合成纤维的成型与加工综述分析

王麒翔、任俊伟、韩翔宇、王晨霖、张龙飞、栗源涛窦一幸、张永建、梁玉泽，朱鸣飞、王明轩、任浩

摘要：在动车机车的制造过程中，合成纤维的成型与加工是必须要进行精通和学习的技术。无论涤纶、锦纶、维纶、丙纶、腈纶、维纶，都时时刻刻离不开合成纤维的成型与加工方法的学习和研究。本文主要从各种合成纤维的成型与加工方法的原理和方法进行分析，然后进一步分析其优缺点。合成纤维的成型与加工分析研究，会在未来的动车机车的制造过程中发挥越来越重要的作用，

关键词：合成纤维、性能指标、腈纶、涤纶、锦纶

作者简介：王麒翔（2000年1月-）性别：男，民族：汉族，籍贯：山东省青岛市，学历：本科，研究方向：装备制造，材料成型自动化，运动控制，RBF神经网络研究。

正文

合成纤维发展历史悠久。1938~1950年：主要发展尼龙，同时探索新的成纤高聚物。1950~1956年：尼龙以外的主要合成纤维涤纶和腈纶问世，并实现了工业化生产。1956年~迄今：发展第二代合成纤维—改性纤维、特种纤维。合成纤维按结构分类主要由两大种类：（1）碳链合成纤维：聚丙烯纤维(丙纶)、聚丙烯腈纤维(腈纶)、聚乙烯醇缩甲醛纤维（维尼纶）。（2）杂链合成纤维：聚酰胺纤维(锦纶)、聚对苯二甲酸乙二酯(涤纶)。合成纤维按功用可以分为耐高温腐蚀纤维、耐腐蚀纤维、阻燃纤维、高强度纤维等。

六大合成纤维主要包括：（1）涤纶（聚对苯二甲酸乙二醇酯）：弹性好、强度高、吸水性差，其制衣性能强度好。（2）腈纶（聚丙烯睛）：它的主要特点是蓬松、柔软，比羊毛轻，有良好的保暖性。（3）维纶（聚乙烯醇）：现有合成纤维中吸湿性最大的品种。（4）丙纶（聚丙烯）：丙纶是最轻的纤维，密度是棉花的3/5，能浮在水面上。它的吸水性小，耐磨性好。（5）锦纶（聚酰胺）：强度高，耐磨耐腐蚀，弹性大，用于纺织。（6）氯纶（聚氯乙烯）：化学稳定性好，耐强酸强碱，遇火不燃烧。

1.纤维的性能指标

1.1初始模量（弹性模量）

抵抗外力作用下形变能力的量度。纤维的初始模量为纤维受拉伸而当伸长为原长的1％时所需的应力。

1.2断裂强度

纤维在连续增加负荷的作用下，直至断裂所能承受的最大负荷与纤维的线密度之比。断裂强度高，纤维在加工过程中不易断头、绕辊，纱线和织物牢度高；断裂强度太高，纤维刚性增加，手感变硬。             

1.3断裂伸长率

纤维拉伸时产生的伸长占原来长度的百分率称为伸长率。纤维拉伸至断裂时的伸长率称为断裂伸长率，它表示的纤维承受拉伸变形的能力。断裂伸长率大的纤维手感比较柔和，在纺织加工时，可以缓冲所受到的力，毛丝断头都比较小。

1.4回弹率

将纤维拉伸至产生一定伸长，然后撤去负荷，经松弛一定时间后，测定纤维弹性回缩后的剩余伸长。可回复的弹性伸长和总伸长之比称为回弹率。纤维的弹性回复率高，则纤维的弹性好，变形恢复的能力强。

2.合成纤维的生产工艺流程

合成纤维的生产工艺流程主要包括以下四个阶段：（1）原料的制备，高分子化合物的制备和机械处理；（2）纺前准备，纺丝熔体或纺丝溶液的制备；（3）纺丝，纤维的成形；（4）后加工，纤维的后处理。

2.1熔体纺丝

在纺丝过程中，聚合物熔体以一定的流量自喷丝板细孔挤出，在喷丝板到卷绕装置之间，丝条必须被拉伸至需要的细度并充分的冷却固化。熔体纺丝的速度很高，工业上熔体纺丝的卷绕速度为每分钟几百米至几千米。丝条的冷却固化通常在喷丝板的空气中完成，为了加强冷却效果，一般在喷丝板后，在垂直或平行于丝条的方向上吹送调温调湿气流。

2.2溶液纺丝

溶液纺丝是指将高聚物浓溶液定量从喷丝孔挤出，溶液细流经凝固浴或热空气或热惰性气体固化成纤维的方法。溶液纺丝又分为干法纺丝和湿法纺丝。其中拉伸又称纤维二次成形。后处理过程中最重要的工序。纺丝后得到的卷绕丝或经集束后的大股丝束在拉伸机上进行拉伸，拉伸使大分子沿纤维轴向取向排列，同时发生结晶，以进一步提高初生纤维的结晶度，或改变晶型结构，形成一定的超分子结构，从而显著提高纤维强度。

2.3染色过程与方法

染色过程主要包含以下三种：（1）吸附：纤维投入染浴以后，染料渐渐地由溶液扩散转移到纤维表面。（2）扩散：吸附在纤维表面的染料向纤维内部扩散，直到纤维各部分的染料浓度趋向一致。（3）固着：固着是染料与纤维结合的过程，随染料和纤维不同，其结合方式也各不相同。

染色方法主要包含以下六种：（1）涤纶：涤纶亲水性很低,纤维结构较紧密,主要用分散染料，有时也可用不溶性偶氮染料等染色。（2）锦纶：锦纶的化学组成是聚酰胺，分子末端具有氨基、羧基，分子链中有许多酰胺基。在酸性水溶液中,氨基和羧基分别成－NH2和－COOH状态使纤维吸附染料的阴离子。染色以弱酸性染浴染色的酸性染料为主。（3）氯纶：染色性能与锦纶相近，主要用酸性染料。（4）腈纶：腈纶的主要组成是聚丙烯腈，在合成时加入第二和第三单体，分子链带有阴离子基团，可用阳离子染料染色。腈纶也可用分散染料染色，有较好的水洗和日晒牢度,匀染性能良好,但在常压下很难染得深色，仅适用于浅、中色的染色。（5）维纶：维纶是一种亲水性较高的合成纤维。可用还原硫化、直接、硫化缩聚以及1:2型酸性含媒染料染色。（6）丙纶：丙纶结晶度很高。分子链中无极性基团，亲水性很低，很难染色。用某些分散染料只能染得浅色。

3.几种合成纤维的制备

3.1腈纶的制备

聚丙烯腈纤维是指由聚丙烯腈或丙烯腈质量分数占85％以上的线型聚合物所纺制的纤维。我国聚丙烯腈纤维的商品名称为腈纶。实际生产丙烯腈大多采用溶液聚合。根据所用溶剂的不同，可分为均相溶液聚合和非均相溶液聚合。（1）均相溶液聚合。单体和聚合产物都溶解于溶剂中，所得的聚合液可直接用于纺丝故又称腈纶生产的一步法。（2）非均相溶液聚合。丙烯腈等单体可溶于水，但聚丙烯腈则不溶于水而沉淀，故称水相沉淀聚合。所得沉淀经分离后需用合适的溶剂再溶解，方可制成纺丝原液。

3.2涤纶制备

聚酯纤维是大分子链中各链节通过酯基相连的成纤聚合物纺制而成的纤维（英文缩写为PET）。我国将含聚对苯二甲酸乙二酯组分大于85％的合成纤维称为聚酯纤维，商品名为涤纶。涤纶制备的主要原料为对苯二甲酸和乙二醇。涤纶制备的合成方法主要由四种：（1）直接酯化法：将对苯二甲酸和乙二醇进行直接酯化生成聚对苯二甲酸乙二酯。目前使用广泛。（2）纺丝方法：熔融纺丝法。（3）连续法：聚对苯二甲酸乙二酯熔体→纺丝。（4）间歇法：聚对苯二甲酸乙二酯熔体→铸带→切片→干燥→纺丝。

3.3锦纶制备

聚酰胺是指分子主链上含有酰氨基—[NHCO]—的一类聚合物，俗称尼龙,在中国用作纤维时亦称为锦纶，聚酰胺纤维是世界上最早工业化的合成纤维品种，目前工业化生产及应用最广的是聚酰胺66和聚酰胺6。20世纪70年代后期，聚酰胺的熔体纺丝技术有了新的突破，即由原来的常规纺丝发展为高速纺丝(POY)。常规纺丝速度为700-1500m/min。高速纺丝速度为4000-4500m/min。锦纶制备的过程：切片→螺杆挤出机→预过滤器→静态混合管→分配管→计量泵→纺丝组件→喷丝→侧吹风→上油→甬道→卷绕丝。POY长丝又称预取向丝或部分取向丝，其结构与常规未拉伸丝有较大区别，POY丝是具有取向高、结晶低的卷绕丝，这种结构的形成是由于纺丝速度的提高，使出喷丝头后的熔体细流受到轴向拉伸应力和较大的冷却温度梯度作用，而发生快速形变所致。

随着复合材料的深入研究，促进了多品种合成纤维的开发；随着制备技术的提高和材料微观结构认识的进一步深入，材料的力学、化学等性能的提高还存在较大空间。从制备技术来看，在聚合物合成、纺丝工艺过程中的化学变化方面还有不少课题有待深入研究；从研究开发领域，进一步提高性能，降低生产成本将是今后研究的重点。

第一作者简介：王麒翔(2000年 1月)，性别：男；籍贯：山东省青岛市；学历：学士；单位：中车青岛四方机车车辆股份有限公司，诊断工程师；地址：山东省青岛市城阳区锦宏东路88号；曾获全国物理竞赛优秀奖。研究方向：材料成型自动化，运动控制，RBF神经网络研究。

第二作者简介：任俊伟（1992年11月），性别：男；籍贯：山东省烟台市；学历：博士；单位：中车青岛四方机车车辆股份有限公司，材料工程师；北京大学博雅元培教授；中国管理科学研究院教授；地址：山东省青岛市城阳区锦宏东路88号；研究方向：新材料，装备制造，应急管理，医药化工。