2017年高分子材料加工工艺学I-复习题及答案

高分子材料加工工艺学复习题

1、合成PET的原料（单体）是什么？写出直接酯化法合成聚对苯二甲酸乙二酯的主要化学反应式。P11,P13 分子式自写

答：（1）单体：对苯二甲酸双羟乙二酯（BHET）

（2）直接酯化法即将对苯二甲酸（TPA）与乙二醇（EG）直接进行酯化反应，一步制得BHET。BHET缩聚脱除EG生成PET。

反应式：

2、聚酯切片干燥的目的是什么？其干燥机理是什么？ P20 P20~21

答：（1）目的 1）除去水分。在纺丝温度下，切片中的水分存在使PET大分子的酯键水解，聚合度下降，纺丝困难、质量降低；少量水分汽化造成纺丝断头。

2）提高切片含水的均匀性，以保证纤维质量均匀。

3）提高结晶度及软化点，防止环结阻料。

（2）机理1）切片中的水分：PET大分子缺少亲水性基团，吸湿能力差，通常湿切片含水率<0.5%，其水分分为两部分：一部分是沾附在切片上表面的非结合水，另一部分是与PET大分子上的羰基及极少数的端羟基等以氢键结合的结合水。

2）切片的干燥曲线：切片干燥包括两个基本过程：加热介质传热给切片，使水分吸热并从切片表面蒸发，水分从切片内部迁移至切片表面，再进入干燥介质中。这两个过程同时进行，因此切片的干燥实质是一个同时进行传质和传热的过程，并伴随高聚物的结晶度和软化点变化。干燥曲线可知：①切片的含水率随干燥时间延长而逐步降低到平衡。②干燥速度与T、t有关，T升高，V升高，140℃时最快。③后期曲线平缓

3）切片干燥过程的结晶：由于PET分子链的结构具有高度立构规整性，所有的芳环几乎处于同一平面上，因而具有紧密堆积的能力与结晶倾向。结晶对切片干燥速度有很大影响。通常情况下，结晶会使干燥速率迅速大幅度下降。

3、螺杆挤压机按几何分段可分哪三段？各段的作用是什么？P26、原理ⅡP262

理解名词术语：螺杆的长径比、压缩比 P26~27

答：（1）三段：进料段、压缩段和计量（均化）段。

（2）作用：①进料段：对物料进行输送和预热，使物料受压、受热前移；②压缩段：压实物料、使物料熔融，排除物料中的空气；③计量段：使熔体进一步塑化均匀，并将料流定量、定压地送入机头，使其在口模中成型。

（3）螺杆的长径比（L/D）：指螺杆工作长度（不包括鱼雷头及附件）与外径之比。物料在这个长度上被输送、压缩和加热熔化。

（4）螺杆的压缩比：螺杆的压缩作用以压缩比i表示。而螺杆压缩比是指螺杆的加料段一个螺槽的容积与均化段（计量段）一个螺槽容积的比值。熔体纺丝用螺杆常用压缩比为3~3.5。

4、熔体纺丝机一般由哪几部分组成，各部分的作用是什么？按纺丝速度的高低，聚酯纺丝技术路线可分成哪四个类型？P25

答：（1）熔体纺丝机：①螺杆挤压机：由螺杆、套筒、传动部分、加料斗加热和冷却装置构成。

是纺丝机的主要部件。对物料起到输送、压实融化、混匀和塑化并定量输出的作用。

②纺丝箱：箱体内装有至各部位的熔体分配管，计量泵和纺丝头组件安置的保温座以及电热棒等。作用是保持由挤压机送至箱体的熔体经各部件到每个纺丝位都有相同的温度和压力降，保证熔体均匀的分配到每个纺丝部位上。

③纺丝组件：是喷丝板、熔体分配板、熔体过滤材料及组装套的结合件。作用一是过滤熔体，去除熔体中可能夹带的机械杂质和凝胶粒子，防止堵塞喷丝孔眼，延长喷丝板的使用周期；二是使熔体能充分混合，防止熔体发生粘度的差异；三是把熔体均匀地分配到喷丝板的每一小孔中去形成熔体细流。

④计量泵与喷丝板：计量泵的作用是精确计量、连续输送成纤高聚物熔体或溶液，并与喷死头组件结合产生预定的压力，保证纺丝流体通过过滤层到达喷丝板，以精确的流量从喷丝孔喷出。喷丝板的作用是将高聚物熔体或溶液通过微孔转变成具有特定截面的细流，经风冷却或凝固浴固化而形成丝条。

（2）技术路线：①常规纺丝：纺丝速度1000~1500m/min，其卷绕丝为未拉伸丝，通称UDY。

②中速纺丝：纺丝速度1500~3000m/min，其卷绕丝具中等取向度，为中取向丝，通称MOY。

③高速纺丝：纺丝速度3000~6000 m/min，纺丝速度4000 m/min以下的卷绕丝具有较高的取向度，为预取向丝，通称POY。若在纺丝过程中引入拉伸作用，可获得具有高取向度和中等结晶度的卷绕丝，为全拉伸丝，通称FDY。

④超高速纺丝：纺丝速度6000~8000 m/min。卷绕丝具有高取向度和中等结晶结构，为全取向丝，通称FOY。

5、何谓纤维的假捻变形？摩擦假捻变形机生产变形纱的机理是什么？PET-DTY弹性机理是什么？ P49

答：（1）假捻变形：利用纤维的热塑性，通过假捻器使纤维加捻，

热定型和解捻，从而使纤维具有高度卷曲蓬松的形状。

（2）摩擦假捻变形机生产变形纱的机理：当固定丝的一端，使

另一端旋转时，则可实现丝条的加捻加工。若固定丝的两端，握持住

中间加以旋转，则以握持点为界，在握持点上、下两端的丝条得到捻

向相反而捻数相等的捻度（n和-n），而在整根丝上的捻度为零，此

种状态在动力学上称为假捻。如果丝条以一定速度v运行，则在握持

点以前的捻数为n/v，在握持点以后，以相反捻向（-n/v）移动。因

此在握持点以后区域中的捻数为零。而摩擦式加捻器的握持方法常用

三轴重叠盘，把丝直接压在数组圆盘的外表面上。由于圆盘的高速旋转，借助其摩擦力使丝条加捻。在假捻器上方，丝被加捻；而在假捻器下方，丝被解捻。

（3）PET-DTY弹性机理：加捻复丝在解捻时，各根单丝可回到原始状态，但它们在加捻时形成的螺旋形结构已经由热处理而定型，并保存下来。然而，由解捻作用对加捻复丝施加反方向扭矩时，会使各单丝产生内应力，加捻热定型后的解捻结果，使长丝纱各单丝呈正反螺旋状交替排列的空间螺旋弹簧形弯曲状态，从而使各复丝直径增大，蓬松度提高。由于形成的螺旋可被拉直，故变形丝在负荷的作用下有很大的伸长形变。当外力负荷去除时，由于内应力作用又使各单丝回复到初始螺旋状弯曲状态。

6、试述涤纶网络丝的加工原理。P52

答：网络丝是指丝条在网络喷嘴中，经喷射气流作用，单丝互

相缠结而呈周期性网络点的长丝。

网络原理：当合纤长丝在网络器的丝道中通过时，受到与

丝条垂直的喷射气流横向撞击，产生与丝条平行的涡流，使各

单丝产生两个马鞍形运动和高频率振动的波浪形往复。合纤长

丝首先松开，随后整根丝条从网络喷嘴丝道里通过，折向气流使每根单丝不同程度地被捆扎和

加速--丝道中间最大，丝道侧壁的则较弱，当速度不同的单丝在丝道内相汇合时，便发生交络、缠结，产生沿丝条轴线方向上的缠结点。由于不同区域涡流的流体速度不同，从而形成了周期性的网络间距和结点。

网络喷嘴有开启式和封闭式之分，其中包括单孔和复孔。

7、己内酰胺的水解聚合机理是什么？其切片为什么要进行萃取处理？ P69 P70答：（1）水解聚合机理：整个聚合过程反应过程中同时存在加聚反应和缩聚反应，二者的相对重要性则依赖于各种因素。每一个己内酰胺大分子的形成都通过下列三个阶段：链的引发、链的增长、链的终止。主要化学平衡包括：己内酰胺的引发；通过加成聚合和缩聚使链结增长；通过酰胺键的交换使相对分子质量重新分布；单体和低聚物的再生成。

（2）萃取目的：萃取等纺前准备，可以除去切片中大部分单体和低聚物，并通过干燥降低切片的含水率，避免聚酰胺熔融时发生水解，使纺丝得以正常进行。

8、为什么聚酰胺6民用丝可用室温拉伸？而帘子线则用热拉伸工艺？ P85~86

答：（1）一般拉伸温度要求高于玻璃化温度，并低于软化温度。温度过高时，大分子解取向的速度很快，不能得到稳定的取向结构。聚酰胺6纤维的玻璃化温度约为35~50℃(较低)，熔融温度约为215~220℃，由于民用丝要求有一定延伸度，柔软而且有弹性，染色性好，因此拉伸倍数选择较低，所以可在室温下拉伸。

（2）由于聚酰胺6帘子线要求断裂强度高、抗冲击负荷性能优异、耐疲劳强度高以及与橡胶的附着力好等优良性能。需采用较高倍数的拉伸，为了降低拉伸所需的张力，并使拉伸均匀，需采用热拉伸。

9、丙纶纺丝冷却成型工艺，侧吹风温以偏低为好。为什么？ P110~111

答：成型过程中的冷却速度对聚丙烯纤维的质量有很大影响，若冷却较快，纺丝得到的初生纤维是不稳定的碟状结晶结构；若冷却缓慢，则得到的初生纤维是稳定的斜晶体结构。冷却条件不同，初生纤维的晶区大小及结晶度也不同。当丝室温度较低时，成核速度大，晶核数目多，晶区尺寸小，结晶度低，有利于后拉伸。实际生产中，丝室温度以偏低为好。采用侧吹风时，丝室温度可为35~40℃；环吹风时可为30~40℃，送风温度为15~20℃，风速为0.3~0.8m/s 10、丙纶短程纺的设备特点是什么？一般适合做什么品种？ P116 P109

答：（1）设备特点：冷却效果好，纺丝细流的冷却长度较短（0.6~1.7），没有纺丝甬道，纺丝丝仓、上油盘以及卷绕机构在一个操作平面上，设配高度大大降低，并相应降低了空调量和厂房的投资。

（2）品种：细旦或卫生巾用非织造布，地毯，针刺地毡，产业用纺织用丝、地毯，产业用纺织品，高级卫生用非织造布，高强丝，过滤织物。

11、三元共聚聚丙烯腈纤维中三种单体的作用是什么？P132

答：第一单体（丙烯腈88%-95%）：作为基体，是纤维结构的基础，提高结晶度和强度。

第二单体（4%-10%）：降低PAN的结晶性，增加纤维的柔软性，提高纤维的机械强度、弹性和手感，提高染料向纤维内部的扩散速度，在一定程度上改善纤维的染色性。

第三单体(0.3%-2%)：引入一定数量的亲染料基团，以增加纤维对染料的亲和力，可制得色谱齐全，颜色鲜艳，染色牢度好的纤维，并使纤维不会因热处理等高温过程而发黄。

12、腈纶湿法成型初生纤维为何要进行低倍预热浴拉伸？

答：所谓溶剂拉伸是指将刚成型的纤维在一定温度、一定浓度的NaSCN溶液中进行低倍拉伸。

目的：（1）为达到工艺总牵伸创造条件；（2）提高初生纤维的强度；（3）降低丝的直径，提高水洗的效率。

13、腈纶湿法成型初生纤维为何要进行干燥致密化？其机理是什么？致密的条件是什么？ P160

答：（1）原因：因为初生纤维经拉伸后，超分子结构已经基本形成。但是对于湿法纺丝得到的聚丙烯腈纤维而言，由于在凝固浴过程中溶剂和沉淀剂之间的相互扩散，使纤维中存在为数众

多、大小不等的空间及裂隙结构。由于这种结构的存在，造成纤维的透光率低（失透或泛白），染色均匀性及物理—力学性能差。因此，必须通过干燥去除纤维中的水分，使纤维中的微孔闭合，而空洞及裂隙变小或部分消失，使其结构致密，均匀，以制得具有实用价值的高质量腈纶。

（2）机理：在适当温度下进行干燥，由于水分逐渐蒸发并从微孔移出，在微孔中产生一定的负压，即有毛细管压力。而且，在适当温度下，大分子链段能比较自由地运动而引起热收缩，使微孔半径相应发生收缩，微孔之间的距离越来越近。导致分子间作用力急剧上升，最后达到微孔的融合。

（3）条件：要有适当的温度，使大分子链段比较自由地运动；要有在适当温度下脱除水分时产生的毛细管压力，才能使空洞压缩并融合。

14、聚醋酸乙烯醇解制备聚乙烯醇的原理是什么？

答：

15、聚乙烯醇缩醛纤维缩醛化的原理及目的是什么？

答：

16、合成聚酯型聚氨酯、聚醚型聚氨酯的原料单体有哪些？聚氨酯弹性的原因是什么？p198-199

答：（1）原料：1）二异氰酸酯，一般选用芳香族二异氰酸酯，如二苯基甲烷-4,4’-二异氰酸酯（MDI）或2,4-甲苯二异氰酸酯（TDI）

2）二羟基化合物一般选用相对分子质量为800-3000，分子两个末端基均为羟基的脂肪族聚酯或聚醚。脂肪族聚酯由二元酸和二元醇缩聚制得，如聚己二酸乙二醇酯，脂肪族聚醚用环氧化合物水解开环聚合制得，如聚四亚甲基醚二醇。

3）扩链剂大多数扩链剂选用二胺类（由芳香族二胺制备的纤维耐热性好，脂肪族二胺制备的纤维强力和弹性好），二肼类（耐光性较好，但耐热性下降）或二元醇。

4）添加剂一般添加抗老化剂、光稳定剂、消光剂、润滑剂、颜料等添加剂。

（2）弹性原因:聚氨酯纤维的分子结构是由分子间作用力较弱的、链段长度较长的脂肪族聚醚或聚酯镶嵌单元（软段）与分子间作用力较强、链段较短的芳香族二异氰酸酯嵌段单元（硬段）组成的线型共聚体。软段具有足够高的相对分子质量、良好的柔顺性和较低的玻璃化温度，为纤维提供弹性基团。而硬段起着支撑骨架的作用，具有一定的刚性。

17、理解英文缩写：UDY、MOY、POY、FDY、FOY、HOY、TCS、BCF、DT、DTY、ATY等产品的生产方法。 P25/41/48/49/53/85/91

答：UDY（undrawn yarn）未拉伸丝：常规纺丝法

MOY（medium oriented yarn）中取向丝：中速纺丝法

POY(pre-oriented yarn) 预取向丝：高速纺丝法

FDY(fully drawn yarn) 全拉伸丝：高速纺丝法

FOY（fully oriented yarn）全取向丝：超高速纺丝法

HOY（high oriented yarn）高取向丝：超高速纺丝法

TCS（thermal channel spinning）全拉伸丝：热管纺丝法对已完成冷却定型的丝束进行再加热，利用受热丝束的热塑性和惯性，再较高的纺丝速度下，对丝束进行拉伸和定型。

BCF膨体(变形)长丝采用SDTY法，即纺丝、拉伸和喷气变形加工一步法连续生产

DT 拉伸加捻丝在同一设备（DT机）上完成，以拉伸为主并给予少量捻度。

DTY假捻变形丝利用假捻连续工艺，将拉伸和假捻变形连续进行，完成对复丝加上高捻度，热定型和解捻。

ATY 空气变形丝以POY或FOY为原丝，通过特殊的喷嘴，让单丝在空气喷射下弯曲成圈装结构，环圈和线圈缠结在一起。形成的环圈丝部分拉断后就变成空气变形丝。

18、写出粘胶纤维从原料浆粕到纺丝成型的工艺流程。

答：粘胶纤维的原料和成品,其化学组成都是纤维素纤维,仅是形态、结构以及物理机械性质发生了变化。粘胶纤维生产的任务，就是通过化学和机械的方法,将浆粕中很短的纤维制成各种形态,并具有所要求的品质,适合各种用途的纤维成品。各种粘胶纤维,不论采用何种浆粕原料和生产设备，其生产的基本过程都是相同的，都必须经过下列四个过程：:⑴粘胶的制备；

⑵粘胶在纺丝前的准备；⑶纤维的成形；⑷纤维的

后处理

生产粘胶短纤维的主要过程也和这个相同,其

中前两个工序在本厂叫制胶工序, 后两个叫纺丝工

序。

（1）制胶工序：把浆粕制成粘胶，要经过两个

化学过程。首先将浆粕与碱液作用，生成碱纤维

素，然后再使碱纤维素与二硫化碳作用，生成纤维

素黄酸酯。通过这两个反应，在不能直接溶于希碱

液中的纤维素分子上，引入极性很强的磺酸基团，

从而使它溶解而制得粘胶。这时粘胶为粗制粘胶，

还要经过精制过程才能进行纺丝。

（2）纺丝工序：从粘胶变成具有一定品质的再

生纤维素丝条的过程，是在纺丝机上通过酸性的凝

固浴酸浴完成的，形成的纤维素丝条经过牵伸、切

断、精炼等工序得到品质符合要求的丝束，然后

经过烘干工序赋予其一定的回潮率使之手感穿着更

舒适,再经过打包工序包装成具有一定质量的纤维包等待出厂。

19、何谓纤维素的碱化、老成、黄化？目的各是什么？

答：（1）碱化：浆粕在18%左右的烧碱溶液中，纤维素与烧碱作用，生成碱纤维素，同时浆粕膨胀，使浆粕中的半纤维素与其他杂质溶出，这个过程称为碱化，也叫浸渍。

作用：①纤维素与烧碱作用，生成碱纤维素；②使浆粕中的半纤维素与其他杂质溶出；

③纤维大分子间的氢键受到破坏，使纤维素的反应性能提高；④碱化后的纤维素能与CS2作用生成纤维素黄酸酯钠盐制取黏胶溶液。

（2）老成：粉碎后的碱纤维素在恒定的温度下保持一定时间，在空气中氧化降解，聚合度下降至工艺要求，这个过程称为老成。

作用：使碱纤维素与空气中的氧发生作用，纤维素的聚合度从800-1000降到400左右，粘度下降到工艺要求，再经黄化制得粘度合格的黏胶，以保证黏胶具有良好的过滤性能和可纺性能。

（3）黄化：碱纤维素在一定条件下与CS2反应，生成纤维素磺酸酯，这一反应过程工艺上称为黄化。

作用：在纤维素大分子上引入磺酸基团，一方面可增大纤维素大分子间距离，进一步削弱大分子间的作用力（氢键），另一方面，由于具有亲水性的磺酸基团与溶剂接触时发生强烈的溶剂化作用，原来不能溶于常规碱溶剂中的碱纤维素就成为可溶于水或稀碱中的纤维素磺酸酯。黏胶就是纤维素磺酸酯的稀碱溶液。

20、掌握涤纶、锦纶、丙纶、腈纶、氨纶等纤维的典型特性。理解线密度的意义P56 P93 P105 P124 P138 P169 P207

答：（1）涤纶：强度高、耐冲击性好，耐热，耐腐，耐蛀，耐酸不耐碱，耐光性很好（仅此于腈纶），吸湿性很差，染色困难，织物易洗快干，保形性好。具有“洗可穿”的特点。

锦纶：最结实耐磨，密度小，织物轻，弹性好，耐疲劳，化学稳定性好，耐碱不耐酸，耐日光差，织物久晒变黄，强度下降。吸湿性差（比腈纶，涤纶好）。耐微生物性好。

丙纶：很轻，几乎不吸湿，良好的芯吸能力，强度高，制成织物尺寸稳定，耐磨弹性好，化学稳定性好，热稳定性差，不耐日晒，易老化脆损，保温性能好。

腈纶：耐日光性和气候性最好，热弹性，吸湿差，染色难。较高的热稳定性。相对密度小（手感好，蓬松性）

氨纶：线密度小，强度大，延伸性好，弹性最好，有较好的耐光，耐酸，耐碱，耐磨性，易于染色。手感柔软。

（2）线密度：长度质量（g/km)。用纤维或纱线质量除以它的长度就可以得到线密度。纤维的线密度是指纤维的粗细程度。线密度是纤维很重要的物理特性和几何特征之一，它不仅影响纺织加工和产品质量，而且还与织物的服用性能密切相关。同样，线密度也是纱线最重要的指标。纱线的线密度影响到纺织品的物理机械性能、手感、风格等，它也是进行织物设计的重要依据之一。

21、根据销售计划，某生产线生产268dtex/72F POY，纺丝速度3200m/min，卷绕丝满卷重量12kg。设定POY的上油率为0.40% ，油剂乳化液浓度为12%。

已知生产线有12个纺丝位，每一纺位有8个丝筒；现有纺丝计量泵规格为2.4cc/r，油剂泵规格为0.06 cc/r。计算：

①纺丝泵供量（克/分钟），②落筒时间（分钟），③理论日产量（公斤/天·线）。

解：W=Ntex×V L÷1000 =268/10tex×3200m/min÷1000=85.76g/min

t=12kg/W=12×1000g÷85.76g/min=139.9min

W产量=W×T×N丝筒=85.76g/min×24×60min×12×8/1000=11855.5公斤/天·线

（改）21、根据销售计划，某生产线生产268dtex/72F POY，用于167 dtex/72FDTY 生产。设定纺丝速度3200m/min，卷绕丝满卷重量12kg。设定POY的上油率为0.40% ，油剂乳化液浓度为12%。

现有纺丝计量泵规格为2.4cc/r，油剂泵规格为0.06 cc/r，熔体密度为1.20 g/cm3.，油剂乳化液密度为1.0g/cm3.。计算：

①纺丝泵供量（克/分钟）；②落筒时间（分钟）；③油剂泵转速（转/分钟）