湿法纺丝原理.ppt

至到熔點附近，晶態轉變為非晶態後才 能溶解，例
如全同立構聚丙烯在十氫萘中需135℃才 能溶解。 極性晶態高聚物在室溫下溶解於極性溶劑 中，如聚
醯胺可溶於甲苯酚、40%硫酸、苯酚-冰醋 酸的混 合溶劑中；聚乙烯醇可溶于水、乙醇等。
� 高聚物的溶解速度較小。
高聚物的溶解速度較之小分子物質的溶解 過 程要慢的多，一般需要幾個小時乃至數天。 由於高聚物與溶劑分子的尺寸相差懸殊，兩者 分子運動的速度存在數量級的差別，因此，當 高聚物與溶劑混合後，溶劑分子很快滲透進入 高聚物，而高聚物向溶劑擴散速度卻非常慢。
� 目前幹法紡絲速度一般為200~500m/min， 高者可達1000~1500m/min，但由於受溶
劑揮發速度的限制，幹紡速度還是比熔紡 低， 而且還需要設置溶劑回收等工序，故 輔助 設備比熔體紡絲多。
� 幹法紡絲一般適宜紡制化學纖維長絲，主 要生產的品種有腈綸、醋酯纖維、氯綸、 氨綸等。
（3）乾濕法紡絲
3. 濕法紡絲工藝過程
圖1-4 濕法紡絲示意圖 1-噴絲頭 2-凝固浴 3-導絲盤 4-捲繞裝置
紡絲溶液經混合、過濾和脫泡等紡前準備後，送 至紡絲機，通過紡絲泵計量，經燭形濾器、鵝頸管 進入噴絲頭（帽），從噴絲頭毛細孔中擠出的溶液 細流進入凝固浴，溶液細流中的溶劑向凝固浴擴 散，浴中的凝固劑向細流內部擴散(雙擴散）。於是 聚合物在凝固浴中析出而形成初生纖維。
2. 大分子主鏈上官能團親水性越強，聚合物越易 在溶聚解乙烯醇的分子鏈上，如果含有3%～15%摩爾的殘餘醋酸
基，其溶解度要比完全皂化的聚乙烯醇為高；而且，在大分子鏈
上交替分佈的羥基和殘餘醋酸基的鏈段越長，其溶解度就越低；
在纖維素的羥基上引入少量的乙基、乙氧基、酯基，也明顯地提 高了纖維素在堿中甚至在水中的溶解度。
� 紡絲溶液的濃度根據纖維品種和紡絲方法 的不同而異。通常，用於濕法紡絲的紡絲 溶液濃度為12%~25%；用於幹法紡絲的紡 絲溶液濃度則高一些，一般在25%~35%之 間。
（2）紡前準備
採用二步法時，需要選擇合適的溶劑將成纖聚合物 溶解，所得的溶液在送去紡絲之前還要經過混合、過 濾和脫泡等工序，這些工序總稱為紡前準備。
• 交聯高聚物只溶脹，不溶解。 • 高聚物支化度越高，溶解度越低。 • 晶態高聚物的溶解是先熔融後溶解。
由於晶態高聚物的分子排列規整，堆砌緊密，分子
間作用力很強，溶劑分子很難滲入高聚物內部，因
此晶態高聚物的溶解要比非晶態高聚物困難的多。
• 高聚物的極性越高，越容易溶解。 非極性的晶態 高聚物在室溫下很難溶解，一般需升 高溫度，甚
2. 極性有利於結晶高聚物的溶解。
極性結晶高聚物也可以在高溫下溶解，這 是因為高聚物中無定形部分與溶劑混合 時，二者強烈的相互作用會釋放出大量的 熱，致使結晶部分熔融。例如聚對苯二甲 酸乙二酯可溶於鄰氯苯酚和重量比為1∶1 的苯酚-四氯乙烷的混合溶劑中。
(三) 溶劑性質的影響
溶劑所具有的溶解能力與其化學結構、溶劑與大 分子鏈上的活性官能團相互作用的強弱以及溶劑的締 合程度有關。絕大部分通過濃溶液紡絲加工的成纖高 聚物，一般都採用極性溶劑溶解。
ΔSm≈ 0， 則ΔFm= ΔHm= X1 ΔH11+X2 ΔH22- ΔH12 聚合物溶解的條件： ΔFm<0， 即： |∆H12|>|x1∆H12+x2∆H22| �特徵： ΔSm≈ 0， ΔHm <0
適用範圍：極性高聚物（特別是剛性鏈的 高聚物）在極性溶劑中所發生的溶解過 程
，由於大分子與溶劑分子的強烈相互作 用
� 採用濕法紡絲時，必須配備凝固浴的配置、迴圈 及回收設備，工藝流程複雜，廠房建築和設備投 資費用都較大，紡絲速度低，成本高且對環境汙 染較嚴重。
� 目前腈綸、維綸、氯綸、氨綸、纖維素纖維以及 某些由剛性大分子構成的成纖聚合物都需要採用 濕法紡絲。
（2）乾法紡絲
從噴絲頭毛細 孔中擠出的紡絲溶 液進入紡絲甬道。 通過甬道中熱空氣 的作用，使溶液細 流中的溶劑快速揮 發，溶液細流在逐 漸脫去溶劑的同時 發生濃縮和固化而 成為初生纖維的過 程。
2. 聚合物溶解過程的熱力學
1. 聚合物溶解過程中的分子運動變化：
大分子之間 溶 劑 之間
作用力↓大分子與溶劑間作用力↑
各種分子空間排列狀態數及運動自由度↑ 2. 聚合物溶解過程中的熱力學參數變化:
ΔFm<0 溶解過程可以自發進行 ΔFm= ΔHm－ TΔSm
= X1 ΔH11+X2 ΔH22- ΔH12 -X1T ΔS11- X2T ΔS22+T ΔS12
O NH2 C NH2
HNCO+Cell OH
HNCO+NH3
O Cell O C NH2
• 纖維素氨基甲酸酯的酯化度對其溶解性的影 響
表4.2 不同含氮量的纖維素氨基甲酸酯的溶解情況
含氮量/wt% 溶解情況
2 部分溶解
3
部分溶 解
5
6
部分溶解 溶解
8 溶解
毛膠*
很多
多
多 較少 極少
（*：粘膠纖維生產中，將觀察載玻片之間的原液中未溶 解的纖維稱為毛膠。毛膠量常用于直觀判斷粘膠溶解情 況。在此是判斷纖維素氨基甲酸酯溶解情況。）
蛋白質是由多種氨基酸經縮合失水形成的含肽鍵 線型 極性高分子化合物，其分子結構可表示 為：
大豆蛋白質分子品質呈不均勻分佈， 大約8000～600000之間。 蛋白質的同一多肽鏈中的 氨基 和醯基之間可以形成氫鍵。
(二) 超分子結構的影響
1.無定形高聚物要比部分結晶高聚物容易溶解。
這是因為前者大分子之間的作用力較弱，後者由於 結晶部分分子間的作用力較強，要使它完全溶解， 需要較高的溫度。例如結晶的聚烯烴，在20℃時只 發Th有限的溶脹，一般要在100℃以上的高溫下才 能溶解。聚乙烯醇的結晶度較高，一般需要在加熱 條件下才能溶解，而且溶解度明顯地依賴於結晶 度，結晶度高，溶解度就較低。聚四氟乙烯則由於 高度結晶，即使在加熱的情況下，也難溶解於任何 一種溶劑之中。
濕法紡絲工藝原理
第一節概述
一、工藝概述
1.溶液紡絲工藝流程
原液制備→紡前準備（過濾、脫泡、混合）→ 紡 絲→後處理（水洗、拉伸、熱定型、捲曲、切 斷、 打包） 2. 溶液紡絲的分類 在溶液紡絲法中，根據凝固 方式不同，又分為： • 濕法紡絲 • 幹法紡絲 � 濕法紡絲
（1）濕法紡絲
從噴絲頭毛細孔中擠出的紡絲溶液細流進入凝 固浴，聚合物在凝固浴中析出而形成初生纖維 的過程。
ΔHm ≥ 0
� 上述只是兩種不同類型體系溶解過程的一般 特徵。事實上，極性高聚物在極性溶劑中的 溶
解也可發生無熱或吸熱現象，情況是較複 雜的。
二、影響溶解度的結構因素
（一）大分子鏈結構的影響 1.分子間作
用力越強，聚合物越難溶解。
分子間作用力↑ ，則溶解度↓
如能減弱大分子之間的作用力，將使 聚合物的溶解度有顯著增加。例如有丙烯 酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯等低極性官能團 的單體與丙烯腈共聚，所得到的丙烯腈共 聚體的溶解度要比丙烯腈均聚物大得多。
� 二步法：先將聚合得到的溶液分離製成 顆 粒狀或粉末狀的成纖聚合物，然後在 溶解 製成紡絲溶液，這種方法稱為二步 法。
� 目前在採用溶液紡絲法生產的主要化學纖 維品種中，只有腈綸既可採用一步法，又 可採用二步法紡絲，其它品種的成纖聚合 物，無法採用一步法生產工藝。雖然採用 一步法省去的聚合物的分離、乾燥、溶解 等工序，可簡化工藝流程，提高勞動生產 率，但制得的纖維品質不穩定。
圖1-4 濕法紡絲示意圖 1-噴絲頭 2-凝固浴 3-導絲盤 4-捲繞裝置
� 濕法紡絲中的擴散和凝固不僅是一般的物理和化 學過程，對某些化學纖維如粘膠纖維同時還發生 化學變化，因此，濕法紡絲的成形過程比較複 雜， 紡絲速度受溶劑和凝固劑的雙擴散、凝固浴 的流 體阻力等因素限制，所以紡絲速度比熔體紡 絲低 的多。紡絲速度為5～100m/min，而熔體紡 絲的 捲繞速度為每分鐘幾百米至幾千米。
採用乾法紡絲時，首要的問題是選擇溶
劑。因為紡絲速度主要取決於溶劑的揮發 速度，所以選擇的溶劑應使溶液中的聚合 物濃度盡可能高，而溶劑的沸點和蒸發潛 熱應盡可能低，這樣就可減少在紡絲溶液 轉化為纖維過程中所需揮發的溶劑量，降 低熱能消耗，並提高紡絲速度。除了技術 經濟要求外，還應考慮溶劑的可燃性以滿 足安全防護要求。最常用的幹法紡絲溶劑 為丙酮、二甲基甲醯胺等。
� 脫泡：脫泡是為了除去留存在紡絲溶液中氣 泡。這些氣泡會在紡絲過程中造成斷頭、毛 絲和氣泡絲而降低纖維品質，甚至使紡絲無 法正常進行。脫泡過程可在常壓或真空狀態 下進行。在常壓下靜置脫泡，因氣泡較小， 氣泡上升速度很慢，脫泡時間很長；而在真 空狀態下脫泡，真空度越高，液面上壓力越 小，氣泡會迅速脹大，脫泡速度可大大加快。
第二節 聚合物的溶解
一. 溶解過程的特點和熱力學解釋
（1）聚合物溶解過程的特點 聚合物的溶解過程是聚合物大分子在溶劑分子 的作 用下，使大分子之間的作用力不斷減弱，進而 均勻 地與溶劑分子相互混合直至成為分子分散的均 相體 系的過程。
�高聚物的溶解過程一般分為兩個階段：先溶脹後 溶解。
首先是溶劑分子擴散進入高聚物的外層，並逐 漸由 外層進入內層，使高聚物體積膨脹，稱為膨脹 階段； 然後，大分子逐漸進入到溶劑中去，直到形 成均勻 的溶液，達到完全溶解。
�
混合：混合的目的是使各批紡絲溶液的性質
（主要是 濃度和粘度）均勻一致。
�
過濾：過濾的目的是除去雜質和未溶解的高
分子物。 紡絲溶液的過濾，一般採用板框式壓濾機，
過濾材
料選用能承受一定壓力、並具有一定緊密度的各種
織 物，一般要連續進行2~4道過濾。後一道過濾所用 的 濾材應比前一道更緻密，這樣才能發揮應有的效果。
芳綸：聚對苯二甲醯對苯二胺 只溶於發煙硫酸。