第八章 合成纤维的成型(二)
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纤维成型原理纤维成型原理更多的应是高分子化学知识。
化学纤维成型原理:化学纤维的成型是将纺丝流体(聚合物熔体或溶液)以一定的流量从喷丝孔挤出,固化而成为纤维的过程。
它是化学纤维生产过程中最重要的环节之一。
化学纤维成型亦称纺丝,主要采用熔体纺丝法、干法纺丝法和湿法纺丝法。
从工艺原理角度,这三种纺丝方法均由四个基本步骤构成:①纺丝流体(溶液或熔体)在喷丝孔中流动;②挤出液流中的内应力松弛和流动体系的流场转化,即从喷丝孔中的剪切流动向纺丝线上的拉伸流动的转化;③流体丝条的单轴拉伸流动;④纤维的固化。
在这些过程中,成纤聚合物要发生几何形态、物理状态和化学结构的变化。
第一节熔体纺丝成型原理熔体纺丝成型的基本过程包括纺丝熔体的制备、熔体自喷丝孔的挤出、挤出熔体细流的拉长变细、冷却固化,固化丝条的上油和卷绕。
概括地说,从聚合物到成丝仅是一个随着传热过程而产生的物态变化,即固态聚合物在高温下转变为流动的粘流体,并在纺丝压力下挤出喷丝孔,在喷丝板(s到卷绕装置之间,丝条必须被拉伸至需要的细度并充分冷却固化而为固态丝条的过程。
一、熔体细流冷却固化历程熔体由纺丝计量泵以一定压力压经喷丝孔压出时,在外力(卷绕拉力、熔体重力和空气的摩擦力等)和纺丝冷却筒和纺丝甬道中的空气气流的冷却作用下,使熔体拉长、变细、固化而最终形成初生纤维。
由于熔体是高分子聚合物,呈现出非牛顿型的流动,所以熔体细流的固化成形历程,基本上可分为入口区、孔流区、膨化区、形变区和稳定区。
(一)入口区入口区指熔体经过的每个喷丝孔的喇叭口部分。
熔体从较大的空间进入直径逐渐变小的喇叭口内,流速增大会损失一部分能量,这部分能量损失则用于使柔顺的高分子聚合物的分子链以高弹形变的方式改变自己的分子构象,并作为弹性能贮存于体系之中。
高聚物在入口区具有的这种特征称为“入口效应”。
(二)孔流区孔流区指熔体在喷丝孔的毛细孔中流动的区域。
在此区域中,熔体有两个特点,一是流速不同,细流流速在毛细管中呈抛物线分布,孔壁处速度小,孔中心速度高,形成明显的径向速度梯度,这是非牛顿流体的特征。
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在进行合成纤维的纺丝成形之前,需要进行充分的准备工作。
合成纤维的成型加工工艺应化5班11034216 王同1.概述纤维:长径比很大,并具有一定柔韧性的纤细物质;纺织纤维包括天然纤维(如羊毛、蚕丝、棉花、麻、竹等)和化学纤维(由聚合物等材料制成)。
人造纤维:是以天然聚合物如纤维素和蛋白质等改性而成,如粘胶纤维、醋酸纤维、蛋白质纤维等;合成纤维:是由合成的聚合物经纺丝而成,如聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维(涤纶)、聚酰胺(锦纶)、聚乙烯醇缩甲醛(维纶)、聚丙烯(丙纶)、聚丙烯腈(腈纶)、聚氯乙稀(氯纶)、聚氨酯弹性体纤维(氨纶)、芳香族聚酰胺纤维(Kevlar)等。
合成纤维是用石油、天然气、煤炭等矿产资源以及农副产品为原料,经过一系列的化学反应,制备成高分子化合物,再经过纺丝加工而得到的纤维。
纺丝过程是将聚合物熔体或将其用其它溶剂将聚合物溶解为黏性溶液,用齿轮泵定量供料,在牵引的作用下,通过喷丝头的小口,经凝固或冷凝成纤维。
主要有三种纺丝方法:1熔融纺2干法纺丝3湿法纺丝纺丝液在纺丝过程中的流动:—纺丝液(溶液或熔体)在喷丝毛细孔中的流动—纺丝流体的内应力松弛和流场的转化,即剪切向拉伸转化—纺丝条的拉伸流动—纤维的固化2.成纤聚合物的基本性质(可纺性)通常,成纤聚合物具有以下一些特性:可溶于溶剂中制成聚合物溶液,聚合物溶液或熔体具有适当的粘度;聚合物应具有适当高的相对分子质量和较窄的相对分子质量分布;聚合物分子链间具有较强的相互作用;成纤聚合物的玻璃化温度高于其使用温度,熔点应超过洗涤和烫熨温度(100℃以上)。
3.纤维的主要性能指标线密度(纤度):表示纤维粗细程度的指标, 是指一定长度纤维所具有的重量,其单位名称为“tex”—特(克斯),1/10称为分特(克斯),单位符号dtex 。
1000m 长纤维重量的克数称为“特”。
支数:是指单位重量的纤维所具有的长度。
对于同一种纤维,支数越高,纤维越细。
断裂强度:是指纤维在连续增加负荷的作用下,直至断裂所能承受的最大负荷与纤维的线密度之比。
20101.分子的内旋转与分子构象:分子的内旋转:大分子链中的单键在能绕着它相邻的键按一定键角旋转。
分子构象:分子链由于围绕单键内旋转而产生的原子在空间的不同排列形式。
(?)2.相对湿度和预调湿:相对湿度:指空气中水汽压与饱和水汽压的百分比。
预调湿:对纤维材料进行(45±2)℃的预烘,此烘干过程称为预调湿。
3.差微摩擦效应与毡缩性:差微摩擦效应:羊毛纤维特有的现象即顺鳞片摩擦的摩擦系数小于逆鳞片摩擦系数,△μ=μ逆-μ顺>0,用δ表示:δ=2x(μ逆-μ顺)/(μ逆+μ顺)= △μ/。
毡缩性:羊毛纤维在湿热或化学试剂作用下,经机械外力反复作用,纤维集合体逐渐收缩紧密并相互穿插纠缠,交编毡化的特性。
4.浸润的滞后性与平衡态浸润:浸润滞后性:指固体表面第一次浸润和第二次浸润间存在的差异,且第一次浸润角恒大于第二次浸润角。
平衡态浸润:纤维的浸润是指纤维与液体发生接触时的相互作用过程,这一过程中达到平衡不变的液体形状的浸润,称为平衡态浸润。
5.复合纺:利用两种或两种以上不同性状的单纱或长丝束加工成一根纱线。
6.织物结构相和织物组织:织物结构相:织物中经纬纱线相互交织呈屈曲状态的构相,一般由经纱屈曲波高与纬纱屈曲波高的比值来决定。
织物组织:机织物中经纬纱线相互交织的规律和形式。
7.织物的耐热性及热稳定性:在热作用下,织物形态稳定,无过大的变形或软化,强度和模量无明显下降,化学性能稳定,无明显分解和挥发;在低温环境下不脆化,不龟裂损伤,柔软可用。
附:纺织材料学------纺织基础知识第一章绪论第二章天然纤维素纤维第三章天然蛋白质纤维第四章化学纤维第五章纺织材料的吸湿性第六章纤维材料的机械性质第七章纤维材料的光学、电学性质第八章纱线结构与性能第九章织物的基本结构参数、基本性质第一章绪论1.1 特点 1.2 研究内容1.3纺织纤维的分类(普通纤维)1.4 纱线的分类 1.5 织物分类 1.6 纺织材料的发展内容提要:本课程的地位、性质、特点、基本内容,纺织材料的概念及简要分类。
合成纤维的制备方法放肆的目的在于将固体聚合物材料制成纤维。
将高分子聚合物材料制成纤维需要经过以下步骤:首先将固态聚合物材料转变成液态;接着,迫使液态聚合物从喷丝板上的细孔中排出成流态纤维状;最后,流态纤维因为空气冷却等方法而固成纤维。
根据聚合物的熔化方法,可将纺丝方法分成两大类:也是利用溶剂的溶液纺丝法;二是利用加热实现聚合物熔化的熔融纺丝法。
一、熔融纺丝法熔融纺丝法也称熔体纺丝法。
首先,粒状聚合物原料经料斗进入螺旋挤出机中,并且由螺旋输送,一边受到加热至熔融状态;接着,由作为计量泵的齿轮泵精密的控制流量,并迫使流态原料通过喷丝板上的细孔喷出,陈伟半熔融态长丝。
计量泵的作用是等量、均与的输送聚合物熔体,迫使其通过喷丝板上的细孔进行纺丝。
这样便保证了流量无波动、长丝线密度均匀。
丝束线密度均匀。
度当熔体纤维从喷丝板刚刚喷出时,立即被快速牵离喷丝孔,以便在冷凝前对其进行拉伸。
接着,版熔融状态长丝在纺丝筒中受到横向冷却风的冷却,成为固化纤维。
冷却风的速度和温度是恒定的,以确保长丝沿长度方向的均匀度。
固化后的长丝在喷丝板下方1-10m处集束。
集束的长丝在经过油剂辊时,吸取了棍子表面的油剂,实现了润湿上油。
接着,丝束经过导丝辊。
导丝辊的速度决定着纺丝的速度。
导丝辊的速度应与喷丝速度互相配合,以调节纺出丝的粗细。
如果导丝辊的速度恒定,则纤维的粗细均匀。
若是给导丝辊加热,并且使后面的导丝辊的速度稍高于前面的导丝辊,那么就实现了对丝束的拉伸。
拉伸能提高聚合物大分子的取向度,从而提高了丝束的强度。
卷绕辊的速度影响着导丝辊的速度和丝束的张力,施加小的张力有利于丝束卷绕成型。
应当指出,在喷丝板的上游必须设置过滤器,否则聚合物中的杂质微粒和胶块可能堵塞喷丝孔,也可能混在长丝中造成纤维结构的不连续,导致使用中发生断裂。
纺丝前进行过滤还会起混合作用,这有助于降低熔体温度、黏度的不不均匀性、消除“螺纹记忆”。
“螺纹记忆”是由螺旋挤出机的螺杆旋转,造成长链分子聚合物扭曲取向而引起的。
纤维成型工艺一纤维的种类(一)根据生产条件区分1.天然纤维天然纤维是自然界存在的,可以直接取得的纤维。
根据其来源分成植物纤维和动物纤维两类:(1)植物纤维:植物纤维是由植物的种籽、果实、茎等处得到的纤维,是天然纤维素纤维。
从植物韧皮得到的纤维如亚麻、黄麻、罗布麻等;从植物叶上得到的纤维如剑麻、蕉麻等。
植物纤维的主要化学成分是纤维素,故也称纤维素纤维。
(2)动物纤维:动物纤维是由动物的毛或昆虫的腺分泌物中得到的纤维。
从动物毛发得到的纤维有羊毛、兔毛等;从动物腺分泌物得到的纤维有蚕丝等。
动物纤维的主要化学成分是蛋白质,故也称蛋白质纤维。
2.化学纤维化学纤维是经过化学处理加工而制成的纤维。
可分为人造纤维和合成纤维两类。
(1)人造纤维:人造纤维是用含有天然纤维或蛋白纤维的物质,如木材、甘蔗、芦苇、大豆蛋白质纤维等及其他失去纺织加工价值的纤维原料,经过化学加工后制成的纺织纤维。
人造纤维也称再生纤维。
主要的用于纺织的人造纤维有:黏胶纤维、醋酸纤维、铜氨纤维。
(2)合成纤维:合成纤维不是用含天然纤维素或含蛋白质的物质作原料,而是用石油、天然气、煤等为原料,先合成单体,再聚合而制成的纺织纤维。
常见的合成纤维有聚酯纤维、聚酰胺纤维、聚乙烯醇纤维、聚丙燃腈纤维、聚丙燃纤维、聚氯乙烯纤维等。
(二)根据纤维的用途区分1.民用纤维:使用于日常生活用品的纤维。
比如,使用于服装、装饰布等的纤维。
2.工业纤维:使用于工业生产的纤维。
如:轮胎帘子线、过滤布等。
3.特种纤维:具有特种性能的纤维,此种纤维使用于生产特种的产品,如军用防弹衣,航天用材料等。
二成纤高聚物的特征1.大分子链必须是线性的,能伸直的分子,支链尽可能少,没有庞大的侧基。
所有的天然聚合物和大多数成纤聚合物的侧链都含有极性基团。
极性基团的存在对于大分子链间的相互作用和纤维的溶解性、热性能、吸湿性、染色性等都有很大的影响。
2.聚合物应具有适当的相对分子质量和较窄的相对分子量分布,过高不易加工,过低则性能不好。
绪论习题与思考题 (1)第一章习题与思考题 (3)第四章习题与思考题 (5)第五章习题与思考题 (6)第六章习题与思考题 (9)第七章习题与思考题 (15)第八章习题与思考题 (17)第九章习题与思考题 (20)第十章习题与思考题 (22)绪论习题与思考题2.分别区分“通用塑料”和“工程塑料”,“热塑性塑料”和“热固性塑料”,“简单组分高分子材料”和“复杂组分高分子材料”,并请各举2~3例。
答:通用塑料:一般指产量大、用途广、成型性好、价廉的塑料。
通用塑料有:PE,PP,PVC,PS等;工程塑料:是指拉伸强度大于50MPa,冲击强度大于6kJ/m2 ,长期耐热温度超过100℃的,刚性好、蠕变小、自润滑、电绝缘、耐腐蚀等,可代替金属用作结构件的塑料。
工程塑料有:PA,PET,PBT,POM等;工程塑料是指被用做工业零件或外壳材料的工业用塑料,是强度、耐冲击性、耐热性、硬度及抗老化性均优的塑料。
日本业界将它定义为“可以做为构造用及机械零件用的高性能塑料,耐热性在100℃以上,主要运用在工业上”。
热塑性塑料:加热时变软以至流动,冷却变硬,这种过程是可逆的,可以反复进行。
聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚甲醛、聚砜、聚苯醚,氯化聚醚等都是热塑性塑料。
(热塑性塑料中树脂分子链都是线型或带支链的结构,分子链之间无化学键产生,加热时软化流动、冷却变硬的过程是物理变化;)热固性塑料:第一次加热时可以软化流动,加热到一定温度,产生化学反应一交链固化而变硬,这种变化是不可逆的,此后,再次加热时,已不能再变软流动了。
正是借助这种特性进行成型加工,利用第一次加热时的塑化流动,在压力下充满型腔,进而固化成为确定形状和尺寸的制品。
这种材料称为热固性塑料。
(热固性塑料的树脂固化前是线型或带支链的,固化后分子链之间形成化学键,成为三维的网状结构,不仅不能再熔触,在溶剂中也不能溶解。
)酚醛、脲醛、三聚氰胺甲醛、不饱和聚酯、有机硅等塑料,都是热固性塑料。
一、选择题1.化学与技术、社会和环境密切相关。
下列说错误的是()A.煤炭经气化、液化和干馏等过程,可以转化为清洁能源B.利用二氧化碳制造全降解塑料,可以缓解温室效应C.充分开发利用天然纤维,停止使用各种化学合成材料D.加大秸秆的综合利用,如发酵制沼气、生产乙醇等,提高资源的利用率2.中华传统文化中蕴藏丰富的化学知识。
下列说法正确的是A.“高奴县石脂水,水腻,浮上如漆,采以膏车及燃灯极明”中的“石脂水”为油脂B.“凡石灰经火焚……风中久自吹化成粉”中的“粉”为氧化钙C.“盖此矾色绿味酸,烧之则赤……”中“矾”为五水硫酸铜D.“土鼎者……入砂于鼎中,用阴阳火候飞伏之”中“土鼎”的主要成分为硅酸盐3.美国研究人员成功实现在常温常压下用氮气和水生产氨,原理如下图所示:下列说正确的是A.图中能量转化方式只有2种B.H+向a极区移动C.b极发生的电极反应为:N2+6H++6e-=2NH3D.a极上每产生22.4LO2流过电极的电子数一定为4×6.02×10234.能源是人类文明发展和进步的基础,化学与能源紧密相关,下列说法不正确的是。
A.石油、沼气和潮汐能都是不可再生能源B.煤、石油、太阳能都属于一次能源C.“玉兔二号”月球车的帆板太阳能电池材料是硅D.普及电动汽车有助于减缓城市汽车尾气污染5.塑料、合成橡胶和合成纤维这三大类合成材料,都主要是以石油、煤和天然气为原料生产的,下列有关说法错误的是A.天然气作为化工原料主要用于合成氨和生产甲醇B.煤可以直接液化,煤与氢气作用生成液体燃料C.乙烯、丙烯、甲烷等主要化工基本原料都可以由石油分馏得到D.聚乙烯塑料的主要成分聚乙烯是由乙烯通过聚合反应制得的6.“共享单车”方便出行,低碳环保。
下列关于单车的制造材料说法正确的是A.制造车轮钢圈的材料是合金B.铝合金制造的车架较钢制造的重C.制造轮胎用的橡胶属于无机物D.制造反光板的有机玻璃属于硅酸盐7.化学与生活、社会发展息息相关,下列有关说法不正确的是A.“霾尘积聚难见路人”,雾霾所形成的气溶胶有丁达尔效应B.蚊虫叮咬时,会释放一种酸性物质,在叮咬处抹些肥皂水(弱碱性),可减轻痛痒症C.对生活中的塑料垃圾进行填埋,可防止“白色污染”D.“青蒿一握,以水二升渍,绞取汁”,屠呦呦对青蒿素的提取属于物理变化8.关于新型冠状病毒感染的肺炎防控,下列有关说法错误的是()A.构成冠状病毒的蛋向质与RNA都是高分子化合物B.医用酒精含乙醇95%C.医治冠状病毒肺炎药物研发的其中一个方向,是通过化学合成物质抑制病毒在体内复制D.84消毒液有效成分是NaClO,不可与酒精混合使用9.化学是材料、能源、环境、信息等现代科学技术的重要基础。