化学纤维的生产方法概述

第三节 化学纤维的生产方法概述

化学纤维的制造可概括为以下四个工序：
（1）原料制备。高分子化合物的合成（聚合）或天然高分子化合物的化学、物理处理和机械加工。
（2）纺丝熔体或纺丝溶液的制备。
（3）化学纤维的纺丝成型。
（4）化学纤维的后加工。

一、原料制备
化学纤维一般是高分子聚合物（成纤高聚物Fibre-forming polymer），此成纤高聚物可直接取自于自然界，也可由自然界的低分子物经化学聚合而得。作为成纤高聚物必须是线型的、能伸直的分子，支链尽可能少，没有庞大侧基；高聚物分子之间有适当的相互作用力，或具有一定规律性的化学结构和空间结构；高聚物应具有适当高的平均分子量和较窄的分子量分布；高聚物应具有一定的热稳定性，其熔点或软化点应比允许使用温度高得多。
再生纤维由天然高分子聚合物经化学加工制造而成，其原料制备过程是将天然高分子化合物经一系列的化学处理和机械加工，提纯去除杂质。
合成纤维则以石油、煤、天然气及一些农副产品等低分子为原料制成单体后，经过化学聚合，聚合成具有一定官能团、一定平均分子量和分子量分布的线型聚合物，然后再制成纤维。由于聚合方法和聚合物的性质不同，合成的聚合物可能是熔体状态或溶液状态。

二、纺丝流体（液）的制备
将成纤高聚物加工成纤维，首先要制备纺丝液。纺丝液的制备有熔体法和溶液法两种方法，分别对应纺丝熔体和纺丝溶液。表1-2列出了几种主要成纤高聚物的热分解温度和熔点，仅供参考。
表1-2 几种主要成纤高聚物的热分解温度和熔点[5]

（一）纺丝熔体的制备
凡高聚物的熔点低于其分解温度的，多采用将高聚物熔融成流动的熔体（纺丝熔体）进行纺丝（如涤纶、锦纶、丙纶等）。
熔体纺丝法用于工业生产有两种实施方法：一是熔体直接纺丝；另一种是切片纺丝。图1-2列举了采用熔体直接纺丝法和切片纺丝法生产熔纺长丝和短纤维的工艺流程。

图1-2 熔体纺丝法制备纤维的工艺流程

与切片纺丝相比，熔体直接纺丝法省去了铸带、切粒、切片干燥及再熔融等工序，大大简化生产流程，减小车间面积，节省投资，有利于提高劳动生产率和降低成本。
切片纺丝法灵活性强，停车开车方便，而且纺丝前对切片质量的选择余地较大，可以调换。但工序较多，投资费用较大，劳动生产率较低，成本较高。目前对于生产产品质量要求较高的帘子线，以及不具备聚合生产能力的企业，大多采用切片纺丝法。应该指出的是熔体直接纺丝法是发展方向，国外大多数均采用此方法，我国在20世纪90年代末和21世纪初已经建成多家大规模的涤纶熔体直接纺丝路线。
（二）纺丝溶液的制备
凡高聚物的熔点高于其分解温度或无熔点，多采用将高聚物溶解成流动的液体（纺丝溶液）进行纺丝（如腈纶、粘胶纤维等）。
采用溶液纺丝法时，纺丝熔液的制备有两种方法：一是直接利用聚合后得到的聚合物溶液作为纺丝原液，称为一步法；二是将聚合物溶液先制成颗粒状或粉末状的成纤聚合物，然后再溶解，以获得纺丝液，称为二步法。
采用一步法省去了聚合物的分离、干燥、溶解等工序，可以简化工艺流程，连续化程度高，易实现高度自动化，基建投资较少；但工艺管理要求严格，纺丝与聚合工序间故障相互影响，生产弹性较差。反应中产生不合格的聚合物不易分离出来，而且溶剂、单体带入的以及反应中产生的杂质均为纺丝溶液的组成部分，对纺丝过程和纤维质量不利。
采用二步法时，需要选择合适的溶剂将成纤聚合物溶解，所得的溶液在送去纺丝之前还要经过混合、过滤和脱泡等工序，这些工序总称为纺前准备。

三、化学纤维的纺丝成型
将纺丝熔体或溶液，用纺丝泵（或称计量泵）连续、定量而均匀地从喷丝头的喷丝孔中压出，呈液体细丝状，再在适当介质中固化成细丝，这一过程称为纺丝，这是化学纤维生产的核心工序。
常用的纺丝方法根据纺丝流体制备的方法和液体细丝固化的方法不同，分为熔体纺丝和溶液纺丝两类。
（一）熔体纺丝
熔体纺丝是将成纤高聚物熔体经纺丝喷丝头流出熔体细流、在周围空气（或水）中冷却凝固成型的方法。如涤纶、锦纶、丙纶等采用熔体纺丝方法制得。此法流程短、纺丝速度高、纺丝速度一般为900～1200m/min，高速纺丝可达3200m/min以上，成本低，但喷丝板孔数较少，长丝1～150孔；短纤维300～800孔，高的可达1000～2600孔，甚至更多。若用常规圆形喷丝孔，则纺得的纤维截面大多为圆形；采用异形喷丝孔，则纺得的纤维截面为异形。该法适用于能熔化、易流动、不易分解的高聚物。
（二）溶液纺丝
溶液纺丝分为湿法纺丝和干法纺丝。
湿法纺丝是将高聚物在溶剂（无机、有机）中配成纺丝溶液后经喷丝孔流出细流，在凝固浴中凝固成型的方法。腈纶、维纶、粘胶纤维等可以采用湿法纺丝方法制得。此法喷丝板孔数较多，一般为4000～20000，高的可达5万孔以上。但纺丝速度低，约为50～100m/min。由于液体凝固剂的固化作用，虽然仍是常规圆形喷丝孔，但纤维截面大多不呈圆形，且有较明显的皮芯结构。该法适用于不耐热、不易熔化但能溶于某一种溶剂中的高聚物。
干法纺丝是将纺丝溶液经喷丝孔流出细流，溶剂被加热介质（空气或氮气）挥发带走的同时，使得高聚物凝固成丝的方法。腈纶、维纶、氯纶、氨纶、醋酯纤维等可以采用干法纺丝。干法纺丝要求采用易挥发的溶剂溶解高聚物。此法纺丝速度较高，约为200～500m/min，成品质量好。但喷丝孔数较少，一般为300～600孔，辅助设备多，成本高。
表1-3列出了三种纺丝成型法方法的特征，仅供参考。
表1-3 三种基本纺丝成型法方法的特征

除了上述三种经典纺丝方法以外，现在出现了化学反应纺丝、复合纤维纺丝、干湿法纺丝、乳液纺丝、悬浮纺丝、冻胶纺丝、液晶纺丝、相分离纺丝等方法。

四、化学纤维的后加工