化學(xué)纖維紡絲

在紡絲工序得到的未經(jīng)拉伸的絲條，統(tǒng)稱初生纖維。其結(jié)構(gòu)尚不完善和穩(wěn)定,物理-機(jī)械性能也差，尚不宜于紡織加工。因此，必須經(jīng)過后處理工序，其流程隨纖維品種和類型(長絲、短纖維等)而異。拉伸和熱定形直接影響成品纖維結(jié)構(gòu)和性能，是后處理各種流程中不可缺少的主要工序。用濕法紡絲得到的纖維還要經(jīng)過水洗，以除去附著的凝固浴液和溶劑;生產(chǎn)短纖維時需要進(jìn)行卷曲和切斷;生產(chǎn)長纖維則需要進(jìn)行加捻、絡(luò)筒等。這些工序?qū)w維超分子結(jié)構(gòu)的改變不大，因而對性能的影響較小。為賦予纖維以某些特殊的性能，如抗皺、耐熱水、蓬松、回彈等性能，還需在后處理過程中進(jìn)行一些特殊加工。

又稱纖維二次成形。后處理過程中最重要的工序。紡絲后得到的卷繞絲或經(jīng)集束后的大股絲束在拉伸機(jī)上進(jìn)行拉伸，使大分子沿纖維軸向取向排列，同時發(fā)生結(jié)晶，以進(jìn)一步提高初生纖維的結(jié)晶度，或改變晶型結(jié)構(gòu),形成一定的超分子結(jié)構(gòu),從而顯著提高纖維強(qiáng)度。

生產(chǎn)短纖維時，拉伸在幾臺速度不同的拉伸機(jī)之間進(jìn)行。隨纖維品種不同，拉伸方式有:一道拉伸和多道拉伸、冷拉伸和熱拉伸、濕熱拉伸和干熱拉伸等。拉伸介質(zhì)可用空氣、蒸汽、水浴、油浴或其他浴液。拉伸溫度、拉伸介質(zhì)、拉伸速度和多級拉伸配比等工藝條件對所得纖維的結(jié)構(gòu)和性能有很大影響，常需正確選擇。另外，為了得到纖度和其他物理-機(jī)械性能均勻的纖維,拉伸點(絲條上細(xì)頸開始出現(xiàn)的位置)必須固定。否則會形成拉伸不足或未拉伸纖維，所得纖維粗細(xì)不一，染色不勻。

生產(chǎn)長絲時，卷繞絲經(jīng)存放平衡后,在拉伸-加捻機(jī)上進(jìn)行拉伸。根據(jù)不同品種的要求,拉伸-加捻機(jī)有單區(qū)拉伸和雙區(qū)拉伸兩類。如生產(chǎn)滌綸、高強(qiáng)力錦綸，采用雙區(qū)拉伸(圖1)，頭道拉伸發(fā)生在喂入輥與上拉伸盤之間，稱為常溫拉伸;二道拉伸則發(fā)生在上下拉伸盤之間，稱為熱拉伸。上拉伸盤也稱熱盤，上下拉伸盤之間有加熱板或縫式加熱器，拉伸后絲條穿過導(dǎo)絲鉤、鋼領(lǐng)圈而卷繞于插在鋼領(lǐng)板的雙錐筒子上。

是合成纖維生產(chǎn)中特有的工序。熱定形的目的:一是提高纖維的形狀穩(wěn)定性(用纖維在沸水中的剩余收縮率來衡量);二是進(jìn)一步改善纖維的物理-機(jī)械性能，以及固定卷曲度(對短纖維)或捻度(對長絲);三是改善纖維的染色性能。在某些情況下，通過熱定形可使纖維發(fā)生熱交聯(lián)(如聚乙烯醇縮甲醛纖維)，或借以制取高收縮性和高蓬松性的纖維，賦予纖維及其紡織制品以波紋、褶襞或高回彈性等效果。 熱定形可在張力或無張力下進(jìn)行。前者稱緊張熱定形(包括定張力熱定形和定長熱定形);后者稱松弛熱定形。兩者的工藝條件以及所得纖維的結(jié)構(gòu)、性能均不同。

此外，合成纖維長絲(特別是聚酯纖維和聚酰胺纖維)可用于制造彈力絲(見化學(xué)纖維)。彈力絲的加工方法很多，有假捻法、填塞箱法、賦形法、空氣噴射法等，其中假捻法應(yīng)用最廣泛，它可一次完成絲條的加捻、定形和退捻(圖2)。此法工藝簡單，所得絲條具有三維的螺旋形卷曲，質(zhì)量好。

有一種新的紡絲- 后處理加工方法，是紡絲直接成條法。該法將紡絲、拉伸和熱定形后的絲束，經(jīng)過直接成條機(jī)(牽切機(jī))做成條子，(可省去常規(guī)紡織加工的梳理、并條和精梳工序)，然后與羊毛等天然纖維或其他化學(xué)纖維混紡成紗，適用于聚酯纖維、聚丙烯腈纖維、聚丙烯纖維和聚乙烯醇縮甲醛纖維等合成纖維品種。

有熔體紡絲和溶液紡絲兩類。通常在熔融狀態(tài)下不發(fā)生顯著分解的成纖聚合物采用熔體紡絲，例如聚酯纖維、聚酰胺纖維等。熔體紡絲過程簡單，紡絲速度高。溶液紡絲法適用于熔融時要分解的成纖聚合物,將成纖聚合物溶解在溶劑中制得粘稠的紡絲液,然后進(jìn)行紡絲。按從噴絲孔擠出的紡絲液細(xì)流的凝固方式，溶液紡絲又分為濕法紡絲和干法紡絲兩種。溶液紡絲紡速較低，尤其是濕法紡絲。為提高紡絲能力，需采用孔數(shù)很多的噴絲頭。干法紡絲的紡速高于濕法紡絲，但遠(yuǎn)低于熔體紡絲。

包括紡絲熔體或溶液的制備、纖維成形和卷繞以及后處理過程。后處理過程則有初生纖維的拉伸、熱定形到成品包裝等一系列工序。

成纖聚合物在溶劑中溶解成溶液，或?qū)⒊衫w聚合物切片在螺桿擠出機(jī)中加熱熔融成熔體，經(jīng)紡前準(zhǔn)備工序后入紡絲機(jī)，用紡絲泵(計量泵)將紡絲溶液或熔體定量、連續(xù)、均勻地從噴絲頭的細(xì)孔壓出，這種細(xì)流在水、凝固液或空氣中固化，生成初生纖維，此過程即纖維成形。在紡絲過程中，成纖聚合物要發(fā)生幾何形態(tài)和物理形態(tài)的變化，如聚合物的溶解或熔化，紡絲流體的流動和形變，絲條固化過程中的膠凝、結(jié)晶、二次轉(zhuǎn)變和拉伸流動中的大分子取向，以及過程中的擴(kuò)散、傳熱和傳質(zhì)等。紡制人造纖維(粘膠纖維、銅氨纖維)時,還發(fā)生化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化。這些變化彼此影響,故改變紡絲條件，可在一定范圍內(nèi)改變所得纖維的物理機(jī)械性能。

常用紡絲方法 有熔體紡絲和溶液紡絲兩類。通常在熔融狀態(tài)下不發(fā)生顯著分解的成纖聚合物采用熔體紡絲，例如聚酯纖維、聚酰胺纖維等。熔體紡絲過程簡單，紡絲速度高。溶液紡絲法適用于熔融時要分解的成纖聚合物,將成纖聚合物溶解在溶劑中制得粘稠的紡絲液,然后進(jìn)行紡絲。按從噴絲孔擠出的紡絲液細(xì)流的凝固方式，溶液紡絲又分為濕法紡絲和干法紡絲兩種。溶液紡絲紡速較低，尤其是濕法紡絲。為提高紡絲能力，需采用孔數(shù)很多的噴絲頭。干法紡絲的紡速高于濕法紡絲，但遠(yuǎn)低于熔體紡絲。

新型紡絲方法 在工業(yè)上應(yīng)用的新型紡絲方法，主要有干噴濕紡法、乳液或懸浮液紡絲法、膜裂紡絲法。

①干噴濕紡法 又稱干濕法紡絲，是干法與濕法相結(jié)合，將紡絲液從噴絲頭壓出，先經(jīng)過一段空間，然后進(jìn)入凝固浴槽，從凝固浴槽導(dǎo)出初生纖維。

與一般濕法紡絲比較，干噴濕紡法的紡絲速度要高若干倍，還可采用孔徑較大(0.5~0.3mm)的噴絲頭，同時采用濃度較高、粘度較大的紡絲溶液，顯著提高了紡絲機(jī)的生產(chǎn)能力。目前，這種紡絲方法已在聚丙烯腈纖維、芳香族聚酰胺纖維等生產(chǎn)中得到應(yīng)用。 ②乳液紡絲法 又稱載體紡絲法，是將聚合物分散于某種可紡性較好的物質(zhì)(作載體)中呈乳液狀態(tài)，然后按載體常用的方法紡絲。載體常用粘膠或聚乙烯醇水溶液，所以乳液紡絲工藝類似于濕法紡絲。得到的初生纖維經(jīng)拉伸后在高溫下燒結(jié)，載體炭化，聚合物顆粒在接近粘流溫度下被粘連形成纖維。適宜于乳液紡絲的成纖聚合物應(yīng)具有高于分解溫度的熔點，沒有合適的溶劑使其溶解或塑化，因而無法制成熔體和紡絲溶液。目前，該法在聚四氟乙烯纖維等的生產(chǎn)中已得到應(yīng)用。

③膜裂紡絲法 是將聚合物先制成薄膜，然后經(jīng)機(jī)械加工方式制得纖維。根據(jù)機(jī)械加工方式不同，所得纖維又分為割裂纖維和撕裂纖維兩種。割裂纖維又稱為扁絲，其加工方式是將薄膜切割成一定寬度的條帶，再拉伸數(shù)倍，并卷繞在筒子上得到成品。撕裂纖維的加工方式是將薄膜沿縱向高度拉伸，使大分子沿軸向充分取向，同時產(chǎn)生結(jié)晶，再用化學(xué)和物理方法使結(jié)構(gòu)松弛，并以機(jī)械作用撕裂成絲狀，然后加捻和卷曲獲得成品。前者纖維較粗,用于代替麻類作包裝材料。后者纖維稍細(xì),用于制作地毯和繩索。目前，應(yīng)用于聚丙烯纖維等生產(chǎn)。

此外，為紡制具有特殊性能纖維的需要，還發(fā)展了,若，干其他紡絲方法，例如:凍膠紡絲法(將濃聚合物溶液或塑化的凍膠從噴絲頭細(xì)孔擠出到某氣體介質(zhì)中，細(xì)流冷卻，伴隨溶劑揮發(fā)，聚合物固化得到纖維，又稱半熔體紡絲);相分離紡絲法(以聚合物溶液作為紡絲原液，通過改變溫度使紡絲液細(xì)流固化);閃蒸紡絲法(聚合物在高溫高壓下溶解于特殊溶劑中，原液細(xì)流出噴絲頭時溶劑閃蒸而形成纖維);噴霧凝固紡絲法(紡絲溶液被壓入封閉室內(nèi)，受噴入室內(nèi)的霧狀凝固劑作用形成纖維);靜電紡絲法(聚合物熔體或其在揮發(fā)性溶劑中的溶液在靜電場中形成纖維);液晶紡絲法(用處于液晶狀態(tài)的溶液紡絲)，等等。

在紡絲工序得到的未經(jīng)拉伸的絲條，統(tǒng)稱初生纖維。其結(jié)構(gòu)尚不完善和穩(wěn)定,物理-機(jī)械性能也差，尚不宜于紡織加工。因此，必須經(jīng)過后處理工序，其流程隨纖維品種和類型(長絲、短纖維等)而異。拉伸和熱定形直接影響成品纖維結(jié)構(gòu)和性能，是后處理各種流程中不可缺少的主要工序。用濕法紡絲得到的纖維還要經(jīng)過水洗，以除去附著的凝固浴液和溶劑;生產(chǎn)短纖維時需要進(jìn)行卷曲和切斷;生產(chǎn)長纖維則需要進(jìn)行加捻、絡(luò)筒等。這些工序?qū)w維超分子結(jié)構(gòu)的改變不大，因而對性能的影響較小。為賦予纖維以某些特殊的性能，如抗皺、耐熱水、蓬松、回彈等性能，還需在后處理過程中進(jìn)行一些特殊加工。

拉伸 又稱纖維二次成形。后處理過程中最重要的工序。紡絲后得到的卷繞絲或經(jīng)集束后的大股絲束在拉伸機(jī)上進(jìn)行拉伸，使大分子沿纖維軸向取向排列，同時發(fā)生結(jié)晶，以進(jìn)一步提高初生纖維的結(jié)晶度，或改變晶型結(jié)構(gòu),形成一定的超分子結(jié)構(gòu),從而顯著提高纖維強(qiáng)度。

生產(chǎn)短纖維時，拉伸在幾臺速度不同的拉伸機(jī)之間進(jìn)行。隨纖維品種不同，拉伸方式有:一道拉伸和多道拉伸、冷拉伸和熱拉伸、濕熱拉伸和干熱拉伸等。拉伸介質(zhì)可用空氣、蒸汽、水浴、油浴或其他浴液。拉伸溫度、拉伸介質(zhì)、拉伸速度和多級拉伸配比等工藝條件對所得纖維的結(jié)構(gòu)和性能有很大影響，常需正確選擇。另外，為了得到纖度和其他物理-機(jī)械性能均勻的纖維,拉伸點(絲條上細(xì)頸開始出現(xiàn)的位置)必須固定。否則會形成拉伸不足或未拉伸纖維，所得纖維粗細(xì)不一，染色不勻。

生產(chǎn)長絲時，卷繞絲經(jīng)存放平衡后,在拉伸-加捻機(jī)上進(jìn)行拉伸。根據(jù)不同品種的要求,拉伸-加捻機(jī)有單區(qū)拉伸和雙區(qū)拉伸兩類。如生產(chǎn)滌綸、高強(qiáng)力錦綸，采用雙區(qū)拉伸(圖1)，頭道拉伸發(fā)生在喂入輥與上拉伸盤之間，稱為常溫拉伸;二道拉伸則發(fā)生在上下拉伸盤之間，稱為熱拉伸。上拉伸盤也稱熱盤，上下拉伸盤之間有加熱板或縫式加熱器，拉伸后絲條穿過導(dǎo)絲鉤、鋼領(lǐng)圈而卷繞于插在鋼領(lǐng)板的雙錐筒子上。

熱定形 是合成纖維生產(chǎn)中特有的工序。熱定形的目的:一是提高纖維的形狀穩(wěn)定性(用纖維在沸水中的剩余收縮率來衡量);二是進(jìn)一步改善纖維的物理-機(jī)械性能，以及固定卷曲度(對短纖維)或捻度(對長絲);三是改善纖維的染色性能。在某些情況下，通過熱定形可使纖維發(fā)生熱交聯(lián)(如聚乙烯醇縮甲醛纖維)，或借以制取高收縮性和高蓬松性的纖維，賦予纖維及其紡織制品以波紋、褶襞或高回彈性等效果。

熱定形可在張力或無張力下進(jìn)行。前者稱緊張熱定形(包括定張力熱定形和定長熱定形);后者稱松弛熱定形。兩者的工藝條件以及所得纖維的結(jié)構(gòu)、性能均不同。

此外，合成纖維長絲(特別是聚酯纖維和聚酰胺纖維)可用于制造彈力絲(見化學(xué)纖維)。彈力絲的加工方法很多，有假捻法、填塞箱法、賦形法、空氣噴射法等，其中假捻法應(yīng)用最廣泛，它可一次完成絲條的加捻、定形和退捻(圖2)。此法工藝簡單，所得絲條具有三維的螺旋形卷曲，質(zhì)量好。

有一種新的紡絲- 后處理加工方法，是紡絲直接成條法。該法將紡絲、拉伸和熱定形后的絲束，經(jīng)過直接成條機(jī)(牽切機(jī))做成條子，(可省去常規(guī)紡織加工的梳理、并條和精梳工序)，然后與羊毛等天然纖維或其他化學(xué)纖維混紡成紗，適用于聚酯纖維、聚丙烯腈纖維、聚丙烯纖維和聚乙烯醇縮甲醛纖維等合成纖維品種。

對化學(xué)纖維紡絲成形后的初生纖維進(jìn)行一系列后處理加工，使其適應(yīng)紡織加工和使用的要求。依化學(xué)纖維品種和紡絲工藝的不同，后處理工序也不相同。濕法紡絲的后處理工序較長，例如粘膠纖維采取濕法成形，后處理工序有水洗、脫硫、漂白、酸洗、上油、脫水及干燥等；醋酯纖維采取干法成形,后處理工序比較簡單,只有卷繞和加拈；至于大多數(shù)以熔體紡絲成形的合成纖維，則有卷繞、拉伸、熱松弛、熱定形、卷繞及加拈等，制造短纖維時還增加切段工序。以上品種所采用的后處理設(shè)備也牽伸，是指初生態(tài)纖維在它的微觀結(jié)構(gòu)尚未完全固定以前，在特定的張力下使卷曲而無序的大分子沿軸向整列和伸展的過程。在這一過程中，無序的大分子朝有序方向發(fā)展，大分子之間的接觸點增加，分子間力增強(qiáng)，聚集區(qū)域擴(kuò)大，為纖維的結(jié)晶提供條件。這時纖維的密度增加，抗張強(qiáng)度上升；纖維變細(xì)，抗張延伸度下降；光學(xué)性和導(dǎo)熱性則呈現(xiàn)各向?qū)?。總之，纖維經(jīng)拉伸后綜合性的物理-機(jī)械性能得到改善，實用價值提高。

化學(xué)纖維的拉伸工序是在有兩組或三組不同轉(zhuǎn)速的導(dǎo)輥或?qū)ПP的拉伸裝置上進(jìn)行的。被拉伸的纖維或束絲從導(dǎo)輥或?qū)ПP的縫隙之間通過，兩端導(dǎo)輥或?qū)ПP的速差使纖維伸長。這種拉伸也常和加拈工序結(jié)合,在拉伸-加拈設(shè)備上同時進(jìn)行。

纖維的拉伸必須在一定的介質(zhì)中和一定的溫度下進(jìn)行，一般有三種方法：①干熱拉伸：在空氣中加熱狀態(tài)下（如滌綸和維綸長絲）或在室溫條件下（如錦綸和丙綸長絲）拉伸。②蒸汽拉伸：在飽和蒸汽中（如腈綸短纖維）或在天然纖維混紡，也可以純紡。一般的化學(xué)纖維表面平滑無卷曲(永久卷曲的復(fù)合纖維除外)，抱合力小，不易互相拈合或與其他纖維拈合，即可紡性能差。卷曲加工能使化學(xué)短纖維獲得與天然纖維相類似的卷曲，可紡性能會大大改善。

卷曲的方法有：機(jī)械法和化學(xué)法兩類。機(jī)械卷曲法是先將纖維束在熱水或蒸汽中預(yù)熱,而后通過卷曲機(jī),借卷曲輪和卷曲箱的作用產(chǎn)生鋸齒形平面卷曲效應(yīng)。用化學(xué)法獲得的卷曲,則是空間立體狀的永久性卷曲波紋(見復(fù)合纖維)。最常用的卷曲機(jī)主要由卷曲輪、卷曲箱和加壓機(jī)構(gòu)組成。

切段化學(xué)纖維長絲一般只能象蠶絲那樣制成織物或者與蠶絲交織。如切成短段使其長度與棉或羊毛相近，則可以象棉或羊毛那樣供作純紡或者混紡后制成織物。這樣的織物用途遠(yuǎn)較長絲織物為廣。短纖維的紡絲工藝與長絲基本相同，區(qū)別在于長絲常在孔數(shù)有限（50孔以下）的噴絲頭上紡絲成形，而制造短纖維的噴絲頭孔數(shù)常達(dá)數(shù)千甚至數(shù)萬。短纖維在后處理工藝上除增加切段和卷曲外，設(shè)備結(jié)構(gòu)也與長絲不同，容量較大。切成的短纖維常成簇，必須進(jìn)一步開松、混和，而后用與棉或羊毛相同方式紡紗和織造。

切段有濕切、干切、牽切三種形式。用前兩種切斷法可獲得段狀纖維簇，再送入開松和混和機(jī)。后一種加工方式的短纖維仍具有連續(xù)粗束絲外形，許多纖維段間歇地分布在粗束絲內(nèi)部，圍繞束絲軸平行定向（見紡絲直接成條）。非連續(xù)式切段裝置是由兩個迅速旋轉(zhuǎn)的刀輪組合而成，其中一個刀輪沿周邊等距滿布割刀，另一輪則在與割刀對應(yīng)處刻有溝槽。當(dāng)束絲以垂直方向從刀輪的縫隙中經(jīng)過時，即被切成預(yù)定長度的纖維段，落入收集器內(nèi)送出機(jī)外。

濕法成形絲精制濕法成形的初生絲大都需要經(jīng)過高度的精制處理才有實用價值。精制的工序隨不同的品種而異，有的品種甚至在后處理過程中還有重大的化學(xué)變化，如在維綸的制造中對聚乙烯醇纖維進(jìn)行縮甲醛化處理。粘膠絲是濕法成形纖維中精制過程最繁復(fù)的品種之一（見粘膠纖維）。粘膠簾子線的后處理較普通粘膠纖維簡單得多,只須經(jīng)過洗滌、半脫硫和再洗滌即可,常在連續(xù)后處理機(jī)上進(jìn)行。粘膠簾子線纖維表面光滑，在制造輪胎中不易與橡膠抱合，因此，必須先在樹脂和橡膠溶液內(nèi)對纖維進(jìn)行熱處理。此外，由于簾子線是條干粗而單絲根數(shù)多的束纖維，宜采用特殊條件的高效干燥法，以縮短處理時間。