化學(xué)纖維的紡絲成型原理

1、第四章第四章 化學(xué)纖維的紡絲成型原理化學(xué)纖維的紡絲成型原理 4.14.1 概述概述化學(xué)纖維的成型是將紡絲流體（聚合物熔體或溶液）化學(xué)纖維的成型是將紡絲流體（聚合物熔體或溶液）以一定流量從噴絲孔擠出，固化而稱為纖維的過程。以一定流量從噴絲孔擠出，固化而稱為纖維的過程。 熔體紡絲熔體紡絲 干法紡絲干法紡絲 濕法紡絲濕法紡絲A、基本步驟基本步驟 （1）紡絲流體在噴絲孔中的流動(dòng)；）紡絲流體在噴絲孔中的流動(dòng)； （2）擠出細(xì)流中的內(nèi)應(yīng)力松弛與流場的）擠出細(xì)流中的內(nèi)應(yīng)力松弛與流場的轉(zhuǎn)變，即轉(zhuǎn)變，即紡絲流體從噴絲孔中的剪切流動(dòng)向紡絲流體從噴絲孔中的剪切流動(dòng)向紡絲線上的拉伸流動(dòng)的轉(zhuǎn)化紡絲線上的拉伸流動(dòng)的轉(zhuǎn)化；

2、（3）絲條的單軸拉伸流動(dòng)；）絲條的單軸拉伸流動(dòng)； （4）纖維的固化。）纖維的固化。B B、主要變化主要變化 （1）幾何形態(tài)上的變化）幾何形態(tài)上的變化紡絲流體通過噴絲孔擠出的變化；紡絲線上的橫截面紡絲流體通過噴絲孔擠出的變化；紡絲線上的橫截面形狀的變化形狀的變化（2）物理狀態(tài)的變化）物理狀態(tài)的變化聚合物的溶解和熔化；紡絲流體的流動(dòng)和形變；絲條聚合物的溶解和熔化；紡絲流體的流動(dòng)和形變；絲條的固化和結(jié)晶；拉伸流動(dòng)中的取向；紡絲過程中的擴(kuò)散、的固化和結(jié)晶；拉伸流動(dòng)中的取向；紡絲過程中的擴(kuò)散、傳熱和傳質(zhì)。傳熱和傳質(zhì)。（3）化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化）化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化主要發(fā)生在再生纖維的紡制過程中。主要發(fā)生在再生纖維的

3、紡制過程中。4.1.2 紡絲過程的基本規(guī)律紡絲過程的基本規(guī)律 （1）紡絲線上的任何一點(diǎn)，聚合物的流動(dòng)是穩(wěn)態(tài)的和連續(xù)的。紡絲線上的任何一點(diǎn)，聚合物的流動(dòng)是穩(wěn)態(tài)的和連續(xù)的。v紡絲線：紡絲細(xì)流與固化纖維的總稱，與紡絲線：紡絲細(xì)流與固化纖維的總稱，與紡程是不同的。紡程是不同的。v穩(wěn)態(tài)的：紡絲線上任何一點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)不穩(wěn)態(tài)的：紡絲線上任何一點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)不隨時(shí)間而變化。隨時(shí)間而變化。 d(V、T、P、C)/dt0 v連續(xù)的：在穩(wěn)態(tài)條件下，在某一時(shí)刻，紡連續(xù)的：在穩(wěn)態(tài)條件下，在某一時(shí)刻，紡絲線上任何一點(diǎn)所流經(jīng)的質(zhì)量是相等的。絲線上任何一點(diǎn)所流經(jīng)的質(zhì)量是相等的。 0V0A0LVLALVA常數(shù)常數(shù) （2）。噴絲孔

4、中的剪切形變對(duì)成型的影響不大。噴絲孔中的剪切形變對(duì)成型的影響不大。（3）紡絲過程是一個(gè)狀態(tài)參數(shù)（紡絲過程是一個(gè)狀態(tài)參數(shù)（T、P、C）連續(xù)變化的非平衡連續(xù)變化的非平衡動(dòng)力學(xué)過程。纖維的結(jié)構(gòu)性質(zhì)依賴于狀態(tài)變化的歷史，依賴于動(dòng)力學(xué)過程。纖維的結(jié)構(gòu)性質(zhì)依賴于狀態(tài)變化的歷史，依賴于路徑。路徑。（4）紡絲動(dòng)力學(xué)包括幾個(gè)同時(shí)進(jìn)行并且相互聯(lián)系的單元過程。紡絲動(dòng)力學(xué)包括幾個(gè)同時(shí)進(jìn)行并且相互聯(lián)系的單元過程。 4.1.3 紡絲流動(dòng)的可紡性紡絲流動(dòng)的可紡性 p可紡性：可紡性：流體在拉伸作用下形成連續(xù)細(xì)長絲條的能力流體在拉伸作用下形成連續(xù)細(xì)長絲條的能力.可紡可紡性問題實(shí)質(zhì)上是一個(gè)單軸拉伸流動(dòng)的流變學(xué)問題性問題實(shí)質(zhì)上是一

5、個(gè)單軸拉伸流動(dòng)的流變學(xué)問題.p可紡性是成纖聚合物的必要條件，而不是充分條件。成纖可紡性是成纖聚合物的必要條件，而不是充分條件。成纖聚合物還必須具有熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和物理力學(xué)性質(zhì)。聚合物還必須具有熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和物理力學(xué)性質(zhì)。 ： 決定最大絲條長度決定最大絲條長度* 的斷裂機(jī)理的斷裂機(jī)理. .至少有兩種至少有兩種: : (1)細(xì)流最大的拉絲長度* (2)細(xì)流的斷裂伸長比L(tB)/L(o)(3)最大噴絲頭拉伸比(VL/ V0)maxB、理論理論Ziabicki認(rèn)為聚合物的斷裂主要有認(rèn)為聚合物的斷裂主要有2種，內(nèi)聚種，內(nèi)聚斷裂和毛細(xì)破壞。斷裂和毛細(xì)破壞。（1）內(nèi)聚斷裂）內(nèi)聚斷裂:也叫脆性

6、斷裂也叫脆性斷裂當(dāng)儲(chǔ)存的彈性能密度超過某臨界值W * (相當(dāng)于液體的內(nèi)聚能密度K)時(shí)，流體便發(fā)生破壞。線性粘彈體的斷裂條件為：W * = xx /2E K由內(nèi)聚破壞所決定的最大拉絲長度 Xcoh=1/2ln(2k/E)-2ln(V0)/ 式中：V0 流體擠出速度， 拉伸形變梯度=d(lnV)/dx， 松馳時(shí)間內(nèi)聚能密度K ， 、V0及 xcoh （2）毛細(xì)破壞毛細(xì)破壞當(dāng)液體表面張力引起的擾動(dòng)及其滋長和傳播導(dǎo)致毛細(xì)波發(fā)展到振幅 (x* )等于自由表面無擾動(dòng)絲條的半徑R (x * )時(shí)，流體便發(fā)生破壞。由毛細(xì)破壞所決定的最大拉絲長度xcap2ln(R0/0)/+(8/V0R0) 極小、很大時(shí)2ln

7、 (R0/0)-(2/3V0R0)/ 極大、較小時(shí)毛細(xì)毛細(xì)破壞破壞：毛細(xì)破壞的條件為：毛細(xì)破壞的條件為：(x1) = R(x1)x1=x*x1=xn原則上,這兩種斷裂機(jī)理都能獨(dú)立地對(duì)絲條的斷裂起作用.兩種斷裂機(jī)理起控制作用的條件: 、 V0 較小時(shí)毛細(xì)破壞起控制作用、 V0 較大時(shí)內(nèi)聚破壞起控制作用在某一中間范圍* 有極大值,可紡性最好4.1. 4 擠出細(xì)流的類型擠出細(xì)流的類型隨著紡絲流體的粘彈性和擠出條件的不同，有隨著紡絲流體的粘彈性和擠出條件的不同，有4種類型。種類型。(1)液滴型液滴型定義定義擠出細(xì)流一滴一滴的擠出來的類型，叫做液滴型擠出細(xì)流一滴一滴的擠出來的類型，叫做液滴型條件條件內(nèi)因

8、：紡絲流體本身的內(nèi)因：紡絲流體本身的/10-2cm/s時(shí)，時(shí)，/ 可能性可能性外因：外因：T可能性可能性；v0、R0可能性可能性。措施措施T可能性可能性；Q v0可能性可能性。降低溫度或增加泵供量可以避免降低溫度或增加泵供量可以避免（2）漫流型）漫流型擠出細(xì)流在噴絲板表面舒展開來的擠出類型，叫做漫流型擠出細(xì)流在噴絲板表面舒展開來的擠出類型，叫做漫流型隨著粘度隨著粘度、表面張力、表面張力，以及噴絲孔徑，以及噴絲孔徑R0和擠出速度和擠出速度v0的增的增加，擠出細(xì)流由液滴型向漫流型轉(zhuǎn)變。加，擠出細(xì)流由液滴型向漫流型轉(zhuǎn)變。定義定義條件條件措施措施由于在噴絲板表面舒展，從而使細(xì)流間相互粘連，會(huì)引起絲條的

9、周期由于在噴絲板表面舒展，從而使細(xì)流間相互粘連，會(huì)引起絲條的周期斷裂和毛絲，因此要避免。斷裂和毛絲，因此要避免。v0 vcr漫流型漫流型。 注意：注意：R0、 vcr漫流型漫流型。a、在噴絲板表面涂硅樹脂，減小表面張力，降低可能性；、在噴絲板表面涂硅樹脂，減小表面張力，降低可能性；b、降低紡絲溫度，使絲條的粘度上高，以降低可能性；、降低紡絲溫度，使絲條的粘度上高，以降低可能性；c、提高泵供量，使擠出速度提高，以降低可能性。、提高泵供量，使擠出速度提高，以降低可能性。 (3) 脹大型脹大型擠出的細(xì)流在孔口處發(fā)生脹大，但不依附于噴絲板擠出的細(xì)流在孔口處發(fā)生脹大，但不依附于噴絲板面的擠出類型，叫做面

10、的擠出類型，叫做“脹大型脹大型”。細(xì)流的最大直徑與噴絲孔的直徑之比，叫做細(xì)流的最大直徑與噴絲孔的直徑之比，叫做“脹大脹大比比”B0。紡絲流體出現(xiàn)孔口脹大現(xiàn)象，是由于紡絲。紡絲流體出現(xiàn)孔口脹大現(xiàn)象，是由于紡絲流體的彈性。流體的彈性。一般紡絲流體的脹大比一般紡絲流體的脹大比B0為為12.5；個(gè)別的高達(dá)；個(gè)別的高達(dá)7定義定義 脹大比脹大比B0 （4）破裂型）破裂型在脹大型的基礎(chǔ)，絲條如果繼續(xù)提高擠出速度，擠出細(xì)流在脹大型的基礎(chǔ)，絲條如果繼續(xù)提高擠出速度，擠出細(xì)流則會(huì)因均勻性的破壞而轉(zhuǎn)化為破裂型。則會(huì)因均勻性的破壞而轉(zhuǎn)化為破裂型。不管是熔紡，還是濕紡，初生纖維的外表呈現(xiàn)出波浪形、鯊魚皮形、不管是熔紡，

11、還是濕紡，初生纖維的外表呈現(xiàn)出波浪形、鯊魚皮形、竹節(jié)形或螺旋形畸變，甚至破裂，叫做不穩(wěn)定流動(dòng)、熔體破裂。竹節(jié)形或螺旋形畸變，甚至破裂，叫做不穩(wěn)定流動(dòng)、熔體破裂。定義定義 條件條件 p對(duì)于絕大多數(shù)聚合物來說，拉伸應(yīng)力對(duì)于絕大多數(shù)聚合物來說，拉伸應(yīng)力cr105Pa時(shí)，出現(xiàn)的時(shí)，出現(xiàn)的可能性增大可能性增大。M、Tcr，即可能性增大，即可能性增大。p發(fā)生破裂型的臨界切變速率發(fā)生破裂型的臨界切變速率 的大小，因粘度而異。一般來的大小，因粘度而異。一般來說，說，M、T ，即可能性增大，即可能性增大。p臨界粘度也可作為破裂的標(biāo)志：臨界粘度也可作為破裂的標(biāo)志：cr0.0250。crcrcrcr在紡絲過程中，之

12、所以會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定流動(dòng)與破裂，是由于在紡絲過程中，之所以會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定流動(dòng)與破裂，是由于彈性過大，造成聚合物流體的流動(dòng)變?yōu)閺椥酝牧?。彈性過大，造成聚合物流體的流動(dòng)變?yōu)閺椥酝牧?。紡絲流體的彈性可復(fù)剪切應(yīng)變紡絲流體的彈性可復(fù)剪切應(yīng)變可表示為：可表示為：12/G /G Reel因此，彈性雷諾準(zhǔn)數(shù)可以作為熔體破裂的判據(jù)。一般來說，因此，彈性雷諾準(zhǔn)數(shù)可以作為熔體破裂的判據(jù)。一般來說，Reel 58時(shí)，即會(huì)發(fā)生熔體破裂。時(shí)，即會(huì)發(fā)生熔體破裂。原因原因 由上式可得，熔體破裂避免的措施為：由上式可得，熔體破裂避免的措施為：(T)、 (Q ) Reel避免避免提高紡絲流體溫度和減小泵供量以減低提高紡絲流體溫度和減小

13、泵供量以減低措施措施 crcrcrcr4.24.2 熔體紡絲熔體紡絲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紡絲箱體分配組件過濾噴絲板成型概述概述直接紡：單體聚合 高聚物熔體切片紡：切片篩選干燥等處理 螺桿擠出機(jī)中熔融紡絲箱體 泵送至紡絲組件 由噴絲孔擠出 在紡絲甬道中冷卻(拉伸) 上油、卷繞或落桶 熔熔體紡絲的主要設(shè)備紡絲的主要設(shè)備螺桿擠壓機(jī)螺桿擠壓機(jī) 紡絲箱體紡絲箱體噴絲頭組件噴絲頭組件噴絲孔及導(dǎo)孔形狀噴絲孔及導(dǎo)孔形狀絲條的冷卻絲條的冷卻上油上油纖維的卷繞成型纖維的卷繞成型長絲卷繞機(jī)長絲卷繞機(jī)2.熔紡纖維的后加

14、工熔紡纖維的后加工 長絲的后加工長絲的后加工拉伸（加捻）拉伸（加捻）加彈（假捻變形）加彈（假捻變形）網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò) 短纖維的后加工包括集束，拉伸，定型，卷曲，短纖維的后加工包括集束，拉伸，定型，卷曲，上油，切斷和打包整個(gè)工序。上油，切斷和打包整個(gè)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 2卷繞絲筒 3，8導(dǎo)絲棒 4喂入輥 5上拉伸盤 6加熱器7下拉伸盤 9鋼領(lǐng) 10筒管 11廢絲軸 12鋼絲圈 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)過“變形”和熱定型而制得的高度卷曲蓬松的彈力絲。

15、 加捻、熱定型、解捻這三個(gè)過程在同一臺(tái)機(jī)器上完成。F網(wǎng)絡(luò)絲的加工網(wǎng)絡(luò)絲的加工 網(wǎng)絡(luò)絲是指絲條在網(wǎng)絡(luò)噴嘴中，經(jīng)噴射氣流作網(wǎng)絡(luò)絲是指絲條在網(wǎng)絡(luò)噴嘴中，經(jīng)噴射氣流作用，單絲互相纏結(jié)而呈周期性網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)的長絲。用，單絲互相纏結(jié)而呈周期性網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)的長絲。短纖維集束短纖維集束 F短纖維拉伸短纖維拉伸4.2.14.2.1熔體紡絲的運(yùn)動(dòng)學(xué)熔體紡絲的運(yùn)動(dòng)學(xué)（1）紡絲線上的速度分布）紡絲線上的速度分布熔體紡絲為一個(gè)等溫過程；熔體紡絲為一個(gè)等溫過程；紡絲速度紡絲速度v在徑向上是不變的；在徑向上是不變的；紡絲線上不發(fā)生結(jié)晶過程。紡絲線上不發(fā)生結(jié)晶過程?；炯僭O(shè)基本假設(shè) meltsolidMelt-spinning sket

16、chxAxVx=常數(shù)T(x)：由補(bǔ)償式接觸溫 度計(jì)、紅外線拍照等確定 (T)不發(fā)生結(jié)晶時(shí)xdx： 高速攝影法取樣器取樣法 確定 激光衍射法Vx(x)=dVxdx KTest stand for temperature and velocity measurement:Infrared Camera and LaserDoppler AnemometerPA熔體紡絲線上的直徑分布熔體紡絲線上的直徑分布PA熔體紡絲線上的速度分布熔體紡絲線上的速度分布紡絲線上發(fā)生結(jié)晶紡絲線上發(fā)生結(jié)晶, 存在著一處絲條直徑存在著一處絲條直徑急劇減小的位置急劇減小的位置.PET高速紡絲根據(jù)的不同，紡絲線可分成三個(gè)區(qū)域

17、:擠出脹大區(qū)擠出脹大區(qū):沿紡程Vx減小, d=dmax時(shí)， 形變（細(xì)化）區(qū)形變（細(xì)化）區(qū)： a ： b： 固化絲條運(yùn)動(dòng)區(qū)固化絲條運(yùn)動(dòng)區(qū)：Vx=K，d=K， 0dxdvx0dxdvx0, 022dxvddxdvxx0, 022dxvddxdvxx在此區(qū)中，由于彈性表現(xiàn)而呈現(xiàn)脹大效應(yīng)，故直徑增大而在此區(qū)中，由于彈性表現(xiàn)而呈現(xiàn)脹大效應(yīng)，故直徑增大而速度減??；即有速度減??；即有D(x)增大，而增大，而v(x)下降，拉伸應(yīng)變速率下降，拉伸應(yīng)變速率 (dv/dx) 0。但熔體紡絲中，由于卷繞速度較大，即拉伸比但熔體紡絲中，由于卷繞速度較大，即拉伸比v(L)/v(0) 較較大，通常不存在脹大區(qū)。大，通常不存

18、在脹大區(qū)。脹大區(qū)（脹大區(qū)（區(qū)區(qū) ） 形變區(qū)（第形變區(qū)（第區(qū)）區(qū)） 在此區(qū)中，在此區(qū)中，D(x)減小，減小，v(x)增加，增加， 0， 0；溫；溫度度T較高使拉伸粘度較小，在拉伸力作用下容易發(fā)生細(xì)化，即較高使拉伸粘度較小，在拉伸力作用下容易發(fā)生細(xì)化，即直徑下降的變化較大。直徑下降的變化較大。pb區(qū)：區(qū)：在此區(qū)中，在此區(qū)中，D(x)減小，減小，v(x)增加，增加， 0， 0；22dxvdx)(dxdv)(dxdv22dxvdx溫度溫度T較低使拉伸粘度較大，導(dǎo)致松弛時(shí)間延長，形成的結(jié)構(gòu)較低使拉伸粘度較大，導(dǎo)致松弛時(shí)間延長，形成的結(jié)構(gòu)容易被穩(wěn)定下來，即容易取向和結(jié)晶。容易被穩(wěn)定下來，即容易取向和結(jié)晶。

19、在此區(qū)中，由于直徑在此區(qū)中，由于直徑D(x)不變，故速度不變，故速度v(x)也不變；也不變；但結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，結(jié)構(gòu)進(jìn)一步在此形成，可能發(fā)生但結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，結(jié)構(gòu)進(jìn)一步在此形成，可能發(fā)生取向誘導(dǎo)結(jié)晶。取向誘導(dǎo)結(jié)晶。 等速區(qū)（第等速區(qū)（第區(qū)）區(qū)） 4.2.2 4.2.2 熔體紡絲的動(dòng)力學(xué)熔體紡絲的動(dòng)力學(xué)（1）熔體紡絲線上的力平衡 分析從噴絲頭(x=0)到離噴絲頭x處的一段紡絲線(上脫離體)： p Fr(x)為在x=X處絲條所受到的流變阻力；p Fr(0)為細(xì)流在噴絲孔出口處作軸向拉伸流動(dòng)時(shí) 所克服的流變阻力;p Fs為紡絲線在紡程中需克服的表面張力；p Fi為使紡絲線作軸向加速運(yùn)動(dòng)所需克服的慣性力

20、；p Ff為空氣對(duì)運(yùn)動(dòng)著的紡絲線表面所產(chǎn)生的摩擦阻力；p Fg為重力場對(duì)紡絲線的作用力 單位體積的質(zhì)量力：作用在整個(gè)物體上的單位體積的力，考慮流單位體積的質(zhì)量力：作用在整個(gè)物體上的單位體積的力，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：體絲條在環(huán)境介質(zhì)中的浮力作用，絲條單位體積的重力： ：絲條流動(dòng)方向與重力方向的夾角fg=g(-0)cos cos=-1 垂直向上紡絲0 水平紡絲1 垂直向下紡絲xxgdxdgF04在空氣中冷卻在空氣中冷卻 0（2）紡絲線上的軸向受力分析）紡絲線上的軸向受力分析A、重力、重力FgdxdgFxxg04B、表面張力、表面張力Fs 紡絲過程是一個(gè)比表面積逐

21、漸增大的過程，但表面張紡絲過程是一個(gè)比表面積逐漸增大的過程，但表面張力要使液體的表面趨于最小化，因此表面張力是一個(gè)力要使液體的表面趨于最小化，因此表面張力是一個(gè)抵抗拉伸的作用力。抵抗拉伸的作用力。 界面張力界面張力（N/m）：單位分界邊緣上的力，聚合物熔體的）：單位分界邊緣上的力，聚合物熔體的界面張力一般為界面張力一般為0.030.08 N/m。表面張力表面張力Fs：由界面張力可以計(jì)算求得，其關(guān)系式為：由界面張力可以計(jì)算求得，其關(guān)系式為：Fs2(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。內(nèi)起作用；熔紡中，一般很小。C、摩擦阻力、摩擦阻力Ff 摩擦阻力的大小，可以通過定

22、義而求得，即：摩擦阻力的大小，可以通過定義而求得，即：dxRxFxxsrxf2)(0,紡絲線表面的剪切應(yīng)力紡絲線表面的剪切應(yīng)力20,21xfsrxvC摩擦阻力沿紡絲線而變化著，摩擦阻力沿紡絲線而變化著，。表面摩擦因數(shù)或空氣阻力系數(shù)：與絲條運(yùn)動(dòng)速度、表面摩擦因數(shù)或空氣阻力系數(shù)：與絲條運(yùn)動(dòng)速度、絲條絲條 表面集合形狀及介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)粘度等因素有關(guān)表面集合形狀及介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)粘度等因素有關(guān)Cf KRenFf8.2810-4vx1.39dx0.39摩擦阻力摩擦阻力Ff與紡絲速度的與紡絲速度的1.39次方成正比。次方成正比。D、慣性力、慣性力Fi 根據(jù)牛頓第二定律求得：根據(jù)牛頓第二定律求得：FimaQt(vx-

23、v0)/tQ(vx-v0)A0v0(vx-v0)由于由于A0v0Axvx，并且，并且vx v0，故有：，故有：FiAxvx(vx-v0)Axv2x慣性力慣性力Fi與絲條速度與絲條速度的平方成正比的平方成正比 絲條固化后，絲條固化后，基本上為勻速運(yùn)動(dòng)，故不存在慣性力基本上為勻速運(yùn)動(dòng)，故不存在慣性力Fi絲條固化前，絲條固化前，為加速運(yùn)動(dòng)，存在慣性力，并且絲條速度越大，為加速運(yùn)動(dòng)，存在慣性力，并且絲條速度越大，則慣性力則慣性力Fi的貢獻(xiàn)就越大。的貢獻(xiàn)就越大?？偠灾?，常規(guī)紡絲中，慣性力總而言之，常規(guī)紡絲中，慣性力Fi在第在第區(qū)中存在；在高速紡絲區(qū)中存在；在高速紡絲中，慣性力中，慣性力Fi的重要性大大

24、增加。的重要性大大增加。E、流變力、流變力Fr 流變力流變力Fr :Fr(x)可由力平衡方程式得：可由力平衡方程式得：Fr(x)Fext+FgFsFfFi流變阻力流變阻力Fr(0):可以通過拉伸應(yīng)力的定義來計(jì)算，即：可以通過拉伸應(yīng)力的定義來計(jì)算，即：Fr(0)R20 xx(0)R20e(0) (0)R20e(0)dv/dxFr(0):熔體細(xì)流在噴絲孔出口處作拉伸流動(dòng)時(shí)所克服的流變阻力Fr(X):在x=X處絲條所受到的流變阻力 （紡絲線上x=X處絲條截面上所受的張力） 根據(jù)紡絲線上的力平衡方程式，根據(jù)紡絲線上的力平衡方程式，可求得任意點(diǎn)可求得任意點(diǎn)x處的紡絲應(yīng)力，從而處的紡絲應(yīng)力，從而確定紡絲線

25、上的應(yīng)力分布確定紡絲線上的應(yīng)力分布. PET紡絲線上的應(yīng)力分布 在4000m/min的紡速下，紡絲應(yīng)力沿紡程幾乎單調(diào)增加。當(dāng)紡速更高紡絲線上出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象時(shí)，頸縮點(diǎn)附近紡絲應(yīng)力急劇增大。4.2.3 4.2.3 熔體紡絲的傳熱學(xué)熔體紡絲的傳熱學(xué) （1）紡絲線上的傳熱和溫度分布紡絲線上的傳熱和溫度分布 （A） 紡絲線上的傳熱機(jī)理紡絲線上的傳熱機(jī)理 運(yùn)動(dòng)絲條和環(huán)境介質(zhì)間的傳熱(1)絲條內(nèi)部(0 r R ):傳導(dǎo)(2)從絲條表面到環(huán)境介質(zhì):主要為對(duì)流傳熱，還有很小一部分為熱輻射。在紡絲線上有軸向溫度場（T-X） 徑向的溫度場（T-r）研究熔體紡絲中傳熱問題的主要任務(wù)，就是找出任何時(shí)刻紡絲線上的溫度分布情

26、況，即軸向溫度場和徑向溫度場。v 熱傳導(dǎo)：熱傳導(dǎo)：絲條內(nèi)部，絲條內(nèi)部，0 r R 對(duì)流傳熱：對(duì)流傳熱：絲條表面與空氣介質(zhì)絲條表面與空氣介質(zhì)之間，之間，r R；v 熱輻射熱輻射：剛離開噴絲孔的一段：剛離開噴絲孔的一段距離內(nèi)，一般忽略，只有在高溫距離內(nèi)，一般忽略，只有在高溫時(shí)才會(huì)考慮。時(shí)才會(huì)考慮。（B）紡絲線上的軸向溫度梯度紡絲線上的軸向溫度梯度 a、紡絲線軸向上沒有傳熱，但軸向有溫差，即忽略軸紡絲線軸向上沒有傳熱，但軸向有溫差，即忽略軸向熱傳導(dǎo)；向熱傳導(dǎo)；b、紡絲線徑向上沒有溫差，即忽略徑向熱傳導(dǎo)；紡絲線徑向上沒有溫差，即忽略徑向熱傳導(dǎo)；c、紡絲線上沒有相變化，即忽略相變熱；紡絲線上沒有相變化，

27、即忽略相變熱；d、紡絲線上沒有熱輻射；紡絲線上沒有熱輻射；e、紡絲是穩(wěn)態(tài)的，即狀態(tài)參數(shù)是不隨時(shí)間而改變。紡絲是穩(wěn)態(tài)的，即狀態(tài)參數(shù)是不隨時(shí)間而改變。 基本假設(shè)基本假設(shè) 溫度分布式溫度分布式 從噴絲孔帶出來的紡絲細(xì)流的熱量，和與空氣之間的熱交從噴絲孔帶出來的紡絲細(xì)流的熱量，和與空氣之間的熱交換能量是相等的，故有以下關(guān)系式：換能量是相等的，故有以下關(guān)系式：*是絲條的對(duì)流傳熱系數(shù)；T、Ts分別是絲條和介質(zhì)的溫度；Cp是絲條的熱容量，J/kgk；W是從一個(gè)噴絲孔擠出來的熔體的質(zhì)量，單位為kg/sq1*dA(TTs)* d d(x) (TTs)q2W Cp dT：pspsWCTTdCvdTTdxdT)()

28、(4*)exp()(0*0 xPssxdxWCdaTTTT)exp()1)(0*0 xPssxdxWCdakTTTTCp和W通?？梢暈槌?shù)，在a* 確定后，可求得紡程上x處的溫度T(x)。 PA6紡絲線上的溫度分布 PET紡絲線上的溫度分布 PET紡速為紡速為8000m/min時(shí)，紡絲線上的溫度曲線與計(jì)算值不時(shí)，紡絲線上的溫度曲線與計(jì)算值不符符,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 （2）熔體紡絲線的冷卻長度熔體紡絲線的冷卻長度Lk名詞解釋名詞解釋 （a）紡程：從噴絲孔紡程：從噴絲孔x0到卷繞點(diǎn)到卷繞點(diǎn)xL之間的之間的距離距離。（b）紡絲線路徑：從噴絲孔紡絲

29、線路徑：從噴絲孔x0到卷繞點(diǎn)到卷繞點(diǎn)xL之間的之間的路線路線。（c）冷卻長度冷卻長度Lk：從噴絲孔從噴絲孔x0到固化點(diǎn)到固化點(diǎn)xe之間的之間的距離距離。（d）紡絲細(xì)流：從噴絲孔紡絲細(xì)流：從噴絲孔x0到固化點(diǎn)到固化點(diǎn)xe之間的之間的路線路線。 冷卻長度冷卻長度Lk的計(jì)算的計(jì)算 假設(shè)固化點(diǎn)的溫度為假設(shè)固化點(diǎn)的溫度為Te，冷卻長度為冷卻長度為Lk，則根據(jù)紡絲則根據(jù)紡絲線上的軸向溫度分布方程式，有：線上的軸向溫度分布方程式，有：為了處理問題的方便，假設(shè)為了處理問題的方便，假設(shè)W、Cp、*都為常數(shù)，固化都為常數(shù)，固化點(diǎn)前的直徑和速度用平均值表示，則可得到如下關(guān)系式：點(diǎn)前的直徑和速度用平均值表示，則可得到

30、如下關(guān)系式： dxWCdTTTTkLPses0*0lnsesPsesPkTTTTCvdTTTTdWCL0*0*4ln冷卻長度冷卻長度Lk的影響因素的影響因素 根據(jù)以上關(guān)系式，可以對(duì)冷卻長度根據(jù)以上關(guān)系式，可以對(duì)冷卻長度Lk進(jìn)行如下討論。進(jìn)行如下討論。（1）對(duì)流傳熱系數(shù)）對(duì)流傳熱系數(shù)*：*一倍一倍 Lk一半，可一半，可降低固化長度，縮短紡絲設(shè)備的高度。降低固化長度，縮短紡絲設(shè)備的高度。（2）介質(zhì)溫度）介質(zhì)溫度Ts：Ts Lk,例如，介質(zhì)溫度例如，介質(zhì)溫度Ts從從20變到變到10，則冷卻長度，則冷卻長度Lk降低降低8.6。（3）熱容量）熱容量Cp：Cp Lk。例如，例如，Cp(PA6) Cp(PE

31、T)，故故Lk(PA6)要大；要大；PET的的冷卻長度冷卻長度Lk為為0.50.8m，PA6的冷卻長度的冷卻長度Lk為為0.71.2m，因此專用設(shè)備的紡絲效果更好。因此專用設(shè)備的紡絲效果更好。（4）直徑）直徑d：d Lk。這是因?yàn)檫@是因?yàn)閣不變時(shí)，直徑增加，則纖維的根數(shù)減少，不變時(shí)，直徑增加，則纖維的根數(shù)減少，故冷卻長度故冷卻長度Lk縮短。縮短。（5）泵供量）泵供量w：w Lk。（6）噴絲板溫度噴絲板溫度T0：T0 Lk。根據(jù)以上討論可知，即使常規(guī)紡絲，冷卻長度根據(jù)以上討論可知，即使常規(guī)紡絲，冷卻長度Lk也也很短，只有很短，只有0.5m左右，而其紡程為左右，而其紡程為46m，高速紡高速紡絲時(shí)為

32、絲時(shí)為7m。從中受到啟發(fā)，是否能縮短紡絲設(shè)備的從中受到啟發(fā)，是否能縮短紡絲設(shè)備的高度？高度？v空氣速度分量V保持恒定時(shí)，傳熱系數(shù)隨Vy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(shí)驗(yàn)關(guān)系式：的實(shí)驗(yàn)關(guān)系式：167. 02334. 0Re*)8(1 42. 0)/(xyanuvvNdN)/(ReavdNd：絲條的直徑; 空氣導(dǎo)熱系數(shù), 2.7610-2W/(m.k); 運(yùn)動(dòng)粘度, 1.610-5m2/s 又 A=d2/4 =0.42(a a-0.334)Vx0.334A-0.333(4/ )-0.3331+( )20.167=0.4253A-0.333Vx0.334

33、 1+( )2 0.167 = 0.4253A-0.333 Vx2+ （8Vy）2 0.167 8VyVx8VyVxvx為風(fēng)速的縱向分量，相當(dāng)于紡絲過程中絲條的運(yùn)動(dòng)速度；為風(fēng)速的縱向分量，相當(dāng)于紡絲過程中絲條的運(yùn)動(dòng)速度；vy為風(fēng)速的橫向分量。為風(fēng)速的橫向分量。 （3）絲條冷卻的傳熱系數(shù)）絲條冷卻的傳熱系數(shù)* aa 根據(jù)上述關(guān)系式，可以得到兩個(gè)重要的結(jié)論：根據(jù)上述關(guān)系式，可以得到兩個(gè)重要的結(jié)論：i.i. 橫吹風(fēng)時(shí)（橫吹風(fēng)時(shí)（vx0，vya）絲條的傳熱系數(shù)絲條的傳熱系數(shù)*是縱吹風(fēng)（是縱吹風(fēng)（vxa，vy0）的傳熱系數(shù)的傳熱系數(shù)*的的2倍。倍。ii.ii.紡絲線上絲條冷卻的控制因素是變化的。紡絲線上

34、絲條冷卻的控制因素是變化的。當(dāng)當(dāng)8vy vx，即即vy/vx 0.125時(shí)，時(shí)，*2cvy0.334；即對(duì)流傳熱系數(shù)即對(duì)流傳熱系數(shù)*取決于橫吹風(fēng)的控制，也就是風(fēng)速的控制。取決于橫吹風(fēng)的控制，也就是風(fēng)速的控制。當(dāng)當(dāng)8vy vx，即即vy/vx 0.125時(shí)，時(shí)，*cvx0.334；即對(duì)流傳熱系數(shù)即對(duì)流傳熱系數(shù)*與橫吹風(fēng)無關(guān)，取決于紡速。與橫吹風(fēng)無關(guān)，取決于紡速。即：常規(guī)紡絲中，在冷卻窗的上部，對(duì)流傳熱系數(shù)即：常規(guī)紡絲中，在冷卻窗的上部，對(duì)流傳熱系數(shù)* *取決于取決于橫吹風(fēng)，即風(fēng)速的控制；在冷卻窗的下部，對(duì)流傳熱系數(shù)橫吹風(fēng)，即風(fēng)速的控制；在冷卻窗的下部，對(duì)流傳熱系數(shù)* *取決于紡速的控制。取決于紡

35、速的控制。在高速紡絲中，更早出現(xiàn)在高速紡絲中，更早出現(xiàn)v vy y/ /v vx x 0.125 0.125的情況，冷卻窗的上的情況，冷卻窗的上部更短，即風(fēng)速的變化對(duì)冷卻過程和初生纖維結(jié)構(gòu)性質(zhì)的變部更短，即風(fēng)速的變化對(duì)冷卻過程和初生纖維結(jié)構(gòu)性質(zhì)的變化不如常規(guī)紡絲明顯?；蝗绯Ｒ?guī)紡絲明顯。 （4）紡絲線上的徑向溫度分布）紡絲線上的徑向溫度分布 在推導(dǎo)紡絲線上的軸向溫度分布方程式時(shí)，是假設(shè)在推導(dǎo)紡絲線上的軸向溫度分布方程式時(shí)，是假設(shè)不存在徑向溫度差的，而實(shí)際上是存在的。根據(jù)化不存在徑向溫度差的，而實(shí)際上是存在的。根據(jù)化工原理中的付立葉定律，可以得到如下方程式：工原理中的付立葉定律，可以得到如下方程

36、式：方程式方程式 *)()(sRRTTrT式中，式中，TR是表面溫度，是表面溫度，是熱傳導(dǎo)系數(shù)；是熱傳導(dǎo)系數(shù)；*是對(duì)流傳熱系數(shù)。是對(duì)流傳熱系數(shù)。根據(jù)以上關(guān)系式，可作如下討論。根據(jù)以上關(guān)系式，可作如下討論。（a）對(duì)流傳熱系數(shù)對(duì)流傳熱系數(shù)*：* (dT/dr)。（b）其它因素：其它因素：v、vy、d* (dT/dr)。因此，紡絲速度因此，紡絲速度v和風(fēng)速和風(fēng)速vy的增加，使絲條的對(duì)流傳熱系數(shù)的增加，使絲條的對(duì)流傳熱系數(shù)增大，從而使絲條的徑向溫度梯度加大，使絲條徑向上的差增大，從而使絲條的徑向溫度梯度加大，使絲條徑向上的差異性加大。異性加大。討論討論 平均徑向溫度梯度平均徑向溫度梯度 根據(jù)對(duì)流傳熱系

37、數(shù)根據(jù)對(duì)流傳熱系數(shù)*的關(guān)系式，即的關(guān)系式，即*Nua/d，可以有可以有如下方程式：如下方程式：通過數(shù)學(xué)處理后，可以得到絲條的平均徑向溫度梯度：通過數(shù)學(xué)處理后，可以得到絲條的平均徑向溫度梯度：式中，式中，T0為絲條中心的溫度；為絲條中心的溫度；a為空氣的傳熱系數(shù)。為空氣的傳熱系數(shù)。(T0TR)/R為的絲條平均徑向溫度梯度。為的絲條平均徑向溫度梯度。RNTTdrdTausRR2)()(RNTTRTTausRR2)(0徑向溫度梯度對(duì)纖維結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的影響徑向溫度梯度對(duì)纖維結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的影響 從圖可知，絲條中心與表面之間的溫差可達(dá)從圖可知，絲條中心與表面之間的溫差可達(dá)2030，而絲條的半徑，而絲條的半徑為

38、為0.002cm，則徑向溫度梯度的數(shù)量級(jí)為則徑向溫度梯度的數(shù)量級(jí)為104/cm，因此對(duì)聚合物的因此對(duì)聚合物的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)產(chǎn)生重要的影響。結(jié)構(gòu)和性質(zhì)產(chǎn)生重要的影響。絲條表面的溫度絲條表面的溫度T低低 e 11 n；絲條中心的溫度絲條中心的溫度T高高 e 11 n。由此可見，這樣將導(dǎo)致聚合物在徑向上的不均勻性由此可見，這樣將導(dǎo)致聚合物在徑向上的不均勻性將化學(xué)纖維的結(jié)構(gòu)分成三個(gè)層次： 單個(gè)分子的結(jié)構(gòu)和形態(tài)。包括成纖聚合物的組成、構(gòu)型,以及分子量和分布、支化或交聯(lián)等鏈空間不規(guī)則性 。 成纖聚合物分子鏈聚集成一定規(guī)則排列的高分子聚集體結(jié)構(gòu)。包括晶態(tài)結(jié)構(gòu)、非晶態(tài)結(jié)構(gòu)、取向態(tài)結(jié)構(gòu)、液晶態(tài)結(jié)構(gòu)和織態(tài)結(jié)構(gòu)。 包括

39、微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)和宏觀形態(tài)結(jié)構(gòu)。 微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)指微孔的形狀、大小和分布等 宏觀形態(tài)結(jié)構(gòu)包括橫截面形狀、空隙大以及皮芯結(jié)構(gòu)等。聚集態(tài)結(jié)構(gòu)、形態(tài)結(jié)構(gòu)與成形的工藝條件密切相關(guān)。4.2.4 4.2.4 熔體紡絲過程中纖維結(jié)構(gòu)的形成熔體紡絲過程中纖維結(jié)構(gòu)的形成 紡絲線上纖維結(jié)構(gòu)的形成和發(fā)展紡絲線上纖維結(jié)構(gòu)的形成和發(fā)展 高聚物的取向和結(jié)晶高聚物的取向和結(jié)晶紡絲過程中的取向作用將影響：結(jié)晶動(dòng)力學(xué)纖維中的晶體形態(tài)拉伸工序的進(jìn)行成品纖維的取向度（1）熔體紡絲過程中的取向）熔體紡絲過程中的取向 熔體熔體狀態(tài)下的狀態(tài)下的流動(dòng)取向流動(dòng)取向纖維固化區(qū)的纖維固化區(qū)的形變?nèi)∠蛐巫內(nèi)∠驀娊z孔噴絲孔切變流場中的流動(dòng)取向切變流場中的

40、流動(dòng)取向紡絲線拉伸流場中的流動(dòng)取向紡絲線拉伸流場中的流動(dòng)取向穩(wěn)態(tài)下： 非穩(wěn)態(tài)下：還 t穩(wěn)態(tài)下： 非穩(wěn)態(tài)下：還取決于 t 等=ln ( )VVoA. 取向機(jī)理取向機(jī)理 聚合物流體在噴絲孔中流動(dòng)時(shí)存在剪切速度梯度，故存在聚合物流體在噴絲孔中流動(dòng)時(shí)存在剪切速度梯度，故存在取向，其紡絲流體取向度為：取向，其紡絲流體取向度為：但由于熔體溫度較高，其粘度較小，松弛時(shí)間較短，易發(fā)生解但由于熔體溫度較高，其粘度較小，松弛時(shí)間較短，易發(fā)生解取向；同時(shí)由于脹大效應(yīng)，使此取向也會(huì)消失。取向；同時(shí)由于脹大效應(yīng)，使此取向也會(huì)消失。故該取向較少，故該取向較少，可忽略?？珊雎?。1f過固化點(diǎn)之后，存在拉伸形變，故存在取向；但

41、由于較小，并且拉過固化點(diǎn)之后，存在拉伸形變，故存在取向；但由于較小，并且拉伸應(yīng)力也難把纖維拉動(dòng)而細(xì)化。伸應(yīng)力也難把纖維拉動(dòng)而細(xì)化。故取向不是很大。故取向不是很大。此種取向比較重要，初始纖維的取向度主要是拉伸流動(dòng)取向的此種取向比較重要，初始纖維的取向度主要是拉伸流動(dòng)取向的結(jié)果，大小為：結(jié)果，大小為：1f由于細(xì)流溫度在逐漸降低，其粘度逐漸在上升，松弛時(shí)間增加；由于細(xì)流溫度在逐漸降低，其粘度逐漸在上升，松弛時(shí)間增加；并且此階段的并且此階段的 較大，較大，f2較大。較大。故此階段的取向度較大。故此階段的取向度較大。接近噴頭區(qū)：接近噴頭區(qū)： n增加有限n相對(duì)增加迅速n趨于飽和 流動(dòng)取向 T高 e小，使解

42、取向作用也大 流動(dòng)取向 e 使解取向e 進(jìn)一步流動(dòng)取向困難 拉伸應(yīng)力有限 形變?nèi)∠蚶щy離噴頭稍遠(yuǎn)區(qū)：離噴頭稍遠(yuǎn)區(qū)：固化區(qū)附近：固化區(qū)附近： B.分子取向的發(fā)展分子取向的發(fā)展 1.1.紡絲線上不結(jié)晶的熔紡初生纖維的取向紡絲線上不結(jié)晶的熔紡初生纖維的取向 通過以上分析，可以得到以下結(jié)論：通過以上分析，可以得到以下結(jié)論：vx xn因此，從常規(guī)紡絲到高速紡絲，再到超高速紡絲，在較因此，從常規(guī)紡絲到高速紡絲，再到超高速紡絲，在較寬的速度范圍內(nèi)，取向度寬的速度范圍內(nèi)，取向度n將得到充分的發(fā)展和提高將得到充分的發(fā)展和提高之所以出現(xiàn)以上結(jié)果，是由于之所以出現(xiàn)以上結(jié)果，是由于nf ，而而，因此有如下關(guān)系式：因此

43、有如下關(guān)系式： 實(shí)際上測(cè)定的也是如此，例如實(shí)際上測(cè)定的也是如此，例如PET的的n7.81010 x x。 xxn以超高速紡PET為例： 低 e?。?70cm的范圍內(nèi)，細(xì)化主要在此完成的范圍內(nèi)，細(xì)化主要在此完成 ( T高 解取向大 n較小 ： n陡增在 80130cm的范圍內(nèi)，的范圍內(nèi)，晶核形成結(jié)晶加速，導(dǎo)致微晶取向） ：從固化點(diǎn)（從固化點(diǎn)（130cm）到卷繞點(diǎn)的范圍內(nèi)，難于發(fā)生取向到卷繞點(diǎn)的范圍內(nèi)，難于發(fā)生取向(空氣阻力的存在使張應(yīng)力不斷增加;e )2.2.紡絲線上發(fā)生結(jié)晶的熔紡初生纖維的取向紡絲線上發(fā)生結(jié)晶的熔紡初生纖維的取向 這是由于結(jié)晶的取向增加較快，并且容易達(dá)到飽和值，這是由于結(jié)晶的取

44、向增加較快，并且容易達(dá)到飽和值，故結(jié)晶的初生纖維的取向度故結(jié)晶的初生纖維的取向度n在在b區(qū)增加較快。區(qū)增加較快。由于聚合物容易結(jié)晶，而結(jié)晶后阻礙了取向的進(jìn)一步由于聚合物容易結(jié)晶，而結(jié)晶后阻礙了取向的進(jìn)一步發(fā)展（這是因?yàn)榧徑z線上的拉伸應(yīng)力發(fā)展（這是因?yàn)榧徑z線上的拉伸應(yīng)力不足以使結(jié)晶不足以使結(jié)晶聚合物取向），故只有結(jié)晶前的液態(tài)聚合物才發(fā)生取聚合物取向），故只有結(jié)晶前的液態(tài)聚合物才發(fā)生取向，而結(jié)晶又很快發(fā)生。因此紡絲速度達(dá)到一定值以向，而結(jié)晶又很快發(fā)生。因此紡絲速度達(dá)到一定值以后再提高，取向度后再提高，取向度n變化較慢。變化較慢。綜上所述，聚合物在紡程上結(jié)晶時(shí)，其取向度綜上所述，聚合物在紡程上結(jié)晶時(shí)

45、，其取向度n沿沿紡程紡程x的分布除取決于應(yīng)力歷史外，還取決于熱歷史。的分布除取決于應(yīng)力歷史外，還取決于熱歷史。卷繞速度的影響：紡程上無結(jié)晶時(shí)：VL，使xx n 紡程上有結(jié)晶時(shí)：VL，使xx ，導(dǎo)致微晶取向， n 很快達(dá)到飽和值；進(jìn)一步使VL，n 變化緩慢纖維細(xì)度的影響：d n 熔體泵供量的影響：W n環(huán)境介質(zhì)溫度的影響：Ts n熔體溫度的影響：To n（2）熔體紡絲過程中的結(jié)晶）熔體紡絲過程中的結(jié)晶 A、紡絲線上的等溫結(jié)晶動(dòng)力學(xué)紡絲線上的等溫結(jié)晶動(dòng)力學(xué)Avrami方程式方程式 （1c）exp(-ktn)結(jié)晶化的特征曲線結(jié)晶化的特征曲線 根據(jù)該曲線，可把結(jié)晶過程分為根據(jù)該曲線，可把結(jié)晶過程分為3

46、個(gè)階段：個(gè)階段：，結(jié)晶度，結(jié)晶度c較小并較小并且且慢；慢；，結(jié)晶度，結(jié)晶度c；，結(jié)晶度，結(jié)晶度c基本上基本上穩(wěn)定不變。穩(wěn)定不變?？偠灾?，結(jié)晶是分階段進(jìn)行的，并且結(jié)晶總而言之，結(jié)晶是分階段進(jìn)行的，并且結(jié)晶速率速率（d/dt）是不一樣的。是不一樣的。結(jié)晶速率的表征結(jié)晶速率的表征 結(jié)晶速率可以用半壽期結(jié)晶速率可以用半壽期t1/2表示，也可以用結(jié)晶速率常表示，也可以用結(jié)晶速率常數(shù)數(shù)k（kt1/21）表示。表示。t1/2 k d/dt。半結(jié)晶寬度半結(jié)晶寬度D(T1-T2) 動(dòng)力學(xué)結(jié)晶能力動(dòng)力學(xué)結(jié)晶能力G：K(T)曲線下的曲線下的 面積面積 B、紡絲線上的準(zhǔn)等溫結(jié)晶動(dòng)力學(xué)紡絲線上的準(zhǔn)等溫結(jié)晶動(dòng)力學(xué) 由于

47、結(jié)晶速率常數(shù)由于結(jié)晶速率常數(shù)k是溫度是溫度T的函數(shù)，的函數(shù)，故故k(T)曲線是一個(gè)倒鐘形的曲線曲線是一個(gè)倒鐘形的曲線 物理量：物理量：v聚合物最大結(jié)晶速率常數(shù)（聚合物最大結(jié)晶速率常數(shù)（k*）v最大結(jié)晶溫度（最大結(jié)晶溫度（T*）v半結(jié)晶溫度（半結(jié)晶溫度（T2、T1）v半結(jié)晶寬度（半結(jié)晶寬度（DT1T2）v動(dòng)力學(xué)結(jié)晶能力動(dòng)力學(xué)結(jié)晶能力G（Gk* D） 動(dòng)力學(xué)結(jié)晶能力動(dòng)力學(xué)結(jié)晶能力G，指聚合物熔體從熔點(diǎn)指聚合物熔體從熔點(diǎn)Tm以單位冷卻速率降低以單位冷卻速率降低到玻璃化溫度到玻璃化溫度Tg時(shí)，所得到的相對(duì)結(jié)晶度。時(shí)，所得到的相對(duì)結(jié)晶度。計(jì)算：計(jì)算：k(T)曲線下的面積，近似地等于半結(jié)晶寬度與最大結(jié)晶速

48、曲線下的面積，近似地等于半結(jié)晶寬度與最大結(jié)晶速率常數(shù)之乘積率常數(shù)之乘積: :DKdTTKGmsTT)(C、紡絲線上結(jié)晶的發(fā)展紡絲線上結(jié)晶的發(fā)展 結(jié)晶度的表達(dá)式結(jié)晶度的表達(dá)式根據(jù)以上的分析，絲條到達(dá)卷繞裝置時(shí)，絲條的結(jié)晶度根據(jù)以上的分析，絲條到達(dá)卷繞裝置時(shí)，絲條的結(jié)晶度L為：為： 通過有關(guān)的推導(dǎo)，可以得到結(jié)晶度的關(guān)系式：通過有關(guān)的推導(dǎo)，可以得到結(jié)晶度的關(guān)系式： )()(12*0ttKdttTKLtLssPLTDTTDTTTdCKt22ln)(4)()(*結(jié)晶度的影響因素結(jié)晶度的影響因素 由上式可以看出，結(jié)晶度的影響因素有以下幾個(gè)方面。由上式可以看出，結(jié)晶度的影響因素有以下幾個(gè)方面。絲條的特性參數(shù)

49、：絲條的特性參數(shù)：k*、D、T*L；絲條的冷卻參數(shù)：絲條的冷卻參數(shù)：*L，、Cp、TsL；絲條的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)：絲條的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)：v0、vL、w d(T*)L。D、紡絲線上的取向結(jié)晶紡絲線上的取向結(jié)晶 定義定義 結(jié)晶形態(tài)隨分子取向程度的不同而變化。結(jié)晶形態(tài)隨分子取向程度的不同而變化。例如：例如：vL折疊鏈折疊鏈、晶體尺寸、晶體尺寸。在取向結(jié)晶過程中，結(jié)晶溫度和結(jié)晶速在取向結(jié)晶過程中，結(jié)晶溫度和結(jié)晶速率要升高。例如：率要升高。例如：VL、x xTcr。c、結(jié)晶機(jī)理有可能完全不同。結(jié)晶機(jī)理有可能完全不同。 特點(diǎn)特點(diǎn) 4.3 4.3 濕法紡絲濕法紡絲 n濕法紡絲中的擴(kuò)散和凝固不僅是一般的物理和化學(xué)過程，

50、對(duì)某些濕法紡絲中的擴(kuò)散和凝固不僅是一般的物理和化學(xué)過程，對(duì)某些化學(xué)纖維如粘膠纖維同時(shí)還發(fā)生化學(xué)變化化學(xué)纖維如粘膠纖維同時(shí)還發(fā)生化學(xué)變化，因此，濕法紡絲的成，因此，濕法紡絲的成形過程較復(fù)雜，形過程較復(fù)雜，所以紡絲速度比熔體紡絲低。紡絲速度為，所以紡絲速度比熔體紡絲低。紡絲速度為5100m/min，而熔體紡絲的卷繞速度為每分鐘幾百米至幾千米。，而熔體紡絲的卷繞速度為每分鐘幾百米至幾千米。n采用濕法紡絲時(shí)，必須配備凝固浴的、循環(huán)及回收設(shè)備，工藝流采用濕法紡絲時(shí)，必須配備凝固浴的、循環(huán)及回收設(shè)備，工藝流程復(fù)雜，廠房建筑和設(shè)備投資費(fèi)用都較大，紡絲速度低，成本高程復(fù)雜，廠房建筑和設(shè)備投資費(fèi)用都較大，紡絲速

51、度低，成本高且對(duì)環(huán)境污染較嚴(yán)重。且對(duì)環(huán)境污染較嚴(yán)重。 采用二步法時(shí)，需要選擇合適的溶劑將成纖聚合物溶解，所得的溶液在送去紡絲之前要經(jīng)過混合、過濾和脫泡等工序，總稱為紡前準(zhǔn)備。紡絲溶液的過濾一般采用板框式壓濾機(jī)，過濾材料選用能承受一定壓力、并具有一定緊密度的各種織物，一般要連續(xù)進(jìn)行24道過濾。后一道過濾所用的濾材應(yīng)比前一道更致密，這樣才能發(fā)揮應(yīng)有的效果。氣泡會(huì)在紡絲過程中造成斷頭、毛絲和氣泡絲而降低纖維質(zhì)量，甚至使紡絲無法正常進(jìn)行。脫泡過程可在常壓或真空下進(jìn)行。在常壓下靜置脫泡，因氣泡較小，氣泡上升速度很慢，脫泡時(shí)間很長；在真空狀態(tài)下脫泡，真空度越高，液面上壓力越小，氣泡會(huì)迅速脹大，脫泡速度可大

52、大加快。一步法：單體直接聚合 聚合物溶液二步法：固體成纖聚合物 紡絲液 紡絲機(jī)混合、過濾、脫泡+溶劑溶解分離、干燥 計(jì)量泵、燭形濾器 噴絲頭 凝固浴 后處理 原液細(xì)流的固化原液細(xì)流的固化n原液細(xì)流在凝固浴中進(jìn)行如下過程：p 凝固浴中凝固劑向原液細(xì)流內(nèi)部的擴(kuò)散 原液中的溶劑向凝固浴擴(kuò)散p p n涉及兩方面的問題： 相分離的熱力學(xué)條件：聚合物（P）、溶劑（S）和凝固劑（N）三者之間對(duì)應(yīng)關(guān)系 擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)問題：原液細(xì)流和凝固浴表面接觸擴(kuò)散等速區(qū)細(xì)化區(qū)脹大區(qū)4.3.1 濕法紡絲的運(yùn)動(dòng)學(xué)濕法紡絲的運(yùn)動(dòng)學(xué) （1）紡絲線上的速度分布）紡絲線上的速度分布 孔流區(qū)在濕法紡絲中，穩(wěn)態(tài)條件下的單軸拉伸滿足下式：在濕法

53、紡絲中，穩(wěn)態(tài)條件下的單軸拉伸滿足下式： x vx Ax Cx常數(shù)常數(shù)Cx是紡絲線處于是紡絲線處于x點(diǎn)時(shí)，其單位體積內(nèi)所含的聚合物質(zhì)量點(diǎn)時(shí)，其單位體積內(nèi)所含的聚合物質(zhì)量假設(shè)體系的密度假設(shè)體系的密度x沿紡程不變，沿紡程不變，則紡絲線上的速度同時(shí)依賴于其則紡絲線上的速度同時(shí)依賴于其直徑直徑dx和聚合物濃度和聚合物濃度Cx；顯然，顯然，與熔紡中不一樣，紡絲速度與熔紡中不一樣，紡絲速度vx與與直徑直徑dx并無單值關(guān)系并無單值關(guān)系 速度分布曲線速度分布曲線 紡絲線上區(qū)域的劃分紡絲線上區(qū)域的劃分 （1）第）第區(qū)：脹大區(qū)，正拉伸時(shí)消失，零拉伸和負(fù)區(qū)：脹大區(qū)，正拉伸時(shí)消失，零拉伸和負(fù)拉伸時(shí)存在。拉伸時(shí)存在。（2

54、）第）第區(qū)：細(xì)化區(qū)，也可分為區(qū)：細(xì)化區(qū)，也可分為a區(qū)和區(qū)和b區(qū)。區(qū)。（3）第）第區(qū)：等速區(qū)。區(qū)：等速區(qū)。與熔紡不同，濕紡中的細(xì)流從噴絲孔擠出時(shí)，不與熔紡不同，濕紡中的細(xì)流從噴絲孔擠出時(shí)，不能承受過大的拉伸，故濕法紡絲通常采用負(fù)拉伸、能承受過大的拉伸，故濕法紡絲通常采用負(fù)拉伸、零拉伸或不大的正拉伸。零拉伸或不大的正拉伸。（1）負(fù)拉伸：）負(fù)拉伸：紡絲速度紡絲速度vx低于擠出速度低于擠出速度v0。（2）零拉伸：零拉伸：紡絲速度紡絲速度vx等于擠出速度等于擠出速度v0。（3）正拉伸：正拉伸：紡絲速度紡絲速度vx高于擠出速度高于擠出速度v0。濕法紡絲濕法紡絲的拉伸的拉伸 脹大區(qū)：沿紡程Vx，dVx/dX

55、0， 0dVxdxd2Vxdx2b區(qū)： 0， 乙醇甲醇H2ODN1060.2650.871.865.2溶劑種類對(duì)擴(kuò)散速率有影響溶劑種類對(duì)擴(kuò)散速率有影響凝固劑分子量凝固劑分子量 ，DN (一般而言一般而言) 紡程的影響紡程的影響 一般有：沿紡程一般有：沿紡程x ,Dx ,Di i （2）濕法成型中的相分離）濕法成型中的相分離 A、相分離圖相分離圖 Ziabicki對(duì)濕法紡絲成型的相分離過程進(jìn)行了定性的研究對(duì)濕法紡絲成型的相分離過程進(jìn)行了定性的研究 SNPponsoSZiabicki 三元相圖三元相圖相圖分析相圖分析n當(dāng)夾角0時(shí)， SD沿SP線向S靠近，相應(yīng)的通量比JS/JN，即紡絲原液不斷地被純

56、溶劑所稀釋n當(dāng) 時(shí)，SD向P靠近，通量比JS/JN，相當(dāng)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i.i.Js/JN*（第一臨界切線第一臨界切線）此區(qū)中，此區(qū)中，溶劑的溶劑的擴(kuò)散速度遠(yuǎn)小于凝固劑的擴(kuò)散速度，紡絲線上聚合物不斷擴(kuò)散速度遠(yuǎn)小于凝固劑的擴(kuò)散速度，紡絲線上聚合物不斷地被稀釋，故地被稀釋，故Cp；并且無相變。并且無相變。因此紡絲原液始終處于均相狀態(tài)而不固化。因此紡絲原液始終處于均相狀態(tài)而不固化。說明，說明，Js /JN是指紡絲原液不斷地被純?nèi)軇┧♂?。是指紡絲原液不斷地被純?nèi)軇┧♂?。ii.ii.*Js/JN1 () 此區(qū)中，溶劑的擴(kuò)散速度仍然小于凝

57、固此區(qū)中，溶劑的擴(kuò)散速度仍然小于凝固劑的擴(kuò)散速度，紡絲線上聚合物不斷被劑的擴(kuò)散速度，紡絲線上聚合物不斷被稀釋，故稀釋，故存在相變存在相變?？砂l(fā)生固化，但為稀釋固化可發(fā)生固化，但為稀釋固化；形成疏松而不均勻的結(jié)構(gòu)。形成疏松而不均勻的結(jié)構(gòu)。 說明，說明，1是指溶劑的擴(kuò)散速度等是指溶劑的擴(kuò)散速度等于凝固劑的擴(kuò)散速度。于凝固劑的擴(kuò)散速度。iii. 1Js/JN* （第二臨界切線）（第二臨界切線） 此區(qū)中，溶劑的擴(kuò)散速度大于凝固劑此區(qū)中，溶劑的擴(kuò)散速度大于凝固劑的擴(kuò)散速度，紡絲線上聚合物濃度的擴(kuò)散速度，紡絲線上聚合物濃度不斷上升，故不斷上升，故；存在相變。存在相變。固化固化（由相變和聚合物含量增加所致）

58、（由相變和聚合物含量增加所致）形成緊密而均勻的結(jié)構(gòu)形成緊密而均勻的結(jié)構(gòu)iv.iv.*Js/JN+ 此區(qū)中，溶劑的擴(kuò)散速度遠(yuǎn)大于凝固劑的此區(qū)中，溶劑的擴(kuò)散速度遠(yuǎn)大于凝固劑的擴(kuò)散速度，紡絲線上聚合物濃度不斷上升，擴(kuò)散速度，紡絲線上聚合物濃度不斷上升，故故Cp；但不存在相變。但不存在相變。但濕法生產(chǎn)上不能達(dá)到這大的傳質(zhì)通量比。但濕法生產(chǎn)上不能達(dá)到這大的傳質(zhì)通量比。綜上所述，濕法紡絲大多在第綜上所述，濕法紡絲大多在第3區(qū)中成型。區(qū)中成型。相圖小結(jié)相圖小結(jié) 從熱力學(xué)可能性而言：從熱力學(xué)可能性而言： 在在區(qū)是不能紡制成纖維的區(qū)是不能紡制成纖維的 在在、和和區(qū)的原液細(xì)流能夠固化區(qū)的原液細(xì)流能夠固化 從纖維結(jié)

59、構(gòu)的均勻性和機(jī)械性能看從纖維結(jié)構(gòu)的均勻性和機(jī)械性能看: : 以以區(qū)成形的纖維最為優(yōu)良區(qū)成形的纖維最為優(yōu)良 通常的濕法紡絲以通常的濕法紡絲以區(qū)為多區(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，而且取決于達(dá)到這個(gè)組成的途徑。且取決于達(dá)到這個(gè)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)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。構(gòu)較為均勻。 必須指出，紡絲線組成變化路徑的直線與相分離曲線的相交并不一定保證相分離的實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樯鲜龅姆治鰞H標(biāo)志其熱力學(xué)可能性而已。 相分離動(dòng)力學(xué)、亞穩(wěn)態(tài)體系存在的可能性等對(duì)相分離都有極其重

60、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)線相邊界理論： 三元相圖被雙節(jié)線分成均相和非均相兩個(gè)區(qū)域： 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。 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)線之間的區(qū)域?yàn)閬喎€(wěn)態(tài)區(qū)，旋節(jié)線以下的區(qū)域?yàn)榉欠€(wěn)態(tài)區(qū)。 在非穩(wěn)態(tài)區(qū)，相分離過程迅速自發(fā)進(jìn)行，屬于旋節(jié)分離機(jī)理。 在亞穩(wěn)態(tài)區(qū)，體系雖在熱力學(xué)上處于非穩(wěn)態(tài)，但相分離必須首先克服勢(shì)壘形成的分相的“核”，然后“核”逐漸擴(kuò)大，最終形成分相，屬于成核及生長分離機(jī)理。在亞穩(wěn)態(tài)區(qū)中，溫度或組成的有限波動(dòng)會(huì)使溶液進(jìn)入非穩(wěn)態(tài)區(qū)。 按旋節(jié)分離機(jī)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(jī)理形