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第一章 总论
概要：讲述化学纤维的历程、主要质量指标、鉴别方法、生产方法。
- 化纤分类
- 基本概念：长丝、短丝、单丝、复丝、少孔丝、短纤维、丝束、异型纤维、复合纤维
- 主要质量的指标：线密度、断裂强度、断裂伸长率、初始模量、燃烧性能、吸湿性、染色性
- 原料制备 –> 纺前准备 –> 纺丝 –> 后加工
- 化学纤维的鉴别：显微镜法、燃烧法、溶解法
2025-11-03T16:00:00Z
待续……
作业汇总
2025年9月8日作业
- 复习已讲并预习第一章其余小节；
- 天然纤维，化学纤维，再生纤维及合成纤维 ：定义，举例（中英文）及之间关系；
- 设计一个测量纤维断裂强度大实验，实验目的，实验仪器，实验步骤，实验数据，计算线密度（三种单位）上网检索较合理纤维品种，纤维线密度和相对强度范围，倒推理出所需克数和可能断裂的绝对强度和断裂伸长，结果分析。
2025年9月16日作业
- 看书完成第一章教材阅读和梳理，以思维导图方式总结在笔记本；
- 化学纤维的纺丝方法（熔体纺丝、湿法纺丝、干湿纺丝，干法纺丝）的名词解释及采取对应纺丝方法制备的纤维品种
- 结合高分子物理知识，分析什么结构和什么特性的高聚物能满足熔体纺丝要求？并列举至少 5个熔体纺丝成形的具体纤维品种。
- 预习聚酯纤维这一章。
2025年9月21日作业
- 看书第三章聚酯。
- 围绕以下内容，写一篇综述作业，规范标注文献，不能大段摘抄，参考文献，结合自己专业知识学习体会，进行撰写一篇综述。要求：文献不少于12篇，字数不少于1000字的学科综述。
主题：1.精致对苯二甲酸国产化，聚酯纤维发展历史及纤维强国信念。2.我国聚酯纤维产能和技术在世界聚酯纤维行业的重要地位，加虽对聚酯纤维行业发展的了解，增加专业自豪感，建立纤维强国信念。
2025年9月29日作业
- 看书对应章节；
- 泛雅平台学习，视频等进行学习。
- BHET有哪几种工业化生产方法，各有何特点；
- 涤纶切片为什么要进行干燥？并写出涤纶切片干燥的工艺流程；
- 按照螺杆的工作部分可将螺杆分为哪三个区间？并说明螺杆各区温度设定的基本原则；查出聚对苯二甲酸乙二醇酯的玻璃化温度、软化点、熔点和分解温度，结合其各温度，给出其螺杆挤出机三个工作段温度设定范围并给出理由。
- 写出聚酯纤维纺丝机的基本组成部分；
- 写出熔体纺丝成形原理；并写出聚酯长丝和短丝的冷却方式及原因.
2025年10月13日作业
- 看书第一章和第三章。
- 泛雅平台学习。
- 聚酯长丝变形丝主要品种及其特点；
- 简述聚酯长丝假捻变形原理；
- 涤纶拉伸丝和变形丝的生产工艺路线有哪些；结合目前涤纶行业现状，现以哪种路线为主，为什么？
- 聚酯长丝变形丝主要品种及其特点；
- 简述聚酯长丝假捻变形原理；
- 涤纶拉伸丝和变形丝的生产工艺路线有哪些；结合目前涤纶行业现状，现以哪种路线为主，为什么？
- 涤纶长丝和短丝的后加工序各有哪些工序？各工序作用是什么？
- 课堂计算题，自己列出公式，带入数据计算。11、一涤纶企业拟采用切片法生产167dtx/72f的涤纶POY, 涤纶切片的熔点是264℃，软化点240℃，分解温度为298℃，采用真空转鼓干燥干燥机进行干燥，纺丝速度为3500m/min，喷丝板为Φ0.3mmX72孔，计量泵转数为15转/min，熔体比重为1.2g/cm³，请结合以上参数和要求，1）按照上课黑板笔记方式画出制备POY流程的草图并结合后续计算和工艺设定，将参数和工艺条件列在流程草图的相应位置；2）干燥工艺中干燥温度、时间和干燥后符合要求的含水率范围；2）螺杆挤出机各工作段的温度设定原则和温度范围；3）纺丝时选用怎样泵规格的计量泵，挤出速度是多少，纺丝时拉伸倍数是多少？4）纺丝温度、冷却方式及冷却温度及风速.
2025年11月11日作业
题目 1 聚丙烯腈纤维原料制备中为什么要加入第二、第三单体？常用的第二、第三单体有哪些？
加入第二单体的原因：丙烯腈均聚物链间作用力强，纤维刚性大、弹性差。第二单体可削弱链间作用力，提高弹性、改善可纺性。
常用第二单体：丙烯酸甲酯（MA）、甲基丙烯酸甲酯（MMA）、醋酸乙烯（VAc），常加 5%～10%。
加入第三单体的原因：改善染色性与亲水性，使纤维能与阳离子或酸性染料结合。
常用第三单体：
（1）含酸性基团（亲和阳离子染料）：丙烯磺酸钠、甲基丙烯磺酸钠、衣康酸。
（2）含碱性基团（亲和酸性染料）：乙烯吡啶、2-甲基-5-乙基吡啶、甲基丙烯酸二甲基氨乙酯。
加入量通常 0.5%～3%。
题目 2 丙烯腈的聚合机理及常用溶液聚合方法有哪两种？分析水相沉淀法的优点及该方法对环境的影响。
聚合机理：丙烯腈属于自由基链式聚合；聚合速率与单体浓度呈 3/2 次方关系，聚合度与单体浓度呈 1/2 次方关系。
常用溶液聚合方法：
1）均相溶液聚合（一步法）：溶剂能溶解单体和聚合物，如 NaSCN、ZnCl₂ 溶液、硝酸、DMF、DMSO 等。
2）水相沉淀聚合：单体部分溶于水，采用水溶性氧化还原体系，引发后聚合物以颗粒形式沉淀。
水相沉淀聚合的优点：
• 可在 30–50 °C 下低温聚合，引发效率高。
• 放热易控制，分子量分布窄。
• 聚合速度快，所得颗粒均匀、含水低、易过滤。
• 不需要大量有机溶剂，安全性与经济性较好。
对环境影响：
积极面：不使用 DMF 等大量有机溶剂，溶剂排放与能耗低，VOC 危害小。
负面影响：产生含氯酸盐、硫酸盐、硝酸盐以及未反应单体的高盐废水；终止釜的碱液和冲洗液需中和处理；若回收不充分可能造成水体污染。需要配套完善的废水处理与单体回用系统。
题目 3 结合教材和总结表格，分析均相溶液聚合和水相沉淀聚合中各因素对丙烯腈聚合反应的影响及原因，并给出较优聚合条件。
影响因素及原因：
• 引发剂：
均相聚合多用 AIBN；水相沉淀采用 NaClO₃–Na₂SO₃ 氧化还原体系。用量越大 → 聚合速率升高、分子量降低。
• 单体浓度：
均相体系受溶解性限制约 17%；水相体系可达 28–30%。浓度越高 → 聚合速率快、但分子量下降。
• 温度：
均相受 AN/MA 沸点限制，温度一般 76–78 °C；水相沉淀控制在 35–55 °C。温度升高 → 链转移增多，分子量下降。
• pH：
均相体系约在 pH 5 附近可维持白度与单体稳定性；水相沉淀须在 pH 1.9–2.2 才能高效引发。
• 转化率：
均相宜保持 60–75%，避免黏度过高；水相沉淀可追求较高转化率，但过长时间会使分子量降低、分布加宽。
推荐聚合条件：
（1）均相溶液聚合（NaSCN 一步法）
• AN/MA≈90/10
• AIBN：0.3–0.5%
• 异丙醇：1–3%
• NaSCN 浓度：44%
• 温度：76–78 °C
• pH≈5
• 转化率：65–75%
成品聚合液脱单、脱泡后即可用于纺丝。
（2）水相沉淀聚合
• 单体浓度：28–30%
• NaClO₃：Na₂SO₃≈1:5，总量约 0.3%
• 温度：35–50 °C
• pH：1.9–2.2
• 终止釜用 NaOH 调至中性后离心、洗涤
所得粉末颗粒均匀、分子量分布窄，适合作溶剂纺丝原料。
题目 4 聚丙烯腈纤维原料制备中，偶氮二异丁腈、二氧化硫脲和异丙醇分别起什么作用？
偶氮二异丁腈（AIBN）：
自由基引发剂，控制链引发速率与聚合分子量，用量一般 0.2–0.8%。
二氧化硫脲（TUD）：
浅色剂／稳定剂，热分解生成亚硫酸类物质，可抑制体系氧化，提高聚合物白度；兼具还原性。过量会产生链转移作用，使分子量下降。
异丙醇（IPA）：
链转移剂（分子量调节剂），活泼氢终止自由基链增长。加入 1–3% 可稳定分子量，过量会降低分子量和转化率。
2025年11月17日作业
1. NaSCN法制备聚丙烯腈纤维中，原液准备工序包括的工艺过程
引用位置：
原液准备工序包括：
- 配料计量：原料丙烯腈、第二单体丙烯酸甲酯（MA）、异丙醇及48.8%硫氰酸钠水溶液等分别经由计量桶计量后放入配料桶
- 引发剂添加：引发剂偶氮二异丁腈（AIBN）和浅色剂二氧化硫脲（TUD）加入配料桶
- 试剂混合：连续地以稳定的流量注入试剂混合桶
- 聚合反应：用计量泵连续送入聚合釜进行聚合反应
- 脱单体：料液进入脱单体塔，将未反应的单体分离（料液中单体含量不应超过0.3%）
- 脱泡：经脱单体后进行脱泡处理
- 过滤：通过过滤除去配料、输送等工艺过程中混入原液中的机械杂质
- 原液混合储存：原液在混合器内充分混合后送至储槽
原液质量指标 ：
- 原液黏度：95~115s（升泡法）
- 聚合物浓度：13.2%~13.8%
- NaSCN含量：44%~45%
- 残存单体含量：<0.3%
2. 聚丙烯腈纤维湿法纺丝成形机理及影响因素
成形机理
湿法纺丝采用双扩散过程：
- 纺丝原液由喷丝孔挤出进入凝固浴后，纺丝细流的表层首先凝固成薄层
- 凝固剂（水）不断通过表层扩散至细流内部，细流中的溶剂通过表层扩散至凝固浴中
- 表皮层不断增厚，当细流中间部分溶剂浓度降低到某一临界值以下时，发生相分离
- 初生纤维从浴液中沉淀出来，并伴随一定程度的体积收缩
NaSCN溶液浓度对成形的影响
- 浓度高：凝固速度慢，有利于获得结构较为致密的初生纤维
- 浓度过高：双扩散过程太慢，容易引起凝固成形困难和操作问题
- 浓度低：凝固速度过快，造成初生纤维结构疏松、皮芯层差异较大
凝固浴温度对成形的影响
- 降低温度：凝固速度下降，凝固过程比较均匀，初生纤维结构紧密，成品纤维的强度和钩接强度提高
- 温度过高：分子运动加剧，双扩散过程加快，凝固速度过快，导致初生纤维结构疏松、皮芯层差异较大、纤维强度明显下降
3. 聚丙烯腈纤维干法纺丝成形机理及后处理工序
干法纺丝成形机理
- 凝固介质为热空气（不是溶剂水溶液）
- 纺丝细流由喷丝孔挤出进入温度为165~180℃的纺丝甬道
- 细流中的溶剂（二甲基甲酰胺）在甬道中受热蒸发，被流动的热空气带走
- 既有传热过程，又有单向传质过程（溶剂不断在甬道中蒸出）
湿法纺丝后处理工序
| 工序 | 目的 |
|---|---|
| 拉伸 | 提高纤维大分子的取向度，改善纤维的力学性能 |
| 水洗 | 除去纤维内部残留的溶剂，残留溶剂量应控制在0.1%以下 |
| 上油 | 使纤维具有良好的可纺性，能顺利进行纺织加工 |
| 干燥致密化 | 消除纤维内应力和结构缺陷，使微孔基本消除，致密化程度提高 |
| 热定型 | 提高纤维的尺寸稳定性，进一步改善纤维的机械性能和染色性能 |
| 卷曲 | 使纤维具有卷曲特性，改善纺织加工性能 |
| 切断 | 将长丝切断成相应长度，棉型<40mm，毛型64-114mm |
干法纺丝后处理工序
- 洗涤 → 热拉伸（2~6倍） → 干燥热定型 → 卷曲 → 切断
4. 从纤维结构与性能关系理论，对腈纶湿法纺丝凝固浴组成和工艺条件的设计优化
优化原则
目标：获得结构致密、均匀、皮芯层差异小、力学性能优良的纤维
凝固浴组成设计
溶剂浓度
- 采用中等浓度的NaSCN水溶液（约40-45%）
- 原理：平衡凝固速度，使双扩散过程均匀进行
- 过高：成形速度过慢，操作困难
- 过低：凝固过快，纤维结构疏松
工艺条件优化
- 凝固浴温度
- 适当降低温度（控制在较低范围）
- 效果：凝固速度下降，凝固均匀，纤维结构紧密，强度和钩接强度提高
- 原液中聚合物浓度
- 提高浓度（13.2%-13.8%）
- 效果：需脱除溶剂少，成形速度快，纤维密度大，微孔数目减少，结构均匀
- 凝固浴循环量
- 循环量适中
- 效果：保持浓度和温度稳定，成形速度均匀
- 过大：浴液不稳定流动，容易产生毛丝
- 凝固浴中浸长
- 浸长适当增大
- 效果：停留时间长，凝固充分，改善纤维质量
结构-性能关联
- 微孔结构：凝固条件决定微孔数量和大小，影响后续拉伸效果
- 皮芯层结构：均匀凝固减小皮芯差异，提高染色均匀性
- 取向度：凝固后的初级结构为后续拉伸取向奠定基础
5. 聚丙烯腈两种主要纺丝成形方法的异同及不能采取熔体纺丝的原因
干法与湿法纺丝的异同
| 比较项目 | 干法纺丝 | 湿法纺丝 |
|---|---|---|
| 纺丝速度 | 较高（100~300m/min，最高600m/min） | 较低（5~10m/min，最高50m/min） |
| 喷丝孔数 | 较少（200~300孔） | 很多（可达10万孔以上） |
| 产品适应性 | 适合纺长丝，也可纺短纤维 | 适合纺短纤维，纺长丝效率太低 |
| 成形过程 | 成形过程和缓，纤维内部结构均匀 | 成形过程较剧烈，易造成孔洞或失透现象 |
| 力学性能 | 纤维力学性能及染色性能较好 | 性能一般不如干法 |
| 外观手感 | 长丝似蚕丝，适于做轻薄仿真丝绸织物 | 似羊毛，适宜做仿毛织物 |
| 溶剂回收 | 简单 | 较复杂 |
| 设备 | 较复杂，密闭性要求高 | 较简单 |
| 劳动条件 | 溶剂挥发少，劳动条件好 | 溶剂挥发较多，劳动条件较差 |
| 占地面积 | 流程紧凑，占地面积小 | 占地面积大 |
| 溶剂选择 | 只适用DMF为溶剂 | 有多种溶剂可供选择 |
不能采取熔体纺丝的原因
根本原因：
- 聚丙烯腈加热至220~230℃时软化并发生分解
- 熔点高于其分解温度，无法进行常规熔体纺丝
- 在250~300℃时发生热裂解，分解出氰化氢、氨、腈、胺及不饱和化合物
解决尝试： 采用 增塑熔融纺丝（冻胶纺丝） 方法：
- 降低聚合物相对分子质量
- 改变共聚物组分和组成（引入内增塑单体）
- 加入增塑剂（如水）
- 但直到目前，尚未见工业化生产的报道