1、材料化學專業科研訓練材 料 化 學 專 業 題 目: 聚氨酯彈性纖維干 法紡絲加工工藝設計 班 級: 姓 名: 指導教師: 2013年12月 日摘 要聚氨酯彈性纖維是由聚氨基甲酸酯制成的纖維，性能優異，織物質地柔軟，制成的衣物有“第二皮膚”的美譽。本文主要闡述了聚氨酯彈性纖維的發展狀況、趨勢，以及其現有的紡絲工藝，著重進行了聚氨酯彈性纖維加工工藝設計，為了制得質量更好、成本更低、更環保的纖維，采用了PTMEG、MDI、BASF、DMAC等新的原料和配方，進行了設備的選取，聚合和紡絲的加工工藝流程設計，以及設計了功能齊全的廠房。I目 錄摘要I目 錄III第1章 緒 論11.1 目標材料介紹11.

2、2 聚氨酯彈性纖維的國內外現狀、發展趨勢11.2.1 聚氨酯彈性纖維的國內外現狀11.2.2 聚氨酯彈性纖維發展趨勢2第2章 聚氨酯彈性纖維紡絲現有加工工藝42.1 干法紡絲法42.2 濕法紡絲法42.3 反應紡絲法52.4 熔體紡絲法5第3章 加工工藝設計63.1 原輔材料的選取、配方設計63.1.1 原料63.1.2 配方設計及依據63.2 擬采取的加工設備及工藝參數73.2.1 生產產量及設備數目73.2.2 設備及參數73.3 加工工藝流程83.3.1 聚合工藝流程83.3.2 紡絲工藝流程83.4 質量控制點93.4.1 紡絲液濃度93.4.2 溶解93.4.3 進出脫泡機的原液溫差

3、93.4.4 紡絲溫度103.5 廠房設計及圖紙說明10總 結11參考文獻12目 錄III第1章 緒 論11.1 目標材料介紹11.2 聚氨酯彈性纖維的國內外現狀、發展趨勢11.2.1 聚氨酯彈性纖維的國內外現狀11.2.2 聚氨酯彈性纖維發展趨勢2第2章 聚氨酯彈性纖維紡絲現有加工工藝42.1 干法紡絲法42.2 濕法紡絲法42.3 反應紡絲法52.4 熔體紡絲法5第3章 加工工藝設計63.1 原輔材料的選取、配方設計63.1.1 原料63.1.2 配方設計及依據63.2 擬采取的加工設備及工藝參數73.2.1 生產產量及設備數目73.2.2 設備及參數73.3 加工工藝流程83.3.1 聚

4、合工藝流程83.3.2 紡絲工藝流程83.4 質量控制點93.4.1 紡絲液濃度93.4.2 溶解93.4.3 進出脫泡機的原液溫差93.4.4 紡絲溫度103.5 廠房設計及圖紙說明103.5.1 三廢處理10總 結12參考文獻13千萬不要刪除行尾的分節符，此行不會被打印。在目錄上點右鍵“更新域”，然后“更新整個目錄”。打印前，不要忘記把上面“Abstract”這一行后加一空行第1章 緒 論1.1 目標材料介紹聚氨酯彈性纖維是由聚氨基甲酸酯制成的纖維。國際商品名稱為SPANDEX，我國商品名則為氨綸。聚氨基甲酸酯是一種以二醇和二異氰酸鹽類進行聚臺加成反應制成的含有85%以上氨基甲酸酯的、具有

5、線性鏈段結構的嵌段聚合物，具有天然橡膠絲的彈性1。聚氨酯彈性纖維性能優異，具有伸長率大、彈性回復率高、耐疲勞性好、強度較低、密度小等特點，并具有一定的耐腐蝕、耐曬、耐熱、耐光、抗老化，以及對染料有良好的親和力等性能。并且，聚氨酯彈性纖維織物質地柔軟，穿著舒適，深受人們喜愛。主要用于制造各種運動衣、游泳衣等體育運動服裝，健美服、高彈襪、內衣等女性用品，氨綸做成的內衣伸縮自如, 被譽為“第二皮膚”, 以及在醫用方面作外科彈性繃帶、皮管、人工器官材料等各種輔助器材設備物品等。1.2 聚氨酯彈性纖維的國內外現狀、發展趨勢1.2.1 聚氨酯彈性纖維的國內外現狀氨綸最早由德國拜耳公司于 20 世紀 30

6、年代開發成功, 1959 年美國杜邦公司首先實現了工業化生產, 商品名稱為萊卡, 隨后歐洲一些國家及日本也相繼生產2。世界氨綸主要生產企業有美國杜邦英威達公司及環球公司、德國拜耳公司、韓國曉星公司和日本東麗、旭化成及東洋紡織公司等，20 世紀80年代后，由于氨綸包覆紗和包芯紗技術的開發，氨綸的應用領域不斷擴大，市場需求不斷增加。我國聚氨酯纖維工業起步較晚。1988 年底，煙臺氨綸廠引進日本東洋紡織株式會社干法紡絲氨綸生產技術，建成了我國第一套氨綸生產裝置，形成了300t/a的生產規模，后又經過5期改造，擴大了產能。隨后江蘇連云港、上海杜邦、廣東鶴山、河北保定和浙江華峰等相繼引進了國外生產裝置，

7、使我國2005年氨綸產能達到21萬t/a，2013年氨綸產能已達到51萬t/a。我國氨綸生產工藝技術和裝置主要從美、日、韓及德國引進，其他僅有鄭州中原氨綸技術工程有限公司自主開發的連續干法氨綸成套生產技術和大連合成纖維研究所與B. F. Goodrich化學公司合作開發的熔融紡絲技術。中國氨綸技術與發達國家之間的差距至少有10 年，70% 國內氨綸廠使用的技術是20 世紀70 年代的東洋紡織技術，雖有改進，但產品質量與國外產品仍存在明顯差距。1.2.2 聚氨酯彈性纖維發展趨勢1.2.2.1 新產品不斷出現美國環球公司為了利用聚氨酯型纖維特有的耐氯和高彈性能，生產出氨綸粗旦絲，用于制造泳裝、褲襪

8、和運動衣等服裝，開辟了獨有品種新市場。東洋紡一改傳統的生產方法采用熔融紡絲技術生產的SPANOEX-M纖維，熱穩定性好、模量低、耐光性優異，可適合與原來需要在低溫熱定形的尼龍、聚丙烯腈、羊毛、蠶絲等纖維混紡制作緊身內衣、褲襪、泳裝，穿著輕柔舒適。日本鐘紡、三洋化成、可樂麗、東麗杜邦等公司研制的具有優異可紡性的彈性纖維，不需要很多化纖油劑，斷頭分岔少，不粘連，加工性能突出。東洋紡則推出采用熔融紡絲，利用高速吹空氣使纖維起絨的新技術，生產抗菌滅菌含有多氰酸酯和殺菌劑銀離子磷酸鹽的氨綸彈性纖維，可廣泛用于防霉滅菌醫療織物等領域。1.2.2.2 生產中心逐漸向亞洲轉移近年來，世界氨綸市場需求激增，生產

9、能力不斷擴大，尤其是亞太地區的日本、韓國和中國的氨綸工業發展尤為迅速。中國的產能已占世界產能的一半以上，但質量與發達國家還有一定差距。世界各大生產廠商正在努力開發亞太地區市場，從原料到氨綸紡絲和成品加工，亞太地區已成為當前投資的熱點地區，同時也是消費增長最高區3。氨綸生產中心正開始向亞洲轉移。第2章 聚氨酯彈性纖維紡絲現有加工工藝 2.1 干法紡絲法干法紡絲是目前世界上應用最廣泛的氨綸紡絲方法。干法紡絲產量約為世界氨綸總產量的8 0%。干法紡制纖維的纖度范圍為1.1246.4tex，紡絲速度一般為200600m/min，有的甚至可高達1 000m/min。干紡法所制氨綸的質量優良。聚醚與二異氰

10、酸酯以12的摩爾比在一定的反應溫度及時間條件下形成預聚物，預聚物經溶劑混合溶解后，再加入二胺進行鏈增長反應，形成嵌段共聚物溶液，再經混合、過濾、脫泡等工序，制成性能均勻一致的紡絲原液。然后用計量泵定量均勻地將紡絲原液壓入紡絲頭。在壓力的作用下，紡絲液從噴絲板毛細孔中被擠出形成絲條細流，并進入甬道。甬道中充有熱空氣，使絲條細流中的溶劑迅速揮發，并被空氣帶走，絲條濃度不斷提高直至凝固，與此同時絲條細流被拉伸變細，最后被卷繞成一定的卷裝。2.2 濕法紡絲法首先用與干法紡絲類似的方法，制成嵌段共聚物，溶液經紡前準備，送至紡絲機，通過計量泵壓入噴絲頭。從噴絲板毛細孔中壓出的原液細流進入凝固浴。凝固浴以溫

11、水(90以下)為凝固介質，原液細流中的溶劑向凝固浴擴散，原液細流中聚合物的濃度不斷提高，于是高聚物在凝固浴中析出形成纖維，再經洗滌干燥后進行卷繞。濕法紡絲速度一般為550m/min，纖度在0.5544tex之間。濕法紡絲工藝流程復雜，投資費用大，紡速較低，生產成本高。目前濕法紡絲的產量約占氨綸總產量的10%左右。2.3 反應紡絲法反應紡絲法亦稱化學紡絲法，此法由紡絲液轉化成固態纖維時，必須經過化學反應，或用化學反應控制成纖速率。反應紡絲法由單體或預聚物形成高聚物的過程與成纖過程同時進行。氨綸的反應紡絲，是將兩端含有二異氰酸酯的聚醚或聚酯預聚物的溶液，經噴絲頭壓出進入凝固浴，與凝固浴中的鏈增長劑

12、反應，生成初生纖維。初生纖維卷繞后還應在加壓的水中進行硬化處理，使初生纖維內部未起反應的部分進行交聯，從而轉變為具有三維結構的聚氨酯嵌段共聚物。反應紡絲法的紡絲速度一般為50150m/min，纖度為0.5638tex。2.4 熔體紡絲法熔體紡絲法是利用高聚物熔融的流體進行纖維成形的一種方法。原則上講，凡能熔融且不發生明顯分解的成纖高聚物都可采用這種紡絲方法。但對氨綸生產，熔體紡絲只能適用于熱穩定性良好的聚氨酯嵌段共聚物，如由4,4-甲撐二苯二異氰酸酯和1,4-丁二醇縮聚所獲得的聚氨酯嵌段共聚物等。紡絲溫度為160220，紡絲速度一般為200800 m/min。氨綸的熔體紡絲主要經過6步完成:切

13、片干燥熔融熔體細流形成冷卻延伸卷繞熔融紡絲技術不用溶劑，對環境無污染，設備裝置簡單，節省投資，生產成本最低，是最具經濟性、最有發展潛力和最具競爭性的技術，是未來重點發展的方向。第3章 加工工藝設計3.1 原輔材料的選取、配方設計3.1.1 原料 主要原料：聚四亞甲基醚二醇（PTMEG）和二異氰酸酯（MDI）BASF擴鏈劑等。干法紡絲溶劑：二甲基乙酰胺（DMAC、工業級）3.1.2 配方設計及依據PTMEG與DMI的比例大約為1:2，干法紡絲時聚合物溶液濃度為30%。根據目前泰和新材公司的生產配方及原料性質進行改進設計而成的配方，目前絕大多數公司都是采用四氫呋喃聚醚、MDI、二醇或二胺進行預聚體

14、的合成，本設計采用PTMEG和MDI直接反應進行預聚體的制備可以減少工序降低成本，減少廢料產生，增加原料利用率，并且采用目前新的BASF擴鏈劑可以有選擇的控制預聚體生成嵌段共聚物，控制柔性鏈段和剛性鏈段的產生，從而可按需生產具有一定彈性的纖維6。紡絲速度主要取決于溶劑的揮發速度，所以選擇的溶劑應使溶液中的聚合物濃度盡可能高，而溶劑的沸點和蒸發潛熱應盡可能低，這樣就可減少在紡絲溶液轉化為纖維過程中所需揮發的溶劑量，降低熱能消耗，并提高紡絲速度。所以選用環保性溶劑DMAC做干法紡絲的溶劑而非傳統的二甲基甲酰胺等溶劑，因為DMAC的沸點相對較低，易回收，用活性炭吸收即可，回收時成本相對較低。干法溶液

15、紡絲的溶液濃度一般為18%45%，選用30%的濃度是因為氨綸的干法傳統生產都在28%35%，DMAC溶劑溶解30%的聚合物其綜合性能更佳，既可以與傳統溶劑相媲美，又因其良好的沸點與性能，所以選用DMAC作溶劑。3.2 擬采取的加工設備及工藝參數3.2.1 生產產量及設備數目目前，按照泰和新材公司有四期的成品絲的最大年產量，擬設計成2000噸的年產量。每年300天連續生產，可以算出每天最大產量為6.67噸。紡絲原液的濃度為30±0.2%，以30%為例計算。1噸的原液可產300Kg的絲條，但由于在紡絲過程中有出現損耗，有效利用率通常只有98%，故成品絲可產294Kg，反應聚合時間大約需2

16、.5-3小時，每天可以循環6次，需4個1噸的反應釜。需4臺生產能力為70kg/h的紡絲機。所以準備設計4條生產線。理想總產量=70*4*24*360/1000=2419噸3.2.2 設備及參數設備參數生產廠家聚合釜電熱功率：20-100（Kw） 結構類型：開式攪拌轉速：20-130（轉/分）尺寸：1.5×1.5×2.5密封形式：機械密封連接形式：平蓋式容量：2噸上海棱標儀器有限公司脫泡機型號：JK-1800 適用范圍：液體消泡用重量：180公斤尺寸：2.5×3×2.5主電機功率：1100W深圳市信鴻錦電子材料有限公 司紡絲機型號：Fj-155紡絲錠數24

17、 釘距：240mm紡絲速度40-80m/min計量泵型號：JS2-150噴絲頭型號：PS178-60000-0.06，PS178-40000-0.075，PS178-20000-0.01噴絲帽（板）孔數：30000，孔徑0.07-0.2mm尺寸：6×5×2.5mm生產能力：300kg/h深圳市信鴻錦電子材料有限公 司卷繞機型號：JRJ-2 重量：2.5t 進料寬：280mm 卷繞回轉半徑：900mm 總功率：13kw 動力頭主軸轉速：0-18r/min 外形尺寸：9×2.5×1.2m廠商：無錫市銀盛電力機械廠 3.3 加工工藝流程3.3.1 聚合工藝流程

18、PTMEG+MDI聚合釜+溶劑DMAC+BASF紡絲原液紡絲原液是制成纖維的原料，它的合成主要是在聚合釜完成。溫度為80-90oC，反應時間大約控制在2.5-3h，常壓下反應。將原料在聚合釜中加熱使其聚合生成預聚體，再加入擴鏈劑，有選擇的控制軟硬鏈段的比例，制的嵌段共聚物。再與溶劑DMAC混合制成30%的紡絲原液。3.3.2 紡絲工藝流程紡絲原液脫泡 計量泵 噴絲頭擠出細流 紡絲甬道 卷繞 初生纖維原液在泵的作用下將被送往脫泡器，途中要再次經過一個立式過濾器（第二過濾器）。脫泡機內部有一定的真空度，其數值設定為-0.1kpa，原液在沿脫泡機內壁以薄膜狀下降過程中被脫去氣泡， 脫泡機中的原液在經

19、過很長的一段管道被送往計量泵，管道之所以設置3.4m是為了使原液能夠更加充分的進行脫泡，進出脫泡機的原液溫差一般控制在15-20。計量泵入口保持穩定的入口壓力，計量泵以一定轉速按定量輸送原液，在再次經過一個過濾器之后，到達紡絲組件。原液在經過組件后已被紡織成纖維狀細流，在卷繞的牽引下經過甬道，甬道上部溫度280320，下部溫度200240。甬道含有一個入風口和兩個出風口，主要用來輸送熱風，將原液中的溶劑揮發，使原液固化成纖，揮發的溶劑將在回風的作用下被回收。其中甬道中的風量主要根據所要生產的纖維的旦數來進行調整，絲的旦數越大，其風量就越大。經過甬道后，絲便到達了卷繞器。纖維首先通過加捻器，加捻

20、器通過高壓氣體對纖維進行加捻，這樣能夠提高纖維的強度和彈性。加捻后的纖維通過兩個導絲輥和油輥來分別進行牽伸和上油，來提高纖維的強度和均勻性，以及避免纖維粘連，并且提高了纖維的亮度，最后絲卷繞在具有一定轉速的紙管上得到初生纖維。3.4 質量控制點3.4.1 紡絲液濃度在紡絲過程中，揮發除去的溶劑要回收使用，因此總希望采用高濃度的紡絲溶液，盡可能減少溶劑的用量，盡可能增加溶劑的回收量。但是，濃度要受多方面的制約：（1）濃度過高，難于得到溶解完全而均勻的溶液，并且使過濾脫泡困難；（2）濃度高，粘度就大，會使紡絲溶液的輸送壓力增加；（3）超過一定的濃度，紡絲溶液的流變性變差，可紡性降低，容易造成紡絲斷

21、頭現象的產生。3.4.2 溶解 A：溶解機理（1）溶劑向聚合物內部擴散；（2）粒狀聚合物表面生成的膨潤層剝離脫落，向溶劑相分散。B：遇到的問題：聚合物細粉料在溶解過程中經常聚集成塊，而難以得到完全溶解的均勻的紡絲溶液； 解決辦法：采用將聚合物加入到常溫的溶劑中溶脹，避免上述的不良影響，然后進一步加熱溶解。C：水分的控制：將含水量控制在稍微超過聚合物和溶劑正常含水量的程度。D：添加劑的加入：顏料、消光劑TiO2、過濾助劑硅藻土等。3.4.3 進出脫泡機的原液溫差進出脫泡機的原液溫差一般控制在15-20，從而避免因水分脫出量的變化而引起的原液組分的變化。當溫差變大，應減少真空度，使水的沸點增加，汽

22、化量減少；反之，增加真空度，汽化量增加，從而使水汽化一定，原液的組分也就恒定了。3.4.4 紡絲溫度紡絲溫度控制在180240。由于溶劑DMAC的沸點為166oC左右，為保證溶劑很好的揮發，進而控制紡絲的速度，所以紡絲溫度一般控制在220oC左右。3.5 廠房設計及圖紙說明廠房設計為60×40×4.5，使用面積為2400m2，廠房主要行車道為6m寬，除主行車道的兩側大門還有兩個安全出口，在6個承重柱頂端附近都裝有監控攝像頭，并設有配電室、廁所、監控室、原料區產品合格區、不合格區、休息室、維修室、質檢室、稱重室，擬設計為4條生產線，工人實行三班循環作業，每年工作300天。千萬不要刪除行尾的分節符，此行不會被打印?！敖Y論”以前的所有正文內容都要編寫在此行之前。- 12 -總 結這次設計對于我來說，遇到很多挑戰，但也得到很多訓練與培養，在獨立查閱資料和分析總結上有很好的啟發和推動作用，在研究開始前的計劃與大量準備是必不可少的。此次設計還讓我意識到，自己對本專業的發展現狀及重大的科研成果沒有非常好的認知，所以我們只學到