合成纤维第四章湿法纺丝课件.ppt
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- 合成纤维 第四 湿法 纺丝 课件
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1、1湿法纺丝工艺流程湿法纺丝工艺流程2 湿法纺丝要求事先把聚合物制成纺丝原液(成纤湿法纺丝要求事先把聚合物制成纺丝原液(成纤聚合物的浓溶液),然后使原液过滤、脱泡,并经聚合物的浓溶液),然后使原液过滤、脱泡,并经计量泵精确计量后进入浸泡在凝固浴中的喷丝头。计量泵精确计量后进入浸泡在凝固浴中的喷丝头。由喷丝孔挤出的原液细流与凝固浴之间进行质量交由喷丝孔挤出的原液细流与凝固浴之间进行质量交换,换,交换的结果使原液细流的低分子组分的组成发交换的结果使原液细流的低分子组分的组成发生变化,导致聚合物析出成为溶剂含量较高的凝胶生变化,导致聚合物析出成为溶剂含量较高的凝胶。在进一步脱溶剂化的同时,发生了凝胶的
2、脱水收缩在进一步脱溶剂化的同时,发生了凝胶的脱水收缩并转变成流动性很差的初生纤维。并转变成流动性很差的初生纤维。3 纺丝包括的工序是:纺丝包括的工序是:(1)制备纺丝原液;制备纺丝原液;(2)将原液从喷丝孔压出形成细流;将原液从喷丝孔压出形成细流;(3)原液细流凝固成初生纤维;原液细流凝固成初生纤维;(4)初生纤维卷装或直接进行后处理。初生纤维卷装或直接进行后处理。4 特点:特点:湿法纺丝的湿法纺丝的纺丝速度较低纺丝速度较低,一般为,一般为50100m/min,而,而喷丝板的孔数喷丝板的孔数较熔体纺丝较熔体纺丝多多,一,一般达般达40002000孔。湿法纺丝得到孔。湿法纺丝得到纤维截面大纤维截
3、面大多呈非圆形多呈非圆形,且,且有较明显的皮芯结构有较明显的皮芯结构,这主要是由,这主要是由凝固液的固化作用而造成的。凝固液的固化作用而造成的。湿法纺丝的缺点是湿法纺丝的缺点是工艺流程复杂,投资大、纺丝速工艺流程复杂,投资大、纺丝速度低,生产成本较高。度低,生产成本较高。一般在短纤维生产时,可采一般在短纤维生产时,可采用多孔喷丝头或级装喷丝孔来提高生产能力,从而用多孔喷丝头或级装喷丝孔来提高生产能力,从而弥补纺丝速度低的缺陷。弥补纺丝速度低的缺陷。5纺丝原液的制备是湿法纺丝工艺中的一个重要环节,纺丝原液的制备是湿法纺丝工艺中的一个重要环节,成纤聚合物溶解的好坏不仅影响原液的稳定性和成纤聚合物溶
4、解的好坏不仅影响原液的稳定性和加工性能,还间接地影响到纤维成品的质量指标。加工性能,还间接地影响到纤维成品的质量指标。聚合物的溶解较之小分子物质的溶解过程要慢得聚合物的溶解较之小分子物质的溶解过程要慢得多,一般需要几小时乃至数天。多,一般需要几小时乃至数天。所谓溶解就是指所谓溶解就是指溶质分子通过分子扩散与溶剂分子均匀地混合,溶质分子通过分子扩散与溶剂分子均匀地混合,以至成为分子分散的均相体系。以至成为分子分散的均相体系。一一 溶解过程的特点溶解过程的特点第一节第一节 成纤聚合物溶解的基本规律成纤聚合物溶解的基本规律6聚合物的溶解过程分为两个阶段:聚合物的溶解过程分为两个阶段:首先是溶剂分子扩
5、散进入聚合物的外层,并逐渐由外层首先是溶剂分子扩散进入聚合物的外层,并逐渐由外层进入内层,使聚合物体积膨胀,称为进入内层,使聚合物体积膨胀,称为溶胀阶段溶胀阶段;然后,大分子逐渐分散到溶剂中去,直至形成均匀的体然后,大分子逐渐分散到溶剂中去,直至形成均匀的体系,达到系,达到完全溶解完全溶解。由于聚合物结构的复杂性,如分子量很大并具有多分散性;由于聚合物结构的复杂性,如分子量很大并具有多分散性;高分子形状有线形的、支化的和交联的;高分子的聚集态高分子形状有线形的、支化的和交联的;高分子的聚集态有晶态或非晶态结构有晶态或非晶态结构;有;有极性聚合物和非极性聚合物极性聚合物和非极性聚合物;有;有柔性
6、高分子和刚性高分子柔性高分子和刚性高分子等,使得聚合物的溶解过程比小等,使得聚合物的溶解过程比小分子物质的溶解要复杂得多。分子物质的溶解要复杂得多。7 若若GmGm为负值,则溶解过程可以自发进行为负值,则溶解过程可以自发进行。与小分。与小分子溶解过程一样,应服从下面的热力学关系式:子溶解过程一样,应服从下面的热力学关系式:Gm=Hm-TSm Gm为混合自由能;为混合自由能;Sm为混合熵;为混合熵;Hm为混为混合热焓;合热焓;T为绝对温度为绝对温度 从热力学的角度看,分子之间作用力的变化将使体从热力学的角度看,分子之间作用力的变化将使体系的热焓系的热焓H发生变化;而分子运动自由度的改变则发生变化
7、;而分子运动自由度的改变则与体系的熵变有关。因此,与体系的熵变有关。因此,溶解过程能否自发进行,溶解过程能否自发进行,可以用体系在溶解过程中所发生的自由能改变可以用体系在溶解过程中所发生的自由能改变Gm来判断来判断。8 对于高聚物的溶解过程,可进一步表示:对于高聚物的溶解过程,可进一步表示:式中:式中:x1、x2分别表示大分子及溶剂的摩尔分数;分别表示大分子及溶剂的摩尔分数;H11、H22 表示溶解过程中大分子及溶剂的热焓变化;表示溶解过程中大分子及溶剂的热焓变化;H12表示由于溶剂与大分子之间的溶剂化作用引起的表示由于溶剂与大分子之间的溶剂化作用引起的热焓变化;热焓变化;S11、S22、S1
8、2表示大分子、溶剂以及由溶剂与表示大分子、溶剂以及由溶剂与大分子的溶剂化作用引起的熵变。大分子的溶剂化作用引起的熵变。Gm9 通常根据聚合物通常根据聚合物溶剂体系在溶解过程中热力学函数的溶剂体系在溶解过程中热力学函数的变化,可以分为两种类型的溶解情况:变化,可以分为两种类型的溶解情况:(一)(一)由热焓变化决定的溶解过程由热焓变化决定的溶解过程 在这类体系中,溶解过程所发生的熵变与过程的热焓变在这类体系中,溶解过程所发生的熵变与过程的热焓变化相比非常小,可以忽略。化相比非常小,可以忽略。极性聚合物极性聚合物在极性溶剂中发生的溶解过程,由于大分子在极性溶剂中发生的溶解过程,由于大分子与溶剂分子的
9、强烈相互作用,溶解时放热(与溶剂分子的强烈相互作用,溶解时放热(Hm0);同时溶解过程所发生的熵);同时溶解过程所发生的熵变很大(变很大(Sm0)上述只是两种不同类型体系溶解过程的一般特征。上述只是两种不同类型体系溶解过程的一般特征。实际上,极性聚合物在极性溶剂中的溶解也可发实际上,极性聚合物在极性溶剂中的溶解也可发生无热或吸热现象,情况比较复杂。生无热或吸热现象,情况比较复杂。相似相相似相溶溶11(一)(一)大分子链结构的影响大分子链结构的影响大分子链的结构决定了分子间作用力的强弱,大分子链的结构决定了分子间作用力的强弱,分子间作用力分子间作用力强的聚合物,一般较难溶解强的聚合物,一般较难溶
10、解。若减弱大分子间的作用力,。若减弱大分子间的作用力,将使聚合物的溶解度有显著增加。将使聚合物的溶解度有显著增加。例如:用丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯等低极性官能团的单例如:用丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯等低极性官能团的单体与丙烯腈共聚,所得到的丙烯腈共聚体的溶解度要比丙体与丙烯腈共聚,所得到的丙烯腈共聚体的溶解度要比丙烯腈均聚物大得多。烯腈均聚物大得多。二二 影响溶解度的结构因素影响溶解度的结构因素12 聚合物的溶解还在很大程度上取决于分子聚合物的溶解还在很大程度上取决于分子链的柔性。分子链的柔性大的较易溶解。链的柔性。分子链的柔性大的较易溶解。分子链的柔性取决于聚合物的结构。分子链的柔性取决于
11、聚合物的结构。在聚合物分子链中若引入化学交联点,会在聚合物分子链中若引入化学交联点,会使溶解度明显下降,分子量高的聚合物,使溶解度明显下降,分子量高的聚合物,分子间的作用力比较大,随着分子量的增分子间的作用力比较大,随着分子量的增加,溶解度下降。加,溶解度下降。13(二)超分子结构的影响(二)超分子结构的影响 无定形聚合物要比部分结晶聚合物容易溶解无定形聚合物要比部分结晶聚合物容易溶解原因:前者分子间的作用力较弱,后者因结晶部分分原因:前者分子间的作用力较弱,后者因结晶部分分子间的作用力较强,要使其完全溶解需较高的温度。子间的作用力较强,要使其完全溶解需较高的温度。例如聚烯烃,一般需高温溶解,
12、聚四氟乙烯由于高例如聚烯烃,一般需高温溶解,聚四氟乙烯由于高度的结晶,即使在加热的情况下,也难溶解于任何度的结晶,即使在加热的情况下,也难溶解于任何一种溶剂。一种溶剂。但是极性的结晶聚合物也可以在常温下溶解但是极性的结晶聚合物也可以在常温下溶解,这是,这是因为聚合物中无定形部分与溶剂混合时,二者强烈因为聚合物中无定形部分与溶剂混合时,二者强烈的相互作用会释放出大量的热,致使结晶部分熔融。的相互作用会释放出大量的热,致使结晶部分熔融。例如聚酰胺在常温下能溶于甲酚、浓硫酸、甲酸等例如聚酰胺在常温下能溶于甲酚、浓硫酸、甲酸等极性溶剂中。极性溶剂中。14(一)极性相似原则:(一)极性相似原则:相似者相
13、容相似者相容就是说极性的聚合物溶于极性的溶剂中,非极性的就是说极性的聚合物溶于极性的溶剂中,非极性的聚合物溶于非极性的溶剂中。总之两者的极性大小聚合物溶于非极性的溶剂中。总之两者的极性大小越相近,其溶解性越好。越相近,其溶解性越好。三三 溶剂的选择溶剂的选择聚苯乙烯聚苯乙烯聚乙烯醇聚乙烯醇汽油,苯,甲苯汽油,苯,甲苯水,乙醇水,乙醇15(二)溶解度参数理论(二)溶解度参数理论 对于非极性聚合物与溶剂混合时,若无氢对于非极性聚合物与溶剂混合时,若无氢键的形成,键的形成,H 通常为正值,因而通常为正值,因而H 越越小,其自发溶解的趋向就越大。小,其自发溶解的趋向就越大。Hildebrand 从理论
14、上推导了混合热焓的从理论上推导了混合热焓的计算公式:计算公式:16 从上述公式可以看出:当从上述公式可以看出:当溶剂的溶度参数与聚合溶剂的溶度参数与聚合物的溶度参数相等或接近时,溶解过程的混合热物的溶度参数相等或接近时,溶解过程的混合热焓就等于或趋近于零,这时溶解过程能够自发进焓就等于或趋近于零,这时溶解过程能够自发进行行,一般的,当,一般的,当 时,聚合物就不溶于该溶剂。因此从溶剂和聚合时,聚合物就不溶于该溶剂。因此从溶剂和聚合物的溶度参数可以判断溶剂的溶解能力。物的溶度参数可以判断溶剂的溶解能力。17 需要注意的是,对于极性较高的聚合物或易需要注意的是,对于极性较高的聚合物或易形成氢键的溶
15、剂或聚合物,则会出现反常情形成氢键的溶剂或聚合物,则会出现反常情况。况。例如:例如:PVC(=9.5),丙酮(),丙酮(=10)虽然二者的溶度参数接近,但是溶质分子与虽然二者的溶度参数接近,但是溶质分子与溶剂分子间的作用力较弱,故溶解难于进行。溶剂分子间的作用力较弱,故溶解难于进行。18(三)高分子(三)高分子溶剂相互作用参数溶剂相互作用参数 为高分子为高分子-溶剂相互作用参数,它反映了高分子与溶溶剂相互作用参数,它反映了高分子与溶剂混合过程中相互作用能的变化。从高分子溶液热力学理剂混合过程中相互作用能的变化。从高分子溶液热力学理论进行推导,高分子论进行推导,高分子-溶剂相互作用参数溶剂相互作
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