第四節(jié) 化學纖維的生產(chǎn)方法概述

化學纖維的品種繁多，原料及生產(chǎn)方法各異，其生產(chǎn)過程可概括為以下四個工序。（1）原料制備：高分子化合物的合成（聚合）或天然高分子化合物的化學處理和機械加工。（2）紡前準備：紡絲熔體或紡絲溶液的制備。（3）紡絲：纖維的成形。（4）后加工：纖維的后處理。

一、原料制備

1.成纖高聚物的基本性質(zhì)

用于化學纖維生產(chǎn)的高分子化合物，稱為成纖高聚物或成纖聚合物。成纖聚合物有兩大類：一類為天然高分子化合物，用于生產(chǎn)再生纖維；另一類為合成高分子化合物，用于生產(chǎn)合成纖維。作為化學纖維的生產(chǎn)原料，成纖聚合物的性質(zhì)不僅在一定程度上決定纖維的性質(zhì)，而且對紡絲、后加工工藝也有重大影響。

對成纖聚合物一般要求如下：

（1）成纖聚合物大分子必須是線型的、能伸直的分子，支鏈盡可能少，沒有龐大側(cè)基。

（2）聚合物分子之間有適當?shù)南嗷プ饔昧Γ蚓哂幸欢ㄒ?guī)律性的化學結構和空間結構。

（3）聚合物應具有適當高的相對分子質(zhì)量和較窄的相對分子質(zhì)量分布。

（4）聚合物應具有一定的熱穩(wěn)定性，其熔點或軟化點應比允許使用溫度高得多。

化學纖維的紡絲成形普遍采用聚合物的熔體或濃溶液進行，前者稱為熔體紡絲，后者稱為溶液紡絲。所以，成纖聚合物必須在熔融時不分解，或能在普通溶劑中溶解形成濃溶液，并具有充分的成纖能力和隨后使纖維性能強化的能力，保證最終所得纖維具有一定的良好綜合性能。幾種主要成纖聚合物的熱分解溫度和熔點如表1-6所示。

由表1-6可見，聚乙烯、等規(guī)聚丙烯、聚己內(nèi)酰胺和聚對苯二甲酸乙二酯的熔點低于熱分解溫度，可以進行熔體紡絲；聚丙烯腈、聚氯乙烯和聚乙烯醇的熔點與熱分解溫度接近，甚至高于熱分解溫度，而纖維素及其衍生物則觀察不到熔點，像這類成纖聚合物只能采用溶液紡絲方法成形。

表1-6 幾種主要成纖聚合物的熱分解溫度和熔點

2.原料制備

再生纖維的原料制備過程，是將天然高分子化合物經(jīng)一系列化學處理和機械加工，除去雜質(zhì)，并使其具有能滿足再生纖維生產(chǎn)的物理和化學性能。例如，粘膠纖維的基本原料是漿粕（纖維素），它是將棉短絨或木材等富含纖維素的物質(zhì)，經(jīng)備料、蒸煮、精選、脫水和烘干等一系列工序制備而成的。

合成纖維的原料制備過程，是將有關單體通過一系列化學反應聚合成具有一定官能團、一定相對分子質(zhì)量和相對分子質(zhì)量分布的線型聚合物。由于聚合方法和聚合物性質(zhì)不同，合成的聚合物可能是熔體狀態(tài)或溶液狀態(tài)。將聚合物熔體直接送去紡絲，這種方法稱為直接紡絲法；也可將聚合得到的聚合物熔體經(jīng)鑄帶、切粒等工序制成“切片”，再以切片為原料，加熱熔融成熔體進行紡絲，這種方法稱為切片紡絲法。直接紡絲法和切片紡絲法在工業(yè)生產(chǎn)中都有應用。溶液紡絲也有兩種方法，將聚合后的聚合物溶液直接送去紡絲，這種方法稱一步法；先將聚合得到的溶液分離制成顆粒狀或粉末狀的成纖聚合物，然后溶解制成紡絲溶液，這種方法稱為二步法。

在化學纖維原料制備過程中，可采用共聚、共混、接枝和加添加劑等方法，生產(chǎn)某些改性化學纖維。

二、熔體或溶液的制備

1.紡絲熔體的制備

切片紡絲法需要在紡絲前將切片干燥，然后加熱至熔點以上、熱分解溫度以下，將切片制成紡絲熔體。

（1）切片干燥：經(jīng)鑄帶和切粒后得到的成纖聚合物切片在熔融之前，必須先進行干燥。切片干燥的目的是除去水分，提高聚合物的結晶度與軟化點。

切片中含有水分會給最終纖維的質(zhì)量帶來不利影響。因為在切片熔融過程中，聚合物在高溫下易發(fā)生熱裂解、熱氧化裂解和水解反應，使聚合物相對分子質(zhì)量明顯下降，大大降低所得纖維的質(zhì)量。另外，熔體中的水分汽化，會使紡絲斷頭率增加，嚴重時使紡絲無法正常進行。在滌綸和錦綸的生產(chǎn)中必須對切片進行干燥。干燥后切片的含水率，視纖維品種而異。例如，對于聚酰胺6切片，要求干燥后含水率一般低于0.05%；對于聚酯切片，由于在高溫下聚酯中的酯鍵極易水解，故對干燥后切片含水率要求更為嚴格，一般應低于0.01%；對于聚丙烯切片，由于其本身不吸濕，回潮率為零，所以不需干燥。

切片干燥的同時，也使聚合物的結晶度和軟化點提高，這樣的切片在輸送過程中不易因碎裂而產(chǎn)生粉末，也可避免在螺桿擠出機中過早地軟化黏結而產(chǎn)生“環(huán)結阻料”現(xiàn)象。

（2）切片的熔融：它是在螺桿擠出機中完成的。切片自料斗進入螺桿，隨著螺桿的轉(zhuǎn)動被強制向前推進，同時螺桿套筒外的加熱裝置將切片加熱熔融，熔體以一定的壓力被擠出而輸送至紡絲箱體中進行紡絲。

與切片紡絲相比，直接紡絲法省去了鑄帶、切粒、干燥切片及再熔融等工序，這樣可大大簡化生產(chǎn)流程，減少車間面積，節(jié)省投資，且有利于提高勞動生產(chǎn)效率和降低成本。但是，利用聚合后的聚合物熔體進行直接紡絲，對于某些聚合過程（如己內(nèi)酰胺的聚合）留存在熔體中的一些單體和低聚物難以去除，這不僅影響纖維質(zhì)量，而且惡化紡絲條件，使生產(chǎn)線的工藝控制也比較復雜。因此，對產(chǎn)品質(zhì)量要求比較高的品種，一般采用切片紡絲法。

切片紡絲法的工序較多，但具有較強的靈活性，產(chǎn)品質(zhì)量也較高，另外還可以使切片進行固相聚合，進一步提高聚合物的相對分子質(zhì)量，生產(chǎn)高黏度切片，以制取高強度的纖維。目前，對于生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量要求較高的簾子線或長絲以及不具備聚合生產(chǎn)能力的企業(yè)，大多采用切片紡絲法。

2.紡絲溶液的制備

目前，在采用溶液紡絲法生產(chǎn)的主要化學纖維品種中，只有腈綸既可采用一步法又可采用二步法紡絲，其他品種的成纖聚合物無法采用一步法生產(chǎn)工藝。雖然采用一步法省去了聚合物的分離、干燥和溶解等工序，可簡化工藝流程，提高勞動生產(chǎn)率，但制得的纖維質(zhì)量不穩(wěn)定。

采用二步法時，需要選擇合適的溶劑將成纖聚合物溶解，所得溶液在送去紡絲之前還要經(jīng)過混合、過濾和脫泡等工序，這些工序總稱為紡前準備。

（1）成纖聚合物的溶解：線型聚合物的溶解過程是先溶脹后溶解，即溶劑先向聚合物內(nèi)部滲入，聚合物的體積不斷增大，大分子之間的距離增加，最后大分子以分離的狀態(tài)進入溶劑，從而完成溶解過程。

用于制備紡絲溶液的溶劑必須滿足下列要求：

①在適宜溫度下具有良好的溶解性能，并能使所得聚合物溶液在盡可能高的濃度下具有較低的黏度；

②沸點不宜太低，也不宜過高。如沸點太低，溶劑揮發(fā)性太強，會增加溶劑損耗并惡化勞動條件；沸點太高，不易進行干法紡絲，且溶劑回收工藝比較復雜；

③有足夠的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性，并易于回收；

④應盡量無毒和無腐蝕性，并不會引起聚合物分解或發(fā)生其他化學變化。

合成纖維生產(chǎn)中常用的紡絲溶劑如表1-7所示。

在纖維素纖維生產(chǎn)中，由于纖維素不溶于普通溶劑，所以，通常是將其轉(zhuǎn)變成衍生物（纖維素黃原酸酯、纖維素醋酸酯等）之后，再溶解制成紡絲溶液，進行紡絲成形及后加工。采用新溶劑（N-甲基嗎啉-N-氧化物）紡絲工藝時，纖維素可直接溶解在溶劑中制成紡絲溶液。

紡絲溶液的濃度根據(jù)纖維品種和紡絲方法的不同而異。通常，用于濕法紡絲的紡絲溶液濃度為12%～25%；用于干法紡絲的紡絲溶液濃度則高一些，一般為25%～35%。

表1-7 合成纖維生產(chǎn)中常用的紡絲溶劑

（2）紡絲溶液的混合、過濾和脫泡：

①混合的目的是使各批紡絲溶液的性質(zhì)（主要是濃度和黏度）均勻一致。

②過濾的目的是除去雜質(zhì)和未溶解的高分子化合物。紡絲溶液的過濾一般采用板框式壓濾機，過濾材料選用能承受一定壓力、具有一定緊密度的各種織物，一般要連續(xù)進行2～4道過濾。后一道過濾所用濾材應比前一道的更致密，這樣才能達到應有的效果。

圖1-3 熔體紡絲示意圖

1—螺桿擠出機 2—噴絲板 3—吹風窗 4—紡絲甬道 5—給油盤 6—導絲盤 7—卷繞裝置

③脫泡是為了除去留存在紡絲溶液中的氣泡。這些氣泡會在紡絲過程中造成斷頭、毛絲和氣泡絲而降低纖維質(zhì)量，甚至使紡絲無法正常進行。脫泡過程可在常壓或真空狀態(tài)下進行。在常壓下靜置脫泡，因氣泡較小，氣泡上升速度很慢，脫泡時間很長；在真空狀態(tài)下脫泡，真空度越高，液面上壓力越小，氣泡會迅速脹大，脫泡速度可大大加快。

三、化學纖維的紡絲成形

將成纖聚合物熔體或濃溶液，用紡絲泵（或稱計量泵）連續(xù)、

定量且均勻地從噴絲頭（或噴絲板）的毛細孔中擠出，成為液態(tài)細流，再在空氣、水或特定凝固浴中固化成為初生纖維的過程，稱作“纖維成形”，或稱“紡絲”，這是化學纖維生產(chǎn)過程的核心工序。調(diào)節(jié)紡絲工藝條件，可以改變纖維的結構和力學性能。

化學纖維的紡絲方法主要有兩大類：熔體紡絲法和溶液紡絲法。在溶液紡絲法中，根據(jù)凝固方式不同又可分為濕法紡絲和干法紡絲。化學纖維生產(chǎn)絕大部分采用上述三種紡絲方法。此外，還有一些特殊的紡絲方法，如乳液紡絲、懸浮紡絲、干濕法紡絲、凍膠紡絲、液晶紡絲、相分離紡絲和反應紡絲法等，用這些方法生產(chǎn)的纖維量很少。下面著重介紹三種常用的紡絲方法。

1.熔體紡絲

熔體紡絲是切片在螺桿擠出機中熔融后或由連續(xù)聚合制成的熔體，送至紡絲箱中的各個紡絲部位，再經(jīng)紡絲泵定量壓送至紡絲組件，過濾后從噴絲板的毛細孔中壓出而成為細流，并在紡絲甬道中冷卻成形的工藝過程。初生纖維被卷繞成一定形狀的卷裝（對于長絲）或均勻落入盛絲桶中（對于短纖維）。圖1-3為熔體紡絲示意圖。

由于熔體細流在空氣介質(zhì)中冷卻，傳熱和絲條固化速度快，而絲條運動所受阻力很小，所以熔體紡絲的紡絲速度要比濕法紡絲高得多，目前熔體紡絲一般紡速為1000～3500m/min或更高。為加速冷卻固化過程，一般在熔體細流離開噴絲板后與絲條垂直的方向進行冷卻吹風，吹風形式有側(cè)吹和環(huán)吹等，吹風窗的高度一般在1m左右。紡絲甬道的長短視紡絲設備和廠房樓層的高度而定，一般為3～5m。

2.濕法紡絲

濕法紡絲是紡絲溶液經(jīng)混合、過濾和脫泡等紡前準備后，送至紡絲機，通過紡絲泵計量，經(jīng)燭形過濾器、鵝頸管進入噴絲頭（帽），從噴絲頭毛細孔中擠出的溶液細流進入凝固浴，溶液細流中的溶劑向凝固浴擴散，浴中的凝固劑向細流內(nèi)部擴散，于是聚合物在凝固浴中析出，形成初生纖維的工藝過程。濕法紡絲中的擴散和凝固不僅是一般的物理及化學過程，對某些化學纖維如粘膠纖維同時還發(fā)生化學變化，所以，濕法紡絲的成形過程比較復雜。受溶劑和凝固劑的雙擴散、凝固浴的流體阻力等因素限制，紡絲速度比熔體紡絲低得多。圖1-4為濕法紡絲示意圖。

圖1-4 濕法紡絲示意圖

1—噴絲頭 2—凝固浴 3—導絲盤 4—卷繞裝置

圖1-5 干法紡絲示意圖

采用濕法紡絲時，必須配備凝固浴的配制、循環(huán)及回收設備，工藝流程復雜，廠房建筑和設備投資費用都較大，紡絲速度低，成本高且對環(huán)境污染較嚴重。目前，腈綸、維綸、氯綸、粘膠纖維以及某些由剛性大分子構成的成纖聚合物都需要采用濕法紡絲。

3.干法紡絲

干法紡絲是從噴絲頭毛細孔中擠出的紡絲溶液不進入凝固浴，而進入紡絲甬道；通過甬道中熱空氣的作用，使溶液細流中的溶劑快速揮發(fā)，并被熱空氣流帶走；溶液細流在逐漸脫去溶劑的同時發(fā)生濃縮和固化，并在卷繞張力的作用下伸長變細而成為初生纖維的工藝過程。圖1-5為干法紡絲示意圖。

采用干法紡絲時，首要的問題是選擇溶劑，因為紡絲速度主要取決于溶劑的揮發(fā)速度。所以選擇的溶劑應使溶液中聚合物的濃度盡可能高，而溶劑的沸點和蒸發(fā)潛熱應盡可能低，這樣就可減少在紡絲溶液轉(zhuǎn)化為纖維過程中所需揮發(fā)的溶劑量，降低熱能消耗，并提高紡絲速度。除技術經(jīng)濟要求外，還應考慮溶劑的可燃性，以保證達到安全防護要求。最常用的干法紡絲溶劑為丙酮、二甲基甲酰胺等。

目前，干法紡絲速度一般為200～500m/min，高者可達1000～1500m/min，但受溶劑揮發(fā)速度的限制，紡速還是比熔體紡絲低，而且還需要設置溶劑回收等工序，故輔助設備比熔體紡絲多。干法紡絲一般適宜紡制化學纖維長絲，主要生產(chǎn)品種有腈綸、醋酯纖維、氯綸和氨綸等。

四、化學纖維的后加工

紡絲成形后得到的初生纖維其結構還不完善，力學性能較差，如斷裂伸長率過大、斷裂強度過低、尺寸穩(wěn)定性差，不能直接用于紡織加工，必須經(jīng)過一系列的后加工。后加工隨化纖的品種、紡絲方法和產(chǎn)品要求而異，其中主要的工序是拉伸和熱定型。

1.拉伸

拉伸的目的是提高纖維的斷裂強度，降低斷裂伸長率，提高耐磨性和對各種形變的疲勞強度。拉伸的方式有多種，按拉伸次數(shù)分，有一道拉伸和多道拉伸；按拉伸介質(zhì)分，有干拉伸、蒸汽拉伸和濕拉伸，相應拉伸介質(zhì)分別是空氣、水蒸氣和水浴、油浴或其他溶液；按拉伸溫度又可分為冷拉伸和熱拉伸。總拉伸倍數(shù)是各道拉伸倍數(shù)的乘積，一般熔體紡絲纖維的總拉伸倍數(shù)為3.0～7.0倍；濕法紡絲纖維可達8～12倍；生產(chǎn)高強度纖維時，拉伸倍數(shù)更高，甚至高達數(shù)十倍。

2.熱定型

熱定型的目的是消除纖維的內(nèi)應力，提高纖維的尺寸穩(wěn)定性，并且進一步改善其力學性能。熱定型可以在張力下進行，也可以在無張力下進行，前者稱為緊張熱定型，后者稱為松弛熱定型。熱定型的方式和工藝條件不同，所得纖維的結構和性能也不同。

3.上油

在化學纖維生產(chǎn)過程中，無論是紡絲還是后加工都需進行上油。上油的目的是提高纖維的平滑性，柔軟性和抱合力，減少摩擦和靜電的產(chǎn)生，改善化學纖維的紡織加工性能。上油的形式有：油槽或油輥上油及油嘴噴油。不同品種和規(guī)格的纖維需采用不同的專用油劑。

除上述工序外，在用溶液紡絲法生產(chǎn)纖維和用直接紡絲法生產(chǎn)錦綸的后處理過程中，都要有水洗工序，以除去附著在纖維上的凝固劑和溶劑或混在纖維中的單體及低聚物。在粘膠纖維的后處理工序中，還需設脫硫、漂白和酸洗工序。在生產(chǎn)短纖維時，需要進行卷曲和切斷。在生產(chǎn)長絲時，需要進行加捻和絡筒。加捻的目的是使復絲中各根單纖維緊密地抱合，避免在紡織加工時發(fā)生斷頭或紊亂現(xiàn)象，并使纖維的斷裂強度提高。絡筒是將絲筒或絲餅退繞至錐形紙管上，形成雙斜面寶塔形筒裝，以便運輸和紡織加工。生產(chǎn)強力絲時，需要進行變形加工。生產(chǎn)網(wǎng)絡絲時，在長絲后加工設備上加裝網(wǎng)絡噴嘴，經(jīng)噴射氣流的作用，單絲相互纏結呈周期性網(wǎng)絡點。網(wǎng)絡加工可改進合成纖維長絲的極光效應和蠟狀感，又可提高其紡織加工性能，免去上漿、退漿，代替加捻或并捻。為賦予纖維某些特殊性能，還可以在后加工中進行某些特殊處理，如提高纖維的抗皺性、耐熱水性和阻燃性等。

隨著合成纖維生產(chǎn)技術的發(fā)展，紡絲和后加工技術已從間歇式的多道工序發(fā)展為連續(xù)、高速一步法的聯(lián)合工藝，如聚酯全拉伸絲（FDY）可在紡絲—牽伸聯(lián)合機上生產(chǎn)，而利用超高速紡絲（紡絲速度5500m/min以上）生產(chǎn)的全取向絲（FOY），則不需進行后加工便可直接用作紡織原料。