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1、第三章 熔體紡絲（melt spinning）工藝原理,一 熔體紡絲的定義及適用范圍 將高分子聚合物加熱熔融成為一定粘度的紡絲熔體，利用紡絲泵連續(xù)均勻地擠壓到噴絲頭，通過噴絲頭的細(xì)孔壓出成為細(xì)絲流，然后在空氣或水中使其降溫凝固，通過牽伸成絲。,第一節(jié) 概述,二 熔體紡絲的工序 熔紡分直接紡絲法和切片紡絲法。 直接紡絲是將聚合后的聚合物熔體直接送往紡絲； 切片紡絲則需將高聚物溶體經(jīng)鑄帶、切粒等紡前準(zhǔn)備工序而后送往紡絲。 熔體紡絲工藝主要包括：紡絲熔體的制備；將熔體經(jīng)噴絲板眼壓出熔體細(xì)流的形成；熔體細(xì)流被拉長變細(xì)并冷卻凝固；固態(tài)絲條的上油和卷繞。,熔紡的主要特點是卷繞速度高、不需要溶劑和
2、沉淀劑，設(shè)備簡單，工藝流程短。熔點低于分解溫度、可熔融形成熱穩(wěn)定熔體的成纖聚合物，都可采用這一方法成形。如滌綸、丙綸、錦綸等。 熔體紡絲是一元體系，只涉及聚合物熔體絲條與冷卻介質(zhì)間的傳熱，紡絲體系沒有組成的變化，而干法和濕法紡絲分別為二元體系（聚合物+溶劑）和三元體系（聚合物+溶劑+沉淀劑）。,在紡絲過程中，聚合物熔體以一定的流量自噴絲板細(xì)孔擠出，在噴絲板到卷繞裝置之間，絲條必須被拉伸至需要的細(xì)度并充分地冷卻固化。噴絲板的孔徑一般為0.1-0.4mm，而卷繞絲的直徑僅為20-30m，熔體出噴絲孔后，絲條的直徑需成十倍的減小，絲條就應(yīng)成百倍地被拉伸，因此卷繞的速度就應(yīng)成百倍地高于擠出速度。,由
3、于聚合物熔體絲條一旦凝固便具有很大的抗張能力，因此，熔體紡絲的速度很高，工業(yè)上熔體紡絲的卷繞速度為每分鐘幾百米至幾千米。絲條的冷卻固化通常在噴絲板下的空氣中完成，為了加強(qiáng)冷卻效果，一般在噴絲板后，在垂直或平行于絲條的方向上吹送調(diào)溫調(diào)濕氣流。,初生纖維的后處理主要有拉伸、熱定型、卷曲和假捻。 拉伸可改變初生纖維的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高斷裂強(qiáng)度和耐磨性，減少產(chǎn)品的伸長率。熱定型可調(diào)節(jié)紡絲過程帶來的高聚物內(nèi)部分子間作用力，提高纖維的穩(wěn)定性和其他物理機(jī)械性能、染色性能。卷曲是改善合成纖維的加工性（羊毛和棉花纖維都是卷曲的），克服合成纖維表面光滑平直的不足。假捻是改進(jìn)紡織品的風(fēng)格，使其膨松并增加彈性。,熔體紡
4、絲理論是在高分子物理學(xué)與連續(xù)介質(zhì)力學(xué)等學(xué)科背景下發(fā)展起來的。,涉 及 的 問 題,紡絲過程中的動量和熱量交換,流動和形變下的大分子取向,聚合物結(jié)晶動力學(xué),受紡絲條件影響的纖維形態(tài),基本規(guī)律 1）紡絲線上的任何一點上，高聚物的流動是“穩(wěn)態(tài)”的和連續(xù)的。 2）紡絲線上的主要成形區(qū)域內(nèi)，占支配地位的形變是單軸拉伸。 3）紡絲過程是一個狀態(tài)參數(shù)（T,，C）連續(xù)變化的非平衡態(tài)動力學(xué)變化。 4）紡絲動力學(xué)包括幾個同時進(jìn)行并相互聯(lián)系的單元過程，如流體力學(xué)過程，傳熱、傳質(zhì)，結(jié)構(gòu)和聚集態(tài)變化過程等。,第二節(jié) 紡絲過程中的基本規(guī)律和主要參數(shù),熔體紡絲過程中的參數(shù)可以歸為三類,第二節(jié) 熔體紡絲過程的運動學(xué)和動力學(xué),
5、紡絲線上直徑的變化和速度的分布,從速度分布，可求出拉伸應(yīng)變速率（軸向速度梯度）,根據(jù)拉伸應(yīng)變速率的不同，把整個紡絲線分成三個區(qū)域,第一區(qū)：在直徑膨化最大的地方，離噴絲板<10mm； 第二區(qū)：發(fā)展拉伸流動的主要區(qū)域，通常在50150CM； 第三區(qū)：絲條已基本固化，不再明顯流動。,初生纖維結(jié)構(gòu)的形成和發(fā)展主要是指紡絲線上聚合物的取向和結(jié)晶。 一 熔體紡絲過程中的取向作用 紡絲過程中發(fā)生取向是纖維制造中重要的結(jié)構(gòu)形成過程之一。對成品纖維的取向貢獻(xiàn)最大的不是紡絲工序，而是拉伸工序。在紡絲過程中得到的取向度，即預(yù)取向度，對拉伸工序和成品纖維的取向度有很大的影響，對結(jié)晶動力學(xué)和晶體形態(tài)也有一定的影響。
6、,第三節(jié) 熔體紡絲過程中纖維結(jié)構(gòu)的形成,兩種取向機(jī)理： （1）處于熔體狀態(tài)下的流動取向機(jī)理：包括噴絲孔中切變流場中的流動取向和出噴絲孔后熔體細(xì)流在拉伸流場中的流動取向,T高，小，取向小，可忽略,控制取向的速度場：軸向速度梯度，主要,（2）纖維固化之后的形變機(jī)理,是一種橡膠網(wǎng)絡(luò)取向拉伸，對卷繞絲的取向度也有貢獻(xiàn)，大小取決于形變比,取向度的測定：一般用取向因子f 表征。,該式用于表征單軸取向中結(jié)構(gòu)單元的取向， 表示單元晶胞某晶軸與纖維軸的平均夾角，當(dāng)結(jié)構(gòu)單元完全平行于纖維軸時，=0，f=1；垂直于纖維軸時，=90度，f=0.5 。,二 熔體紡絲過程中的結(jié)晶 熔體紡絲線上的結(jié)晶是控制絲條固化的一
7、個極重要的動力學(xué)過程。紡絲線上的結(jié)晶對卷繞絲的結(jié)構(gòu)和性能起決定作用。 （一）熔體紡絲中纖維結(jié)晶的主要特征 熔體紡絲中纖維結(jié)晶的特征包括兩個方面，一是卷繞絲本身的晶態(tài)結(jié)構(gòu)，二是熔體紡絲中聚合物結(jié)晶過程的發(fā)展。,卷繞絲的結(jié)晶特性主要包括：晶格結(jié)構(gòu)、結(jié)晶度、結(jié)晶形態(tài)和結(jié)晶取向等，它們對纖維的物理性能都有一定的影響。,1. 晶格結(jié)構(gòu) 成纖聚合物的晶體，大多數(shù)為對稱性較小的晶系，如三斜、單斜等，值得注意的是，纖維結(jié)晶中常常會出現(xiàn)同質(zhì)多晶現(xiàn)象，即在不同的紡絲過程和紡絲條件下，生成不同的晶型。例如：聚丙烯（PP）在快速冷卻時形成六角次晶，而在緩慢固化時形成單斜晶體 。,2. 結(jié)晶度 聚合物的結(jié)晶極不完整
8、，常用X射線衍射、熱分析或密度法來測定 3. 結(jié)晶形態(tài)及尺寸 在光學(xué)和電子顯微鏡下，可以觀察到聚合物有多種形態(tài)，主要為球晶，柱晶，片晶，單晶。,高速紡絲，紡速已達(dá) 30004000m/min，所得的卷繞絲稱為部分取向絲。用超高紡速 (900010000m/min)以獲得全取向絲的工藝也已研究成功。 高速紡絲的優(yōu)點有：生產(chǎn)能力大；所得纖維的貯存穩(wěn)定性好；對卷繞工序的空調(diào)要求較低；能得到部分取向絲，可直接在拉伸變形機(jī)上加工；能形成穩(wěn)定的卷裝；變形加工時截面形變小，加工容易；染色較均勻。,三 高速紡絲線上的結(jié)晶特征,冷卻速率增加，結(jié)晶所需時間降低，結(jié)晶速率隨紡速提高而增加。 取向使結(jié)晶速率大大增加的
9、原因，可以概括為兩類：一，從結(jié)晶理論的角度看，大分子取向區(qū)域越大，生成晶核的臨界溫度也越高，因此，在熔體冷卻的過程中，取向高的體系能夠在較高的溫度下形成晶核，取向低的體系則相反，必須有較大的過冷度才能形成晶核。,？,,,二，從熱力學(xué)的角度看，取向體系比未取向體系的熵值低，所以從熔體轉(zhuǎn)變?yōu)榫w時，取向體系的熵值變化小，即自由能變化較大，這樣就能使那些在未取向體系中不穩(wěn)定的亞穩(wěn)晶核穩(wěn)定下來，即增大晶核生成的速率。對于取向度非常高的體系，臨界晶核尺寸將小到晶胞尺寸的數(shù)量級，有人提出在這種情況下，結(jié)晶的歷程就從通常的晶核形成和晶粒生長轉(zhuǎn)變?yōu)椋骸罢w均勻成核”（nucleative collapse），
10、因此結(jié)晶速率迅速增加。,一、熔融擠出 切片熔融過程通常在螺桿擠壓機(jī)內(nèi)進(jìn)行，控制螺桿擠壓機(jī)各段溫度和箱體溫度可以改變?nèi)垠w的溫度，使其具有適當(dāng)?shù)恼扯群土己玫目杉徯?。從螺桿擠壓機(jī)出來的熔體經(jīng)過計量泵送往噴絲頭組件。后者由過濾網(wǎng)、分配板和噴絲板等組成，其作用是除去熔體中的雜質(zhì)， 使熔體均勻地送至噴絲板。,第四節(jié) 熔體紡絲過程,熔體粘度和溫度是熔體紡絲的主要工藝參數(shù)。在一定溫度下，熔體粘度主要取決于成纖聚合物的分子量。 熔體粘度過高，則流動不均勻，使初生纖維拉伸時易產(chǎn)生毛絲、斷頭； 熔體溫度可利用螺桿擠出機(jī)各段的溫度來控制，熔體溫度過高，會導(dǎo)致聚合物降解和形成氣泡；溫度過低，則熔體粘度過高；
11、兩者均使紡絲過程不能正常進(jìn)行。,噴絲板用耐熱、耐腐蝕的不銹鋼材料制成，面上的小孔按一定規(guī)律排布，孔徑通常為0.20.5毫米。熔體通過噴絲板上的小孔形成熔體細(xì)流。細(xì)流直徑在出噴絲小孔處會出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象，這是因熔體的彈性所致。不同的聚合物孔口膨脹程度不同。聚酯、聚酰胺熔體在正常紡絲條件下，孔口脹大比在1.5以下。彈性效應(yīng)較顯著的是聚丙烯?？卓诿洿蟪Ｊ橇鲃硬痪母础?生產(chǎn)上常采用增大噴絲小孔直徑、長徑比（小孔長度與直徑之比）和提高熔體溫度等措施來減小脹大比，以防止熔體破裂（在高應(yīng)力或高剪切速率時，液體中的擾動難以抑制并易發(fā)展成不穩(wěn)定流動，引起流體破壞）。,熔體的彈性的幾種表現(xiàn),孔口脹大效應(yīng),紡絲流體
12、的應(yīng)變松弛,爬桿現(xiàn)象,液體的彈性回縮,,螺桿擠出機(jī),,計量泵,噴絲板,二、冷卻固化 熔體細(xì)流噴出后受到冷空氣的作用而冷卻固化。細(xì)流和周圍介質(zhì)的熱交換主要以傳導(dǎo)和對流方式進(jìn)行。熔體細(xì)流的溫度在冷卻過程中逐步下降，粘度則不斷提高，當(dāng)粘度提高到某臨界值而卷繞張力已不足以使纖維繼續(xù)變細(xì)時，便到達(dá)了固化點。 固化長度指熔體細(xì)流從噴絲孔口到固化點的長度，這是纖維結(jié)構(gòu)形成的關(guān)鍵區(qū)域。,冷風(fēng)從四周吹向纖維的環(huán)形吹風(fēng)，適用于短纖維的多孔紡，能有效地提高纖維質(zhì)量。,冷卻室內(nèi)吹出冷空氣的風(fēng)速、風(fēng)溫需要均勻恒定，以保證熔體細(xì)流在紡絲過程中的溫度分布、速度分布和固化點的位置恒定。纖維所受的軸向拉力恒定才能制得粗細(xì)和
13、結(jié)構(gòu)均勻的纖維。,不同品種的纖維根據(jù)需要可以適當(dāng)?shù)馗淖兝鋮s方式。 如紡制民用纖維常在約2米長的冷卻室內(nèi)用空氣介質(zhì)冷卻成形; 紡制聚酯和聚酰胺簾子線纖維則常在噴絲頭下方和冷卻室上方設(shè)置加熱裝置以降低纖維的冷卻速度，使初生纖維結(jié)構(gòu)均勻，拉伸性能良好； 在紡制粗條子纖維時(如棕絲)常以水為冷卻劑，使纖維迅速冷卻。,熔體細(xì)流冷卻成形時在周圍空氣介質(zhì)中遇到的摩擦阻力，比濕法紡絲成形時絲條承受的溶液阻力小。熔體細(xì)流一經(jīng)固化，就有巨大的抗張能力，所以熔紡的卷繞速度比濕紡為高，一般在10001500米/分，噴絲頭拉伸比（卷繞速度與熔體從噴絲孔噴出速度之比）也比濕紡時高。 三、上油 熔紡纖維剛成形時幾乎是干
14、的，容易積聚靜電，纖維間的抱合力差，與設(shè)備的摩擦力大，因此在卷繞前要經(jīng)過給油、給濕處理。,對于吸水性較大的聚酰胺纖維還可以防止繞在筒管上的絲條再度吸水，以致發(fā)生縱向膨脹而出現(xiàn)松圈和塌邊等現(xiàn)象。 化學(xué)纖維在紡絲和紡織加工過程中因不斷摩擦而產(chǎn)生靜電，必須使用助劑以防止或消除靜電積累,，同時賦于纖維以柔軟、平滑等特性，使其順利通過后道工序。這種助劑統(tǒng)稱為化學(xué)纖維油劑 。,油劑主要由表面活性劑組成，能在化學(xué)纖維表面形成定向的吸附層，即油膜。 油膜的親水基朝向空間，吸附空氣中的濕氣，在纖維表面上形成連續(xù)的水膜，使帶電離子在水膜上泳移，減少因摩擦所產(chǎn)生的靜電荷積聚，從而降低纖維表面電阻，增加導(dǎo)電作用； 油膜隔離纖維,又對纖維有一定的親和力,使其產(chǎn)生一定的集束性而不致散亂； 它還賦予纖維一定的平滑性，使纖維在摩擦過程中不受損傷，并有良好的手感，在紡絲時能順利通過卷繞、拉伸、干燥等工序； 還能消除紡織加工過程中的靜電作用，減少毛絲及斷頭等不正常情況，保證纖維產(chǎn)品的質(zhì)量。,重點 （1）簡述熔體紡絲的過程和特點 （2）熔體紡絲的基本規(guī)律 （3）取向結(jié)晶機(jī)理,思考題：為什么取向使結(jié)晶速率大大增加,
合成纖維第三章熔體紡絲
