第一节 熔体纺丝成型原理 第二章第二章 化学纤维化学纤维 成型原理成型原理 熔体纺丝法、干法纺丝法、湿法纺丝法 l纺丝熔体的制备 l熔体自喷丝孔的挤出 l挤出熔体细流的拉长变细 l冷却固化 l固化丝条的上油和卷绕 熔体纺丝生产流程 熔体纺丝原理 熔体纺丝示意图 1螺杆挤出机 2喷丝板 3吹风窗 4纺丝甬道 5给油盘 6导丝盘 7卷绕装置 1入口区 2孔流区 3膨化区 4形变区 5稳定区 熔体细流及固化成形示意图 一、熔体细流冷却固化历程 、入口区（喇叭口）： 入口效应：熔体大空间进入小空间流速能量损失这部分能量损失使柔顺的高分子 分子链以高弹形变的方式作为弹性能贮存 2、孔流区（喷丝孔的毛细孔）： l流速呈抛物线分布：孔壁处速度小，孔中心速度高，径向速度梯度 l入口效应产生的高弹形变有所消失（消失非常小） 3、膨化区（离开喷丝孔后）： l直径最大处：离喷丝板不超过10mm l出口膨化：剪切速率 、剪切应力 熔体在进入孔口时所储存的弹性能，以及在孔流 区贮存的并来不及在孔道中松弛的那部分弹性能将在熔体流出孔口处发生回弹 和应力松弛细流膨化胀大。 4、形变区 （膨化区之后与固化点之间 ）: 离开喷丝板1015cm的距离内，温度高，流动好卷绕张力熔体细流拉长变细、速度上 升 冷却风细流从上到下温度降低黏度增加大分子取向度增加（双折射上升）、大 分子结晶该区的终点即为固化点（离喷丝板板面约4080cm ） 5、稳定区 （固化点到卷绕筒 ）: 初生纤维、纤维不再细化，速度不变 二、挤出细流的类型 挤出细流的类型 （a）液滴型 （b）漫流型 （c）胀大型（ d）破裂型 1、液滴型： l特征：不能成为连续细流，无法形成纤维 l判断：表面张力与粘度的比值/10-2cm/s 液滴型 l影响： /、喷丝孔径、挤出速度 液滴型 l避免：温度（ ）、泵供量（挤出速度 ） 避免液滴型细流出现 2、漫流型： l特征：喷丝板表面漫流，细流间易相互粘连 l 、R0 、0 、 液滴型向漫流型过渡 l避免：喷丝板表面涂硅树脂 降低纺丝流体与喷丝板间的界面张力（适当喷丝头材料） （T ） 0（泵供量 ） 3、胀大型： l特征：正常纺丝细流。 l判断：胀大比B0= 12.5 4、破裂型： l特征：波浪形、鲨鱼皮形、竹节形或螺旋形畸变，甚至发生破裂 l判断：弹性雷诺准数5 三、熔体纺丝的运动学和动力学 1、熔体纺丝线上的速度分布： 熔体从喷丝孔挤出后，熔体丝条逐渐被拉细，运动速度逐步加大 2、熔体纺丝线上的力平衡： FpFg=FrFiFfFs 式中卷绕张力Fp可用张力计在纺丝线上直接测定，重力Fg、惯性力Fi、摩擦力Ff及表面张力Fs可根据理论 计算得到，从而可求出流变阻力Fr 四、成型过程中的热量变化 l热量变化：熔体细流不断向周围介质释出热量，温度逐渐下降。 l手段：强制对流传热（环形吹风、侧吹风） 五、熔体纺丝中纤维结构的形成 1、取向： l机理：熔体状态下的流动取向机理（喷丝孔中切变流场中的流动取向和出喷丝孔后熔体细流在拉伸流场 中的流动取向）；纤维固化之后的形变取向机理 l表示：双折射n，n纤维取向度 l大小：流动形变区：该区在喷丝板以下070cm范围，解取向主要（高温），取向很小 结晶取向区：该区在喷丝板下80130cm范围，结晶和取向加速 塑性形变区：接近固化的末端，距离喷丝板130cm，部分变形取向 2、结晶： l晶格结构、结晶度、结晶形态和结晶取向 第二节 湿法纺丝成型原理 湿法纺丝 生产流程 湿法纺丝原理 一、成纤高聚物溶解的基本规律 1、溶解过程： 溶胀 溶解 2、影响溶解度的结构因素： l大分子链结构：分子间作用力强、刚性分子链、化学交联溶解度 l超分子结构：结晶高聚物溶解度 l溶剂：极性溶剂（成纤高聚物是极性高聚物） 3、溶剂的选择： l高分子溶液相互作用参数1： 1 1/2 大分子和溶剂分子间作用能溶解 11/2 大分子和溶剂分子间作用能不溶解 l相似相溶：结构 l内聚能密度或溶度参数相近 ：溶解 二、湿法纺丝的运动学和动力学 1、湿法成型过程中纺丝线上的速度分布： l喷丝头正拉伸：纺丝线的速度略大于喷丝速度，胀大区消失或部分消失，速度和速 度梯度沿纺程的分布情况和熔纺相类似。 l零拉伸与负拉伸：胀大区的存在，刚进入凝固浴时，纺丝线的速度低于喷丝速度。 2、湿法成型区内的喷丝头拉伸： l理论：喷丝头负拉伸，使成型得以稳定 l实际：喷丝头正拉伸或零拉伸（胀大区的存在） 3、湿法纺丝线上受力分析： l纺丝线上轴向力：平衡 l纺丝线上的径向应力： 施加于纺丝线上的张力，完全由皮层承受和传递，皮层的取向度比芯层高得多。 靠近喷丝头的区域内，张力由很薄的皮层承受，故皮层内的应力很大。 三、湿法纺丝中的传质过程 l双扩散的传质过程： 液体细流中的溶剂及盐类向外扩散，而凝固剂向内扩散，结果 形成固相纤维。 l传热过程：热效应不大（传质过程中温度差别不大） 四、湿法纺丝中纤维结构的形成 1、初生纤维溶胀度： l取向度：溶胀度高聚物含量分子间作用力取向度 断裂强度 l序态和染色饱和值：溶胀度较高的碘溶胀度（低序态）和高的染色饱和值 l干燥收缩率：溶胀度纵向收缩率 2、形态结构： l横截面形状：强烈凝固非圆形横截面 缓慢凝固圆形横截面 l皮芯结构：皮层：密实、取向度高；芯层：松散，微晶较粗大。 其主要原因是： 细流周边和内部的聚合物的凝固机理不同，凝固剂在纤维内部分布不匀； 纺丝原液在喷丝孔口处的膨化效应，导致细流外表层的“拉伸效应” ； 皮层凝固，芯层尚处于液流态，大部分拉伸张力导致皮层产生单轴拉伸形变； 外层大分子链在喷丝孔内取向，内层因凝固速率较慢，取向的分子链解取向； l空隙：由于皮层颇为刚性，聚合物粒子的合并使内部体系收缩时，皮层不能按比例发 生形变，湿纺初生纤维内部产生大空洞或毛细孔。 3、超分子结构： l剪切流动取向：孔道中的剪切流动取向较小； l拉伸流动取向：湿纺中的流动取向机理在湿纺条件下其效果较小； l拉伸形变取向：初生纤维的取向主要来自于拉伸形变取向。 第三节 干法纺丝成型原理 干法纺丝生产流程 干法纺丝原理 干纺工艺特点： l纺丝溶液浓度比湿法高，18%45%，黏度高，喷丝头拉伸大（27倍） l纺丝线上丝条受到的力学阻力远比湿纺小，纺速比湿纺高，一般达300600m/min l喷丝头孔数远比湿纺少（干法固化慢，固化前丝条易粘连） 一、溶剂的选择 l纺丝速度主要取决于溶剂的挥发速度 l高浓度聚合物 l溶剂的沸点和蒸发潜热应尽可能低 l常用溶剂：丙酮、二甲基甲酰胺 二、干法纺丝的运动学和动力学 l直径分布：靠近喷丝板，直径急剧下降（细流拉伸流动） 以后，因溶剂蒸发和喷丝头拉伸直径缓慢减少 随着溶剂蒸发量的减少和丝条的固化，趋于平稳。 l速度分布：速度分布与熔纺相似，胀大区基本消失。 这是因为干法纺丝时，根据流变因素来看， 成型条件接近于熔纺，纺丝速度较高（6001200m/min） 腈纶干法纺丝线上直径和速度分布 三、干法纺丝中的传热和传质 干法同时进行传热和传质的过程 1、溶剂从纺丝线上除去有三种机理： 闪蒸； 纺丝线内部的扩散； 从纺丝线表面向周围介质的对流传质 2、纤维溶剂含量的变化及其温度的分布： 干法成型时沿纺程温度和溶剂的浓度分布图 l区：喷丝孔出口处，热的纺丝液解除压缩的结果，发生溶剂闪蒸，使溶剂迅速大量挥 发，聚合物细流表面的温度很快减少到湿球温度，而后温度变化很慢，经过一段时间后接 近所需温度和纤维中层温度，因为在区蒸发所需热量在很大程度上是由纺丝溶液供给的 ，同时同周围介质产生热交换。传质以对流方式进行，因为细流表层上溶剂的浓度大。此 段距离比较短。 l区：由于热风的传热与丝条溶剂蒸发达到平衡，这一阶段丝条的温度实际上保持不变 ，且等于湿球温度。沿纤维截面的温度同样是相同的，纤维同周围介质之间的热交换也恒 定。在该区内丝条内部温度保持较低，溶剂缓慢扩散，质量交换速度变化很小，可以近似 地认为不变。这时聚合物细流中溶剂的浓度会大一些，所以蒸发过程不是由内部扩散控制 ，它主要取决于外部的（对流的）热、质交换速度和与此相对应的表面温度。这个阶段的 热、质交换大致相同，纤维表面温度不变。 l区：纤维传质传热形成纤维结构的主要区域。纤维开始成形，溶剂从纤维中间层向表 面扩散，溶剂蒸发的速度更慢，浓度分布变得更大，随着蒸发强度的急剧降低，丝条表面 温度上升并接近热风温度。此时，纤维中的分子扩散速度又小，在此阶段开始除去使聚合 物分子溶剂化的那部分溶剂。在区内，溶剂的蒸发速度变小，以致聚合体与溶剂间的相 互作用加强，而且受内部扩散控制。区丝条的固化过程基本上完成，此时溶剂含量约为 30%50%。从甬道出来的纤维溶剂含量为5%25%。 返回目录