1、化学纤维生产原理及工艺化学纤维生产原理及工艺3.33.3干法纺丝原理及工艺干法纺丝原理及工艺n 将聚合物溶于挥发性溶剂中，通过喷丝孔喷出细将聚合物溶于挥发性溶剂中，通过喷丝孔喷出细流，在热空气中形成纤维的纺丝方法。流，在热空气中形成纤维的纺丝方法。n 分解温度低于熔点或加热时易变色，但能溶解在分解温度低于熔点或加热时易变色，但能溶解在适当溶剂中的聚合物适用于干法纺丝适当溶剂中的聚合物适用于干法纺丝. 例：二醋酯纤维例：二醋酯纤维 对于既能用干法纺丝，又能用湿法纺丝成形的纤对于既能用干法纺丝，又能用湿法纺丝成形的纤维，如聚丙烯腈纤维、聚氯乙烯纤维、聚乙烯醇、维，如聚丙烯腈纤维、聚氯乙烯纤维、聚乙
2、烯醇、聚氨酯等纤维，干法纺丝更适合于纺长丝。聚氨酯等纤维，干法纺丝更适合于纺长丝。 3.3.1干法纺丝工艺干法纺丝工艺3.3.2干法纺丝原理干法纺丝原理3.3.2.1干法纺丝的运动学和动力学干法纺丝的运动学和动力学a.干法纺丝线上的直径分布和速度分布干法纺丝线上的直径分布和速度分布近喷头区域：近喷头区域：沿纺程沿纺程dx ,V,Vx x(胀大区基本消失胀大区基本消失) )离喷头稍远区：离喷头稍远区：沿纺程沿纺程dx ， V Vx x(x x有极大值有极大值) )近固化区：近固化区：d dx x及及V Vx x均趋于平稳均趋于平稳b.干纺纺丝线上的轴向力平衡分析干纺纺丝线上的轴向力平衡分析若分析
3、从若分析从x=0至至x=x处的一段纺丝线处的一段纺丝线 Fr(x)=Fr(0)+Fs+Fi+Ff-Fg其中：其中：Fi=Fi理论理论+Fi,(Fi0)(溶剂蒸发速率较低时，也可由溶剂蒸发速率较低时，也可由Sakiadis公式求公式求)Fg通常较小，通常较小，Fs可忽略可忽略XxsrxfdxRxF0,2)( 对纺程张力的贡献最重要对纺程张力的贡献最重要3.3.2.2干纺纺丝中的传热和传质干纺纺丝中的传热和传质I区区(起始蒸发区起始蒸发区) (近喷孔处近喷孔处)： 溶剂大量挥发溶剂大量挥发 T至至T Tm m附近，且附近，且T T中心中心TT表面表面II区区(恒速蒸发区恒速蒸发区) ：溶剂恒速挥发
4、溶剂恒速挥发 TTmIII区（区（降速蒸发区）：溶剂降速挥发降速蒸发区）：溶剂降速挥发 T表表至至T热风热风干纺成形时沿纺程温度和溶剂的干纺成形时沿纺程温度和溶剂的浓度分布图浓度分布图1纤维表面温度纤维表面温度 2纤维中心温度纤维中心温度 3纤维内溶剂的平均浓度纤维内溶剂的平均浓度CP纤维周围的介质纤维周围的介质 P纺丝溶液纺丝溶液 X (t)纺程（时间）纺程（时间） Tm湿球温度湿球温度3.3.2.3干法纺丝中纤维结构的形成干法纺丝中纤维结构的形成1.超分子结构超分子结构 特点：一般存在结晶或准晶，但分子和微晶的取向度很低。特点：一般存在结晶或准晶，但分子和微晶的取向度很低。2.形态结构形态
5、结构(1)截面形状结构特点及影响因素截面形状结构特点及影响因素E/V 1 趋于圆形（无皮层）趋于圆形（无皮层）稍稍1 略偏离圆形（存在皮层）略偏离圆形（存在皮层） 1 近梅花形近梅花形 1 呈扁平状，近于大豆形或哑铃形呈扁平状，近于大豆形或哑铃形纺丝液浓度纺丝液浓度，越偏离圆形，越偏离圆形纤维在甬道中的停留时间纤维在甬道中的停留时间(2)其他形态结构特点其他形态结构特点 无明显孔洞和微纤结构，皮芯结构不如湿纺明显无明显孔洞和微纤结构，皮芯结构不如湿纺明显化学纤维生产原理及工艺化学纤维生产原理及工艺3.43.4其他纺丝技术简介其他纺丝技术简介3.4.1干湿法纺丝干湿法纺丝与湿法相比，喷丝头拉伸与
6、湿法相比，喷丝头拉伸，使纺速，使纺速与湿法相比，喷丝孔径可与湿法相比，喷丝孔径可与湿法相比，纺丝液浓度及粘度可与湿法相比，纺丝液浓度及粘度可与干法相比，能有效调节纤维结构形成过程与干法相比，能有效调节纤维结构形成过程Coagulation bathSpin line incoagulation bathGodetrollerxWindingrollerGodet rollerSpin line in air gapSpinneret3.4.2冻胶纺丝（凝胶纺丝）冻胶纺丝（凝胶纺丝）冻胶纺丝也称凝胶纺丝，是一种通过冻胶态中间物质制得高强冻胶纺丝也称凝胶纺丝，是一种通过冻胶态中间物质制得高强度纤维
7、的新型纺丝方法。度纤维的新型纺丝方法。 冻胶纺丝通常采用干湿法纺丝工艺，使挤出细流先通过气隙，冻胶纺丝通常采用干湿法纺丝工艺，使挤出细流先通过气隙，然后进入凝固浴。因此与普通干湿法纺丝的区别，主要不在于然后进入凝固浴。因此与普通干湿法纺丝的区别，主要不在于纺丝工艺，而在于挤出细流在凝固浴中的状态不同纺丝工艺，而在于挤出细流在凝固浴中的状态不同 冻胶纺丝的所有技术要点都是为了减少宏观和微观的缺陷，冻胶纺丝的所有技术要点都是为了减少宏观和微观的缺陷，使结晶结构接近理想的纤维，使分子链几乎完全沿纤维轴取向。使结晶结构接近理想的纤维，使分子链几乎完全沿纤维轴取向。 与干法、湿法相比与干法、湿法相比:
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%） 固化过程主要是冷却过程，溶剂基本不扩散固化过程主要是冷却过程，溶剂基本不扩散 拉伸比大（大于拉伸比大（大于20） 产品高强高模产品高强高模3.4.3液晶纺丝液晶纺丝 具有刚性分子结构的聚合物在适当的溶液浓度和温具有刚性分子结构的聚合物在适当的溶液浓度和温度下，可以形成各向异性溶液或熔体。度下，可以形成各向异性溶液或熔体。 在纤维制造过程中，各向异性溶液或熔体的液晶区在纤维制造过程中，各向异性溶液或熔体的液晶区在剪切和拉伸流动下易于取向，同时各向异性聚合物在在剪切和拉伸流动下易于取向，同时各向异性聚合物在冷却过程中会发生相
9、变形成高结晶性的固体，从而可以冷却过程中会发生相变形成高结晶性的固体，从而可以得到高取向度和高结晶度的高强纤维。得到高取向度和高结晶度的高强纤维。 溶致性聚合物的液晶纺丝通常采用干湿法纺丝工艺。溶致性聚合物的液晶纺丝通常采用干湿法纺丝工艺。 热致性聚合物的液晶纺丝可采用熔融纺丝工艺。热致性聚合物的液晶纺丝可采用熔融纺丝工艺。 3.4.4相分离纺丝法相分离纺丝法 与冻胶纺丝法类似，采用一种聚合物溶液作为纺丝原液，纺丝线的固化是改变温度的结果，而不是改变溶液的组成。 由聚合物在溶剂中不同温度下溶解度不同的原理，使聚合物溶液极速降温，从而导致聚合物与溶剂发生相分离而固化。 临界相分离温度高于室温而低
10、于挤出温度。 所得初生纤维经过拉伸和萃取溶剂得到成品纤维优点：纺丝速度高，生产能力大（1001600m/min） 溶液浓度可较低，而形成细旦纤维。 可纺制填充物粒径高于纤维直径的纤维。缺点：溶剂的选择及回收 理论尚不成熟3.4.4乳液纺丝法乳液纺丝法将成纤高聚物分散在分散介质中，构成乳液或悬浊液进行纺丝的方法。将成纤高聚物分散在分散介质中，构成乳液或悬浊液进行纺丝的方法。适用与一些熔点高于分解温度，且无合适的溶剂的聚合物进行纺丝。适用与一些熔点高于分解温度，且无合适的溶剂的聚合物进行纺丝。50年代就被用来生产聚四氟乙烯纤维。年代就被用来生产聚四氟乙烯纤维。过程与湿纺纺丝类似。过程与湿纺纺丝类似
11、。将粉末状的聚合物颗粒分散在某种成纤载体中，配置成乳液，载体通将粉末状的聚合物颗粒分散在某种成纤载体中，配置成乳液，载体通常是另一种聚合物的溶液，且这种聚合物溶液易被纺制成纤维，并能常是另一种聚合物的溶液，且这种聚合物溶液易被纺制成纤维，并能在高温下破坏分解掉。在进行高温处理时，载体分解，而高熔点的聚在高温下破坏分解掉。在进行高温处理时，载体分解，而高熔点的聚合物粒子被烧结或熔融而连续化形成纤维。为了提高纤维强度，在进合物粒子被烧结或熔融而连续化形成纤维。为了提高纤维强度，在进行烧结时通常进行一定的拉伸。行烧结时通常进行一定的拉伸。适用于生产：聚四氟乙烯纤维、陶瓷纤维、碳化硅纤维、氧化硅纤维、
12、适用于生产：聚四氟乙烯纤维、陶瓷纤维、碳化硅纤维、氧化硅纤维、维氯纶（氯乙烯在维氯纶（氯乙烯在PVA水溶液中进行乳液聚合后进行纺丝）等。水溶液中进行乳液聚合后进行纺丝）等。3.4.6静电纺丝法静电纺丝法 静电纺丝法是一种对高分静电纺丝法是一种对高分子溶液或熔体施加高电压进行子溶液或熔体施加高电压进行纺丝的方法。纺丝的方法。 静电纺丝的装置包括定量静电纺丝的装置包括定量供给溶液或熔体的装置（计量供给溶液或熔体的装置（计量泵）形成细流的装置（喷丝模泵）形成细流的装置（喷丝模口）以及纤维接受装置。口）以及纤维接受装置。regenerated silk fibroin aqueous solution
13、l蜘蛛和蚕是在空气中吐丝蜘蛛和蚕是在空气中吐丝成形的，其成丝过程其实是成形的，其成丝过程其实是一个干法纺丝过程。一个干法纺丝过程。l静电纺丝从本质上而言，静电纺丝从本质上而言，属于一种干法纺丝过程。属于一种干法纺丝过程。 静电压：静电压：20KV40KV；喷射孔径：喷射孔径：0.9mm；接收距离：接收距离：11cm。 例例:再生蚕丝蛋白水溶液的静电纺丝再生蚕丝蛋白水溶液的静电纺丝(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喷射纺丝法喷射纺丝法采用高压和高速气流来分散高聚物溶液或熔体进行采用高压和高速气流来分散高聚物溶液或熔体进行纺丝的方法。纺丝的方法。纺丝流体经过一个窄缝型模口挤出，而后通过文丘纺丝流体经过一个窄缝型模口挤出，而后通过文丘里管或高速气流喷嘴进行喷吹拉伸，形成极细的纤里管或高速气流喷嘴进行喷吹拉伸，形成极细的纤维。维。与静电纺丝法可结合使用。与静电纺丝法可结合使用。3.4.8离心纺丝法离心纺丝法 取消喷丝头，将聚合物熔体自轴心引入一个快速转动着的喇叭口中央，由于离心力的作用使流体甩出，通过喇叭口的内表面而成为一逐渐变薄的薄膜，在离开喇叭口的边缘后
15、薄膜被分散成纤维，随后被干燥或冷却而固化。3.4.9无喷头熔池纺丝法无喷头熔池纺丝法 直接从聚合物熔体表面将丝条拉出经冷却固化后形成纤维直接从聚合物熔体表面将丝条拉出经冷却固化后形成纤维的方法。的方法。 由于大多数聚合物的热稳定性都不是很好，故从未加保由于大多数聚合物的热稳定性都不是很好，故从未加保护的熔体表面自然拉出纤维的过程尚未成功。护的熔体表面自然拉出纤维的过程尚未成功。 有研究表明，将聚合物熔体表面遮蔽起来，如采用保温有研究表明，将聚合物熔体表面遮蔽起来，如采用保温隔膜，则纺丝过程可以稳定的进行。隔膜，则纺丝过程可以稳定的进行。 熔池纺丝法可以生产与普通熔融纺丝性质类似的纤维，熔池纺丝法可以生产与普通熔融纺丝性质类似的纤维，但纤维的变异系数较大。采用熔池纺丝法还可较为容易的生但纤维的变异系数较大。采用熔池纺丝法还可较为容易的生产双组份复合纤维，将芯层聚合物熔体从皮层聚合物熔体表产双组份复合纤维，将芯层聚合物熔体从皮层聚合物熔体表面下方喷出。面下方喷出。
