聚氨酯弹性纤维干法纺丝加工工艺设计.docx
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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:
2021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,性能优良,织物质地柔软,制成的衣物有“第二皮肤”的佳誉。
本文要紧论述了聚氨酯弹性纤维的进展状况、趋势,和其现有的纺丝工艺,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、本钱更低、更环保的纤维,采纳了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,和设计了功能齐全的厂房。
摘要I
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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,我国商品名那么为氨纶。
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映制成的含有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良,具有伸长率大、弹性答复率高、耐疲劳性好、强度较低、密度小等特点,并具有必然的耐侵蚀、耐晒、耐热、耐光、抗老化,和对染料有良好的亲和力等性能。
而且,聚氨酯弹性纤维织物质地柔软,穿着舒适,深受人们喜爱。
要紧用于制造各类运动衣、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”,和在医用方面作外科弹性绷带、皮管、人工器官材料等各类辅助器材设备物品等。
1.2聚氨酯弹性纤维的国内外现状、进展趋势
1.2.1聚氨酯弹性纤维的国内外现状
氨纶最先由德国拜耳公司于20世纪30年代开发成功,1959年美国杜邦公司第一实现了工业化生产,商品名称为莱卡,随后欧洲一些国家及日本也接踵生产[2]。
世界氨纶要紧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年末,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,后又通过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接踵引进了国外生产装置,使我国2005年氨纶产能达到21万t/a,2021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要紧从美、日、韩及德国引进,其他仅有郑州中原氨纶技术工程自主开发的持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%国内氨纶厂利用的技术是20世纪70年代的东洋纺织技术,虽有改良,但产品质量与国外产品仍存在明显差距。
1.2.2聚氨酯弹性纤维进展趋势
1.2.2.1新产品不断显现
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式采纳熔融纺丝技术生产的SPANOEX-M纤维,热稳固性好、模量低、耐光性优良,可适合与原先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良可纺性的弹性纤维,不需要很多化纤油剂,断头分岔少,不粘连,加工性能突出。
东洋纺那么推出采纳熔融纺丝,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,可普遍用于防霉灭菌医疗织物等领域。
1.2.2.2生产中心慢慢向亚洲转移
最近几年来,世界氨纶市场需求激增,生产能力不断扩大,尤其是亚太地域的日本、韩国和中国的氨纶工业进展尤其迅速。
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必然差距。
世界各大生产厂商正在尽力开发亚太地域市场,从原料到氨纶纺丝和成品加工,亚太地域已成为当前投资的热点地域,同时也是消费增加最高区[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普遍的氨纶纺丝方式。
干法纺丝产量约为世界氨纶总产量的80%。
干法纺制纤维的纤度范围为1.1~246.4tex,纺丝速度一样为200~600m/min,有的乃至可高达1000m/min。
干纺法所制氨纶的质量优良。
聚醚与二异氰酸酯以1∶2的摩尔比在必然的反映温度及时刻条件下形成预聚物,预聚物经溶剂混合溶解后,再加入二胺进行链增加反映,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,最后被卷绕成必然的卷装。
2.2湿法纺丝法
第一用与干法纺丝类似的方式,制成嵌段共聚物,溶液经纺前预备,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。
湿法纺丝速度一样为5~50m/min,纤度在0.55~44tex之间。
湿法纺丝工艺流程复杂,投资费用大,纺速较低,生产本钱高。
目前湿法纺丝的产量约占氨纶总产量的10%左右。
2.3反映纺丝法
反映纺丝法亦称化学纺丝法,此法由纺丝液转化成固态纤维时,必需通过化学反映,或用化学反映操纵成纤速度。
反映纺丝法由单体或预聚物形成高聚物的进程与成纤进程同时进行。
氨纶的反映纺丝,是将两头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,与凝固浴中的链增加剂反映,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置,使初生纤维内部未起反映的部份进行交联,从而转变成具有三维结构的聚氨酯嵌段共聚物。
反映纺丝法的纺丝速度一样为50~150m/min,纤度为0.56~38tex。
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式。
原那么上讲,凡能熔融且不发生明显分解的成纤高聚物都可采纳这种纺丝方式。
但对氨纶生产,熔体纺丝只能适用于热稳固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-丁二醇缩聚所取得的聚氨酯嵌段共聚物等。
纺丝温度为160~220℃,纺丝速度一样为200~800m/min。
氨纶的熔体纺丝要紧通过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,生产本钱最低,是最具经济性、最有进展潜力和最具竞争性的技术,是以后重点进展的方向。
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
要紧原料:
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%。
依照目前泰和新材公司的生产配方及原料性质进行改良设计而成的配方,目前绝大多数公司都是采纳四氢呋喃聚醚、MDI、二醇或二胺进行预聚体的合成,本设计采纳PTMEG和MDI直接反映进行预聚体的制备能够减少工序降低本钱,减少废料产生,增加原料利用率,而且采纳目前新的BASF扩链剂能够有选择的操纵预聚体生成嵌段共聚物,操纵柔性链段和刚性链段的产生,从而可按需生产具有必然弹性的纤维[6]。
纺丝速度要紧取决于溶剂的挥发速度,因此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,如此就可减少在纺丝溶液转化为纤维进程中所需挥发的溶剂量,降低热能消耗,并提高纺丝速度。
因此选用环保性溶剂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,回收时本钱相对较低。
干法溶液纺丝的溶液浓度一样为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,既能够与传统溶剂相媲美,又因其良好的沸点与性能,因此选用DMAC作溶剂。
3.2拟采取的加工设备及工艺参数
3.2.1生产产量及设备数量
目前,依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。
每一年300天持续生产,能够算出天天最大产量为6.67吨。
纺丝原液的浓度为30±0.2%,以30%为例计算。
1吨的原液可产300Kg的丝条,但由于在纺丝进程中有显现损耗,有效利用率通常只有98%,故成品丝可产294Kg,反映聚合时刻大约需2.5-3小时,天天能够循环6次,需4个1吨的反映釜。
需4台生产能力为70kg/h的纺丝机。
因此预备设计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
生产厂家
聚合釜
电热功率:
20-100(Kw)结构类型:
开式
搅拌转速:
20-130(转/分)
××
密封形式:
机械密封
连接形式:
平盖式
容量:
2吨
脱泡机
型号:
JK-1800适用范围:
液体消泡用
重量:
180公斤
×3×
主电机功率:
1100W
纺丝机
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×mm
生产能力:
300kg/h
卷绕机
型号:
JRJ-2重量:
2.5t
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,它的合成主若是在聚合釜完成。
温度为80-90oC,反映时刻大约操纵在2.5-3h,常压下反映。
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,有选择的操纵软硬链段的比例,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,途中要再次通过一个立式过滤器(第二过滤器)。
脱泡机内部有必然的真空度,其数值设定为-0.1kpa,原液在沿脱泡机内壁以薄膜状下降进程中被脱去气泡,脱泡机中的原液在通过很长的一段管道被送往计量泵,管道之因此设置3.4m是为了使原液能够加倍充分的进行脱泡,进出脱泡机的原液温差一样操纵在15-20℃。
计量泵入口维持稳固的入口压力,计量泵以必然转速按定量输送原液,在再次通过一个过滤器以后,抵达纺丝组件。
原液在通过组件后已被纺织成纤维状细流,在卷绕的牵引下通过甬道,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,要紧用来输送热风,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。
其中甬道中的风量要紧依照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。
通过甬道后,丝便抵达了卷绕器。
纤维第一通过加捻器,加捻器通太高压气体对纤维进行加捻,如此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别离进行牵伸和上油,来提高纤维的强度和均匀性,和幸免纤维粘连,而且提高了纤维的亮度,最后丝卷绕在具有必然转速的纸管上取得初生纤维。
3.4质量操纵点
3.4.1纺丝液浓度
在纺丝进程中,挥发除去的溶剂要回收利用,因此总希望采纳高浓度的纺丝溶液,尽可能减少溶剂的用量,尽可能增加溶剂的回收量。
可是,浓度要受多方面的制约:
(1)浓度太高,难于取得溶解完全而均匀的溶液,而且使过滤脱泡困难;
(2)浓度高,粘度就大,会使纺丝溶液的输送压力增加;
(3)超过必然的浓度,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:
碰到的问题:
聚合物细粉料在溶解进程中常常聚集成块,而难以取得完全溶解的均匀的纺丝溶液;
解决方法:
采纳将聚合物加入到常温的溶剂中溶胀,幸免上述的不良阻碍,然后进一步加热溶解。
C:
水分的操纵:
将含水量操纵在略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TiO二、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样操纵在15-20℃,从而幸免因水分脱出量的转变而引发的原液组分的转变。
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,从而使水汽化必然,原液的组分也就恒定了。
3.4.4纺丝温度
纺丝温度操纵在180~240℃。
由于溶剂DMAC的沸点为166oC左右,为保证溶剂专门好的挥发,进而操纵纺丝的速度,因此纺丝温度一样操纵在220oC左右。
3.5厂房设计及图纸说明
厂房设计为60×40×4.5,利用面积为2400m2,厂房要紧行车道为6m宽,除主行车道的双侧大门还有两个平安出口,在6个繁重柱顶端周围都装有监控摄像头,并设有配电室、茅厕、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,每一年工作300天。
万万不要删除行尾的分节符,此行可不能被打印。
“结论”以前的所有正文内容都要编写在此行之前。
总结
这次设计关于我来讲,碰到很多挑战,但也取得很多训练与培育,在独立查阅资料和分析总结上有专门好的启发和推动作用,在研究开始前的打算与大量预备是必不可少的。
这次设计还让我意识到,自己对本专业的进展现状及重大的科研功效没有超级好的认知,因此咱们只学到学校要求的专业知识是远远不够的,这就需要咱们有较强的自主学习的能力要跟上时期科技的进展,自己在尔后的学习生活中会踊跃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踊跃培育自主创新的能力。
这次设计也使我加倍知道并亲躯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,从实践中取得结论,再由理论推得实践,如此才能提高自己的试探能力和分析能力。
在实际进程中发觉了自己有很多不足的地方,发觉自己对之前所学过的知识明白得的不够深刻,把握的不够牢固,有待增强。
通过设计才发觉尽力学习知识最终仍是会受惠于知识。
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