聚氨酯弹性纤维干法纺丝加工基本工艺设计.doc

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
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12月 日

摘 要
聚氨酯弹性纤维是由聚氨基甲酸酯制成纤维，性能优秀，织物质地柔软，制成衣物有“第二皮肤”美誉。本文重要阐述了聚氨酯弹性纤维发展状况、趋势，以及其既有纺丝工艺，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、更环保纤维，采用了PTMEG、MDI、BASF、DMAC等新原料和配方，进行了设备选用，聚合和纺丝加工工艺流程设计，以及设计了功能齐全厂房。
目 录
摘要 I
目 录 III
第1章 绪 论 1
1.1 目的材料简介 1
1.2 聚氨酯弹性纤维国内外现状、发展趋势 1
1.2.1 聚氨酯弹性纤维国内外现状 1
1.2.2 聚氨酯弹性纤维发展趋势 2
第2章 聚氨酯弹性纤维纺丝既有加工工艺 4
2.1 干法纺丝法 4
2.2 湿法纺丝法 4
2.3 反映纺丝法 5
2.4 熔体纺丝法 5
第3章 加工工艺设计 6
3.1 原辅材料选用、配方设计 6
3.1.1 原料 6
3.1.2 配方设计及根据 6
3.2 拟采用加工设备及工艺参数 7
3.2.1 生产产量及设备数目 7
3.2.2 设备及参数 7
3.3 加工工艺流程 8
3.3.1 聚合工艺流程 8
3.3.2 纺丝工艺流程 8
3.4 质量控制点 9
3.4.1 纺丝液浓度 9
3.4.2 溶解 9
3.4.3 进出脱泡机原液温差 9
3.4.4 纺丝温度 10
3.5 厂房设计及图纸阐明 10
总 结 11
参照文献 12

目 录 III
第1章 绪 论 1
1.1 目的材料简介 1
1.2 聚氨酯弹性纤维国内外现状、发展趋势 1
1.2.1 聚氨酯弹性纤维国内外现状 1
1.2.2 聚氨酯弹性纤维发展趋势 2
第2章 聚氨酯弹性纤维纺丝既有加工工艺 4
2.1 干法纺丝法 4
2.2 湿法纺丝法 4
2.3 反映纺丝法 5
2.4 熔体纺丝法 5
第3章 加工工艺设计 6
3.1 原辅材料选用、配方设计 6
3.1.1 原料 6
3.1.2 配方设计及根据 6
3.2 拟采用加工设备及工艺参数 7
3.2.1 生产产量及设备数目 7
3.2.2 设备及参数 7
3.3 加工工艺流程 8
3.3.1 聚合工艺流程 8
3.3.2 纺丝工艺流程 8
3.4 质量控制点 9
3.4.1 纺丝液浓度 9
3.4.2 溶解 9
3.4.3 进出脱泡机原液温差 9
3.4.4 纺丝温度 10
3.5 厂房设计及图纸阐明 10
3.5.1 三废解决 10
总 结 12
参照文献 13

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第1章 绪 论
1.1 目的材料简介
聚氨酯弹性纤维是由聚氨基甲酸酯制成纤维。国际商品名称为SPANDEX，国内商品名则为氨纶。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映制成具有85%以上氨基甲酸酯、具备线性链段构造嵌段聚合物，具备天然橡胶丝弹性[1]。
聚氨酯弹性纤维性能优秀，具备伸长率大、弹性回答率高、耐疲劳性好、强度较低、密度小等特点，并具备一定耐腐蚀、耐晒、耐热、耐光、抗老化，以及对染料有良好亲和力等性能。并且，聚氨酯弹性纤维织物质地柔软，穿着舒服，深受人们爱慕。重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 聚氨酯弹性纤维国内外现状、发展趋势
1.2.1 聚氨酯弹性纤维国内外现状
氨纶最早由德国拜耳公司于 20 世纪 30 年代开发成功，1959 年美国杜邦公司一方面实现了工业化生产，商品名称为莱卡，随后欧洲某些国家及日本也相继生产[2]。世界氨纶重要生产公司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开发，氨纶应用领域不断扩大，市场需求不断增长。
国内聚氨酯纤维工业起步较晚。1988 年终，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，建成了国内第一套氨纶生产装置，形成了300t/a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相继引进了国外生产装置，使国内氨纶产能达到21万t/a，氨纶产能已达到51万t/a。国内氨纶生产工艺技术和装置重要从美、日、韩及德国引进，其她仅有郑州中原氨纶技术工程有限公司自主开发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化学公司合伙开发熔融纺丝技术。中华人民共和国氨纶技术与发达国家之间差距至少有10 年，70% 国内氨纶厂使用技术是20 世纪70 年代东洋纺织技术，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 新产品不断浮现
美国环球公司为了运用聚氨酯型纤维特有耐氯和高弹性能，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。东洋纺一改老式生产办法采用熔融纺丝技术生产SPANOEX-M纤维，热稳定性好、模量低、耐光性优秀，可适合与本来需要在低温热定形尼龙、聚丙烯腈、羊毛、蚕丝等纤维混纺制作紧身内衣、裤袜、泳装，穿着轻柔舒服。日本钟纺、三洋化成、可乐丽、东丽—杜邦等公司研制具备优秀可纺性弹性纤维，不需要诸多化纤油剂，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，运用高速吹空气使纤维起绒新技术，生产抗菌灭菌具有多氰酸酯和杀菌剂银离子磷酸盐氨纶弹性纤维，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，特别是亚太地区日本、韩国和中华人民共和国氨纶工业发展尤为迅速。中华人民共和国产能已占世界产能一半以上，但质量与发达国家尚有一定差距。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热点地区，同步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既有加工工艺　　 　　
2.1 干法纺丝法
干法纺丝是当前世界上应用最广泛氨纶纺丝办法。干法纺丝产量约为世界氨纶总产量8 0%。干法纺制纤维纤度范畴为1.1～246.4tex，纺丝速度普通为200～600m/min，有甚至可高达1 000m/min。干纺法所制氨纶质量优良。
聚醚与二异氰酸酯以1∶2摩尔比在一定反映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，与此同步丝条细流被拉伸变细，最后被卷绕成一定卷装。
2.2 湿法纺丝法
一方面用与干法纺丝类似办法，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原液细流
进入凝固浴。凝固浴以温水(90℃如下)为凝固介质，原液细流中溶剂向凝固浴扩散，原液细流中聚合物浓度不断提高，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。湿法纺丝速度普通为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，生产成本高。当前湿法纺丝产量约占氨纶总产量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，必要通过化学反映，或用化学反映控制成纤速率。反映纺丝法由单体或预聚物形成高聚物过程与成纤过程同步进行。
氨纶反映纺丝，是将两端具有二异氰酸酯聚醚或聚酯预聚物溶液，经喷丝头压出进入凝固浴，与凝固浴中链增长剂反映，生成初生纤维。初生纤维卷绕后还应在加压水中进行硬化解决，使初生纤维内部未起反映某些进行交联，从而转变为具备三维构造聚氨酯嵌段共聚物。
反映纺丝法纺丝速度普通为50～150m/min，纤度为0.56～38tex。
2.4 熔体纺丝法
熔体纺丝法是运用高聚物熔融流体进行纤维成形一种办法。原则上讲，凡能熔融且不发生明显分解成纤高聚物都可采用这种纺丝办法。但对氨纶生产，熔体纺丝只能合用于热稳定性良好聚氨酯嵌段共聚物，如由4,4′-甲撑二苯二异氰酸酯和1,4-丁二醇缩聚所获得聚氨酯嵌段共聚物等。纺丝温度为160～220℃，纺丝速度普通为200～800 m/min。氨纶熔体纺丝重要通过6步完毕:
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，设备装置简朴，节约投资，生产成本最低，是最具经济性、最有发展潜力和最具竞争性技术，是将来重点发展方向。

第3章 加工工艺设计
3.1 原辅材料选用、配方设计
3.1.1 原料
重要原料：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 配方设计及根据
PTMEG与DMI比例大概为1:2，干法纺丝时聚合物溶液浓度为30%。
依照当前泰和新材公司生产配方及原料性质进行改进设计而成配方，当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合成，本设计采用PTMEG和MDI直接反映进行预聚体制备可以减少工序减少成本，减少废料产生，增长原料运用率，并且采用当前新BASF扩链剂可以有选取控制预聚体生成嵌段共聚物，控制柔性链段和刚性链段产生，从而可按需生产具备一定弹性纤维[6]。
纺丝速度重要取决于溶剂挥发速度，因此选取溶剂应使溶液中聚合物浓度尽量高，而溶剂沸点和蒸发潜热应尽量低，这样就可减少在纺丝溶液转化为纤维过程中所需挥发溶剂量，减少热能消耗，并提高纺丝速度。因此选用环保性溶剂DMAC做干法纺丝溶剂而非老式二甲基甲酰胺等溶剂，由于DMAC沸点相对较低，易回收，用活性炭吸取即可，回收时成本相对较低。干法溶液纺丝溶液浓度普通为18%—45%，选用30%浓度是由于氨纶干法老式生产都在28%—35%，DMAC溶剂溶解30%聚合物其综合性能更佳，既可以与老式溶剂相媲美，又因其良好沸点与性能，因此选用DMAC作溶剂。
3.2 拟采用加工设备及工艺参数
3.2.1 生产产量及设备数目
当前，按照泰和新材公司有四期成品丝最大年产量，拟设计成吨年产量。每年300天持续生产，可以算出每天最大产量为6.67吨。纺丝原液浓度为30±0.2%，以30%为例计算。1吨原液可产300Kg丝条，但由于在纺丝过程中有浮现损耗，有效运用率普通只有98%，故成品丝可产294Kg，反映聚合时间大概需2.5-3小时，每天可以循环6次，需4个1吨反映釜。需4台生产能力为70kg/h纺丝机。因此准备设计4条生产线。
抱负总产量=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） 构造类型：开式
搅拌转速：20-130（转/分）
尺寸：1.5×1.5×2.5
密封形式：机械密封
连接形式：平盖式
容量：2吨
上海棱标仪器有限公司
脱泡机
型号：JK-1800 合用范畴：液体消泡用
重量：180公斤
尺寸：2.5×3×2.5
主电机功率：1100W
深圳市信鸿锦电子材料有限公 司

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：PS178-60000-0.06，PS178-40000-0.075，PS178-0-0.01
喷丝帽（板）孔数：30000，孔径0.07-0.2mm
尺寸：6×5×2.5mm
生产能力：300kg/h
深圳市信鸿锦电子材料有限公 司
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：9×2.5×1.2m
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原料，它合成重要是在聚合釜完毕。温度为80-90oC，反映时间大概控制在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，有选取控制软硬链段比例，制嵌段共聚物。再与溶剂DMAC混合制成30%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
原液在泵作用下将被送往脱泡器，途中要再次通过一种立式过滤器（第二过滤器）。脱泡机内部有一定真空度，其数值设定为-0.1kpa，原液在沿脱泡机内壁以薄膜状下降过程中被脱去气泡， 脱泡机中原液在通过很长一段管道被送往计量泵，管道之因此设立3.4m是为了使原液可以更加充分进行脱泡，进出脱泡机原液温差普通控制在15-20℃。
计量泵入口保持稳定入口压力，计量泵以一定转速按定量输送原液，在再次通过一种过滤器之后，到达纺丝组件。
原液在通过组件后已被纺织成纤维状细流，在卷绕牵引下通过甬道，甬道上部温度280～320℃，下部温度200～240℃。甬道具有一种入风口和两个出风口，重要用来输送热风，将原液中溶剂挥发，使原液固化成纤，挥发溶剂将在回风作用下被回收。其中甬道中风量重要依照所要生产纤维旦数来进行调节，丝旦数越大，其风量就越大。
通过甬道后，丝便到达了卷绕器。纤维一方面通过加捻器，加捻器通过高压气体对纤维进行加捻，这样可以提高纤维强度和弹性。加捻后纤维通过两个导丝辊和油辊来分别进行牵伸和上油，来提高纤维强度和均匀性，以及避免纤维粘连，并且提高了纤维亮度，最后丝卷绕在具备一定转速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，挥发除去溶剂要回收使用，因而总但愿采用高浓度纺丝溶液，尽量减少溶剂用量，尽量增长溶剂回收量。但是，浓度要受多方面制约：
（1）浓度过高，难于得到溶解完全而均匀溶液，并且使过滤脱泡困难；
（2）浓度高，粘度就大，会使纺丝溶液输送压力增长；
（3）超过一定浓度，纺丝溶液流变性变差，可纺性减少，容易导致纺丝断头现象产生。
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膨润层剥离脱落，向溶剂相分散。
B：遇到问题：聚合物细粉料在溶解过程中经常汇集成块，而难以得到完全溶解均匀纺丝溶液；
解决办法：采用将聚合物加入到常温溶剂中溶胀，避免上述不良影响，然后进一步加热溶解。
C：水分控制：将含水量控制在稍微超过聚合物和溶剂正常含水量限度。
D：添加剂加入：颜料、消光剂TiO2、过滤助剂硅藻土等。
3.4.3 进出脱泡机原液温差
进出脱泡机原液温差普通控制在15-20℃，从而避免因水分脱出量变化而引起原液组分变化。当温差变大，应减少真空度，使水沸点增长，汽化量减少；反之，增长真空度，汽化量增长，从而使水汽化一定，原液组分也就恒定了。
3.4.4 纺丝温度
纺丝温度控制在180～240℃。由于溶剂DMAC沸点为166oC左右，为保证溶剂较好挥发，进而控制纺丝速度，因此纺丝温度普通控制在220oC左右。
3.5 厂房设计及图纸阐明
厂房设计为60×40×4.5，使用面积为2400m2，厂房重要行车道为6m宽，除主行车道两侧大门尚有两个安全出口，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，遇到诸多挑战，但也得到诸多训练与培养，在独立查阅资料和分析总结上有较好启发和推动作用，在研究开始前筹划与大量准备是必不可少。本次设计还让我意识到，自己对本专业发呈现状及重大科研成果没有非常好认知，因此咱们只学到学校规定专业知识是远远不够，这就需要咱们有较强自主学习能力要跟上时代科技发展，自己在此后学习生活中会积极理解关于本专业前沿科技信息，自主学习本专业有关软件应用并积极培养自主创新能力。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重要性，只有理论知识是远远不够，只有把所学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，这样才干提高自己思考能力和分析能力。在实际过程中发现了自己有诸多局限性之处，发现自己对之前所学过知识理解不够深刻，掌握不够牢固，有待加强。通过设计才发现努力学习知识最后还是会受惠于知识。

参照文献
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4邢声远，王锐.纤维词典[M]. 北京：化学工业出版社，:91-92
5宋心远. 氨纶构造、性能和染整[J]印染，,28(11):30-35
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7李新立,朱志平.浅谈干法氨纶纺丝甬道[J].江苏纺织,,7:31一33
8.唐颂超. 高分子材料成型加工[M]. 北京：中华人民共和国轻工业出版社，:320-321
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