涤纶长丝工艺

第一章 概述1.1纤维的发展概况与分类从外形上讲，纤维是一种细而长比较柔韧的天然或人工化合物质，具有相当大的长度直径比。对于纺织纤维而言，需要有较大的断裂强度和断裂伸长，才能有服用性能。1.1.1 纤维的发展概况1.1.1.1合成纤维的发展 合成纤维是在上世纪20年代开始研制的，合成纤维的工业化在30年代中期才开始的，1935年，美国人首先研究成功了第一种聚酰胺纤维尼龙66，并在1938年建立了试验工厂，于19391940年间将其试验成果推广并开始了工业化生产，聚酰胺纤维在全世界国家得到了广泛的发展。合成纤维从发现到工业化生产的今天，经历了四个阶段。第一阶段：19381950年主要发展尼龙，同时探索新的化纤高聚物。第二阶段：19501956年涤纶和腈纶问世，并实现了工业化生产。第三阶段：1956年迄今，发展第二代合成纤维改性纤维。通过化学和物理改性以制成具有特定性能的纤维。第四阶段：1960年迄今，发展特种纤维。通过努力已经获得耐高温纤维、高强力纤维、阻燃纤维、碳素纤维、超导或导电纤维等。合成纤维在全世界的发展也是一个不断变化的过程，1940年全世界合成纤维产量只有5000吨，1950年达到7万吨，并且主要集中在西方发达的国家，随着工业化的普及，在1975年以后，纤维生产的重心开始转移，从单纯的追求数量转向降低成本和提高质量上，产品生产和市场的重心也逐渐移向发展中国家和地区，如中国、印度、巴西等。1.1.1.2 涤纶长丝的发展涤纶是我们国家对聚酯纤维的商业名称。国际标准组织(ISO)对聚酯纤维的说明如下：构成纤维的聚合物组成为二元醇和对苯二甲酸形成的酯，其中链形大分子至少占链中的85(以质量计)，它的通常组成为聚对苯二甲酸乙二酯(PET)。它的分子式是：HO(CH2CH2COO COO)nCH2CH2OH可以用其它的二元醇可用来代替乙二醇，如1，4一丁二醇，制成聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)。 1953年美国杜邦(DuPont)公司首先推出聚酯纤维商品，1955年英国帝国化学工业公司(I.C.I)同时建成短纤维和长丝工厂，当时长丝年产量约1000吨。在以后的几年内，聚酯纤维的产量逐年增加。聚酯纤维是近年来发展最迅速和产能最大的合成纤维品种，1998年聚酯纤维生产能力约占合成纤维总能力的68。1998年初全球聚酯纤维生产能力约1867万吨，其中长丝能力1000万吨，短纤维生产能力为880万吨。1999年初世界聚酯纤维生产能力达2050万吨，同1998年同期相比，增加了约8.6，其中长丝增至1143万吨。我国聚酯产业的发展相当迅猛， 2005年底我国聚酯生产能力达到2250万吨/年。十年来，我国涤纶长丝每年都以10%以上的产能在大幅增加。纺织纤维天然纤维动物纤维羊毛、驼毛、蚕丝植物纤维棉花、麻化学纤维再生纤维再生蛋白纤维再生纤维素纤维：粘胶纤维、铜氨纤维纤维素酯纤维：二醋酯纤维、三醋酯纤维合成纤维杂链纤维聚酰氨纤维聚酯纤维聚氨酯弹性纤维其它：聚脲、聚甲醛、聚酰亚氨等碳链纤维聚丙烯晴纤维聚乙烯醇缩醛纤维聚氯乙烯纤维聚烯烃纤维含氟纤维1.1.2 纤维的分类1.1.2.1合成纤维的分类1.1.2.2涤纶长丝的分类涤纶长丝初生丝未拉伸丝或未取向丝UDY或UOY半取向丝（中速纺丝）MOY预取向丝（高速纺丝）POY高取向丝（超高速纺丝）HOY或FOY拉伸丝变形丝二步法拉伸丝DT纺丝拉伸一步法拉伸丝FDY常规变形丝TY拉伸变形丝DTY空气变形丝ATY1.1.3涤纶长丝的性质和用途1.1.3.1 涤纶长丝的性质涤纶长丝的主要性能如下：1模量：民用涤纶长丝的模量一般不低于80cNdtex ，工业用长丝可达130cNdtex ，同时涤纶的模量具有热稳定性质。2强度：涤纶长丝具有较高的强度（48cNdtex），并且能在95的水中保留73的强度。这能基本满足大多数服装和产业用的要求， 3吸湿性能：在这方面涤纶比较差，在湿空气中的回潮率和水的膨润作用方面都是如此，涤纶长丝的平衡含水率为0.4。4染色性能：涤纶用水溶性染料染色时，染色性能因为涤纶自身缺少亲水基团或染料接受体部位而受到影响。用分散染料或非离子染料染色时效果比较好，但染色条件比较苛刻。5密度：涤纶的密度近于1.38g/cm3。6可燃性：涤纶燃烧时纤维会产生熔化而熄灭。涤纶与天然纤维素的混纺织物比较容易燃烧，燃烧时会产生黄色火焰和浓烟，7玻璃化温度：涤纶干态时玻璃化温度为80左右。此特点有利于进行纱的卷曲变形和织物的定型加工。1.1.3.2 涤纶长丝的用途 涤纶长丝早期主要用于丝绸服装方面，随着各种加工技术的开发、运用，涤纶长丝己扩展到仿毛、仿麻、仿棉等整个衣着领域，并向装饰、产业用等领域发展。1.服装用：涤纶长丝的传统用途是仿丝绸，用于女式衬衣、男女外衣、裙子、睡衣和丝巾等。多孔细旦长丝在变形前加以强捻，可制成柔软的仿丝绸，适用于制作高级连衫裙等；比较粗的变形丝可做成毛型织物，用于制作西装、外衣、领带；混纤丝主要用于制作男式服装、童装和运动衣等。2.床上用品：用作被面、枕套、床单、床罩、蚊帐、台布和絮棉等。3.装饰用：用作沙发布、家具布、窗帘布、窗纱布、贴墙布、地毯、雨披、伞布和汽车内部装饰布等。4.产业用：用作缝纫线、帘子线、运输传送带、帆布、土工布、过滤布、篷帐、网类和绳索等。1.2 涤纶长丝原料（聚酯）的生产我国聚酯的生产起步较迟，初期发展速度慢，在七十年代末期以后才得到迅速发展。我国初期的聚酯生产装置依靠国外成套引进，从八十年代我们开始聚酯纤维的研究工作，并正在组织力量建设配套工程，如原料对苯二甲酸、乙二醇等的生产、聚酯纤维的改性研究、聚酯新产品的开发和工业化、聚酯装置的国产化等。1.2.1聚酯的生产工艺原理 聚酯化学反应过程分为两步，即先反应生成中间产品对苯二甲酸乙二醇酯(BHET)，然后进行缩聚反应生成高分子聚合物，即聚酯产品。1.2.1.1 对苯二甲酸乙二醇酯(BHET)的生产一般厂家采用直接酯化法，即直接用苯二甲酸与乙二醇反应生成对苯二甲酸乙二醇酯的方法，也称之为PTA法。PTA法发生如下反应：HOOCCOOH+2HOCH2CH2OH HOCH2CH2OOCCOOCH2CH2OH+2H2O (PTA) (EG) (BHET) 对苯二甲酸乙二醇酯的生产方法目前还有另外两种（酯交换法和环氧乙烷法），酯交换法、环氧乙烷法和直接酯化法形成聚酯生产的三大工艺路线。1.酯交换法 酯交换法是由对苯二甲酸(PTA)与甲醇(MA)反应生成对苯二甲酸二甲酯(DMT)，然后，再由对苯二甲酸二甲酯与乙二醇进行酯交换得到对苯二甲酸乙二醇酯。由于中间产物对苯二甲酸二甲酯的缩写为DMT，所以也叫DMT法。2.环氧乙烷法环氧乙烷法是对苯二甲酸与环氧乙烷进行反应制取对苯二甲酸乙二醇酯的方法，因为氧乙烷的缩写为EO，所以也称EO法。1.2.1.2 缩聚 经过上述三种方法得到对苯二甲酸乙二醇酯(BHET)后，缩聚反应便可开始进行，其化学反应式如下：nHOCH2CH2OOCCOOCH2CH2OH HOCH2CH2OOCCO（OCH2CH2OOCCO）n-OH +（n-1）HOCH2CH2OH1.2.2 聚酯生产工艺技术聚酯生产的工艺路线主要由酯化和缩聚两个步骤组成。根据实际生产过程控制的参数和设计的思路不同，其中酯化过程可以是一段酯化(一个反应釜)，二段酯化(二个反应釜)或三段酯化(三个反应釜)，缩聚过程可以是一段预缩聚(一个反应釜)，二段预缩聚(二个反应釜)和最终缩聚等几个阶段。目前世界上采用最多的是以吉玛公司为代表的五釜反应流程和以杜邦公司为代表的三釜反应流程。下面就这两种工艺流程简要说明如下：1.2.2.1五釜反应流程 吉玛聚酯技术为二段酯化、二段预缩聚和缩聚(并联两釜)的五釜反应流程，如下图11所示：浆料第一酯化釜第二酯化釜第二酯化釜第一预缩聚釜第二预缩聚釜终缩聚釜1终缩聚釜2图11吉玛五釜反应工艺流程示意图目前世界上采用五釜反应流程的典型公司还有钟纺公司、卡尔费歇公司等。1.2.2.2三釜反应流程杜邦公司聚酯技术为一段酯化、一段预缩和一段终缩的三釜流程，如图12所示：浆料酯化釜预缩聚釜终缩聚釜图12 杜邦三釜反应工艺流程图目前世界上采用三釜反应流程的典型公司还有莱茵公司等。两种聚酯生产技术的比较1.三釜反应流程比五釜反应流程少两个反应釜，因此在工艺流程上就显得比较紧凑，并且反应器的设计思路新颖，结构合理，装置设备、管道较少，投资费用省。2.三釜反应流程反应速度快，物料在反应釜中总停留时间短。如杜邦公司流程中物料总停留时间为2.53.5小时。3.三釜反应流程与五釜反应流程比，在酯化与预缩聚过程中反应温度高，反应压力大，减少了副反应的产生。4.两种工艺流程生产工艺都非常成熟，产品质量比较稳定，都可以在后面接直接纺丝，也可以生产切片供间接纺生产用。1.3涤纶长丝的生产工艺及特点1.3.1涤纶长丝生产主要工艺路线1.3.1.1 POYDTY 长丝生产POYDTY长丝生产路线是指在高速纺速下（纺丝速度为30003600mmin）制得预取向丝(POY)，然后对POY进行加弹、变形等后加工的工艺路线。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，是目前生产变形丝采用最多的工艺路线。POY的后加工速度通常为4001000mmin。这种工艺路线于70年代开始工业化。特点是工艺流程短，生产效率高，基建投资省。1.3.1.2 FDY 长丝生产FDY 是指全拉伸丝。纺丝、拉伸一步完成。它可采用低速生头(纺速9001500mmin)、高速拉伸卷绕(卷绕速度32005000mmin)，两道工序在一台纺丝拉伸联合机上完成。采用FDY路线生产的全拉伸丝不但生产成本低，而且成品质量稳定，毛丝断头少，染色均匀性好，具有很好的服用性能。1.3.1.3其他工艺生产路线1.高取向丝生产工艺高取向丝(HOY)，亦称全取向丝。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55006000mmin。由于大幅度增加了喷丝板拉伸，因此纤维的取向度大大提高；同时由于结晶粒子较大，非晶区的取向度较低，纤维的染色性能比较好。2.高结晶丝(HCY)是在普通高速纺丝纺程上，在纤维凝固集束上油之前，加一段热管，由热空气将丝条加热到玻璃化温度以上(软化点之下)，使凝固后的丝条在卷绕牵引力的作用下得到进一步拉伸的工艺。1.3.2 涤纶长丝的生产特点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，初期速度只有400500mmin，现在已提高到35005000mmin甚至更高。纺丝速度的提高，对工艺技术、设备制作、操作管理等均提出了更高的要求。2卷装容量大。 随着生产速度的提高，长丝丝饼的卷装重量愈来愈大，卷绕丝丝饼的净重从45kg已增至15kg20kg。卷装重量增大后，对高速运转的卷绕头锭子轴的安装校验、丝饼内外层质量的均一性、原丝的退卷性能、丝饼的装箱运输等均提出新的要求。 3对原料质量要求高。 聚酯原料的质量与长丝的可纺性及产品的质量关系十分密切。间接纺考核聚酯切片的质量指标有特性粘数、软化点、二甘醇含量、羧基含量、灰分和凝聚粒子等六项。同时对切片的外观形状、有无炭黑粒子、含水率等提出了很高的要求，尤其是含水率对高速纺丝的影响很大，要求切片的含水量不超过3050ppm，而且要求含量均匀一致。对直接纺而言，对熔体的特性粘数、软化点、二甘醇含量、羧基含量、灰分和凝聚粒子等六项指标要求比较高，重点控制熔体质量的稳定性。 4工艺控制要求严格。 长丝生产中工艺参数的要求十分严格。例如，熔体温度波动不超过土1、侧吹风风速差异不大于0.1m/s。对公用工程的供给也有较高的要求，不能停电、停水、停汽。有些工序需要控制温、湿度，要求采用密闭厂房和双门结构。5要求实行全面质量管理。 长丝生产特点是多锭位的重复作业，现场管理工作的好坏直接影响到长丝产品的质量。为了保证产品质量，必须实行全面质量管理，建立质量保证体系。在生产中实行锭位管理、设备要有专人专机维修保养。在涤纶长丝生产中，按照原料的不同把生产过程分间接纺丝和熔体直接纺丝两种形式。1.3.2.1直接纺的生产特点 熔体直接纺丝指将聚酯装置生产的熔体利用熔体管道直接输送到长丝装置纺丝成形的生产工艺。 在70年代末，聚酯短纤维首先实现了直接纺丝的工业化， 80年代初国内引进高速涤纶长丝生产线，一般都采用的是间接纺丝工艺。在90年代中期以厦门翔鹭为代表的直接纺长丝开始在国内市场上出现，并立刻以质量稳定、产量大、成本低而显出竞争优势。90年代末，国内生产厂家纷纷引进先进生产技术，改进聚酯生产，出现了海南兴业化纤、黑龙江涤纶厂、仪征化纤、佛山化纤、洛阳化纤、辽阳化纤等一批新的熔体直接纺涤纶长丝生产厂。目前，国内新上的长丝生产线大都采用直接纺生产方式。涤纶长丝直接纺丝有以下的生产特点：1工艺流程短，能耗低 间接纺纺丝必须要经过铸带切粒、储存运输、切片干燥、挤压熔融等几道工序以后，才能重新形成熔体进行纺丝生产。而熔体直接纺丝则省去了以上所提到的生产工序，工艺流程也相对缩短。由于无须将熔体冷却和对切片加热熔融，生产过程能耗比较低。2设备投资低，生产成本大大降低。 由于工艺流程的缩短，相对于间接纺生产工序而言，设备种类少，单位产量设备投资也相应减少。同时，纺丝装置和聚酯生产装置联接为一体，相应地减少了生产厂房占地面积。3生产规模大，对管理和技术的要求提高 熔体直接纺长丝可以在1个反应釜后接3到4条直纺生产线，每条线可以达到3236个纺丝位，一般单线年产都在1万吨左右。工艺流程的缩短，生产规模的提高，对电气控制、工艺控制、生产管理提出了更高的要求。直接纺丝装置一般均采用计算机集散控制系统对纺丝过程、重要控制点进行管理，使联锁、联动过程自动进行。直接纺对聚酯和纺丝生产过程稳定的要求比较高，聚酯要保证工艺控制平稳，减少对纺丝的影响，同时纺丝部分需加强生产管理，避免生产的波动影响聚酯工艺的控制。 熔体直接纺丝为了适应生产规模大，工艺控制要求高的特点，生产管理的比较严格。如一个年产量为十万吨直纺长丝生产装置，日产量300吨，一天生产的丝饼近3万只。任何一个丝饼出现质量问题都有可能引起用户的质量投诉，因此对现场管理、锭位管理、产品交接、分析检验、信息反馈等各个管理工序都有管理上的特殊要求。1.3.2.2间接纺的生产特点 熔体间接纺丝是指将聚酯装置生产的切片，经输送、干燥、挤压、熔融成熔体再进行纺丝的生产工艺路线。 自80年代初，国内引进的涤纶长丝高速纺生产线采用的都是间接纺丝工艺。长丝生产厂的规模基本上在5000吨左右。随着涤纶长丝服用性能的研究开发，市场对差别化、异形化长丝的需求逐步增大，间接纺的涤纶长丝厂得到迅速发展，间接纺长丝生产厂的规模也发展到年产一万到两万吨。 熔体间接纺丝生产特点：1生产规模适中，生产稳定，便于管理。我国早期由于长丝工厂的规模不大，很多工厂又无聚酯生产，因此以切片纺丝的居多，各生产厂家可根据自身情况决定生产规模。2间接纺灵活多变，适应市场变化能力强。间接纺的生产品种和负荷的调整比较容易。间接纺丝都是单线独立，可以按用户要求灵活地组织生产阳离子可染、大有光、色丝等差别化长丝时。间接纺丝完全可以在品种灵活、生产多变等方面建立自己的市场地位。3间接纺丝必须要经过铸带切粒、贮运、切片干燥、挤压熔融等几道工序以后，才能重新形成以聚酯熔体进行纺丝生产，因此相对直接纺长丝而言成本较高。 1.4 差别化长丝生产1.4.1化学改性纤维的生产从90年代初开始，人们通过对高分子结构的改性并辅之以相应的纺丝工艺，改变涤纶的超分子结构，从而改善其染色性能和纤维物理性能。其中，开发最为成功的是阳离子染料可染性涤纶。其改性方法是：在原有的对苯二甲酸二甲酯和乙二醇两种单体之外增加少量的3、5间苯二甲酸二甲酯磺钠(SIPM)作为第三单体，使改性后的高分子链中增加了可以作为阳离子染料染座的磺酸基团，使之成为阳离子染料可染(CDP)纤维，大大改善了涤纶的染色性能。1.4.2物理改性纤维的生产1.4.2.1细旦纤维 细旦纤维的研究开发是从涤纶长丝开始的。最初的成果是涤纶长丝的碱减量方法，这种方法在降低涤纶长丝纤度的同时，改善了涤纶仿真丝织物的光泽、手感和悬垂性。在60年代中期，可以采用常规熔纺法稳定生产单丝纤度为0.41.1dtex的细旦涤纶长丝。目前最细的超细旦纤维单丝纤度已能达到0.001dtex。1.4.2.2三异纤维所谓三异纤维是指异纤度、异收缩和异截面纤维。异纤度就是采用纤度不同的单丝组成复丝；其中较粗的作为芯丝可提供足够的强力、刚度、弹性及挺括性，较细的纤维可作为皮层提供柔软的手感及蓬松性；异收缩是利用不同单纤之间的收缩率差异，在后处理之后，织物结构紧密，而纱线中部分收缩率低的丝（单丝）产生松弛、蓬松、浮凸，使织物形成多层次的纱线结构和有凹凸感的效果；异截面就是采用圆形、三角形、三叶形、五叶形或六角形等各种截面形状，使得成纱内部稳定蓬松、外观光泽柔和、自然，并可追求某种特殊的外观(光泽)效应。三异纤维以通过复合纺丝技术或混纤复合技术制得。 1.4.2.3高（低）收缩纤维高（低）收缩纤维主要通过纺丝工艺的调整来获取。在特定的工艺条件下，其超分子结构与常规纤维存在很大差异，结晶度低，无定形区含量高，沸水收缩率可达2040，有的甚至可达6080。高收缩纤维广泛用于服用面料和工业领域，如电缆线的包覆材料等，产品附加值大大高于普通纤维。1.4.2.4 远红外纤维 远红外纤维是近年来已经形成市场开发热点的功能性纤维，其主要技术思路是在纤维纺制时掺入少量陶瓷粉(主要为金属氧化物，如二氧化钛、二氧化锡等)，这些添加材料在吸收了人体或外界的热能辐射后，通过分子的能级跃迁而释放出波长范围在2.530um的远红外线，而其中与生物生长密切相关的414um波长范围的远红外线，可引起人体表面细胞分子的共振，从而激活人体表面细胞和促进入体皮肤表面微血管的血液循环，达到保暖、保健、促进新陈代谢的功效。1.4.2.5抗菌纤维以共混改性方式制取的抗菌纤维与普通的以后整理方式制取的抗菌纺织品相比，具有抗菌效果持久的特点。这类抗菌纤维开发中的关键技术在于抗菌剂的选择，并且由于抗菌剂的加入，使共混改性的聚合物的流变性发生变化。1.4.2.6抗静电纤维 抗静电纤维的制取可有多种方法，以共混方式制备抗静电纤维的主要有两种：(1)用导电粉末材料与高分子共混纺丝；(2)采用复合纺丝技术，使复合纤维中的某一组份因掺入导电粉末材料而带有导电或抗静电功能。抗静电纤维有较高的产品附加值，目前是差别化纤维的开发热点。1.4.2.7阻燃纤维 阻燃纤维是目前国际上应用比较广泛的功能性纤维。美欧和日本等都已通过法律严格规定在公共场所和医院使用的纺织品甚至一些家用纺织品（如装饰织物）都必须使用具有阻燃功能的纤维或织物，目前大多数的阻燃纤维仍以共混改性方法获得。1.4.2.8 热敏纤维 利用某些热敏材料与成纤高聚物共混纺丝，可以制取随温度变化而显现不同色彩的热敏纤维，这种功能性纷纷具有良好的市场开发前景。1.4.3其他差别化纤维的生产差别化纤维近年来得到飞速的发展，如三维卷曲纤维是利用两种具有不同收缩性能的聚合物通过复合纺丝技术并配以特定的冷却成形工艺，在拉伸后由于收缩率的差异而形成自然卷曲的方法制成的。随着环境保护的日益重要，还开发出了新型环保型纤维，如Lyocell纤维、聚乳酸纤维、甲壳素纤维、玉米纤维等。1.5 长丝的质量指标1.5.1涤纶长丝的物理指标 1.线密度(即纤度)：线密度是表示长丝粗细程度的指标，用分特(dtex)表示。10000m长纤维的重量（克数）称为分特数。也有用特数(tex)表示，1特等于10分特。 长丝一般由一定数量的单丝组成，所以长丝的纤度包含两层意义。一是复丝的纤度，二是单丝的纤度。例如167dtex36f，表示长丝的复丝纤度为167dtex，纤维共由36根单丝组成，单丝的线密度为4.64dtex。 2.断裂强度：纤维被拉伸到断裂时所承受的负荷称为断裂强度，一般用相对断裂强度表示，它的计量单位为(cNdtex)。有时也用绝对断裂强力(cN)表示。 断裂强度是反映长丝质量的一项重要指标。断裂强度高，表明丝在加工过程中不易断头，最终做成的纱线和织物的强力也高。3.断裂伸长率：纤维被拉伸到断裂时伸长的程度称为断裂伸长率，即纤维断裂时增加的长度与原来长度的比值。一般用百分数表示。4.条干不匀率：条干不匀率是一种反映长丝长度方向上的质量均匀程度的指标，用CV值(变异系数)或U值(Uster)表示。5.沸水收缩率：一定长度的长丝放在沸水中煮沸规定时间后，其收缩的长度与原来长度的比值称为沸水收缩率。一般用百分数表示。 沸水收缩率是一种反映长丝热定型程度和尺寸稳定性的指标。6.染色均匀性： 染色均匀性是长丝的一项重要品质指标。染色后，长丝的吸色均匀程度，一般将长丝试样织成袜筒，染色后，观察各段吸色均匀情况，对照标样进行评级。 7.含油率：含油率是表示长丝含油多少的指标，在加工过程中，长丝上油可使纤维具有平滑性、集束性、抗静电性。8.网络度：表示l米长的长丝内有效网络点的个数。长丝加网络，主要是为了改善长丝的退绕性能。 除了上述指标，有些用户还对线密度偏差率、线密度变异系数、断裂强度变异系数、断裂伸长率变异系数等指标也要求控制。 随着长丝生产技术的进步，工厂为了控制成品和半成品的内在质量，往往还自行加测各种内控指标，如测定丝条伸长变化的热应力(采用动态热应力仪)、上油均匀度、连续测定长丝染色均匀度(采用TYT仪)等。1.5.2涤纶长丝的外观指标 外观指标均用目测方法检验，需逐个丝饼进行定等。涤纶长丝的外观指标很多，如毛丝、油污丝、尾巴丝、僵丝、伴丝、成型不良等。1.6主要原材料的质量要求1.6.1聚酯熔体1.6.1.1特性粘度与平均分子量在熔体的质量指标中，熔体特性粘度是一个比较重要的质量指标。因为特性粘度与产品平均分子量的大小和分子量分布密切相关。实践证明，聚酯分子量分布窄且平均分子量较高时，对纺丝有利。若聚酯分子量太高，则大分子链太长，难以展开和伸直，要使分子取向所需的力也大，并有可能导致不完全取向。但分子量太低，则大分子链短，在喷丝孔挤出和拉伸时，在张力下易产生断裂。聚酯的分子量在很大程度上决定着纤维的性能，同时对纺丝工艺条件的选择也有很大的影响。最佳的分子量范围应选择在对纺丝工艺条件和产品质量最不敏感的区域。工业聚酯的特性粘度随不同的后加工产品有不同的要求。纤维级聚酯的特性粘度一般为0.67。1.6.1.2二甘醇(DEG)含量聚酯产品中二甘醇是聚合反应过程中的副产物，大多在酯化阶段生成。聚酯中二甘醇的含量，实质是指它的的醚键含量，因为二甘醇中的醚键能够改变聚酯大分子中的乙二醇链段，使大分子中的醚键增多。由于醚键为亲染料基团，聚酯产品中存在二甘醇可增加聚酯纤维的上色率(聚酯大分子中本身含亲染料基团极少)。同时，由于醚键的存在在一定程度上破坏了大分子整齐排列的规整性，并且由于醚键的极性好，熵值高，从而使聚酯的熔点降低、结晶困难，相应的纤维强度降低，最终使纤维的使用性能变差。一般认为适当高二甘醇的含量对聚酯纤维的染色性有益处，但过量的二甘醇含量不仅影响聚酯产品的熔点而且影响纤维的使用性能。二甘醇含量一般要求大于1.4。1.6.1.3熔点聚酯熔点是设定纺丝温度的一个重要依据，纯聚酯（PET）的熔点为267，工业生产中的PET的熔点略低，这是由于在酯化和缩聚过程中因副反应而生成较多的二甘醇，致使PET分子结构中生成了醚键，破坏了分子结构的规整性，降低了分子间作用力的缘故。总的说来，PET熔点随产品中二甘醇含量的增加而降低。纤维级PET熔点一般要求高于259。当熔点波动较大时，熔融时纺丝条件亦需作适当调整，所以，稳定的PET熔点对稳定纺丝工艺相当重要。熔点的控制在于波动范围要小，生产过程要控制平稳。1.6.1.4端羧基含量端羧基(-COOH)是表征熔体质量的一个重要指标，端羧基的来源有两种，其一，从预聚物中带来的端羧基，其二，聚合过程中热降解和热氧化降解等副反应产生。端羧基含量的高低直接影响聚酯产品的热稳定性，并影响纺丝后加工。理论认为端羧基的存在对纺丝不利，端羧基的含量越低越好，通常纤维级聚酯一般要求端羧基浓度小于30 mol/t，长丝要求端羧基含量低于27 mol/t。1.6.1.5凝集粒子凝集粒子指聚酯熔体的凝聚粒子、凝胶粒子、碳化粒子及其它杂质性的粗大粒子。所谓凝聚粒子是指生产过程中由加入了二氧化钛粒子，形成少量的絮棉体和胶凝体以及少量未得到充分粉碎的粗大二氧化钛粒子。凝胶粒子产生的原因是粘度较高的反应物粘附在反应器顶部、抽真空管线内壁、搅拌轴端部等地方，随着滞留时间的延长，发生降解或热氧化降解产生凝胶垢层。发生较大的液位波动、流量变化、温度变化或真空度变化时，则垢层会从器壁上剥离下来混入PET熔体中。纤维级熔体要求粒径大于10um的凝聚粒子含量低于0.4个毫克。1.6.1.6色值聚酯产品一般用亮度L和色度b来表征色相，PET熔体泛黄的主要原因是反应过程中发生了热降解和热氧化降解，使大分子内含有发色的乙烯酯基；另外，导致PET熔体泛黄的另一个原因可能是催化剂浓度过高，因为催化剂会使高分子链发生热降解反应。聚酯产品的色泽与生产原料如对苯二甲酸、二氧化钛，回收乙二醇等有关。1.6.1.7其它质量指标铁含量：铁含量反映了装置的腐蚀和机械异物的情况，同时，PET中铁含量过多，会使纤维发黄，影响纤维及纺丝的质量，铁含量指标值一般应低于3ppm。灰分：表征PET熔体中的杂质含量，这些杂质多指无机物，其来源主要是缩聚工序的催化剂分解而成的金属氧化物及生产过程中带入的机械杂质。二氧化钛含量：在聚酯中加入二氧化钛的目的，主要是为了消除其耀眼的光泽，它除了使纤维不透明外，还降低了纤维的反光和闪烁现象，故称为消光剂。所用二氧化钛含量视用户的要求有不同的指标，实际生产过程中控制要点是在于二氧化钛量的稳定，偏离中心值的差距尽可能小。这是因为，二氧化钛的存在会影响纤维及纺丝的结晶性能， 从而使后加工热处理等操作困难。一般半消光PET中的二氧化钛含量要求控制在中心值0.320.05(质量)范围内。1.6.2切片切片质量指标除了上面熔体质量指标中介绍的以外，还有以下两个指标1.6.2.1切片尺寸 要求切片粒子的尺寸均匀，超大粒子和粉末含量尽量少，以防止切片在输送、干燥、纺丝过程中的异常。1.6.2.2 水分含量干切片的含水率的标准为0.4，切片含水率高，不利于干燥，增加纺丝工艺控制难度。1.6.3 纸管POY和FDY纸管质量要求，尺寸在规定的控制范围以内，纸管身表面无皱纹、无裂缝、无毛刺、无气泡、无污点。纸管身端面光滑无裂缝。表层纸色泽均匀、不褪色、接缝压缝符合要求。夹丝槽均匀无带刀、二刀现象。1.6.4 油剂POY油剂：要求具有一定的平滑性、集束性、抗静电性，而且性质稳定、调配好的乳液稳定。FDY油剂：要求有一定的平滑性、集束性、耐高温性能，FDY油剂的发烟要少，调配好的乳液稳定。第二章 熔体纺丝工艺原理熔体纺丝是合成纤维生产的一种典型生产工艺，它主要包括：纺丝熔体的形成、熔体从喷丝孔内挤出、丝条的拉伸、冷却固化、丝条的上油和卷绕成型。在纺丝过程中，熔体从喷丝孔挤出并形成细流，在空气介质的冷却和纺丝张力的作用下，熔体细流不断被拉伸变细，粘度不断增大，温度不断降低，最后凝固成初生纤维，再经上油后卷装成丝饼。熔体纺丝理论是在高分子物理化学和流体力学等学科的背景下发展起来的，涉及的问题比较广泛，它包含了纺丝过程中的动能及热量的传递；流动和形变下的大分子行为；连续单轴拉伸、结晶和冷却条件下的大分子取向；高聚物的结晶动力学；受纺丝条件影响的纤维形态学等。本章我们根据涤纶长丝的生产工艺重点介绍熔体纺丝的成型工艺原理。21 高聚物的基本性质211 成纤高聚物的基本要求对于一般成纤高聚物而言，一般要具有形成纤维的能力，而且形成的纤维要有一定的性能（包括纤维的强度、形变性质和热性质等）和实用价值。因此，用于纺丝的化学纤维，所采用的高聚物都必须在熔融时不分解，具有充分的成纤能力。纺成的纤维具有足够的强度，同时保证成品纤维具有一定的综合性能。对成纤高聚物性质和结构特性的要求，一般有下面几点：1成纤高聚物大分子必须具有线性的结构，即没有明显的支链和大的侧基。2在高聚物分子链上有极性基团。因为极性基团决定了大分子和溶剂的相互作用、大分子之间的相互作用、相转变温度以及纤维的一系列其它性能如亲水性、吸湿性等。3高聚物分子链具有最合适的柔性。因为柔性决定了高聚物的可溶性、熔体或溶液的粘度、结晶能力的大小等。4高聚物应具有相当高的分子量。特定的分子量大小，决定可能制得合适的熔体粘度。平均分子量越大，制得纤维的强度越高，但同时应有相对均匀的分子量分布，即不含特别低和特别高分子量的部分，以保证纤维强度在必要的范围内。5高聚物应具有一定的化学和空间结构的规整性。使之有可能形成最佳超分子结构的纤维。为了制备具有优良性能的纤维，高聚物必须具有形成非晶态晶态结构的能力。6非晶态高聚物的玻璃化温度（Tg）应该高于使用温度。因为Tg决定纤维的极限热稳定性。在玻璃化温度低的情况下，则应具有较高的结晶度。7高聚物的熔融温度或软化温度应该大大地高于使用允许的温度。 8高聚物应该具有一定的热稳定性及介质稳定性，保证纤维的加工性和使用性。212 高聚物的热性质与热转变高聚物的运动单元具有多重性，在不同温度下能表现其各自的特性。因此，高聚物的物理性能是温度的函数，而且在热机械曲线上有两个转折温度，一个是Tg，另一个是Tf；Tg是玻璃化温度,可理解为高聚物的链段运动被冻结或被解冻而开始运动的温度，Tf是高弹态转变为粘流态的温度称为粘流温度。Tg与Tf之间的高聚物形态是高弹态，它是高聚物特有的固体聚集态。2121 玻璃化转变与玻璃化温度高聚物的玻璃化转变是高聚物的链段运动被冻结或被解冻而引起的聚集态的转变。在转变区比热、比容、弹性模量、折光指数、强度等性能都要发生明显变化。高聚物玻璃化转变是连续的，但比容对温度曲线的斜率不同，在Tg处出现拐点，这就是玻璃化转变的特征。链段的运动受分子的内旋转和分子间作用力的影响，链段的长短可作为柔性的度量，因此，玻璃化温度可进一步理解为这样一个温度，在这一温度下，其动能足以克服链段间的吸引力而使链段发生内旋转，可见，凡是影响柔性和分子间作用力的因素都会影响玻璃化温度。2122 影响玻璃化温度的因素1分子量对Tg的影响当分子量较低时，Tg随分子量增加而增加。当分子量达到某一临界值时，Tg不再随着分子量改变。产生这种现象的原因，是由于在每个链分子的两端各有一个链端链段，这种“链端链段”的活动能力比链中间的其它链段要强，分子量愈小，链端链段占的比例愈大，所以Tg也就愈低。随着分子量增加，链端链段占的比例就减小，所以Tg升高。当分子量增大到一定程度后，这种链端链段占的比例就很小，因此Tg不再随分子量变化。2主链结构对Tg的影响主链结构为CC；CN；SiO；C0等单键的非晶态高聚物，由于分子链可以绕单键内旋转，链的柔性大，所以Tg较低。特别当主链中含有C0、SiO及CCC链节时，由于这种单键的内旋转活化能比一CC单键的内旋转活化能低，所以Tg也低。当主链中含有苯环、萘环等芳杂环时，使链中内旋转的单键数目减少，键的柔性下降，因而Tg升高。3侧基对Tg的影响当侧基为极性基团时，由于使内旋转活化能及分子间作用力增加，因此Tg升高，若侧基是非极性基团，则其影响主要是空间阻碍效应。侧基体积愈大，对单键内旋转阻碍就大，链的柔性下降，所以Tg升高。但是如果侧基本身内旋转位垒较小，则侧基不但不使主链柔性下降，反而随着侧基体积增加而导致Tg上升。4共聚对Tg的影响共聚物的Tg介于两种（或几种）均聚物的Tg之间，并随其中某一组分的含量增加而呈线性或非线性变化。如果由于与第二组分共聚而使Tg下降，称之为“内增塑作用”。因此，利用共聚的方法可以改变高聚物的Tg。5增塑对Tg的影响添加某些低分子组分使Tg下降的现象称为外增塑作用。所加低分子物称为增塑剂。一般增塑剂分子与高分子具有较强的亲和力，它能使链分子间作用力减弱，因此Tg下降。6交联作用的影响交联属于化学键，其键能较大，将妨碍链段的运动，因此Tg升高。交联点密度愈高，Tg增加愈厉害。7结晶作用的影响结晶高聚物中含有非晶态部分，因此仍有玻璃化温度。但是由于微晶的存在使非晶态部分的链段活动能力受到牵制。因此，结晶高聚物的Tg要高于非晶态同种高聚物的Tg。例如，聚对苯二甲酸乙二酯，其无定型时的Tg为69，而结晶聚对苯二甲酸乙二酯（结晶度约50）的Tg为81。高聚物的Tg随着结晶度的增加而增加。8测定条件对Tg的影响在实际测定高聚物的玻璃化温度时，随着冷却速度的不同，测定的同一样品的Tg是有差异的。冷却速度愈快所测得Tg也就愈高。2123 粘流温度及其影响因素高聚物由高弹态转变为粘流态的温度称为粘流温度（Tf）。一般低分子物在温度升高时，从固体变为液体，体积膨胀，在体系内产生很多孔穴。低分子物流动时，相当于一个分子通过前面的一个孔穴，从一处跃迁到另一处，因此这个孔穴至少应具有能容纳一个分子的大小。而高分子流动时的孔穴不一定要象整个高分子那么大，只要有链段那么大就可以了。因为高分子链的流动是通过键段分段位移的。因此高分子链的柔性愈大，链段愈短，就容易穿过孔穴实现流动。如果高分子链是刚性的，其链段很长，则要使体系产生较大的孔穴才能流动。温度高，分子热运动的动能大，产生的孔穴也大；温度低，分子热运动的动能产生的孔穴也小。因此，分子链的柔性影响粘流温度，柔性愈大，粘流温度愈低。粘性流动时高聚物分子与分子间的相对位置要发生显著变化。如果分子间作用力很大，则需要较高的温度才能克服分子间的作用力而产生相对位移，如果分子间作用力较小，只需较低的温度就能产生分子间的相对位移。分子间作用力的大小影响粘流温度的高低。玻璃化温度是高分子链段开始运动的温度，粘流温度是整个高分子链开始运动的温度。因此，分子量对粘流温度的影响要比对玻璃化温度的影响大得多，分子量愈大则粘流温度愈高，因为分子量大其内摩擦阻力也就大，而且分子链还比较长，分子链本身的热运动阻碍着整个分子向某一方向运动，所以分子量愈大，分子链的位移运动愈不容易进行，粘流温度也就愈高。213 高聚物的结晶性能 高聚物的长链分子在分子间力的作用下，部分区段的原子或原子团能以一定的点阵结构规则地排列起来，形成结晶区。而另外一些区段常常未能取得应有的规则排列，这部分叫做非晶区。通常大多数高聚物形成纤维都是由结晶区和非结晶区两部分组成。成纤高聚物结晶性能的好坏通常与分子链结构和它的成形历史有关。2131高聚物的结晶条件1高聚物的结晶条件能力和分子结构的关系（1） 高分子链的形状和分子量对结晶能力有较大影响，高聚物的结晶过程是高分子链进行三维有规则排列的过程，这首先要求高分子链具有柔性，因此高聚物的结晶作用只发生于线型、支键型及交联程度不高的网状结构高聚物内。交联程度较高的体型结构高聚物由于其分子链已没有什么柔性，因此根本不能结晶。支链型高聚物由于支链的存在，使分子链的规整性降低，不易进入晶格，因此结晶度一般都较低。分子量的高低对许多高聚物的结晶速率有显著的影响。在相同的温度下，分子量越低，结晶进行得越快：分子量低的部份其结晶性大于分子量高的部份。为了得到同样的结晶度，分子量较高的高聚物一般需要较长的热处理时间以助其结晶。（2） 高分子链的化学结构越简单，链节的对称性越高，取代基越小，就越容易结晶。因为结晶过程是分子链规则排列的过程，结晶时分子链力求形成紧密堆砌结构，如聚酯的化学结构既规则又对称，是结晶性高聚物。（3）分子链间作用力大，有利于结晶。分子链之间作用力大则有利于分子链结合紧密，有利于结晶进行。例如，具有较强极性基团的聚酯、聚酰胺等都有较大的结晶度。2高聚物结晶的外部条件。如上所述，不是所有的高聚物都能结晶，只是长链分子结构规整的、对称性好或没有大的侧取代基的高聚物才能产生结晶。这是一个高聚物要形成结晶的必要条件，但还不是充分条件。要使一个能够结晶的高聚物真正获得结晶，还需要有外部条件，即温度和时间等。温度是影响结晶过程的最重要的外在因素，因为高分子链由无规则排列转变为有规则排列只有在链段可以活动的情况下才能实现。结晶性高聚物结晶温度必须高于它的玻璃化温度，但不能高于熔点。在玻璃化温度以上至熔点以下这个温度范围内，结晶速率有一个最大值，高聚物的结晶过程分二个阶段，一是晶核生成过程，二是晶体长大过程。若温度在熔点以上，由于分子的热运动，使晶核不能产生，就是生成了晶核，也会被分子的强烈运动所破坏而不能稳定存在。若温度低于玻璃化温度，虽然晶核生成的速度较大，可是由于体系的粘度太大，分子重排需要很长时间，晶核增长的速度非常小甚至不能增长。因此只有在适宜的温度下，晶核的生成和晶体长大的速率都适当时，总的结晶速率才达到最大值。一般说来，高聚物最大结晶速率的温度范围在其熔点以下一、二十度到几十度。2132 高聚物的结晶过程人们从X光衍射图中得知，在高聚物结晶中，结晶区和非晶区是共同存在的。微小的晶体是随机地排列在无定形区里，高聚物结晶是无规取向的。1957年人们发现了单晶，实验证明大分子链和单晶是垂直的。分析认为大分子链要排到单晶中去是采取折叠形式的。因此理想的高聚物结晶过程是这样描述的：首先，由几个高分子链聚集在一起组成链束，链束的长度比高分子链长，仍具有柔性，可以弯曲。链束可以是晶相的，也可以是非晶相的，在适当的条件下，非晶相的链束可经过一定的分子重排使其规整而成为晶相的链束，链束细而长，表面能很大，很不稳定。为了降低表面能或尽可能缩小表面能，它本身能自发折叠成为表面积最小、链间作用力最大的一种折叠链链带，链带为了进一步降低表面能，又自动地堆砌成薄状的晶片，片与片之间再进一步堆砌成各种形状的晶体。如果将高聚物从熔融体冷却结晶，在电子显微镜下可观察到高聚物的结晶为球晶结构，因为在熔融状态下不允许结晶按理想的过程进行，晶片来不及叠成晶体。为了减小表面能，往往形成一种球状的多晶聚集体，这就是球晶。球晶是由许多晶片围绕着晶核以放射状增长的，它的直径可达几十到几百微米，它比单晶体薄片的厚度厚一百倍左右。球晶不一定都是球形的，也可以是多面体。因为晶核四周的晶片在增长的过程中还会发生碰撞或者几个晶核混在一起的情况，这时所产生的球晶则是个多面体。2133 结晶对高聚物性能的影响结晶的结果使分子链更加紧密地聚集在一起，因而增强了分子之间的作用力，致使高聚物的强度、硬度、密度、耐热性、抗溶剂性和耐气体渗透性等有所提高。同时使链与链段的运动受到很大限制，因而使高聚物的高弹性、断裂伸长、抗冲击性能等有所降低。对于成纤高聚物来说，结晶度的大小及结晶能力是非常重要的。玻璃化温度高于室温的半结晶高聚物如聚丙烯晴、聚己酰胺、聚对苯二甲酸乙二脂等，通常结晶度为4070时，具有最合适的综合成纤性能和使用性能。降低高聚物的结晶度则会损坏纤维的机械性能。当然，成纤高聚物的结晶能力也不是越大越好；对于聚酯、聚丙烯等采用熔体纺丝法加工的高聚物，如果切片的结晶度过高就不易熔融，不利于纺丝过程的进行。如果初生纤维结晶度过高，其后拉伸能力就减小，所得纤维的性能往往较差。214 高聚物的取向性能 高聚物的取向是化学纤维在制造过程中的一个重要的特征。通过取向能提高高聚物材料的强度，同时也能改变纤维的结构和性能。高聚物分子链受到垂直于取向方向的分子间范德华力和平行于取向方向的分子内原子化学键力的作用。一般化学键力的作用要明显大于范德华力的作用。 表征高聚物分子的取向时，一般用取向度来表示。取向度的测试一般采用双折射法。高聚物分子链中的化学键在光波电场的作用下会发生极化，而极化的结果又导致了光的行进速度受到影响。一般光在某个介质中的行进速度用折光指数来度量，其大小和极化率有关。因此可以用折光指数来表征高聚物分子的取向度。 有关高聚物的取向机理我们将在纤维成形过程中的取向一节中进行相关的描述。215 高聚物的力学性质2151 非晶态高聚物的力学状态（a）（b）（c）（d）图21 非晶态高聚物的温度形变曲线a玻璃态 b玻璃化转变区 c高弹态 d粘弹转变区 e粘流态（e）TgT将一定尺寸的非晶态高聚物在一定应力作用下（拉伸、压缩或剪切），以一定速度升高温度，同时测定样品形变随温度的变