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1、第六章 化学纤维成型原理,第二节 熔体纺丝(melt spinning)原理一.熔体纺丝工艺,螺杆熔融,纺丝箱体分配组件过滤,喷丝板成型,熔体纺丝过程,1.熔纺纤维的纺丝成型,熔体纺丝的主要设备螺杆挤出机,纺丝箱体,喷丝头组件,喷丝孔及导孔形状,丝条的冷却,上油,纤维的卷绕成型,长丝卷绕机,长丝的后加工,2.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，定型，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
2、,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。,短纤维集束,短纤维拉伸,二.熔体纺丝的运动学和动力学,1.熔体纺丝线上的直径变化和速度分布,对稳态纺丝(且忽略各参数在丝条截面上的分布):,xAxVx=常数,T(x)：由补偿式接触温 度计、红外线拍照等确定 (T),不发生结晶时,x,dx：, 高速摄影法取样器取样法确定 激光衍射法,Vx, K,纺丝线上发生结晶, 存在着一处丝条直径急剧减小的位置.,PET高速纺丝,根据的不同，纺丝线可分成三个区域 :挤出胀大区:沿纺程Vx
3、减小, d=dmax时， 形变（细化）区： a ： b： 固化丝条运动区：Vx=K，d=K,图 聚合物在等温纺丝条件下的平均轴向分布和 拉伸应变速率变化1一PA6 2一PET 3一聚苯乙烯,图 纺丝过程中拉伸应变速率分布的示意图,区的出现极大值，是熔体细流向初生纤维转化的重要过渡阶段，是发生拉伸流动和形成纤 维最初结构的主要区域，因此是纺丝成形过程最重要的区域。a:拉伸流动的主要区域,对纤维的均匀性影响很大.b：结构形成的主要区域，拉伸流动取向;如果VL很大,可能发生大分子结晶 区中纤维的初生结构继续完成: 拉伸形变取向 结晶 形态结构形成,(1)熔体纺丝线上的力平衡分析从喷丝头(x=0)到离
4、喷丝头x处的一段纺丝线(上脱离体)：Fr(x)=Fr(0)+Fs+Fi+Ff-Fg,2.熔体纺丝线上的力平衡及应力分布,Fr（x）在x=X处丝条所受到的流变 阻力；Fr（0）细流在喷丝孔出口处作轴向 拉伸流动时所克服的流变阻力;Fs纺丝线在纺程中需克服的表面张力；Fi使纺丝线作轴向加速运动所需克服 图 纺丝线轴向受力示意图 的惯性力；Ff空气对运动着的纺丝线表面所产生的摩擦阻力；Fg重力场对纺丝线的作用力 。,重力Fg,考虑流体丝条在环境介质中的浮力作用，丝条单位体积的重力：, ：丝条流动方向与重力方向的夹角,fg=g(-0)cos,cos=,-1 垂直向上纺丝0 水平纺丝1 垂直向下纺丝,0
5、,Fg 很小，在高速纺丝中可忽略，但低速纺制高线密度纤维时较重要。,表面张力Fs,Fs=2(R0-Rx) ,Fs仅在液态区域内起作用；熔纺中一般很小，除了纺低分子量物料外可忽略。,纺丝液的拉伸流动使流体比表面积增大，但表面张力要使液体表面趋于最小， Fs是一种抗拒拉伸的作用力。,摩擦力Ff,C f = K N n Re Re=,Vxdx,a,(a 即0),Cf也可通过测定张力来确定:,惯性力Fi,Fi=W(Vx-V0)=Q(Vx-V0)=A0V0 (Vx-V0),Fi与vx的平方成正比。因此高速纺丝中，Fi的重要性大大增加。纺丝速度超过6000m/min时，Fi和Ff达到了使纤维在纺丝线上进行
6、全拉伸。 丝条固化后， Fi不变。,牛顿第二定律：使物体加速需要克服物体的惯性,分析从离喷头x处到离喷头L处的一段纺丝线(下脱离体)：,Fr(x)=Fext+Fg-Fs-Fi-Ff,Fr(0)= R0 xx(0)= R0e (0),2,2,Fr(0):熔体细流在喷丝孔出口处作拉伸流动时所克服的流变阻力Fr(X):在x=X处丝条所受到的流变阻力 （纺丝线上x=X处丝条截面上所受的张力）,流变力Fr,Fr,小结 对于常规熔纺 ，Fi 和Ff起是流变力的主要贡献者。,图 PA66在纺速6600m/min时计算的受力分布,在4000m/min的纺速下，纺丝应力沿纺程几乎单调增加。 当纺速更高纺丝线上出
7、现颈缩现象时，颈缩点附近纺丝应力急剧增大。,根据纺丝线上的力平衡方程式，可求得任意点x处的纺丝应力，从而确定纺丝线上的应力分布.,图 PET纺丝线上的应力分布,3.熔体纺丝线上的传热及温度分布,运动丝条和环境介质间的传热: (1)丝条内部(0 r R ):传导 (2)从丝条表面到环境介质:主要为对流传热，还有很小一部分为热辐射。 在纺丝线上有轴向温度场（T-X） 径向的温度场（T-r） 研究熔体纺丝中传热问题的主要任务，就是找出任何时刻纺丝线上的温度分布情况，即轴向温度场和径向温度场。,(1)轴向温度分布,假设：内能U的变化及流动过程中能量失散均忽略不计；忽略热辐射；在纺丝线上的任何一点上，聚
8、合物流动是稳态的；丝条在冷却过程中无相变热释放；以拉伸应变速率和拉伸应力作粘性拉伸流动过程中产生的热量可以忽略；沿丝条轴向的传热可忽略；丝条径向无温差；并将丝条作圆柱形处理，其直径为d、密度为、速度为v。,纺丝中无相变热时：,考虑相变热时:,Cp和W通常可视为常数，在a* 确定后，可求得纺程上x处的温度T(x)。,PA6纺丝线上的温度分布,PET纺丝线上的温度分布,PET纺速为8000m/min时，纺丝线上的温度曲线与计算值不符,其原因是未考虑丝条冷却过程中的相变热，,(2)冷却长度Lk,求Lk的方法,由纺程上直径分布由纺程上速度分布由纺程上温度分布： 无相变热时，若固化点T=Te,(3)丝条
9、冷却的传热系数,空气速度分量V保持恒定时，传热系数随Vy分量的变化,冷却过程的鲁塞尔数Nnu和雷诺数NRe的实验关系式：,又 A=d2/4,=0.425A-0.333Vx0.334 1+( )2 0.167,=0.428A-0.3332Vy0.334 在纺程上部, Vx0.125）时,=0.428A-0.333Vx0.334 在纺程下部, Vx8Vy（ Vy/ Vx 0.125）时,在上段纺丝线，冷却过程受冷却吹风速度Vy控制； 在下段纺丝线，冷却过程决定于丝条速度Vx,两个重要的结论：（1）在横吹风时（Vx =0， V y=a）的传热系数为纵向吹风（Vx=a，Vy=0）时的两倍（2）在纺丝线
10、上丝条冷却的控制因素是变化的,= 0.425A-0.333 Vx2+ （8Vy）2 0.167,(2)径向温度分布,由傅立叶定律：,平均径向温度梯度的表示式 :,为丝条的导热系数,图 熔纺纤维的径向温度梯度物理性质和动力学特征 1温度 2聚合物粘度 3轴向速度 4张应力 5结晶速率,图 纺丝线传热过程示意图,三.熔体纺丝中纤维结构的形成,根据聚合物的结构层次, 结合纤维的特点，可以将化学纤维的结构分成三个层次：(1)成纤聚合物的链结构（Chain Structure ） 单个分子的结构和形态。包括成纤聚合物的组成、构型,以及分子量和分布、支化或交联等链空间不规则性 . 图 刚性链聚合物的分子结
11、构,(2)成纤高聚物的聚集态结构（Supermolecular Structure ） 成纤聚合物分子链聚集成一定规则排列的高分子聚集体结构。包括晶态结构、非晶态结构、取向态结构、液晶态结构和织态结构。,图 聚合物的织态结构,(3)纤维的形态结构(Morphological Structure) 包括微观形态结构和宏观形态结构. 微观形态结构指微孔的形状、大小和分布等, 宏观形态结构包括横截面形状、空隙大以及皮芯结构 图 聚苯胺与聚丙烯腈共混纤维 聚集态结构形态结构和成形的工艺条件密切相关。 熔纺纺丝线上纤维结构的形成和发展 高聚物的取向和结晶,（一）熔纺过程中的取向作用,纺丝过程中的取向作用将影响：,结晶动力学纤维中的晶体形态拉伸工序的进行成品纤维的取向度,1.取向机理,熔体状态下的流动取向纤维固化区的形变取向,喷丝孔切变流场中的流动取向纺丝线拉伸流场中的流动取向,稳态下： 非稳态下：还 t,稳态下： 非稳态下：还取决于 t 等,=ln ( ),V,Vo,
