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1、第五章 长丝纱线的成纱原理及其工艺流程本章知识要点1、了解长丝纤维的纺丝成形原理；2、理解长丝复合变形与多重加工的概念；3、掌握长丝纱线的加工工艺流程及其原理。由若干根长丝经过拉伸和变形工艺组合形成的具有一定力学性能的细而长的纤维集合体即为长丝纱线。长丝纱线一般加工过程可分为四步，即纺丝成型：涉及到高分 子材料的纤维化技术；拉伸-定型：在低应力纺丝条件下，分子链未得到充分的伸展, 拉伸使分子链伸展并沿纤维轴向取向，进一步的拉伸取向会导致结晶度的提高（取向由 诱导结晶），同时使得初生纤维的物理力学性能、染色性能发生变化；变形：加捻、 假捻、空气变形、空气网络、BCF变形等等；卷绕：高速卷绕成形，
2、使长丝具有一个 便于运输、便于管理、便于退绕、便于使用的卷装形式。根据纺丝速度的不同以及对长 丝风格和手感的不同要求，可以设计不同的纺丝-拉伸变形加工工艺，以较低廉的成 本取得最佳的织物效果。第一节 长丝的纺丝成型加工原理一、纺丝液的制备纺织纤维是具有特定形状的固体柔性材料。纺丝的主要任务是将固体材料纺制成细 长状且具有一定力学性能的柔性纤维材料。任何一种物质只有在液态时才能随意改变自 身的形状。因此，纺丝的主要过程应该包含了将固体聚合物制备成液态（或粘流态）， 再将液态聚合物转变成纤维形状，然后固化形成纤维材料。二、纺丝成形 将纺丝流体，用纺丝泵连续、定量而均匀地从喷丝头或喷丝板的毛细孔中挤
3、出而成液态纺丝液细流，再在空气、水或凝固浴中固化成丝条的过程称为纺丝或纤维成形。纺 丝是化学纤维生产过程中的关键工序，改变纺丝的工艺条件，可在较大范围内调节纤维 的结构，从而相应地改变所得纤维的物理机械性能。表 5-1.主要纺丝方法液体化方式工艺特点纺丝方法使用电加热 加热成熔体状态加热聚合物成熔体状态 螺杆挤出后在空气中冷却， 固化成纤维熔融纺丝使用溶剂溶解制备 成悬浊液或乳液， 成为液体状态溶剂溶解聚合物成液体状态 螺杆挤出后溶剂在空气中蒸发， 溶质固化成纤维溶液溶剂纺干法纺丝溶剂溶解聚合物成液体状态 螺杆挤出后在固化液中溶剂与固 化液中和，溶质固化成纤维溶液溶剂纺湿法纺丝按成纤高聚物的性
4、质不同，化学纤维的纺丝方法主要有熔融纺丝法和溶液纺丝法两 大类，此外，还有特殊的或非常规的纺丝方法。其中，根据凝固方式的不同，溶液纺丝 法又分为湿法纺丝和干法纺丝两种。在化学纤维的生产时，多数采用熔融纺丝法生产， 其次为湿法纺丝生产，只有少量的采用了干法或其他非常规纺丝方法生产。（一）熔融纺丝熔体纺丝工艺流程如图 5-1 所示。聚合物切片由加热装置加热成粘流态的熔融体， 随着螺杆的转动，熔体被推动并逐渐升压，然后进入纺丝计量泵，经过过滤器，最后由 喷丝板的喷丝孔压出，使其成细流状射入空气中，并在纺丝通道中冷却成丝。纺丝计量泵是一种积极式输送齿轮泵，它的作用是等量、均匀地输送聚合物熔体至 喷丝板
5、进行纺丝。通常一个喷丝板只配备一个纺丝泵。聚合物熔体流量的波动将导致纺 制长丝的线密度的不均匀，即而导致丝束的线密度的不均匀。纺丝液从喷丝板喷出进入 空气当中并发生热量的交换，熔融态丝条逐步冷却并由粘流态变成粘弹态，最终凝固成 固体。另一方面，由于纺丝卷饶头的高速卷饶，从喷丝板挤出的熔融态丝条，立即被快 速牵离喷丝孔并被拉伸。为了保证恒定的热交换条件，还采用横向的侧吹风以加速熔体 的凝固。侧吹风的流速和温度是恒定的，以确保长丝长度方向的均匀度。热塑性长丝在 固化之前的拉伸倍数最高可达 100 倍（一般至少可达25 倍）。纺制涤纶长丝时，熔融状 丝条在喷丝板下方约0.6m处固化，在喷丝板下方约1
6、m至10m处集束，然后经过一系列 导丝盘，卷绕到筒管上。长丝集束后，在导丝盘之前有一个润湿给油装置。润湿给油的 过程是当长丝通过带有油膜的坚硬表面时，吸取表面的油剂完成给湿上油。给油装置的 下方紧接着是导丝罗拉。导丝罗拉的速度一般称为纺丝速度。纺丝吐出量与导丝罗拉速度相配合，可调整纺出丝条的粗细（线密度）。丝条的粗 细或单丝纤度取决于纺丝计量泵的吐出量、长丝根数、纺丝速度以及后拉伸倍数。在吐出量恒定的条件下，纺丝速度越块，长丝单丝纤度越细；在吐出量、纺丝速度恒定的情 况下，后拉伸倍数越大，长丝单丝纤度越细。例如，将导丝罗拉加热，并使它们的速度 从后到前逐渐增大，即可实现对丝束的拉伸。拉伸能提高
7、聚合物大分子的取向度，进而 提高丝束的强度。保持恒定的导丝盘速度是确保纤维均匀性的关键。目前熔融纺丝法的 纺丝速度一般为10002000m/min。采用调整纺丝时，可达40006000m/min。喷丝板 孔数：长丝为1150孔，短纤维少的为400800孔，多的可达10002000孔。喷丝 板的孔径一般在0.20.4mm。图5-1.熔融纺丝一卷绕工艺流程（二）溶液溶剂法纺丝溶液纺丝法是将高聚物溶解于适当的溶剂以配成纺丝溶液，再将纺丝液从喷丝孔中 压出射入热空气中或凝固浴中凝固成条的纺丝方法。溶液纺丝方法用于那些不适合熔体 纺丝的聚合物。这类聚合物高温熔化时非常不稳定，或者是加热后不经熔化直接就会
8、产 生热分解现象。溶液纺丝法有干法纺丝和湿法纺丝两种，干法纺丝中，纺丝液中的溶剂 在循环的热空气中蒸发而凝固；湿法纺丝中，由于聚合物纺丝液中的溶剂与凝固液发生 中和反应，使聚合物产生固相分离，于是纺丝液在液体凝固剂中凝固而固化成丝。图5-2.溶液溶剂纺干法纺丝工艺流程1、溶液溶剂纺干法纺丝干法纺丝是将溶液纺丝制备的纺丝溶液从喷丝孔中压出，呈细流状，然后在热空气 中因溶剂声速挥发而固化成丝，如图5-2所示。干法纺丝的速度一般为200500m/min, 当增加纺丝甬道长度或纺纺制较细的纤维时，纺丝速度可提高到7001500m/min。干法 纺丝的喷头孔数较少，为300600孑L。干法纺丝制得的纤维
9、结构紧密，物理机械性能 和染色性能较发，纤维质量高。但干法纺丝的投资比湿纺还要大，生产成本高，污染环 境。目前用于干纺丝产生的合成纤维较少，仅醋酯纤维和维纶可用此法。另外对于既能 用于干法纺丝，又能用湿法纺丝的纤维，干法纺丝更适合于纺制长丝。2、溶液溶剂纺湿法纺丝湿法纺丝是将溶液法制得的纺丝溶液从喷丝头的细孔中压出呈细流状，然后在凝固 液中固化成丝，如图5-3所示。由于丝条凝固慢，所以湿法纺丝的纺丝速度较低，一般为50100m/min，而喷丝板 的孔数较熔融纺丝多，一般达40002000孔。混法纺丝防得到纤维截面大多呈非圆形， 且有较明显的皮芯结构，这主要是由凝固液的固化作用而造成的。湿法纺丝
10、的特点是工 艺流程复杂，投资大、纺丝速度低，生产成本较高。一般在短纤维生产时，可采用多孔 喷丝头或级装喷丝孔来提高生产能力，从而弥补纺丝速度低的缺陷。通常不能用熔融法纺丝的成纤高聚物，才用湿法纺丝和生产短纤维和长丝束。腈纶、维纶、氯纶和粘胶多 采用湿法纺丝。图5-3.溶液溶剂纺湿法纺丝工艺流程3. 其他纺丝法裂膜成纤法裂膜成纤法是指将高分子物熔融挤压为薄膜，然后再用切刀或针刺使之破裂成条， 如丙纶扁丝的成型方法。喷射纺丝法喷射纺丝是将纺丝液从喷丝孔压出后，受周围高速气流喷吹，并进行高倍拉伸而制 成直径小于0.53m的化学纤维长丝。目前该法主要用于超细纤维纺丝。复合纤维纺丝法复合纤维纺丝法是将两
11、种或两种以上不同化学组成或不同浓度的纺丝流体，同时通 过一个具有特殊分配系统的喷丝头而制得。在进入喷丝孔之前，两种成分彼此分离，互 不混合，在进入喷丝孔的瞬间，两种液体接触，凝固粘合成一根丝条，从而形成具有两 种或两种以上不同组分的复合纤维。此法纺制的纤维分为：并列型、皮芯型、海岛型和 散布型等多种结构。异形纤维纺丝异形纤维纺丝是用非圆形喷丝孔，制取各种不同截面形态的异形纤维。常见的异形 纤维有扁平形、三角形、Y型、五叶形、星形和中空型等。原液染色纺丝法 原液染色纺丝法是在化学纤维的纺丝熔融或溶液中加入适当的着色剂（或色母粒）， 再经纺丝后直接制成有色纤维长丝。该方法可提高染色牢度，降低染色成
12、本，减少环境 污染。此外，还有相分离纺丝法、冻胶纺丝法、乳液或悬液纺丝法、液晶纺丝、静电纺丝 法等新型纺丝方法。三. 长丝的后加工纺丝成形得到的化学纤维丝称为初生丝。初生丝强度低、伸长大、沸水收缩率大、 往往不能直接用于纺织加工，因此初生丝还需经过一系列的后加工。其中主要的工序是 集束牵伸和热定形。（一）集束牵伸 集束牵伸是将若干个喷丝头喷出的丝束以均匀的张力集合成规定粗细的大股丝束， 再将大股丝束经多辊拉伸机进行一定倍数拉伸的过程。集束牵伸是化学纤维长丝制造的 关键工序，合理改变集束牵伸工艺，可产生不同力学类型纤维。当纺丝成形条件一定时， 影响拉伸最主要的参数有加热介质和温度，拉伸倍数及其分
13、配比，拉伸速度等。拉伸倍数的确定主要取决于对成品纤维性质的要求，原丝的质量和纺丝速度如成 品纤维要求高强低伸，则拉伸倍数大，反之，则小。关于原丝质量和纺丝速度对拉伸倍 数影响也很大，尤其是后者，因为纺丝速度对原丝预取向度影响最大，一般来说，纺丝 速度每提高100m / min,拉伸倍数下降约0.1倍，如纺丝速度为600m / min时，拉伸4.5 倍，而当纺丝速度提高至 I000mmin 时，仅能拉伸 4.0 倍。拉伸倍数在两次拉伸工艺 中要进行分配，通常把第一次拉伸比控制在总拉伸比的8090%,使拉伸细颈基本消除。 第一次拉伸是主要的，其拉伸倍数通常大于自然拉伸倍数，而总拉伸倍数要小于长丝能
14、 承受的最大拉伸倍数。拉伸速度对拉伸也有影响，拉伸速度应从拉伸设备状况，操作条件和加热温度来全 面考虑。在拉伸温度不变的条件下，随着拉伸速度提高，拉伸应力增加；在拉伸速度不 变的情况下，拉伸温度升高，则拉伸应力会降低，也即温度升高则越容易产生变形。因 此，在拉伸速度提高的情况下，可以适当提高拉伸温度，以使拉伸应力在合理的范围内。 在生产中，提高拉伸速度可增加产量，而且拉伸温度较高时，适当提高拉伸速度可以稳定拉伸工艺，但拉伸速度不能太高，否则会造成大量毛丝和断头，影响正常生产，所以 拉伸速度通常为100240m / min。（二）上油为改善化学纤维的工艺性能或化纤加工的需要，将丝束经过油浴，在纤
15、维表面上加 一层很薄的油膜，以便于后道加工。化学纤维长丝上油后可提高其柔软性、润滑性和抗 静电性等。（三）热定形热定形是为消除纤维长丝在拉伸时所产生的内应力，确保结构在后期使用中的稳定 性，以提高纤维的尺寸稳定性，保持卷曲效果，并改善机械性能和其它物理性能。（四）化纤消光为减少或消除化纤中的强光泽，纺丝时刻添加消光剂，一般采用二氧化钛，根据消 光剂的数量可生产有光、无光和半无光纤维。（五）络筒借助于分丝器，将加工好的化学纤维长丝通过平行卷绕头卷绕制成圆柱形丝筒。第二节长丝纱线的成纱工艺由若干根长丝经过拉伸和变形工艺组合形成的具有一定力学性能的细而长的纤维 集合体即为长丝纱线。按图5-2所示的纺
16、丝设备，变化纺丝速度可纺出力学性能与超分 子结构差异较大的长丝。因此可根据纺丝速度对它们分类，一般把纺丝速度VW1000m/min得到的长丝称为未拉伸丝（低速纺丝，Undraw Yarn，简称UDY丝）；把纺丝 速度1000m/minWV2500m/min得到的长丝称为半预取向丝（中速纺丝,Medium Oriented Yarn，简称MOY丝）；把纺丝速度2500m/minWV35000m/min得到的长丝称为预取向丝（高 速纺丝，Pre-Oriented Yarn，简称 POY 丝）；把纺丝速度 4500m/minWV6000m/min 得 到的长丝称为高速取向丝（超高速纺丝，Highly Oriented Y
