基本介紹
- 中文名：液晶紡絲
- 外文名：liquid crystal spinning
- 狀態：液晶
- 工藝方法：乾濕法紡絲
- 早期工業化：芳香族聚醯胺，“Kevlar”
- 性質：各向異性
- 套用：紡絲生產
簡介,液晶紡絲工藝,類型,一種濕法靜電紡液晶紡絲原液及其套用,化學纖維紡絲,紡絲方法,初生纖維的後處理,
簡介
液晶紡絲
將具有各向異性的液晶溶液（或熔體）經乾－濕法紡絲、濕法紡絲、乾法紡絲或熔體紡絲紡制纖維的方法。這是20世紀70年代發展起來的一種新型紡絲工藝，可以獲得斷裂強度和模量極高的纖維。液晶紡絲的特點是紡絲的溶液或熔體是液晶，這時剛性鏈聚合物大分子呈伸直棒狀，有利於獲得高取向度的纖維，也有利於大分子在纖維中獲得最緊密的堆砌，減少纖維中的缺陷，從而大大提高纖維的力學性能。
液晶紡絲主要採用乾濕法紡絲，通過空氣層時，液晶大分子進行自身取向，不一定要經過拉伸就可得到高取向狀態，但紡絲後要經過較高溫度的熱處理，熱處理一般在氮氣氛下進行。液晶紡絲是可形成液晶聚合物製取高強高模、耐高溫纖維的有效方法。
液晶紡絲工藝
具有剛性分子結構的聚合物在適當的溶液濃度和溫度下，可以形成各向異性溶液或熔體。在纖維製造過程中，各向異性溶液或熔體的液晶區在剪下和拉伸流動下易於取向，同時各向異性聚合物在冷卻過程中會發生相變形成高結晶性的固體，從而可以得到高取向度和高結晶度的高強纖維。
溶致性聚合物的液晶紡絲通常採用乾濕法紡絲工藝。由下圖可見，各向異性溶液從噴絲孔擠出時，液晶區在剪下力作用下在流動的方向上取向。因紡絲原液的黏彈性，噴絲孔出口處液晶區的取向略有散亂。然而這種散亂在氣隙中隨紡絲張力引起的紡絲線變細而迅速恢復正常，變細的紡絲線在保持高取向的狀態下凝固，從而形成高結晶、高取向性的纖維結構。
溶致性聚合物乾濕法紡絲中聚合物分子取向機理示意圖
溶致性聚合物乾濕法紡絲中聚合物分子取向機理示意圖由乾濕法紡絲得到的溶致性聚合物纖維一般不再進行拉伸，但在高溫、高張力下進行熱定型可進一步提高纖維的結晶性和結晶取向性。
熱致性聚合物的液晶紡絲可採用熔體紡絲工藝。洗淨的聚合物熔融後從噴絲孔中擠出形成纖維。利用這種傳統技術，熱致性聚合物可在90～180mm/min速度下紡絲。
熔融溫度為275～375℃、熱分解溫度為350～450℃的熱致性聚合物可進行穩定的紡絲。未經處理的熱致性聚合物纖維通常要在高溫下進行熱定型。
考慮到熱致性聚合物的熔融溫度高、熔體黏度大，此外，為了使添加劑在纖維中充分分散，
熱致性聚合物的液晶紡絲也可採用溶液紡絲工藝。
熱致性聚合物的液晶紡絲也可採用溶液紡絲工藝。
芳香族聚醯胺的液晶紡絲已經實現了工業化生產，其中美國杜邦公司的聚對苯二甲醯對苯二胺纖維在1972年以“Kevlar”的商品名問世。芳族共聚酯“Vectran”纖維也已在1986年開發成功。
類型
晶型按其分子排列的結構不同，可以分為三種類型：①向列型液晶；②膽甾型液晶；③近晶型液晶。某些剛性鏈聚合物在特定條件下能形成液晶，如全對位的芳香族聚醯胺能溶解在濃硫酸中，當聚合物濃度達到臨界濃度以上時，聚合物分子在局部區域便沿著同一方向排列而呈一維有序的向列型液晶。這時隨著聚合物濃度的增加，溶液的粘度反而下降。但是隨著聚合物濃度的進一步增大，溶液在室溫下將凍結成固體，因此必須相應提高溫度以便得到適合於液晶紡絲要求的溶液。根據液晶的這種特性，可用剛性鏈聚合物配成高濃度的液晶紡絲溶液。這種紡絲溶液從噴絲孔擠出後，經高倍噴頭拉伸，大分子及其聚集體易於沿纖維拉伸方向取向，然後採用低溫凝固浴，使取向的液晶結構快速固定，由此得到高度取向的高強度高模量的纖維。除全對位芳香族聚醯胺外，芳香族聚醯肼在有機溶劑和水中也形成液晶；某些纖維素衍生物在有機溶劑中或水中生成液晶；芳香族聚酯、聚甲亞胺、瀝青等熔融態液晶都能紡絲。剛性鏈的芳香聚酯經液晶態熔體紡絲和多段拉伸熱處理，也能得到高強度、高模量的纖維。
一種濕法靜電紡液晶紡絲原液及其套用
本發明的液晶紡絲原液為一種離子液，由5～10wt%的LiCl和90～95wt%的碸、亞碸或DMAc組成。本發明的液晶紡絲原液可用於濕法靜電紡，尤其適合於芳香族聚醯胺或纖維素的濕法靜電紡。採用本發明的液晶紡絲原液進行濕法靜電紡，不但可以解決傳統工藝問題而且可以有利於在納米級纖維的製成，設備投資費用低，導電性強，有利於靜電紡絲，溶劑不揮發，不易燃，且可循環回收利用，同時，價格相對便宜，而且容易製備。由此可見，本發明的液晶紡絲原液具有十分廣闊的工業化套用前景。
液晶紡絲原液
液晶紡絲原液化學纖維紡絲
包括紡絲熔體或溶液的製備、纖維成形和卷繞以及後處理過程。後處理過程則有初生纖維的拉伸、熱定形到成品包裝等一系列工序。
紡絲方法
成纖聚合物在溶劑中溶解成溶液，或將成纖聚合物切片在螺桿擠出機中加熱熔融成熔體，經紡前準備工序後入紡絲機，用紡絲泵（計量泵）將紡絲溶液或熔體定量、連續、均勻地從噴絲頭的細孔壓出，這種細流在水、凝固液或空氣中固化，生成初生纖維，此過程即纖維成形。在紡絲過程中，成纖聚合物要發生幾何形態和物理形態的變化，如聚合物的溶解或熔化，紡絲流體的流動和形變，絲條固化過程中的膠凝、結晶、二次轉變和拉伸流動中的大分子取向，以及過程中的擴散、傳熱和傳質等。紡制人造纖維（粘膠纖維、銅氨纖維）時，還發生化學結構的變化。這些變化彼此影響，故改變紡絲條件，可在一定範圍內改變所得纖維的物理機械性能。
常用紡絲方法 有熔體紡絲和溶液紡絲兩類。通常在熔融狀態下不發生顯著分解的成纖聚合物採用熔體紡絲，例如聚酯纖維、聚醯胺纖維等。熔體紡絲過程簡單，紡絲速度高。溶液紡絲法適用於熔融時要分解的成纖聚合物，將成纖聚合物溶解在溶劑中製得粘稠的紡絲液，然後進行紡絲。按從噴絲孔擠出的紡絲液細流的凝固方式，溶液紡絲又分為濕法紡絲和乾法紡絲兩種。溶液紡絲紡速較低，尤其是濕法紡絲。為提高紡絲能力，需採用孔數很多的噴絲頭。乾法紡絲的紡速高於濕法紡絲，但遠低於熔體紡絲。
新型紡絲方法 在工業上套用的新型紡絲方法，主要有乾噴濕紡法、乳液或懸浮液紡絲法、膜裂紡絲法。
①乾噴濕紡法 又稱乾濕法紡絲，是乾法與濕法相結合，將紡絲液從噴絲頭壓出，先經過一段空間，然後進入凝固浴槽，從凝固浴槽導出初生纖維。
與一般濕法紡絲比較，乾噴濕紡法的紡絲速度要高若干倍，還可採用孔徑較大（0.5～0.3mm）的噴絲頭，同時採用濃度較高、粘度較大的紡絲溶液，顯著提高了紡絲機的生產能力。目前，這種紡絲方法已在聚丙烯腈纖維、芳香族聚醯胺纖維等生產中得到套用。②乳液紡絲法 又稱載體紡絲法，是將聚合物分散於某種可紡性較好的物質（作載體）中呈乳液狀態，然後按載體常用的方法紡絲。載體常用粘膠或聚乙烯醇水溶液，所以乳液紡絲工藝類似於濕法紡絲。得到的初生纖維經拉伸後在高溫下燒結，載體炭化，聚合物顆粒在接近粘流溫度下被粘連形成纖維。適宜於乳液紡絲的成纖聚合物應具有高於分解溫度的熔點，沒有合適的溶劑使其溶解或塑化，因而無法製成熔體和紡絲溶液。目前，該法在聚四氟乙烯纖維等的生產中已得到套用。
此外，為紡制具有特殊性能纖維的需要，還發展了若干其他紡絲方法，例如：凍膠紡絲法（將濃聚合物溶液或塑化的凍膠從噴絲頭細孔擠出到某氣體介質中，細流冷卻，伴隨溶劑揮發，聚合物固化得到纖維，又稱半熔體紡絲）；相分離紡絲法（以聚合物溶液作為紡絲原液，通過改變溫度使紡絲液細流固化）；閃蒸紡絲法（聚合物在高溫高壓下溶解於特殊溶劑中，原液細流出噴絲頭時溶劑閃蒸而形成纖維）；噴霧凝固紡絲法（紡絲溶液被壓入封閉室內，受噴入室內的霧狀凝固劑作用形成纖維）；靜電紡絲法（聚合物熔體或其在揮發性溶劑中的溶液在靜電場中形成纖維）；液晶紡絲法（用處於液晶狀態的溶液紡絲），等等。
初生纖維的後處理
在紡絲工序得到的未經拉伸的絲條，統稱初生纖維。其結構尚不完善和穩定，物理-機械性能也差，尚不宜於紡織加工。因此，必須經過後處理工序，其流程隨纖維品種和類型（長絲、短纖維等）而異。拉伸和熱定形直接影響成品纖維結構和性能，是後處理各種流程中不可缺少的主要工序。用濕法紡絲得到的纖維還要經過水洗，以除去附著的凝固浴液和溶劑；生產短纖維時需要進行捲曲和切斷；生產長纖維則需要進行加捻、絡筒等。這些工序對纖維超分子結構的改變不大，因而對性能的影響較小。為賦予纖維以某些特殊的性能，如抗皺、耐熱水、蓬鬆、回彈等性能，還需在後處理過程中進行一些特殊加工。
拉伸 又稱纖維二次成形。後處理過程中最重要的工序。紡絲後得到的卷繞絲或經集束後的大股絲束在拉伸機上進行拉伸，使大分子沿纖維軸向取向排列，同時發生結晶，以進一步提高初生纖維的結晶度，或改變晶型結構,形成一定的超分子結構,從而顯著提高纖維強度。
生產短纖維時，拉伸在幾台速度不同的拉伸機之間進行。隨纖維品種不同，拉伸方式有：一道拉伸和多道拉伸、冷拉伸和熱拉伸、濕熱拉伸和乾熱拉伸等。拉伸介質可用空氣、蒸汽、水浴、油浴或其他浴液。拉伸溫度、拉伸介質、拉伸速度和多級拉伸配比等工藝條件對所得纖維的結構和性能有很大影響，常需正確選擇。另外，為了得到纖度和其他物理-機械性能均勻的纖維，拉伸點（絲條上細頸開始出現的位置）必須固定。否則會形成拉伸不足或未拉伸纖維，所得纖維粗細不一，染色不勻。
生產長絲時，卷繞絲經存放平衡後，在拉伸-加捻機上進行拉伸。根據不同品種的要求,拉伸-加捻機有單區拉伸和雙區拉伸兩類。如生產滌綸、高強力錦綸，採用雙區拉伸，頭道拉伸發生在餵入輥與上拉伸盤之間，稱為常溫拉伸；二道拉伸則發生在上下拉伸盤之間，稱為熱拉伸。上拉伸盤也稱熱盤，上下拉伸盤之間有加熱板或縫式加熱器，拉伸後絲條穿過導絲鉤、鋼領圈而卷繞於插在鋼領板的雙錐筒子上。
熱定形 是合成纖維生產中特有的工序。熱定形的目的：一是提高纖維的形狀穩定性（用纖維在沸水中的剩餘收縮率來衡量）；二是進一步改善纖維的物理-機械性能，以及固定捲曲度（對短纖維）或捻度（對長絲）；三是改善纖維的染色性能。在某些情況下，通過熱定形可使纖維發生熱交聯（如聚乙烯醇縮甲醛纖維），或藉以製取高收縮性和高蓬鬆性的纖維，賦予纖維及其紡織製品以波紋、褶襞或高回彈性等效果。
熱定形可在張力或無張力下進行。前者稱緊張熱定形（包括定張力熱定形和定長熱定形）；後者稱鬆弛熱定形。兩者的工藝條件以及所得纖維的結構、性能均不同。
