纖維紡絲工藝與質(zhì)量控制(上冊(cè))

《纖維紡絲工藝與質(zhì)量控制(上冊(cè))》由中國(guó)紡織出版社出版。

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(guò)程。后處理過(guò)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(jì)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(guò)程即纖維成形。在紡絲過(guò)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(dòng)和形變，絲條固化過(guò)程中的膠凝、結(jié)晶、二次轉(zhuǎn)變和拉伸流動(dòng)中的大分子取向，以及過(guò)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(shí),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(guò)程簡(jiǎn)單，紡絲速度高。溶液紡絲法適用于熔融時(shí)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(guò)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(shí)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(diǎn)，沒(méi)有合適的溶劑使其溶解或塑化，因而無(wú)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(shí)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(guò)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(shí)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?chē)娙胧覂?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(chǎng)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(guò)后處理工序，其流程隨纖維品種和類型(長(zhǎng)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(guò)水洗，以除去附著的凝固浴液和溶劑;生產(chǎn)短纖維時(shí)需要進(jìn)行卷曲和切斷;生產(chǎn)長(zhǎng)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(duì)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(guò)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(guò)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(shí)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(shí)，拉伸在幾臺(tái)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(jí)拉伸配比等工藝條件對(duì)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(diǎn)(絲條上細(xì)頸開(kāi)始出現(xiàn)的位置)必須固定。否則會(huì)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(zhǎng)絲時(shí)，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(pán)之間，稱為常溫拉伸;二道拉伸則發(fā)生在上下拉伸盤(pán)之間，稱為熱拉伸。上拉伸盤(pán)也稱熱盤(pán)，上下拉伸盤(pán)之間有加熱板或縫式加熱器，拉伸后絲條穿過(guò)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(lái)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(duì)短纖維)或捻度(對(duì)長(zhǎng)絲);三是改善纖維的染色性能。在某些情況下，通過(guò)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(wú)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(zhǎng)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(zhǎng)絲(特別是聚酯纖維和聚酰胺纖維)可用于制造彈力絲(見(jiàn)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(jiǎn)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(guò)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。

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(guò)后處理工序，其流程隨纖維品種和類型(長(zhǎng)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(guò)水洗，以除去附著的凝固浴液和溶劑;生產(chǎn)短纖維時(shí)需要進(jìn)行卷曲和切斷;生產(chǎn)長(zhǎng)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(duì)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(guò)程中進(jìn)行一些特殊加工。

又稱纖維二次成形。后處理過(guò)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(shí)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(shí)，拉伸在幾臺(tái)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(jí)拉伸配比等工藝條件對(duì)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(diǎn)(絲條上細(xì)頸開(kāi)始出現(xiàn)的位置)必須固定。否則會(huì)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(zhǎng)絲時(shí)，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(pán)之間，稱為常溫拉伸;二道拉伸則發(fā)生在上下拉伸盤(pán)之間，稱為熱拉伸。上拉伸盤(pán)也稱熱盤(pán)，上下拉伸盤(pán)之間有加熱板或縫式加熱器，拉伸后絲條穿過(guò)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(lái)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(duì)短纖維)或捻度(對(duì)長(zhǎng)絲);三是改善纖維的染色性能。在某些情況下，通過(guò)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(wú)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(zhǎng)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(zhǎng)絲(特別是聚酯纖維和聚酰胺纖維)可用于制造彈力絲(見(jiàn)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(jiǎn)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(guò)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(guò)程簡(jiǎn)單，紡絲速度高。溶液紡絲法適用于熔融時(shí)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。