纤维纺丝.ppt

http:2 笔趣阁,天然纤维 化学纤维 人造纤维 合成纤维,长丝filament 短丝staple,初生丝：未拉伸丝（常规纺丝）（UDY）、半预取向丝（中速纺丝）（MOY）、预取向丝（高速纺丝）（POY）、高取向丝（超高速纺丝）（HOY） 拉伸丝：拉伸丝（低速拉伸丝）（DY）、全拉伸丝（纺丝拉伸一步法）（FDY）、全取向丝（纺丝一步法）（FOY） 变形丝：拉伸变形丝（DTY）、空气变形丝（ATY）,化学纤维的制造的四个工序,原料制备,纺丝流体（液）制备,化学纤维的纺丝成型,化学纤维的后加工,一、原料制备,人造纤维,由天然高分子聚合物经化学加工制造而成，其原料制备过程是将天然高分子化合物经一系列的化学处理和机械加工，提纯去除杂质。,合成纤维,以石油、煤、天然气及一些农副产品等低分子为原料制成单体后，经过化学聚合，聚合而成具有一定官能团、一定平均分子量和分子量分布的线型聚合物，然后再制成纤维。由于聚合方法和聚合物的性质不同，合成的聚合物可能是熔体状态或溶液状态。,二、纺丝流体（液）的制备,主要成纤高聚物的热分解温度和熔点,（一）纺丝熔体的制备,凡高聚物的熔点低于其分解温度的，多采用将高聚物熔融成流动的熔体（纺丝熔体）进行纺丝（如涤纶、锦纶、丙纶等）。熔体纺丝法用于工业生产有两种实施方法：一是切片纺丝；另一种是熔体直接纺丝。 (1) 切片干燥：经铸带和切粒后得到的成纤高聚物切片在再熔融之前，必须先进行干燥。切片干燥的目的是除去水分，提高聚合物的结晶度与软化点。 在切片熔融过程中，含水的高聚物在高温下更易发生热裂解、热氧化裂解和水解等反应，使高聚物分子量显著下降，大大降低所得纤维的质量。 熔体中的水分气化，会使纺丝断头率增加，严重时甚至使纺丝无法正常进行。 干燥后切片的含水率，视纤维品种而异。例如，对于聚酰胺6切片，要求于燥后含水率一般低于0.05%；而聚酯切片，由于在高温下聚酯中的酯键极易水解，故对干燥后切片含水率要求更严格，一般应低于0.01%；对于聚丙烯切片，由于其本身不吸湿，回潮率为零，因而不需干燥。 切片干燥的同时，使高聚物的结晶度和软化点提高，这样的切片在输送过程中不易因碎裂而产生粉末，同时也避免在螺杆挤出机中过早地软化粘结而产生“环结阻料”现象。 (2) 切片的熔融：切片的熔融是在螺杆挤出机中完成的。切片自料斗进入螺杆，随着螺杆的转动被强制向前推进，同时螺杆套筒外的加热装置将切片加热熔融，熔体以一定的压力被挤出而输送至纺丝箱体中进行纺丝。,切片纺丝,熔体直接纺丝,与切片纺丝相比，直接纺丝法省去了铸带、切粒、切片干燥及再熔融等工序，这样可大大简化生产流程，减小车间面积，节省投资，且有利于提高劳动生产率和降低成本。 但是利用聚合后的高聚物熔体进行直接纺丝，对于某些聚合过程(如已内酰胺的聚合)留存在熔体中的一些单体和低聚物难以去除，不仅影响纤维质量，而且还会恶化纺丝条件，使生产线的工艺控制也比较复杂。因此，对产品质量要求比较高的品种，一般常采用切片纺丝法。 切片纺丝法工序较多，但具有较强的灵活性，产品质量也较高。另外，还可使切片进行固相聚合，进一步提高聚合物的分子量，生产高粘度切片，以制取高强度的纤维。目前对于生产产品质量要求较高的帘子线或长丝，以及不具备聚合生产能力的企业，大多采用切片纺丝法。,（二）纺丝溶液的制备,采用溶液纺丝法时，纺丝熔液的制备有两种方法：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；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。 目前，在采用溶液纺丝法生产的主要化学纤维品种中，只有腈纶既可采用一步法，又可采用二步法纺丝，其它品种的成纤高聚物，无法采用一步法生产工艺。虽然采用一步法省去了高聚物的分离、于燥、溶解等工序，可简化工艺流程，提高劳动生产率，但制得的纤维质量不稳定。,纺前准备流程示意图,采用二步法时，需要选择合适的溶剂将成纤高聚物溶解，所得的溶液在送去纺丝之前还要经过混合、过滤和脱泡等工序，这些工序总称为纺前准备。 成纤高聚物的溶解：线型高聚物的溶解过程是先溶胀后溶解。即溶剂先向高聚物内部渗入，高聚物的体积不断增大，大分子之间的距离增加，最后大分子以分离的状态进入溶剂，而完成溶解过程。 用于制备纺丝溶液的溶剂必须满足下列要求： 在适宜的温度下有良好的溶解性能，并便所得高聚物溶液在尽可能高的浓度下具有较低的粘度； 沸点不宜太低，也不宜过高。如沸点太低，溶剂挥发性太强，会增加溶剂损耗并恶化劳动条件；沸点太高，则不宜进行干法纺丝，且溶剂回收工艺比较复杂； 有足够的热稳定性和化学稳定性，并易于回收； 应尽量无毒和无腐蚀性，并不会引起高聚物分解或发生其它化学变化。,纺前准备1,合成纤维生产中常用的纺丝溶剂,在纤维素纤维生产中，由于纤维素不溶于普通溶剂，所以通常是将其转变成衍生物(纤维素黄酸酯、纤维素醋酸酯等)之后，再溶解制成纺丝溶液，进行纺丝成形及后加工。 纺丝溶液的浓度根据纤维品种和纺丝方法的不同而异。通常，用于湿法纺丝的纺丝溶液浓度为12%25%；用于干法纺丝的纺丝溶液浓度则高一些，一般在25%35%之间。 因溶解过程所需时间较长，目前生产中大多采用间歇式分批操作的溶解机，它是由带有夹套(可加热或冷却)的圆筒形机身、搅拌器及传动装置等组成。,(2) 纺丝溶液的混合、过滤和脱泡 混合的目的是使各批纺丝溶液的性质(主要是浓度和粘度)均匀一致。 过滤的目的是除去杂质和未溶解的高分子物。纺丝溶液的过滤，一般采用板框式压滤机，过滤材料选用能承受一定压力、并具有一定紧密度的各种织物，一般要连续进行24道过滤。后一道过滤所用的滤材应比前一道更致密，这样才能发挥应有的效果。 脱泡是为了除去留存在纺丝溶液中的气泡。这些气泡在纺丝过程中会造成断头、毛丝和气泡丝而降低纤维质量，甚至使纺丝无法正常进行。脱泡过程可在常压或真空状态下进行。在常压下静置脱泡，因气泡较小，气泡上升速率很慢，脱泡时间很长；而在真空状态下脱泡，真空度越高，液面上压力越小，气泡会迅速胀大，脱泡速度可大大加快。,纺前准备2,三、化学纤维的纺丝成型,将纺丝熔体或溶液，用纺丝泵（或称计量泵）连续、定量而均匀地从喷丝头的喷丝孔中压出，呈液体细丝状，再在适当介质中固化成细丝，这一过程称为纺丝，这是化学纤维生产的核心工序。常用的纺丝方法根据纺丝流体制备的方法和液体细丝固化的方法不同，分为熔体纺丝和溶液纺丝两类。,（一）熔体纺丝,熔体纺丝是将成纤高聚物熔体经纺丝喷丝头流出熔体细流、在周围空气（或水）中冷却凝固成型的方法。如涤纶、锦纶、丙纶等采用熔体纺丝方法制得。此法流程短、纺丝速度高、纺丝速度一般为9001200m/min，高速纺丝可达4000m/min以上，成本低，但喷丝板孔数较少，长丝1150孔，短纤维一般为300800孔，高的可达10002000孔，甚至更多。若用常规圆形喷丝孔，则纺得的纤维截面大多为圆形；采用异形喷丝孔，则纺得的纤维截面为异形。该法适用于能熔化、易流动、不易分解的高聚物。,熔纺长丝,（二）溶液纺丝,溶液纺丝分为湿法纺丝和干法纺丝。 湿法纺丝是将高聚物在（无机、有机）溶剂中配成纺丝溶液后经喷丝头流出细流，在凝固浴中凝固成型的方法。腈纶、维纶、粘胶纤维、氯纶等等可以采用湿法纺丝方法制得。此法喷丝板孔数较多，一般为400020000，高的可达5万孔以上。但纺丝速度低，约为50100m/min。由于液体凝固剂的固化作用，虽然仍是常规圆形喷丝孔，但纤维截面大多不呈圆形，且有较明显的皮芯结构。该法适用于不耐热、不易熔化但能溶于某一种溶剂中的高聚物。,湿法纺丝示意图 1-喷丝头；2-凝固浴；3-导丝盘；4-卷绕装置,湿法纺丝,干法纺丝是将纺丝溶液经喷丝形成细流，溶剂被加热介质（空气或氮气）挥发带走的同时，使得高聚物凝固成丝的方法。腈纶、维纶、氯纶、氨纶、醋酯纤维等可以采用干法纺丝。干法纺丝要求采用易挥发的溶剂溶解高聚物。此法纺丝速度较高，约为200500m/min，成品质量好。但喷丝孔数较少，一般为300600孔，辅助设备多，成本高。,干法纺丝示意图,干法纺丝,三种基本纺丝成型法方法的特征,除了上述三种经典纺丝方法以外，现在出现了化学反应纺丝、复合纤维纺丝、干湿法纺丝、乳液纺丝、悬浮纺丝、冻胶纺丝、液晶纺丝、相分离纺丝等方法。,四、化学纤维的后加工,纺丝流体从喷丝孔中喷出刚固化的丝称为初生纤维。初生纤维虽已成丝状，但其结构还不完善，物理机械性能较差，如伸长大、强度低、尺寸稳定性差，沸水收缩率很高，纤维硬而脆，没有使用价值，还不能直接用于纺织加工。为了完善纤维的结构和性能，得到性能优良的纺织用纤维，必须经过一系列的后加工。后加工随化纤品种、纺丝方法和产品要求而异，其中主要的工序是拉伸和热定型。 短纤维的后加工主要包括集束、拉伸、上油、卷曲、干燥定型、切断、打包等内容。对含有单体、凝固液等杂质的纤维还需经过水洗或药液处理等过程。 粘胶长丝后加工包括水洗、脱硫、漂白、酸洗、上油、脱水、烘干、络筒（绞）等工序。 涤纶和锦纶6长丝的后加工包括拉伸加捻、后加捻、热定型、平衡、倒筒等工序。,五. 新型纺丝方法,5-1 干湿法纺丝 5-2 液晶纺丝 5-3 冻胶纺丝 5-4 乳液或悬浮液纺丝 5-5 静电纺丝法 5-6 离心纺丝法 5-7 无喷头熔池纺丝法 5-8 膜裂纺丝法 5-9 熔喷 5-10 纺粘,5-1 干湿法纺丝,干湿法纺丝，或者称为干喷湿纺，这是将干法与湿法的特点结合起来的纺丝方法。干湿法纺丝时，纺丝溶液从喷丝头压出后，先经过一段空间，然后进入凝固浴。从凝固浴中导出的初生纤维的后处理过程，与普通湿法纺丝相同。 干湿法纺丝的优点： 由于纺丝液细流出喷丝孔后，先通过空气层，这样就能大大提高喷丝头拉伸，因而纺丝速度可比一般湿法纺丝高510倍，大大提高了纺丝机的生产率。 与湿法纺丝相比，在干湿法纺丝时，可采用孔眼直径较大的喷丝头(d=0.150.3mm)，同时采用浓度较高、粘度较大的纺丝溶液，湿法纺丝时溶液粘度一般为2050PaS，干湿法纺丝时则为50100 Pas，甚至可达到200 Pas或更高。,ATCepob指出干湿法成形过程可按工艺特点划分为五个区域： 为液流胀大(膨化)区：自喷丝孔中流出的液流，出于喷丝孔中动时产生的法向应力差而胀大至24倍（点B）。产生法向应力差的原因是纺丝原液在喷丝孔入口处以及在毛细孔中流动时的剪切形变。法向应力差的大小以及与此有关的液流胀大程度，取决于毛细孔长度和直径、原液粘度、弹性模量、松弛时间以及原液的流动速度。 为液流在气体层中的轴向形变区：在此区内，胀大的液流受到拉伸，根据纺丝原液的粘弹性、表面张力和液流的形变速率可拉伸至1020倍。 为液流在凝固浴中的轴向形变区：进入凝固浴中的丝条并不是立即凝固的，而需要经过一定的时间，这取决于扩散条件和发生相变的诱导期。在纤维表面形成固体皮层 (点S) 以前，纤维能发生显著的纵向形变，特别是在凝固作用缓和的浴中。 为纤维固化区：此区长度取决于丝条的运动速度和凝固剂的扩散速度。到达D点时，此区结束，扩散的前沿达到纤维中心，其凝固剂浓度等于临界过饱和浓废。在此区内主要发生纤维结构的形成过程或各向异性溶液结构的固定过程。 为已成形纤维导出区：丝条在此区中运动时继续发生扩散过程，并部分地发生结构形成过程。,d0-喷丝头孔径；dc-最大膨化区的液流直径；din-进入凝固浴时的细流直径 ； dm-开始凝固瞬间的细流直径；df-初生纤维直径,干湿法纺丝形成的纤维能在空气层中经受显著的喷丝头拉伸（区），而液流胀大区却没有很大的形变，这就可以大大提高纺丝速度。干湿法纺丝时，液态丝条的拉伸是在区和部分地在区进行的，拉伸区长度可达5100mm，远远超过液流胀大区的长度。在这样长的距离内发生的液流的轴向形变，其速度梯度不大，实际上紧张的液流胀大区本身并不发生形变。 在湿法纺丝时，喷丝头拉伸在很短的区域内B点与S点之间发生，这样就导致产生很大的拉伸速度，且特别不利的是导致液流胀大区发生强烈的形变。此时液流变细，不是象流动的液体动力学条件所预期的那样胀大24倍，而是胀大1.11.2倍，这使粘弹性的液体受到过大的张力，并在较小的喷丝头拉伸下就发生断裂。因而在湿法纺丝时，要借增大喷丝头拉伸而提高纺丝速度是有限制的。湿法纺丝时，可借助于增大原液喷出速度而提高纺丝速度，此时，可操持喷丝头拉伸值不大，但由于增大喷出速度会发生弹性湍流而破坏流动过程，故借以提高纺丝速度的可能性显然是有限的。例如，在纺丝速度达到150200m/min时已变为非稳态流动，形成螺旋形的液流，这会在纤维中形成疵点并妨碍成形过程的正常进行。 在干法纺丝时，根据流变因素看来，成形条件接近于熔法纺丝，此时喷丝头拉伸可达2030倍，纺丝速度可提高至6001200m/min。,干湿法纺丝与干法纺丝和湿法纺丝的比较,干湿法纺丝除可能增大喷丝头拉伸而提高纺丝速度外，还有可能比较有效地调节纤维的结构形成过程。干湿法纺丝时，正在拉伸中的液流 (纤维)进入凝固浴，凝固动力学和相应的纤维的结构可借调节凝固浴组成和温度而在一宽广的范围内加以改变。在这种清况下，高聚物溶液分离为两相：一是固相，这是溶剂化的高聚物，另一种是液相，这是凝固剂和溶剂的混合物。这种分离表现为明显地分成两相的界面，它从纤维表面移向纤维中心。这一界面表示如区中的锥形。 综上所述，干湿法纺丝与湿法或干法纺丝相比有明显的优点。但必须指出，干湿法纺丝时，液流极易沿喷丝头表面发生漫流，此种漫流现象与聚合物溶液的粘弹性的、表面张力、喷丝孔几何形状以及形变速度有关。 在干湿法纺丝中，自喷丝头至凝固浴的空间距离是工艺控制的重要参数之一，一般不应小于2030mm，在此空间可以填充空气或惰性气体。 干湿法纺丝已在聚丙烯腈长丝生产中得到实际应期，其纺丝速度为40150m/min。干湿法纺丝同样适用耐热性高聚物的高粘度溶液或液晶溶液纺丝，以制取耐高温的或高强高模纤维。,5-2 液晶纺丝,纯芳香族聚合物分子链的刚性导致它通常在熔融以前就发生分解（其熔点或软化温度高于热分解温度），而且很难溶于常用的溶剂，只能溶解在某些强酸、酰胺、含锂盐的砜和亚砜等有限的几种溶剂中，其中以二甲基乙酰胺（DMAc）和浓流酸为最常用。 芳香族聚酰胺溶解后，形成的溶液具有特殊的流变性和光学特性。,PPTA浓流酸溶液粘度与浓度的关系,随着浓度的变化，溶液表观粘度有一个明显的突变点C* 。当溶液浓度CC*时，体系呈光学各向同性，粘度随浓度的提高而急剧增大。C=C*时，溶液开始呈光学各向异性，随着浓度的增大，表观粘度起初反而急剧下降，并在大约比C*高2%3%的浓度范围内出现低谷，随后粘度又开始随浓度而逐渐增大。 溶液粘度和光学特性的这一突变点所对应的浓度值C*称为临界浓度，它实质上表征溶液呈各向同性和各向异性的分界点。,PPTA/H2SO4溶液粘度与粘度的依赖关系,液晶的光学各向异性,光学各向异性是液晶的又一重要特性。PPTA在硫酸中的稀溶液（CC*时，体系才转变为液晶态。 PPTA液晶在偏振光中表现为晶体的双折射，具有消偏振光作用。将液晶溶液置于正交偏振光下，可观察到有光透过，且透光强度与样品厚度及各向异性度有关。 在一普通偏光显微镜的目镜位置上，安装一个硒光电池或光电倍增管，通过检流器分别测定样品在平行和正交偏振光中的透光强度并以空白样校正，即可求出溶液的各向异性度DDA 分别代表样品和空白在正交偏振光中的透光强度； 分别代表样品和空白在平行偏振光中的透光强度。,各向同性溶液的DDA值为零，而各向异性溶液的DDA值介于0100%之间。 DDA值在某种程度上反映了聚合物大分子在溶液中的区域有序结构和取向状态，其大小主要取决于聚合物的分子量、溶液浓度和温度。 测定不同浓度、不同温度的PPTA溶液在偏振光下的透光强度和DDA值，可绘制了PPTA/H2SO4体系的相图。根据相图可确定各向异性区城的边界条件和相转变过程。,PPTA/H2SO4体系的相图 PPTA的为3.80，H2SO4的浓度为100,PPTA/H2SO4体系不仅随浓度的增加发生如下的相转变：各向同性溶液各向异性溶液各向异性固体；而且相对于某一浓度值，存在着一个特定的TmTa温度区。当TTa时，体系变为各向同性溶液；只有在TmTa范围内才既有流动性又有光学各向异性。因此，可将Tm称为熔点，Ta称为临界温度点。,Hermans模式图,Hermans测定了合成多肽溶液粘度与浓度及切变速率的依赖 关系，认为只有在切变速率不太大的场合，各向异性相的表观粘 度才比各向同性溶液低。因此，他提出了Hermans模式图。从该图可直观地理解为什么在高切变速率下各向同性和各向异性溶液的差异趋于消失。,各向同性溶液（3%）具有典型的非牛顿流体的流变性能，在低剪切应力下，有一个准牛顿流动区，而在高剪切应力下出现切力变稀区。 液晶态（7%和9.5%）的流变行为与此不同，主要表现在： 在低剪切应力下（ ），由于聚合物大分子在溶液中沿切变方向排列取向，出现一个切力变稀区，且浓度越高，切力变稀越明显； 随着剪切应力的提高，虽然也出现假牛顿区和切力变稀区，但剪切应力对粘度的影响不如各向同性溶液明显，而且浓度越高，影响越小。 在高剪切应力下（ ），液晶体系的粘度不再比各向同性溶液低，而且粘度单纯地随浓度而递增。,PBA/DMAc溶液粘度与剪切应力的依赖关系 13；25；37%； 49.5 C*=56%,液晶纺丝,所谓液晶纺丝，系指用具有液晶状态的溶液或熔体来纺丝。 蚕丝是由生物高分子液晶得到的天然纤维。 液晶纺丝真正应用于合成纤维生产并受到重视，则是近几五十年来的事。60年代末，以纤维-B的开发为起点，液晶纺丝的研究进入了实用阶段并终于发展成为一种新的纺丝技术。 纺丝溶液的制备可采用二步法，即将预先制成、析出并经仔细干燥的高聚物溶解；也可采用一步法，即直接用单体在溶剂中缩聚而得到的聚合物溶液作为纺丝液。制得的溶液经混和、过滤、脱泡等纺前准备工序，然后送去纺丝。纺丝可采用通常的湿法来进行，也可采用干湿法，很少采用干法。,美国杜邦公司开发的聚对苯二甲酰对苯二胺纤维，原先采用各向同性溶液湿法纺丝路线，制得的纤维强度不高。 自从发现PPTA液晶以后，该公司以在室温下具有可纺性的，浓度为10%左右的各向异性纺丝液，用普通湿法纺丝制得了高强度、高模量纤维（成品纤维强度达1.2N/tex，初始模量达112.7Gpa）。 进而采用高温、高浓度的各向异性溶液作纺丝液，用干湿法流下紧张式纺丝，使纤维强度大幅度提高至1.762.2N/tex，纺丝速度也提高了十多倍。,用不同纺丝方法制得的PPTA纤维强度,采用干湿法纺丝时，往往用硫酸作溶剂，纺丝溶液的制备、过滤和脱泡相当复杂。这种溶液在室温下粘稠如胶状，只有在加热至8090时才能流动。但加热会使高聚物在硫酸溶液中迅速发生水解，因此，制备纺丝溶液和纺前谁备过程必须在几十分钟内完成，要采用强有力的螺杆挤出机送料，以使在高压下经滤网过滤，并类似熔体脱泡那样在挤出机中使溶液脱泡，脱泡过程的最后完成是使剩余的气泡在高压下溶解。 干湿法纺丝的溶液浓渡至少为16%，甚至高达20%，溶液粘度达200Pas或更高些，这比湿法纺丝的溶液粘度高出数倍。这种溶液的DDA值较高。在纤维成形过程中，施加不大的外力就可达到相当高的取向，同时使凝固丝条内，对纤维机械性能有较大贡献的缚结分子的数目增多而缺陷减少，因此有利于提高纤维的强度。,由于采用了高浓度的纺丝液，必须提高纺丝液温度。因为从PPTA/H2SO4体系的相图可知，浓度越高，各向异性固体与各向异性溶液之间的临界温度Tm也越高。 在一定范围内，聚合物分子量越大，制得的纤维强度就越高，这是一般规律。对于液晶纺丝，看来这更有特殊意义。因为分子量越高，液晶溶液的DDA值越大，制得的纤维取向度也较高。其次，由于纺丝液温度高，不可避免地会导致聚合物在硫酸中发生降解，为了保证纤维中大分子有一定的分子量，必须采用较高分子量的聚合物。 凝固浴温度一般为4左右。采用低温不仅可抑制溶剂和非溶剂之间的双扩散，而且更重要的是有利于液晶溶液取向结构的快速固定。,为了保证成形的稳定性，湿法纺丝喷丝头拉伸一般较小，甚至采用负值。干湿法纺丝时喷丝头拉伸很大 (一般为67倍)。由于从喷丝孔挤出的液流中的大分子已有一定取向，在高倍喷丝头拉伸作用下，大分子取向度大大提高。采用紧张式纺丝，纺丝线上张力易于调节，凝固浴中流体动力学阻力较小，有利于大幅度地提高纺丝速度（可达200450m/min或更高)。,5-3 冻胶纺丝,从分子结构角度出发，高密度线性聚乙烯是最能接近理论极限强度的高聚物。同时，它的分子具有平面锯齿形的简单结构，没有庞大的侧基，分子链间无较强的结合键，这些结构特征是减少结构缺陷的重要因素，也是顺利进行高倍热拉伸的关键。按分子链断裂理论，当纤维中无限长的大分子链完全伸展时所得的抗张强度就是大分子链极限强度的加合。,分子链的极限强度可由分子链上CC原子之间的共价键的强度(0.61N)和分子截面积计算得到： 分子链极限强度(GPa) 5.92/ 密度(g/cm3)分子链截面积(nm2),尽量提高聚合物大分子的分子量； 尽量提高非晶区缚结分子的含量； 尽量减少晶区折叠链含量，增加伸直链的含量； 尽量将非晶区均匀分散于连续的伸直链结晶基质中。,凝胶纺丝流程图 1-原液制备；2-螺杆机；3-凝固浴； 4-溶剂萃取；5-干燥； 6，7-拉伸,溶解,在凝胶纺丝工艺中，溶解是及其重要的关键工序，首先将710%的高聚物溶解在溶剂中，该浓度显然低于一般己经工业化的溶液纺丝的原液浓度，采用这样的半稀溶液浓度从工艺角度看，是为了使制得的溶液具有比较适合于纺丝加工的粘度，使纺丝顺利进行。从结构角度看，制成半稀溶液的目的是为了使超高分子量聚乙烯通过溶剂的作用，拆散凝聚缠结点和部分拓扑缠结，从而使得到的凝胶丝具有优良的可拉伸性，为纤维的高强化打好基础。,纺丝,纺丝过程是将纺丝原液通过喷丝孔压出，并在凝固浴中冷却成型，因此除了表面上沾有少量凝固浴成分外，凝胶丝的化学组成与纺丝原液的化学组成几乎是一样的。一般而言，凝胶纺丝速度比较慢，喷孔的孔径又比较大，因此在喷丝孔内的剪切速率不大，凝胶丝的超分子结构和纺丝原液的超分子结构也基本相同，凝胶丝在生成后的1030min内，由于溶剂的增塑作用，大分子运动比较容易，尤其是柔性链高聚物比较容易结晶，因此溶剂会从凝胶丝中大量析出，总量达到5070%，此时纤维拉伸倍数为零，但纤维中己产生少量结晶，体系发生尺寸收缩。,拉伸,经溶解、纺丝过程得到的凝胶丝必须具有比较合适的缠结点密度，缠结点密度过高显然无法进行超高倍的拉伸，然而如果情况走向另一个极端，在溶液中的高分子完全处于相互隔离的状态，成为在溶剂中的分散分子，这样的凝胶丝显然无法承受单轴拉伸的形变。事实上，纺丝原液在流经纺丝管道和喷丝组件时，由于有溶液的剪切流动，在溶剂中呈无规线团状存在的高分子总会发生新的拓扑缠结，同时也始终存在着解缠结过程，并保持着缠结点密度的相对稳定。该缠结点密度与溶液浓度、高聚物分子量和温度有关。,5-4 乳液或悬液纺丝法,乳液或悬液纺丝法就是把成纤高聚物分散介质（载体）中，构成乳液或悬液以进行纺丝的方法。此法适用于某些熔点高于分解温度，且没有合适的溶剂可使它溶解或塑化，因而无法转化成纺丝溶液体的成纤高聚物的纺丝，早在50年代就被用来生产聚四氟乙烯纤维。 乳液纺丝法的基本过程与湿法纺丝相类似。先将粉状的高聚物分散于某种成纤载体中，配制成乳液（或悬液），载体通常是另一种高聚物的溶液，这种溶液应易于纺制成纤维，并能在高温下被破坏掉。载体除去后，高熔点聚合物的粒子被烧结或熔融而连续化起来形成纤维。为了提高纤维的强度，在烧结时，通常要进行热拉伸。,乳液纺丝法生产橡胶纤维,乳液纺丝在橡胶纤维成形方面已应用过许多年。 经浓缩、纯化、脱泡及预熟化的胶乳一种天然橡胶的水乳液，挤过玻璃喷口进入醋酸浴中。丝条被固化并以1020 m/min的速度收集起来，经过洗涤、干燥、拉伸后，在加热室内硫化。所涉及的固化机理就是以胶乳而稳定的橡胶原液聚结起来。橡胶的胶乳在微碱性含氨溶液（氨水处理过）中多少有点稳定，在酸性介质中则迅速固化。因为酸是从外面扩散入丝中的，所以在浴中的固化作用是一扩散控制过程。,乳液纺丝法制备PTFE纤维,我国生产的聚四氟乙烯（PTFE）纤维商名氟纶，用乳液法或膜裂法纺丝。 采用乳液法纺丝时，起始原料是水相的PTFE分散液，它是由四氟乙烯单体在压力釜中，经乳液聚合直接得到的。一般用聚乙烯醇水溶液（维伦纺丝液）或粘胶（纤维素黄酸钠的碱溶液）作为载体，与PTFE分散液混和成均匀的乳液，经纺前准备（过滤、脱泡）后，相应地按通常的维纶纺丝法或粘胶纺丝法纺制成纤维。这样得到的初生纤维经水洗和干燥后，于430450下短时间加热，使聚四氟乙烯烧结（粒子连续化），然后于350左右进行热拉伸。在烧结温度下，载体聚乙烯醇或纤维素分解而被除去，而聚四氟乙烯粒子则发生连续化而形成纤维。,乳液纺丝法制备陶瓷纤维,亦可用这种方法来纺制陶瓷纤维。 例如，将可溶性的无机物（如硅酸钠）溶解在粘胶中，在硫酸凝固浴中纺丝。在粘胶凝固的同时，微细而分散在纤维素基体中的无机物（氢氧化硅）亦沉析出来，在一充有氧化性或还原性气体的（T=900）炉中进行热处理以除去纤维素基体，就得到耐高温的二氧化硅（SiO2）或碳化硅（SiC）纤维。,5-5 静电纺丝法,5-6 离心纺丝法,将高聚物溶液或熔体自轴心引入一快速转动着的喇叭筒或漏斗口中央，由于离心力的作用使流体甩出，通过喇叭筒的内表面而成为一逐渐变薄的薄膜。在离开喇叭筒边缘后，薄膜被分散成纤维，随后被干燥（除去溶剂）或冷却而固化。这种方法通常称为离心纺丝法。,5-7 无喷头熔池纺丝法,从高聚物熔体表面向上拉出单丝，经一定长度的纺程冷却凝固后，就被卷绕在筒管上，采用保温隔膜不仅可防止熔体冷却，而且可使细流细稳定，受体系流变性质的影响较小。隔膜的孔眼直径为36mm。,无喷头熔池纺丝法的力学和结构形成规律与常规的熔体纺丝相同。如将高聚物熔体恒定地供给熔池并使成形过程稳定地进行，则可以看作是用一孔径无限大的喷丝头进行的熔纺。,试验表明，用无喷头熔池纺丝法得到的初生纤维经拉伸后，亦能获得具有良好物理机械性能的纤维，只是纤维直径的均匀性较差。有报导指出，由熔池纺丝法制得的聚酯纤维的双折射与用常规熔体纺丝法制得的纤维很相似，纤度波动系数（11%62%）则比常规熔体纺丝法大得多。 熔池纺丝与常规熔纺相比到底有何优缺点，至今还不很清楚。很明显，熔池纺丝的缺点在于必须非常严格地控制熔体温度并将熔体混和均匀，因为熔体温度和熔体粘度的波动看来是引起纤度波动的最重要因素。 采用熔池纺丝法来制取双组分复合纤维可以大大地简化设备，这方面可能将获得实际应用。要纺制皮芯型双组分复合纤维，可将芯层组分恰好在熔池表面的下方喷出。,5-8 膜裂纺丝法,膜裂纤维包括割裂纤维（扁条或扁丝）和撕裂纤维，实际上它们属于制造过程中不同阶段的产品：薄膜经割裂、拉伸以后成为扁条（较粗的）或扁丝（较细的），就是割裂纤维；扁条经开纤（原纤化）以后就得到撕裂纤维。 纺制撕裂纤维的工艺流程包括制膜、割裂、拉伸、开纤、加捻和卷取等工序，可以先割裂后拉伸并开纤，也可先拉伸后割裂并开纤。,制膜和割裂(a）及原纤化（b）过程示意图,第一道工序是制膜，常用的制膜方法有两种：T-型钢模法和吹膜法。以采用何种制膜法为宜，应根据使用树脂的等级、对撕裂纤维性能的要求以及用途来确定。吹膜法的设备费用较便宜，但在大量生产时，生产效率和制得薄膜的厚度均匀性方面不如T-型钢模法为佳。这两种方法制得的薄膜，在拉伸倍数和强度等方面差别虽不大，但在