化纤工艺聚丙烯纤维

第五章 聚丙烯纤维 第一节 概述 1953年 zieglar和 natta发明了能够使烯烃定向聚合的 有机金属络合催化剂 ， 同年意大利的纳塔用这种催化 剂合成了等规聚丙烯 ， 1957年意大利开始工业化生产 聚丙烯 。 1960年工业化生产聚丙烯纤维 。 随着石油工 业的发展 ， 丙烯来源丰富 ， 价廉使聚丙烯纤维的发展 很快 ， 七十年代末产量已达一百多万吨 ， 居合纤第四 位 。 聚丙烯纤维的主要商品名称： 我国 意大利 美国 日本 丙纶 Meraklon Herculon Pylen 丙纶纤维的主要特点： 1、 比重小：丙纶是目前所有纤维中比重最小的 0.918/cm3 2、 强度高：丙纶是强度比较高的一种纤维 ， 由于丙纶 不吸水 ， 其干湿强度基本相同更适用湿态的使用要求 。 3、 弹性好：回弹率与涤纶 、 腈纶 、 尼龙类似 ， 弹性模 量略低于涤纶 4、 光热稳定性差：易于老化 ， 在加工使用中容易失去 光泽 、 强伸度下降 。 5、 染色性差： PP上没有极性基因缺乏对一般染料的亲 和性 。 表 5-1 PP纤维的主要性能 性 能 指 标 复 丝 短 纤 维 断裂强度 /cNdtex-1 断裂伸长 /% 弹性回复率 /% （ 在 5%伸长时 ） 初始模量 /cNdtex-1 沸水收缩率 /% 回潮率 /% 3.1-6.4 15-35 88-98 46-136 0-5 0.03 2.5-5.3 20-35 88-95 23-63 0-5 0.03 第二节 纺丝级聚丙烯 聚丙烯的生产一般都是由较大型的石油化工企业完成 的 ， 化纤厂基本上都采用聚丙烯切片纺丝 。 切片的主要指标： 等规度 95 2dl/g 分子量 18 20万 熔融指数 6g/10min 水分 0.1% 用齐格勒纳塔催化剂可以获得高规整性的聚丙烯 ， 从而得到较高结晶性和较高的熔点及良好的物理机械 性能 。 丙 烯 单元中没有极性基因 ， 为了增加分子间作 用力 ， 其分子量比一般成纤高聚物要高 。 等规度的测定： 丙稀聚合物中含有等规 、 间规 、 无规三种结构组成 。 而正庚烷能溶解无规 、 间规聚合物 ， 可以采用沸腾的正 庚烷对聚丙烯聚合物试样进行萃取 、 萃取后所剩残渣即 为等规聚丙烯 。 用萃取前后试样质量之比即为等规度 。 熔融指数的测定： “ MI”是热塑性高聚物在规定地温度和压力下在十分钟 内通过指定长度和内径的毛细管的重量值 。 单位 “ g/10min”。 PP的测定条件：温度 230 ， 压力 2160g， 毛细管 d=2.095mm ， l=8mm。 MI可表征 PP的流动特性 ， 估量其分子量的大小 。 PP切片不用干燥可直接用于纺丝 。 （ 吸水性差并对热 降解影响小 ） 第三节 聚丙烯的熔体纺丝 一 、 熔体纺丝 与 PET、 PA熔体纺丝过程一样 PP也可以用熔体纺丝法 制成长丝 、 短纤维 。 工业生产 PP纤维一般采用普通的熔 体纺丝法和膜裂纺丝法 。 随着生产技术的发展 ， 近年来 又有许多新的生产工艺出现 ， 如复合纺丝 、 短程纺 、 膨 体长丝 、 纺 牵一步法 （ FDY） 、 纺粘和熔体喷射法非 织造布工艺等 。 主要的工艺参数及其分析如下： 1、纺丝温度 PP熔体温度高出其熔点 100 左右，原因如下： (1)PP的分子量高，熔融后的熔体粘度很高，因此要提 高纺丝温度以增加流动性使纺丝顺利进行。 (2)PP中没有强极性基因，内聚能较小，纺丝时容易 出现熔体破裂 (3)PP分子量分布宽 ， 熔体弹性较大牛顿性能差 。 (4)高温下纺丝 ， 卷绕丝的预取向度低并生成不稳定 的碟状液晶结构以利于后拉伸倍数的提高 。 2、 冷却条件 冷却速率快 ， 卷绕丝易生成不稳定的碟状液晶结构 。 冷却速率慢 ， 卷绕丝易生成稳定的单斜晶体结构 。 实际生产中丝室温度偏低 ， 侧吹风时 35 40 ， 环状 吹风 30 40 冷却风温 25 风速 0.30.4m/s。 3、 喷丝头拉伸 喷丝头拉伸倍数比涤纶纺丝低 ， 一般为 60倍左右 ， 若 预拉伸倍数过高会导致卷绕丝生成稳定的单斜晶体从而 使后拉伸倍数降低 ， 影响纤维质量 。 4、 后处理 丙纶短纤维后处理的流程也和涤纶 、 锦纶相似 : 集束 第一拉伸机 第二拉伸机 过热蒸汽加热器 第三拉伸机 卷曲 热定型 切断 打包 丙纶长丝的熔体纺丝过程也与涤纶丝锦纶丝相似 。 下面以聚丙烯复丝生产的录象为例介绍常规聚丙烯 纤维的生产过程 。 二 、 聚丙烯纤维的老化及防止措施 聚丙烯纤维虽具有许多优点 ， 但由于等规纤维的结 构非常单一 ， 在分子链上含有许多不太稳定的叔碳原 子 ， 而且大分子中不含极性基团 ,导致聚丙烯有容易老 化和染色性差的缺陷 。 老化：高分子材料在加工 、 贮存和使用过程中逐渐 失去原有的优良性能以致最后丧失使用价值的现象 。 丙纶老化：失去光泽 、 退色 、 强伸度下降 。 老化外因：光 、 热 、 氧的作用结果 。 1、 热氧老化 （ 主要发生在加工过程中 ） PP本身结构不耐老化 ， 加工温度比较高在加工中很容 易发生热氧化降解 。 （ 分子链中生成一些羟基基团 ） 2、 光氧老化 （ 主要发生在使用过程中 ） PP在使用过程中 ， 由于日光中紫外线 、 热 、 氧等作用 发生的老化 。 （ 羟基化合物能强烈地吸收紫外线成为 激发态 ， 使高分子降解老化 ） 热老化与光老化有密切的关系 ， PP在热氧化老化中产 生的化合物是光氧化的先导 、 反过来光老化又会诱导 热氧降解的继续发生 ， 两者互为因果彼此促进 。 3、 稳定老化的措施 添加各种稳定剂 、 高聚物改性 、 改进聚合和加工工 艺 。 工业中主要采用添加稳定剂的方法 ， 这种方法简单 易行收效快 。 第四节 聚丙烯全拉伸纤维（ FDY） 下面我们以一段录象进行介绍。 第五节 聚丙烯的裂膜纺丝 特点：生产过程简单 、 原料要求低 ， 产量高 、 能耗 低 。 膜裂纤维包括：割裂纤维和撕裂纤维 一 、 割裂纤维 （ 扁条 、 扁丝 ） 割裂纤维是把 T型机头挤出的平膜或吹塑得到的管状 膜通过具有一定间隔的刀具架被切割成扁带 、 再经拉 伸 、 热定型得到扁丝 。 一般宽 2.5-6mm,厚 20 50m 纤度 1100dtex左右 ， 强度 4.4cn/dtex 。 平膜挤出法：纤度较均匀 ， 手感和耐冲击性较差 。 吹型薄膜法：产量高 、 手感好 、 纤度均匀性较差 。 主要用途：地毯底布 、 编织袋 、 工业织物 、 绳索等 。 二 、 撕裂纤维 （ 原纤化纤维 ） 将挤出或吹塑得到的薄膜经单轴拉伸使大分子沿拉 伸方向取向 ， 拉伸方向强度 ， 垂直拉伸方向强度 ， 然后薄膜通过针辊或齿辊等破纤装置 ， 被开纤 ， 再经 物理 、 化学或机械作用使开纤薄膜进步离散成纤维网 状物或连续丝条 ， 长丝 。 主要用途：地毯 、 人造草坪 、 包装材料 、 绳索 、 工 业用织物 。 图 5-7 针辊法撕裂纤维生产工艺流程 1-挤出机 -歧管式机头 -冷却水箱 -切割设备 -加热烘箱 -拉伸机 -热定型烘箱 -抗静电油剂 -橡胶压辊 -机械原纤化辊 -去卷取 第六节 聚丙烯的短程纺丝 短程纺丝技术是较常规纺丝的工艺流程短 ， 纺丝工序 与拉伸工序直接相连 ， 喷丝头孔数增加 ， 纺丝速度降低 的一种新工艺路线 。 整套生产线可缩短到 50m左右 ， 从 切片输入到纤维打包全部连续化 ， 可生产单丝线密度为 1200dtex的短纤维 。 它具有占地面小 ， 产量高 ， 成本 较低 ， 操作方便 ， 宜于迅速开发且适应性强等优点 。 近年来短程纺有很大发展 ， 在技术与设备上都有所突破 。 如机器高度由三层压缩到一层 ， 该技术主要以生产丙 纶为主 ， 也可用于涤纶 、 锦纶生产 。 1. 工艺流程 短程纺设备虽不尽相同 ， 但工艺流程基本相似 ， 即： 切片喂入 添加剂注入 切片共混 螺杆挤出 熔体 过滤 熔体分配 纺丝 冷却成形 上油卷曲 张力调节 拉伸 卷取 热定型 张力消除 切断 打包 。 2. 设备与工艺特点 纺丝箱体有 6-32个纺丝位 ， 喷丝板有环形和矩形两种 ， 喷丝孔数多达 15万孔 ， 冷却吹风形式有侧吹 、 中心 放射和真空环吸等 。 采用环形喷丝板 、 中心放射冷却 形式时 ， 喷丝孔均匀分配在圆环上 ， 纺出的丝像吹塑 圆形薄膜 ， 冷却气体由中心向外吹 ， 以便迅速冷却 。 图 5-5RIETEX公司短程纺流程图 1-自动计量与混料系统 2-螺杆挤出机 3-纺丝机 4-卷绕装置 5- 排烟装置 6-控制柜 7-设备框架 8-五棍牵伸机 9-蒸汽箱 10-导 丝机 11-叠丝机 12-卷曲机 13-干燥热定型机 14-切断机 15-打 包机 表 5-3 RIETEX公司短程纺装置的主要技术特征 每台 纺丝 位数 细纤维 1.7-3.3dtex 粗纤维 6.7-200dtex 螺杆直径 mm 小时产量 Kgh-1 年产量 t 螺杆直径 mm 小时产量 Kg 年产量 t 6 8 10 12 28 210 212 216 120 150 170 170 150 170 170 180 300 400 500 600 800 1000 1200 1600 2520 3360 4200 5040 6720 8400 10080 13440 150 170 180 200 170 180 200 200 450 600 750 900 1200 1500 1800 2400 3780 5040 6300 7560 10080 12600 15120 20160 下面以一段录象使同学们对 短程纺丝有一个更直观的 了解。 第六节 聚丙烯膨体长丝 膨体长丝的缩写为 BCF。 其生产过程请看录象： 第七节 纺粘法非织造布 纺粘法是指纺丝直接成布法，其工艺流程包括 PP切片 熔融纺丝、牵伸、分丝成网和粘合加固。纺粘法非织造 布其工艺流程如下： PP切片 熔融纺丝 冷却成形 拉伸 铺网 纤网输送 纤网加固 卷装 具体的生产过程我们还是来看录象： 第八节 熔喷法 熔喷法非织造布和纺粘法非织造由一样都是利用化纤 纺丝得到的纤维直接铺网而成，但是它和纺粘法有原 则的区别，纺粘法是在聚合物熔体喷丝后才和拉伸的 空气相接触，而熔喷法则是在聚合物熔体喷丝的同时 利用热空气以超音速和熔体细流接触，使熔体喷出并 被拉成极细的无规则短纤维，是制取超细纤维非织造 布的主要方法之一。熔喷法非织造布工艺流程如下： 图 5- 熔喷法成网工艺原理 粉状或粒状 PP经挤压熔融后定量送入熔喷模头，熔体 B 从模头喷板的小孔喷出后在高速热空气流 A的作用下， 被拉伸成很细的细流，然后在周围的冷空气 C的作用下 冷却固化成纤维，其后被捕集装置 D捕集，经压辊进入 铺网机成网，切边后卷装为成品。 熔喷法非织造布空隙率高、孔径小、过滤性好、手感 柔软，生产设备紧凑。用途十分广泛，并在不断发展， 特别是在过滤材料、吸附材料和一次性用品方面。但 熔喷法非织造布强度不高，延伸度大，因此产品尺寸 不稳定，从而限制了它在衣着、家用以及合成革等方 面的应用。 第三节 聚丙烯纤维的改性及新品种 PP纤维具有许多优良的性能，但也有蜡感强、手感 偏硬、难染色、易积聚静电等缺点。因此对其进行改 性，开发新品种已成为 PP纤维发展的主要方向。 一、可染聚丙烯纤维 PP大分子不含极性基团或可反应的官能团，而且聚 合物结构中缺乏适当容纳染料分子的位置，所以染色 相当困难。除原液染色外，解决 PP纤维染色问题的途 径有以下两条： 2、共聚改性：与丙稀酸、丙稀腈、乙烯基吡啶等共 聚，或接技共聚在聚合物中引入可接受染料的极性基 团。 3、共混改性：在熔体中混入少量染料接受剂。如引 入有机金属化合物、阳离子有机氮化物。 主要产品包括：媒介染料可染 PP纤维；碱性染 料可染 PP纤维；分散染料可染 PP纤维；酸性染料 可染 PP纤维，其中酸性染料可染 PP纤维最有前途。 二、高强高模聚丙烯纤维 通过选用高分子、高等规度的 PP原料，从提高大分子 链伸展程度和结晶度着手，对纺丝和拉伸、热处理工艺 过程合理控制可获得高强高模 PP纤维。 高强 PP纤维在产业用纤维领域中具极大竞争潜力。因 为其除具有优良力学性能和耐化学性外，还具有生产设 备投资少、原料价格便宜、生产过程耗能少等明显的技 术经济优势。国外高强 PP纤维的年销量不断递增。 高强 PP纤维可以用作各种工业吊带 、 建筑业安全网 、 汽车及运动的安全带 、 船用缆绳 ， 冶金 、 化工 、 食品及 污水处理等行业的过滤织物 ， 加固堤坝 、 水库 、 铁路 、 高速公路等工程的土工布 ， 汽车和旅游业用的蓬苫布 ， 以及高压水管和工业缝纫线等产业领域 。 三、细旦及超细旦聚丙烯纤维 普通 PP纤维手感较硬，有蜡状感，因此服用数量很小。 细旦 PP长丝具有密度小、静电小、保暖、手感好及特殊 光泽、酷似真丝等特点，并且有 “ 芯吸 ” 效应及疏水、导 湿性，是制作内衣及运动服的理想材料。 国内用可控流变性能的 PP切片在常规纺、高速纺及 FDY 设备上开发出了单丝线密度达 0.71.2dtex的 PP细旦丝。 超细旦 PP纤维是指直径小于 5m 的纤维。其制品作为 气悬体的优良过滤介质，在防止空气污染装置、卷烟过滤 嘴、采矿、医药及工业用滤网、饮料的速过滤装置等方面 得到广泛应用。超细 PP纤维还可作离子交换树脂的载体及 电绝缘材料。其生产方法有离心纺丝、熔喷纺和闪蒸纺及 不相容混合物纺丝。 四、阻燃聚丙烯纤维 由 PP纤维制成的织物易燃烧并伴有燃挠滴熔现象，这 一点限制了它的使用范围。 PP纤维的阻燃研究主要是通 过共混改性的方法。 共混阻燃改性是选用溴系 、 磷系或含氮阻燃剂或它们 的复合物与 PP预先制成阻燃母粒 ， 在纺丝时按比例与 PP切片共混纺丝 。 燃烧时 ， PP形成碳质焦炭以阻碍与 氧气接触达到阻燃目的 。 也有使用磷与卤素协同作用或 采用三氧化二锑与卤素协同作用的阻燃剂 。 例如用 7.2 的八溴联苯醚与三氧化二锑的混合物与 PP共混纺丝 ， 其极限氧指数可以从 18.1提高到 28.1。 高分子材料的阻燃研究经历了含卤阻燃、低卤阻燃 到无卤阻燃的发展过程。阻燃加工中使用的有效阻燃 元素有：磷、氮、锑、溴、氯、硫等。而大多数阻燃 剂是以磷为中心元素的化合物。卤素在阻燃性能方面 的次序为； I Br Cl F。不同阻燃剂的阻燃机理不 同，一般认为：磷化物主要是固相阻燃，促使纤维炭 化分解，减少可燃气体产生，卤素主要是气相阻燃， 阻碍分解气体的自由基燃烧反应。 五、远红外聚丙烯纤维 远红外丙纶纤维是一种具有优良保健理疗功能、热效 应功能和排湿透气、抑菌功能的新型纺织材料。它含有 特殊的陶瓷成分；这钟成分能吸收人体释放出来的辐射 热，并在吸收自然界光热后发射回人体最需要的 414m 波长的远红外线。这种远红外线具有 “ 辐射、 渗透 ” 和 “ 共振吸收 ” 特征，易被人体皮肤吸收，活化 组织细胞，促进新陈代谢，让人体达到保湿及促进血液 循环的保健作用。 20世纪 80年代中期，日本钟纺和可乐 丽公司在 PP中混人远红外陶瓷成分，制成远红外 PP短纤 维。远红外丙纶纤维在我国也有多家企业生产，该产品 的产量近年内有很大程度的提高。 六、三维卷曲中空聚丙烯纤维 丙纶具有的导热系数在所有纤维中是最低的，尤其是它 密度轻，适合作为保温材料使用。国内开发生产的一种中 空三维卷曲丙纶纤维的纤度 6.67 dtex，长度为 65mm，卷 曲数为 3.74 cm，压缩率 76.5，压缩回复率 35.2， 压缩弹性率 16.6，该纤维除可作为玩具、被褥、睡袋填 充物使用外，还可作为服装保温内衬使用。除了中空三维 卷曲丙纶，还开发了四孔、七孔、九孔高弹中空丙纶，截 面形状有圆形、方形和三叶形多种，使纤维的回弹性和保 暖性更好，同时该产品生产工艺简单，能耗低，原料价格 低廉，来源广泛。因此该产品有着十分广阔的市场前景。 应用方面包括床上用品、玩具、汽车靠垫、服装、被褥内 衬等，还可用于仿制羊毛毯、仿羊羔皮等。 七、其它改性聚丙烯纤维 将微晶石蜡、肥皂、硅化物、有机酸的脂肪酸脂、高 相对分子质量脂肪醇、含氟代烷基的蜡状物、无规 PP或 低相对分子质量聚乙烯与 PP切片相混，可制得耐磨性良 好的 PP纤维。 将 PP切片与抗静电剂混合纺成纤维，抗静电剂以微原 纤形态分散在 PP基体中，使纤维具有抗静电性能。 选用耐高温而且与 PP有良好的相容性及分散性的抗菌 剂，采用共混纺丝的方法可制得抗菌保健 PP纤维。 日本宇部将 PP与液体石蜡混合，熔融纺丝，拉伸热处 理后浸渍在已烷中溶去液体石蜡，制得了孔隙率高达 25的多孔性 PP纤维，多孔性 PP纤维的孔隙率高、孔 径小、比表面积大、过滤性好。可用于清除液体中的不 溶性物质和物质中的臭气。 80年代以来，人们对芳香的认识不再限于感官的愉 悦，而是更注重于芳香的医疗保健价值等，开发出了芳 香整理织物和芳香纤维织物。其主要的研制途径有三种 ：将芳香物质与低熔点聚合物混合造粒后在较低的温度 下纺丝；将芳香物质包敷在微胶囊中后加入到纺丝溶液 (熔体 )中纺丝；将 PP与吸油物质混合后纺丝，浸入芳香 物质溶液中吸收香料，从而赋予纤维芳香功能。 复习题 1、聚丙烯纤维有哪些特点 2、 聚丙烯切片的等规度和熔融指数是如何测定的 3、 聚丙烯纺丝时为什么纺丝温度要远高于熔点 4、 为了抑制聚丙烯的老化经常加入哪些添加剂 ， 它们 都有哪些作用 5、 简述割裂纤维和撕裂纤维的制造过程 6、 简述聚丙烯的短程纺丝 7、 简述聚丙烯的熔喷纺丝法 8、 简述聚丙烯的膨体长丝生产法 9、 简述聚丙烯的纺粘法非织造布生产法 10、 简述聚丙烯的常规长丝复丝生产法