目前,在采用溶液纺丝法生产的主要化学纤维品种中,只有聚丙烯睛纤维既可采用一步法又可采用二步法纺丝,其他品种的成纤聚合物,无法采用一步法生产工艺。虽然采用一步法省去了聚合物的分离、干燥、溶解等工序,可简化工艺流程,提高劳动生产率,但制得的纤维质量不稳定。
采用二步法时需要选择合适的溶剂将成纤聚合物溶解，所得的溶液在纺丝之前还要经过混合、过滤和脱泡等工序,这些工序总称为纺前准备。
1. 成纤聚合物的溶解
线型聚合物的溶解过程是先溶胀后溶解。即溶剂先向聚合物内部渗入,聚合物的体积不断增大,大分子之间的距离增加,最后大分子以分离的状态进入溶剂,从而完成溶解过程。
用于制备纺丝溶液的溶剂必须满足下列要求:
a. 在适宜的温度下有良好的溶解性能,并使所得聚合物溶液在尽可能高的浓度下具有较低的黏度。
b. 沸点不宜太低,也不宜过高。如沸点太低,溶剂挥发性太强,会增加溶剂损耗并恶化劳动条件;沸点太高,则不宜进行干法纺丝,且溶剂回收工艺比较复杂。
c. 有足够的热稳定性和化学稳定性,并易于回收。
d. 应尽量无毒、无腐蚀性,并不会引起聚合物分解或发生其他化学变化。
在纤维素纤维生产中,由于纤维素不溶于普通溶剂,所以通常是将其转变成衍生物(纤维素黄原酸酯、纤维素醋酸酯等)之后,再溶解制成纺丝溶液。采用溶剂纺丝工艺,可以用 N-甲基吗啉-N -氧化物的水溶液，直接溶解纤维素,制成纺丝溶液。
化学纤维生产中常用的纺丝溶剂 | |
成纤聚合物 | 溶剂 |
纤维素黄原酸醋 | 氢氧化钠的水溶液 |
纤维素 | N-甲基吗啉氧化物一水(NMMO-H2O)、二甲基乙酰胺一氯化锂(DMAC——LiCl）、液氨一硫氰酸铵(NH3-NH4SCN)、 |
醋酸纤维素 | 丙酮 |
甲壳素 | 含 8%氯化锂的二甲乙胺酰或浓酸及无水甲酸 |
壳聚糖 | 矿酸、有机酸及弱酸稀溶液 |
聚丙烯睛 | 二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、硫氰酸钠、硝酸或氯化锌的水溶液等 |
聚乙烯醇 | 水 |
聚氯乙烯 | 丙酮与二硫化碳、丙酮与苯、环己酮、四氢呋喃、、二甲基甲酰胺、丙酮 |
聚对苯二甲酰对苯二胺 | 浓硫酸、含有 LiCl的二甲基亚砜 |
目前,化学纤维生产中采用的有些溶剂或多或少存在着不稳定、有毒、不易回收、价格昂贵等缺点。一种代替易挥发溶剂一一-离子液体，正在研究和开发之中。离子液体是在室温及相邻温度范围内由离子组成的有机液体。常见的离子液体通常由烷基吡啶或双烷基咪唑季铵阳离子与四氟硼酸根、六氟磷酸根、硝酸根、卤素等阴离子组成。它们具有极性强、不挥发、不易氧化、不易燃易爆、对无机和有机化合物有良好的溶解性和对绝大部分试剂稳定等优良特性,因此被称为绿色溶剂。
纺丝溶液的浓度根据纤维品种和纺丝方法的不同而异。通常,用于湿法纺丝的纺丝溶液浓度为 3%一25%;用于干法纺丝的纺丝溶液浓度一般在 25%~35%。
因溶解过程所需时间较长,目前生产中大多采用间歇式分批操作的溶解机,它由带有夹套(可加热或冷却)的圆筒形机身、搅拌器及传动装置等组成。
2.纺丝溶液的混合、过滤和脱泡
混合的目的是使各批纺丝溶液的性质(主要是浓度和黏度)均匀一致。
过滤的目的是除去杂质和未溶解的高分子物。纺丝溶液的过滤，一般采用板框式压滤机，过滤材料选用能承受一定压力并具有一定紧密度的各种织物，一般要连续进行 2~4 道过滤。后一道过滤所用的滤材应比前一道更致密,这样才能发挥应有的效果。
脱泡是为了除去留存在纺丝溶液中的气泡。这些气泡在纺丝过程中会造成断头、毛丝和气泡丝而降低纤维质量,甚至使纺丝无法正常进行。脱泡过程可在常压或真空状态下进行。在常压下静置脱泡,因气泡较小,气泡上升速率很慢,脱泡时间很长。在真空状态下脱泡,真空度越高,液面上压力越小,气泡会迅速胀大,脱泡速度可大大加快。
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