33干法紡絲及其他紡絲方法原理及工藝

1、化學(xué)纖維生產(chǎn)原理及工藝化學(xué)纖維生產(chǎn)原理及工藝3.33.3干法紡絲原理及工藝干法紡絲原理及工藝n 將聚合物溶于揮發(fā)性溶劑中，通過噴絲孔噴出細(xì)將聚合物溶于揮發(fā)性溶劑中，通過噴絲孔噴出細(xì)流，在熱空氣中形成纖維的紡絲方法。流，在熱空氣中形成纖維的紡絲方法。n 分解溫度低于熔點(diǎn)或加熱時(shí)易變色，但能溶解在分解溫度低于熔點(diǎn)或加熱時(shí)易變色，但能溶解在適當(dāng)溶劑中的聚合物適用于干法紡絲適當(dāng)溶劑中的聚合物適用于干法紡絲. 例：二醋酯纖維例：二醋酯纖維 對(duì)于既能用干法紡絲，又能用濕法紡絲成形的纖對(duì)于既能用干法紡絲，又能用濕法紡絲成形的纖維，如聚丙烯腈纖維、聚氯乙烯纖維、聚乙烯醇、維，如聚丙烯腈纖維、聚氯乙烯纖維、聚乙

2、烯醇、聚氨酯等纖維，干法紡絲更適合于紡長(zhǎng)絲。聚氨酯等纖維，干法紡絲更適合于紡長(zhǎng)絲。 3.3.1干法紡絲工藝干法紡絲工藝3.3.2干法紡絲原理干法紡絲原理3.3.2.1干法紡絲的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)干法紡絲的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)a.干法紡絲線上的直徑分布和速度分布干法紡絲線上的直徑分布和速度分布近噴頭區(qū)域：近噴頭區(qū)域：沿紡程沿紡程dx ,v,vx x(脹大區(qū)基本消失脹大區(qū)基本消失) )離噴頭稍遠(yuǎn)區(qū)：離噴頭稍遠(yuǎn)區(qū)：沿紡程沿紡程dx ， v vx x(x x有極大值有極大值) )近固化區(qū)：近固化區(qū)：d dx x及及v vx x均趨于平穩(wěn)均趨于平穩(wěn)b.干紡紡絲線上的軸向力平衡分析干紡紡絲線上的軸向力平衡分析若分析

3、從若分析從x=0至至x=x處的一段紡絲線處的一段紡絲線 fr(x)=fr(0)+fs+fi+ff-fg其中：其中：fi=fi理論理論+fi,(fi0)(溶劑蒸發(fā)速率較低時(shí)，也可由溶劑蒸發(fā)速率較低時(shí)，也可由sakiadis公式求公式求)fg通常較小，通常較小，fs可忽略可忽略xxsrxfdxrxf0,2)( 對(duì)紡程張力的貢獻(xiàn)最重要對(duì)紡程張力的貢獻(xiàn)最重要3.3.2.2干紡紡絲中的傳熱和傳質(zhì)干紡紡絲中的傳熱和傳質(zhì)i區(qū)區(qū)(起始蒸發(fā)區(qū)起始蒸發(fā)區(qū)) (近噴孔處近噴孔處)： 溶劑大量揮發(fā)溶劑大量揮發(fā) t至至t tm m附近，且附近，且t t中心中心tt表面表面ii區(qū)區(qū)(恒速蒸發(fā)區(qū)恒速蒸發(fā)區(qū)) ：溶劑恒速揮發(fā)

4、溶劑恒速揮發(fā) ttmiii區(qū)（區(qū)（降速蒸發(fā)區(qū)）：溶劑降速揮發(fā)降速蒸發(fā)區(qū)）：溶劑降速揮發(fā) t表表至至t熱風(fēng)熱風(fēng)干紡成形時(shí)沿紡程溫度和溶劑的干紡成形時(shí)沿紡程溫度和溶劑的濃度分布圖濃度分布圖1纖維表面溫度纖維表面溫度 2纖維中心溫度纖維中心溫度 3纖維內(nèi)溶劑的平均濃度纖維內(nèi)溶劑的平均濃度cp纖維周圍的介質(zhì)纖維周圍的介質(zhì) p紡絲溶液紡絲溶液 x (t)紡程（時(shí)間）紡程（時(shí)間） tm濕球溫度濕球溫度3.3.2.3干法紡絲中纖維結(jié)構(gòu)的形成干法紡絲中纖維結(jié)構(gòu)的形成1.超分子結(jié)構(gòu)超分子結(jié)構(gòu) 特點(diǎn)：一般存在結(jié)晶或準(zhǔn)晶，但分子和微晶的取向度很低。特點(diǎn)：一般存在結(jié)晶或準(zhǔn)晶，但分子和微晶的取向度很低。2.形態(tài)結(jié)構(gòu)形態(tài)

5、結(jié)構(gòu)(1)截面形狀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及影響因素截面形狀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及影響因素e/v 1 趨于圓形（無皮層）趨于圓形（無皮層）稍稍1 略偏離圓形（存在皮層）略偏離圓形（存在皮層） 1 近梅花形近梅花形 1 呈扁平狀，近于大豆形或啞鈴形呈扁平狀，近于大豆形或啞鈴形紡絲液濃度紡絲液濃度，越偏離圓形，越偏離圓形纖維在甬道中的停留時(shí)間纖維在甬道中的停留時(shí)間(2)其他形態(tài)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)其他形態(tài)結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 無明顯孔洞和微纖結(jié)構(gòu)，皮芯結(jié)構(gòu)不如濕紡明顯無明顯孔洞和微纖結(jié)構(gòu)，皮芯結(jié)構(gòu)不如濕紡明顯化學(xué)纖維生產(chǎn)原理及工藝化學(xué)纖維生產(chǎn)原理及工藝3.43.4其他紡絲技術(shù)簡(jiǎn)介其他紡絲技術(shù)簡(jiǎn)介3.4.1干濕法紡絲干濕法紡絲與濕法相比，噴絲頭拉伸與

6、濕法相比，噴絲頭拉伸，使紡速，使紡速與濕法相比，噴絲孔徑可與濕法相比，噴絲孔徑可與濕法相比，紡絲液濃度及粘度可與濕法相比，紡絲液濃度及粘度可與干法相比，能有效調(diào)節(jié)纖維結(jié)構(gòu)形成過程與干法相比，能有效調(diào)節(jié)纖維結(jié)構(gòu)形成過程coagulation bathspin line incoagulation bathgodetrollerxwindingrollergodet rollerspin line in air gapspinneret3.4.2凍膠紡絲（凝膠紡絲）凍膠紡絲（凝膠紡絲）凍膠紡絲也稱凝膠紡絲，是一種通過凍膠態(tài)中間物質(zhì)制得高強(qiáng)凍膠紡絲也稱凝膠紡絲，是一種通過凍膠態(tài)中間物質(zhì)制得高強(qiáng)度纖維

7、的新型紡絲方法。度纖維的新型紡絲方法。 凍膠紡絲通常采用干濕法紡絲工藝，使擠出細(xì)流先通過氣隙，凍膠紡絲通常采用干濕法紡絲工藝，使擠出細(xì)流先通過氣隙，然后進(jìn)入凝固浴。因此與普通干濕法紡絲的區(qū)別，主要不在于然后進(jìn)入凝固浴。因此與普通干濕法紡絲的區(qū)別，主要不在于紡絲工藝，而在于擠出細(xì)流在凝固浴中的狀態(tài)不同紡絲工藝，而在于擠出細(xì)流在凝固浴中的狀態(tài)不同 凍膠紡絲的所有技術(shù)要點(diǎn)都是為了減少宏觀和微觀的缺陷，凍膠紡絲的所有技術(shù)要點(diǎn)都是為了減少宏觀和微觀的缺陷，使結(jié)晶結(jié)構(gòu)接近理想的纖維，使分子鏈幾乎完全沿纖維軸取向。使結(jié)晶結(jié)構(gòu)接近理想的纖維，使分子鏈幾乎完全沿纖維軸取向。 與干法、濕法相比與干法、濕法相比:

8、采用超高分子量原料、半稀溶液（采用超高分子量原料、半稀溶液（2%10%） 固化過程主要是冷卻過程，溶劑基本不擴(kuò)散固化過程主要是冷卻過程，溶劑基本不擴(kuò)散 拉伸比大（大于拉伸比大（大于20） 產(chǎn)品高強(qiáng)高模產(chǎn)品高強(qiáng)高模3.4.3液晶紡絲液晶紡絲 具有剛性分子結(jié)構(gòu)的聚合物在適當(dāng)?shù)娜芤簼舛群蜏鼐哂袆傂苑肿咏Y(jié)構(gòu)的聚合物在適當(dāng)?shù)娜芤簼舛群蜏囟认?，可以形成各向異性溶液或熔體。度下，可以形成各向異性溶液或熔體。 在纖維制造過程中，各向異性溶液或熔體的液晶區(qū)在纖維制造過程中，各向異性溶液或熔體的液晶區(qū)在剪切和拉伸流動(dòng)下易于取向，同時(shí)各向異性聚合物在在剪切和拉伸流動(dòng)下易于取向，同時(shí)各向異性聚合物在冷卻過程中會(huì)發(fā)生相

9、變形成高結(jié)晶性的固體，從而可以冷卻過程中會(huì)發(fā)生相變形成高結(jié)晶性的固體，從而可以得到高取向度和高結(jié)晶度的高強(qiáng)纖維。得到高取向度和高結(jié)晶度的高強(qiáng)纖維。 溶致性聚合物的液晶紡絲通常采用干濕法紡絲工藝。溶致性聚合物的液晶紡絲通常采用干濕法紡絲工藝。 熱致性聚合物的液晶紡絲可采用熔融紡絲工藝。熱致性聚合物的液晶紡絲可采用熔融紡絲工藝。 3.4.4相分離紡絲法相分離紡絲法 與凍膠紡絲法類似，采用一種聚合物溶液作為紡絲原液，紡絲線的固化是改變溫度的結(jié)果，而不是改變?nèi)芤旱慕M成。 由聚合物在溶劑中不同溫度下溶解度不同的原理，使聚合物溶液極速降溫，從而導(dǎo)致聚合物與溶劑發(fā)生相分離而固化。 臨界相分離溫度高于室溫而低

10、于擠出溫度。 所得初生纖維經(jīng)過拉伸和萃取溶劑得到成品纖維優(yōu)點(diǎn)：紡絲速度高，生產(chǎn)能力大（1001600m/min） 溶液濃度可較低，而形成細(xì)旦纖維。 可紡制填充物粒徑高于纖維直徑的纖維。缺點(diǎn)：溶劑的選擇及回收 理論尚不成熟3.4.4乳液紡絲法乳液紡絲法將成纖高聚物分散在分散介質(zhì)中，構(gòu)成乳液或懸濁液進(jìn)行紡絲的方法。將成纖高聚物分散在分散介質(zhì)中，構(gòu)成乳液或懸濁液進(jìn)行紡絲的方法。適用與一些熔點(diǎn)高于分解溫度，且無合適的溶劑的聚合物進(jìn)行紡絲。適用與一些熔點(diǎn)高于分解溫度，且無合適的溶劑的聚合物進(jìn)行紡絲。50年代就被用來生產(chǎn)聚四氟乙烯纖維。年代就被用來生產(chǎn)聚四氟乙烯纖維。過程與濕紡紡絲類似。過程與濕紡紡絲類似

11、。將粉末狀的聚合物顆粒分散在某種成纖載體中，配置成乳液，載體通將粉末狀的聚合物顆粒分散在某種成纖載體中，配置成乳液，載體通常是另一種聚合物的溶液，且這種聚合物溶液易被紡制成纖維，并能常是另一種聚合物的溶液，且這種聚合物溶液易被紡制成纖維，并能在高溫下破壞分解掉。在進(jìn)行高溫處理時(shí)，載體分解，而高熔點(diǎn)的聚在高溫下破壞分解掉。在進(jìn)行高溫處理時(shí)，載體分解，而高熔點(diǎn)的聚合物粒子被燒結(jié)或熔融而連續(xù)化形成纖維。為了提高纖維強(qiáng)度，在進(jìn)合物粒子被燒結(jié)或熔融而連續(xù)化形成纖維。為了提高纖維強(qiáng)度，在進(jìn)行燒結(jié)時(shí)通常進(jìn)行一定的拉伸。行燒結(jié)時(shí)通常進(jìn)行一定的拉伸。適用于生產(chǎn)：聚四氟乙烯纖維、陶瓷纖維、碳化硅纖維、氧化硅纖維、

12、適用于生產(chǎn)：聚四氟乙烯纖維、陶瓷纖維、碳化硅纖維、氧化硅纖維、維氯綸（氯乙烯在維氯綸（氯乙烯在pva水溶液中進(jìn)行乳液聚合后進(jìn)行紡絲）等。水溶液中進(jìn)行乳液聚合后進(jìn)行紡絲）等。3.4.6靜電紡絲法靜電紡絲法 靜電紡絲法是一種對(duì)高分靜電紡絲法是一種對(duì)高分子溶液或熔體施加高電壓進(jìn)行子溶液或熔體施加高電壓進(jìn)行紡絲的方法。紡絲的方法。 靜電紡絲的裝置包括定量靜電紡絲的裝置包括定量供給溶液或熔體的裝置（計(jì)量供給溶液或熔體的裝置（計(jì)量泵）形成細(xì)流的裝置（噴絲模泵）形成細(xì)流的裝置（噴絲?？冢┮约袄w維接受裝置。口）以及纖維接受裝置。regenerated silk fibroin aqueous solution

13、l蜘蛛和蠶是在空氣中吐絲蜘蛛和蠶是在空氣中吐絲成形的，其成絲過程其實(shí)是成形的，其成絲過程其實(shí)是一個(gè)干法紡絲過程。一個(gè)干法紡絲過程。l靜電紡絲從本質(zhì)上而言，靜電紡絲從本質(zhì)上而言，屬于一種干法紡絲過程。屬于一種干法紡絲過程。 靜電壓：靜電壓：20kv40kv；噴射孔徑：噴射孔徑：0.9mm；接收距離：接收距離：11cm。 例例:再生蠶絲蛋白水溶液的靜電紡絲再生蠶絲蛋白水溶液的靜電紡絲(l1)17wt%, 20kv(l2)28wt%, 20kv(l3)39wt%, 20kv(h1)17wt%, 40kv(h2)28wt%, 40kv(h3)39wt%, 40kvsem photographs of

14、electrospun sf fibers3.4.7噴射紡絲法噴射紡絲法采用高壓和高速氣流來分散高聚物溶液或熔體進(jìn)行采用高壓和高速氣流來分散高聚物溶液或熔體進(jìn)行紡絲的方法。紡絲的方法。紡絲流體經(jīng)過一個(gè)窄縫型?？跀D出，而后通過文丘紡絲流體經(jīng)過一個(gè)窄縫型模口擠出，而后通過文丘里管或高速氣流噴嘴進(jìn)行噴吹拉伸，形成極細(xì)的纖里管或高速氣流噴嘴進(jìn)行噴吹拉伸，形成極細(xì)的纖維。維。與靜電紡絲法可結(jié)合使用。與靜電紡絲法可結(jié)合使用。3.4.8離心紡絲法離心紡絲法 取消噴絲頭，將聚合物熔體自軸心引入一個(gè)快速轉(zhuǎn)動(dòng)著的喇叭口中央，由于離心力的作用使流體甩出，通過喇叭口的內(nèi)表面而成為一逐漸變薄的薄膜，在離開喇叭口的邊緣后薄膜被分散成纖維，隨后被干燥或冷卻而固化。3.4.9無噴頭熔池紡絲法無噴頭熔池紡絲法 直接從聚合物熔體表面將絲條拉出經(jīng)冷卻固化后形成纖維直接從聚合物熔體表面將絲條拉出經(jīng)冷卻固化后形成纖維的方法。的方法。 由于大多數(shù)聚合物的熱穩(wěn)定性都不是很好，故從未加保由于大多數(shù)聚合物的熱穩(wěn)定性都不是很好，故從未加保護(hù)的熔體表面自然拉出纖維的過程尚未成功。護(hù)的熔體表面自然拉出纖維的過程尚未成功。 有研究表明，將聚合物熔體表面