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1、由单孔丝纺丝理论推算取向度及其在纤维内的分布安田浩等?犷班?一。?下卜?一众?丫,土?月比一月?萝、 ? 一、绪?工?目? 口在熔融纺丝时,熔融的聚合物由喷丝 头 挤 出后,一般由设置在下 方的辊筒以一定速 度卷 取。聚合物在纺程中经冷却、变细、固 化,最后成为指定纤度的纤维。从纤维内部 结构来 看,大分 子 因纺丝时所产生的纺丝拉 伸应力 而 取 向,纺 丝应力与冷却历程还导致结 晶。关 于熔融纺丝 过涅变细冷却现象的理沱松 尾等已有 详细报告。在适 当的纺丝 条 件 下,解这些 理论 式,就能够求得在这种条件 下的纺丝状态?聚合物 的 温度、断面积、张 力随 位 置时间的 变化?。从所求得
2、的纺丝状 恋,如 果能够引 出有关纺 出纤维 的性能,纺竺 时 的稳定性等方面 的信息,那么模拟纺丝 拭验就一 仃可能成为现实。模拟试验能够拟定 乡适 的纺? ? ? 试验 方向,因而可能减低试验费 月,井且能够提供现在技术上 不能实现的未 来 的 技术资料。?这些都是模拟 试验的特征。根据这样的模拟如果能够通 过计算准确地预测卷绕丝 的重要特性分 子取向度,则是 非常有意 义 的。为 此婴使固化点附近丝条应 力?这是纺丝 状 态解的一 部分?与丝条的分 子 取向度对应,必须进行从前者推算出后者 的对应操作。进 行这种对应操作的精密度高 到 什么范围和总 的 程度,是决定该模拟实用 价值的关键
3、。本文应用了以前单孔丝 的理论,就聚对 苯 二 甲酸乙二 醋一长丝,特 别是预取向丝 ? ? ?出现以来占重要地位的高速纺丝作出模拟。所得 结 果汇总如下。?一?一?一? ?犷?一? 音户?犷“?价?“了一。?。 ?斗?一”“ ?户? ?一?又?一?,? ?之?又?一?刀?一。?一、,? ?、?,、,?广月性一勺 ?,?工 一? ? ?弓?刃?十?工?旦 ?二不 乙?二 又?戈叭一八? 一川一入岛万了?、 气“二丽一夕?二、计算所采用的公式和移动 系数,聚合物特性本文为 处理一般稳 定状 态,采 用了下列公式? 尸?工? ?劣?、。,一一? 万于丁一?十乙、?汀?犷,?工一月冥澳子、?一尸?七
4、,?月?之?火?一注?实际 计算采用 电子计算机进行,把表示 移 动系数 聚合物特性的式子尽可 能以子程 序形式进行运算。这里主要是利用上述各式所 丧示的数值来进行各种计算。用?、?助式汁算单纤维 内的温度分 布。各公式所用符号参见本文末尾的说 明,三、试验?一?纺 丝试验为了使计算结果与纺丝结果相适应?对 应操作的证 明?,采用 一台? ? 毫米 功螺杆挤 压机进行纺丝。将聚合物熔融,经计量泵从 巧孔的喷丝板挤出,变细冷却后 经上油盘、导丝盘由卷绕机卷 取。?二?卷绕丝性 能的测 定? ?工艺过程中丝的直径?采用? 的? 一?激光发生器照射运动中的 丝条,从其绕射点进行测定。? ?双折射率?
5、刀? ?用普通 的偏 光显微镜,在正交尼科耳棱镜暗视野的状态下使 纤 维成?。的方位放置未拉伸丝。采用拜赖?科克补偿器测定光程差,并根据另一方 法所 测纤维直径 计算?,?。? ?密度?用正庚烷一四氯化碳配制密 度梯度管,在? ?投入试样,?小时后根据 刻度值求得密度。? ?极限粘度?以苯酚和四氯乙烷的?的混合液作为溶剂溶解后,在?的恒温槽中用乌氏粘度计 进行测定。? ?纤维径向的取 向 度分 布?采用 ? ? ? ?厂制造的? ?印?干涉显微镜。将纤维浸入与卷绕丝折射 率相 近 的两种 浸液中,求出各 自的 干涉条纹。由 这些 干 涉条纹 不管纤维直径测定的误差,可以精确 地求得纤维中心与表
6、皮的双折射率之差。不够,? ?、? ?式也要修正。由于拉伸粘度 和行走丝条温度都难以正确测定,只是修正特定因素即便使计算值与实测值表观上一致 也无意义。一一 ? ? ? ?兴象?烈份侧鲜公四、计算结果及其应用例?一?丝条的 断面 积、温度、张 力随距 离的变 化用?、?、?式计算? ?厘米?秒与高速纺? ? ?厘米?秒?条 件下 的断面积卫? ?、温度?二?、张力? ?劝,结果 见图?。图中可以看到,随纺速的提高,纺丝 张 力 急增,以下 的计算都是用同样方法 进行,?从中取 出代 表值。二?厘米?图?纤维直径计算结 果的对比?聚酷月?。二 ?,?厘米?秒? !克? 秒,?。二? ?本文主要是
7、确定方向,即便改变上述各式,其倾向几乎不变,所以 以下的计算都仍 采用了第二节所列举的公式。?三?各因素对纺丝张力 的贡 献将?式积分得? ?式?。十不?犷一犷。?研,?二乡? 厂?劣?。一丁?答? ?一? 犷?口? ?右边第一项是喷丝头 下方的张力?。?,第二项是惯性力项? ?惯性?,第三项是重力 项?重力?,第四项是空气摩擦 项? ?空气?。对各张力项 的大小,在高速 纺条件下?吐 出量。?克?秒,卷速? ? ?厘米?秒,进行 了计算,结果见图?。?只帜?只半?厘 米?图?在不 同纺速下计算出的横断面积?幼、温度? ?和张力?沿纺程的变化?聚醋,”? ?二? ?,?厘米?秒? 厂二? ?
8、厘米?秒一犷二? ?了 ?厘米?秒?二?与实测变细 曲线 的比较从 图?中看 到实测变细曲线 与在同 一 条件下 计算出的对比结果。实测值比较计算 结果变细要迟得多。这一差值有可能通过修 正用?式表达的拉伸粘度式而缩小,但还?厘米?图?沿纺程丝条张力及其组成部分的计算值表?飞一,? ?式 中各项力对总力?。的 比值?。?,。】?惯性?厂。一?重力?。? ? 厘米? 秒?。? ?沼? ?厘米?秒?。? ?空“?。?。?。? ?下劲? ?和加? 洲丫 袋勺上表 列举各张力 项对? ?变 形点处的张 力?。?比值。由下述内容可知?。 ?与取 向 性相关。由表可知,重力项与纺速无关,可以略 而 不 计
9、。惯性力项 随变细到达一定值。空气摩擦项 大致与离喷丝板的 距离成比例增 加,而且这 些倾向随纺速增加变得更加显 著。孔下张力?纺速以外因素影响的主要表 现项?的功效在高速纺情况下减小。有关这 一点还将与试验结 果 进行对比来讨论。?四?卷绕丝取向度 的 推算如果能从纺丝计算值推算出卷绕丝 的主 要特性一 取向度,那就非常方便了。有关这 一点早有论 述。特别是洪 名等揭示 了聚对苯 二甲 酸乙二醋工艺中纺丝应力与取向度双折 射率有很好的相关性。本文作者研究了与卷 绕丝 取向度有很好相 关性的纺丝 计算值,搞 清 了? ?变细终点处的纺丝 应力?。?如 图?所示?在刁。为? ?一? ?!?一“范
10、围内的 一 致性(对应操作)。利 用从图4所求得的 试 验式(12),如果能从 计算值6。 5推算出更广 阔范围的卷绕丝 的双折射率刁。)则是很 便利的。值(刀n计算 )与实际卷绕丝 的双折射率的实测 值(Jn实测)基本一致。在图中,刀n为 8 0又1 0一“附近,刀”计算随纺速的增高迅速增加,而才n实测有饱和的倾向。如清水等所指出的 那样,这是 由于纺丝过 程的取 向结晶化。本 文作者 通 过试验得到了如 图6所示 的结果。在万n为8 0xl)“附近密度增加,即表 示有 取向结晶化。有关纺丝 过 程的取向结晶化物 的微细结构,另有详细报告。因为在结晶化 速度变快的 温度区间停留的时间,是决定
11、卷 绕丝特性(主要是密度)的另外一个重要因素,所以有必要进行新的对应操作。有关这 一 点正在研究中。二了万O钻.,火,厂、 Xl。2 (厘米/秒)图5在喷出速度一定的条件下卷绕速度对观测Jn和计算刀n的影响 (聚醋,月二0. 5 8, T。二2 8 7o C,W=。.0 4了 5克/秒, T升= 2 2, VY=40厘米/秒)一一洲洲。带国帜q乙1x u勺夏抹,b,口O刁” x1 0 a图6卷绕丝的双折射率(刁 n )与比重(p) 的关系557。9 5x1 0一弓(克力/厘米“)图4计算的a。与 卷绕实测的刀n的对应关系 (聚酷月二058, T。二28 7,W之0. 0 4 7 5克/秒T.二
12、 2 2, VY二4 0厘 米/秒)J”只1 03=6. 5 5(ao s 欠1 0一7 )一2. 8 5(1 2)如 图5所示,从 计算值a。 。利用( 1 2 ) 式,直到高刀。范围内外推的 双折射率计算(五)高速纺丝 动态作为 拉伸假拈用的供给丝,由高速纺制 得的 预 取向丝(P O Y)引起人们重视以来,5300厘米/秒左右的高速纺技术在纤维行业中就成了重要的基础技术。上面已谈到,随纺丝速度增加卷绕丝 的 取向度增高,并且由纺丝计算能够推算出增 高的 程度。如上所述,除纺丝 速度以外能影响喷丝孔下方张力二。5的其他因素的功效 (与取向度的关 系 )比较低速纺时要小。这 一 点对于合理化
13、纺丝工 艺技术一聚合直接纺 丝技术具有重要意义,因为 不容易受聚合工艺中所不能避免的粘度随时间变动的影响。在表2与表3中列举通过计算而推算的结果 和实际纺丝的结果。由纺丝 试验结果初步可 以确认,在高速纺时,除纺丝速度以外,特表2在不同条件下。 5及其 变化(R C )的计算结果计算的a。Vw 217 0厘米/秒5280厘米/秒月一迎 一2803 101R C ( % )2 8 0e C3 10, CR C ( %)0.6 10.6 7R C (%)1.10火1 071.3 0只1 070.9 7x1 071.0 7x1 07一1 1.8一1 7.76.1 7又1 076. 6 3x1 075
14、. 8 5x1 076. 0 4义1 07一53一9.了1 8.21 0.3V二一纺 丝速度r,:一纺丝温度刀一特性粘度表3在不同条件下纺制的未拉伸丝的双折射率及其变化的实测结果实测的JnVw, J n21了 O厘米厂秒5280厘米/秒2603 101R C (%)2 803 10R C (q。)0. 6 10. 6了1之 C (乡 )7.0x10一 3了.8x1 0一 35. 5只1 0一6.3汉1。一卜一21.4一1 9. 21 1. 41 4. 53 J. 5K1 0-理0.2X1 0-1.93 i .0K1 0一忿3 7. 7义1 0一3乃艺渗,条件同表2性粘度、纺丝温度的影 响比较低
15、速纺时要小 (表3),而且实测结果与计算结果(表2 )基本一致。度差(占刀)对平均粘度(刀)的比率。随纺丝速, 70口eOO4八Y w50 00厘米 /秒诊0000 妇狱乡亿 反化267厘米 z苏 谈丫 0 0 00厘米z秒心论 a6之户一勺旧2030寿0写 0607 08口一X随滚) 图8沿纺程、)横断面引张粘度差的变化(聚酷刀二0. 5 3,W=0. 0475克/秒,Tn二2 8 0, 1份=20, Vy=40厘米秒) -一整个纤维温度的平均值2 0旧,02义 月诵%(厘米)l引了沿纺程(%)纺 出丝中心与表面温差 (JT )的计算结果 (聚酉歇月二o5 8W二。.0 4 7 5克/秒Tn =287 )从图7中看到用 公式(9)计算的单 纤维断面 方向的温度分布。图中画出在三种纺丝速度下 的温差(丝中心与丝表面 的 温差)与喷 丝板面 下方距离之 间的关系。纺丝速度越高,温 差就越大。如果有这样的温差,则成为 温差、伸张粘度差伸长应力差分 子取向度 差 的结果。从 图8看到由温差计算的熔融粘1 0000 儿侄粉初图9纺丝速
