化纤工艺学讲解

第一章 总论

1.化学纤维的基本概念

纤维：比较柔韧的细而长的物质，纺织纤维长径比一般大于1000：1， 直径几微米～几十微米。

长丝（Continuous Filament）：在化纤生产中经纺丝处理以后得到的长以千米计的丝叫长丝。

短纤维(Staple)：化纤生产中被切成几厘米~十几厘米短段的纤维称短纤维。

丝束(Tow) ：由几万根~百万根丝组成的一束。

再生纤维：以天然高分子为原料，经化学处理和机械加工制得的纤维，主要产品有再生纤维素和醋酸纤维素酯纤维。

合成纤维：以石油、天然气、煤及农副产品为原料，经过化学处理和机械加工制得的纤维。

复合纤维：沿着纤维轴向同时存在着两种或两种以上不相混合的聚合物，这种化学纤维称为复合纤维，或称双组分纤维。

异形纤维：在合成纤维成型过程中，采用异形喷丝孔纺制的具有非圆形截面的纤维或中空纤维。

变形纱：所有经过变形加工的丝和纱，如弹力丝、膨体纱。

差别化纤维：指通过化学改性或物理变形使常规化学纤维品种有所创新或被赋予某些特性的服用化学纤维。

特种纤维：一般指具有特殊物理化学结构、性能和用途的化学纤维，如高性能纤维、功能纤维。

高性能纤维：指具有高强度、高模量和耐高温、耐腐蚀、耐辐射、耐化学药品等性能的纤维。

功能纤维：指一般纤维具有物理机械性能基础上，具有某种特殊功能和用途的纤维，如具有反渗透、导光、导电、抗静电、阻燃等特性的纤维。

2.化学纤维的主要质量指标

线密度：表示纤维粗细程度的量，1000m长纤维重量的克数即为该纤维的特数。

1tex=10dtex，9tex=1Denier

断裂强度：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线密度之比。1N/tex=1cN/tex .1g/D=0.882cN/dtex

断裂伸长率：纤维在伸长至断裂时的长度比原来长度增加的百分数。

初始模量：即弹性模量（杨氏模量）是指纤维在外力作用下伸长1%时所需要的应力。

极限氧指数LOI：着火的纤维离开火源而纤维继续燃烧时环境中氮和氧混合气体内所含氧的最低百分率。（化纤阻燃处理方法：采用共聚、共混和表面改性的方法，在纤维或织物表面引入有机膦化合物、有机卤素化合物或两者并用）

易燃纤维 <21% 棉、 麻、丙纶、腈纶、粘胶

可燃纤维 21～26％ 羊毛、蚕丝、维纶、尼龙、涤纶

难燃纤维 >26% 氯纶、聚偏氯乙烯、改性腈纶

不燃纤维 玻璃纤维、碳纤维、石棉

回潮率R试样所含水分的重量100%干燥试样的重量

试样所含水分的重量R100%M100%未干燥试样的重量1R

含湿率M

（吸湿性好的纤维，摩擦和静电作用减小，穿着舒适）

沸水收缩率：将纤维放在沸水中煮沸30min后，其收缩后的长度与原来长度之比。

回弹率：纤维受拉伸力作用而伸长，当外力消除后的可回复程度。

3.化学纤维的纺丝方法（重点是熔体纺丝、湿法纺丝、干法纺丝）

熔体纺丝：聚合物熔体或聚合物切片在螺杆挤压机中熔融以后,被压送至各纺丝位、经计量泵定量送入纺丝组件，过滤后通过喷丝孔挤

出，在纺丝甬道冷却成型的工艺方法。（涤纶、尼龙、丙纶适用；聚丙烯腈、聚氯乙烯、聚乙烯醇不可熔纺）

熔体纺丝特点

①纺丝液是熔体，工艺过程简单，清洁无污染；

②纺丝速度高，一般的纺丝速度为1000~2000m/min，采用高速纺丝时，可达3000~6000m/min 或更高；

③熔融纺丝加工成本低，但喷丝板孔数少；

涤纶、锦纶、丙纶等均采用此法。

④基本条件：T 分解 > T熔点 或 T 流动

湿法纺丝：纺丝溶液经混合、过滤和脱泡等纺前准备后，送至纺丝机，通过纺丝泵计量，经烛形滤器、鹅颈管进入喷丝头（帽），从喷

丝头毛细孔中挤出的溶液细流进入凝固浴，溶液细流中的溶剂

向凝固浴扩散，浴中的凝固剂向细流内部扩散，于是聚合物在

凝固浴中析出而形成初生纤维的工艺过程。（腈纶、维纶、氯纶、粘胶纤维）

湿法纺丝特点

①纺丝液是高聚物溶液，纺出的丝条在液体中凝固；

②喷丝头孔数多，但纺丝速度较低，一般为18~380m/min，适合纺制短纤维；

③加工成本高且对环境污染较严重，纺出丝的截面多为非圆形，有皮芯结构；

④粘胶、腈纶、维纶、氯纶纤维多采用此法。

干法纺丝：从喷丝头毛细孔中挤出的溶液细流进入纺丝甬道，通过热空气的作用，溶液细流中的溶剂快速挥发，并被热空气流带走。

溶液细流在逐渐脱去溶剂的同时发生浓缩和固化，并在卷绕

张力的作用下伸长变细而成为初生纤维的工艺过程。（腈纶、醋酯纤维、氯纶、氨纶）

第二章 聚酯纤维

4. 对苯二甲酸乙二酯（BHET）的主要制造方法

A酯交换法

酯交换原理

纯对苯二甲酸二甲酯与乙二醇反应可生成对苯二甲酸乙二酯（BHET），释出甲醇。酯交换反应是在催化剂（Mn、Zn、Co、Mg等的醋酸盐）存在下加热至150～220℃进行的均相反应，乙二醇与对苯二甲酸二甲酯中的甲氧基(-OCH3）交换，生成BHET，被取代的甲氧基和乙二醇中的氢结合生成甲醇，其反应式如下：

B直接酯化法

所谓直接酯化法，就是TPA与EG直接进行酯化反应，一步法制得BHET。由于TPA在常态下为无色针状结晶或无定形粉末，其熔点（425℃）高于升华温度（300℃），而EG的沸点（197℃）又低于TPA的升华温度。因此，直接酯化体系为固相TPA与液相EG共存的多相体系，酯化反应只发生在已溶解于EG中的TPA和EG之间，反应式如下：

C直接加成法

用环氧乙烷（EO）代替乙二醇直接合成BHET。此法较直接酯化法具有成本更低、反应更快的优点。反应式如下：

5. 涤纶切片在纺前进行干燥的目的

干燥的目的:①除去切片中的水分 ②提高切片的软化点和结晶度。

涤纶切片干燥主要分两个阶段：预结晶、干燥 。

6. PET纤维纺丝技术路线的类型

①常规纺丝：纺丝速度1000~1500m/min,未拉伸丝，UDY。

②中速纺丝：纺丝速度1500~3000m/min,中等取向度，中取向丝，MOY。

③高速纺丝：纺丝速度3000~4000m/min,预取向丝，POY。

4000~6000m/min,全拉伸丝，FDY。

④超高速纺丝：6000~8000m/min,全取向丝。

7. 螺杆挤压机的分段

①依据螺杆挤压机的几何尺寸可以将其分为：进料段，压缩段，计量段。

②依据物料在螺杆挤压机中的状态可以将其分为：固体区，熔化区，熔融区。

8. PET熔体纺丝中纺丝温度过高或过低有何弊端？

①温度过高：热降解，熔体粘度下降，产生气泡丝；

②温度过低：熔体粘度增高，熔体输送困难，出现漏浆现象。

9. 生产涤纶短纤维时，初生纤维为什么要存放一定的时间后才能进行加工？

刚成形的初生纤维其预取向度不均匀，需经存放平衡，使内应

力减小或消除，预取向度降低，卷绕时的油剂扩散均匀，改善

纤维的拉伸性能。存放平衡后的丝条才能进行加工。

第三章 再生纤维素纤维

10.纤维素的分类、定义，各类纤维素的聚合度范围，哪类纤维素适合制备粘胶纤维

α-纤维素（聚合度200以上）：植物纤维素在特定条件下不溶于20℃的17.5% NaOH溶液的部分，溶解的部分称为半纤维素。

β -纤维素（半纤维素，聚合度140-200）：以上溶解部分用醋酸中和又重新沉淀分离出来的那一部分纤维素。

γ-纤维素（半纤维素，聚合度10-140 ）：不能沉淀的部分。

11.粘胶纤维制备过程中的老成和熟成，及其作用

老成是借空气中的氧化作用，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。（低温长时间老成效果较好）

纤维素黄酸酯在热力学上是不稳定的，即使在常温下放置也会逐步分解，酯化度下降。粘胶在放置过程中会发生一系列的化学和物理化学变化，称之为粘胶的熟成。结果使黄酸基团在纤维素分子链上分布均匀，从而使粘胶均匀稳定。

12.黄化反应的机理

黄化反应，使难溶解的纤维素变成可溶性的纤维素黄酸酯。

碱纤维素中存在的大量游离碱与二硫化碳发生一系列的副反应

机理

⑴主要是气固相反应，包括二硫化碳蒸汽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。

⑵是放热反应，低温有利，高温易生成更多的副产物。

⑶是可逆反应。二硫化碳对纤维素的渗透，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。

13.粘胶纤维纺丝中凝固浴的组成和作用

⑴硫酸的作用

一是使纤维素黄酸钠分解，再生出纤维素和CS2；二是中和粘胶中的NaOH，使粘胶凝固；三是使黄化时产生的副产物分解。

⑵硫酸钠的作用

抑制硫酸的解离，从而延缓纤维素黄酸钠的再生速度。硫酸钠是一种强电解质，能促使粘胶脱水而凝固，这些作用能改善纤维的物理机械性能。

⑶硫酸锌的作用

改进纤维的成型效果，使纤维具有较高的韧性和较优良的耐疲劳性能。

两个特殊作用：一是能与纤维素黄酸钠作用生成稳定的中间产物—纤维素黄酸锌，其分解速度比纤维素黄酸钠慢得多，有利于拉伸，从而提高纤维强度；二是纤维素黄酸锌具有交联结构，能形成结晶中心，生成均匀而细小的结晶，避免大块晶体的形成，从而使纤维结构均匀，强度、延伸度和钩接强度都得到适当提高。

第四章 聚酰胺纤维

14. 工业生产聚己二酰己二胺时，为何要用聚酰胺66盐为中间体？

为了保证获得相对分子质量足够高的聚合体，要求在缩聚反应

时己二胺和己二酸有相等的摩尔比，因为任何一种组分过量都

会使由酸或氨端基构成的链增长终止。为此，在工业生产聚己

二酰己二胺时，先使己二酸和己二胺生成聚酰胺66盐(PA-66

盐)，然后用这种盐作为中间体进行缩聚制取聚己二酰己二胺。

15. PA 6生产中除单体的方法

①连续聚合直接纺丝的纺前脱单体

原理：根据聚己内酰胺和单体的挥发性不同，使聚己内酰胺熔体中的单体蒸出来。为了提高蒸发效率，减少蒸发皿中的停留时间，一般在真空状态下进行。在真空闪蒸皿中熔体以薄膜状、细流状、雾状等形式进入闪蒸室以尽可能大的蒸发面积除去单体及低聚物。

②切片法纺丝的切片萃取

切片的萃取采用热软水洗涤的办法，萃取过程中一方面是水渗透到切片内部，一方面是切片内的可萃取物不断向外扩散到切片表面，然后再溶解到热水中。

16. PA6纺丝中给湿的作用

刚从甬道出来的纤维是无定型的，它吸收水分后很容易发生诱导结晶，同时纤维发生自发的伸长。如果将无定型的PA6纤维绕在筒子上，它吸收空气中的水分后同样也会发生诱导结晶和纤维伸长，这样会出现绕在筒子上的丝松圈和塌边现象，因此在纺丝中要采取给湿的措施－卷绕前增加一个给湿盘。

第五章 聚丙烯纤维

17. 熔融指数概念

“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。

18. 聚丙烯纺丝时为什么纺丝温度要远高于熔点

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。

第六章 聚丙烯腈纤维

19. 腈纶生产中加入第二单体的作用，常用的第二单体

第二单体的作用：降低大分子间的作用力，降低PAN的结晶性、增加纤维的柔软性、改善纤维的弹性。

常用的第二单体有：丙稀酸甲酯（MA）、甲基丙稀酸甲酯（MMA）、 醋酸乙烯酯（VAC）、丙稀酰胺（AAM）。

20. 腈纶生产中加入第三单体的作用，常用的第三单体

第三单体的作用：引入亲染料基团，改进纤维的染色性和亲水性。

常用的第三单体有：衣康酸（ITA ）、丙稀磺酸钠（SAS）

甲基丙稀磺酸钠（SMAS）、对乙烯基苯磺酸钠（SSS）

乙烯吡啶、2－甲基－5－乙烯吡啶

21. 水相沉淀聚合及其优点

水相沉淀聚合是指以水为介质，单体在水中具有一定的溶解度．当水溶性引发剂引发聚合时．聚合产物不溶于水而不断地从水相中沉淀出来。

水相沉淀聚合具有下列优点。

(1)水相聚合通常采用水溶性氧化—还原引发体系，引发剂分解活化能较低．聚合可在30～50℃之间甚至更低的温度下进行。所得产物色泽较白；

(2)水相聚合反应的反应热容易控制，聚合产物的相对分子质量分布较窄；

(3)聚合速度较快，产物粒子大小较均匀且含水率较低，聚合转化率较高，浆状物料易

于处理．回收工序相应地较为简单。

22. 湿法纺丝成形中的双扩散

纺丝液由喷丝头喷出进入凝固浴后，原液细流的表面首先与凝固浴接触，很快凝固成一层膜，凝固浴中的凝固剂（水）不断通过这一皮层扩散到细流内部，而细流中的溶剂也通过皮层不断扩散到凝固浴中。双扩散的不断进行，使皮层不断增厚。

23. 纤维干燥致密化机理

拉伸水洗后的纤维，其微孔被拉长拉细，内部充满水，在适当温度下进行干燥，大分子链段能较自由地运动，水分逐渐蒸发产生毛细管压力，使得微孔半径相应收缩，最后微孔融合。

（干燥致密化 经拉伸后的纤维超分子结构基本形成，但由于成形时间短，纤维中还存在内应力和缺陷，经干燥致密化和热定型消除内应力和结构缺陷。）

24. 腈纶干法纺丝成形机理

凝固介质

热空气

溶剂蒸发

纺丝原液从喷丝孔挤出后进入纺丝甬道，溶液细流与甬道中热空气的热交换，使原液

细流温度上升，当细流表面温度达到溶剂沸点时，便开始蒸发，细流内部的溶剂不断扩散至表面而蒸发。

原液细流固化

由于溶剂蒸发，使原液细流中高聚物浓度增加，而溶剂含量则不断降低，当达到凝固临界浓度时，原液细流便固化为丝条。

第七章 聚乙烯醇纤维

25.维纶纺丝前对PVA进行水洗的目的

⑴降低PVA中NaAc含量，使之＜0.2％，减少热处理时的碱性着色；

⑵除去低分子量PVA，改善分子量分布；

⑶使PVA适度膨润，以利于溶解。

26.纺制维纶的凝固浴的组成及其作用

凝固浴组成：Na2SO4：410～420g/L ZnSO4：1～5g/L

① Na2SO4使丝条脱水凝固成形

②ZnSO.4控制纤维色相，适当加入可增加纤维白度。

③酸度过低会使纤维着色，酸度的调节是加入H2SO4来达到目的，

其中的HAc由NaAc水解而得。

27.维纶生产中缩醛化的目的是

在聚乙烯醇大分子上每个链节都含有一个羟基，经过纺丝，拉伸、热处理后，纤维的结晶度可达60％，在非晶区部分还有一些自由羟基。为了进一步提高纤维的耐热水性，要把这一部分羟基封闭掉，缩醛化反应的实质就是使用甲醛与非结晶区的自由羟基反应，构成分子内缩合，从而使纤维的耐热水性和玻璃化温度有所提高。

28.维尼纶生产中后处理的目的是什么，采取了哪些措施？

后处理的目的是使纤维的耐热水性和玻璃化温度有所提高。在聚乙烯醇大分子上每个链节都含有一个羟基，经过纺丝，拉伸、热处理后，纤维的结晶度可达60％。就是说一部分大分子上的羟基被纳入了晶格，成为被束缚的羟基、反应在纤维上其耐热水性有所提高。但是在非晶区部分还有一些自由羟基。不把这一部分羟基封闭掉，其耐热水性还达不到要求。采取的措施主要是进行缩醛化反应，就是使用甲醛与这一部分羟基反应，构成分子内缩合。

第八章 聚氯乙烯纤维

29.捏合的概念

纤维级的PVC不能溶解于丙酮，为了获得纺丝原液，首先使PVC树脂在丙酮中充分

溶胀，这一操作在生产上叫做捏和。

30.溶液法氯化PVC生产过程，氯化PVC较之PVC有何好处

先使PVC悬浮在四氯乙烷或氯苯中，而后通入氯气氯化。当聚合物的含氯量由56.55%增至63%～65%时，即为氯化PVC。

优点：使分子的不规整性增大，结晶度下降，分子链的极性增强，因而使其热变形温度上升。CPVC产品的使用温度最高可达93～100℃，较PVC提高30～40℃。同时CPVC的抗张强度、抗弯强度较PVC也有改进。

31.维氯纶生产中如何将疏水的PVC和亲水的PVA共混

采用PVA与PVC两者的接枝共聚物作为两相的增溶剂。方法是在PVA溶液中进行氯乙烯的乳液聚合。

第九章 聚氨酯纤维

32 . 聚氨酯弹性纤维的用途

① 裸丝 ： 主要纺织产品有：紧身衣、运动衣、护腿袜、外科用绷带和袜口、袖口等。

②包芯纱 ：棉型织物

③包覆纱：又称包缠纱。

④合捻纱：又称合股纱。如弹力劳动布、弹力单面华达呢等。

33. 生产聚氨酯所用的主要单体

①生产聚氨酯弹性纤维一般选用芳香族二异氰酸酯，以满足硬链段的硬度。常用的芳香族二异氰酸酯有：二苯基甲烷4，4ˊ-二异氰酸酯（MDI）或2，4-甲苯二异氰酸酯（TDI）。

②聚醚二醇是软链段之一，其相对分子质量越大聚合物的极性越小，分子链越柔软，一般相对分子质量控制在1500～3500。常用聚醚二醇有：聚四氢呋喃醚二醇（又称聚四亚甲基醚二醇）、聚氧乙烯醚二醇、聚氧丙烯醚二醇等。

③聚酯二醇也是软链段之一。常用的合成聚氨酯的聚酯二醇有：

聚己二酸乙二醇酯、聚己二酸乙二醇丙二醇酯、聚己二酸丁二醇酯等。

④ 扩链剂是含有活泼氢原子的双官能团低分子量化合物，大多数扩链剂选用二胺、二醇、肼等。

二胺扩链剂有间苯二胺、乙二胺、1,2 -二氨基丙烷等，

二元醇有1,4-丁二醇、乙二醇、丙二醇、二乙二醇等。

34. 聚氨酯纤维的生产方法有哪些？

①干法纺丝②熔融纺丝③湿法纺丝 ④反应纺丝

35. 什么是聚氨酯弹性纤维的化学反应纺丝法

先将预聚体与有机溶剂配成纺丝原液，由纺丝泵定量挤入喷丝头。原液细流在凝固浴中凝固的同时，与凝固浴中的链扩展二元胺发生化学反应，形成嵌段共聚物的长链。在纤

维内的大分子间也会产生横向交

联，使之成为具有网状结构的大分子。初生纤维经卷绕后，还应在加压的水中进行硬化处理，使初生纤维内部继续发生交联，在大分子之间建立起具有尿素结合型式的横向连接。

第十章 高性能纤维

36. 碳纤维生产中主要的前驱体纤维

⑴聚丙烯腈（PAN）基碳纤维

⑵沥青基碳纤维

⑶粘胶基碳纤维

37. 芳纶-1313的分子式、主要特点

单体

OClCOCCl+NH2NH2 聚间苯二甲酰间苯二胺纤维（芳纶1313 ）

COCONHNHn 优点：耐高温性能好，高温下的强度保持率好，以及尺寸稳定性、抗氧化性和耐水性好，不易燃烧，具有自熄性，耐磨和耐多次曲折性好，耐化学试剂，绝热性能也较好。缺点：强度和模量低，耐光性较差。

38. 芳纶-1414的分子式、主要特点

单体

OClCOCCl+NH2NH2 聚对苯二甲酰对苯二胺（PPTA）纤维（芳纶1414）

COCONHNHn PPTA纤维具有高拉伸强度、高拉伸模量、低密度、优良吸能性和减震、耐磨、耐冲击、抗疲劳、尺寸稳定等优异的力学和动态性能；良好的耐化学腐蚀性；高耐热、低膨胀、低导热、不燃、不熔等突出的热性能以及优良的介电性能。