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1、化纤工艺学,化纤工艺学,材料学院 方显力,化纤工艺学,第一章 总 论,化纤工艺学,一、纤维的定义： 纤维（Fiber） 一般认为，纤维是一种细长形状的物体，其长度与直径之比至少为10：1，其截面积小于0.05mm2。对于供纺织应用的纤维，其长度与直径之比一般大于1000：1。 二、化学纤维的一般名称： 1、长丝（Continuous filament ） 长度（一般以千米计）很长的单根或多根连续的化学纤维丝条，包括单丝（Monofils）和复丝（Multi-filament)。,第一节 纤维的基本概念,化纤工艺学,2、丝束（Tow）丝束是由几万根直到百万根单丝汇成一束，用来切断成短纤维，或经牵
2、切而制成条子（Top），后者又称做牵切纤维（相当于棉纺上的粗纱条子）。 3、短纤维（Staple fiber）化学纤维丝束经切断而成的一定规格长度的短段纤维，通常称为“短纤维”或“切断纤维”（Cut fiber）。根据切断长度的不同，短纤维可分为棉型、毛型、中长型短纤维。 棉型短纤维：长度为25-38mm，纤维较细，类似棉花。主要用于与棉混纺，如：棉型聚酯短纤维(涤纶)与棉混纺，得到织物为“涤棉”织物。,化纤工艺学,毛型短纤维：长度为70-150mm，纤维较粗，类似羊毛，与羊毛混纺，得到的织物称为“毛涤”织物。 中长纤维：介于棉型和毛型之间，主要用于织造中长纤维织物。 4、牵切纤维（Strec
3、h-broken tow）化学纤维丝束经拉伸纵向断裂而成的长度不相等的短纤维，也称不等长短纤维,化纤工艺学,纺织纤维 1、天然纤维：棉花、羊毛、蚕丝、麻等。 2、化学纤维：天然或合成高分子化合物经化学加工制得的纤维。 a) 再生纤维 再生纤维素纤维：粘胶纤维(粘胶法)、铜氨纤维（溶剂法）。 纤维素酯纤维 ：醋酯纤维、三醋酯纤维。 b)合成纤维 聚酯纤维（涤纶） 聚酰胺纤维（锦纶、尼龙） 聚丙烯腈纤维（腈纶） 聚烯烃纤维（丙纶、乙纶） 聚乙烯醇纤维（维尼纶、维纶） 聚氯乙烯纤维（氯纶） 其它：聚氨酯纤维、芳香族聚酰胺纤维、含氟纤维、碳纤维,三、化学纤维的分类,化纤工艺学,一、线密度（纤度） 单位
4、名称为特（克斯），单位符号为tex，其1/10称分特（克斯），单位符号为dtex 1000m长纤维重量的克数即为该纤维的特数。 单纤越细手感越柔软，光泽柔和易变形加工。 二断裂强度 常用相对强度表示化学纤维的断裂强度。即纤维在连续增加负荷的作用下，直至断裂所能承受的最大负荷与纤维的线密度之比。单位为N/tex，cN/tex,断裂强度高，纤维在加工过程中不易断头，绕辊，最终制成的纱线和织物牢度也高。,第二节 化学纤维的主要质量指标,化纤工艺学,三、断裂伸长率 式中：L0 纤维原长 L纤维伸长至断裂的长度 Y大的纤维手感比较柔软，在纺织加工时，可以缓冲所受的力。 毛丝断头较少，但断裂伸长也不宜过大
5、，否则织物易变形。,化纤工艺学,四、初始模量 初始模量表征纤维对小变形的抵抗能力，以小形变时应力和应变的比值或拉伸曲线初始一段直线部分的斜率表示。在衣着上反映纤维对小的拉伸作用或弯曲作用所表现的硬挺度。纤维的初始模量越大，越不易变形，亦即在纤维制品的使用过程中形状的改变越小。 后加工主要工序 拉伸 使断裂强度高，伸长率降低，耐磨性，疲劳强度提高。 热定型 消除纤维内应力，提高纤维的尺寸稳定性。进一步改善物理机械性能。,化纤工艺学,合成纤维的成型普遍采用高聚物的熔体或浓溶液进行纺丝，前者称为熔体纺丝法，后者称为溶液纺丝法。,一、纺丝熔体的制备 两种实施方法：一种是直接纺丝； 另一种是切片纺丝 直
6、接纺丝：工序少，生产流程短，节省投资，有利于提高劳动生产率、降低成本，工艺控制复杂。 切片纺丝：工序较多，但灵活性强，产品质量高 切片纺丝中熔体的制备过程：,第三节 合成纤维生产方法概述,化纤工艺学,1、切片干燥 聚合物切片在再熔融之前，必须先进行干燥，主要目的： （1）除去高聚物中的水分，减少发生热裂解、热氧化裂解、水解等反应的可能。 （2）提高结晶度（软化点），避免切片在输送过程中因碎裂而产生粉末以及在螺杆挤出机中过早软化粘结造成“环结阻料”现象。 2、切片熔融,化纤工艺学,二、纺丝溶液的制备 溶液纺丝法纺丝液的制备也有两种方法： 一是直接利用聚合后得到的聚合物溶液作为纺丝原液，称为一步法
7、； 二是将聚合物溶液先制成颗粒状或粉末状的成纤聚合物，然后再溶解，以获得纺丝液，称为二步法。 采用二步法时，聚合物先溶解， 所得溶液经过： 混合、过滤、脱泡等纺前准备工序。,化纤工艺学,化纤工艺学,三、化学纤维的纺丝成型 化学纤维的纺丝方法主要有熔体纺丝、湿法纺丝和干法纺丝，着重介绍这三种常用方法。 1、熔体纺丝 熔体从纺丝箱体的各纺丝部位 纺丝泵 纺丝组件（过滤） 喷丝板压出（形成细流） 纺丝甬道（冷却成型） 卷绕,化纤工艺学,化纤工艺学,熔体纺丝的纺丝速度比湿法纺丝高得多，目前一般 纺速为1000- 2000m/min, 高速纺丝可达3000-6000m/min 或更高。为加速冷却固化过程
8、，一般在熔体细流离开喷 丝板后于丝条垂直方向进行冷却吹风。,化纤工艺学,2、湿法纺丝 纺前准备 纺丝泵计量 烛形滤器 鹅颈管 喷丝头（挤出溶液细流） 凝固浴 目前腈（jing)纶、维纶、氯纶、粘胶纤维以及某些由刚性大分子构成的成纤聚合物都需要采用湿法纺丝。,化纤工艺学,表1-1 制备纺丝原液常用溶剂及浓度,化纤工艺学,化纤工艺学,3、干法纺丝 干法纺丝时，从喷丝头毛细孔中挤出的纺丝液不进入凝固浴，而进入纺丝甬道。通过甬道中热空气的作用，使溶液细流中的溶剂快速挥发，并被热气流带走。溶液细流在逐渐脱去溶剂的同时发生浓缩和固化，并在卷绕张力的作用下伸长变细而成为初生纤维。 目前干法纺丝速度一般为20
9、0-500m/min,高者可达1000-1500m/min。干法纺丝一般适宜纺制化学纤维长丝，主要生产品种有腈纶、醋酯纤维、氯纶、氨纶等。,化纤工艺学,化纤工艺学,第四节 化学纤维的后加工,初生纤维: 结构不完善、物理机械性能差，不能直接用于纺织加工，必须经过一系列后加工，其中主要的工序是拉伸和热定型。 后加工主要工序 拉伸 使断裂强度高，伸长率降低，耐磨性，疲劳强度提高。 热定型 消除纤维内应力，提高纤维的尺寸稳定性。进一步改善物理机械性能。,化纤工艺学,上油 提高纤维的平滑性、柔软性、抱合力、减小摩擦和静电 生产长丝时，需加捻，络筒 生产弹力丝时，需进行变形加工。 加捻 使复丝中各根单纤维
10、紧密抱合，避免在纺织加工时发生断头或紊乱现象，使纤维的断裂强度提高。 络筒 将丝筒或丝饼退绕至锥形纸管上，形成双斜面宝塔型筒装，以便运输和纺织加工。,化纤工艺学,第二章 熔体纺丝工艺原理,熔体纺丝是一元体系，只涉及聚合物熔体丝条与冷却介质间的传热，纺丝体系没有组成的变化。从这种意义上来说，熔体纺丝是最简单的纺丝过程。,化纤工艺学,第一节 挤出细流的类型,化学纤维的成型首先要求把纺丝流体从喷丝孔道中挤出，使之形成细流。因此正常细流的形成是熔体纺丝及溶液纺丝必不可少的先决条件。随纺丝流体粘弹性和挤出条件不同，挤出细流可分为以下四种,化纤工艺学,一、液滴型 液滴型不能成为连续细流，无法形成纤维。流体
11、表面张力越大，细流缩小其表面积成为液滴的倾向也越大。此外粘度的下降也促使液滴的生成。用 来量度液滴型 细流出现的可能性。在10-2CM/s以上时，形成液滴型 细流的可能性随 增大而增大,化纤工艺学,在实际纺丝，常通过T使 ，或增大泵供量V0，而避免液滴型细流出现。,二、漫流型,纺丝液体在挤出喷丝孔后即沿喷丝板表面漫流，从而细流间易相互粘连，引起丝条的周期性断裂成毛丝，仍属不正常细流。 从漫流型转变成胀大型所需要最低临界挤出速度Vcr和漫流半径RC有关，也与孔径R0和粘度有关。实际纺丝时通常于喷丝头（板）表面涂硅树脂，降低流体与喷丝头（板）界面张力或降低纺丝流体温度及增大泵供量。,化纤工艺学,三
12、、胀大型 胀大型纺丝流体在孔口发生胀大，但不流附于喷丝头（板）表面。只要胀大比B0（细流最大直径与喷丝孔直径之比）控制在适当的范围之内，细流就连续而稳定，是纺丝中正常的细流类型。一般纺丝流体的B0约在1-2.5范围内。 纺丝流体出现孔口胀大现象的根源是纺丝流体的弹性。第一和第二法向应力差的大小决定了B0的大小,化纤工艺学,附：第一、第二法向应力差,高分子液体在剪切流动中，除表现有粘性外，还表现出奇异的弹性行为，存在法向应力差效应。第一、第二法向应力差函数 N1、N2可定义为： N1=11-22 N2=22-33 在许多高分子材料加工过程中，如挤出、压延、注射等，材料在机器和模具内的流动中存在简
13、单剪切流场，其流场形式示于图 中，材料只在一个方向流动，且流速只沿另一个垂直方向有变化。一般约定，凡处理简单剪切流场，一律取x1方向为流动方向，x2方向为速度梯度方向，第三个方向x3为中性方向。,化纤工艺学,化纤工艺学,法向应力差效应在牛顿流体中并不出现，它是粘弹性流体流动时弹性行为的主要表现，一般为剪切速率的函数。主要特征为：第一法向应力差N1一般为正值，且随剪切速率的增大而增大，第二法向应力差N2为负值，其绝对值远小于N1,化纤工艺学,化纤工艺学,四、破裂型 在胀大型的基础上如继续提高切变速率，挤出细流会因均匀性的破坏而转化为破裂型。对纺丝来说，破裂型细流属于不正常类型，它限制纺速提高，使
14、纺丝过程不时中断。使初生纤维表面形成宏观缺陷，并降低纤维的断裂强度和耐疲劳性能。,化纤工艺学,第二节熔体纺丝的运动学和动力学,一、熔体纺丝线上的速度分布,对于熔体的等温稳态纺丝，如果不考虑速度在丝条截面上的分布，可以作单轴拉伸处理。连续性方程可写为：,常数,式中,分别为丝条的密度、纵向速度和横截面积,化纤工艺学,化纤工艺学,从速度分布Vx，可进一步求出拉伸应变速率（即轴向速度梯度）,丝条的加速运动并不是均匀的，在出口胀大直 径最大的截面之前，运动是减速的，经过最大 直径后又逐步加速到固化后速度基本上维持恒 定，,是一个有极大值的函数。,化纤工艺学,化纤工艺学,化纤工艺学,纺丝速度为4000m/
15、min时，丝条直径及拉伸形变速率的趋势与常规纺丝基本相同，即丝条直径随距喷丝板的距离单一地减少至达到卷绕直径，但纺速在6000m/min以上时，存在着一处丝条直径急剧减小的位置。这种急剧细化过程称为颈缩（Necking）现象，在常规纺丝中，只有在拉伸过程中才出现。,化纤工艺学,化纤工艺学,根据拉伸应变速率 的不同，可将整个纺丝线分成三个区域：,I区（挤出胀大区） 熔体弹性能在熔体流出孔口处发生回弹 ，在细流上显现出体积 膨化的现象，故V x沿纺程减小，轴向速度梯度为负值，即,在细流最大直径处，轴向速度梯度为零，即,在改变喷丝头拉伸比的情况下，当拉伸比vL/v0(vL为卷绕速度即纺丝速度, v0
16、为细流挤出速度)增至一定值时，挤出胀大区可完全消失。 区（形变细化区） 可分为两区：,化纤工艺学,区 a ,此区中 ，,，,区 b ,此区中 ，,，,此区是熔体细流向初生纤维转化的重要阶段，是发生拉伸流动 和形成纤维最初结构的区域，大分子取向度增加,若卷绕速度很高,还可能发生大分子的结晶,该区的终点即为固化点。在这一区域中拉伸速度梯度出现极大值，一般为1050s-1,区 （固化丝条运动区） 熔体细流已固化为初生纤维，纤维不再细化，Vx保持不变，,纤维的初生结构在此继续形成。此区的结晶发生在取向状态,化纤工艺学,高速纺不存在挤出胀大区,粘流形变细化区后熔体细流已固化. 但纺速较高导致纺程上丝条表面与空气介质的摩擦强烈，导致丝条承受的力较大，因此可发生塑性流动形变而进入塑性形变细化区。若高速纺纺速很高时，纺程某处应力可能超过固化丝条屈服应力，此时纺丝线可能出现细颈现象，丝条直径突然急剧减
