第5章化學纖維成型加工原理

1、第五章 化學纖維成型加工原理化學纖維成型加工原理“高分子材料成型原理高分子材料成型原理”之之第一節(jié)概述概述成型階段 一、化學纖維 成型加工的基本過程 (二)成型階段v熔體紡絲v溶液紡絲 干法紡絲 濕法紡絲 干法紡絲演示圖 濕法紡絲演示圖熔體紡絲演示圖直接紡：單體聚合直接紡：單體聚合 高聚物熔體高聚物熔體切片紡：切片篩選干燥等處理切片紡：切片篩選干燥等處理 螺桿擠出機中熔融螺桿擠出機中熔融紡絲箱體紡絲箱體 泵送至紡絲組件泵送至紡絲組件 由噴由噴絲孔擠出絲孔擠出 在紡絲甬道中冷卻在紡絲甬道中冷卻(拉伸拉伸) 上油、卷繞或落桶上油、卷繞或落桶 熔體紡絲的主要設備熔體紡絲的主要設備螺桿擠出機螺桿擠出機

2、例：熔體紡絲例：熔體紡絲 紡絲箱體紡絲箱體噴絲頭組件噴絲頭組件噴絲孔及導孔形狀噴絲孔及導孔形狀絲條的冷卻絲條的冷卻上油上油纖維的卷繞成形纖維的卷繞成形 長絲卷繞機長絲卷繞機（三）后成型階段 一系列的后加工拉伸熱定型。 上油。 水洗等。 長絲的后加工長絲的后加工例：熔紡纖維的后加工例：熔紡纖維的后加工拉伸（加捻）拉伸（加捻）加彈（假捻變形）加彈（假捻變形）網(wǎng)絡網(wǎng)絡 短纖維的后加工包括集束，拉伸，定形，短纖維的后加工包括集束，拉伸，定形，卷曲，上油，切斷和打包整個工序。卷曲，上油，切斷和打包整個工序。 長絲的后加工拉伸長絲的后加工拉伸F拉伸加捻示意圖拉伸加捻示意圖1筒子架筒子架 2卷繞絲筒卷繞絲筒

3、 3，8導導絲棒絲棒 4喂入輥喂入輥 5上拉伸盤上拉伸盤 6加熱器加熱器 7下拉伸盤下拉伸盤 9鋼領鋼領 10筒管筒管 11廢絲軸廢絲軸 12鋼絲圈鋼絲圈 拉伸加捻流程拉伸加捻流程FPOY絲假捻變形的加工絲假捻變形的加工FPOY絲假捻變形的加工原理絲假捻變形的加工原理 利用纖維的熱塑性，經(jīng)利用纖維的熱塑性，經(jīng)過過“變形變形”和熱定型而制得和熱定型而制得的高度卷曲蓬松的彈力絲。的高度卷曲蓬松的彈力絲。 加捻、熱定型、解捻這加捻、熱定型、解捻這三個過程在同一臺機器上完三個過程在同一臺機器上完成。成。F網(wǎng)絡絲的加工網(wǎng)絡絲的加工 網(wǎng)絡絲是指絲條在網(wǎng)絡噴嘴中，經(jīng)噴射氣流作網(wǎng)絡絲是指絲條在網(wǎng)絡噴嘴中，經(jīng)噴

4、射氣流作用，單絲互相纏結(jié)而呈周期性網(wǎng)絡點的長絲。用，單絲互相纏結(jié)而呈周期性網(wǎng)絡點的長絲。短纖維集束短纖維集束 F短纖維拉伸短纖維拉伸日本東京灣 42層樓外墻用150噸瀝青碳纖維 天然纖維天然纖維 紡織纖維紡織纖維 化學纖維化學纖維 動物纖維：羊毛、駝動物纖維：羊毛、駝毛、蠶絲等毛、蠶絲等植物纖維：棉花、麻植物纖維：棉花、麻等等礦物纖維：石棉等礦物纖維：石棉等天然纖維天然纖維：由纖維狀的天然物質(zhì)直接分離、精制而成。：由纖維狀的天然物質(zhì)直接分離、精制而成?；瘜W纖維化學纖維：用天然或人工合成的聚合物為原料、經(jīng)化學或物理處理：用天然或人工合成的聚合物為原料、經(jīng)化學或物理處理 和機械加工而制得的纖維和機

5、械加工而制得的纖維。 (1)按原料分類的纖維按原料分類的纖維2.纖維的分類纖維的分類以天然高分子化合物為原料以天然高分子化合物為原料用石油、天然氣、煤及農(nóng)副產(chǎn)品為原料、經(jīng)一系列的用石油、天然氣、煤及農(nóng)副產(chǎn)品為原料、經(jīng)一系列的化學反應制成合成高分子化合物，再經(jīng)加工而制得化學反應制成合成高分子化合物，再經(jīng)加工而制得，Lyocell 長絲長絲單絲單絲(小孔絲、鬃絲小孔絲、鬃絲)復絲復絲絲束絲束短纖維短纖維棉型：棉型：2538mm毛型：毛型：70150mm中長：中長：5176mm(2)按尺寸分類的化學纖維按尺寸分類的化學纖維 (3)按表面和縱向形狀分類的化學纖維按表面和縱向形狀分類的化學纖維 直絲（直

6、絲（Flat yarn） 變形絲（變形變形絲（變形)(TY) 拉伸變形絲拉伸變形絲(DTY) 彈力變形絲彈力變形絲 膨體紗膨體紗(BCF) 定型變形絲定型變形絲 (4)按性能分類的化學纖維按性能分類的化學纖維 差別化纖維差別化纖維 泛指對常規(guī)化學纖維產(chǎn)品有所創(chuàng)新或賦予某些特性的化學纖泛指對常規(guī)化學纖維產(chǎn)品有所創(chuàng)新或賦予某些特性的化學纖維。維。 主要是指經(jīng)過化學改性或物理改性，使常規(guī)化學纖維的服用主要是指經(jīng)過化學改性或物理改性，使常規(guī)化學纖維的服用性能改善。性能改善。 例例:仿絲纖維、異形纖維、細旦纖維、高收縮纖維、抗起球纖仿絲纖維、異形纖維、細旦纖維、高收縮纖維、抗起球纖維、三維卷曲纖維、高濕

7、模量黏膠纖維、陽離子可染聚酯纖維、維、三維卷曲纖維、高濕模量黏膠纖維、陽離子可染聚酯纖維、酸性可染聚丙烯腈纖維等。酸性可染聚丙烯腈纖維等。 異形纖維異形纖維:由異形噴絲孔紡出的纖維，其斷面形狀是非圓形的；由異形噴絲孔紡出的纖維，其斷面形狀是非圓形的； 目的目的獲得某些特殊的性質(zhì)，從而改變織物的服用性能獲得某些特殊的性質(zhì)，從而改變織物的服用性能.例：例： 三角形斷面的纖維具有類似于蠶絲的光澤。三角形斷面的纖維具有類似于蠶絲的光澤。 星形斷面的纖維具有手感好、覆蓋性好和星形斷面的纖維具有手感好、覆蓋性好和 抗起球等優(yōu)點?？蛊鹎虻葍?yōu)點。 中空纖維具有質(zhì)輕、保暖、放射光線和不中空纖維具有質(zhì)輕、保暖、放

8、射光線和不 顯灰塵等特點。顯灰塵等特點。 異形噴絲孔異形噴絲孔 異形噴絲孔與斷面形狀的關系異形噴絲孔與斷面形狀的關系復合纖維復合纖維：將兩種或兩種以上聚合物的熔體或濃將兩種或兩種以上聚合物的熔體或濃溶液，分別輸入同一個紡絲組件，在組件中的適當溶液，分別輸入同一個紡絲組件，在組件中的適當部位匯合，從同一噴絲孔中噴出而形成的纖維。部位匯合，從同一噴絲孔中噴出而形成的纖維。高性能纖維高性能纖維 具有高強度、高模量、耐高溫、耐化學藥品、具有高強度、高模量、耐高溫、耐化學藥品、耐氣候等性能特別優(yōu)異的一類新型纖維。耐氣候等性能特別優(yōu)異的一類新型纖維。 例例:芳族聚酰胺纖維、全芳族聚酯纖維、碳纖維、高強芳族

9、聚酰胺纖維、全芳族聚酯纖維、碳纖維、高強高模聚乙烯纖維、聚苯并咪唑纖維、聚四氟乙烯纖維以高模聚乙烯纖維、聚苯并咪唑纖維、聚四氟乙烯纖維以及碳化硅纖維、氧化鋁纖維、硼纖維等。其中的高強度、及碳化硅纖維、氧化鋁纖維、硼纖維等。其中的高強度、高模量纖維，稱為超級纖維高模量纖維，稱為超級纖維（Super-fiber） 中空纖維膜 02468101214020406080100伸長率/%pH Outlast纖維的電子顯微鏡照片 pH值響應凝膠t纖維(二二)化學纖維的品質(zhì)指標化學纖維的品質(zhì)指標 化學纖維的一些專用品質(zhì)指標化學纖維的一些專用品質(zhì)指標1tex(特特)=1mg/m1tex=10dtex1旦旦=1

10、mg/9m1特特=9旦旦1公支公支=1m/g換算關系：分特數(shù)換算關系：分特數(shù)=10特數(shù)特數(shù) 特數(shù)特數(shù)支數(shù)支數(shù)=1000 旦數(shù)旦數(shù)=9 特數(shù)特數(shù)對同一根纖維而言對同一根纖維而言S-S曲線曲線(Stress-Strain曲線曲線)(1)初始模量初始模量 (彈性模量或楊氏模量彈性模量或楊氏模量)(2)屈服點屈服點 屈服應力屈服應力 屈服應變屈服應變2.拉伸性能拉伸性能斷裂強度斷裂強度 相對強度相對強度 :斷裂強力斷裂強力/線密度線密度（cN/dtex） 強度極限強度極限: 斷裂強力斷裂強力/負荷作用前纖維的橫截面積負荷作用前纖維的橫截面積(N/mm2) 斷裂長度斷裂長度:纖維自身重量與纖維自身重量與

11、斷裂強力相等時的纖維長度斷裂強力相等時的纖維長度 (km） 環(huán)扣強度環(huán)扣強度打結(jié)強度打結(jié)強度斷裂伸長率斷裂伸長率= 100%L-L0L0(3) 斷裂強度和斷裂伸長率斷裂強度和斷裂伸長率W ，耐沖擊性（韌性），耐沖擊性（韌性） (4) 斷裂功斷裂功Wwmax0d)(LllF 圖 纖維的斷裂功蜘蛛牽引絲和其他纖維的力學性能比較蜘蛛牽引絲和其他纖維的力學性能比較 材料材料 伸長率（伸長率（%）初始模量初始模量（N/m2)強度強度（N/m2） 斷裂功斷裂功（J/kg） 牽引絲牽引絲9.832.1 (130)109 1109 1105 家蠶絲家蠶絲1535 5109 6108 7104 錦綸錦綸1826

12、 3109 5108 8104 棉棉5.67.1 (611)109 (37)108 (515)103 鋼鋼8.0 21011 1109 5103 凱夫拉凱夫拉4.0 11011 4109 3104 橡膠橡膠1106 8104 3. 回彈性回彈性 纖維在外力作用下伸長和釋放外力后恢復到原纖維在外力作用下伸長和釋放外力后恢復到原始狀態(tài)的能力稱為回彈性。始狀態(tài)的能力稱為回彈性。 纖維回彈性的表示方法有兩種。纖維回彈性的表示方法有兩種。(1)一次負荷回彈性質(zhì)一次負荷回彈性質(zhì)-回彈率回彈率 和彈性功和彈性功100100(%)總塑總總彈回彈率(2) 多次循環(huán)負荷回彈性質(zhì)多次循環(huán)負荷回彈性質(zhì)剩余伸長剩余伸長

13、ORn ，回彈性，回彈性回潮率回潮率= 100%試樣所含水分的重量試樣所含水分的重量干燥試樣的干燥試樣的重量重量含濕率含濕率= 100%試樣所含水分的重量試樣所含水分的重量未干燥試樣未干燥試樣的重量的重量4.吸濕性吸濕性公定回潮率公定回潮率:為了計重和核價需要，對各為了計重和核價需要，對各種紡織材料的回潮率作出的統(tǒng)一規(guī)定種紡織材料的回潮率作出的統(tǒng)一規(guī)定纖維纖維標準狀態(tài)下的回潮標準狀態(tài)下的回潮率（率（%）公定回潮率（公定回潮率（%）維綸維綸3.55.05.0錦綸錦綸3.55.04.5腈綸腈綸1.22.01.5滌綸滌綸0.40.50.4 黏膠纖維黏膠纖維 11 11丙綸丙綸00棉棉8.5 8.5

14、根據(jù)纖維的用途不同，可以確定不同的公定回潮率。根據(jù)纖維的用途不同，可以確定不同的公定回潮率。5.巻曲性巻曲性短纖維的巻曲性表征短纖維的巻曲性表征巻曲數(shù)巻曲數(shù)巻曲率巻曲率卷曲回復率卷曲回復率卷曲彈性率卷曲彈性率反映卷曲的程度反映卷曲的程度反映卷曲穩(wěn)定性和堅牢度反映卷曲穩(wěn)定性和堅牢度變形絲的卷曲性表征變形絲的卷曲性表征緊縮伸長率：反映彈性及卷縮程度緊縮伸長率：反映彈性及卷縮程度緊縮彈性回復率：反映彈性及卷縮穩(wěn)定性緊縮彈性回復率：反映彈性及卷縮穩(wěn)定性卷縮特性（卷曲收縮率卷縮特性（卷曲收縮率CC，卷曲模量，卷曲模量CM， 卷曲穩(wěn)定度卷曲穩(wěn)定度CS）（一）纖維成型的基本步驟（一）纖維成型的基本步驟三、化

15、學纖維成型基本原理三、化學纖維成型基本原理(1)紡絲流體在噴絲孔中的剪切流動紡絲流體在噴絲孔中的剪切流動 (2)紡絲流體從噴絲孔中的剪切流動紡絲流體從噴絲孔中的剪切流動向紡絲線上的拉伸流動的轉(zhuǎn)化向紡絲線上的拉伸流動的轉(zhuǎn)化(3)流體絲條的單軸拉伸流動流體絲條的單軸拉伸流動(4)纖維的固化纖維的固化(3)化學結(jié)構(gòu)變化化學結(jié)構(gòu)變化（三）紡絲過程的基本規(guī)律（三）紡絲過程的基本規(guī)律 1.在紡絲線的任何一點上，聚合物的流動是穩(wěn)態(tài)在紡絲線的任何一點上，聚合物的流動是穩(wěn)態(tài) 和和連續(xù)的。連續(xù)的。 紡絲線紡絲線:熔體擠出細流和固化初生纖維的總稱。熔體擠出細流和固化初生纖維的總稱。 穩(wěn)態(tài)：穩(wěn)態(tài)： 連續(xù)：在穩(wěn)態(tài)紡絲條

16、件下，紡程上各點連續(xù)：在穩(wěn)態(tài)紡絲條件下，紡程上各點每一瞬時所流經(jīng)的聚合物質(zhì)量相等（流動每一瞬時所流經(jīng)的聚合物質(zhì)量相等（流動連續(xù)性方程連續(xù)性方程) : 熔體紡絲熔體紡絲 AV=常數(shù)常數(shù) 溶液紡絲溶液紡絲 AVCi=常數(shù)常數(shù)0,PiCTt2.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)連續(xù)紡絲過程是一個狀態(tài)參數(shù)連續(xù) 變化的非平變化的非平 衡態(tài)動力學過程衡態(tài)動力學過程 同同 一時間不同位置一時間不同位置V 、 T 、 Ci 、 P 等連續(xù)變化。等連續(xù)變化。4.紡絲動力學包括幾個同時進行并相互聯(lián)系的單元過程紡絲動力學

17、包括幾個同時進行并相互聯(lián)系的單元過程 動能傳遞、傳熱、傳質(zhì)、結(jié)構(gòu)參數(shù)變化等。動能傳遞、傳熱、傳質(zhì)、結(jié)構(gòu)參數(shù)變化等。 可紡性：流體在拉伸作用下形成連續(xù)細長絲條的能力?？杉徯裕毫黧w在拉伸作用下形成連續(xù)細長絲條的能力。 實質(zhì)上是一個單軸拉伸流動的流變學問題。實質(zhì)上是一個單軸拉伸流動的流變學問題。 有良好的可紡性是保證紡絲過程持續(xù)不斷的先決條件有良好的可紡性是保證紡絲過程持續(xù)不斷的先決條件 可紡性的評定：可紡性的評定：(1)細流最大的拉絲長度細流最大的拉絲長度* * (2)細流的斷裂伸長比細流的斷裂伸長比L(tB)/L(o)(3)最大噴絲頭拉伸比最大噴絲頭拉伸比(VL/ V0)max (四四)紡絲流體

18、的可紡性紡絲流體的可紡性可紡性理論：可紡性理論： 決定最大絲條長度決定最大絲條長度* 的斷裂機理。的斷裂機理。1.內(nèi)聚破壞內(nèi)聚破壞 機理是基于強度理論：機理是基于強度理論： 細流發(fā)生內(nèi)聚破壞的條件為：細流發(fā)生內(nèi)聚破壞的條件為：11= 11 * 線性黏彈體：線性黏彈體： 11（2EK）1/2由內(nèi)聚破壞所決定的最大拉絲長度由內(nèi)聚破壞所決定的最大拉絲長度 Xcoh=1/2ln(2k/E)-2ln(V0)/)/ * V0 流體擠出速度；流體擠出速度； 拉伸形變梯度拉伸形變梯度=d(ln=d(lnV V)/d)/dx x； 松弛時間。松弛時間。內(nèi)聚能密度內(nèi)聚能密度K ， 、V0及及 x xcoh coh

19、 * =K-內(nèi)聚能密度內(nèi)聚能密度 E楊氏模量楊氏模量根據(jù)根據(jù) 令令e = 3 0，可以證明：可以證明：11e由毛細破壞所決定的最大拉絲長度由毛細破壞所決定的最大拉絲長度xcap*2ln(2ln(R R0 0/ /0 0)/)/+(8+(8/ /V V0 0R0 0) ) 極小、極小、很大時很大時231/22ln2ln ( (R R0 0/ /0 0)-(2)-(2/3/3V0R0)/)/ 極大、極大、較小時較小時2.毛細破壞毛細破壞 毛細破壞現(xiàn)象的機理與經(jīng)典流體力學中的毛細破壞現(xiàn)象的機理與經(jīng)典流體力學中的穩(wěn)定性問題有關。穩(wěn)定性問題有關。 毛細破壞的條件為：毛細破壞的條件為：( (x x1 1)

20、 = ) = R(x1)x1=x*x1=x 當液體表面張力引起的擾動及其滋長和傳播導當液體表面張力引起的擾動及其滋長和傳播導致毛細波發(fā)展到振幅致毛細波發(fā)展到振幅 (x* )等于自由表面無擾動等于自由表面無擾動絲條的半徑絲條的半徑R (x * )時，流體發(fā)生破壞。時，流體發(fā)生破壞。 兩種斷裂機理起控制作用的條件兩種斷裂機理起控制作用的條件: 、 V0 較小時毛細破壞起控制作用較小時毛細破壞起控制作用 、 V0 較大時內(nèi)聚破壞起控制作用較大時內(nèi)聚破壞起控制作用 在某一中間范圍在某一中間范圍* 有極大值有極大值,可紡性最好。可紡性最好。原則上原則上,這兩種斷裂機理都能獨立地對絲條的斷裂起這兩種斷裂機

21、理都能獨立地對絲條的斷裂起作用。作用。 兩種斷裂機理的x * V0關系 示意圖 1毛細破壞 2內(nèi)聚破壞 3有毛細波在的內(nèi)聚破壞 1.液滴型液滴型 液滴型不能成為連續(xù)細流，這是毛細破壞現(xiàn)象。液滴型不能成為連續(xù)細流，這是毛細破壞現(xiàn)象。 影響液滴型出現(xiàn)的因素影響液滴型出現(xiàn)的因素: (1)流體表面張力流體表面張力a和黏度和黏度 : / 液滴的可能性液滴的可能性 ( 溫度溫度T / ) (2)噴絲孔徑噴絲孔徑R0和擠出速度和擠出速度v0 : R0 液滴的可能性液滴的可能性 V0 液滴的可能性液滴的可能性v當當/ ( ， 或或T )、 R0 、 V0 :v 液滴型液滴型 漫流型漫流型 （五）擠出細流的類型

22、（五）擠出細流的類型 vcr為從漫流型轉(zhuǎn)變?yōu)槊洿笮退璧淖畹团R界擠出速度為從漫流型轉(zhuǎn)變?yōu)槊洿笮退璧淖畹团R界擠出速度 當當/ (，) Vcr R0 Vcr V0 V0Vcr 漫流型漫流型 脹大型脹大型 2.漫流型漫流型 漫流型能形成連續(xù)細流，但細流間易相互粘連。漫流型能形成連續(xù)細流，但細流間易相互粘連。 漫流型產(chǎn)生的根源漫流型產(chǎn)生的根源:是紡絲流體的擠出動能超過了流體與噴絲是紡絲流體的擠出動能超過了流體與噴絲板面的相互作用力和能量損失之和。板面的相互作用力和能量損失之和。3.脹大型脹大型當當 （V0)，脹大型，脹大型 破裂型破裂型 只要脹大比只要脹大比B0控制在適當?shù)姆秶鷥?nèi)，細流連續(xù)而控制在適

23、當?shù)姆秶鷥?nèi)，細流連續(xù)而穩(wěn)定。穩(wěn)定。 出現(xiàn)孔口脹大現(xiàn)象的根源是紡絲流體的彈性。出現(xiàn)孔口脹大現(xiàn)象的根源是紡絲流體的彈性。 B0過大對于提高紡速和絲條成型的穩(wěn)定性不利，過大對于提高紡速和絲條成型的穩(wěn)定性不利，實際紡絲過程中希望實際紡絲過程中希望B0接近于接近于1。 紡絲流體中出現(xiàn)不穩(wěn)定流動甚至破裂。紡絲流體中出現(xiàn)不穩(wěn)定流動甚至破裂。 熔體破裂的臨界切應力熔體破裂的臨界切應力cr ： 105Pa左右左右 。 影響臨界切應力的因素影響臨界切應力的因素: (1)聚合物的分子量聚合物的分子量: M cr (2)溫度溫度:T cr 4.破裂型破裂型 (2)臨界黏度臨界黏度 cr = 0.025 0 (3)NR

24、e,el58生產(chǎn)中主要通過調(diào)節(jié)影響生產(chǎn)中主要通過調(diào)節(jié)影響 和和 的因素避免熔體破裂。的因素避免熔體破裂。 各種聚合物的各種聚合物的 相差可達幾個數(shù)量級相差可達幾個數(shù)量級: 縮聚型成纖聚合物縮聚型成纖聚合物 的的 高高 分子量對分子量對 有影響有影響: M crcrelNGGRe,12 (1)臨界切變速率臨界切變速率評定發(fā)生熔體破裂的條件評定發(fā)生熔體破裂的條件crcrcrcrv第二節(jié)第二節(jié) 熔體紡絲原理熔體紡絲原理聚合物熔體聚合物熔體高聚物切片高聚物切片熔體制備熔體制備熔體過濾及分配熔體過濾及分配紡絲紡絲后加工后加工纖維纖維螺桿熔融螺桿熔融紡絲箱體分配紡絲箱體分配組件過濾組件過濾噴絲板成型噴絲板

25、成型(melt spinning)熔紡纖維的紡絲成型熔紡纖維的紡絲成型溶解凝固 溶液紡絲溶液紡絲 圖圖（一）熔體紡絲線上的直徑變化和速度分布（一）熔體紡絲線上的直徑變化和速度分布對穩(wěn)態(tài)紡絲對穩(wěn)態(tài)紡絲(且忽略各參數(shù)在絲條截面上的分布且忽略各參數(shù)在絲條截面上的分布):xAxVx=常數(shù)常數(shù)T(x)：由補償式接：由補償式接觸溫觸溫 度計、紅外度計、紅外線拍照等確定線拍照等確定 (T)不發(fā)生不發(fā)生結(jié)晶時結(jié)晶時xdx： 高速攝影法高速攝影法取樣器取樣法確定取樣器取樣法確定 激光衍射法激光衍射法Vx K(x) =dVxdx紡絲線上發(fā)生結(jié)晶紡絲線上發(fā)生結(jié)晶, 存在著一處絲條直存在著一處絲條直徑急劇減小的位置。

26、徑急劇減小的位置。PET高速紡絲高速紡絲根據(jù)根據(jù)的不同，紡絲線可分成三個區(qū)域的不同，紡絲線可分成三個區(qū)域 :擠出脹大區(qū)擠出脹大區(qū):沿紡程沿紡程Vx減小減小, d=dmax時，時， 形變（細化）區(qū)：形變（細化）區(qū)： a ： b： 固化絲條運動區(qū)：固化絲條運動區(qū)：Vx=K，d=K 0ddxxv0ddxxv02d2d, 0ddxxvxxv02d2d, 0ddxxvxxv 聚合物在等溫紡絲條件下的平均軸向分布和 拉伸應變速率變化1一PA6 2一PET 3一聚苯乙烯 紡絲過程中拉伸應變速率分布的示意圖 區(qū)：熔體細流向初生纖維轉(zhuǎn)化的重要過渡階段，區(qū)：熔體細流向初生纖維轉(zhuǎn)化的重要過渡階段，是發(fā)生是發(fā)生拉伸流

27、動和形成纖拉伸流動和形成纖 維最初結(jié)構(gòu)的主要區(qū)域維最初結(jié)構(gòu)的主要區(qū)域。va:拉伸流動的主要區(qū)域拉伸流動的主要區(qū)域,對纖維的均勻性影響很大。對纖維的均勻性影響很大。vb：結(jié)構(gòu)形成的主要區(qū)域：結(jié)構(gòu)形成的主要區(qū)域 拉伸流動取向拉伸流動取向;如如VL很大很大,可能發(fā)生大分子結(jié)晶?？赡馨l(fā)生大分子結(jié)晶。 區(qū)：纖維的初生結(jié)構(gòu)繼續(xù)完成區(qū)：纖維的初生結(jié)構(gòu)繼續(xù)完成: 拉伸形變?nèi)∠蚶煨巫內(nèi)∠?結(jié)晶結(jié)晶 形態(tài)結(jié)構(gòu)形成形態(tài)結(jié)構(gòu)形成 。(1)重力重力Fg考慮流體絲條在環(huán)境介質(zhì)中的浮力作用，絲條單位考慮流體絲條在環(huán)境介質(zhì)中的浮力作用，絲條單位體積的重力：體積的重力： ：絲條流動方向與：絲條流動方向與重力方向的夾角重力方向

28、的夾角fg=g(-0)cos cos=-1 垂直向上紡絲垂直向上紡絲0 水平紡絲水平紡絲1 垂直向下紡絲垂直向下紡絲0Fg 很小，在高速紡絲中可忽略，但低速紡制高線密度很小，在高速紡絲中可忽略，但低速紡制高線密度纖維時較重要。纖維時較重要。xxxggF0d42d(2)表面張力表面張力FsFs=2(R0-Rx) Fs僅在僅在液態(tài)區(qū)域液態(tài)區(qū)域內(nèi)起作用；熔紡中一般很小，除了紡內(nèi)起作用；熔紡中一般很小，除了紡低分子量物料外可忽略。低分子量物料外可忽略。 紡絲液的拉伸流動使流體比表面積增大，但表面張力要使液體表面趨于最小， Fs是一種抗拒拉伸的作用力。(3)摩擦力摩擦力FfC f = K N n Re

29、Re=Vxdxa(a 即即0)XxxRxsrxfF0d2)(,20,21vxfsrxCxrxvextFfC20nCf也可通過測定張力來確定也可通過測定張力來確定: Ff受紡速影響較大受紡速影響較大,接近接近X0，Vx特別小，特別小， Ff也極微小也極微小.實際上實際上Ff絕大部分為絕大部分為VL以后以后的紡絲線所貢獻。的紡絲線所貢獻。 Ff和和Vx的的1.39次方成正比次方成正比 在高速紡絲中，在高速紡絲中，F(xiàn)f 隨隨Vx提高而急劇增提高而急劇增大。因此大。因此Ff在高速紡速中作用十分重要，在高速紡速中作用十分重要，成為絲條的握持力，對結(jié)構(gòu)的形成有很成為絲條的握持力，對結(jié)構(gòu)的形成有很大影響大影

30、響 . (4)慣性力慣性力FiFi=W(Vx-V0)=Q(Vx-V0)=A0V0 (Vx-V0) Fi與與vx的平方成正比。因此高速紡絲中，的平方成正比。因此高速紡絲中，F(xiàn)i的重要性大的重要性大大增加。紡絲速度超過大增加。紡絲速度超過6000m/min時，時，F(xiàn)i和和Ff達到了使纖達到了使纖維在紡絲線上進行全拉伸。維在紡絲線上進行全拉伸。 絲條固化后，絲條固化后， Fi不變不變。牛頓第二定律：使物體加速需要克服物體的慣性 分析從離噴頭分析從離噴頭x處到離噴頭處到離噴頭L處的一段紡絲線處的一段紡絲線(下脫離體下脫離體)：Fr(x)=Fext+Fg-Fs-Fi-FfFr(0)= R0 xx(0)=

31、 R0e (0)22Fr(0):熔體細流在噴絲孔出口處作拉伸流動時所克服熔體細流在噴絲孔出口處作拉伸流動時所克服的流變阻力的流變阻力Fr(X):在在x=X處絲條所受到的流變阻力處絲條所受到的流變阻力 （紡絲線上（紡絲線上x=X處絲條截面上所受的張力）處絲條截面上所受的張力） (5)流變力流變力FrFr小結(jié) 對于常規(guī)熔紡 ，F(xiàn)i 和Ff起是流變力的主要貢獻者。PA66在紡速6600m/min時計算的受力分布 在在4000m/min的紡速下，紡絲應力的紡速下，紡絲應力沿紡程幾乎單調(diào)增加。沿紡程幾乎單調(diào)增加。 當紡速更高紡絲線上出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象當紡速更高紡絲線上出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象時，頸縮點附近紡絲應力急劇增大

32、。時，頸縮點附近紡絲應力急劇增大。 根據(jù)紡絲線上的力平衡方程式，可求得任意根據(jù)紡絲線上的力平衡方程式，可求得任意點點x處的紡絲應力，從而確定紡絲線上的應力分處的紡絲應力，從而確定紡絲線上的應力分布布. PET紡絲線上的應力分布紡絲線上的應力分布二、熔體紡絲線上的傳熱及溫度分布二、熔體紡絲線上的傳熱及溫度分布 運動絲條和環(huán)境介質(zhì)間的傳熱運動絲條和環(huán)境介質(zhì)間的傳熱: (1)絲條內(nèi)部絲條內(nèi)部(0 r R ):傳導傳導 (2)從絲條表面到環(huán)境介質(zhì)從絲條表面到環(huán)境介質(zhì):主要為主要為對流傳熱，還有很小一部分為熱輻對流傳熱，還有很小一部分為熱輻射。射。 在紡絲線上有軸向溫度場（在紡絲線上有軸向溫度場（T-X

33、） 徑向的溫度場（徑向的溫度場（T-r） 研究熔體紡絲中傳熱問題的主要任研究熔體紡絲中傳熱問題的主要任務，就是找出任何時刻紡絲線上的務，就是找出任何時刻紡絲線上的溫度分布情況，即軸向溫度場和徑溫度分布情況，即軸向溫度場和徑向溫度場。向溫度場。(一一)熔體紡絲線上的軸向溫度分布熔體紡絲線上的軸向溫度分布假設：假設：內(nèi)能內(nèi)能U的變化及流動過程中能量失散均忽略不計；的變化及流動過程中能量失散均忽略不計；忽略熱忽略熱輻射；輻射；在紡絲線上的任何一點上，聚合物流動是穩(wěn)態(tài)的；在紡絲線上的任何一點上，聚合物流動是穩(wěn)態(tài)的；絲條在冷卻過程中無相變熱釋放；絲條在冷卻過程中無相變熱釋放；以拉伸應變速率和拉以拉伸應變

34、速率和拉伸應力作黏性拉伸流動過程中產(chǎn)生的熱量可以忽略；伸應力作黏性拉伸流動過程中產(chǎn)生的熱量可以忽略；沿絲沿絲條軸向的傳熱可忽略；條軸向的傳熱可忽略；絲條徑向無溫差；并將絲條作圓柱絲條徑向無溫差；并將絲條作圓柱形處理，其直徑為形處理，其直徑為d、密度為、密度為、速度為、速度為v。 紡絲中無相變熱時紡絲中無相變熱時：考慮相變熱時考慮相變熱時: :pWCsTTpCvsTTxT)(*dd)(*4dd )exp()1)(0*0dxWCdkTTTTxpssx)d0*dexp()0(xxpWCsTTsTxTCp和和W通?？梢暈槌?shù)，在通?？梢暈槌?shù)，在a* 確定后，可求得紡程確定后，可求得紡程上上x處的溫度

35、處的溫度T(x)。 PA6紡絲線上的溫度分布紡絲線上的溫度分布 PET紡絲線上的溫度分布紡絲線上的溫度分布 PET紡速為紡速為8000m/min時，紡絲線上的溫度曲線與計時，紡絲線上的溫度曲線與計算值不符算值不符,其原因是未考慮絲條冷卻過程中的相變熱。其原因是未考慮絲條冷卻過程中的相變熱。 （二）熔體紡絲線上的冷卻長度（二）熔體紡絲線上的冷卻長度Lk 1.冷卻長度冷卻長度Lk 的表達式的表達式（1）求）求Lk的方法：的方法：由紡程上直徑分布由紡程上直徑分布由紡程上速度分布由紡程上速度分布由紡程上溫度分布由紡程上溫度分布（2）由紡程上溫度分布求由紡程上溫度分布求Lk 無相變熱時，若固化點無相變熱

36、時，若固化點T=Te：ses0*4pses0ln*pkTTTTCvdTTTTdWCLv空氣速度分量空氣速度分量V保持恒定時，傳熱系數(shù)保持恒定時，傳熱系數(shù)隨隨Vy分量的變化分量的變化冷卻過程的魯塞爾數(shù)冷卻過程的魯塞爾數(shù)Nnu和雷諾數(shù)和雷諾數(shù)NRe的實的實驗關系式：驗關系式：167. 02)8(1 334. 0Re42. 0)d/*(nuxvyvNaN)d/(ReavNd為絲條的直徑為絲條的直徑; 為空氣導熱系數(shù)為空氣導熱系數(shù), 2.7610-2W/(m.k); 為為 運動黏度運動黏度, 1.610-5m2/s aa又又 A=d2/4 =0.42(a a-0.334)Vx0.334A-0.333(

37、4/ )-0.3331+( )20.167*8VyVx=0.425A-0.333Vx0.334 1+( )2 0.1678VyVx=0.428A-0.3332Vy0.334 在紡程上部在紡程上部, Vx0.125）時）時=0.428A-0.333Vx0.334 在紡程下部在紡程下部, Vx8Vy（ Vy/ Vx Vo,脹大區(qū)消失脹大區(qū)消失 (2)零拉伸或負拉伸零拉伸或負拉伸：Vx Vo ， 脹大區(qū)存在脹大區(qū)存在 濕紡中，當紡絲原液從噴絲孔擠出時，原液尚未固化，紡絲線的抗張強度很低，濕紡中，當紡絲原液從噴絲孔擠出時，原液尚未固化，紡絲線的抗張強度很低，不能承受過大的噴絲頭拉伸，故濕法成型通常采用

38、噴絲頭負拉伸、零拉伸或不大不能承受過大的噴絲頭拉伸，故濕法成型通常采用噴絲頭負拉伸、零拉伸或不大的正拉伸。的正拉伸。脹大區(qū)脹大區(qū)：沿紡程：沿紡程Vx ， dVx/dX0， 0dVxdxd2Vxdx2b區(qū)： 0， 0， 即即Fi 當凈質(zhì)量通量由外向內(nèi)時，當凈質(zhì)量通量由外向內(nèi)時，F(xiàn)i0， 即即Fi 除高速紡外，普通的濕紡除高速紡外，普通的濕紡Fi可忽略可忽略0水平浴水平浴Fi=W(Vx-V0)忽略界面張力沿紡程有變化 Rrrbvsxx)dd(0,XxxRxsrxfF0d2)(,0 為凝固浴的黏度；為凝固浴的黏度；vb 為凝固浴沿紡程的流速。為凝固浴沿紡程的流速。對紡絲線力分析的意義對紡絲線力分析的

39、意義由由Fr(0)的測定求出的測定求出eFr(0)=R02xx(0)= R02 e ， =dVdx由由Fr(L)的測定更好地選擇合適的紡的測定更好地選擇合適的紡絲工藝參數(shù)絲工藝參數(shù)通過測定通過測定Fr(x)是否變化檢查紡絲是否變化檢查紡絲過程的穩(wěn)定性過程的穩(wěn)定性(2)徑向應力分析徑向應力分析e e( (r,xr,x)=)=( (e e) )s s 當當x xrRrRx x時時( (e e) )c c 當當0r0rx x時時*則則xx(r,x)=(x)(x)(e e) )s s 當當x xrR芯層的取向度芯層的取向度x=x處皮層內(nèi)拉伸應力處皮層內(nèi)拉伸應力 xx,s(x)=Rx2-x*2x* (e

40、)cRx2-x* （e)s 1+22Fr其中，其中，*=R (即靠近噴絲頭即靠近噴絲頭)時，時， xx,s=max沿紡程皮層厚沿紡程皮層厚(R- *) ， xx,s(x) Fr(L) ,則則 * (L (L)皮芯模型皮芯模型1.擴散過程擴散過程(1)擴散定律及表征擴散過程（速率）的基本物理量擴散定律及表征擴散過程（速率）的基本物理量由由Fick第一定律：第一定律：表征擴散過程（速率）的基本物理量表征擴散過程（速率）的基本物理量：傳質(zhì)通量：傳質(zhì)通量J 擴散系數(shù)擴散系數(shù)DxCiDiJdd二二.濕法紡絲中的傳質(zhì)和相轉(zhuǎn)變濕法紡絲中的傳質(zhì)和相轉(zhuǎn)變菲克（菲克（FICK）擴散第一定律）擴散第一定律-描述溶劑

41、和凝固劑雙擴散描述溶劑和凝固劑雙擴散 Js= - Ds*dCs/dx 溶劑的傳質(zhì)通量 (g/cm2.s) Jn= - Dn*dCn/dx 凝固劑的傳質(zhì)通量 (g/cm2.s)v測定方法測定方法: 動態(tài)方法動態(tài)方法-成分分析法和指示劑法成分分析法和指示劑法 靜態(tài)方法靜態(tài)方法-將凍膠體試樣浸于浴內(nèi)，不同時間取出，用顯微將凍膠體試樣浸于浴內(nèi)，不同時間取出，用顯微鏡觀察鏡觀察表征擴散過程（速率）的第3個基本物理量：固化速率參數(shù)SrSr24t 丙烯腈共聚物凍膠(26%)皮層的增長情況(2)成形條件對擴散速率的影響成形條件對擴散速率的影響凝固浴濃度及溫度的影響凝固浴濃度及溫度的影響一般有：一般有：T ,D

42、i(Ds、DN) 溫度對各組分的擴散速率的影響不同溫度對各組分的擴散速率的影響不同 隨著凝固浴濃度的增加，隨著凝固浴濃度的增加， Ds、DN均下降均下降;凝固浴濃度超過臨界值，凝固浴濃度超過臨界值， Di DS和和DN隨凝固浴中溶劑含量的變化有極小值隨凝固浴中溶劑含量的變化有極小值 原液濃度的影響原液濃度的影響 一般有：原液濃度一般有：原液濃度，D Di i(D(Ds s、D DN N) ) 纖維半徑的影響纖維半徑的影響 一般有：一般有：R，D Di i 溶劑和凝固劑種類的影響溶劑和凝固劑種類的影響 溶劑種類對擴散速率有影響溶劑種類對擴散速率有影響 以以PAN為例：為例：凝固劑分子量凝固劑分子

43、量 ，DN (一般而言一般而言) 紡速的影響紡速的影響 以黏膠生產(chǎn)為例：以黏膠生產(chǎn)為例：VL , ,擴散速率擴散速率 添加劑的影響添加劑的影響 以黏膠生產(chǎn)為例：使用聚氯乙烯衍生物后，擴散速率以黏膠生產(chǎn)為例：使用聚氯乙烯衍生物后，擴散速率 紡程的影響紡程的影響 一般有：沿紡程一般有：沿紡程x x , ,D Di i SNPponsoS紡絲線組成變化紡絲線組成變化傳質(zhì)通量比傳質(zhì)通量比(Js/JN)相圖相圖組成變化路徑直線組成變化路徑直線相分離曲線相分離曲線相交相交可能發(fā)生相分離可能發(fā)生相分離通量比影響因素：凝固劑種類、凝固浴濃度、溫度等通量比影響因素：凝固劑種類、凝固浴濃度、溫度等Ziabicki

44、 三元相圖三元相圖相圖分析相圖分析 v當夾角0時， SD沿SP線向S靠近，相應的通量比JS/JN，即紡絲原液不斷地被純?nèi)軇┧♂?。v當 時，SD向P靠近，通量比JS/JN，相當于干法紡絲，即紡絲原液中的溶劑不斷蒸發(fā)，使原液中聚合物濃度不斷上升，直至完全凝固。分四區(qū)區(qū)區(qū): JS/JN u* (第一臨界切線第一臨界切線)。 沿紡絲線組成變化路徑沿紡絲線組成變化路徑,聚合物濃度下降聚合物濃度下降 (即溶劑擴散速度小于凝固劑的擴散速度即溶劑擴散速度小于凝固劑的擴散速度) 無相分離無相分離 聚合物含量下降聚合物含量下降 不固化不固化 區(qū): u* JS/JN 1 (上限，即溶劑與凝固劑的擴散速度相等上限，

45、即溶劑與凝固劑的擴散速度相等)。 沿紡絲線途徑沿紡絲線途徑聚合物含量下降聚合物含量下降 (凝固劑濃度增加凝固劑濃度增加) 有相分離有相分離 聚合物含量下降聚合物含量下降 固化固化 稀釋凝固成形機理稀釋凝固成形機理 形成疏松的不均勻結(jié)構(gòu)形成疏松的不均勻結(jié)構(gòu) 區(qū): 1 JS/JN u* (第二臨界切線第二臨界切線) 沿紡絲線途徑沿紡絲線途徑聚合物濃度增加聚合物濃度增加 有相分離有相分離 聚合物含量增加聚合物含量增加 固化固化濃縮凝固成形機理濃縮凝固成形機理 形成的結(jié)構(gòu)較均勻形成的結(jié)構(gòu)較均勻區(qū)區(qū): u* JS/JN (上限為干法紡絲上限為干法紡絲) 無相分離無相分離 聚合物含量增加聚合物含量增加 固

46、化固化 形成致密而均勻的結(jié)形成致密而均勻的結(jié)構(gòu)構(gòu) 如如:凍膠法凍膠法紡絲溶液發(fā)生凍膠化、紡絲溶液發(fā)生凍膠化、液晶法液晶法溶致性聚合物液晶發(fā)溶致性聚合物液晶發(fā)生取向結(jié)晶等生取向結(jié)晶等 從熱力學可能性而言：從熱力學可能性而言： 在區(qū)是不能紡制成纖維的。在區(qū)是不能紡制成纖維的。 在、和區(qū)的原液細流能夠固化。在、和區(qū)的原液細流能夠固化。 從纖維結(jié)構(gòu)的均勻性和機械性能看從纖維結(jié)構(gòu)的均勻性和機械性能看: : 以區(qū)成形的纖維最為優(yōu)良以區(qū)成形的纖維最為優(yōu)良 通常的濕法紡絲以區(qū)為多。通常的濕法紡絲以區(qū)為多。 濕法成形中，初生纖維的結(jié)構(gòu)不僅取決于平均組成，而濕法成形中，初生纖維的結(jié)構(gòu)不僅取決于平均組成，而且取決于

47、達到這個組成的途徑。且取決于達到這個組成的途徑。 相分離法中，濃縮凝固形成的結(jié)構(gòu)比稀釋凝固形成的結(jié)構(gòu)相分離法中，濃縮凝固形成的結(jié)構(gòu)比稀釋凝固形成的結(jié)構(gòu)較為均勻。較為均勻。 紡絲線組成變化路徑的直線與相分離曲線的相交并不保證相紡絲線組成變化路徑的直線與相分離曲線的相交并不保證相分離的實現(xiàn)，因為相分離動力學、亞穩(wěn)態(tài)體系存在的可能性分離的實現(xiàn)，因為相分離動力學、亞穩(wěn)態(tài)體系存在的可能性等對相分離都有極其重要的影響。等對相分離都有極其重要的影響。 亞穩(wěn)態(tài)體系在濕法成形的三元相圖中引入了雙節(jié)線和旋節(jié)線亞穩(wěn)態(tài)體系在濕法成形的三元相圖中引入了雙節(jié)線和旋節(jié)線相邊界理論：相邊界理論： 三元相圖被雙節(jié)線分成均相和非

48、均三元相圖被雙節(jié)線分成均相和非均相兩個區(qū)域：相兩個區(qū)域： 均相區(qū)位于雙節(jié)線上方，非均相區(qū)均相區(qū)位于雙節(jié)線上方，非均相區(qū)位于雙節(jié)線下方。位于雙節(jié)線下方。 旋節(jié)線又將非均相區(qū)劃分為旋節(jié)線又將非均相區(qū)劃分為亞穩(wěn)態(tài)區(qū)和非穩(wěn)態(tài)區(qū)，雙節(jié)線和旋節(jié)線之亞穩(wěn)態(tài)區(qū)和非穩(wěn)態(tài)區(qū)，雙節(jié)線和旋節(jié)線之間的區(qū)域為亞穩(wěn)態(tài)區(qū)，旋節(jié)線以下的區(qū)域間的區(qū)域為亞穩(wěn)態(tài)區(qū)，旋節(jié)線以下的區(qū)域為非穩(wěn)態(tài)區(qū)。為非穩(wěn)態(tài)區(qū)。 體系的相分離在動力學上存在兩種機理體系的相分離在動力學上存在兩種機理 ： 在非穩(wěn)態(tài)區(qū)，相分離過程迅速自發(fā)進行，屬于旋節(jié)分離機理。在非穩(wěn)態(tài)區(qū)，相分離過程迅速自發(fā)進行，屬于旋節(jié)分離機理。 在亞穩(wěn)態(tài)區(qū)，體系雖在熱力學上處于非穩(wěn)態(tài)，但相分

49、離必須首先克服勢在亞穩(wěn)態(tài)區(qū)，體系雖在熱力學上處于非穩(wěn)態(tài)，但相分離必須首先克服勢壘形成分相的壘形成分相的“核核”，然后，然后“核核”逐漸擴大，最終形成分相，屬于成核及逐漸擴大，最終形成分相，屬于成核及生長生長分離機理。分離機理。 在亞穩(wěn)態(tài)區(qū)中，溫度或組成的有限波動會使溶液進入非穩(wěn)態(tài)區(qū)。在亞穩(wěn)態(tài)區(qū)中，溫度或組成的有限波動會使溶液進入非穩(wěn)態(tài)區(qū)。 體系的相分離機理決定了濕紡初生纖維的結(jié)構(gòu)：體系的相分離機理決定了濕紡初生纖維的結(jié)構(gòu)： 按旋節(jié)分離機理形成的初生纖維結(jié)構(gòu)較為疏松按旋節(jié)分離機理形成的初生纖維結(jié)構(gòu)較為疏松, 按成核和生長分離機理形成的初生纖維的結(jié)構(gòu)較為致密。按成核和生長分離機理形成的初生纖維的結(jié)

50、構(gòu)較為致密。濕紡初生纖維有的為非圓形狀，存在微孔和皮芯結(jié)構(gòu)濕紡初生纖維有的為非圓形狀，存在微孔和皮芯結(jié)構(gòu)2.是否熔紡用異形噴絲孔能紡制與噴絲孔形狀相同的異形纖維？是否熔紡用異形噴絲孔能紡制與噴絲孔形狀相同的異形纖維？3 .是否濕紡用異形噴絲孔能紡制與噴絲孔形狀相同的異形纖維？是否濕紡用異形噴絲孔能紡制與噴絲孔形狀相同的異形纖維？濕法噴絲濕法噴絲 由于濕紡初生纖維含有大量的凝固浴液而溶脹，大分子具有很大的由于濕紡初生纖維含有大量的凝固浴液而溶脹，大分子具有很大的活動性，因此濕紡初生纖維的超分子結(jié)構(gòu)接近于熱力學平衡狀態(tài)，而活動性，因此濕紡初生纖維的超分子結(jié)構(gòu)接近于熱力學平衡狀態(tài)，而其形態(tài)結(jié)構(gòu)卻對紡

51、絲工藝極為敏感。其形態(tài)結(jié)構(gòu)卻對紡絲工藝極為敏感。熔紡噴絲熔紡噴絲（一）濕紡纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)（一）濕紡纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu) 1.橫截面形狀橫截面形狀 橫截面形狀影響纖維及制得織物的手感、彈性、光澤、色澤、覆蓋性、保暖性、橫截面形狀影響纖維及制得織物的手感、彈性、光澤、色澤、覆蓋性、保暖性、耐臟性以及起球性等多種性能。耐臟性以及起球性等多種性能。 控制及改變纖維的橫截面形狀是纖維及織物物理改性的一個重要方法?？刂萍案淖兝w維的橫截面形狀是纖維及織物物理改性的一個重要方法。 例例:真絲是不規(guī)則的三角形產(chǎn)生光澤和優(yōu)良手感。真絲是不規(guī)則的三角形產(chǎn)生光澤和優(yōu)良手感。 采用三角形噴絲孔，并控制成形采用三角形噴絲孔，并

52、控制成形和后處理工藝，制得纖維的截面呈三和后處理工藝，制得纖維的截面呈三角形角形,具有鉆石的光澤。具有鉆石的光澤。 DuPont 東華大學Js/JN和固化表面層硬度對溶液紡初生纖維橫截面形狀的影響和固化表面層硬度對溶液紡初生纖維橫截面形狀的影響v 稀釋凝固成形稀釋凝固成形 濃縮凝固成形濃縮凝固成形v當當JS / JN 1時，則橫截面的形狀取決于固化層的力學行為：時，則橫截面的形狀取決于固化層的力學行為：v 柔軟的表層收縮的結(jié)果導致形成圓形的橫截面；柔軟的表層收縮的結(jié)果導致形成圓形的橫截面；v 具有堅硬的皮層時，橫截面的崩潰將導致形成非圓形。具有堅硬的皮層時，橫截面的崩潰將導致形成非圓形。 結(jié)論

53、v在采用圓形噴絲孔紡絲，當凝固期間形成薄而較硬的皮層時在采用圓形噴絲孔紡絲，當凝固期間形成薄而較硬的皮層時, 隨后由于皮層與內(nèi)部芯層變形性的差異隨后由于皮層與內(nèi)部芯層變形性的差異,隨著溶劑擴散引起連隨著溶劑擴散引起連 續(xù)的體積收縮，將使纖維的皮層朝中心拉，于是導致溶液紡初續(xù)的體積收縮，將使纖維的皮層朝中心拉，于是導致溶液紡初生纖維形成非圓形截面生纖維形成非圓形截面。 問題 影響傳質(zhì)通量比和固化表面層硬度的因素影響傳質(zhì)通量比和固化表面層硬度的因素有哪些有哪些?溶劑不同時得到的溶劑不同時得到的PAN原絲的截面形狀原絲的截面形狀 25 35 45 55 65凝固浴溫度凝固浴溫度()凝固浴溫度不同時得

54、到的凝固浴溫度不同時得到的PAN原絲的截面形狀原絲的截面形狀(2)凝固浴溫度凝固浴溫度 凝固浴溫度同時影響凝固浴溫度同時影響JS和和JN:T JN ,JS 當結(jié)果使當結(jié)果使JS / JN1時時, T 纖維截面更圓纖維截面更圓 但當?shù)擩S / JN1時時則纖維截面形狀將取決于固化表面硬度則纖維截面形狀將取決于固化表面硬度凝固浴濃度凝固浴濃度()：0 10 30 55 70 75 凝固浴濃度不同時，凝固浴濃度不同時，PAN原絲截面形狀原絲截面形狀 (3)凝固浴濃度凝固浴濃度 凝固浴濃度凝固浴濃度Cb JN ,JS 固化表面層的硬度降低固化表面層的硬度降低, 因此濕紡纖維的截面會變得更圓因此濕紡纖

55、維的截面會變得更圓.n(4)紡絲溶液中聚合物含量紡絲溶液中聚合物含量 紡絲溶液中聚合物含量紡絲溶液中聚合物含量CP JS , JN 固化表面層的硬度固化表面層的硬度 因此纖維的截面會變得更圓因此纖維的截面會變得更圓.PAN濃度：濃度：21 PAN濃度：濃度：23v黏膠纖維的成形過程較為復雜。黏膠纖維的成形過程較為復雜。v控制不同的凝固條件和黏膠的熟成度，可分別獲得控制不同的凝固條件和黏膠的熟成度，可分別獲得全皮層、全芯層和一般皮芯型纖維。全皮層、全芯層和一般皮芯型纖維。v全皮層和全芯層纖維橫截面為圓形。皮芯層纖維截全皮層和全芯層纖維橫截面為圓形。皮芯層纖維截面具有鋸齒形周邊面具有鋸齒形周邊,這

56、是由于皮層和芯層收縮率不同這是由于皮層和芯層收縮率不同所致。所致。 總結(jié)總結(jié)v濕紡工藝具有較大的柔性，能濕紡工藝具有較大的柔性，能制備許多不同橫截面形狀的纖制備許多不同橫截面形狀的纖維，以滿足不同的用途。維，以滿足不同的用途。 部分部分PAN纖維所橫截面形狀纖維所橫截面形狀 2.皮芯結(jié)構(gòu)皮芯結(jié)構(gòu) 濕紡初生纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)的濕紡初生纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)的沿徑向有差異沿徑向有差異: 外表有皮層外表有皮層 內(nèi)部是芯層內(nèi)部是芯層黏膠纖維的橫截面黏膠纖維的橫截面1膜層膜層 2皮層皮層 3芯層芯層 (1)皮芯層的結(jié)構(gòu)和性能的差別皮芯層的結(jié)構(gòu)和性能的差別 皮層的結(jié)構(gòu)特征皮層的結(jié)構(gòu)特征 v微晶和無定形區(qū)尺寸小微晶和無定形

57、區(qū)尺寸小,結(jié)構(gòu)比較緊密均一結(jié)構(gòu)比較緊密均一v取向度高取向度高v序態(tài)較低序態(tài)較低皮層的性能特征：皮層的性能特征： 在水中的膨潤度較低在水中的膨潤度較低 吸濕性較高吸濕性較高 密度較低密度較低 對某些物質(zhì)的可及性較低，對染料的吸收值較對某些物質(zhì)的可及性較低，對染料的吸收值較低，但染色牢度較高；低，但染色牢度較高； 力學性能較好力學性能較好(斷裂強度和斷裂延伸度較高，抗疲斷裂強度和斷裂延伸度較高，抗疲勞強度和耐磨性能較優(yōu)越勞強度和耐磨性能較優(yōu)越) (2)濕紡纖維皮芯結(jié)構(gòu)的形成原因濕紡纖維皮芯結(jié)構(gòu)的形成原因 主要是細流外邊和內(nèi)部的凝固機理不同主要是細流外邊和內(nèi)部的凝固機理不同.v細流外邊的凝固細流外邊

58、的凝固: 主要由于溶劑向凝固浴擴散主要由于溶劑向凝固浴擴散,使細流中溶劑濃度低于臨界濃度使細流中溶劑濃度低于臨界濃度,于是聚合物析出于是聚合物析出;此時此時P-S-N體系中聚合物含量高體系中聚合物含量高,因此結(jié)構(gòu)因此結(jié)構(gòu)致密。致密。v細流內(nèi)部的凝固細流內(nèi)部的凝固 溶劑向凝固浴擴散溶劑向凝固浴擴散,凝固浴中的沉淀劑向原液細流擴散凝固浴中的沉淀劑向原液細流擴散,使溶使溶劑濃度不斷下降劑濃度不斷下降,當中溶劑濃度低于臨界濃度當中溶劑濃度低于臨界濃度, 聚合物析出聚合物析出,但但此時此時P-S-N體系中聚合物含量不高體系中聚合物含量不高,內(nèi)部含有較多溶劑和沉淀內(nèi)部含有較多溶劑和沉淀劑劑,因此結(jié)構(gòu)較松散

59、因此結(jié)構(gòu)較松散 。 (3)紡絲條件對濕紡初生纖維皮芯結(jié)構(gòu)的影響：紡絲條件對濕紡初生纖維皮芯結(jié)構(gòu)的影響： 凝固浴組成凝固浴組成 例例:黏膠纖維：橫截面中的黏膠纖維：橫截面中的皮層含量隨凝固浴組分而改變皮層含量隨凝固浴組分而改變，隨浴中硫酸鋅隨浴中硫酸鋅 含量的增加而增加；隨硫酸鈉含量的增加而含量的增加而增加；隨硫酸鈉含量的增加而增加；隨硫酸含量的增加而下降。增加；隨硫酸含量的增加而下降。 紡絲液組成紡絲液組成 例例:有機變性劑一般促進黏膠纖維皮層的形成。有機變性劑一般促進黏膠纖維皮層的形成。 凝固浴溫度凝固浴溫度 例例:維綸的皮層隨溫度增加而加厚。維綸的皮層隨溫度增加而加厚。 凝固浴濃度凝固浴濃

60、度 例例:維綸的皮層隨凝固浴濃度增加而下降。維綸的皮層隨凝固浴濃度增加而下降。 因此通過改變工藝條件，可以制得全皮型、皮芯型和全芯因此通過改變工藝條件，可以制得全皮型、皮芯型和全芯型纖維。型纖維。 973計劃項目計劃項目 高性能聚丙烯腈高性能聚丙烯腈PAN碳纖維基礎科學問題碳纖維基礎科學問題 “致密皮層與預氧化擴散擴散阻力的矛盾沒有徹致密皮層與預氧化擴散擴散阻力的矛盾沒有徹底解決，始終制約著紡絲穩(wěn)定性及原絲、碳纖維質(zhì)底解決，始終制約著紡絲穩(wěn)定性及原絲、碳纖維質(zhì)量的明顯提高。量的明顯提高?！?“利用不同的凝膠化影響因素，避免濃度致變相利用不同的凝膠化影響因素，避免濃度致變相分離過程而產(chǎn)生的缺陷及