2高分子材料加工工艺学(第二章)

高分子材料加工工艺学

杨彦功 2011.2

高分子材料加工工艺 学上篇 化学纤维成型加工 第二章聚酯纤维 杨彦功

山东理工大学教案 2011 ~ 2012 学年 第 2

学期

课 程 名 称 高分子材料加工工艺学A(第二章) 授 课 对 象 材本09级 主 讲 教 师 杨彦功 教师所在院(部)、系(室) 材料科学与工程学院材化教研室 选 用 教 材 高分子材料加工工艺学A 学 时/学 分 48学时/3学分

山东理工大学 2012.23

山东理工大学教案材本第 3-5次课 教学课型：理论课 主要教学内容(注明：* 重点 # 难点 ) 第二章 本章共有7节内容，其中： 第1节聚对苯二甲酸乙二酯的制备要了解清楚；第2、3、4、5节是重 点，要很好掌握；第六节是聚酯纤维的性质与用途；第7节是新产品简 介，是扩展知识结构的内容，要适当了解。

教学目的要求：学习本章内容主要学习聚酯纤维的生产方法，了解和掌 握其生产工艺，纤维的结构性能应用、表征及新产品开发技术。教学方法和教学手段：采用多媒体教学，提问时和启发式教学 讨论、思考题、作业： 1-1 参考P17图1-2简述聚酯连续缩聚工艺流程。1-2 简述PET切 片干燥的目的与机理。1-3 POY/FDY/FOY的生产工艺与纤维性能 有哪些差异？1-4 简要说明热管纺丝两段拉伸工艺的自动补偿效应原 理？1-5 什么是网络丝、拉伸加捻丝、假捻变形丝、空气变形丝？4

上篇

化学纤维成型加工 第二章聚酯纤维

内容提要： 本章共有7节内容，其中： 第1节聚对苯二甲酸乙二酯的制备要了解清 楚 第2、3、4、5节是重点，要很好掌握； 第六节是聚酯纤维的性质与用途。 第7节是新产品简介，是扩展知识结构的内 容，要适当了解。5

引言： 1.什么是聚酯纤维？ 聚酯纤维是通过酯基相连的成纤高聚物纺制 而成的合成纤维、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 纤维称为涤纶。

1941年whinfield和Dickson用对苯二甲 酸二甲酯(DMT)和乙二醇(EG)合成聚对苯二 甲酸乙二酯(PET),并将聚合物通过熔体纺 丝制得性能优良的纤维。1953年美国首先建 厂生产聚酯纤维。

近年又研制开发出多种有不同特性的 实用性聚酯纤维。如具有高伸缩弹性 的聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)纤维，聚 对苯二甲酸丙二酯(PTT)纤维。 具有超高强度、高模量的全芳香族聚 酯纤维等。

目前所谓“聚酯纤维”通常指PET纤 维。7

2. 聚酯纤维问世虽晚，但由于具有一系列优良性能， 如断裂强度和弹性模高，回弹性适中，热定型性 优异，耐热和耐光性好，织物具有洗可穿性等， 故有广泛的服用和产业用途； 聚酯纤维是

发展速度最快，产两最大的合成纤 维品种。2011 年世界纤维产量为6 510 万t, 2011年全球化纤产量达到4866万吨。其中中 国大陆的产量达到3362.36万吨其中，占世界 总量的69%。 我国合成纤维产量3096.36万吨，其中我国涤 纶产量达到2800万吨，占合成纤维总量的90%。 锦纶159万吨，占5.1%, 腈纶69.96万吨， 占2.26%,其它占2.64%。8

第一节聚酯纤维原料

一、聚对苯二甲酸乙二酯的制备

聚对苯二甲酸乙二酯的制备包括对苯二甲酸 (TPA)及乙二醇的制备，对苯二甲酸双羟乙 酯(BHET)的制备和聚对苯二甲酸乙二酯的 制备。

在工业生产中是以对苯二甲酸双羟乙酯 (BHET)为原料，经缩聚反应脱出乙二醇 (EG)来实现的，缩聚反应式如下：9

所以，要制备聚对苯二甲酸乙二酯(PET),首 先要制得对苯二甲酸双羟乙酯(BHET),目前， BHET 的生产方法有酯交换法〔间接法)、 直接酯化法和直接加成法(直接法)。10

(一)、对苯二甲酸双羟乙酯 (BHET)的制备1.酯交换法原理： 此法是先将TPA与甲醇反应，生成粗对苯二 甲酸二甲酯(粗DMT),经精制提纯后，再与EG 进行酯交换反应，得纯度较高的BHET。11

对苯二甲酸二甲酯的精制： DMT的精制通 常采用蒸馏法，经过精制，DMT的纯度可 由94%提高到99%以上。12

用对苯二甲酸二甲酯制备对苯二甲酸 双羟乙酯在催化剂(醋酸盐)存在下，EG与DMT中的甲 氧基(—OCH3)交换，生成BHET,被取代的 甲氧基与EG中的氢结合，生成甲酯，其反应 式如下：

(1)间歇法酯交换

间歇法配交换和间歇缩聚的工艺流程比 较简单，主机只有一台酯交换釜和一 台缩聚釜(见图1—0)。 酯交换釜是一圆柱形反应釜，内装有锚 式搅拌叶，釜外壁有联苯加热夹套， 釜顶盖有加料孔、防爆装置和甲醇(或 乙二醇)蒸气出口。14

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(2)连续法酯交换(P14) 连续酯交换是物料在连续流动和搅拌过程中

完成酯交换反应。连续酯交换装置有多种形式， 如多个带搅拌的立式或卧式反应釜串联式和多 层泡罩塔式等。 连续酯交换工艺，除了要控制好酯交换率外， 还要严格控制反应物料配比、反应温度和反应 时间。物料配料比通常为DMT:EG=1: 2.15(mol比)左右。 16

2.直接酯化法 所谓直接酯化，就是TPA与EG直接进行酯化反 应，一步法制得BHET。

由于TPA在常态下为无色针状结晶或无定形粉 末，其熔(425C) 高于其升华温度(300C),而 EG的沸点(197℃)又低于TPA的升华温度。因 此，直接酯化体系为固相TPA与液相EG共存的 多相体系，酯化反应只发生在已溶解于溶液中 的TPA和EG之间：

溶液中反应消耗的TPA,由随后溶解的TPA 补充。由于TPA在EG中的溶解度不大，所 以在TPA

全部溶解前，体系中的液相为TPA 的饱和溶液，故酯化反应的速度与TPA浓度 无关，平衡向生成DHET方向进行，此时酯 化反应为零级反应；平衡常数以官能团反 应表示：

直接酯化亦有间歇法相连续法两种方法。目 前工业生产多用连续法。图1—1表示连续直接 酯化的流程。 连续直接酯化控制的工艺参数如下； (1)反应温度和压力：为加快反应速度，通 常适当提高温度。各釜物料温度顺次为264℃、 266℃相270℃。通常依次控制釜压为 0.35MPa、0.27MPa和0.12MPa。 (2)配料比：EG与TPA完全酯化反应的理论配 比为EG:TPA=2:1(mol比)。19