PET高速纺丝方法及超高速纺丝纤维成形机理

第 25 卷　第 1 期 合　成　纤　维　工　业　　 V o l. 25　N o. 1　 　 2002 年 2 月　　　 　　　　　 　　　 CH INA SYN TH ET IC F IBER INDU STRY　 Feb. 　2002 　 　　　收稿日期: 2001206220; 修订日期: 2001209219。 作者简介: 王夏琴 (1970- ) , 女, 江苏武进市人, 博士、副教 授, 主要从事高聚物聚合反应机理与纺丝动力学研究。 基金项目: 霍英东教育基金资助项目 (71068)。 PET 高速纺丝方法及超高速纺丝纤维成形机理 王 夏 琴 (东华大学环境科学与工程学院, 上海　200051) 摘　要: 综述了 PET 高速纺丝热辊法生产工艺 (M G)、冷辊拉伸蒸汽定型法生产工艺 (H 4S)、热管法 生产工艺 (TCS)、热管拉伸法生产工艺 (HCS) 以及超高速纺丝工艺 (SH SS) ; 阐明了超高速纺在纺程上 结构的发展与成形机理, 以及超高速纺纺程上的细颈现象, 超高速纺的成形机理与高速纺是不同的, 明 显区别在于细颈点的出现。 关键词: 聚对苯二甲酸乙二酯纤维　高速纺丝　超高速纺丝　细颈点　纺丝速度　机理　成形 中图分类号: TQ 342. 21　　文献识别码: A 　　　文章编号: 100120041 (2002) 0120021204 　　PET 熔融纺丝技术从常规纺发展到高速纺, 纺丝速度从每分钟几百米提高到几千米, 国外高 达 8～ 10 km öm in, 超高速卷绕机已出现, 国内也 引进了纺丝速度达 6 km öm in 的纺丝设备。通过 高速纺制得的纤维有稳定的内部结构和较好的均 匀性, 取向度与结晶度较高, 染色均匀[1 ] , 这些特 性将有利于纤维的进一步加工, 因此高速纺丝已 成为熔融纺丝的主流。目前人们并不满足于利用 高速纺丝制取部分取向丝 (PO Y) , 然后经后拉伸 制成纤维, 而希望省去后拉伸工序, 缩短工艺路 线, 降低生产成本, 提高产量与质量, 增加经济效 益[2 ]。高速纺丝与超高速纺丝可省去后拉伸工艺, 有较好的稳定性, 纤维性能较长时间保持不变, 生 产能力得到提高。其缺点是纺丝设备价格昂贵, 并 且设备运作和维修需要较高的技术[3, 4 ]。 1　PET 高速纺丝方法 目前 PET 熔纺长丝 (不包括变形丝) 的一步 法生产方法大致有以下几种: 热辊法生产工艺 (M G)、冷辊拉伸蒸汽定型法生产工艺 (H 4S)、热 管法生产工艺 ( TCS)、热管拉伸法生产工艺 (HCS)以及超高速纺丝工艺 (SH SS)等。各种生产 工艺路线的生产成本按热辊法、热管法、冷辊拉伸 蒸汽定型法、热管拉伸法和超高速法依次降低, 并 且生产成本也随卷绕速度的提高而降低。 1. 1　热辊法 (M G) [5, 6 ] 热辊法中, 丝条紧贴在热辊 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面, 由热辊将热 量传给丝束, 利用两组热辊的速度差实现拉伸。丝 束在每组热辊上绕 7～ 10 圈, 拉伸点在热辊间的 丝束上移动。两组热辊造价高, 能耗大, 而且温控 系统复杂, 整台设备温控精度不易恒定一致, 加上 与热辊配套的分丝辊直径小, 转速高达 7 000 rö m in, 易产生断丝、缠辊等现象。因丝束中各根单 丝的受热情况有差异, 造成结构性能上的差异, 这 种差异反映在成品染色不均匀性。 1. 2　冷辊拉伸蒸汽定型法 (H4S) [7, 8 ] EM S2Inven ta 和 Barm ag 公司发展了此技 术, 丝束在两个未经过加热的导辊间进行冷拉伸, 随后纤维由于冷却而产生的收缩应力在一个热蒸 汽箱中被消除。H 4S 技术可以获得热收缩率非常 低的高质量 PA 长丝, 并且速度高、能耗少、产量 高, 所制得的纤维结构均匀、染色均匀。但由于 PET 的吸湿性低于 PA , 水蒸汽定型不如 PA 那 样有效, 在一般纺丝速度下易导致成丝的沸水收 缩高。为达到 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 的沸水收缩值, 需提高第一辊纺 丝速度, 减小拉伸比, 由此造成最终卷绕速度大于 6 km öm in, 使生产中满卷率下降, 毛丝增多。 1. 3　热管法 (TCS) [6, 7, 9 ] TCS 技术是Barm ag 公司推出的, 在纺程上 适当的位置安装热管, 卷绕装置一般带有导丝盘, 可以比较方便地调节卷绕张力。在热管中, 热空气 与丝束的运动方向一致, 热空气作为加热介质, 将 热量传给丝束, 同时由于空气流与丝束存在运动 速度差, 对丝束产生较大的空气摩擦阻力, 通过热 空气的摩擦作用对丝束作无接触、轻微的高速拉 伸, 完全消除了热辊拉伸工艺中的单侧热效应, 有 利于丝条形成均匀一致的结构, 从而使纤维具有 很好的染色均匀性。丝束在热管中同时受热和应 力的作用, 丝束的取向和结晶度有较大的增加。热 管与环境隔开, 能耗低, 有利于形成稳定的热环 境, 并且设备结构简单, 运转维修费用低。目前国 内的热管就其技术特点而言, 大致可分为 3 类: 封 闭式热管、开启式热管和摩擦式热管。我国有上海 石化合成纤维研究所、江苏常熟市特种化纤总厂、 河北省承德市黄麻化纤纺织总厂等多家单位已对 引进的 TCS 技术消化吸收, 并进行技术开发。 1. 4　热管拉伸法 (HCS) [10 ] HCS 技 术 是 John B row n D eu tsh Engineering 公司发展的一种新型纺丝2拉伸2卷 绕技术, 在纺丝机第一导丝器的上方安装一个热 管进行纺丝拉伸。热管中的气流是沿着与丝条运 动相反的方向进入热管中, 这是为了让丝条受热 更均匀和增加丝条与加热媒介的接触区域而设计 的。纺丝细流在进入热管热空气流时, 仍然保持分 离状态, 这样每根单丝都能得到均匀的加热, 最终 产品的性能较均匀, 纤维具有良好的染色均匀性, 拉伸性能也得到提高。 2　超高速纺丝方法 (SHSS) [11～ 15 ] 20 世纪 70 年代后期, 研究超高速纺丝方法 和应用的课题取得进展, 超高速纺丝所制得的高 取向纤维 (HO Y) 无需进行任何的后道工序处理 即可作为最终产品, 6 km öm in 的超高速纺丝比 1 km öm in的低速纺增加产量 1 倍左右。A kzo N obel 公司在 1972～ 1977 年就在纺丝实验机上 进行了 5～ 11 km öm in 的纺丝实验。人们对超高 速纺丝感兴趣的一个显著事实是: 超高速纺丝是 降低成本的一种手段, 能有效地提高产量与质量, 减少劳动力, 降低能耗, 而且还是一种可生产包含 特种纤维在内的各种新纤维的新技术。超高速纺 丝技术是继 PO Y 和 PO Y2D T Y 以后, 具有实用 价值的又一种新工艺, 目前一些国外大公司已十 分注重研究和开发超高速纺丝方法。 熔融纺丝的卷绕速度在 6～ 10 km öm in 时, 在许多观念上与纺丝速度为 1～ 3 km öm in 的常 规工艺是不同的。纺丝线上的应力高达 98～ 980 M Pa, 而且纺程上的形变集中在距喷丝板不远的 一个狭小区域内, 这种转变区域的位置和形状同 某些固体的塑性形变的“细颈”相似。超高速纺得 到的纤维, 比冷拉伸或热拉伸的常规纤维的晶区 取向度和结晶度要高。超高速纺的成形机理与高 速纺是不同的, 目前对超高速纺成形机理的实验 测定已有报道, 对成形机理的理论 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 几乎未见 报道。 3　PET 超高速纺丝成形机理 PET 结晶速度较缓慢, 而 PA 6、PA 66、PP 都 能快速结晶, 因此在纺程上结构的发展与 PA 6、 PA 66、PP 有显著区别。尽管 PET 纺丝速度在 1 km öm in以上就出现有序的中间相, 但纺丝速度 在 3. 5 km öm in 以下所纺得的纤维基本上是无定 形的, 大分子相互缠结, 形成类似网络的结构, 这 一点已为人们接受[16 ]。当纺丝速度超过 3. 5 km ö m in 时, 纺程上出现结晶, 纤维的结构和物理机械 性能也随着改变[17 ]。清水二郎[18 ]观察到纺丝速度 在 6 km öm in 以上时, 在纺程上某一位置纤维直 径突然细化, 这一位置称之为细颈点。丝条在细颈 点固化, 细颈点的数据已有报道[19～ 22 ]。在细颈点 大分子高度取向, 取向导致结晶在几毫秒内急速 完成, 并达到结晶度最大值 45% 左右, 放出大量 的结晶热使丝条在细颈点温度上升几十度, 这些 现象都改变了纤维的性能。国外一些大公司已意 识到由于某些外部因素的影响, 细颈点在纺程上 产生漂移, 造成纤维染色不均匀, 织物有明显的色 差而产生条纹。因此试图通过控制细颈点而获得 所需性能的纤维。 超高速纺丝纺程上 PET 纤维结构发展过程 的第一阶段, 熔体刚出喷丝孔, 仍作粘性剪切流 动, 在此阶段无固化现象。随后, 将作塑性拉伸流 动, 在此阶段发生的变化原因是丝条可被拉伸。第 二阶段, 由于大分子链节的布朗运动已被大大削 弱, 大分子间形成的二级范德华键增多, 其数量可 使大分子产生缠结, 形成弹性网络结构。这种结构 在外力作用下拉伸时, 大分子已表现出一定的取 向, 拉伸和取向均遵循橡胶弹性理论。在第三阶 段, 丝条被进一步拉伸, 当纺程上拉力超过一定值 22 合　成　纤　维　工　业　　　　　　　　　　　　　　　　第 25 卷 后, 弹性网络结构被破坏, 大分子间产生相对滑 移, 取向度增加。在纺程上某一位置产生颈状形 变, 纤维在细颈点被固化。结晶度和取向度迅速增 加, 纤维结构变化发展, 超分子结构形成。第四阶 段可认为是第三阶段的延续, 结晶与分子取向已 经完成, 丝条温度被进一步冷却到环境温度。 超高速纺与高速纺的明显区别是细颈点的出 现, 有关细颈点产生的原因目前尚未达到共识。 V incen t 认为是由于分子取向, 应变硬化过程中 的力学不稳定性而导致细颈的产生[23 ]。R aib le 和 M eissner 提出了拉伸粘度在恒定的应变速率下, 随着时间的增加而增加, 并达到一极大值, 当拉伸 粘度达到极大值时便产生细颈[24 ]。Cakm ak 等人 认为由于取向结晶而使应变硬化导致细颈产 生[25 ]。尽管细颈产生的原因还有待于进一步研 究, 但是细颈所引起纤维结构性能的变化已为人 们熟知。由于细颈点只有几厘米范围[26 ] , 对细颈 点作在线测试的难度很大, 目前比较有效的方法 是对超高速纺丝过程进行数学模拟, 获取在各种 不同纺丝条件下细颈点的重要信息。关于高速纺 丝数学模拟报道甚多[26, 27 ] , 但超高速纺的成形机 理和高速纺是不同的, 表 1 列出了文献报道的细 颈点位置与作者的模拟结果[27, 38 ]。 表 1　细颈点位置的文献报道值与作者模拟结果 Tab. 1　The reported and predicted necking po in t position s [Γ] ö dL ·g- 1 喷丝板直 径ömm 每孔产量ög·m in- 1 V ökm·m in- 1 T ö℃ 细颈点位置öcm文献值 模拟值 0. 68 0. 3 1. 35 5 290 30 30 0. 68 0. 3 2. 55 6 295 45 45 0. 67 1 5. 3 5 300 180～ 205 180 0. 67 1 5. 3 5. 5 300 175～ 195 175 0. 67 1 5. 3 6 300 146～ 165 145 0. 67 1 3. 4 6 300 65～ 85 65 0. 67 1 7. 3 6 300 175～ 195 175 0. 65 0. 38 4. 7 5. 947 310 ～ 94 94 0. 65 0. 38 2. 8 5. 947 310 75～ 80 0. 64 0. 38 6. 2 6 310 180 180 0. 64 0. 38 6. 2 7 310 150 150 0. 64 0. 38 6. 2 9 310 100 100 0. 64 0. 38 6. 2 10 310 80 80 4　结语 熔融纺丝的卷绕速度达到 5～ 10 km öm in 时, 与纺丝速度为 1～ 3 km öm in 的常规工艺是不 同的。纺丝线上应力相当高, 而且纺程上的形变集 中在距喷丝板不远的一个狭小区域内, 这种转变 区域的位置和形状同某些固体的塑性形变的“细 颈”相似。超高速纺得到的 PET 纤维比经冷拉伸 或热拉伸的常规纺纤维的结晶度和晶区取向度要 高。 随着纺丝速度的增加而产生的成形机理方面 的主要问题是纺程上张力、温度等分布和类似“细 颈”的形变的出现, 对纤维内部结构的发展和纺丝 工艺过程的稳定这两方面都起着重要作用。有关 冷却高聚物流变性和结晶性等影响纤维结构与性 能的因素的研究, 为优化纺丝工艺提供了有限度 的条件范围。 参　考　文　献 1　Sh im izu J , O ku i N , et al. 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