提高腈綸纖維強度的技術(shù)研發(fā)

1、提高腈綸纖維強度的技術(shù)研究-作者：鞠占輝關(guān)鍵字：濕法紡絲、干法紡絲、成型原理、牽伸倍數(shù)、定型條件、增加強度試驗、最終結(jié)論一、概述 .1、腈綸的原料為石油裂解副產(chǎn)的廉價丙烯：由于聚丙烯腈共聚物加熱到230以上時，只發(fā)生分解而不熔融，因此，它不能像滌綸、錦綸纖維那樣進行熔融紡絲，而采用溶液紡絲的方法。紡絲可采用干法，也可用濕法。干法紡絲速度高，適于紡制仿真絲織物。十分紡絲適合制短纖維，蓬松柔軟，適用制仿毛織物。2.腈綸的性能及用途·彈性： 它的彈性較好，僅次于滌綸，比錦綸高約 2 倍。有較好的保形性。·強度：腈綸的強度雖不及滌綸和錦綸，但比羊毛高 12.5 倍。·耐熱

2、性： 纖維的軟化溫度為 190230，在合成纖維中僅次于滌綸。·耐光性： 腈綸的耐光性是所有合成纖維中最好的；露天暴曬一年，強度僅下降 20。腈綸彈性雖然較好，但腈綸的強度不及滌綸和錦綸，目前紡織下游市場需求具有比普通腈綸強度高而染色指標差異不大的特殊腈綸（表 1 為普通 1.33dtex 有光纖維成品指標） ，這種高強度纖維通常用來制作手套、 襪子等具有高強度需求的產(chǎn)品，而這種產(chǎn)品的供應(yīng)主要被歐美等少數(shù)腈綸廠家所壟斷， 國內(nèi)只能依賴進口。我們在大量理論和實踐的指導下，在不改變原材料品種和配比的情況下，研究并確定了以 DMAC 為溶劑濕法兩步法紡制 1.33dtex 有光高強度腈綸纖

3、維的生產(chǎn)工藝。纖度偏差率 (%)斷裂強度強度 CV(%)斷裂伸長率伸長 CV(%)染色率(CN/dtex)(%)0.502.6712.9446.2012.23-1.23表 1普通 1.33dtex 有光纖維成品指標0二工藝流程：聚合混合單體配制聚合反應(yīng)脫單過濾干燥原液制備紡絲成型水洗牽伸烘干干區(qū)牽伸卷曲定型切斷打包三關(guān)鍵工序?qū)Ω邚姸入婢]纖維的影響及參數(shù)的確定：1、凝固浴成型條件的影響；凝固浴的濃度直接影響浴中的凝固劑和溶劑的擴散速度，凝固浴中的 DMAC 濃度越低，原液細流內(nèi)外的 DMAC濃度差就越大， 那么雙擴散過程就進行的越快。形成皮芯結(jié)構(gòu)，同時皮層和芯層產(chǎn)生的收縮不一致，造成內(nèi)應(yīng)力不均一

4、， 使纖維產(chǎn)生空洞、結(jié)構(gòu)疏松并失去光澤， 這樣的初生纖維拉伸時易斷裂而產(chǎn)生毛絲， 干燥后手感發(fā)硬，色澤泛白，強度和伸長都很差。凝固浴濃度過高，將使雙擴散過程減慢，造成凝固困難和不易升頭，而且由于纖維內(nèi)DMAC的濃度低于臨界濃度的程度不大，使初生纖維溶脹得厲害，在出浴處發(fā)生墜蕩現(xiàn)象，此外，絲條凝固不充分就進行拉伸容易發(fā)生斷裂，或由于纖維表面不良而造成并絲，致使絲條手感粗硬，成品纖維的強度降低，本工藝濃度控制高于常規(guī)纖維為 54±1%。凝固浴溫度和其濃度一樣， 也是影響成形的一個主要因素， 必須嚴格控制，溫度越高，擴散系數(shù)越大，導致擴散速度增大， 使得纖維成形速度過快， 和凝固浴濃度過低

5、結(jié)果一樣；相反，溫度越低，擴散系數(shù)越小，使得纖維成形速度過慢，導致和凝固浴濃度過高的結(jié)果一樣。本工藝溫度控制為 38±1。2. 水洗、牽伸條件的影響；牽伸的目的：通過牽伸提高纖維的分子取向度，改善其物理 - 機械性能。在牽伸過程中大分子或聚集態(tài)結(jié)構(gòu)單元發(fā)生舒展并沿纖維軸取向排列，同時還伴隨著相態(tài)的變化，以及其它結(jié)構(gòu)特征的變化。 在牽伸時， 纖維低序區(qū)的大分子沿纖維軸向的取向度大大提高，同時伴有密度、 結(jié)晶度等其它結(jié)構(gòu)方面的變化。 由于纖維內(nèi)大分子沿纖維軸取向，形成并增加了氫鍵、 偶極鍵以及其它類型的分子間力， 纖維承受外張力的分子鏈數(shù)目增加了，從而使纖維的斷裂強度顯著提高，延伸度下降

6、，耐磨性和對各種不同類型形變的耐疲勞強度也明顯提高。牽伸倍數(shù)：牽伸倍數(shù)是由纖維的各項指標（強度、伸長和勾強等）來定的，1通常情況，總牽伸倍數(shù)越高，則纖維強度越高，伸長越低，但超過9.5 倍，纖維會在水洗和牽伸區(qū)域產(chǎn)生斷絲，影響可紡性， 經(jīng)實驗不同牽伸倍數(shù)對應(yīng)成品纖維強度等指標如下表2：總牽伸倍數(shù)卷曲纖度纖度強度強度伸長伸長染色頭cv%cv%cv%6.403A11.4010.072.8210.9041.58.37-1.06.839A11.4113.073.1213.7240.511.59-1.837.001A11.3615.333.3216.3939.59.46-0.497.560A11.381

7、4.193.116.5139.512.03-0.68.391A11.2113.142.9719.6839.0013.00-0.86表 2 1.33dtex 有光纖維定型壓力 260Kpa由表 2，我們確定本工藝總牽伸倍數(shù)為7.001 倍。牽伸溫度：初生纖維的應(yīng)力 - 應(yīng)變性質(zhì)對溫度非常敏感。在牽伸過程中，為提高纖維的強度和其它機械性能必須使結(jié)構(gòu)單元（鏈段、大分子鏈、鏈束等）沿纖維軸取向。為此，要求在牽伸過程中各種結(jié)構(gòu)單元具有足夠的活動性，而提高溫度正是供給結(jié)構(gòu)單元以足夠的熱運動能量的重要手段。初生纖維牽伸時的形變值極大（ 20-2000%），這主要依賴于塑性形變，為此要求溫度高于玻璃化溫度TG

8、以上，只有在 TG以上，鏈段運動才能處于顯著狀態(tài)。因此，要把未取向的或取向很低的初生纖維通過牽伸，使大分子鏈沿纖維軸整排列，牽伸溫度必須高于TG（玻璃化溫度）如果略低于TG，纖維在力的作用下，不能產(chǎn)生塑性形變而達到一定的取向效果，而且纖維在低于TG牽伸時強制進行大倍率牽伸，當外力大于絲的內(nèi)在許用應(yīng)力時絲條產(chǎn)生斷裂。所以牽伸一定要在纖維的TG以上。本工藝牽伸溫度控制略高于常規(guī)纖維為97-98 。3. 烘干區(qū)條件的影響；烘干目的是降低纖維的含水率， 提高纖維的物理機械性能和染色率。 初生纖維經(jīng)過水洗、牽伸后， 超分子結(jié)構(gòu)已經(jīng)形成， 但纖維聚集態(tài)中存在一定程度的內(nèi)應(yīng)力和缺陷， 而且由于雙擴散運動所引

9、起的結(jié)構(gòu)不均勻而產(chǎn)生為數(shù)眾多、 大小不等的空洞及裂隙， 這嚴重影響纖維的物理機械性能和染色率。 纖維在適當溫度下進行干燥，水份逐漸蒸發(fā)并從微孔移出， 在微孔中產(chǎn)生一定的負壓， 即毛細管壓力。在適當溫度下大分子鏈比較自由地運動而引起熱收縮， 使微孔半徑相應(yīng)2的發(fā)生收縮，微纖之間的距離越來越近， 導致分子間作用力急劇上升， 最后達到微孔的融合，從而達到了以上目的。根據(jù)烘干理論， 為進一步提高絲束強度， 在不影響定型后纖維沸水收縮率的情況下，本工藝在烘干最后一組輥箱（冷輥箱）與前組熱輥箱之間增加 1.2-1.3 倍的牽伸， 把冷輥箱的第一組冷輥改為熱輥，同時提高中壓蒸汽的壓力，目的是供給纖維結(jié)構(gòu)單元

10、以足夠的熱運動能量，使此區(qū)域絲束溫度達到 165左右，避免增加牽伸后， 此區(qū)域絲束斷裂而發(fā)生纏輥， 改造后為達到用一組冷輥冷卻絲束的目的，原設(shè)計用冷卻水改為冷凍水為最后一組冷輥降低溫度。表 3 是 1.33dtex 有光高強度纖維烘干過程絲束溫度曲線和趨勢線，烘干機入口中壓蒸汽壓力控制在 900±10Kpa，溫度 215-220，為穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量， 開車前需對各個熱輥進行檢查， 處理不熱的熱輥， 保證熱輥正常工作時表面溫度不低于 150，使趨勢線 y=kx+b 的斜率在 2 以上。180160140120100806040201 上1 下2 上2 下3 上3 下4 上4 下5 上5 下

11、6 上6 下7 上7 下8 上8 下9 上9 下10 上10 下11 上11 下12 上12 下13 上13 下14 上14 下15 上15 下16 上16 下17 上17 下18 上18 下19 上19 下20 上20 下表 3 1.33dtex有光高強度纖維絲束溫度曲線4. 熱定型的影響：在紡絲和牽伸及張力干燥過程中，纖維所經(jīng)歷的時間很短， 而大分子鏈段運動的松弛時間較長， 一個大分子在周圍其他大分子的相互影響下，常受到各個力的同時作用，使他的某些鏈段處在松弛狀態(tài)，而其他一些鏈段則處于緊張狀態(tài)。存在于纖維內(nèi)部的不均勻應(yīng)力對纖維的機械性質(zhì)和形狀穩(wěn)定性不利，總之，經(jīng)紡絲和牽伸以后所得纖維的超分

12、子結(jié)構(gòu)尚不完善，且不夠穩(wěn)定。雖然牽伸時所發(fā)生的形變大部分是不可復的塑性形變，且往往已因結(jié)晶而得到固定，但有一小部分3在室溫下會因牽伸張力的松弛而回復， 更多的部分則會在隨后受熱或受到濕處理時發(fā)生收縮回復， 特別是受熱時會產(chǎn)生很大的收縮， 不符合其后的紡織染整加工和使用要求。以上不足需進行汽蒸熱定型來彌補， 熱定型是通過把纖維暴露在一定壓力下的飽和蒸汽中，舒解纖維結(jié)構(gòu)內(nèi)由于高倍拉伸所造成的一些不穩(wěn)定的分子間作用力，重建和加強成為較穩(wěn)定的分子間作用力，從而使內(nèi)應(yīng)力大部得到消除，使結(jié)構(gòu)均勻化?？偟膩碚f，晶區(qū)或準晶區(qū)結(jié)構(gòu)得到加強，無定形區(qū)的序態(tài)有所提高，定型提高了纖維的形狀穩(wěn)定性， 使纖維在加工和使用

13、過程中遇到濕熱處理 （如染色或洗滌）時，尺寸越不易變動； 進一步提高了纖維的物理機械性如強度、 伸長、勾強、勾伸、耐磨性等以及固定卷曲度；改善了纖維的染色性能。熱定型的關(guān)鍵處就是定型壓力的確定， 經(jīng)實驗不同定型壓力對應(yīng)成品纖維指標如下表 4：定型壓力總牽伸倍數(shù)卷曲纖度纖度強度強度伸長伸長染色頭cv%cv%cv%300Kpa6.403A11.3516.312.9715.604512.99-1.56280Kpa6.839A11.2714.073.2014.7240.511.59-0.67260Kpa7.001A11.4412.53.5712.636.310.60.59表 4 1.33dtex 半消光纖維由表 4 可見，定型壓力越低，則斷裂強度增高高，斷裂伸長率降低，染色速率降低，由于客戶要求染色速率適宜，因此我們把定型壓力確定為260K