。燃烧特性包括燃烧速度、火眼的颜色、燃烧时放出来的气味、燃烧后灰烬的颜色及形状、硬度等。燃烧法简便易行，不需要特殊设备和试剂，但只能区别大类纤维，而对混纺纤维复合纤维、经阻燃处理的纤维等不能用此法鉴别。表4：常见纤维的燃烧特性纤维燃烧情况气味灰烬颜色及形状棉易燃、黄色火焰有烧纸气味灰烬少，灰末细软，浅灰色麻易燃、黄色火焰有烧纸气味灰烬少，灰末细软，浅灰色粘胶易燃、黄色火焰有烧纸气味灰烬少，灰末细软，浅灰色羊毛徐徐冒烟起泡并燃烧有烧毛发臭味灰烬少，黑色块状，质脆蚕丝燃烧慢有烧毛发臭味易碎的黑褐色小球醋酯纤维缓慢燃烧有醋酸刺激味黑色硬块或小球涤纶一边熔化，一边缓慢燃烧有芳香气味易碎、黑褐色小球锦纶一边熔化，一边缓慢燃烧有特殊臭味坚硬、褐色小球丙纶边收缩，边熔化燃烧有烧蜡臭味黄褐色硬块腈纶一边熔化，一边燃烧有鱼腥臭味易碎、黑色硬块维纶燃烧缓慢有特殊臭味易碎、褐色硬块3、溶解法利用各种纤维在不同化学试剂中的溶解性能不同来鉴别纤维，这种方法操作简单，实际准备容易，准确性较高，且不受混纺、染色等影响，应用范畴较广。4、着色法 利用纤维在着色剂中着色后的颜色不同来鉴别纤维，所用的着色剂是根据各种纤维适用的染料配制而成的专用着色剂，如将不同的纤维在通用着色剂HI-1号（东华大学研制）中煮沸1min，取出洗净凉干后，各种纤维的颜色如下：棉粘胶羊毛腈纶涤纶锦纶维纶丙纶蓝灰蓝绿红莲桃红红玉朱红桔红无色着色法比较简单易行，且比较准确，但对于有色纤维、复合纤维、涂层或经化学处理的纤维就需借助其它方法进行鉴别第二部分：涤纶纤维制备基础一、概 述涤纶是属聚酯类的高聚物，其大分子链中喊有酯基（-COO-），英文缩写为PET，其结构式为：涤纶是化纤工业中产量最高的一个品种。按照纤维长度，涤纶有长丝与短纤维之分。由于涤纶长丝具有许多优点，自80年代来，涤纶长丝得到迅速的发展，目前，国内长丝的产量也超过短纤维的产量。据报道，2004年世界涤纶纤维总产量为2477.3万吨，其中 短纤维为1035.7万吨，长丝为1441.6万吨（占58.19%）；我国涤纶纤维总量为1138.05万吨，几乎占世界的50%，其中短纤维为434.74万吨，长丝为703.31万吨，产量比例为38：62，高于世界的58.19。涤纶长丝迅速发展的因素有：1、长丝不必纺纱，也不需要混纺，可直接用于制造。因此，大大提高了长丝后加工的生产效率；2、长丝的基建投资虽高于短纤维，但可省去纺织加工的投资，二者之和相差不大，而长丝的定员比短纤维少23倍，因此，人均利润高45倍；3、长丝生产技术发展很快，纺速提高。工艺路线已由“低速纺丝拉伸加捻变形”三步法，简化为“高速纺丝拉伸变形”二步法，进而又发展到“纺丝拉伸”一步法，从而降低投资和成本，提高产品质量和生产效率。4、长丝的品种繁多，又容易制备差别化纤维。二、涤纶长丝的分类涤纶长丝初生丝未拉伸丝（常规纺丝）UDY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拉伸丝拉伸丝（低速拉伸丝）DY全拉伸丝（纺丝拉伸一步法）FDY变形丝常规变形丝TY拉伸变形丝DTY空气变形丝ATY三、性能涤纶长丝的一般化学、物理性能与短纤维相同，而与短纤维不同的有：1、长丝生产系单锭生产方式。一根丝条有几十根单丝，从纺丝到变形，要经过几十个摩擦点，容易产生毛丝。此外，长丝又是多锭位、多机台的生产，由于设备、工艺、操作等因素，不同锭位的长丝在性能上会有一定的差异，甚至一个筒子的内层与外层也会有差异。2、长丝通过物理变形的方法，可仿制差别化纤维。如改变喷丝孔的形状或捻度、混纤、网络、空变、包芯等。3、长丝通过化学改性的方法，仿制差别化纤维。如：易染、保暖、耐热、阻燃、抗静电、高吸湿等。四、用途涤纶长丝早期主要是用于丝绸、服装方面，随着各种加工技术的开发，涤纶长丝已扩展到仿毛、仿麻、仿棉等整个衣着领域，并向装饰、工业和非纤化等领域发展。据报道2004年，我国涤纶在服装、家用和产业三大领域的消费量所占比重分别为68：18：14，我国非服用领域消费的比例仍较低，国外2004年非纤用（产业）已达到1/3。五、生产工艺路线（一）、原料制备用于生产涤纶长丝的原料我们称它为涤纶切片，其学名为聚对苯二甲酸乙二酯，简称PET。而生产PET所用的原料为对苯二甲酸乙二酯，简称BHET。对BHET的生产不外乎两种方法酯交换法和直接酯化法。1、酯交换法酯交换法是将对苯二甲酸加入甲醇称甲酯化，得到粗对苯二甲酸二甲酯（即DMT），将DMT精制，得到粗DMT熔融加入乙二醇（EG）进行酯交换，生成BHET。其过程可表示为：酯交换法：历史长久，技术成熟，产品质量好而稳定，但工艺过程长，设备投资大，且需要大量甲醇，而且甲醇和乙二醇回收量大，增加设备和能量消耗。2、直接酯化法所谓直接酯化法就是用精制的对苯二甲酸（PTA）与乙二醇（EG）直接进行酯化反应，一步法制得BHET。这种方法在20世纪60年代后发展起来，其过程为直接酯化法所释放出的低分子物是水，而不是甲醇，易于分离。在反应中，EG和PTA的摩尔比为1.31.8：1，由于PTA在常态下为无色针状结晶或无定形粉末，其熔点高于升华温度，因此反应往往是非均相。反应中加大EG的摩尔比可以加速酯化反应的进行，但会带来两个不利因素。其一是加大EG的回收量；二是EG分子间脱水生成二缩乙二醇醚（即二甘醇，简称DEG），因此在直接酯化反应中，工艺条件的控制是一个很重要的问题。直接酯化法：生产流程短，投资少，生产效率高，生产过程中无需使用甲醇，乙二醇的耗量少，可简化回收过程和设备，减少环境污染，特别适合于制造高聚合度聚酯。其缺点是PTA和EG在多相体系中反应，反应不易均匀，容易生成较多二甘醇，影响聚酯的质量。随着聚酯工业的不断发展，近年来，有研究用中纯度PTA与EG酯化制取BHET的工艺方法，省去PTA的精制，可大大降低生产成本，经济效益显著。经酯化所得到的BHET，加入摩尔分数为0.03%0.04的缩聚反应催化剂，以0.0150.03稳定剂，温度逐渐升至270280，压力降至133.3pa（1mmHg柱）以下进行缩聚反应，制成成纤聚酯（PET）。缩聚反应式为：（PET）（EG）在PET的制备中根据生产工艺流程的不同同样可以分为间歇法缩聚工艺、连续缩聚工艺和半连续法缩聚工艺。结合厂内的实际生产情况，这里讨论一下连续缩聚工艺。连续缩聚过程和间歇缩聚一样，也需要严格控制反应温度、真空度、反应时间、催化剂和稳定剂的种类和数量等，连续缩聚的进行方式常根据无聊的性质和状态分三段控制。（1）、EG的脱除：由酯交换或直接酯化工段来的BHET中过量的EG，以及在脱EG塔（或釜）内BHET生成低聚物时释放出的EG，被大量蒸发除去，EG脱除塔内物料粘度较低，余压在20kPa即可，反应温度通常控制在235250。（2）、预缩聚和（或）前缩聚：一阶段是缩聚反应的主要阶段，EG逸出量比前阶段相应减少，物料的表观粘度增大，EG不易逸出，因此要升高温度，提高真空度和加强物料翻动或形成薄的料层，以促使EG蒸发，加速缩聚反应，通常控制预缩聚时间11.5h，温度为273280，余压小于6.6kPa；前缩聚1.53h，温度275282，余压小于400Pa。不同的装置流程，其控制亦不尽相同。有些装置有前缩聚但无预缩聚，而某些装置既有预缩聚又有前缩聚。（3）、后缩聚：后缩聚为最终完成缩聚反应的阶段，此时物料粘度高，EG气泡难以形成和排除，故要求真空度很高。通常控制温度275285，余压100300Pa，物料平均停留1.52h。（二）、PET的结构与性能1、分子结构聚对苯二甲酸乙二酯的化学结构为：从分子结构我们可以知道PET的分子结构有以下特征：、PET是具有对称性芳环结构的线型大分子，没有大的支链，因此分子线型好，易于沿着纤维拉伸方向取向而平行排列。（2）、PET分子链中含有苯环这样的刚性基团，因此熔点比较高，纯净的PET熔点可达267。因（3）、由于分子内有C-C键的内旋转，此分子存在两种空间构象。无定形PET为顺式构象结晶时即转变为反式构象（4）、PET分子链的结构具有高度的立体规整性，所有的芳环几乎处在一个平面上，这样使得相邻大分子上的凹凸部分便于彼此镶嵌，从而具有紧密敛集能力与结晶倾向。（5）、PET分子间没有特别强大的定向作用力，相邻分子的原子间距均是正常的范德华距离，其单元晶格属三斜晶系，大分子几乎呈平面构型。（6）、PET的分子主链中有酯键，其许多重要性质均与酯基的存在有关，如高温水解、氧化降解、热裂解等。2、.分子量及其分布高聚物分子量的大小直接影响其加工性能和纤维的质量，聚酯的耐热、光、化学稳定性等性质及纤维的强度均与分子量有关。工业生产中通常采用相对粘度和特性粘数作为衡量分子量大小的尺度。特性 粘数与分子量的关系为：=K M民用成纤聚酯切片的相对粘度r至少为1.301.36，相当于为0.550.65dL/g，或相当于：w(质均分子量)=2200027000；n（数均分子量）=1600020000缩聚反应制得的PET树脂是从低分子量到高分子量的分子集合体。因此，各种方法所测得的分子量仅具有平均统计意义，对于每一种PET切片，均存在分子量分布问题。聚酯分子量分布对纤维结构的均匀性有很大影响，在相同的纺丝和后加工条件下所制得的纤维，用电子显微镜观察纤维表面可见分子量分布宽的纤维其表面有大的裂痕，在初生纤维和拉伸丝内，裂痕的排列是紊乱的；而分布窄的纤维，无论未拉伸丝或拉伸丝，其表面基本是均一的，裂痕极微。因此，分子量分布宽会使纤维加工性能变坏、拉伸断头率急剧增加，并影响成品纤维的性能。分子量分布常采用凝胶色谱法（GPC）测定，可用分子量分布指数来表征=w /n式中的值越小，表示分子量分布越窄。有资料表明，对于高速纺丝，PET的2.02时，其可纺性较好。3、物理性质和化学性质（1）、熔点：纯PET的熔点267，工业PET熔点略低，一般在255264之间。熔点是聚酯切片的一项重要指标。如果切片熔点波动较大，则需对熔融纺丝温度作适当调整。但熔点对成形过程的影响不如特性粘数（分子量）的影响大。（2）、熔体粘度：熔体纺丝时，聚合物熔体在一定压力下被挤出喷丝孔，成为熔体细流并冷却成形。熔体粘度是熔体流变性能的表征，与纺丝成形密切相关。影响熔体粘度的因素有温度、压力、聚合度和切变速率等。随着温度的升高，熔体粘度依指数函数关系降低。（3）、其它物理性质玻璃化温度（）无定形67晶态81取向态结晶125熔体密度（g/cm3）2701.2202951.117熔融热（J/g）130134折光指数22.480251.574体积膨胀系数-30601.6*10-4901903.7*10-4体积电阻/cm(25,RH 65%)1.2*1019（三）.纺丝成型工艺涤纶长丝生产工艺发展很快，种类很多。按纺丝速度可分为常规纺丝工艺、中速纺丝工艺和高速纺丝工艺；按照纺丝原料有直接纺丝工艺和间接（切片）纺丝工艺；按照工艺流程，可分为三步法、二步法和一步法。1、常规纺丝工艺常规纺丝或称低速纺丝，是纺丝卷绕拉伸加捻假捻变形的三步法工艺路线（UDY-DU-TY）。纺丝速度为10001500m/min。拉伸加捻速度为6001100m/min，假捻变形的速度为120160m/min。可仿制33167dtex的长丝。常规纺丝是最早实现工业化生产的一种工艺路线，其特点是工艺成熟、设备运转稳定、技术容易掌握、产品质量较好。目前，我国变形丝的染色均匀性（M率）可达96%以上。2、中速纺丝工艺中速纺丝系二步法工艺，纺丝速度为18002500m/min，制得的半预取向丝（MOY），其纤维结构尚未趋于稳定状态，至少要放置平衡612h后，才能加工使用。但存放时间不宜过长，最好不要超过一个月。MOY一般是在本厂加工使用，中速纺丝有两种工艺路线。(1)、 MOY - DY工艺此工艺采用中速纺丝和低速拉伸，拉伸加捻的速度为8001200牧民，可仿制33167 dtex的拉伸丝，常见的是75dtex和50dtex。其生产效率比高速纺丝低，产品质量比常规纺丝差。目前采用这种工艺路线的有我国和日本等国的少数工厂。(2)、MOY-DTY工艺此工艺采用中速纺丝和高速拉伸变形，MOY的剩余拉伸倍数为2.12.4倍，拉伸变形的速度为400500m/min。可仿制5588dtex的变形丝，超过110dtex时，需将两根丝条合股成一个筒子。此工艺的生产效率不如POY-DTY工艺路线。3、高速纺丝工艺高速纺丝的纺丝速度为300 3500m/min，可制得预取向丝（POY）。在高速下，纤维产生一定的取向度，结构比较稳定。它有三种路线：（1）、POY DTY工艺此工艺采用高速纺丝和高速拉伸变形，是典型的二步法工艺路线。POY的后加工速度通常为450 700m/min，可纺制50 167dtex的变形丝。这种工艺路线于70年代开始工业化。其特点是工艺流程短，生产效率高，基建投资省。POY可以长期存放，长途运输。DTY品质优良，采用此法是长丝生产的一个发展方向。（2）、POY TY工艺此工艺产用高速纺丝和低速假捻变形（转子式假捻法）。可制得167dtex的变形丝。这种工艺路线在技术经济上不合理，是一种权宜的做法。我国有一些中小型弹力丝厂采用此法。（3）、POY DY工艺此工艺采用高速纺丝和低速拉伸加捻，可制得55 110 dtex的拉伸丝。拉伸比为1。3 1。7倍，日本东丽公司和瑞士英文塔公司曾介绍过这种工艺路线。我国也有少数工厂采用此工艺。4、全拉伸丝生产工艺全拉伸丝（FDY）生产工艺采用低速纺丝，高倍拉伸，且两道工序在一台纺丝拉伸联合机上完成，系一步法工艺路线。纺丝速度为900m/min，拉伸速度为3200m/min，拉伸比为3。5。可纺制55 165dtex的拉伸丝，国内椰油将高速纺丝（纺丝速度为3200m/min），超高速拉伸（拉伸速度5500m/min）工艺生产的长丝称FDY。全拉伸丝的质量稳定，毛丝断头较少，可适应喷水织机的要求。5、高取向丝生产工艺高取向丝（HOY），亦叫全取向丝。此工艺采用一步法超高速纺丝，制得高取向丝，纺丝卷绕速度为5500 6000m/min。由于大幅度增加了喷丝板拉伸。故纤维的取向度大大提高，但结晶粒子较大，非晶区的取向度较低。纤维的染色性能尚好，但伸度高达40%左右，即使将纺丝卷绕速度提高到700 0- 8000m/min，伸度仍不能满足服用性能的要求，因此，此法仍处在研究、探索阶段。（四）、纺丝熔体的制备由缩聚釜或用连续缩聚制得的聚酯熔体可直接用于纺丝，也可经铸带、切粒后再熔融以制备纺丝熔体。在聚酯纤维生产中，广泛应用螺杆挤出纺丝机进行纺丝。在整个挤出过程中，螺杆完成以下三个操作：切片的供给、切片的熔融和熔体的计量挤出，同时使物料起到混匀和塑化作用。按物料在挤出机中状态，可将螺杆挤出机分成三个区域：固体区、融化区和熔体区。在固化区和熔体区是单相的，在融化区是两相并存。这和螺杆的几何分段：进料段、压缩段和计量段在一定程度上相一致。1、螺 杆（1）、螺杆的直径通常指螺杆的外经。从流量计算公式可知它对挤出机有决定性影响。顺流产量与直径的平方（D2）成正比。然而直径太大会有其他方面的困难，如导致单位加热面积所需加热的物料增加，传热变差，功率消耗也与直径的平方成正比，（2）、长径比与螺杆分段所谓长径比是指螺杆工作长度（不包括鱼雷头及附件）与外经之比。螺杆的加热面积和物料停留时间都与长度成正比。长径比大，有利于物料的混合塑化、提高熔体压力和减少逆流以及漏流损失。因此，螺杆挤出机的长径比有不断增大的趋势。目前，一般采用L/D = 20 -27的螺杆，也有L/D = 28 30的。（3）、压缩比螺杆的压缩作用以压缩比i表示。压缩比主要决定于物料熔融后视比重的变化，不同形态的物料其密度不同。压缩比一般2。5 3。5 ，熔体纺丝用螺杆常用3 3。5。（4）、螺杆与套筒的间隙这是螺杆挤出机的一个重要结构参数，特别在计量段，对产量影响很大，漏流流量与间隙的三次方成正比，当间隙 = 0。15D，漏流流量可达总量的三分之一之多。故在保证螺杆与套筒不产生刮磨的条件下，间隙应尽可能取小。但间隙越小，加工越困难，剪切生热也大。安装和运转时弯曲形成螺杆与套筒偏心也会使间隙难于控制，特别是在长螺杆的计量端，偏心后使间隙不匀，影响流量。一般小螺杆间隙应小于0。002D，大螺杆应小于0。005D 。（5）、套 筒套筒是挤出机中仅次于螺杆的重要部件，它和螺杆组成了挤出机的基本结构。套筒实质上相当于一个压力容器和加热室，因此除考虑套筒的材质、结构、强度等外，还应考虑其热传导和热容量，以及在工作时的熔体压力、螺杆转动时 的机械磨损及熔体的化学腐蚀作用等。（6）、转 速螺杆的转速虽不是挤出机的结构特征，但与之直接相关。虽然转速决定于产量，但不可能用同一规格的螺杆通过改变转速的方法来满足任意的产量要求，一定螺杆直径只适宜在一定的转速范围内使用。转速太低，物料所受推力小，工艺不易控制，不利于熔体起压；转速太高，剪切太强，温度过高，甚至物料有热分解的可能。一般小螺杆转速可大，大螺杆转速宜小。表6为不同直径的螺杆转速范围表6不同直径的螺杆转速范围直径D（mm）30456590120150转速N（r/min）16-9615-9013-7810-608-487-422、纺丝机的基本结构我国熔融纺丝机主要采用螺杆挤出纺丝机 ，有多种型号其基本结构由：（1）纺丝相体及纺丝头组件；（2）计量泵与喷丝板；（3）丝条冷却装置；（4）卷绕装置。3、纺丝过程的主要工艺参数熔体纺丝过场中有许多参变数，这些惨变数决定纤维形成的历程和纺出纤维的结构和性质，生产上就是通过控制这些参数来制得所要求性能的纤维。其参数有：熔融条件、喷丝条件、固化条件、绕丝条件等。（1）熔融条件和纺丝熔体质量这一过程主要指切片纺。直接纺则述及熔体输送。（2）熔体输送过程中温度的选择与控制螺杆通过法兰与弯管相接，由于法兰区本身较短，对熔体温度影响不大，但法兰散热较大，故该区温度也不宜过低，一般法兰区温度可与五区相等，或稍低于五区温度，即t6 = t5 -（0 2）（3）熔体粘度与熔体温度的选定熔体流出喷丝板孔道前的温度Ts称纺丝温度或挤出温度。Ts高于结晶聚合物的熔点tm，此时虽然高聚物已处于粘流态，但因分子量高，故熔体粘度很大，给纺丝带来困难，必须继续升温使熔体 具有纺丝所需要的粘度。卷绕张力与初生纤维的双折射随熔体温度的提高而降低，而初生纤维的最大拉伸比和自然拉伸比随之提高。涤纶纺丝时，通常熔体温度比熔点高14 22 。纺丝熔体温度的提高是有一定限制的，它主要受到高聚物热裂解温度（td）和熔体粘度的限制。因此，选择纺丝熔体温度时应满足下式：td Ts tm（或tf）（4）、喷丝条件为确保纺丝成形正常进行，要求熔体泵供量恒定，喷丝头组件结构合理，喷丝板质量好，且熔体压力适宜与稳定。（5）泵供量泵供量的精确性和稳定性直接影响成丝的纤度及其均匀性，熔体计量泵的泵供量除与泵的转速有关外，并与熔体粘度、泵的进出口压力等因素有关当螺杆与纺丝泵间熔体压力达2MPa以上时，泵供量与转速成直线，而在一定转速下，泵供量为一恒定值，不随熔体压力而改变。（6）喷丝头组件结构与质量喷丝头组件的结构是否合理和喷丝板质量好坏，以及喷丝板清洗和检查工作的优劣，均对纺丝及纤维质量有很大影响。由于喷丝毛细孔孔径很小，若熔体内还有杂质，易使喷丝孔堵塞，产生“注头丝”、“细丝”、“毛丝”等疵病，所以熔体在进入喷丝孔前，应先经仔细过滤，可用粗细不同的多层不锈钢丝网作过滤介质，也有采用石英砂和不锈钢丝网组合作过滤介质的，这样可强化过滤增加和稳定熔体压力，改善纤度不匀率。在高压纺丝时，则往往采用更稠密的烧结金属滤层、厚层石英砂、Al2O3颗粒、玻璃球等组合使用。（7）纺丝熔体压力纺丝熔体压力系指在喷丝头组件中的熔体压力，而不是指螺杆出口处的熔体压力，它与纤维质量均匀性密切相关。增大纺丝熔体压力，所得纤维的纤度均匀性和染色均匀性都有提高，因此高压纺丝技术获得了越来越普遍的应用。在长丝生产中，采用的纺丝熔体压力较短纤维生产时为高，这有利于保证长丝的质量均匀性。（8）、丝条冷却固化条件熔体纺丝时熔体细流自喷丝孔喷出后，在空气介质中冷却凝固成形，是一个单纯的物理过程（传热和受力变形），原则上无化学变化。丝条冷却固化条件对纤维结构与性能有决定性的影响，为提高聚酯熔体细流的冷却速度及其均匀性，生产中普遍采用冷却吹风。冷却吹风可加速熔体细流冷却速度，有利于提高纺丝速度；而且加强了丝条周围空气的对流，使内外层丝条冷却均匀，为采用多孔喷丝板创造了条件；冷却吹风使初生纤维质量提高，拉伸性能好，有利于提高设备的生产能力。冷却吹风工艺条件：冷却吹风工艺条件主要包括风温、风湿、风速（风量）、冷却位置等a、风温和风湿：风温的选定与成纤高聚物的玻璃化温度、纺丝速度、产品纤度、设备特征（包括吹风方式）等因素有关。风温的高低直接影响初生纤维的预取向度，卷绕丝的双折射总是随风温的升高而降低，而在某一温度以上，则随风温的升高而增大。用作熔纺冷却介质的空气的湿度对纤维成形有一定的影响。一定的湿度可防止丝束在纺丝甬道中摩擦带电，减少丝束的抖动；空气含湿可提高介质的比热容和给热系数，有利丝室温度恒定和丝条及时冷却；此外，湿度对初生纤维的结晶速度和回潮伸长均有一定影响。b、风速及其分布：风速和风速分布是影响纺丝成形的重要因素。风速的分布形式多种多样，在采用不同孔径的均匀分布环形吹风装置时，纺丝成形效果良好。对侧吹风而言，风速分布一般有均匀直形分布、弧形分布及S形分布三种形式。c、冷却吹风位置：冷却吹风位置对于冷却效果及丝的质量有一定影响，吹风窗（环）顶部离喷丝板距离一般为10 cm左右。这是由于熔体细流在离开喷丝板后立即被冷却，会使拉伸应力上升，初生纤维预取向度增高且径向产生双折射差异，影响纺丝顺利进行。吹风面离丝束外缘距离一般为1cm左右，吹风面宽度较喷丝板直径宽5cm即可。（9）、卷绕工艺条件a.纺丝（卷绕）速度卷绕速度通称纺丝速度，是影响卷绕丝预取向度的重要因素。纺丝速度越高，纺丝线上速度梯度也越大，且丝束与冷却空气的摩擦阻力提高，致使卷绕丝分子取向度高，双折射增加，后拉伸倍数降低。有资料指出，涤纶纺丝时卷绕速度每提高100m/min，初生纤维在70下的最大拉伸比约降低0.1，自然拉伸比则降低0.06，当卷绕速度高至1500 m/nin以上时，这种影响就减小。在高速纺丝条件下，卷绕丝的单纤维细，其预取向度高，因而最大拉伸比和自然拉伸比都相应减小。b.喷丝头拉伸比喷丝头拉伸比是指第一导丝盘速度（卷绕速度）与熔体喷出线速度之比。喷丝头拉伸比对卷绕丝预取向度影响较小，除喷丝头拉伸比在较小范围内以外，卷绕丝的双折射与喷丝头拉伸比几乎无关。但是，当卷绕速度和总喷丝孔面积保持一定，借改变熔体喷出速度（泵供量改变）而使纤度发生变化时，则对最大和自然拉伸比有显著的影响。若纤度变小时，纤维预取向度增大，最大和自然拉伸比明显降低。c.卷绕车间温湿度为确保初生纤维吸湿均匀和卷装成型良好，卷绕车间的温湿度要控制在一定范围内。一般生产厂卷绕车间温度冬天控制在20左右，夏天控制在2527；相对湿度控制在6075%范围内。若生产长丝，由于卷装成型要求更高，卷绕车间温湿度更应严加控制。（五）涤纶长丝的生产特点涤纶长丝的纺丝、拉伸和变形加工均在各个锭位上进行，减少锭位间的差异是保证长丝质量的关键。长丝对毛丝和染色性这两项指标要求甚高。而这两项指标又与长丝的生产特点密切相关。1、生产速度高随着长丝生产技术的发展，纺丝速度愈来愈高，初期只有400 500m/min，现在已提高到3500m/min，纺速的提高，对设备、工艺操作等均提出新的要求，如要求各锭位的卷绕速度相同，定期更换喷丝板、计量泵等，在卷绕