聚氨酯弹性纤维干法纺丝加工工艺设计

材 料 化 学 专 业

题 目: 聚氨酯弹性纤维干 法纺丝加工工艺设计 班 级: 姓 名: 指导教师:

2013年12月 日

摘 要

聚氨酯弹性纤维是由聚氨基甲酸酯制成的纤维，性能优异，织物质地柔软，制成的衣物有“第二皮肤”的美誉。本文主要阐述了聚氨酯弹性纤维的发展状况、趋势，以及其现有的纺丝工艺，着重进行了聚氨酯弹性纤维加工工艺设计，为了制得质量更好、成本更低、更环保的纤维，采用了PTMEG、MDI、BASF、DMAC等新的原料和配方，进行了设备的选取，聚合和纺丝的加工工艺流程设计，以及设计了功能齐全的厂房。

目 录

摘要 ........................................................... I 目 录 ..................................................... III 第1章 绪 论 ................................................... 4

目标材料介绍 .............................................. 4 聚氨酯弹性纤维的国内外现状、发展趋势 ...................... 4

聚氨酯弹性纤维的国内外现状 ............................ 4 聚氨酯弹性纤维发展趋势 ................................ 5

第2章 聚氨酯弹性纤维纺丝现有加工工艺 ........................... 7

干法纺丝法 ................................................ 7 湿法纺丝法 ................................................ 7 反应纺丝法 ................................................ 8 熔体纺丝法 ................................................ 8 第3章 加工工艺设计 ............................................. 9

原辅材料的选取、配方设计 .................................. 9

原料 .................................................. 9 配方设计及依据 ........................................ 9 拟采取的加工设备及工艺参数 ............................... 10

生产产量及设备数目 ................................... 10 设备及参数 ........................................... 10 加工工艺流程 ............................................. 11

聚合工艺流程 ......................................... 11 纺丝工艺流程 ......................................... 11 质量控制点 ............................................... 12

纺丝液浓度 ........................................... 12 溶解 ................................................. 12 进出脱泡机的原液温差 ................................. 13 纺丝温度 ............................................. 13 厂房设计及图纸说明 ....................................... 13 总 结 ...................................................... 14 参考文献 ...................................................... 15

第1章 绪 论

1.1 目标材料介绍

聚氨酯弹性纤维是由聚氨基甲酸酯制成的纤维。国际商品名称为SPANDEX，我国商品名则为氨纶。聚氨基甲酸酯是一种以二醇和二异氰酸盐类进行聚台加成反应制成的含有85%以上氨基甲酸酯的、具有线性链段结构的嵌段聚合物，具有天然橡胶丝的弹性[1]。

聚氨酯弹性纤维性能优异，具有伸长率大、弹性回复率高、耐疲劳性好、强度较低、密度小等特点，并具有一定的耐腐蚀、耐晒、耐热、耐光、抗老化，以及对染料有良好的亲和力等性能。并且，聚氨酯弹性纤维织物质地柔软，穿着舒适，深受人们喜爱。主要用于制造各种运动衣、游泳衣等体育运动服装，健美服、高弹袜、内衣等女性用品，氨纶做成的内衣伸缩自如, 被誉为“第二皮肤”, 以及在医用方面作外科弹性绷带、皮管、人工器官材料等各种辅助器材设备物品等。

1.2 聚氨酯弹性纤维的国内外现状、发展趋势

1.2.1 聚氨酯弹性纤维的国内外现状

氨纶最早由德国拜耳公司于 20 世纪 30 年代开发成功, 1959 年美国杜邦公司首先实现了工业化生产, 商品名称为莱卡, 随后欧洲一些国家及日本也相继生产[2]。世界氨纶主要生产企业有美国杜邦英威达公司及环球公司、德国拜耳公司、韩国晓星公司和日本东丽、旭化成及东洋纺织公司等，20 世纪80年代后，由于氨纶包覆纱和包芯纱技术的开发，氨纶的应用领域不断扩大，市场需求不断增加。

我国聚氨酯纤维工业起步较晚。1988 年底，烟台氨纶厂引进日本东洋纺织株式会社干法纺丝氨纶生产技术，建成了我国第一套氨纶生产装

置，形成了300t/a的生产规模，后又经过5期改造，扩大了产能。随后江苏连云港、上海杜邦、广东鹤山、河北保定和浙江华峰等相继引进了国外生产装置，使我国2005年氨纶产能达到21万t/a，2013年氨纶产能已达到51万t/a。我国氨纶生产工艺技术和装置主要从美、日、韩及德国引进，其他仅有郑州中原氨纶技术工程有限公司自主开发的连续干法氨纶成套生产技术和大连合成纤维研究所与B. F. Goodrich化学公司合作开发的熔融纺丝技术。中国氨纶技术与发达国家之间的差距至少有10 年，70% 国内氨纶厂使用的技术是20 世纪70 年代的东洋纺织技术，虽有改进，但产品质量与国外产品仍存在明显差距。

1.2.2 聚氨酯弹性纤维发展趋势

1.2.2.1 新产品不断出现

美国环球公司为了利用聚氨酯型纤维特有的耐氯和高弹性能，生产出氨纶粗旦丝，用于制造泳装、裤袜和运动衣等服装，开辟了独有品种新市场。东洋纺一改传统的生产方法采用熔融纺丝技术生产的SPANOEX-M纤维，热稳定性好、模量低、耐光性优异，可适合与原来需要在低温热定形的尼龙、聚丙烯腈、羊毛、蚕丝等纤维混纺制作紧身内衣、裤袜、泳装，穿着轻柔舒适。日本钟纺、三洋化成、可乐丽、东丽—杜邦等公司研制的具有优异可纺性的弹性纤维，不需要很多化纤油剂，断头分岔少，不粘连，加工性能突出。东洋纺则推出采用熔融纺丝，利用高速吹空气使纤维起绒的新技术，生产抗菌灭菌含有多氰酸酯和杀菌剂银离子磷酸盐的氨纶弹性纤维，可广泛用于防霉灭菌医疗织物等领域。

1.2.2.2 生产中心逐渐向亚洲转移

近年来，世界氨纶市场需求激增，生产能力不断扩大，尤其是亚太地区的日本、韩国和中国的氨纶工业发展尤为迅速。中国的产能已占世界产能的一半以上，但质量与发达国家还有一定差距。世界各大生产厂商正在努力开发亚太地区市场，从原料到氨纶纺丝和成品加工，亚太地区已成为

当前投资的热点地区，同时也是消费增长最高区[3]。氨纶生产中心正开始向亚洲转移。

第2章 聚氨酯弹性纤维纺丝现有加工工艺

2.1 干法纺丝法

干法纺丝是目前世界上应用最广泛的氨纶纺丝方法。干法纺丝产量约为世界氨纶总产量的8 0%。干法纺制纤维的纤度范围为～，纺丝速度一般为200～600m/min，有的甚至可高达1 000m/min。干纺法所制氨纶的质量优良。

聚醚与二异氰酸酯以1∶2的摩尔比在一定的反应温度及时间条件下形成预聚物，预聚物经溶剂混合溶解后，再加入二胺进行链增长反应，形成嵌段共聚物溶液，再经混合、过滤、脱泡等工序，制成性能均匀一致的纺丝原液。然后用计量泵定量均匀地将纺丝原液压入纺丝头。在压力的作用下，纺丝液从喷丝板毛细孔中被挤出形成丝条细流，并进入甬道。甬道中充有热空气，使丝条细流中的溶剂迅速挥发，并被空气带走，丝条浓度不断提高直至凝固，与此同时丝条细流被拉伸变细，最后被卷绕成一定的卷装。

2.2 湿法纺丝法

首先用与干法纺丝类似的方法，制成嵌段共聚物，溶液经纺前准备，送至纺丝机，通过计量泵压入喷丝头。从喷丝板毛细孔中压出的原液细流 进入凝固浴。凝固浴以温水(90℃以下)为凝固介质，原液细流中的溶剂向凝固浴扩散，原液细流中聚合物的浓度不断提高，于是高聚物在凝固浴中析出形成纤维，再经洗涤干燥后进行卷绕。湿法纺丝速度一般为5～50m/min，纤度在～44tex之间。湿法纺丝工艺流程复杂，投资费用大，纺速较低，生产成本高。目前湿法纺丝的产量约占氨纶总产量的10%左右。

2.3 反应纺丝法

反应纺丝法亦称化学纺丝法，此法由纺丝液转化成固态纤维时，必须经过化学反应，或用化学反应控制成纤速率。反应纺丝法由单体或预聚物形成高聚物的过程与成纤过程同时进行。

氨纶的反应纺丝，是将两端含有二异氰酸酯的聚醚或聚酯预聚物的溶液，经喷丝头压出进入凝固浴，与凝固浴中的链增长剂反应，生成初生纤维。初生纤维卷绕后还应在加压的水中进行硬化处理，使初生纤维内部未起反应的部分进行交联，从而转变为具有三维结构的聚氨酯嵌段共聚物。

反应纺丝法的纺丝速度一般为50～150m/min，纤度为～38tex。

2.4 熔体纺丝法

熔体纺丝法是利用高聚物熔融的流体进行纤维成形的一种方法。原则上讲，凡能熔融且不发生明显分解的成纤高聚物都可采用这种纺丝方法。但对氨纶生产，熔体纺丝只能适用于热稳定性良好的聚氨酯嵌段共聚物，如由4,4′-甲撑二苯二异氰酸酯和1,4-丁二醇缩聚所获得的聚氨酯嵌段共聚物等。纺丝温度为160～220℃，纺丝速度一般为200～800 m/min。氨纶的熔体纺丝主要经过6步完成:

切片干燥→熔融→熔体细流形成→冷却→延伸→卷绕

熔融纺丝技术不用溶剂，对环境无污染，设备装置简单，节省投资，生产成本最低，是最具经济性、最有发展潜力和最具竞争性的技术，是未来重点发展的方向。

第3章 加工工艺设计

3.1 原辅材料的选取、配方设计

3.1.1 原料

主要原料：聚四亚甲基醚二醇（PTMEG）和二异氰酸酯（MDI）BASF扩链剂等。

干法纺丝溶剂：二甲基乙酰胺（DMAC、工业级）

3.1.2 配方设计及依据

PTMEG与DMI的比例大约为1:2，干法纺丝时聚合物溶液浓度为30%。 根据目前泰和新材公司的生产配方及原料性质进行改进设计而成的配方，目前绝大多数公司都是采用四氢呋喃聚醚、MDI、二醇或二胺进行预聚体的合成，本设计采用PTMEG和MDI直接反应进行预聚体的制备可以减少工序降低成本，减少废料产生，增加原料利用率，并且采用目前新的BASF扩链剂可以有选择的控制预聚体生成嵌段共聚物，控制柔性链段和刚性链段的产生，从而可按需生产具有一定弹性的纤维[6]。

纺丝速度主要取决于溶剂的挥发速度，所以选择的溶剂应使溶液中的聚合物浓度尽可能高，而溶剂的沸点和蒸发潜热应尽可能低，这样就可减少在纺丝溶液转化为纤维过程中所需挥发的溶剂量，降低热能消耗，并提高纺丝速度。所以选用环保性溶剂DMAC做干法纺丝的溶剂而非传统的二甲基甲酰胺等溶剂，因为DMAC的沸点相对较低，易回收，用活性炭吸收即可，回收时成本相对较低。干法溶液纺丝的溶液浓度一般为18%—45%，选用30%的浓度是因为氨纶的干法传统生产都在28%—35%，DMAC溶剂溶解30%的聚合物其综合性能更佳，既可以与传统溶剂相媲美，又因其良好的沸点与性能，所以选用DMAC作溶剂。

3.2 拟采取的加工设备及工艺参数

3.2.1 生产产量及设备数目

目前，按照泰和新材公司有四期的成品丝的最大年产量，拟设计成2000吨的年产量。每年300天连续生产，可以算出每天最大产量为吨。纺丝原液的浓度为30±%，以30%为例计算。1吨的原液可产300Kg的丝条，但由于在纺丝过程中有出现损耗，有效利用率通常只有98%，故成品丝可产294Kg，反应聚合时间大约需小时，每天可以循环6次，需4个1吨的反应釜。需4台生产能力为70kg/h的纺丝机。所以准备设计4条生产线。

理想总产量=70*4*24*360/1000=2419吨

3.2.2 设备及参数

设备 参数 聚合釜 电热功率：20-100（Kw） 结构类型：开式 生产厂家 上海棱标仪器有限公司 搅拌转速：20-130（转/分） 尺寸：×× 密封形式：机械密封 连接形式：平盖式 容量：2吨 型号：JK-1800 适用范围：液体消泡用 重量：180公斤 尺寸：×3× 主电机功率：1100W 型号：Fj-155 纺丝锭数24 钉距：240mm 纺丝速度40-80m/min 计量泵型号：JS2-150 喷丝头型号：，， 喷丝帽（板）孔数：30000，孔径尺寸：6×5× 生产能力：300kg/h 脱泡机 深圳市信鸿锦电子材料有限公 司 纺丝机 深圳市信鸿锦电子材料有限公 司 卷绕机 型号：JRJ-2 重量： 进料宽：≤280mm 卷绕回转半径：900mm 总功率：13kw 动力头主轴转速：0-18r/min 外形尺寸：9×× 厂商：无锡市银盛电力机械厂 3.3 加工工艺流程

3.3.1 聚合工艺流程

PTMEG+MDI→聚合釜→+溶剂DMAC+BASF→纺丝原液

纺丝原液是制成纤维的原料，它的合成主要是在聚合釜完成。温度为80-90oC，反应时间大约控制在，常压下反应。将原料在聚合釜中加热使其聚合生成预聚体，再加入扩链剂，有选择的控制软硬链段的比例，制的嵌段共聚物。再与溶剂DMAC混合制成30%的纺丝原液。

3.3.2 纺丝工艺流程

纺丝原液→脱泡 →计量泵→ 喷丝头→挤出细流→ 纺丝甬道→ 卷绕→ 初生纤维

原液在泵的作用下将被送往脱泡器，途中要再次经过一个立式过滤器（第二过滤器）。脱泡机内部有一定的真空度，其数值设定为，原液在沿脱泡机内壁以薄膜状下降过程中被脱去气泡， 脱泡机中的原液在经过很长的一段管道被送往计量泵，管道之所以设置是为了使原液能够更加充分的进行脱泡，进出脱泡机的原液温差一般控制在15-20℃。

计量泵入口保持稳定的入口压力，计量泵以一定转速按定量输送原液，在再次经过一个过滤器之后，到达纺丝组件。

原液在经过组件后已被纺织成纤维状细流，在卷绕的牵引下经过甬道，甬道上部温度280～320℃，下部温度200～240℃。甬道含有一个入风口和两个出风口，主要用来输送热风，将原液中的溶剂挥发，使原液固化成纤，挥发的溶剂将在回风的作用下被回收。其中甬道中的风量主要根

据所要生产的纤维的旦数来进行调整，丝的旦数越大，其风量就越大。

经过甬道后，丝便到达了卷绕器。纤维首先通过加捻器，加捻器通过高压气体对纤维进行加捻，这样能够提高纤维的强度和弹性。加捻后的纤维通过两个导丝辊和油辊来分别进行牵伸和上油，来提高纤维的强度和均匀性，以及避免纤维粘连，并且提高了纤维的亮度，最后丝卷绕在具有一定转速的纸管上得到初生纤维。

3.4 质量控制点

3.4.1 纺丝液浓度

在纺丝过程中，挥发除去的溶剂要回收使用，因此总希望采用高浓度的纺丝溶液，尽可能减少溶剂的用量，尽可能增加溶剂的回收量。但是，浓度要受多方面的制约：

（1）浓度过高，难于得到溶解完全而均匀的溶液，并且使过滤脱泡困难；

（2）浓度高，粘度就大，会使纺丝溶液的输送压力增加；

（3）超过一定的浓度，纺丝溶液的流变性变差，可纺性降低，容易造成纺丝断头现象的产生。

3.4.2 溶解

A：溶解机理（1）溶剂向聚合物内部扩散；（2）粒状聚合物表面生成的膨润层剥离脱落，向溶剂相分散。

B：遇到的问题：聚合物细粉料在溶解过程中经常聚集成块，而难以得到完全溶解的均匀的纺丝溶液；

解决办法：采用将聚合物加入到常温的溶剂中溶胀，避免上述的不良影响，然后进一步加热溶解。

C：水分的控制：将含水量控制在稍微超过聚合物和溶剂正常含水量的程度。

D：添加剂的加入：颜料、消光剂TiO2、过滤助剂硅藻土等。

3.4.3 进出脱泡机的原液温差

进出脱泡机的原液温差一般控制在15-20℃，从而避免因水分脱出量的变化而引起的原液组分的变化。当温差变大，应减少真空度，使水的沸点增加，汽化量减少；反之，增加真空度，汽化量增加，从而使水汽化一定，原液的组分也就恒定了。

3.4.4 纺丝温度

纺丝温度控制在180～240℃。由于溶剂DMAC的沸点为166oC左右，为保证溶剂很好的挥发，进而控制纺丝的速度，所以纺丝温度一般控制在220oC左右。

3.5 厂房设计及图纸说明

厂房设计为60×40×，使用面积为2400m，厂房主要行车道为6m宽，除主行车道的两侧大门还有两个安全出口，在6个承重柱顶端附近都装有监控摄像头，并设有配电室、厕所、监控室、原料区产品合格区、不合格区、休息室、维修室、质检室、称重室，拟设计为4条生产线，工人实行三班循环作业，每年工作300天。

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总 结

这次设计对于我来说，遇到很多挑战，但也得到很多训练与培养，在独立查阅资料和分析总结上有很好的启发和推动作用，在研究开始前的计划与大量准备是必不可少的。此次设计还让我意识到，自己对本专业的发展现状及重大的科研成果没有非常好的认知，所以我们只学到学校要求的专业知识是远远不够的，这就需要我们有较强的自主学习的能力要跟上时代科技的发展，自己在今后的学习生活中会积极了解有关本专业的前沿科技信息，自主学习本专业相关软件的应用并积极培养自主创新的能力。这次设计也使我更加懂得并亲身体会到了理论与实际相结合的重要性，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从实践中得到结论，再由理论推得实践，这样才能提高自己的思考能力和分析能力。在实际过程中发现了自己有很多不足之处，发现自己对之前所学过的知识理解的不够深刻，掌握的不够牢固，有待加强。通过设计才发现努力学习知识最终还是会受惠于知识。

参考文献

1王文科,牛家祥,韩车伟,等.氨纶工业的现状及发展趋势[J].聚酯工业,2000,(4):08-13.

2戴建平,朱新生,程丝,等.聚氨酯的化学结构与熔纺工艺路线[J].聚酯工业,2000,(4):4-7.

3宋心远.新型纤维及织物染整[M]. 北京：中国纺织出版社，2006:54-56 4邢声远，王锐.纤维词典[M]. 北京：化学工业出版社，2007:91-92 5宋心远. 氨纶的结构、性能和染整[J]印染，2002,28(11):30-35 6牛家祥，何山，张祖文，等.氨纶的生产及应用[J],聚酯工业，2003,16(2)19-22.

7李新立,朱志平.浅谈干法氨纶纺丝甬道[J].江苏纺织,2005,7:31一33 8.唐颂超. 高分子材料成型加工[M]. 北京：中国轻工业出版社，2013:320-321

9.张旺玺. 纤维材料工艺学[M]. 黄河水利出版社，郑州：2010：45-46 10.张大省,王锐;超细纤维发展及其生产技术[J];北京服装学院学报(自然科学版);2004年02期

赵永霞,董奎勇.澄清新型纤维的真相(二)——氨纶[J].纺织导报，2009,10(2):15-19.