化纖工藝學(xué) 聚酯纖維

1、化纖工藝學(xué) 聚酯纖維第1頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期二 學(xué)習(xí)目的要求 初步掌握聚酯纖維的合成、紡絲等生產(chǎn)技術(shù), 把握結(jié)構(gòu)、性能及應(yīng)用, 了解其改性和新型聚酯纖維.第三章 聚酯纖維化 纖 工 藝 學(xué)第2頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期二 第一節(jié) 概述 聚酯是制造聚酯纖維、涂料、薄膜及工程塑料的原料，是由飽和的二元酸與二元醇通過縮聚反應(yīng)制得的一類線性高分子縮聚物。這類縮聚物的品種因隨使用原料或中間體而異，故品種繁多數(shù)不勝數(shù)。但所有品種均有一個(gè)共同特點(diǎn)，就是其大分子的各個(gè)鏈節(jié)間都是以酯基“COO”相聯(lián)，所以把這類縮聚物通稱為聚酯。以聚酯為基礎(chǔ)制得的纖維

2、稱為滌綸，是三大合成纖維（滌綸、錦綸、腈綸）之一，是最主要的合成纖維。第三章 聚酯纖維化 纖 工 藝 學(xué)第3頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期二第二節(jié) 聚對(duì)苯二甲酸乙二酯一、 對(duì)苯二甲酸乙二酯的制備1合成的工藝路線 合成的工藝路線酯交換路線 環(huán)氧乙烷直接加成路線對(duì)苯二甲酸用乙二醇直接酯化路線第4頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期二PET纖維生產(chǎn)路線第5頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期二（1）酯交換路線（酯交換法） 將對(duì)苯二甲酸二甲酯與乙二醇按12.5（摩爾比）比例混合，在醋酸鋅、醋酸錳和醋酸鈷催化劑的作用下，發(fā)生酯交換反應(yīng)，生成對(duì)苯

3、二甲酸雙羥乙酯。第三章 聚酯纖維化 纖 工 藝 學(xué)H3COOCCOOCH32HOCH2CH2OHZn（CH2COO）2 HOCH2CH2COOC COOCH2CH2OH + 2CH3OH對(duì)苯二甲酸雙羥乙酯第6頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期二（2）對(duì)苯二甲酸用乙二醇直接酯化路線 （直接酯化法） HOOCCOOH2HOCH2CH2OHHOCH2CH2COOCCOOCH2CH2OH對(duì)苯二甲酸雙羥乙酯第7頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期二（3）環(huán)氧乙烷直接加成路線（環(huán)氧乙烷法） 該路線是1973年開始工業(yè)化生產(chǎn)的。其反應(yīng)如下： 該反應(yīng)在飽和低分子脂肪胺或季

4、胺鹽存在下，進(jìn)行極為順利，該路線具有成本低；產(chǎn)物低聚物少，容易精制；設(shè)備利用率高，輔助設(shè)備少等優(yōu)點(diǎn)。HOOCCOOH2CH2CH2HOCH2CH2COOCCOOCH2CH2OH對(duì)苯二甲酸雙羥乙酯O第8頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期二如果采用高純度的對(duì)苯二甲酸和環(huán)氧乙烷進(jìn)行反應(yīng)，其產(chǎn)物可不經(jīng)過精制就可以直接用于縮聚成聚酯。其中，酯交換聚酯法和直接酯化聚酯法現(xiàn)在依然是合成聚酯的兩大主要工藝路線. 酯交換路線是傳統(tǒng)的方法，因工藝技術(shù)成熟，所以至今在工業(yè)生產(chǎn)中仍占有相當(dāng)?shù)牡匚弧?第三章 聚酯纖維化 纖 工 藝 學(xué)第9頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期二直接酯

5、化聚酯路線雖然起步較晚，但與酯交換聚酯路線相比，因具有消耗定額低，乙二醇配料比低，無甲醇回收，生產(chǎn)控制穩(wěn)定，流程短，投資低等優(yōu)點(diǎn)，而發(fā)展迅速。目前國(guó)內(nèi)引進(jìn)的聚酯裝置多以后者為主，其生產(chǎn)能力1997年就已達(dá)到152萬t/a。 第10頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期二二、 聚對(duì)苯二甲酸乙二酯的生產(chǎn)1 . 生產(chǎn)原理用精制后的對(duì)苯二甲酸雙羥乙酯在縮聚反應(yīng)催化劑和穩(wěn)定劑縮聚反應(yīng)，分離出乙二醇后即得聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯，其反應(yīng)如下： 第11頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期二 由于縮聚反應(yīng)屬于可逆反應(yīng)，為了使縮聚反應(yīng)進(jìn)行完全，必須排出反應(yīng)生成的低分子物質(zhì)（乙二醇）

6、，為此必須采用真空及強(qiáng)力攪拌，縮聚反應(yīng)最終壓力不大于266.6Pa，才能獲得高相對(duì)分子質(zhì)量的聚酯，一般產(chǎn)品的平均相對(duì)分子質(zhì)量不低于20000，用于制造纖維、薄膜的相對(duì)分子質(zhì)量約為25000。第12頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期二 2聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯的生產(chǎn)工藝從操作方式上看，聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯的兩種主要生產(chǎn)路線都有間歇操作和連續(xù)操作之分。相比較而言，直接酯化法連續(xù)法比間歇法的成本低20%；酯交換法連續(xù)比間歇的成本低10%。下面主要介紹酯交換法和直接酯化法聚酯的生產(chǎn)工藝。第13頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期二（1）酯交換法連續(xù)生產(chǎn)聚酯工藝 酯交

7、換法連續(xù)生產(chǎn)聚酯工藝包括酯交換、預(yù)縮聚、縮聚等過程，其原則工藝流程如圖3-2所示。 酯交換將原料對(duì)苯二甲酸二甲酯連續(xù)加入熔化器中，加熱（1505）熔化后，用齒輪泵送入高位槽中。另將乙二醇連續(xù)加入到乙二醇預(yù)熱器中預(yù)熱至150160后，用離心泵送入高位槽中。將上述兩種原料按摩爾比12分別用計(jì)量泵連續(xù)定量加入酯交換塔上部。第14頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期二 分別將催化劑醋酸鋅和三氧化二銻按DMT的0.02%加入量，用過量0.4mol的乙二醇配制成液體加入高位槽中,并連續(xù)定量送入連續(xù)酯交換塔上部。 連續(xù)酯交換塔是一個(gè)塔頂帶有乙二醇回流的填充式精餾柱的立式泡罩塔?？刂契ソ粨Q溫

8、度為190220，反應(yīng)所生成的甲醇蒸氣通過塔內(nèi)各層塔板上的泡罩齒縫上升，進(jìn)行氣液交換后進(jìn)入冷凝器冷凝后第15頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期二流入甲醇貯槽中。原料由塔頂加入后，經(jīng)十六個(gè)分段反應(yīng)室流到最后一塊塔板，完成酯交換反應(yīng)，酯交換的生成物由塔底再沸器加熱后流入混合器中。第16頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期二12345678910111213DMTEG催化劑去甲醇貯槽回收EG接真空系統(tǒng)去包裝1415 酯交換法連續(xù)生產(chǎn)聚酯工藝流程第17頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期二預(yù)縮聚 混合器中的單體經(jīng)過濾器過濾后，經(jīng)計(jì)量泵、單體預(yù)熱器

9、送入預(yù)縮聚塔底部。預(yù)縮聚塔由十六塊塔板構(gòu)成，控制塔內(nèi)溫度在（2655）。單體由塔底進(jìn)入后，沿各層塔板的升液管逐層上升，在上升過程中進(jìn)行縮聚反應(yīng)，反應(yīng)所生成的乙二醇蒸氣起攪拌作用，可以加快反應(yīng)速率。當(dāng)物料到達(dá)最上一層塔板后，便得到特性粘度0.20.25的預(yù)聚物，預(yù)聚物由塔頂物料出口流出.第18頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期二縮聚 預(yù)聚物由計(jì)量泵定量連續(xù)輸送到臥式連續(xù)真空縮聚釜的入口。該釜為圓筒形的內(nèi)有49枚圓盤輪的單軸攪拌器，釜的底部有與圓盤輪交錯(cuò)安裝的隔板隔成的多段反應(yīng)室，如圖10-3所示。以鋅催化劑時(shí)，釜內(nèi)縮聚反應(yīng)溫度不超過270，加入穩(wěn)定劑后可控制275278，壓力

10、小于133.3Pa。在攪拌器的作用下，物料由縮聚釜一端向另一端移動(dòng)，在移動(dòng)過程中進(jìn)行縮聚反應(yīng)。當(dāng)物料到達(dá)另一端時(shí)，聚酯第19頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期二 樹脂的特性粘度逐漸增加到0.640.68。然后經(jīng)過連續(xù)紡絲、拉膜或造粒即得其產(chǎn)品。 （2）直接酯化聚酯生產(chǎn)工藝 直接酯化聚酯生產(chǎn)工藝所用的原料對(duì)苯二甲酸與乙二醇的質(zhì)量要求如表10-3所示。其工藝過程包括酯化與縮聚。第20頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期二酯化反應(yīng) 對(duì)苯二甲酸與乙二醇按摩爾比11.33配料，以三氧化二銻為催化劑，在攪拌下，控制酯化溫度在乙二醇沸點(diǎn)以上。酯化反應(yīng)在如圖3-2所示的反

11、應(yīng)釜中進(jìn)行。用平均聚合度為1.1的酯化物在反應(yīng)器中循環(huán)，酯化物與對(duì)苯二甲酸的摩爾比為0.8。控制釜的夾套溫度為270，物料在釜內(nèi)第一區(qū)室內(nèi)充分混合，制成粘度第21頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期二 為2Pas的漿液。這種漿液穿過區(qū)室間檔板上的小孔進(jìn)入下一個(gè)區(qū)室，物料在前進(jìn)中進(jìn)行反應(yīng)，最后獲得均一低聚物。反應(yīng)產(chǎn)生的水，經(jīng)蒸餾排出設(shè)備外。 縮聚反應(yīng) 縮聚反應(yīng)設(shè)備與酯交換基本相同，連續(xù)酯化后的產(chǎn)物進(jìn)入縮聚設(shè)備進(jìn)行連續(xù)縮聚反應(yīng)，即得聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯。第22頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期二由于直接酯交換法中一般要加入了磷酸三苯酯、亞磷酸三苯酯等 穩(wěn)定劑，

12、所以聚酯產(chǎn)物的熱穩(wěn)定 性和聚合度都比酯交換法聚酯 高，可以作為生產(chǎn)輪胎簾子線的 高質(zhì)量纖維。第23頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期二 第三節(jié)聚酯切片的干燥1、切片干燥的目的和要求 切片在熔融紡絲之前必須進(jìn)行干燥。干燥的目的是除去切片中的水分，并提高切片的結(jié)晶度和軟化點(diǎn)。 2、切片干燥的工藝控制 切片干燥過程實(shí)質(zhì)上是一個(gè)同時(shí)進(jìn)行的傳熱和傳質(zhì)過程，并伴隨著高聚物結(jié)構(gòu)(結(jié)晶)與性質(zhì)(軟化點(diǎn)等)的變化。 溫度 時(shí)間 風(fēng)速 風(fēng)濕度 第24頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期二3、切片干燥設(shè)備 PET切片干燥設(shè)備分為間歇式和連續(xù)式兩大類。間歇式設(shè)備有真空轉(zhuǎn)鼓干燥機(jī)；

13、連續(xù)式設(shè)備有回轉(zhuǎn)式、沸騰式和充填式等干燥機(jī)，也有用多種形式組合而成的聯(lián)合干燥裝置，如德國(guó)的KF、BM，吉瑪和日本的鐘紡、奈良等干燥裝置。第25頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期二VC353真空干燥機(jī)示意圖第26頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期二回轉(zhuǎn)圓筒一充填組合干燥工藝流程圖第27頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期二 KF式干燥工藝流程第28頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期二 間歇式預(yù)結(jié)晶和BM式干燥工藝流程圖第29頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期二第四節(jié) 聚酯纖維的紡絲 聚酯纖維是通過熔

14、融紡絲法生產(chǎn)的，一般是將聚酯樹脂切片經(jīng)過真空干燥（真空度266.6666.5Pa，溫度140150，時(shí)間1020h），除去吸附的微量水分，并使樹脂由無定型變?yōu)榻Y(jié)晶形后，在惰性氣體的保護(hù)下加熱成熔體。再在一定壓力下定量壓出噴絲孔，冷卻后形成纖維，再經(jīng)拉伸、卷曲、切斷等工序成為一定規(guī)格的第30頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期二 可紡短纖維；或在拉伸后進(jìn)行加捻、定型等后處理工序，成為符合各項(xiàng)指標(biāo)的長(zhǎng)纖維。 PET纖維一般以紡絲速度高低來劃分紡絲技術(shù)路線類型 常規(guī)紡絲：紡絲速度10001500mmin，其卷繞絲為未拉伸絲，通稱UDY（undraw yarn）第31頁(yè)，共56頁(yè)，2

15、022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期二中速紡絲：紡絲速度為15003000mmin。其卷繞絲具中等取向度，為中取向絲，通稱MOY（medium orented yarn）高速紡絲：紡絲速度為30006000mmin。紡絲速度為4000mmin以下的卷繞絲具有較高的取向度，為預(yù)取向絲POY（preoriented yarn）。第32頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期二 若在紡絲過程中引入拉伸作用，可獲得具有高取向度和中等結(jié)晶度的卷繞絲，為全拉伸絲FDY（full draw yarn）。超高速紡絲：紡絲速度為60008000mmin。卷繞絲具有高取向和中等結(jié)晶結(jié)構(gòu)，為全取向絲

16、，通稱FOY。第33頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期二1.紡絲熔體的制備 由縮聚釜或用連續(xù)縮聚制得的PET熔體可直接用于紡絲，也可以經(jīng)鑄帶、切粒后再熔融以制備紡絲熔體。 用于熔紡合成纖維生產(chǎn)的主要是單螺桿擠出機(jī)，其結(jié)構(gòu)見圖 。第34頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期二單螺桿擠出機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖第35頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期二2. 紡絲機(jī)的基本結(jié)構(gòu) VD405高壓紡絲頭組件第36頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期二3. 紡絲過程中的主要工藝參數(shù) 熔法紡絲過程中有許多參變數(shù)，這些參變數(shù)決定纖維成形的歷程和紡出纖維

17、的結(jié)構(gòu)和性能，生產(chǎn)上就是通過控制這些參數(shù)來制得所要求性能的纖維。 按工藝過程生產(chǎn)中控制的主要紡絲參數(shù): 熔融條件 噴絲條件 固化條件 繞絲條件 第37頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期二4. 聚酯短纖維的紡絲工藝 PET短纖維的紡絲，按其使用的原料狀態(tài)不同，可分為切片紡絲和直接紡絲兩類。切片紡絲工藝流程：PET切片干燥熔融 紡絲后處理成品纖維直接紡絲工藝流程：PET熔體一紡絲一后處理 一成品纖維。第38頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期二 PET短纖維常規(guī)紡絲工藝流程圖 第39頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期二5.聚酯長(zhǎng)絲的紡絲工藝

18、PET長(zhǎng)絲 普通長(zhǎng)絲(復(fù)絲)、 工業(yè)用長(zhǎng)絲 彈力絲 空氣變形絲等品種。 聚酯長(zhǎng)絲的生產(chǎn)工藝路線第40頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期二PET長(zhǎng)絲分類如下：第41頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期二 長(zhǎng)絲紡絲工藝流程圖第42頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期二 第五節(jié) 聚酯纖維的高速紡絲圖-PET短纖維高速短程紡絲工藝流程示意圖1. 短纖維高速紡絲第43頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期二 PET預(yù)取向絲的生產(chǎn) 全拉伸絲的生產(chǎn) 全取向絲的生產(chǎn) 2. 長(zhǎng)絲高速紡絲第44頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分

19、，星期二第六節(jié) 聚酯纖維后加工纖維后加工作用：（1）將纖維進(jìn)行拉伸（或補(bǔ)充拉伸），使纖維中大分子取向，并規(guī)整排列，提高纖維強(qiáng)度，降低伸長(zhǎng)率。（2）將纖維進(jìn)行熱處理，使大分子在熱作用下，消除拉伸時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，降低纖維的收縮率，并提高纖維的結(jié)晶度。（3）對(duì)纖維進(jìn)行特殊加工，如將纖維卷曲或變形、加捻等，以提高纖維的摩擦系數(shù)、彈性、柔軟性、蓬松性，或使纖維具有特殊的用途及紡織加工性能。第45頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期二圖-15 PET短纖維后加工工藝流程示意圖第46頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期二2. PET長(zhǎng)絲后加工主要工藝參數(shù) 拉伸倍數(shù)： 拉伸

20、倍數(shù)由冷拉伸盤和熱盤的線速度之比確定，要大于卷繞絲的自然拉伸比，小于最大拉伸比，一般為3.54.2倍。 拉伸溫度： 拉伸溫度指熱盤溫度，要高于纖維玻璃化溫度1020，一般控制在8090土10。在此范圍內(nèi)溫度變化對(duì)纖維強(qiáng)度無明顯影響；但隨溫第47頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期二度升高，拉伸倍數(shù)可以增大、結(jié)晶度升高、拉伸應(yīng)力下降、毛絲減少、染色不勻率增加。 拉伸速度：拉伸速度一般在800mmin左右，過高的拉伸速度容易出現(xiàn)毛絲。 定型溫度；定型溫度指熱板或狹縫溫度，一般控制在180左右 。第48頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期二PET長(zhǎng)絲拉伸加捻機(jī)示意圖第49頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期二3. 假捻變形絲加工PET彈力絲的加工方法第50頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期二捻向示意圖 假捻原理示意圖假捻原理示意圖第51頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)24分，星期二第七節(jié) 聚酯纖維的改性和新型聚酯纖維易染色聚酯纖維抗靜電導(dǎo)電聚