《聚酯纤维》PPT课件

高分子材料加工工艺及设备,朱鹏南通大学化学化工学院2008.9,07:23,第一章聚酯纤维,1.背景聚酯纤维是大分子链中各链结通过酯基相连的成纤高聚物纺制而成的纤维（PET）。我国将含聚对苯二甲酸乙二酯组分大于85的合成纤维称为聚酯纤维，商品名为涤纶。早在1894年Vorlander用丁二酰氯和乙二醇制得低分子量的聚酯；1898年Einkorn合成聚碳酸酯；早年合成的聚酯大都为脂肪族化合物，其分子量及熔点都较低，且易溶于水，故不能具有纺织纤维的实用价值。,07:23,第一章聚酯纤维,1.背景1941年Whinfield和Dickson用对苯二甲酸二甲酯（DMT）和乙二醇（EG）合成聚对苯二甲酸乙二酯（PET），这种聚合物可通过熔体纺丝制得性能优良的纤维。1953年美国首先建厂生产聚酯纤维。近年研制开发出了多种具有不同特性的实用性聚酯纤维。如具有高伸缩弹性的聚对苯二甲酸丁二酯（PBT）纤维和聚对苯二甲酸丙二酯（PTT）纤维、具有超高强度、高模量的全芳香族聚酯纤维等。,07:23,第一节聚酯纤维原料,一、聚对苯二甲酸乙二酯的制备PET工业上是以对苯二甲酸双羟乙二酯（BHET）为原料，经缩聚反应脱除乙二醇（EG）来实现。缩聚反应如下：所以PET的制备首先需得到BHET，目前生产BHET的方法有酯交换法和直接酯化法。,07:23,第一节聚酯纤维原料,（一）BHET的制备1.酯交换法此法是将对苯二甲酸（TPA）与甲醇反应生成粗对苯二甲酸二甲酯（DMT），经精制提纯后，再与EG进行酯交换反应，得到纯度较高的BHET。在催化剂存在下，EG与DMT进行酯交换，生成BHET。被取代的甲氧基与EG的氢结合，生产甲醇，其反应式如下：,07:23,第一节聚酯纤维原料,（二）聚对苯二甲酸乙二酯的生产1.缩聚反应平衡BHET的缩聚反应是可逆平衡的逐步反应，按下述步骤进行：依次，反应继续进行。除了BHET分子的羟乙基和聚合体分子的羟乙基的反应外，羟乙酯基还可以相互进行缩聚反应，通式如下：在通常情况下，随缩聚反应的进行和EG的不断脱除，聚合度控制在100左右，个别情况可达150180。,07:23,第一节聚酯纤维原料,2.缩聚反应副反应缩聚反应的同时会存在副反应，主要有：大分子链端基裂解生成乙醛；生成环状低聚物；大分子中的酯键裂解；EG间分子缩合生成乙二醇醚。,07:23,第一节聚酯纤维原料,二、聚对苯二甲酸乙二酯的结构和性质（一）分子结构聚对苯二甲酸乙二酯（PET）的化学结构如下：PET为线性大分子，分子链的两端各有一个羟基，中间每个单元链节都由苯环通过酯基与乙基相连，没有大的支链。因此分子线性较好，易于沿着纤维拉伸方向取向而平行排列。,07:23,第一节聚酯纤维原料,由于分子链上的碳碳键内旋转，故分子存在两种空间构想。无定型PET为顺式：结晶PET为反式：无定型PET为无色透明固体，密度为1.335g/cm3。完全结晶的聚合物为乳白色固体，密度为1.455g/cm3。而PET纤维为部分结晶，其密度为1.381.40g/cm3。同时，PET分子链中的酯键在高温和水存在下或强碱介质中容易发生水解，聚合度下降，为此，PET纺丝时必须严格控制水份含量。,07:23,第一节聚酯纤维原料,（二）分子量及其分布纤维用PET树脂的分子量通常为1500022000。PET的分子量直接影响其纺丝性能及纤维物理性能。分子量低，则熔体粘度下降，纺丝易断头，纤维也经不起较高倍数的拉伸，成品性能下降。分子量分布也对PET纺丝加工性能及成品纤维结构、性能有较大影响。分子量低的组分含量较高的PET，纺丝易产生断头、毛丝和疵点，且经不起拉伸。分子量分布窄的纤维，其表面均一，无明显裂纹。,07:23,第一节聚酯纤维原料,（三）流变性质1.熔点纯PET的熔点为267，工业生产的PET熔点略低，一般在255264之间，这主要是由于酯化或缩聚反应过程中副反应生成的DEG，致使PET分子中含有醚键，破坏分子结构的规整性，降低了分子间作用力。2.熔体粘度熔体粘度是熔体流变性能的表征，与纺丝成型密切相关。其一般与切变速度有关。一定特性粘度的PET在不同温度下，熔体粘度与切变速率的关系如图13。,07:23,第一节聚酯纤维原料,07:23,第一节聚酯纤维原料,三、聚酯切片的质量指标PET切片的质量对纺丝、拉伸工艺和纤维质量有重大影响。PET切片和纤维主要质量指标按照国标GB/T418993。,07:23,第二节聚酯切片的干燥,一、切片干燥的目的1除去水分湿切片中含水率为0.40.5，干燥后下降至0.01（常规纺）或0.0030.005（高速纺）。切片中水分的不良影响：在纺丝温度下，水的存在使PET大分子的酯键水解，聚合度下降，纺丝困难，成品丝质量降低；少量水分气化，往往造成纺丝断头，使生产难以正常进行。2.提高切片含水的均匀性3.提高结晶度及软化点干燥初期，切片受热结晶，结晶度提高至2530，软化点提高至210以上，且熔程狭窄，熔体质量均匀。,07:23,第二节聚酯切片的干燥,二、切片干燥机理1.切片中的水分PET大分子缺少亲水性基团，吸湿能力差，其水分分为两部分：一是粘附在切片表面的非结合水，另一是与PET大分子上的羰基及少量的端羟基等以氢键结合的结合水。2.切片的干燥曲线由曲线可以看出，切片的含水率均随干燥时间延长而逐步降低。在干燥前期为恒速干燥阶段。这时除去的主要是切片中的非结合水。干燥后期为降速干燥阶段，主要去除结合水。,07:23,第二节聚酯切片的干燥,07:23,第二节聚酯切片的干燥,3.切片干燥过程中的结晶聚酯在170-190时结晶速率最高，超过190，结晶速率反而随温度升高而下降。这是由于高温下晶核生成太少的缘故。因此，在170以下短时间干燥，由于切片表面温度高于内部温度，切片表面的结晶度高于内部；在190以上短时间干燥，则内部结晶度大于表面结晶度。,07:23,第二节聚酯切片的干燥,三、切片干燥设备聚酯切片干燥设备分为间歇式和连续式两大类。间歇式设备主要为真空转鼓干燥机；连续式多为多种形式组合而成的联合干燥装置。（一）真空转鼓干燥机该设备的优点是：结构简单，流程短，干燥质量高，能耗低；更换切片方便，出料灵活；操作环境好，噪音低；其缺点是：切片干燥周期长，单机产量低；切片干燥后产生的粉尘多；各批切片干燥质量有差异。,07:23,第二节聚酯切片的干燥,1.转鼓部分转鼓是全机的主体，两端有碟形封头，且倾斜装置的圆筒形容器，倾角为25o。目的是保证切片在干燥过程中能较好地翻转，以使传热均匀，防止切片粘结和卸料方便。,干燥机主要由有转鼓部分、抽真空系统和加热系统三部分组成。,07:23,第二节聚酯切片的干燥,2.抽真空系统常用真空泵为机械真空泵和蒸汽喷射泵。其中蒸汽喷射泵具有工作稳定可靠，设备简单等特点。一般三级蒸汽喷射泵蒸汽压力为9.8105Pa，可使转鼓内的余压降到0.033104Pa；四级蒸汽喷射泵蒸汽压力为15.7105Pa，转鼓内余压可降到0.0053104Pa。3.加热系统加热系统因热载体不同而异。热载体可采用联苯混合物、38号汽缸油、甘油、饱和蒸汽和过饱和蒸汽等。国内采用饱和蒸汽作为热载体，其特点是结构简单、不需要其它附属装置。,07:23,第二节聚酯切片的干燥,真空转鼓干燥机干燥质量高，可在较低温下干燥切片，适合易氧化或热敏性的高聚物。但由于其干燥时间长、生产能力低、不能连续化生产等，故一般用于小批量、多品种及一些特种纤维的生产。,07:23,第二节聚酯切片的干燥,（二）BM联合干燥设备组合式干燥设备主要包括预结晶器、充填干燥器及热风循环系统三部分组成。切片首先经过预结晶器除去大部分水，并具有一定的预结晶度，软化点提高。然后进入充填干燥器，在干燥器内保证足够且均匀的停留时间，充分去除切片水分。本节主要介绍德国BM公司的联合干燥设备。,07:23,第二节聚酯切片的干燥,1.BM干燥设备工艺流程德国BM公司切片干燥工艺流程采用预结晶装置和连续式充填干燥器相结合，配以附有氯化锂除湿器和废气余热利用装置的热风循环系统。,07:23,第二节聚酯切片的干燥,2.预结晶器BM干燥设备采用间歇式预结晶器，整体为一不锈钢制圆锥形容器，底部有一隔板阀，利用旋涡式热气流吹拂和加热切片。气流将一定量的切片从底部输入时，流速达20m/s。随着容器上部直径增大，气流速度下降到2m/s，切片浮力减小，又靠重力降落。下落至锥形底部遇到高速热气流，有重复上升，呈剧烈沸腾状，不仅加强传质传热，而且防止了切片的粘结。,07:23,第二节聚酯切片的干燥,3.充填干燥器BM公司充填干燥器为不锈钢方形容器，由四节干燥仓组成。热风从底层干燥仓进入，从顶部干燥仓的出风口出去。各节干燥仓的内部纵向交错排列着人字形风管，两侧是风道。,07:23,第二节聚酯切片的干燥,风管周围充满了缓慢下落的切片，热风由进风口进入右风道，同时进入第1、3、5层进风管，随后从人字形风管底部矩形开口处溢出后上升穿透缓慢下行的切片层，由2、4、6层风管底部开口处进入风管而转入左风道。,07:23,第三节聚酯纤维的纺丝,一、概述由于PET的熔点Tm低于热分解温度Td，因此常采用熔体纺丝法。熔体纺丝的基本过程包括：熔体的制备;熔体自喷丝孔挤出;熔体细流的拉长变细同时冷却固化;以及纺出丝条的上油和卷绕。,07:23,第三节聚酯纤维的纺丝,聚酯纤维一般以纺丝速来划分纺丝技术路线类型：（1）常规纺丝：纺丝速度10001500m/min，其卷绕丝为未拉伸丝，通称为UDY（undrawyarn）；（2）中速纺丝：纺丝速度1500300m/min，其卷绕丝具有中等取向度，为中取向丝，通称为MOY（mediumorientedyarn）；（3）高速纺丝；纺丝速度30006000m/min。纺丝速度4000m/min以下的卷绕丝具有较高的取向度，为预取向丝，通称为POY（pre-orientedyarn）。（4）超高速纺丝：纺丝速度为60008000m/min。卷绕丝具有高取向和中等结晶结构，为全取向丝，通称为FOY（fullyorientedyarn）。,07:23,第三节聚酯纤维的纺丝,二、纺丝熔体的制备聚酯切片的熔融纺丝广泛采用单螺杆挤出机。在纤维成形中，螺杆有输送、熔融、搅拌和计量等作用，其工作部分分为三段，即进料段、压缩段及计量段。,07:23,第三节聚酯纤维的纺丝,整个挤出过程中，螺杆主要完成三个操作：切片的供给、切片的熔融和熔体的计量挤出，同时使物料起道混匀和塑化作用。按照物料的状态，可将螺杆挤出机分成三个区域：固体区、熔化区及熔体区。,07:23,第三节聚酯纤维的纺丝,螺杆挤出机的特征主要集中在螺杆结构，其包括直径、长径比、压缩比、螺距、螺槽深度、螺旋角、螺杆与套筒的间隙。1.螺杆直径：指螺杆外径。直径增大，产量上升，但同时会引起传热变差、功率消耗大等问题。2.长径比：指螺杆工作长度与外径之比。螺杆的加热面积和物料停留时间都与螺杆长度成正比。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和漏流损失。目前一般采用L/D在2027的螺杆，也有L/D在2833，但螺杆太长，热稳定性差的高聚物易分解。,07:23,第三节聚酯纤维的纺丝,3.压缩比：指加料段一个螺距的螺槽容积与计量段一个螺槽容积的比值，一般去压缩比为34。其主要取决于物料熔融前后密度的变化，其计算公式如下：式中：D螺杆外径（mm）；h1加料段槽深（mm）；h3计量段槽深（mm）。4.螺距螺距t决定于螺旋角，。为便于制造螺杆，螺距取与螺杆直径相等，为此螺旋角固定为。,07:23,第三节聚酯纤维的纺丝,07:23,第三节聚酯纤维的纺丝,三、纺丝机的基本结构（一）纺丝箱头及纺丝头组件熔体自螺杆挤出后，经熔体管路分配至各纺丝位的计量泵和纺丝头组件。纺丝箱内部包括熔体分配管、计量泵和保温座等。,07:23,第三节聚酯纤维的纺丝,（二）计量泵计量泵的作用是精确计量、连续输送成纤高聚物熔体或溶液，其属于高温齿轮泵类型。,计量泵由一对相等齿数的齿轮、三块泵板、两根轴和一副联轴器构成。当齿轮啮合运转时，在吸入孔造成负压，流体被吸入泵内并添满两个齿轮的齿谷，熔体在齿轮的带动下紧贴着孔内壁回转一周后送至出口。,07:23,第三节聚酯纤维的纺丝,（三）喷丝板喷丝板的主要作用是将高聚物熔体或溶液通过微孔转变成具有特定截面的细流，经风冷却或凝固浴固化而形成细条。喷丝孔的几何形状是直接影响熔体的流动特性，从而影响纤维成型。喷丝孔通常由导孔和毛细孔构成。熔体从较大的空间挤入很小的微孔时流动速度急剧增大，为控制熔体流动的切变速度和获得较大的压力差来源，圆锥形和双曲面形导孔较好。,07:23,第三节聚酯纤维的纺丝,（四）丝条冷却装置丝条冷却吹风形式有两种：侧吹风和环形吹风，而环吹风又分为外环吹风和内环吹风。,采用侧吹风时，空气直接吹在纤维还未完全凝固的区域，并与纤维成垂直方向，故传热系数高、冷却效果好。但往往不够均匀，尤其是单纤维根数较多时，不同位置冷却条件差异大。,07:23,第三节聚酯纤维的纺丝,在采用9001000孔甚至更多纺丝孔的喷丝板生产短纤维时，环形吹风是一种简单有效的方法。,07:23,第三节聚酯纤维的纺丝,（五）卷绕装置为避免产生静电，进行正常卷绕前，必须先给湿和上油。因此，一般卷绕机由上油机构、导丝机构和卷绕机构三部分组成。,07:23,第三节聚酯纤维的纺丝,07:23,第三节聚酯纤维的纺丝,四、聚酯纤维的纺丝工艺（一）短纤维纺丝工艺纺丝时螺杆各区温度控制在290300，纺丝箱体温度控制在285260。高压纺丝压力在15MPa以上，其有利于降低纺丝箱体温度，避免热降解。环形吹风温度一般为30左右。纺丝速度一般在2000m/min以下，拉伸倍数为3.54。,07:23,第三节聚酯纤维的纺丝,07:23,第三节聚酯纤维的纺丝,（二）长纤维纺丝工艺与短纤维生产相比，其工艺特点要求：1）原材料含水率低为不大于0.008，而纺短纤维时切片含水率为0.02；2）为保证纺丝的连续性和均一性，要求熔体温度波动不超过1，侧风风速差异小于0.1m/s；3）卷绕速度高为10006000m/min。,07:23,第三节聚酯纤维的纺丝,07:23,第四节聚酯纤维的高速纺丝,由于高速纺丝生产能力比常规纺丝高615倍，同时产品纤维具有取向度高、结晶度不高、纤维柔软、易染色等特点而被广泛应用，近年多采用高速纺丝。其工艺与常规纺丝类似。作业：1.针对POY、FDY及FOY不同工艺，从工艺上（切片质量、纺丝温度、压力、冷却吹风条件、卷绕速度等）和产品性能（强度、模量、双折射率、热收缩等）上比较三者区别。,07:23,第五节聚酯纤维的后加工,纤维的后加工是指对纺丝成型的初生纤维（卷绕丝）进行加工，改善纤维结构，其包括拉伸、热定形、加捻、变形加工和成品包装等工序。纤维后加工作用如下：（1）将纤维进行补充拉伸，使纤维中大分子取向、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、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。,07:23,第五节聚酯纤维的后加工,一、聚酯短纤维的加工（一）工艺流程现多采用高强低伸型短纤维后加工工艺，主要包括集束、拉伸、卷曲、热定形及切断打包几个过程。,07:23,第五节聚酯纤维的后加工,07:23,第五节聚酯纤维的后加工,（二）工艺及设备1.初生纤维的存放和集束刚成型的初生纤维其预取向不稳定，需经过存放平衡，使内应力减少或消失，一般8小时以上，基本趋于稳定。存放稳定后的丝条需要进行集束。所谓集束是把若干个盛丝筒的丝条合并，集中成工艺规定粗度的大股丝束，以便进行后处理。,07:23,第五节聚酯纤维的后加工,2.拉伸设备及工艺（1）拉伸设备集束拉伸工艺常用的设备为三道七辊拉伸机。为保证丝束的加热均匀，短纤维的拉伸一般采用湿热拉伸工艺，因此在各道拉伸机之间常设置加热器。一台牵伸机通常由五个或七个牵伸辊组成一组，直径相同，依靠两台牵伸机的速度差来完成丝束的拉伸。而在牵引辊上方或下方增加压辊可以防止丝束打滑、提高拉伸能力。同时，牵伸机之间的浸渍辊可以控制拉伸点，防止因拉伸潜热的作用使拉伸点前移，从而达到稳定拉伸的作用。,07:23,第五节聚酯纤维的后加工,07:23,第五节聚酯纤维的后加工,（2）拉伸工艺目前，聚酯短纤维多采用间歇集束两级拉伸工艺。在高聚物的玻璃化温度以上，拉伸屈服应力随温度升高而下降明显。因此，第一级拉伸温度一般控制在Tg以上，但为防止发生流动变形不应过高。纤维经过第一级拉伸后，已经有一定取向度，结晶度和Tg都有所提高，因此需要提高温度。而拉伸倍数应根据卷绕丝的应力应变曲线确定，选择在自然拉伸倍数和最大拉伸倍数之间。,07:23,第五节聚酯纤维的后加工,4.卷曲设备及工艺聚酯短纤维通常与棉、毛或其它化学纤维混纺。棉、毛纤维外形有天然的卷曲，而聚酯纤维表面光滑、纤维间抱合力差，不易与其它纤维抱合在一起，对纺织后加工不利。,07:23,第五节聚酯纤维的后加工,化学纤维的卷曲可以分为三种类型：化学卷曲、物理卷曲及机械卷曲。化学卷曲：是在纺丝中形成卷曲的一种方法，其原理是利用特殊的纺丝成型条件造成纤维截面的不对称性而获得卷曲。（成本高、污染严重）物理卷曲：改变分子间的作用力来处理已纺织的纤维而造成卷曲。如涤纶并列型复合纤维，由于两种聚合物的收缩性不同，故在热处理前后两侧内应力不同，形成卷曲。机械卷曲：施加机械力使已纺制的纤维形成卷曲。填塞箱式卷曲的效果显著，而被广泛应用。,07:23,第五节聚酯纤维的后加工,卷曲原理：可以采用受压杆的弯曲理论来解释。丝束像一个细杆，两卷曲轮夹持丝束的点可以看作固定端A，而气动压力阻止丝束走出卷曲箱，其对丝束产生的阻力可看成外力P作用于B端。,07:23,第五节聚酯纤维的后加工,丝束通过一对主动回转的卷曲轮，喂入卷曲箱。气缸通过活动板将压力加到丝束。卷曲轮不断将丝束加入箱内，直至完全塞满箱内空间。后在推理作用下，卷曲的丝束连续不断被推出卷曲箱。,07:23,第五节聚酯纤维的后加工,07:23,第五节聚酯纤维的后加工,5.热定型设备及工艺热定型的目的是消除纤维拉伸过程中产生的内应力，改善纤维弹性。热定型可以在张力作用下或无力作用下进行。对于生产普通型聚酯纤维，一般在链板式或圆网式热定型机上以自由收缩状态进行，称为松弛热定型；对于生产高强低伸型纤维时，一般先采用热辊式定型设备，在一定张力下进行热定型，后再进行松弛热定型。,07:23,第五节聚酯纤维的后加工,圆网式烘燥机纤维吸附在一组正反方向回转着、交叉排列的圆网滚筒表面，由离心风机把干燥空气不断从圆网外透过纤维层进入圆网内，同时一部分湿热空气不断被排出。每只圆网的转动方向与相邻的方向相反，以保证纤维层两面都得到均匀的干燥。,07:23,第五节聚酯纤维的后加工,6.切断与打包根据纤维或织物的规格不同，一般有几种切断长度。棉型短纤维：切断长度为35mm或38mm中长纤维：切断长度为5176mm用于粗梳毛纺的毛型短纤维：切断长度为6476mm用于精梳毛纺的毛型短纤维：切断长度为89114mm,07:23,第五节聚酯纤维的后加工,二、聚酯长丝的后加工聚酯纤维长丝规格繁多，其后工艺流程也不相同。本课程主要介绍：（1）POY为原丝的普通长丝后加工，即拉伸加捻工艺；（2）假捻变形丝制备工艺；（3）空气变形丝的空气变形工艺,07:23,第五节聚酯纤维的后加工,1.拉伸加捻工艺及设备拉伸、加捻是在同一台设备上完成，以拉伸为主并给予少量的捻度，称为弱捻丝。后在织造前再补充加捻。拉伸加捻机一般为双面式，由四部分组成：原丝筒子架、拉伸装置、加热器及加捻卷绕成型系统。初生纤维的卷绕筒插放在筒子架上，呈交叉排列。丝条自筒子上引出后，通过导丝棒进入喂丝罗拉。在上拉伸盘上被预热，在喂入辊和第一导丝盘间进行一段拉伸，在第一和第二拉伸盘进行二段拉伸。从第二拉伸盘引出的拉伸丝，进卷绕系统上部中心处的导丝器和钢领上钢丝圈后，被卷绕在旋转的筒管上。,07:23,第五节聚酯纤维的后加工,07:23,第五节聚酯纤维的后加工,2.假捻变形丝的加工假捻变形丝是弹力丝的一个大品种，利用纤维的热塑性，经过变形和热定形而制得的高度卷曲蓬松的新型纱。近年发展的假捻连续工艺，将拉伸和假捻变形连续进行，简称DTY法，主要包括加捻、热定形、