聚丙烯常规熔体纺丝工艺及注意事项

和聚酯、聚酰胺一样，聚丙烯可以用常规熔纺工艺纺制长丝和短纤维。由于纤维级聚丙烯具有较高的相对分子质量和较高的熔体黏度，熔体流动性差，故需采用高于聚丙烯熔点100～130℃的挤出温度（熔体温度），才能使其熔体具有必要的流动性，满足纺丝加工要求。

纺制长丝时，卷绕丝收集在筒管上，经热板或热辊在90～130℃下拉伸4～8倍。生产高强度纤维时，应适当提高拉伸比，以提高纤维的取向度。拉伸之后，要对纤维进行热定型，以完善纤维结构，提高纤维尺寸稳定性。

纺制短纤维一般采用几百或上千孔的喷丝板。初生纤维集束成60～110ktex的丝束，在水浴或蒸汽箱中于100～140℃下进行二级拉伸，拉伸倍数为3～5倍，然后进行卷曲和松弛热定型，最后切断成短纤维。

（一）混料

由于聚丙烯染色困难，所以常在纺丝时加入色母粒以制得色丝。色母粒的添加主要有两种形式：一是将固态色母粒经计量直接加入聚丙烯中；二是将色母粒熔融后，定量加入挤出机压缩段的末端与熔融聚丙烯混合。后者的投资较大，但混合精度较高。

（二）纺丝

聚丙烯纤维的纺丝设备和聚酯纤维相似，但也有其特点。通常使用大长径比的单螺杆挤出机，螺杆的计量段应长而浅，以减少流速变化，有利于更好的混合，得到组成均一的流体。

工业用聚丙烯纤维都是高特对应聚丙烯熔体细流较粗，骤冷比较困难且挤出胀大比较大，因此其所用喷丝板通常具有以下特征：喷丝孔分布密度应较小，以确保冷却质量；喷丝孔孔径较大，一般为0.5～1.0mm；喷孔长径比较大，为2～4，以避免熔体在高速率剪切时过分膨化导致熔体破裂。

根据聚丙烯纤维应用领域的不同，选择不同的原料及纺丝条件，可以获得不同强度的纤维。表4-9为聚丙烯的相对分子质量分布及拉伸比对纤维强度的影响。图4-11为聚丙烯纤维的结晶度与取向度对强度的影响。可见，要得到高强度纤维，必须选择相对分子质量分布较窄的高分子量聚丙烯，同时进行高倍拉伸，以提高纤维的结晶度和取向度。

表4-9　相对分子质量分布及拉伸比对纤维强度的影响

①聚合物经预先降解处理后用于纺丝。

②纺丝后聚合物的相对分子质量。

图4-11　聚丙烯纤维的结晶与取向度对纤维强度的影响

1-结晶度为0　2-结晶度为28%～32%　3-结晶度为56%～61%

1.纺丝温度纺丝温度直接影响着聚丙烯的流变性能、聚丙烯的降解程度和初生纤维的预取向度。因此，纺丝温度是熔体成型中的主要工艺参数。

纺丝温度主要是指纺丝箱体（即纺丝区）温度。纺丝温度过高，熔体黏度降低过大，纺丝时容易产生注头丝和毛丝；同时还会因为熔体黏度过小，流动性大，而形成自重引伸大于喷头拉伸造成的并丝现象。纺丝温度过低，熔体黏度过大，出丝困难且不均匀，造成喷丝头拉伸时产生熔体破裂无法卷绕，严重时可能出现全面断头或硬丝。根据生产实践，聚丙烯纺丝区温度要高于其熔点100～130℃。

聚丙烯的相对分子质量增大，纺丝温度要相应提高，如图4-12所示。

聚丙烯的相对分子质量分布不同，纺丝温度也不同。当相对分子质量分布系数在1～4内变化时，纺丝温度的变化范围在30℃左右；相对分子质量分布越宽，则采用的纺丝温度也越高。实践表明，纺短纤维时，应选用MI为6～20g/10min的聚丙烯切片；而纺长丝时应选用MI为20～40g/10min的聚丙烯切片。

前已指出，聚丙烯有较高的相对分子质量和熔体黏度，在较低温度下纺丝时，初生纤维可能同时产生取向和结晶，并形成高度有序的单斜晶体结构。若在较高的纺丝温度下纺丝，因结晶前熔体流动性大，初生纤维的预取向度低，并形成不稳定的碟形结晶结构，所以可以采用较高的后拉伸倍数获得高强度纤维。图4-13中线条1给出了初生纤维的取向随熔体温度的变化。

图4-12　聚丙烯相对分子质量与纺丝温度的关系

图4-13　分子取向随纺丝温度和冷却吹风速度的变化

1-分子取向随纺丝温度的变化　2-分子取向随冷却吹风速度的变化

2.冷却成型条件成型过程中的冷却速度对聚丙烯纤维的质量有很大影响。若冷却较快，纺丝得到的初生纤维是不稳定的碟状结晶结构；若冷却缓慢，则得到的初生纤维是稳定的单斜晶体结构。冷却条件不同，初生纤维内的晶区大小及结晶度也不同。当丝室温度较低时，成核速度大，晶核数目多，晶区尺寸小，结晶度低，有利于后拉伸。

冷却条件不同，初生纤维的预取向度也不同。增加吹风速度会导致初生纤维预取向度增加，如图4-13中线条2。较高取向度还会导致结晶速度加快，结晶度增大，不利于后拉伸，因此合理选择冷却条件至关重要。

实际生产中，丝室温度以偏低为好。采用侧吹风时，丝室温度可为35～40℃；环吹风时可为30～40℃，送风温度为15～25℃，风速为0.3～0.8m/s。

3.喷丝头拉伸喷丝头拉伸不仅使纤维变细，且对纤维的后拉伸及纤维结构有很大影响。在冷却条件不变的情况下，增大喷丝头拉伸比，纤维在凝固区的加速度增大，初生纤维的预取向度增加，结晶变为稳定的单斜晶体，纤维的可拉伸性能下降。聚丙烯纺丝时，喷丝头拉伸比一般控制在60倍以内，纺丝速度一般为500～1000m/min，这样得到的卷绕丝具有较稳定的结构，后拉伸容易进行。表4-10为初生纤维性质与喷丝头拉伸的关系。(www.xing528.com)

表4-10　初生纤维性质和喷丝头拉伸的关系

4.挤出胀大比聚丙烯熔体黏度大，非牛顿性强，其纺丝的挤出胀大比比聚酯大。当挤出胀大比增大时，熔体细流拉伸性能逐渐变差，且往往会产生熔体破裂，使初生纤维表面发生破坏，有时呈锯齿形和波纹形，甚至生成螺旋丝。若纺丝速度过高或纺丝温度偏低，其切变应力超过临界切变应力时就会出现熔体破裂，影响纺丝和纤维质量。表4-11为聚丙烯特性黏度和熔体温度对挤出胀大比（B0）的影响。可见，随着熔体温度的降低或聚丙烯相对分子质量即特性黏度的增大，挤出胀大比增大。

表4-11　特性黏度和熔体温度对胀大比的影响

控制适宜的相对分子质量、适当提高纺丝温度、增大喷丝孔径、增大喷丝孔长径比，可以减少细流的膨化和熔体破裂；也可在聚丙烯切片中加入分子量调节剂等来改善聚丙烯的可纺性，提高纤维质量。

图4-14　拉伸比与纤维强度、伸长率、结晶度之间的关系

1-强度　2-伸长率　3-结晶度

（三）拉伸

熔纺制得的聚丙烯初生纤维虽有较高的结晶度（33%～40%）和取向度（△n在1×10-3～6×10-3），但仍需经热拉伸及热定型处理，以赋予纤维强力及其他性能。

其他条件相同时，纤维的强度取决于大分子的取向程度，提高拉伸倍数可提高纤维的强度，降低纤维的伸长率和结晶度，如图4-14所示。但过大的拉伸倍数，会导致大分子滑移和断裂。工业生产中，拉伸倍数的选择应根据聚丙烯的相对分子质量及其分布和初生纤维的结构来决定。

相对分子质量较高或相对分子质量分布较宽时，选择的拉伸比应较低，如图4-15和图4-16所示；初生纤维的预取向度较低或形成结晶结构较不稳定时，可选择较大的拉伸比，如图4-17所示。

图4-15　[η]与拉伸性能的关系

1-MI=15g/10min　2-MI=0.4g/10min（不同[η]的聚丙烯用有机过氧化物降解得到）

图4-16　相对分子质量分布与拉伸比之间的关系

1-[η]=1.2　2-[η]=1.5　3-[η]=1.7　4-[η]=1.85　5-[η]=2[η]0-原始切片的特性黏度[η]Y-无油丝特性黏度（[η]0[η]Y）/[η]0-相对分子质量分布，该值越大相对分子质量分布越窄

拉伸温度影响拉伸过程的稳定及纤维结构。拉伸温度过低，拉伸应力大，允许的最大拉伸倍数小，纤维强度低且会使纤维泛白，出现结构上的分层。拉伸温度高，纤维的结晶度增大，如图4-18所示。温度过高，分子过度热运动会导致纤维在取向时，强度的增加幅度减少，且会破坏原有的结晶结构。因此聚丙烯纤维的拉伸温度一般控制在120～130℃。因为在此温度下，纤维性能最好，结晶速度也最高。

图4-17　晶区取向因子与最大拉伸比之间的关系

1-结晶以六方晶系为主　2-结晶以单斜晶系为主

图4-18　拉伸温度对结晶度的影响

聚丙烯纤维的拉伸速度不宜过高，因为过高的拉伸速度会使拉伸应力大大提高，纤维空洞率增加，增加拉伸断头率。短纤维拉伸速度为180～200m/min；生产长丝时拉伸速度一般为300～400m/min。

图4-19　热处理温度和时间对聚丙烯纤维密度的影响

聚丙烯短纤维拉伸为二级拉伸，第一级拉伸温度为60～65℃，拉伸倍数为3.9～4.4倍；第二级拉伸温度为135～145℃，拉伸倍数为1.1～1.2倍。总拉伸倍数：棉型纤维为4.6～4.8倍；毛型纤维为5～5.5倍。

聚丙烯长丝的拉伸为双区热拉伸，热盘温度为70～80℃，热板温度为110～120℃。总拉伸倍数为5倍左右。

（四）热定型

聚丙烯纤维经热处理，能改善纤维的尺寸稳定性，改善纤维的卷曲度和加捻的稳定性，并使纤维的结晶度由51%提高到61%左右。热处理提供了激化分子运动的条件。随着内应力的松弛，结构变得较为稳定和完整。图4-19为热定型温度和时间对聚丙烯纤维密度的影响。可见在一定温度范围内，结晶度随定型温度的提高和时间的延长而增大。结晶度增加的原因是热处理使某些内部的结晶缺陷得到愈合，并使一些缚结分子和低分子进入晶格。张力会妨碍这个过程的进行，因此松弛条件下结晶变化要比张力条件下的变化更显著。定型温度一般为120～130℃。