人造纤维.ppt
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1、4.4.人造纤维人造纤维内容概要内容概要4.1概述概述4.2粘胶纤维粘胶纤维4.3醋酯纤维醋酯纤维4.4铜氨纤维铜氨纤维4.5蛋白质纤维蛋白质纤维4.1概述概述 用某些天然高分子化合物或其衍生物做原料,经溶解后制成纺织溶液,然后纺制成纤维,竹子、木材、甘蔗渣、棉子绒等都是制造人造纤维的原料。根据人造纤维的形状和用途,分为人造丝、人造棉和人造毛三种。重要品种有粘胶纤维、醋酸纤维、铜氨纤维等。其性能与合成纤维相比,纤维强度稍低,吸湿性好,染色比较容易。可用于制作衣着用品和室内装饰用品,也可用于制作轮胎帘子线、香烟过滤嘴等。4.2粘胶纤维粘胶纤维4.2.1粘胶纤维概述粘胶纤维概述粘胶纤维是以天然纤维
2、素为基本原料,经纤维素黄酸酯粘胶纤维是以天然纤维素为基本原料,经纤维素黄酸酯溶液纺制而成的再生纤维素纤维溶液纺制而成的再生纤维素纤维。最早投入工业化生产的化学纤维。最早投入工业化生产的化学纤维。由于其溶液粘稠而得名(由于其溶液粘稠而得名(viscous fiber)。1891年,纤维素黄酸钠盐溶液的成功制备(年,纤维素黄酸钠盐溶液的成功制备(Cross等)等)在在1893年年发发展展成成为为一一种种制制备备化化学学纤纤维维的的方方法法,由由这这种种方方法制得的纤维叫做粘胶纤维法制得的纤维叫做粘胶纤维 1905年年Miiller等等发发明明了了稀稀硫硫酸酸和和硫硫酸酸盐盐组组成成的的凝凝固固浴浴
3、,使使粘粘胶胶纤纤维维性性能能得得到到较较大大改改善善,从从而而实实现现了了粘粘胶胶纤纤维维的的工业化生产。工业化生产。1930年代末期,出现了强力粘胶纤维年代末期,出现了强力粘胶纤维 1950年代初期,高湿模量粘胶纤维实现了工业化;年代初期,高湿模量粘胶纤维实现了工业化;1960年代初期,粘胶纤维的发展达到高峰,其产量占化学年代初期,粘胶纤维的发展达到高峰,其产量占化学纤维总产量的纤维总产量的80以上。以上。1960年代中期起,粘胶纤维的发展趋于平缓年代中期起,粘胶纤维的发展趋于平缓1968年产量开始落后于合成纤维年产量开始落后于合成纤维2001年世界粘胶纤维的产量约年世界粘胶纤维的产量约2
4、69万吨,约占化学纤维总万吨,约占化学纤维总产量的产量的92003年中国粘胶纤维总产量达到年中国粘胶纤维总产量达到80多万吨,比多万吨,比2002增长增长19.6%,2003年四川粘胶纤维产量年四川粘胶纤维产量7.68万吨,比万吨,比2002年增年增长长28%粘胶纤维的主要品种粘胶纤维的主要品种粘胶纤维的挑战粘胶纤维的挑战工艺流程长,生产成本高工艺流程长,生产成本高“三废三废”等污染物的排放(需要先进生产工艺)等污染物的排放(需要先进生产工艺)本身性能的一些缺点(需要改性)本身性能的一些缺点(需要改性)粘胶纤维的机遇粘胶纤维的机遇原料为可再生资源原料为可再生资源合成纤维的服用性能普遍不及粘胶纤
5、维合成纤维的服用性能普遍不及粘胶纤维4.2.2粘胶纤维的生产过程粘胶纤维的生产过程(a)纤维素的来源及性质(b)粘胶的制备及纺前准备;(c)粘胶纤维的纺丝成型;(d)粘胶纤维的后处理a.纤维素的来源及性质纤维素的来源及性质 纤维素来源纤维素来源粘胶纤维原料的来源粘胶纤维原料的来源粘胶纤维原料的来源粘胶纤维原料的来源-植物纤维植物纤维植物纤维植物纤维木材纤维木材纤维:木材纤维可分为针叶木和阔叶木两类。阔:木材纤维可分为针叶木和阔叶木两类。阔叶木如桦木、白杨、栗木飞山毛榉等,针叶木如落叶松、叶木如桦木、白杨、栗木飞山毛榉等,针叶木如落叶松、鱼鳞松、云南松、云杉、铁杉、马尾松等。针叶木是制鱼鳞松、云
6、南松、云杉、铁杉、马尾松等。针叶木是制造粘胶纤维的优质原料,阔叶木也可以用于制造粘胶纤造粘胶纤维的优质原料,阔叶木也可以用于制造粘胶纤维。维。棉纤维棉纤维:棉纤维属种子纤维,附着在棉籽壳上的短纤:棉纤维属种子纤维,附着在棉籽壳上的短纤维为棉短绒,它不能直接作为纺织原料,而是制造粘胶维为棉短绒,它不能直接作为纺织原料,而是制造粘胶纤维的优质原料。纤维的优质原料。禾禾本本科科植植物物纤纤维维:禾禾本本科科植植物物纤纤维维包包括括竹竹、芦芦苇苇、麦麦杆杆、甘甘蔗蔗渣渣、高高梁梁秆秆、玉玉米米秆秆、棉棉秆秆等等,目目前前我我国国有有甘甘蔗渣和竹纤维被用作粘胶纤维原料。蔗渣和竹纤维被用作粘胶纤维原料。-
7、纤维素是纤维素原料在20下,浸于17.5%或18%的氢氧化钠溶液中,经过45分钟后不溶解的部分即为-纤维素,为直径15m 20m、长50m 100m的短纤维柱,其聚合度很大。纤维素的结构与性能纤维素的结构与性能1.化学结构化学结构纤维素是由D-吡喃型葡萄糖基彼此以1,4-苷键连接而成的一种均一的高分子。纤维素分子除两个端基外,每个葡萄糖基都有三个羟基。棉花纤维素分子聚合度大约3000左右。由于纤维素羟基的极性,水可以进入非晶区,发生结晶区间的有限溶胀。某些酸、碱和盐的水溶液在一定的条件下可渗入结晶区,产生无限溶胀,使纤维素溶解。2.聚集态结构聚集态结构 早期的微胞结构理论认为,纤维素分子聚集成
8、微胞,早期的微胞结构理论认为,纤维素分子聚集成微胞,每个微胞都有严格整齐的界面,象砖块堆砌起来一样。每个微胞都有严格整齐的界面,象砖块堆砌起来一样。缨状微胞结构和缨状原纤结构理论,是目前普遍采用缨状微胞结构和缨状原纤结构理论,是目前普遍采用的结构观点。的结构观点。缨状微胞结构理论认为纤维素结构中包含结晶部分缨状微胞结构理论认为纤维素结构中包含结晶部分和无定形部分,但结晶区结构及与非晶区的连接方式和无定形部分,但结晶区结构及与非晶区的连接方式还有争议。还有争议。缨状微胞结构示意图缨状微胞结构示意图缨状原纤结构示意图缨状原纤结构示意图缨状原纤结构示意图缨状原纤结构示意图 结晶区较长结晶区较长结晶区
9、较长结晶区较长 晶区是长链分子的小片断构晶区是长链分子的小片断构晶区是长链分子的小片断构晶区是长链分子的小片断构成的成的成的成的 长链分布依次地通过结晶的长链分布依次地通过结晶的长链分布依次地通过结晶的长链分布依次地通过结晶的原纤和它们中间的非晶区原纤和它们中间的非晶区原纤和它们中间的非晶区原纤和它们中间的非晶区 3.3.纤维素的分类纤维素的分类纤维素的分类纤维素的分类纤维素纤维素不是一种均一的物质,而是一种不同分子量的纤维素纤维素不是一种均一的物质,而是一种不同分子量的纤维素纤维素不是一种均一的物质,而是一种不同分子量的纤维素纤维素不是一种均一的物质,而是一种不同分子量的混合物。混合物。混合
10、物。混合物。在工业上分为在工业上分为在工业上分为在工业上分为:纤维素,纤维素,纤维素 纤维素纤维素纤维素纤维素是植物纤维素在特定条件下不溶于是植物纤维素在特定条件下不溶于是植物纤维素在特定条件下不溶于是植物纤维素在特定条件下不溶于2020的的的的17.517.5NaOHNaOH溶液的部分;溶解的部分称为半纤维素。溶液的部分;溶解的部分称为半纤维素。溶液的部分;溶解的部分称为半纤维素。溶液的部分;溶解的部分称为半纤维素。纤维素纤维素纤维素纤维素是以上溶解部分用醋酸中和又重新沉淀分离出来的是以上溶解部分用醋酸中和又重新沉淀分离出来的是以上溶解部分用醋酸中和又重新沉淀分离出来的是以上溶解部分用醋酸中
11、和又重新沉淀分离出来的那一部分纤维素。那一部分纤维素。那一部分纤维素。那一部分纤维素。纤维素纤维素纤维素纤维素是不能沉淀的部分为。是不能沉淀的部分为。是不能沉淀的部分为。是不能沉淀的部分为。聚合度越低纤维素越易溶解,显然,聚合度越低纤维素越易溶解,显然,聚合度越低纤维素越易溶解,显然,聚合度越低纤维素越易溶解,显然,纤维素的聚合度纤维素的聚合度纤维素的聚合度纤维素的聚合度大于半纤维素的聚合度。大于半纤维素的聚合度。大于半纤维素的聚合度。大于半纤维素的聚合度。纤维素的聚合度一般在纤维素的聚合度一般在纤维素的聚合度一般在纤维素的聚合度一般在200200以上,以上,以上,以上,纤维素为纤维素为纤维素
12、为纤维素为140200140200,而,而,而,而 纤维素则为纤维素则为纤维素则为纤维素则为1010140140。浆粕的。浆粕的。浆粕的。浆粕的 纤维素含量越高越好。纤维素含量越高越好。纤维素含量越高越好。纤维素含量越高越好。4.纤维素的物理性质纤维素的物理性质 外观外观:白色、无味、无臭的物质密度密度:1.501.56g/cm3比热容比热容:0.320.33J/g溶解性溶解性 不溶于水、稀酸、稀碱和一般的有机溶剂 能溶解在浓硫酸和浓氯化锌溶液中,同时发生一定程度的分子链断裂,使聚合度降低。纤维素能很好地溶解在铜氨溶液和复合有机溶液体系中。吸附性吸附性 纤维素对金属离子具有交换吸附能力。纤维素
13、中含杂质如木质素及半纤维素越多,其对金属离子的吸附能力越强。纤维素对金属离子的交换吸附能力与溶液的pH值有关,pH值越高,交换吸附能力越强。纤维素一般具有良好的对水或其它溶液的吸附性。吸附性的强弱与纤维素的结构及毛细管作用有关。热稳定性热稳定性 纤维素在200以下热稳定性尚好;当温度高于200时,纤维素的表面性质发生变化,聚合度下降。影响纤维素裂解的因素除温度和时间外,水分和空气的存在亦有很大关系。5.纤维素的化学性质纤维素的化学性质 氧化反应氧化反应:受氧化剂作用时,纤维素分子中的部分羟基被氧化成羧基(一COOH)或醛基(一CHO)同时分子链发生断裂,聚合度降低。与酸反应与酸反应:纤维素与酸
14、作用时会发生酸性水解。多相水解时纤维素聚合度降低。单相水解时,纤维素首先溶解,然后发生水解,聚合度下降。如条件剧烈,则水解的最终产物为葡萄糖。与碱反应与碱反应:纤维素与碱作用时,发生配糖联接碱性降解及端基的“剥皮”反应,导致纤维素的聚合度降低。纤维素与浓NaOH溶液作用,生成碱纤维素。碱纤维素是制备纤维素酯或醚的中间产物。酯化反应酯化反应:纤维素与各种无机酸和有机酸反应,生成各种酯化物,如硝化纤维素、醋酸纤维素、纤维素黄酸酯等。醚化反应醚化反应:纤维素与卤代烷、卤代羧酸或硫酸酯作用生成纤维素醚,比较重要的有:纤维素甲基醚、乙基醚及羧甲基纤维素(CMC)等,它们有广泛的用途。b.粘胶的制备及纺前
15、处理粘胶的制备及纺前处理一、一、一、一、粘胶纤维浆粕的制造粘胶纤维浆粕的制造粘胶纤维浆粕的制造粘胶纤维浆粕的制造 浆粕的制造过程基本造纸相同浆粕的制造过程基本造纸相同浆粕的制造过程基本造纸相同浆粕的制造过程基本造纸相同对浆的化学纯度及反应性能要求严格对浆的化学纯度及反应性能要求严格对浆的化学纯度及反应性能要求严格对浆的化学纯度及反应性能要求严格对机械强度等物理性质无特殊要求。对机械强度等物理性质无特殊要求。对机械强度等物理性质无特殊要求。对机械强度等物理性质无特殊要求。备料备料:保证有足够干净的原料蒸煮蒸煮:干净的纤维素原料与蒸煮药剂混合,在规定的温度与压力下进行蒸煮成为浆料。亚硫酸盐法(适用
16、于结构紧密的纤维原料,如针叶木等)预水解硫酸盐法(适用于树脂和多缩戊糖含量高的植物纤维原料,如落叶松、阔叶树及甘蔗渣等)苛性钠法(适用于棉短绒、禾本科植物原料)精选精选:蒸煮后的浆料要经过洗涤、打浆、筛选、除砂、浓缩等过程,以提高其纯度和反应性能。漂白漂白:除去浆料中的有色杂质和残存的木素、灰分、铁质,进一步提高纤维素的反应性能,并最终调节纤维素的聚合度。漂白精选后的浆料送至抄浆机,在此成型、脱水、烘干、整理并成包,即为成品浆粕。二、粘胶纤维浆粕的质量要求二、粘胶纤维浆粕的质量要求二、粘胶纤维浆粕的质量要求二、粘胶纤维浆粕的质量要求 三、粘胶原液的制备及纺前处理三、粘胶原液的制备及纺前处理三、
17、粘胶原液的制备及纺前处理三、粘胶原液的制备及纺前处理1 1、碱纤维素的制备、碱纤维素的制备、碱纤维素的制备、碱纤维素的制备a.浆粕的准备:增加均匀性,减少批次差b.纤维素浸渍:碱与纤维素的相互作用首先生成加成化合物首先生成加成化合物首先生成加成化合物首先生成加成化合物:加成化合物还可进一步形成醇化物加成化合物还可进一步形成醇化物加成化合物还可进一步形成醇化物加成化合物还可进一步形成醇化物:浸渍过程的工艺参数浸渍过程的工艺参数浸渍过程的工艺参数浸渍过程的工艺参数 碱液浓度:通常浸渍碱的质量分数控制在1820。浸渍时间:通常古典法为4560min,连续法1520min,五合机法为30min。浸渍温
18、度:一般古典法为20左右,连续法为4060,五合机法为3060。浸渍浴比:浆粕的绝干重量和碱液体积之比称为浴比。一般连续法为1:20l:40,五合机法为l:21:3。注:五合机(碱化、粉碎、老成、黄化、初溶解)c.c.碱纤维素的压榨与粉碎碱纤维素的压榨与粉碎浆粕经过浸渍以后,必须与过剩的碱液加以分离。压榨后,纤维素含量在2830,NaOH含量在1617范围内。粉碎使其成为细小的松屑粒状,从而增加了碱纤维素反应的表面积。d.d.碱纤维素的老成碱纤维素的老成老成是借空气的氧化作用,使碱纤维素分子链断裂,聚合度下降,以达到适当调整粘胶粘度的目的。2.2.纤维素黄酸酯的制备纤维素黄酸酯的制备纤维素黄酸
19、酯的制备纤维素黄酸酯的制备a.a.碱纤维素的黄化反应碱纤维素的黄化反应碱纤维素的黄化反应碱纤维素的黄化反应:难溶解的纤维素变成可溶性的纤维素黄酸酯。b.b.黄化时的副反应黄化时的副反应黄化时的副反应黄化时的副反应c.黄化反应的机理黄化反应的机理 黄化反应主要是气固相反应 反应过程包括二硫化碳蒸气按扩散机理从碱纤维素表面向内部渗透的过程,以及二硫化碳在渗透部分与碱纤维素上的羟基进行反应的过程。黄化反应是放热反应,所以低温有利黄化反应,而较高温度则容易生成更多的副产物。黄化反应是可逆反应,主要取决于烧碱和二硫化碳的浓度。二硫化碳对碱纤维素的渗透,在无定形区易于进行,而结晶区的二硫化碳主要在微晶表面
20、进行局部化学反应。在溶解过程中,甚至在以后的粘胶溶液中,二硫化碳继续向微晶内部渗透,称之为“后黄化”。因此,二硫化碳的扩散和吸附对反应起着重要作用。3.3.纤维素黄酸酯的溶解和混合纤维素黄酸酯的溶解和混合纤维素黄酸酯的溶解和混合纤维素黄酸酯的溶解和混合 a.纤维素黄酸酯的溶解纤维素黄酸酯的溶解 纤维素黄酸酯与溶剂接触,首先纤维素开始溶胀,然后纤维素的晶格彻底破坏,大分子不断分散,直至形成均相的粘胶溶液。维素黄酸酯的溶解过程在带搅拌的溶解釜内进行。溶解过程中,甚至溶解结束后若干小时内,黄酸基团沿着纤维素大分子链继续再分配,使黄化较充分部分的黄酸基团结合在黄化不充分的部分,这种作用称为脱黄化再黄化
21、b.碱纤维素黄酸酯的混合碱纤维素黄酸酯的混合 溶解过程实际包括两个阶段,即粉碎和混合阶段。在开始溶解时,存在着黄酸酯团块,研磨粉碎作用是主要的。随着黄酸酯团块的消失,粉碎逐渐不起作用。在溶解的最后阶段主要是混合作用。溶解结束后为了尽量减小各批粘胶间的质量差异,需将溶解终了的数批粘胶进行混合,使粘胶均匀,易于纺丝。4.4.粘胶的纺前准备粘胶的纺前准备粘胶的纺前准备粘胶的纺前准备a粘胶的熟成粘胶的熟成 纤维素黄酸酯在热力学上是不稳定的,既使在常温下放置也会引起逐步分解,酯化度下降。粘胶在放置过程中发生一系列的化学和物理化学变化,称为粘胶的熟成。水解反应和皂化反应同时存在。当粘胶中碱的质量分数低于8
22、9时,以水解为主。一般粘胶的碱的质量分数都在47,因此,粘胶在熟成过程中主要发生水解反应。粘胶在熟成开始粘度就急剧下降,粘胶中游离的二硫化碳进入纤维素的结晶部分,引起后黄化,使部分结晶区继续分散溶解于碱液中,分散粒子逐渐变小。粘度经最低点缓慢上升,原因酯化度下降,纤维素大分子间氢键的作用增加。熟成过程中黄酸基基团的再分配:粘胶在熟成过程中,总的酯化度呈缓慢下降,但仲羟基位置上的酯化度急剧下降,伯羟基位置上的酯化度稍有上升,结果使黄酸基基团在纤维素分子链上分布均匀,从而使粘胶均匀稳定。粘胶的熟成度是指粘胶对凝固作用的稳定程度。一般以NH4Cl或NaCl值来表示,它直接影响纺丝成形过程的快慢及成品
23、纤维的性能。熟成开始时,稳定值急剧上升,达到最大值后便逐渐减小。随着黄酸酯分解,粘胶的结构化程度增加降低了溶液的稳定性。b.粘胶的过滤粘胶的过滤 目的:滤掉尺寸约0.150m微粒,其数量可达34万个/cm3,微粒来源:主要是未反应的纤维及其片断、未溶解的纤维和溶解不完全的凝胶粒子,以及半纤维素与Fe、Ca、Cu的螯合体等。此外还有原料、设备和管道中带入的各类杂质。微粒的危害:微粒在纺丝过程中会阻塞喷丝孔,造成单丝断头,或在成品纤维结构中形成薄弱环节,使纤维强伸度下降。过滤方式:板框式过滤机,以PVC粒子作载体的桶式过滤机和连续筛滤机作为头道过滤的。过滤次数:要经过三道过滤。c.粘胶的脱泡粘胶的
24、脱泡目的:降低粘胶的氧化过程;气泡会破坏滤材的毛细结构,使凝胶粒子渗漏;成形时气泡会使纤维断头和产生疵点,而微小的气泡则容易形成气泡丝,降低纤维的强度。脱泡方法:采用抽真空的方法加速气泡的除去,气泡含量:控制气泡在粘胶中的体积分数为0.00l 以下。5.5.粘胶的质量指标及分析方法粘胶的质量指标及分析方法粘胶的质量指标及分析方法粘胶的质量指标及分析方法a.a.过滤性过滤性过滤性过滤性(用阻塞值表征)用阻塞值表征)用阻塞值表征)用阻塞值表征)b.粘胶组成粘胶组成 粘胶组成与成品纤维的线密度、染色均匀性和耐多次变形性有关。纤维素含量直接影响最终纤维的线密度偏差及不匀率。线密度不匀会造成染色不匀。粘
25、胶中的游离碱含量对粘胶的性质影响很大。未与纤维素及其它杂质结合的碱含量增加时,粘胶的粘度降低,过滤性能改善,熟成变缓。粘胶组成的化学分析比较复杂,在实际生产中一般通过黄化及溶解工序中加入的碱量、二硫化碳量和水量来控制粘胶的组成。c.c.粘胶粘度粘胶粘度粘胶粘度粘胶粘度 粘胶粘度间接表示纤维聚合度,所以粘胶粘度直接影响纤维的强度。生产中采用落球法测定粘胶的粘度,先将粘胶灌入垂直安放的测定管内,然后,在粘胶中放入一粒直径3mm重约0.120.13g的小钢球,使其靠自重下降,用秒表计测小钢球在粘胶中沉降20cm所需要的时间s,表示粘胶粘度。粘度低于20s时,粘胶几乎没有形成丝条的可能性。粘度大于50
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