化学纤维的纺丝成型原理

cr
cr
因此，弹性雷诺准数可以作为熔体破裂的判据。一般来说， Reel ＞5～8时，即会发生熔体破裂。 措施 由上式可得，熔体破裂避免的措施为：
cr τ↓(T↑→τ↓)、 ↓(Q→ ↓) →Reel↓→避免 cr 提高纺丝流体温度和减小泵供量以减低 cr
4.2 熔体纺丝
概述
一、熔体纺丝工艺

但熔体纺丝中，由于卷绕速度较大，即拉伸比v(L)/v(0) 较 大，通常不存在胀大区。
形变区（第Ⅱ区） 在卷绕张力的作用下，细流被拉长变细，此区的长度
在50～150cm，从直径膨化最大的地方一直到玻璃化温度 Tg对应的地方（固化点），此区叫细化区。 由于变细，即有D(x)减小，故v(x)增加；纺丝线上的v(x) 沿纺程x的变化通常呈S形曲线，拐点把此区划分为Ⅱa和 Ⅱb区。 Ⅱ区的έ出现极大值，是熔体细流向初生纤维转化的重要过渡 阶段，是发生拉伸流动和形成纤 维最初结构的主要区域， 因此是纺丝成形过程最重要的区域。
(3)最大喷丝头拉伸比(VL/ V0)max 可纺性理论： 决定最大丝条长度χ* 的断裂机理.至少有两种:
B、理论
Ziabicki认为聚合物的断裂主要有2种，内聚 断裂和毛细破坏。 （1）内聚断裂:也叫脆性断裂
当储存的弹性能密度超过某临界值W * (相当于液
体的内聚能密度K)时，流体便发生破坏。
线性粘弹体的断裂条件为：W * = σxx /2E≈ K
（1）纺丝线上的任何一点，聚合物的流动是稳态的和连续的。 纺丝线：纺丝细流与固化纤维的总称，与 纺程是不同的。 稳态的：纺丝线上任何一点的状态参数不 随时间而变化。 d(V、T、P、C)/dt＝0 连续的：在稳态条件下，在某一时刻，纺 丝线上任何一点所流经的质量是相等的。
ρ 0V0A0＝ρ LVLAL＝ρ VA＝常数
dv d 2vx ( ) ＞ 0， 2 ＜ 0； 在此区中，D(x)减小，v(x)增加， dx dx
温度T较低使拉伸粘度较大，导致松弛时间延长，形成的结构
容易被稳定下来，即容易取向和结晶。
故此区是结构形成的区域，v(L)越大，则越易取向和结晶
等速区（第Ⅲ区）
从固化点一直到卷绕点。
在此区中，由于直径D(x)不变，故速度v(x)也不变； 但结构会发生变化，结构进一步在此形成，可能发生
ρ0«ρ
Fg g
0
x
d x
4
dx
低速纺时，Fg较重要；高速纺丝中，Fg的作用减弱甚至可忽略
B、表面张力Fs
纺丝过程是一个比表面积逐渐增大的过程，但表面张 力要使液体的表面趋于最小化，因此表面张力是一个 抵抗拉伸的作用力。
界面张力λ（N/m）：单位分界边缘上的力，聚合物熔体的 界面张力一般为0.03～0.08 N/m。 表面张力Fs：由界面张力可以计算求得，其关系式为：

原则上,这两种断裂机理都能独立地对丝条的断裂起作用.
两种断裂机理起控制作用的条件:
η、 V0 较小时毛细破坏起控制作用 η、 V0 较大时内聚破坏起控制作用 在某一中间范围χ* 有极大值,可纺性最好
4.1. 4 挤出细流的类型
随着纺丝流体的粘弹性和挤出条件的不同，有4种类型。
(1)液滴型
定义
由内聚破坏所决定的最大拉丝长度
Xcoh=1/2[ln(2k/E)-2ln(V0τ ξ )]/ ξ
式中：V0 —— 流体挤出速度， ξ ——拉伸形变梯度 =d(lnV)/dx，τ —— 松驰时间 内聚能密度K↑ ， ξ 、V0及τ ↓ xcoh ↑
（2）毛细破坏
当液体表面张力引起的扰动及其滋长和传播导致毛细波发展到振幅δ (x* )等于自由表面无扰动丝条的半径R (x * )时，流体便发生破坏。
dvx d 2vx 0, 2 0 dx dx
固化丝条运动区：Vx=K，d=K‘，
胀大区
形变区
等速区
胀大区（Ⅰ区 ）
从喷丝板一直到对应于直径膨化最大的地方，通常离喷丝 板不超过10mm,即x ＜10mm。 在此区中，由于弹性表现而呈现胀大效应，故直径增大而 速度减小；即有D(x)增大，而v(x)下降，拉伸应变速率 (dv/dx) ≤ 0。
(3) 胀大型
定义
挤出的细流在孔口处发生胀大，但不依附于喷丝板 面的挤出类型，叫做“胀大型”。
胀大比B0 细流的最大直径与喷丝孔的直径之比，叫做“胀大
比”B0。纺丝流体出现孔口胀大现象，是由于纺丝 流体的弹性。 一般纺丝流体的胀大比B0为1～2.5；个别的高达7
（4）破裂型
在胀大型的基础，丝条如果继续提高挤出速度，挤出细流 则会因均匀性的破坏而转化为破裂型。
PA熔体纺丝线上的直径分布
PA熔体纺丝线上的速度分布
纺丝线上发生结晶, 存在着一处丝条直径 急剧减小的位置.
PET高速纺丝
根据έ的不同，纺丝线可分成三个区域 :
dvx 0 挤出胀大区:沿纺程Vx减小, dx
d=dmax时， 形变（细化）区： Ⅱa ： Ⅱb ：
dvx 0 dx
dvx d 2vx 0, 0 dx dx 2
Ⅱa:拉伸流动的主要区域，对纤维的均匀性影响很大.
dv d 2vx ( ) ＞ 0， 2 ＞ 0；温 在此区中，D(x)减小，v(x)增加， dx dx
度T较高使拉伸粘度较小，在拉伸力作用下容易发生细化，即 直径下降的变化较大。
故此区是拉伸流动的主要区域，要严格控制冷吹风条件
Ⅱb区：结构形成的主要区域，拉伸流动取向↑;如果VL很大, 可能发生大分子结晶
定义
不管是熔纺，还是湿纺，初生纤维的外表呈现出波浪形、鲨鱼皮形、
竹节形或螺旋形畸变，甚至破裂，叫做不稳定流动、熔体破裂。
条件
对于绝大多数聚合物来说，拉伸应力σ≥σcr＝105Pa时，出现的
可能性增大↑。M↑、T↓→σcr↓，即可能性增大↑。 发生破裂型的临界切变速率 cr 的大小，因粘度而异。一般来
毛细破坏：毛细破坏的条件为：
δ (x1)x =x * 1
= R(x1)x =x * 1
由毛细破坏所决定的最大拉丝长度xcap ≈2ln(R0/δ 0)/[ξ +(8α /ρ V0R0) ]┅ ┅ η 极小、α 很大时 ≈[2ln (R0/δ 0)-(2α/3η V0R0ξ )]/ξ ┅ ┅ η 极大、α 较小时
B、主要变化
（1）几何形态上的变化 纺丝流体通过喷丝孔挤出的变化；纺丝线上的横截面 形状的变化 （2）物理状态的变化 聚合物的溶解和熔化；纺丝流体的流动和形变；丝条 的固化和结晶；拉伸流动中的取向；纺丝过程中的扩散、 传热和传质。
（3）化学结构的变化 主要发生在再生纤维的纺制过程中。
4.1.2 纺丝过程的基本规律
挤出细流一滴一滴的挤出来的类型，叫做液滴型
条件
内因：纺丝流体本身的α/η≥10-2cm/s时，α/η↑ → 可能性↑ 外因：T↑→η↓→可能性↑；v0↓、R0↓→可能性↑。 措施
T↓→η↑→可能性↓；Q↑→ v0↑→可能性↓。 降低温度或增加泵供量可以避免
（2）漫流型
定义
挤出细流在喷丝板表面舒展开来的挤出类型，叫做漫流型
条件
随着粘度η↑、表面张力α↓，以及喷丝孔径R0↑和挤出速度v0↑的增 加，挤出细流由液滴型向漫流型转变。
措施
由于在喷丝板表面舒展，从而使细流间相互粘连，会引起丝条的周 期断裂和毛丝，因此要避免。 v0 ≥ vcr→漫流型↓。 注意：R0↓、η↓→ vcr↑→漫流型↑。 a、在喷丝板表面涂硅树脂，减小表面张力，降低可能性； b、降低纺丝温度，使丝条的粘度上高，以降低可能性； c、提高泵供量，使挤出速度提高，以降低可能性。
取向诱导结晶。
Ⅲ区中纤维的初生结构继续完成: 拉伸形变取向↑ 结晶 形态结构形成
4.2.2 熔体纺丝的动力学
（1）熔体纺丝线上的力平衡
分析从喷丝头(x=0)到离喷丝头x处的一段纺丝线(上脱离体)：
Fr(x)=Fr(0)+Fs+Fi+Ff-Fg
Fr(x)为在x=X处丝条所受到的流变阻力； Fr(0)为细流在喷丝孔出口处作轴向拉伸流动时 所克服的流变阻力; Fs为纺丝线在纺程中需克服的表面张力； Fi为使纺丝线作轴向加速运动所需克服的惯性力； Ff为空气对运动着的纺丝线表面所产生的摩擦阻力； Fg为重力场对纺丝线的作用力
4.1.3 纺丝流动的可纺性 A、定义
可纺性：流体在拉伸作用下形成连续细长丝条的能力.可纺 性问题实质上是一个单轴拉伸流动的流变学问题. 可纺性是成纤聚合物的必要条件，而不是充分条件。成纤 聚合物还必须具有热稳定性、化学稳定性和物理力学性质。 可纺性的评定 (1)细流最大的拉丝长度χ
*
(2)细流的断裂伸长比L(tB)/L(o)
说，M↑、T↓→
↓，即可能性增大↑。 cr
临界粘度也可作为破裂的标志：ηcr＝0.025η0。
原因 在纺丝过程中，之所以会出现不稳定流动与破裂，是由于 弹性过大，造成聚合物流体的流动变为弹性湍流。 纺丝流体的弹性可复剪切应变γ可表示为： cr γ＝σ12/G＝η /G＝τ ＝Reel
拉伸加捻流程
POY丝假捻变形的加工
POY丝假捻变形的加工原理
利用纤维的热塑性，经 过“变形”和热定型而制得的 高度卷曲蓬松的弹力丝。 加捻、热定型、解捻这 三个过程在同一台机器上完成。
网络丝的加工
网络丝是指丝条在网络喷嘴中，经喷射气流作 用，单丝互相缠结而呈周期性网络点的长丝。
短纤维集束
第四章
化学纤维的纺丝成型原理
4.1 概述
化学纤维的成型是将纺丝流体（聚合物熔体或溶液） 以一定流量从喷丝孔挤出，固化而称为纤维的过程。 熔体纺丝
干法纺丝
湿法纺丝
4.1.1 化纤成型的基本步骤和主要变化
A、基本步骤
（1）纺丝流体在喷丝孔中的流动； （2）挤出细流中的内应力松弛与流场的 转变，即纺丝流体从喷丝孔中的剪切流动向 纺丝线上的拉伸流动的转化； （3）丝条的单轴拉伸流动； （4）纤维的固化。