化纖工藝學 聚酯纖維

1、化纖工藝學 聚酯纖維第1頁，共56頁，2022年，5月20日，1點24分，星期二 學習目的要求 初步掌握聚酯纖維的合成、紡絲等生產(chǎn)技術, 把握結構、性能及應用, 了解其改性和新型聚酯纖維.第三章 聚酯纖維化 纖 工 藝 學第2頁，共56頁，2022年，5月20日，1點24分，星期二 第一節(jié) 概述 聚酯是制造聚酯纖維、涂料、薄膜及工程塑料的原料，是由飽和的二元酸與二元醇通過縮聚反應制得的一類線性高分子縮聚物。這類縮聚物的品種因隨使用原料或中間體而異，故品種繁多數(shù)不勝數(shù)。但所有品種均有一個共同特點，就是其大分子的各個鏈節(jié)間都是以酯基“COO”相聯(lián)，所以把這類縮聚物通稱為聚酯。以聚酯為基礎制得的纖維

2、稱為滌綸，是三大合成纖維（滌綸、錦綸、腈綸）之一，是最主要的合成纖維。第三章 聚酯纖維化 纖 工 藝 學第3頁，共56頁，2022年，5月20日，1點24分，星期二第二節(jié) 聚對苯二甲酸乙二酯一、 對苯二甲酸乙二酯的制備1合成的工藝路線 合成的工藝路線酯交換路線 環(huán)氧乙烷直接加成路線對苯二甲酸用乙二醇直接酯化路線第4頁，共56頁，2022年，5月20日，1點24分，星期二PET纖維生產(chǎn)路線第5頁，共56頁，2022年，5月20日，1點24分，星期二（1）酯交換路線（酯交換法） 將對苯二甲酸二甲酯與乙二醇按12.5（摩爾比）比例混合，在醋酸鋅、醋酸錳和醋酸鈷催化劑的作用下，發(fā)生酯交換反應，生成對苯

3、二甲酸雙羥乙酯。第三章 聚酯纖維化 纖 工 藝 學H3COOCCOOCH32HOCH2CH2OHZn（CH2COO）2 HOCH2CH2COOC COOCH2CH2OH + 2CH3OH對苯二甲酸雙羥乙酯第6頁，共56頁，2022年，5月20日，1點24分，星期二（2）對苯二甲酸用乙二醇直接酯化路線 （直接酯化法） HOOCCOOH2HOCH2CH2OHHOCH2CH2COOCCOOCH2CH2OH對苯二甲酸雙羥乙酯第7頁，共56頁，2022年，5月20日，1點24分，星期二（3）環(huán)氧乙烷直接加成路線（環(huán)氧乙烷法） 該路線是1973年開始工業(yè)化生產(chǎn)的。其反應如下： 該反應在飽和低分子脂肪胺或季

4、胺鹽存在下，進行極為順利，該路線具有成本低；產(chǎn)物低聚物少，容易精制；設備利用率高，輔助設備少等優(yōu)點。HOOCCOOH2CH2CH2HOCH2CH2COOCCOOCH2CH2OH對苯二甲酸雙羥乙酯O第8頁，共56頁，2022年，5月20日，1點24分，星期二如果采用高純度的對苯二甲酸和環(huán)氧乙烷進行反應，其產(chǎn)物可不經(jīng)過精制就可以直接用于縮聚成聚酯。其中，酯交換聚酯法和直接酯化聚酯法現(xiàn)在依然是合成聚酯的兩大主要工藝路線. 酯交換路線是傳統(tǒng)的方法，因工藝技術成熟，所以至今在工業(yè)生產(chǎn)中仍占有相當?shù)牡匚弧?第三章 聚酯纖維化 纖 工 藝 學第9頁，共56頁，2022年，5月20日，1點24分，星期二直接酯

5、化聚酯路線雖然起步較晚，但與酯交換聚酯路線相比，因具有消耗定額低，乙二醇配料比低，無甲醇回收，生產(chǎn)控制穩(wěn)定，流程短，投資低等優(yōu)點，而發(fā)展迅速。目前國內(nèi)引進的聚酯裝置多以后者為主，其生產(chǎn)能力1997年就已達到152萬t/a。 第10頁，共56頁，2022年，5月20日，1點24分，星期二二、 聚對苯二甲酸乙二酯的生產(chǎn)1 . 生產(chǎn)原理用精制后的對苯二甲酸雙羥乙酯在縮聚反應催化劑和穩(wěn)定劑縮聚反應，分離出乙二醇后即得聚對苯二甲酸乙二醇酯，其反應如下： 第11頁，共56頁，2022年，5月20日，1點24分，星期二 由于縮聚反應屬于可逆反應，為了使縮聚反應進行完全，必須排出反應生成的低分子物質(zhì)（乙二醇）

6、，為此必須采用真空及強力攪拌，縮聚反應最終壓力不大于266.6Pa，才能獲得高相對分子質(zhì)量的聚酯，一般產(chǎn)品的平均相對分子質(zhì)量不低于20000，用于制造纖維、薄膜的相對分子質(zhì)量約為25000。第12頁，共56頁，2022年，5月20日，1點24分，星期二 2聚對苯二甲酸乙二醇酯的生產(chǎn)工藝從操作方式上看，聚對苯二甲酸乙二醇酯的兩種主要生產(chǎn)路線都有間歇操作和連續(xù)操作之分。相比較而言，直接酯化法連續(xù)法比間歇法的成本低20%；酯交換法連續(xù)比間歇的成本低10%。下面主要介紹酯交換法和直接酯化法聚酯的生產(chǎn)工藝。第13頁，共56頁，2022年，5月20日，1點24分，星期二（1）酯交換法連續(xù)生產(chǎn)聚酯工藝 酯交

7、換法連續(xù)生產(chǎn)聚酯工藝包括酯交換、預縮聚、縮聚等過程，其原則工藝流程如圖3-2所示。 酯交換將原料對苯二甲酸二甲酯連續(xù)加入熔化器中，加熱（1505）熔化后，用齒輪泵送入高位槽中。另將乙二醇連續(xù)加入到乙二醇預熱器中預熱至150160后，用離心泵送入高位槽中。將上述兩種原料按摩爾比12分別用計量泵連續(xù)定量加入酯交換塔上部。第14頁，共56頁，2022年，5月20日，1點24分，星期二 分別將催化劑醋酸鋅和三氧化二銻按DMT的0.02%加入量，用過量0.4mol的乙二醇配制成液體加入高位槽中,并連續(xù)定量送入連續(xù)酯交換塔上部。 連續(xù)酯交換塔是一個塔頂帶有乙二醇回流的填充式精餾柱的立式泡罩塔?？刂契ソ粨Q溫

8、度為190220，反應所生成的甲醇蒸氣通過塔內(nèi)各層塔板上的泡罩齒縫上升，進行氣液交換后進入冷凝器冷凝后第15頁，共56頁，2022年，5月20日，1點24分，星期二流入甲醇貯槽中。原料由塔頂加入后，經(jīng)十六個分段反應室流到最后一塊塔板，完成酯交換反應，酯交換的生成物由塔底再沸器加熱后流入混合器中。第16頁，共56頁，2022年，5月20日，1點24分，星期二12345678910111213DMTEG催化劑去甲醇貯槽回收EG接真空系統(tǒng)去包裝1415 酯交換法連續(xù)生產(chǎn)聚酯工藝流程第17頁，共56頁，2022年，5月20日，1點24分，星期二預縮聚 混合器中的單體經(jīng)過濾器過濾后，經(jīng)計量泵、單體預熱器

9、送入預縮聚塔底部。預縮聚塔由十六塊塔板構成，控制塔內(nèi)溫度在（2655）。單體由塔底進入后，沿各層塔板的升液管逐層上升，在上升過程中進行縮聚反應，反應所生成的乙二醇蒸氣起攪拌作用，可以加快反應速率。當物料到達最上一層塔板后，便得到特性粘度0.20.25的預聚物，預聚物由塔頂物料出口流出.第18頁，共56頁，2022年，5月20日，1點24分，星期二縮聚 預聚物由計量泵定量連續(xù)輸送到臥式連續(xù)真空縮聚釜的入口。該釜為圓筒形的內(nèi)有49枚圓盤輪的單軸攪拌器，釜的底部有與圓盤輪交錯安裝的隔板隔成的多段反應室，如圖10-3所示。以鋅催化劑時，釜內(nèi)縮聚反應溫度不超過270，加入穩(wěn)定劑后可控制275278，壓力

10、小于133.3Pa。在攪拌器的作用下，物料由縮聚釜一端向另一端移動，在移動過程中進行縮聚反應。當物料到達另一端時，聚酯第19頁，共56頁，2022年，5月20日，1點24分，星期二 樹脂的特性粘度逐漸增加到0.640.68。然后經(jīng)過連續(xù)紡絲、拉膜或造粒即得其產(chǎn)品。 （2）直接酯化聚酯生產(chǎn)工藝 直接酯化聚酯生產(chǎn)工藝所用的原料對苯二甲酸與乙二醇的質(zhì)量要求如表10-3所示。其工藝過程包括酯化與縮聚。第20頁，共56頁，2022年，5月20日，1點24分，星期二酯化反應 對苯二甲酸與乙二醇按摩爾比11.33配料，以三氧化二銻為催化劑，在攪拌下，控制酯化溫度在乙二醇沸點以上。酯化反應在如圖3-2所示的反

11、應釜中進行。用平均聚合度為1.1的酯化物在反應器中循環(huán)，酯化物與對苯二甲酸的摩爾比為0.8。控制釜的夾套溫度為270，物料在釜內(nèi)第一區(qū)室內(nèi)充分混合，制成粘度第21頁，共56頁，2022年，5月20日，1點24分，星期二 為2Pas的漿液。這種漿液穿過區(qū)室間檔板上的小孔進入下一個區(qū)室，物料在前進中進行反應，最后獲得均一低聚物。反應產(chǎn)生的水，經(jīng)蒸餾排出設備外。 縮聚反應 縮聚反應設備與酯交換基本相同，連續(xù)酯化后的產(chǎn)物進入縮聚設備進行連續(xù)縮聚反應，即得聚對苯二甲酸乙二醇酯。第22頁，共56頁，2022年，5月20日，1點24分，星期二由于直接酯交換法中一般要加入了磷酸三苯酯、亞磷酸三苯酯等 穩(wěn)定劑，

12、所以聚酯產(chǎn)物的熱穩(wěn)定 性和聚合度都比酯交換法聚酯 高，可以作為生產(chǎn)輪胎簾子線的 高質(zhì)量纖維。第23頁，共56頁，2022年，5月20日，1點24分，星期二 第三節(jié)聚酯切片的干燥1、切片干燥的目的和要求 切片在熔融紡絲之前必須進行干燥。干燥的目的是除去切片中的水分，并提高切片的結晶度和軟化點。 2、切片干燥的工藝控制 切片干燥過程實質(zhì)上是一個同時進行的傳熱和傳質(zhì)過程，并伴隨著高聚物結構(結晶)與性質(zhì)(軟化點等)的變化。 溫度 時間 風速 風濕度 第24頁，共56頁，2022年，5月20日，1點24分，星期二3、切片干燥設備 PET切片干燥設備分為間歇式和連續(xù)式兩大類。間歇式設備有真空轉(zhuǎn)鼓干燥機；

13、連續(xù)式設備有回轉(zhuǎn)式、沸騰式和充填式等干燥機，也有用多種形式組合而成的聯(lián)合干燥裝置，如德國的KF、BM，吉瑪和日本的鐘紡、奈良等干燥裝置。第25頁，共56頁，2022年，5月20日，1點24分，星期二VC353真空干燥機示意圖第26頁，共56頁，2022年，5月20日，1點24分，星期二回轉(zhuǎn)圓筒一充填組合干燥工藝流程圖第27頁，共56頁，2022年，5月20日，1點24分，星期二 KF式干燥工藝流程第28頁，共56頁，2022年，5月20日，1點24分，星期二 間歇式預結晶和BM式干燥工藝流程圖第29頁，共56頁，2022年，5月20日，1點24分，星期二第四節(jié) 聚酯纖維的紡絲 聚酯纖維是通過熔

14、融紡絲法生產(chǎn)的，一般是將聚酯樹脂切片經(jīng)過真空干燥（真空度266.6666.5Pa，溫度140150，時間1020h），除去吸附的微量水分，并使樹脂由無定型變?yōu)榻Y晶形后，在惰性氣體的保護下加熱成熔體。再在一定壓力下定量壓出噴絲孔，冷卻后形成纖維，再經(jīng)拉伸、卷曲、切斷等工序成為一定規(guī)格的第30頁，共56頁，2022年，5月20日，1點24分，星期二 可紡短纖維；或在拉伸后進行加捻、定型等后處理工序，成為符合各項指標的長纖維。 PET纖維一般以紡絲速度高低來劃分紡絲技術路線類型 常規(guī)紡絲：紡絲速度10001500mmin，其卷繞絲為未拉伸絲，通稱UDY（undraw yarn）第31頁，共56頁，2

15、022年，5月20日，1點24分，星期二中速紡絲：紡絲速度為15003000mmin。其卷繞絲具中等取向度，為中取向絲，通稱MOY（medium orented yarn）高速紡絲：紡絲速度為30006000mmin。紡絲速度為4000mmin以下的卷繞絲具有較高的取向度，為預取向絲POY（preoriented yarn）。第32頁，共56頁，2022年，5月20日，1點24分，星期二 若在紡絲過程中引入拉伸作用，可獲得具有高取向度和中等結晶度的卷繞絲，為全拉伸絲FDY（full draw yarn）。超高速紡絲：紡絲速度為60008000mmin。卷繞絲具有高取向和中等結晶結構，為全取向絲

16、，通稱FOY。第33頁，共56頁，2022年，5月20日，1點24分，星期二1.紡絲熔體的制備 由縮聚釜或用連續(xù)縮聚制得的PET熔體可直接用于紡絲，也可以經(jīng)鑄帶、切粒后再熔融以制備紡絲熔體。 用于熔紡合成纖維生產(chǎn)的主要是單螺桿擠出機，其結構見圖 。第34頁，共56頁，2022年，5月20日，1點24分，星期二單螺桿擠出機結構簡圖第35頁，共56頁，2022年，5月20日，1點24分，星期二2. 紡絲機的基本結構 VD405高壓紡絲頭組件第36頁，共56頁，2022年，5月20日，1點24分，星期二3. 紡絲過程中的主要工藝參數(shù) 熔法紡絲過程中有許多參變數(shù)，這些參變數(shù)決定纖維成形的歷程和紡出纖維

17、的結構和性能，生產(chǎn)上就是通過控制這些參數(shù)來制得所要求性能的纖維。 按工藝過程生產(chǎn)中控制的主要紡絲參數(shù): 熔融條件 噴絲條件 固化條件 繞絲條件 第37頁，共56頁，2022年，5月20日，1點24分，星期二4. 聚酯短纖維的紡絲工藝 PET短纖維的紡絲，按其使用的原料狀態(tài)不同，可分為切片紡絲和直接紡絲兩類。切片紡絲工藝流程：PET切片干燥熔融 紡絲后處理成品纖維直接紡絲工藝流程：PET熔體一紡絲一后處理 一成品纖維。第38頁，共56頁，2022年，5月20日，1點24分，星期二 PET短纖維常規(guī)紡絲工藝流程圖 第39頁，共56頁，2022年，5月20日，1點24分，星期二5.聚酯長絲的紡絲工藝

18、PET長絲 普通長絲(復絲)、 工業(yè)用長絲 彈力絲 空氣變形絲等品種。 聚酯長絲的生產(chǎn)工藝路線第40頁，共56頁，2022年，5月20日，1點24分，星期二PET長絲分類如下：第41頁，共56頁，2022年，5月20日，1點24分，星期二 長絲紡絲工藝流程圖第42頁，共56頁，2022年，5月20日，1點24分，星期二 第五節(jié) 聚酯纖維的高速紡絲圖-PET短纖維高速短程紡絲工藝流程示意圖1. 短纖維高速紡絲第43頁，共56頁，2022年，5月20日，1點24分，星期二 PET預取向絲的生產(chǎn) 全拉伸絲的生產(chǎn) 全取向絲的生產(chǎn) 2. 長絲高速紡絲第44頁，共56頁，2022年，5月20日，1點24分

19、，星期二第六節(jié) 聚酯纖維后加工纖維后加工作用：（1）將纖維進行拉伸（或補充拉伸），使纖維中大分子取向，并規(guī)整排列，提高纖維強度，降低伸長率。（2）將纖維進行熱處理，使大分子在熱作用下，消除拉伸時產(chǎn)生的內(nèi)應力，降低纖維的收縮率，并提高纖維的結晶度。（3）對纖維進行特殊加工，如將纖維卷曲或變形、加捻等，以提高纖維的摩擦系數(shù)、彈性、柔軟性、蓬松性，或使纖維具有特殊的用途及紡織加工性能。第45頁，共56頁，2022年，5月20日，1點24分，星期二圖-15 PET短纖維后加工工藝流程示意圖第46頁，共56頁，2022年，5月20日，1點24分，星期二2. PET長絲后加工主要工藝參數(shù) 拉伸倍數(shù)： 拉伸

20、倍數(shù)由冷拉伸盤和熱盤的線速度之比確定，要大于卷繞絲的自然拉伸比，小于最大拉伸比，一般為3.54.2倍。 拉伸溫度： 拉伸溫度指熱盤溫度，要高于纖維玻璃化溫度1020，一般控制在8090土10。在此范圍內(nèi)溫度變化對纖維強度無明顯影響；但隨溫第47頁，共56頁，2022年，5月20日，1點24分，星期二度升高，拉伸倍數(shù)可以增大、結晶度升高、拉伸應力下降、毛絲減少、染色不勻率增加。 拉伸速度：拉伸速度一般在800mmin左右，過高的拉伸速度容易出現(xiàn)毛絲。 定型溫度；定型溫度指熱板或狹縫溫度，一般控制在180左右 。第48頁，共56頁，2022年，5月20日，1點24分，星期二PET長絲拉伸加捻機示意圖第49頁，共56頁，2022年，5月20日，1點24分，星期二3. 假捻變形絲加工PET彈力絲的加工方法第50頁，共56頁，2022年，5月20日，1點24分，星期二捻向示意圖 假捻原理示意圖假捻原理示意圖第51頁，共56頁，2022年，5月20日，1點24分，星期二第七節(jié) 聚酯纖維的改性和新型聚酯纖維易染色聚酯纖維抗靜電導電聚