第5章化学纤维成型加工原理剖析.

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1、第五章 化学纤维成型加工原理,“高分子材料成型原理”之,第一节,概述,（一）基础阶段,（三）后成型阶段,（二）成型阶段,一、化学纤维 成型加工的基本过程,（一）基础阶段 1.原料制备 成纤高分子化合物的合成（聚合） 天然高分子化合物的化学处理和机械加工 2.纺前准备 纺丝熔体/纺丝溶液的制备 一步法/二步法,(二)成型阶段 熔体纺丝 溶液纺丝 干法纺丝 湿法纺丝,干法纺丝演示图,湿法纺丝演示图,熔体纺丝演示图,熔体纺丝的主要设备螺杆挤出机,例：熔体纺丝,纺丝箱体,喷丝头组件,喷丝孔及导孔形状,丝条的冷却,上油,纤维的卷绕成形,长丝卷绕机,（三）后成型阶段 一系列的后加工 拉伸 热定型。 上油。

2、 水洗等。,长丝的后加工,例：熔纺纤维的后加工,拉伸（加捻） 加弹（假捻变形） 网络,短纤维的后加工包括集束，拉伸，定形，卷曲，上油，切断和打包整个工序。,长丝的后加工拉伸,拉伸加捻示意图,1筒子架 2卷绕丝筒 3，8导丝棒 4喂入辊 5上拉伸盘 6加热器 7下拉伸盘 9钢领 10筒管 11废丝轴 12钢丝圈,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

3、集束,短纤维拉伸,二.化学纤维的基本概念与品质指标,（一）化学纤维的基本概念 1.纤维的定义（Fiber） 纤维（Fiber） 一种细长形状的物体： 长径比至少为101，截面积小于0.05mm2，宽度小于0.25mm。 具有一定的柔曲性、强度、模量、伸长和弹性等。,纤维的定义随制备技术进步和用途拓宽在变化： 一些一维尺度的材料也经常以纤维命名 例：纳米纤维。 作为结构材料的纤维，对长径比、柔曲性等 要求已没有纺织纤维严格。,CARBON TOWER 日本东京湾 42层楼外墙用150吨沥青碳纤维,天然纤维 纺织纤维 化学纤维,动物纤维：羊毛、驼毛、蚕丝等 植物纤维：棉花、麻等 矿物纤维：石棉等,

4、天然纤维：由纤维状的天然物质直接分离、精制而成。 化学纤维：用天然或人工合成的聚合物为原料、经化学或物理处理 和机械加工而制得的纤维。,(1)按原料分类的纤维,2.纤维的分类,以天然高分子化合物为原料,用石油、天然气、煤及农副产品为原料、经一系列的 化学反应制成合成高分子化合物，再经加工而制得,，Lyocell,长丝,单丝(小孔丝、鬃丝) 复丝,丝束,短纤维,棉型：2538mm 毛型：70150mm 中长：5176mm,(2)按尺寸分类的化学纤维,(3)按表面和纵向形状分类的化学纤维 直丝（Flat yarn） 变形丝（变形)(TY) 拉伸变形丝(DTY) 弹力变形丝 膨体纱(BCF) 定型变

5、形丝,(4)按性能分类的化学纤维 差别化纤维 泛指对常规化学纤维产品有所创新或赋予某些特性的化学纤维。 主要是指经过化学改性或物理改性，使常规化学纤维的服用性能改善。 例:仿丝纤维、异形纤维、细旦纤维、高收缩纤维、抗起球纤维、三维卷曲纤维、高湿模量黏胶纤维、阳离子可染聚酯纤维、酸性可染聚丙烯腈纤维等。,异形纤维:由异形喷丝孔纺出的纤维，其断面形状是非圆形的； 目的获得某些特殊的性质，从而改变织物的服用性能. 例： 三角形断面的纤维具有类似于蚕丝的光泽。 星形断面的纤维具有手感好、覆盖性好和 抗起球等优点。 中空纤维具有质轻、保暖、放射光线和不 显灰尘等特点。,异形喷丝孔,异形喷丝孔与断面形状的

6、关系,复合纤维：将两种或两种以上聚合物的熔体或浓溶液，分别输入同一个纺丝组件，在组件中的适当部位汇合，从同一喷丝孔中喷出而形成的纤维。,高性能纤维 具有高强度、高模量、耐高温、耐化学药品、 耐气候等性能特别优异的一类新型纤维。 例:芳族聚酰胺纤维、全芳族聚酯纤维、碳纤维、高强 高模聚乙烯纤维、聚苯并咪唑纤维、聚四氟乙烯纤维以 及碳化硅纤维、氧化铝纤维、硼纤维等。其中的高强度、 高模量纤维，称为超级纤维 （Super-fiber）,功能纤维 在常规化学纤维原有性能的基础上，又增加了某种特殊功能的一类新型纤维 例:高吸水纤维、导电纤维、离子交换纤 维、中空纤维分离膜抗菌消臭纤维、抗紫外线 纤维等。

7、,spacesuit glove,中空纤维膜,智能纤维 一维的纤维状智能材料。 具有一般智能材料的智能化功能： 能感知环境的变化或刺激，并能做出响应： 长度、形状、温度、颜色等随环境发生变化而发生敏锐变化。 具有普通纤维长径比大的特点 能加工成多种产品。,Outlast纤维的电子显微镜照片,pH值响应凝胶t纤维,(二)化学纤维的品质指标 化学纤维的一些专用品质指标,1.线密度,1tex(特)=1mg/m 1tex=10dtex 1旦=1mg/9m 1特=9旦 1公支=1m/g,换算关系：分特数=10特数 特数支数=1000 旦数=9 特数,对同一根纤维而言,S-S曲线(Stress-Strai

8、n曲线),(1)初始模量 (弹性模量或杨氏模量),(2)屈服点 屈服应力 屈服应变,2.拉伸性能,断裂强度,相对强度 :断裂强力/线密度（cN/dtex） 强度极限: 断裂强力/负荷作用前纤维的横截面积(N/mm2) 断裂长度:纤维自身重量与断裂强力相等时的纤维长度 (km）,环扣强度,打结强度,(3) 断裂强度和断裂伸长率,W ，耐冲击性（韧性）,(4) 断裂功,Ww,图 纤维的断裂功,蜘蛛牵引丝和其他纤维的力学性能比较,3. 回弹性 纤维在外力作用下伸长和释放外力后恢复到原始状态的能力称为回弹性。 纤维回弹性的表示方法有两种。 (1)一次负荷回弹性质-回弹率 和弹性功,(2) 多次循环负荷

9、回弹性质,剩余伸长ORn ，回弹性,回潮率= 100%,试样所含水分的重量,干燥试样的重量,含湿率= 100%,试样所含水分的重量,未干燥试样的重量,4.吸湿性,公定回潮率:为了计重和核价需要，对各种纺织材料的回潮率作出的统一规定,根据纤维的用途不同，可以确定不同的公定回潮率。,5.巻曲性,短纤维的巻曲性表征,巻曲数 巻曲率 卷曲回复率 卷曲弹性率,反映卷曲的程度,反映卷曲稳定性和坚牢度,变形丝的卷曲性表征,紧缩伸长率：反映弹性及卷缩程度 紧缩弹性回复率：反映弹性及卷缩稳定性 卷缩特性（卷曲收缩率CC，卷曲模量CM， 卷曲稳定度CS）,（一）纤维成型的基本步骤,三、化学纤维成型基本原理,(1)

10、纺丝流体在喷丝孔中的剪切流动 (2)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)流体丝条的单轴拉伸流动 (4)纤维的固化,（二）纤维成型过程中成纤聚合物的变化 (1)几何形态变化 (do dx) (2)物理形态变化 宏观状态参数 T-X (温度场) V-X (速度场) P-X (应力场) Ci-X (浓度场) 微观状态参数 取向度 结晶度 网络结构 (3)化学结构变化,（三）纺丝过程的基本规律 1.在纺丝线的任何一点上，聚合物的流动是稳态 和连续的。 纺丝线:熔体挤出细流和固化初生纤维的总称。 稳态： 连续：在稳态纺丝条件下，纺程上各点 每一瞬时所流经的聚合物质量相等（流动

11、连续性方程) : 熔体纺丝 AV=常数 溶液纺丝 AVCi=常数,2.纺丝线上的主要成形区域内，占支配地位的形变是单轴拉伸 3.纺丝过程是一个状态参数连续 变化的非平 衡态动力学过程 同 一时间不同位置V 、 T 、 Ci 、 P 等连续变化。 4.纺丝动力学包括几个同时进行并相互联系的单元过程 动能传递、传热、传质、结构参数变化等。,可纺性：流体在拉伸作用下形成连续细长丝条的能力。 实质上是一个单轴拉伸流动的流变学问题。 有良好的可纺性是保证纺丝过程持续不断的先决条件 可纺性的评定：,(1)细流最大的拉丝长度* (2)细流的断裂伸长比L(tB)/L(o) (3)最大喷丝头拉伸比(VL/ V0

12、)max,(四)纺丝流体的可纺性,可纺性理论： 决定最大丝条长度* 的断裂机理。 1.内聚破坏,机理是基于强度理论： 细流发生内聚破坏的条件为：11= 11 * 线性黏弹体：,11,（2EK）1/2,由内聚破坏所决定的最大拉丝长度 Xcoh=1/2ln(2k/E)-2ln(V0)/ ,*,V0 流体挤出速度； 拉伸形变梯度=d(lnV)/dx； 松弛时间。,内聚能密度K ， 、V0及 xcoh ,*,*,=,K-内聚能密度 E杨氏模量 根据 令e = 3 0，可以证明：,由毛细破坏所决定的最大拉丝长度xcap,*,2.毛细破坏 毛细破坏现象的机理与经典流体力学中的稳定性问题有关。 毛细破坏的条

13、件为：,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 (x* )等于自由表面无扰动丝条的半径R (x * )时，流体发生破坏。,两种断裂机理起控制作用的条件: 、 V0 较小时毛细破坏起控制作用 、 V0 较大时内聚破坏起控制作用 在某一中间范围* 有极大值,可纺性最好。,原则上,这两种断裂机理都能独立地对丝条的断裂起作用。,两种断裂机理的x * V0关系 示意图 1毛细破坏 2内聚破坏 3有毛细波在的内聚破坏,1.液滴型 液滴型不能成为连续细流，这是毛细破坏现象。 影响液滴型出现的因素: (1)流体表面张力a和黏度 : / 液滴的可能性 ( 温度T / ) (2)喷丝孔径R0和

14、挤出速度v0 : R0 液滴的可能性 V0 液滴的可能性 当/ ( ， 或T )、 R0 、 V0 : 液滴型 漫流型,（五）挤出细流的类型,vcr为从漫流型转变为胀大型所需的最低临界挤出速度 当/ (，) Vcr R0 Vcr V0 V0Vcr 漫流型 胀大型,2.漫流型,漫流型能形成连续细流，但细流间易相互粘连。 漫流型产生的根源:是纺丝流体的挤出动能超过了流体与喷丝板面的相互作用力和能量损失之和。,3.胀大型,当 （V0)，胀大型 破裂型,只要胀大比B0控制在适当的范围内，细流连续而稳定。 出现孔口胀大现象的根源是纺丝流体的弹性。 B0过大对于提高纺速和丝条成型的稳定性不利，实际纺丝过程中希望B0接近于1。,纺丝流体中出现不稳定流动甚至破裂。 熔体破裂的临界切应力cr ： 105Pa左右 。 影响临界切应力的因素: (1)聚合物的分子量: M cr (2)温度:T cr ,4.破裂型,(2)临界黏度 cr = 0.0250 (3)NRe,el58 生产中主要通过调节影响和 的因素避免熔体破裂。,各种聚合物的 相差可达几个数量级: 缩聚型成纤聚合物 的 高 分子量对 有影响: M ,(1)临界切变速率,评定发生熔体破裂的条件,第二节 熔体纺丝原理,螺杆熔融,纺丝箱体分配 组件过滤,喷