新型化学纤维省公开课一等奖全国示范课微课金奖课件

第八章新型化学纤维性能及生产一、Lyocell纤维（一）概述莱塞尔（Lyocell）纤维是当前已实现工业化生产使用有机溶剂法再生纤维素纤维，它是以季铵类氧化物N－甲基吗啉－N－氧化物（简称NMMO）为溶剂，将纤维素浆泊溶解后进行纺丝而成。工艺流程简单，生产周期短：粘胶纤维和Modal纤维：40h；Lyocell：3h生产中不污染环境：溶剂回收率99.9%原材料消耗少：粘胶纤维：1.73～2.50t烧碱等化工料/t纤维Lyocell纤维：0.05～0.08tNMMO/t纤维原料丰富：木材、棉短绒、甘蔗渣产品：棉舒适性、涤纶强度、粘胶纤维悬垂性、蚕丝般手感

第一节新型再生纤维素纤维第1页（二）Lyocell纤维结构及性能1．Lyocell纤维结构分子结构

纤维素，聚合度400～700（生产过程物理过程，木浆纤维素结构没有被破坏，聚合度较高→纤维强度较高）形态结构皮芯层结构；截面（椭圆形或圆形）；纵向（光滑均一）聚集态结构

高结晶（Lyocell63.9%，粘胶40%）且晶粒较大（使纤维弹性模量、刚性、脆性及织物尺寸稳定性提升）、高取向（Lyocell双折射率0.05～0.07；粘胶0.02）第2页2．性能第3页机械性能——强度：较高（原因：纤维素不降解、结晶度高、取向度高）湿强≥80%干强→生产高支轻薄纱线织物——伸长：较低，→→织物水洗后变形小——初始模量和湿模量：较高→织物尺寸稳定性↑、抗皱↑——勾结强度：较大沸水收缩率较小（Lyocell2.68%；粘胶4.09%）——原因：Lyocell结晶度较大，晶粒较大对碱溶液稳定性较高→丝光处理吸湿膨润性吸湿膨润异向特点（径向40%，轴向0.03%）纺丝牵伸诱导结晶→原纤结晶化沿纤维轴向排列→轴向结协力↑；径向力↓→层状排列→湿润下→分子进入无定形区→大分子链间横向结合被切断→分子间距加大→纤维变粗较高径向膨润率→织物湿加工困难较低纵向膨润率→在湿加工后尺寸稳定性好舒适性回潮率↑、保水率↑→人出汗时吸收汗液↑→热传导能力和汗湿汽传导能力↑→当人体蒸发汗液和热量被织物吸收后，又能很快从织物表面扩散出去→人体感到清凉第4页（三）Lyocell纤维原纤化原纤化定义湿态下纤维与纤维或与金属等物体发生湿磨损时，原纤沿纤维主体剥离成为直径小于1～4μm巨原纤以及进而裂为愈加细小微原纤过程原纤化结果微小细原纤部分脱离纤维主体→纤维或织物多毛→染色后：无光、可洗烫性差Lyocell纤维与原纤化——纺丝过程：干湿法纺丝→纤维皮芯结构（皮层结构致密且较薄；芯层结构疏松且较厚）→原纤化——水溶胀作用纤维轴向有排列规则微孔（直径15～30nm）→水溶胀↑纤维较高结晶度和取向度，而微纤间横向结协力较弱→湿润下→非晶态或无定形态纤维素吸收相当于本身重量几倍水而膨胀伸长→部分氢键被破坏→结协力减弱→因为连续摩擦及振动→原纤从纤维表面分离出来→原纤化原纤化控制——纤维制造阶段：纺丝中加入交联剂+调整纺丝工艺参数+对纤维进行处理——染整阶段：机械控制+纤维素酶处理+交联处理——染色交联：选取多官能团染料（活性染料）原纤化应用仿桃皮+仿麂皮第5页（四）Lyocell纤维生产工艺控制及主要设备

Lyocell纤维生产工艺流程第6页1．工艺控制原料准备——浆粕：木浆或棉浆，纯度大（α纤维素96.5%～99%），聚合度小（650～700：纤维素降解不显著）——溶剂：NMMO（含水4.5%～19%）纺丝液制备——纤维素溶解：浆粕+NMMO+水→90～125℃，2h→黏稠溶液（纤维素15%～18%，黏度700～750Pa·s）——过滤脱泡纺丝干喷湿法纺丝，即经过空气夹层湿法纺丝。Lyocell纤维纺丝拉伸装置示意图1—原液罐2—计量泵3—喷丝头组件4—空气夹层5—凝固浴6—导丝辊7—水洗浴8—卷绕辊第7页——喷丝孔孔经及长径比：0.10～0.15mm，长径比↑→纺丝流体在喷出前取向↑→拉伸↑——气体夹层高度：拉伸和轴向变形主要区段。30mm；高度↑↑→纺丝线液流段太长→断裂——凝固条件：凝固浴浓度：50%NMMO（浓度↑↑→双扩散速度↓↓→凝固速度↓↓；浓度↓↓→表层凝固↑↑→妨碍双扩散→内层凝固速度↓↓）凝固浴温度：15℃——拉伸倍数：7～12，主要在气体夹层区，拉伸倍数↑↑→纤维双折射率↑↑→断裂强度↑↑——纺丝速度：40～50m/min，纺丝速度↑↑→产量↑↑纤维后处理及后加工Lyocell纤维凝固后，经过水洗、上油、干燥、卷曲、切断、打包就可出厂。溶剂回收第8页

2．Lyocell纤维生产设备.由制浆机、薄膜蒸发机组成纺丝液制备体系1—称重传送皮带2—电动机3—转子4—物料进口5—加热介质进口6—旋转叶片7—供热夹套8—水蒸气排出口9—浓浆排出泵10—浓缩浆粕悬浮液11—接收器12—加热介质出口13—内壁14—分配环15—进口16—水蒸气排出口B，B’—造纸制浆机C—薄膜蒸发机D—薄膜蒸发机（注：图中省B、B’轮番使用）第9页二、竹纤维（一）概述定义以大自然速生常青植物竹子为原料生产纤维。分类原生竹纤维和再生竹纤维。——原生竹纤维：竹原纤维、天然竹纤维——常采取竹子碾平、扭转、梳理，而后再对竹纤维脱胶、去除糖分、脂肪、消毒、晾干而成，它保留了竹子抗菌、除螨、清热、解毒特征和天然清香——机械、物理过程——再生竹纤维：竹浆纤维、竹粘胶纤维——竹子→竹浆粕→化学改变→纺丝→后加工第10页（二）再生竹纤维结构——化学成份：纤维素81.5%、木质素10.1%、半纤维素、脂蜡质、杂质——形态：纵向（光滑、均一，多条浅沟槽）截面（圆形，边缘为不规则锯齿形，多孔隙）——超分子：结晶度31.6%、聚合度280、取向度0.023性能——强度较低、伸长度较大：结晶度↓、取向度↓、吸湿↑→强度↓、伸长度↑——卷曲性能好、可纺性好——抗菌、抑菌、防紫外线性和保健功效：竹醌（抗菌、抑菌）；竹蜜和果胶（皮肤保健）；紫外线透过率几乎为零——很好吸湿性、透气性：羟基、横截面高度中空——很好染色均匀性：羟基——生物降解性：微生物（二氧化碳+水）——其它良好性能：良好悬垂性，耐磨性，光泽亮丽，不易褪色，丝质感觉，手感柔和、光滑。第11页生产工艺竹纤维生产类似于粘胶纤维等再生纤维生产，即先将竹子制成浆粕，再纺丝而成。——浆粕生产：竹子（纤维素40%～50％，木质素20%～30%）→预水解—碱煮法或二次蒸煮法→竹浆粕（纤维素81.5%，木质素10%）——纺丝、后处理及后加工：与普通粘胶纤维基本相同浆板→浸渍→压榨→粉碎→老成→磺化→研磨→溶解→过滤→脱泡→过滤→纺丝→牵伸→切断→后处理→干燥→打包第12页三、Modal纤维Modal纤维是奥地利兰精企业生产，它是由木浆粕制造而成新一代再生纤维素纤维，含有环境保护性，使用后可生物降解处理。其轻柔、滑糯，有丝光泽且吸湿透气性好，染色均匀，色牢度好。其干强、湿强优于传统纤维素纤维，可纺细号纱。Modal纤维结构Modal纤维属于再生纤维素纤维，由纤维素大分子组成。Modal纤维采取高湿模量粘胶纤维制造工艺，从其性能看它属于改变型高湿模量纤维。Modal纤维成形时，粘胶中有变性剂，凝固浴中ZnSO4含量较高，故Modal纤维截面为圆滑皮芯结构，皮层厚度大于普通粘胶纤维。Modal纤维属于皮芯纤维，含有与超强力粘胶纤维近似皮层结构，而其芯结构则与波里诺西克纤维比较近似。皮层贡献了韧性，而芯层则贡献了刚性。第13页Modal纤维性能——物理机械性能：干强较大，湿强略低于棉，大于粘胶纤维，柔软顺滑，丝质感觉；湿态伸长较小，纤维干态伸长介于棉和粘胶之间。——化学性质：耐碱性很好，但不耐酸。——染色性：染色性能很好且经过屡次洗涤仍保持鲜艳如新，色牢度好。——耐热性、耐目光性：在150℃左右强力开始下降，180－200℃分解。——微生物降解性：能够自然降解。——耐洗性：与棉织物一起经过25次洗涤后，柔软度、亮洁度都比好。

——其它性能：柔软、光洁，色泽艳丽，织物手感尤其滑爽，光泽亮丽。第14页形态结构——皮芯结构：共聚部分蛋白质在湿法纺丝中先凝固——纤维芯层共混部分蛋白质在湿法纺丝中后凝固——纤维皮层——截面（哑铃形或不规则三角形）；纵向（表面光滑，凹凸沟槽，卷曲）（二）性能外观（视角效果）光泽、悬垂性、织纹细腻舒适性手感柔软、滑爽、质地轻薄染色性能本色为淡黄色，酸性染料、活性染料染色，色牢度好保健功效性大豆蛋白纤维（氨基酸）与人体皮肤亲和性好→保健中草药（纺丝时加入）与蛋白质链以化学键相结合→药效持久导湿性纤维表面沟槽→导湿性优于棉→防止织物因为汗湿而紧贴在身体上第15页第二节新型再生蛋白质纤维一、大豆蛋白纤维以榨油后大豆废粕为原料，利用高新技术，将豆粕中球蛋白分离提纯，并经过助剂、药品分子处理，使提纯球蛋白改变空间结构，再添加羟基和氨基等高聚物改性剂，制成一定浓度大豆蛋白质纺丝液，经湿法纺丝工艺和后加工处理而成大豆分离蛋白质和聚乙烯醇高分子共聚共混纺丝而成。（蛋白质：23%～55%，聚乙烯醇：45%～77%）第16页（一）结构化学结构

大豆蛋白纤维蛋白质含量为23%～55%，聚乙烯醇高分子聚合物含量为45%～77%。蛋白质是由氨基酸组成，大豆蛋白纤维含有16～17种氨基酸。在氨基酸侧基上有不一样活性基团，如－OH、－NH、－COOH等，能参加各种化学反应。在大豆蛋白纤维纺丝过程中，大豆蛋白纤维中酪氨酸、组氨酸等能与聚乙烯醇分子上羟基反应，形成交联；同时，在醛化交联过程中，聚乙烯醇分子间、大豆蛋白分子间以及聚乙烯醇分子和大豆蛋白质分子间都有可能产生各种交联结构。形态结构——皮芯结构：共聚部分蛋白质在湿法纺丝中先凝固——纤维芯层共混部分蛋白质在湿法纺丝中后凝固——纤维皮层——截面（哑铃形或不规则三角形）；纵向（表面光滑，凹凸沟槽，卷曲）（二）性能外观（视角效果）光泽、悬垂性、织纹细腻舒适性手感柔软、滑爽、质地轻薄染色性能本色为淡黄色，酸性染料、活性染料染色，色牢度好第17页物理机械性能吸湿性蛋白质分子中含大量氨基、羧基、羟基等亲水基团→吸湿好湿热稳定性聚乙烯醇→—OH↑→湿热稳定性↓→110℃水浴显著收缩→处理方法：缩甲醛→封闭—OH→湿热稳定性↑→收缩率↓（注意纤维游离甲醛含量）第18页（三）生产及质量控制大豆蛋白纤维是以豆粕为原料，利用生物工程技术提取豆粕中球蛋白并提纯，提纯球蛋白改变空间结构，再添加羟基和氰基高聚物配制成一定浓度蛋白纺丝液，经熟成后用湿法纺丝工艺纺成单丝0.9～3.0dtex丝束，经过醛化稳定纤维性能，再经过牵伸、卷曲、热定型、切断等工序生产出各种长度规格大豆蛋白短纤维。大豆蛋白纤维生产工艺流程图第19页原料从大豆豆粕中提取，该豆粕是农副产品大豆榨过油饼粕纺丝溶液黏度在黏度小于410MPa·s范围内，黏度越大，可纺性越好。蛋白质浓度大于14%时，纺丝溶液黏度过大，无法纺丝；低于12.5%时，纺丝溶液黏度太低，纺不出理想纤维。蛋白质溶液pH值大豆蛋白纺丝液是将高纯度大豆蛋白质在碱作用下，调制而成。在碱性条件下，有利于分子间相互作用，蛋白质中疏基（－SH）和二硫键（－S－S）交换反应较易进行，有利于提升蛋白质溶解度，增加纺丝液黏度。当溶液pH＜4.6时（酸性增强），蛋白质溶解度随pH值增加而减小；当pH＞4.6时（碱性增强），其溶解度显著增大。所以，从大豆分离蛋白质溶液pH值控制在蛋白质等电点4.6～4.8较适宜。喷丝孔长经比因为大豆蛋白质纤维可纺性较差，因而选择大长径比有利于纤维成形，提升可纺性。在蛋白质浓度、纺丝速度一定情况下，喷丝孔长径比为60时，纤维可纺性以及强度最好。第20页二、蜘蛛蛋白纤维（一）蜘蛛丝1．结构化学组成：蜘蛛丝和蚕丝相同（蛋白质），基本组成单元为氨基酸酸。形态结构：横截面：靠近圆形，蜘蛛丝是单丝，不需要丝胶来粘住两根丝；纵向：丝中央有一道凹缝痕迹超分子结构：蜘蛛丝蛋白组成高分子化合物→微原纤→原纤→蜘蛛丝结晶度=55%～60%蚕丝结晶度蜘蛛丝网主要包丝：扑捉丝(扑获猎物)：蜘蛛鞭毛腺体中合成拉索丝或径向丝和园周网丝：径向丝和圆周丝蛋白则是在蜘蛛壶腹腺中合成2．性能力学性能：高强、高弹、韧性强、初始模量大、断裂功高、耐低温性高强：结晶区分子链间以氢键结合→分子间作用力↑↑→强度↑高弹：不规则纠结状蛋白分子链→→→→→→→→→→→→→→→→→→→蜘蛛丝上80%水分→薄膜→包住蜘蛛网中连接点→丝纠结、稳固→→弹性↑初始模量大、断裂功大：初始模量=芳纶Kevlar纤维高强高模断裂伸长率36%～50%（Kevlar2%～5%）耐低温性：40℃时仍有弹性其它性能：质轻、密度小、光滑、闪亮，耐紫外线性能强第21页（二）再生蜘蛛蛋白纤维牛羊乳蜘蛛丝法生物技术→复制蜘蛛丝蛋白合成基因→山羊乳腺细胞→山羊生产羊奶中就含有类似于蜘蛛丝蛋白蛋白质→提炼出蜘蛛蛋白（纯度可高达70%～90%）→再生蜘蛛蛋白纤维微生物植物吐丝法蜘蛛丝基因→细菌、酵母或植物→微生物发酵→蜘蛛丝蛋白质→纺嘴挤出→再生蜘蛛蛋白纤维植物生产蜘蛛丝蛋白质法转基因方法或将能产生蜘蛛丝蛋白基因→植物（花生、烟草和谷物）→大面积种植植物→植物大量生产出类似蜘蛛丝蛋白蛋白质→提取→再生蜘蛛蛋白纤维蚕吐蜘蛛丝法转基因技术中“电穿孔”方法→将蜘蛛基因注入只有半粒芝麻大蚕卵→家蚕分泌出含有蜘蛛丝基因丝→再生蜘蛛蛋白纤维化学合成蜘蛛丝方法模仿蜘蛛丝组成元素和结构→化学合成→“有蜘蛛丝功效”高分子纤维。第22页第三节新型合成纤维一、聚乳酸纤维（一）概述定义聚乳酸纤维PLA是以玉米、小麦等淀粉为原料，经发酵转化成乳酸，再经聚合、熔融纺丝而制得合成纤维。聚乳酸纤维自然循环系统第23页（二）聚乳酸纤维制造1、乳酸

70%生物工程发酵法，30%化学合成法生物工程发酵法：玉米（含淀粉）+糖化酶（生物催化剂）→葡萄糖+乳酸菌（由麦芽汁培养）→发酵6～8h，均匀搅拌；35～50℃，再发酵80h→发酵液用石灰乳中和至微碱性→煮沸（杀菌）→冷却→过滤→重结晶（热水）→50%硫酸→→→硫酸钙沉淀→乳酸→减压蒸发→70%工业用乳酸→乙醚溶解工业乳酸→脱色（活性炭）→过滤→蒸发→→乙醚→纯乳酸当前最大生产商：美国卡吉尔Cargill；荷兰purao企业；化学合成法：乙醛—氢氰酸合成法、丙烯腈合成法第24页2．聚乳酸直接缩聚法——溶液缩聚：原始：聚合度低，M＜5000（反应体系存在乳酸、水、聚酯、丙交酯平衡；反应副产物水在黏性物中难以除去→不能确保反应向正反应进行）；聚合物带色（聚合温度＞180℃）；改进：二苯醚添加溶剂中共沸除水（二氯化锡催化剂；对甲苯磺酸阻色剂）→先溶液缩聚→低分子聚乳酸→固相后缩聚→高分子聚乳酸（M=300000）——熔融固相缩聚：密闭体系，乳酸固相缩聚，氧化钙脱水剂→高分子聚乳酸（M=250000）——微波辅助聚合：微波加热（热从材料内部产生→有利于水脱除）开环聚合应用广，M=00～1000000（脱水在乳酸～丙交酯这步，体系黏度低，轻易脱水）第25页3、聚乳酸纤维（PLA纤维）熔融纺丝、溶液纺丝熔融纺丝*工艺流程：同PET纤维*工艺控制：——原料预处理：聚乳酸树脂：高真空干燥（PLA酯键水解→M↓→纤维质量↓）醋酸酐、吡啶→使PLA末端－OH乙酰化→PLA热稳定性↑抗氧剂（亚磷酸三壬基苯酯：TNPP）→聚乳酸树脂热氧稳定性↑——工艺参数：纺丝温度185～230℃，拉伸倍数4～7倍*特点：工艺成熟、环境污染小、生产成本低、成为主导方法；但PLA水解和热降解，故必须原料预处理第26页溶液纺丝*工艺流程：聚乳酸树脂→纺丝溶液→过滤→计量→喷丝板出丝→溶剂蒸发→纤维成形→卷绕→拉伸→纤维成品*特点：聚乳酸树脂热降解小，纤维强度较高；但溶剂（二氯甲烷、三氯甲烷、甲苯）有毒，纺丝环境恶劣，溶剂回收困难，需作特殊处理，纤维生产成本高——中试阶段静电纺丝*定义：带电荷高分子溶液或熔体→静电场→流动形变→溶剂蒸发或熔体冷却→固化→纳米级至亚微米级（5～1000nm）超细纤维→接收屏→非织造超细纤维膜→附加特殊装置→将超细纤维纺成纱线*装置：高压电源+给料装置+喷射装置+搜集装置*特点：优点：超细纤维缺点：产量很低（1mg／h～1g／h）；纤维力学强度不高第27页（三）聚乳酸纤维性能

物理机械性能

聚乳酸纤维结构规整，含有较高结晶度（约为83.5%）、较高拉伸强度和很好柔软性，含有很好物理机械性能，与聚酯和聚酰胺纤维比较，PLA纤维含有更加好手感和悬垂性，比重低，抗紫外线好，可燃性差、发烟量小，有很好卷曲性和保型性。生物降解性

聚乳酸纤维生物降解性优于合成纤维和纤维素纤维，其制品废弃后在土壤或海水中经微生物作用可完全分解成二氧化碳和水，是一个完全意义上环境保护纤维。聚乳酸纤维降解原因是聚合物链上酯键水解。它降解方式是必须先行水解，之后方可进行酶解。第28页二、水溶性纤维在水中溶解或遇水迟缓水解成水溶性分子（或化合物）纤维，其品种有水溶性聚乙烯醇（PVA）纤维、海藻纤维、羧甲基纤维素纤维。水溶性PVA纤维是当前世界上生产唯一溶于水合成纤维，它不但成本低，而且性能比其它水溶性纤维好。（一）水溶性PVC纤维性能水溶性膨润收缩和溶解分散水溶纤维→热水→纤维吸水膨润→随之产生收缩→水温↑→纤维到达最大收缩率→纤维就被溶断成胶状片段→水温↑↑或处理时间↑↑→PVA就以分子形式溶解分散而成为均匀溶液。物理机机性能水溶性纤维除用作高吸湿卫生用具外，通常都不作为结构材料而保留在最终成品中，它们总是在加工过程某一个阶段，为取得某种效果而被溶去——物理机械性能无较高要求。环境保护性能自然分解第29页（二）水溶性PVC纤维制取方法1、聚乙烯醇制备游离态乙烯醇不稳定→不能用乙烯醇为单体合成聚乙烯醇；醋酸乙烯制备——乙炔法：200℃左右，常压、气相通到以活性炭等为载体催化剂醋酸锌——乙烯法：200℃以上，加压，催化剂（钯一金），助催化剂（醋酸钾或醋酸钠），载体（活性氧化铝或硅胶）第30页聚醋酸乙烯制备通常是以甲醇为溶剂采取溶剂聚正当制得。——化学反应：主反应：主要副反应：第31页——工艺流程：醋酸乙烯溶液聚合工艺流程1—引发剂配制槽2—引发剂贮槽3—计量泵4—换热器5—第一聚合釜6，8—冷凝器7，10—泵9—第二聚合釜11—脱单体塔12—醋酸乙烯一甲醇分离塔13一沉析槽第32页——工艺控制：引发剂：偶氮二异丁腈（AIBN）；以甲醇为醋酸乙烯聚合溶剂时，普通将引发剂配成一定浓度甲醇溶液溶剂：甲醇、无水乙醇、苯、甲苯、醋酸乙酯、丙酮甲醇：溶解单体和聚合物；分子量调整剂；聚乙烯醇凝固剂；转化率：5O%～60%转化率↑↑→→未反应单体↓→经济性好→聚合产物支化度↑、分子量分布变宽→产品品质↓聚合时间：4.5～5.0h聚合时间↓↓→生产能力↑，但产品分子量分布宽聚合温度：64～65℃链转移及副反应活化能＞正常链增加反应活化能→升高温度会加速链转移反应和副反应第33页聚乙烯醇制备——化学反应：聚醋酸乙烯在甲醇中醇解：聚醋酸乙烯在氢氧化钠中醇解：——工艺流程：高碱醇解法（湿法醇解）：反应体系中含水量6%，每摩尔聚醋酸乙烯链节需加碱0.1～0.2mol。氢氧化钠以水溶液形式加入，所以此法也称。该法特点是醇解反应速度快，设备生产能力大，但副反应较多，碱催化剂耗量也较多，醇解残液回收比较复杂。第34页低碱醇解法（干法醇解）：反应体系中含水量＜0.1%～0.3%，每摩尔聚醋酸乙烯链节需加碱0.01～0.02摩尔。氢氧化钠是以甲醇溶液形式加入。该方法副反应少。醇解残液回收比较简单，但反应速度较慢，物料在醇解机中