第四章 高分子材料.ppt

1、总 论,一、高分子材料及其产品分类（重点） 高分子材料的分类 化学纤维 塑料 橡胶 二、高分子材料工业的发展（自学） 三、高分子材料品质表征 四、高分子材料加工过程及方法概述,纺织纤维分类,塑料分类,橡胶分类,高分子材料品质表征,纤维 （1）物理性能指标 （2）机械（力学）性能指标 （3）稳定性能指标 （4）加工性能指标 （5）其他,塑料 （1）物理性能指标 （2）机械性能指标 （3）稳定性能指标 橡胶 （1）物理性能指标 （2）生胶加工性能 （3）硫化胶的机械性能指标 （4）稳定性能指标,高分子材料加工过程及方法,化学纤维的加工,塑料成型加工,塑料加工,橡胶加工,上篇 化学纤维成型加工,涤纶

2、、锦纶、丙纶、腈纶、高技术纤维,教学内容,总 论 合成纤维概况 第一章 聚酯纤维（涤纶） 第二章 聚酰胺纤维（锦纶） 第三章 聚丙烯纤维（丙纶） 第四章 聚丙烯腈纤维（腈纶） 第八章 高技术纤维,合成纤维的概况,一、 成纤高分子物条件 二、 纺丝方法 三、常用合成纤维 四、特种纤维,合成纤维是指以简单化合物为原料,通过聚合或缩聚反应制成成纤高分子物，再通过纺丝和后处理加工制成纤维。 一、 成纤高分子物条件 具备一定的分子量 具备一定的分子结构(线形或支化度很低) 超分子结构具有取向并部分结晶 具有一定的耐热性 具有一定的机械物理性能 具有一定的化学稳定性 具有一定的染色性,合成纤维的优缺点 优

3、点：强度高、弹性好、耐穿耐用、光泽好、化学稳定性强、耐霉腐、耐虫蛀 缺点：吸湿性差、耐热性差、导电性差、防污性差、易起毛起球、不易染色、腊状手感,纺丝方法,合成纤维的纺丝方法，目前大致可分为以下三种：,新方法：复合纺丝法、拉裂法、切割法等。,1熔融纺丝法,纺丝液是熔体，纺出的丝在空气中固化。 熔融纺丝的纺丝速度高，目前一般的纺丝速度为10002000m/min，采用高速纺丝时，可达3000 6000m/min 或更高。 熔融纺丝加工成本低，但喷丝板孔数少，丝的截面多为圆形。 涤纶、锦纶、丙纶等均采用此法,熔融纺丝工艺流程,纺丝,溶液纺丝法的纺丝液是溶解的高聚物溶液，纺出的丝的固化方式分为湿法与

4、干法两种。,2湿法纺丝 湿法纺丝纺出的丝在溶液中固化 这种方法纺丝速度低，一般速度为18380m/min。 湿法纺丝加工成本高且对环境污染较严重，纺出丝的截面多为非圆形，有皮芯结构。 腈纶、维纶、氯纶、粘胶纤维多采用此法。,湿法纺丝工艺流程,3干法纺丝,干法纺丝纺出的丝在空气中固化 这种方法目前一般的纺丝速度为200500m/min，高者可达10001500m/min。 干法纺丝溶剂挥发易污染环境，成本高，但丝的质量好， 此法多用于制作长丝。,干法纺丝工艺流程,干法纺丝,常用合成纤维,按纤维结构分为： 涤纶、腈纶、锦纶、芳纶、维纶、氨纶、丙纶 按纤维长短分为： a.棉型 短纤维：b.毛型 c.

5、中长纤维（仿毛、仿麻） 长丝：a.单丝 加工弹力丝：高弹丝 b.复丝 低弹丝,特种纤维,1、复合纤维 两种或两种以上成纤高分子物的熔体分别输入同一喷丝头，在喷丝头的适当部位相遇后，从同一喷丝孔中喷出，成为两组份或多组份粘并的一根纤维。,并列型 皮芯型 海岛型 桔瓣型 复合纤维的特点： 具有三维空间的立体卷曲，高膨松性、延伸性和覆盖能力。,特种纤维（续）,2、异形纤维： 在合成纤维成形过程中采用非圆形孔眼的喷丝板，制成的非圆形截面或中空的纤维。可改善手感、回弹性、抗起球性及光泽等。主要有三角形、四角形、五角形、扁平形、中空形等。,特种纤维,4、改性纤维： 近来，为了改善化学纤维容易起静电、起毛起

6、球等缺点，为了改进染色性能和提高熔点等，已出现了抗静电纤维、低温可染涤纶、阳离子可染涤纶、变性涤纶等改性纤维。,3、超细纤维： 单丝纤度 0.1旦 特点：手感柔软、细腻，柔韧性好，光泽柔和，高清洁能力，高吸水和吸油性，,第一章 聚酯纤维（涤纶）,第一节 聚酯纤维的原料 第二节 聚酯切片的干燥 第三节 聚酯纤维的纺丝 第四节 聚酯纤维的高速纺丝 第五节 聚酯纤维的后加工 第六节 聚酯纤维的性质和用途 第七节 改性聚酯纤维,概述,1、聚酯纤维的分子结构： 聚酯通常指以二元酸和二元醇缩聚而提的高分子物，其基本链节之间以酯键联结而得名。 2、聚酯的品种： PTT、PBT、PET等等，其中以聚对苯二甲酸

7、乙二酯（PET）纤维为主，其分子量一般控制在1800025000左右。,生产简介,1、主要原料：对苯二甲酸和乙二醇 2、合成方法： 酯交换法：将对苯二甲酸和乙二醇在催化剂作用下进行酯交换，然后再经缩聚生成聚对苯二甲酸乙二酯。已逐渐被淘汰。 直接酯化法：将对苯二甲酸和乙二醇进行直接酯化生成聚对苯二甲酸乙二酯。目前使用广泛。 3、纺丝方法：熔融纺丝法 连续法：聚对苯二甲酸乙二酯熔体 纺丝 间歇法：a.聚对苯二甲酸乙二酯熔体 铸带 切片 b.切片 干燥 纺丝,第一节 聚酯纤维原料,一、聚对苯二甲酸乙二酯的制备 （一）BHET的制备 1、酯交换法,（1） 间歇法酯交换法,原料：DMT:EG=1：2.3

8、2.5 催化剂：0.05%金属醋酸盐 反应过程： a 甲醇相阶段： 温度（180-200 ），时间（约4hr） b 乙二醇相阶段： 催化剂（0.03-0.04% Sb2O3），稳定剂（0.015-0.03%亚磷酸三苯酯），温度（230-240 ），时间（约1.5hr）,反应釜示意图,（2）直接法酯交换,（二）PET的生产,1、缩聚反应平衡 通式,间歇法缩聚,缩聚釜内分两段进行： 低真空缩聚： 余压5.3kPa,温度250-260 高真空缩聚： 余压66Pa,温度270-285 终点：特性粘数0.64-0.66dL/g,连续法缩聚,二、PET的结构和性质,（一）分子结构 无定形PET密度：1.3

9、35g/cm3 PET纤维密度：1.38-1.4g/cm3 （二）分子量及其分布 分子量：1500022000 （三）流变性质 纯PET熔点：267 工业用PET熔点：255264 ,第二节 聚酯切片的干燥,一、切片干燥的目的 除去水分 提高切片含水均匀性 提高结晶度和软化点 二、干燥过程伴随的副反应 高温水解反应,三、切片干燥的工艺控制,温度： 预结晶温度（170 以下）；干燥温度（180 以下） 时间：与设备和温度有关 风速：8-10m/s 风湿度: 补充经除湿的低露点空气,第三节 聚酯纤维的纺丝,一、概述 常规纺丝：纺丝速度10001500m/min，UDY 中速纺丝：纺丝速度15003

10、000m/min，MOY 高速纺丝：纺丝速度30006000m/min，FDY 超高速纺丝：纺丝速度60008000m/min，FOY,熔融纺丝法工艺流程,二、纺丝熔体的制备,螺杆挤出纺丝机,螺杆的结构特征,螺杆直径 长径比：20-27（部分28-33） 压缩比：3-3.5 螺距：螺旋角 螺杆与套筒间隙：小于0.02D 套筒,螺杆结构的主要参数,三、纺丝机的基本结构,（1）高聚物熔融装置（螺杆挤出机） （2）熔体的输送、分配、纺丝及保温装置 （3）丝条冷却装置 （4）丝条收集装置 （5）上油装置,纺丝箱体断面,计量泵,喷丝板,喷丝板有圆形和矩形两种。,丝条冷却装置 侧吹风 环形吹风 卷绕装置

11、上油机构：给湿和上油 导丝机构：导丝盘（辊）或纺丝盘 卷绕机构：将卷绕丝卷成筒子形式,四、纺丝过程的主要工艺参数,（一）熔融条件-高聚物切片熔融和熔体输送过程的条件 1 螺杆各区温度的选择与控制 预热段：基本低于熔点，基本保持固体状态（50265 ） 压缩段：切片熔融，固态粘流态；T=Tm+(2733)； 计量段：切片完全熔化；Tm为255切片，该区温度约285； 2 熔体输送过程（螺杆法兰箱体） 法兰区：较短；温度等于或略低于计量段； 纺丝箱体：熔体停留约1.5min；箱体温度为285288 。 3 熔体温度与粘度（熔体流出喷丝板孔的温度为纺丝温度）,续,（二）喷丝条件 泵供量（泵供量稳定；

12、熔体压力稳定） 喷丝头组件结构（熔体过滤；均匀稳定的分配） （三）丝条冷却固化条件 风湿和风温（风温选定与Tg、纺丝速度、线密度、设备特征有关；风湿可采用7080%或100%露点风） 风速及分布（环吹风、侧吹风；侧吹风0.30.7m/s) （四）卷绕工艺条件 卷绕速度（纺丝速度提高，卷绕丝取向度高，双折射率增加，后拉伸倍数减小） 上油、给湿（集束性、抗静电性、平滑性；喷嘴上油、油盘上油及结合） 车间温湿度（冬季20，夏季2527 ；6075%湿度）,五、聚酯短纤维的纺丝工艺,纺丝工艺的工艺条件,1、螺杆：290300 箱体：285260 2、纺丝压力 低压纺丝：0.50.9MPa 高压纺丝：1

13、5MPa以上 3、丝条冷却固化条件： 环吹风的温度302 ，风的湿度7080%，风速0.30.4m/s。 4、纺丝速度 2000m/min以下,六 聚酯长丝的纺丝工艺,工艺特点,1 对原材料的质量要求高 含水率0.008%以下；干切片中粉末和粘连粒子少；干燥均匀性好。 2 工艺要求严 工艺参数严格控制，如熔体温度波动不超过1 ，风速差异不大于0.1m/s；张力稳定。 3 高速度、大卷装 工业生产中普遍采用5500m/s的纺速。 丝筒的净重从34kg增至15kg,第四节 聚酯纤维的高速纺丝,一 聚酯预取向丝的生产工艺,（一）生产工艺流程,（二）生产工艺控制,1 切片质量要求 在0.65 dL/g

14、，含水率0.005%以下，杂质粒径小于6m 2 纺丝温度和压力 纺丝温度：290300 纺丝压力：高压纺丝组建压力40MPa以上；中压1530MPa 3 冷却吹风条件：风速0.30.7m/s，风温20 ，相对湿度7080% 4 卷绕速度 : 30003600m/min,（三）预取向丝的性能,1 取向度（双折射率0.025,0.06） 2 结晶度（一般为12%） 3 断裂伸长率（最好为100150%） 4 结构一体性参数（表征适于拉伸变形的结构条件；0.31.0） 5 摩擦系数与含油率（摩擦系数最好为0.20.34；含油率0.30.4%）,二 聚酯全拉伸丝的生产工艺,（一）生产工艺流程,（二）生

15、产工艺控制 1 纺丝条件 纺丝温度：295300 ； 冷却条件与POY近似 切片含水率0.0018% 2 拉伸条件 第一辊 第二辊 3000m/min 5200m/min 6080 150195 3 网络度 20个/m,第五节 聚酯纤维的后加工,后加工 包括拉伸、热定型、加捻、变形加工和成品包装 后加工作用 （1）将纤维拉伸，使大分子取向，并规整排列，提高强度，降低收缩率； （2）将纤维热处理，消除内应力，提高纤维的结晶度 （3）对纤维进行特殊加工,一 聚酯纤维后加工,（一）工艺流程,（二）工艺及设备,1 初生纤维的存放及集束 2 拉伸设备- 三道七辊拉伸机 3 拉伸工艺条件 拉伸温度 （一级

16、7090 ；二级150180 ） 拉伸速度：喂入速度3045m/min;出丝140180m/min 拉伸倍数及分配 总倍数：4.04.4,第一级占85%。,4 卷曲 棉型：57个/cm 毛型：35个/cm 5 热定型 链板式、圆网式、九辊紧张热定型机 干燥温度：110115 ; 松弛热定型温度：120130 ； 紧张热定型温度：170 左右。 6 切断、打包,二 聚酯长丝的后加工,（一）工艺过程,（二）拉伸加捻工艺条件,1 拉伸比 双区热拉伸，两段拉伸比分别为1.01和1.6，总拉伸比1.61.8 2 拉伸温度 热盘（第一拉伸盘）一般应控制在丝条玻璃化温度以上1020 范围内； 第二段拉伸温度

17、 140170 ,三 加捻变形丝的加工,（一）生产原理-(DTY),涤纶长丝拉伸加捻机示意图,（二）聚酯低弹丝的生产工艺,1 内拉伸变形工艺 2 加捻变形工艺条件 （1）变形和定型温度 180220 （2）加热和冷却时间 （3）加捻张力 （4）假捻度 （5）超喂率,四 网络丝的加工,五 空气变形丝的加工,第六节 聚酯纤维的性质和用途,一 聚酯纤维的性质 （一）物理性质 （二）力学性能 （三）化学稳定性 （四）耐微生物性 二 聚酯纤维的用途,1、形态结构： 采用熔融纺丝法制成的一般聚酯纤维，其横截面是圆形的，纵向均匀而无条痕。 2、分子结构：,涤纶的结构,3、聚集态结构： 结晶度和取向度 模型理

18、论：折叠链-樱状原纤模型,涤纶的性能,1、热性能 2、机械性能 3、化学稳定性 4、吸湿、染色性能 5、起球现象 6、静电现象 7、燃烧性能,1、 热性能,玻璃化温度Tg 完全无定形 67 部分结晶 81 取向且结晶 125 软化点 230240 定形温度 180220 ,1、 热性能,耐热性：最好。 170以下短时间受热引起的强度损失，温度降低后可恢复。腈纶为150；锦纶120；大部分碳链纤维为8090下受热变形很难恢复。 热稳定性：最好。 涤纶150受热168h，强力损失3%，锦纶在150受热即变黄，纤维强度大幅度下降。,2、 机械性能,强度和延伸度：与工艺条件有关。 一般涤纶，生产中拉伸

19、倍数为45倍 强度为3.54.4cN/dtex(4.05.0g/旦) 干、湿强度基本相等 在合成纤维中强力较高 延伸度为18%36%，略低于锦纶。,2、 机械性能,弹性和耐磨性 具有良好的弹性，穿着挺括，形状稳定性好，表现在两个方面： 不易变形（弹性模量较大） 原因：结晶度高，取向度高 从形变中回复能力较强 原因：亚甲基有较大的柔性；大分子间的联结点（结晶）稳定，成为恢复原状的基点 耐磨性不及锦纶，但比其它合成纤维高出几倍，与天然纤维或粘胶纤维混纺，可显著提高耐用磨性。,3、 化学性能,涤纶的耐酸性较好 弱酸：煮沸也无显著损伤 强酸： 低温下稳定 高温下有损伤，纤维强度迅速降低 涤纶耐酸的意义

20、 染整加工尽量在酸性条件下进行 可用硫酸或盐酸测定涤棉织物混纺比 可用酸侵蚀涤棉包芯纱织物生产涤棉烂花织物。,3、 化学性能,涤纶的耐碱性差 碱使聚酯发生水解，水解程度随碱种类、浓度、温度及时间不同而不同。 碱处理涤纶的剥皮现象：热稀碱能使表面的大分子水解。表面的分子水解到一定程度溶在碱中，使纤维表面一层层地剥落下来，造成纤维的失重和强度降低，而对纤维的芯层则无多大影响，分子量也没有什么变化，这种现象称为剥皮现象。使纤维变细、变轻，纤维表面出现刻蚀-变得凹凸不平，增加了纤维在纱中活动性。 意义：碱减量处理 提高纤维细度、提高纤维吸湿性，获得仿真丝绸整理效果,3、 化学性能,3、 化学性能,对氧化剂和还原剂的稳定性 涤纶对氧化剂和还原剂的稳定性很高，因此，染整加工中漂白剂（次氯酸钠、亚氯酸钠、双氧水）、还原剂（保险粉、二氧化硫脲）都可使用。 耐溶剂性 涤纶可溶解在一些有机溶剂中，如：丙酮、苯、苯酚-四氯乙烷（6:4） 涤纶可在一些有机物的水溶液中溶胀，如酚类 酚类化合物可作涤纶染色的载体,4、吸湿、染色性能,吸湿性较差 标准状态下回潮率：涤纶为0.4% 棉为78% 原因：极性基团太少，缺少吸湿中心，结晶度高，结构紧密，孔隙小 表现：吸湿排汗性差，静电大，易沾污，湿度对机械性能影响小，溶胀小，染色困难，但具有易洗快干的特性。 涤纶的染色较困难，易染性