（机械制造及其自动化专业论文）喷丝板微孔中熔体流动及异形纤维成形过程的研究.pdf

硕士学位论文 摘要 喷丝板微孔中熔体流动及异形纤维成形过程的研究 摘要 纤维差别化是合成纤维发展的总趋势，而异形纤维是化 纤差别化技术的最主要技术之一。与日、美等发达国家相比， 我国化纤工业存在量重质轻问题，差别化率低，目前异形纤 维新产品的研制，主要是通过分析国外的新产品，并进行大 量试纺，在质量与数量上均落后于国外发展国家。主要问题 在于缺乏异形纤维理论的研究。因此，本课题将主要针对异 形纤维成形理论的研究。 本论文首先分析了异形喷丝板微孔的组成方式，微孔主 要由圆形、矩形、圆环形单元构成，对复杂异形微孔内的流 变状态研究，可基于基本单元的流变理论基础进行分析；推 导了聚合物熔体通过异形喷丝板微孔基本单元的流动基本 方程。 其次，针对高聚物熔体自喷丝板微孔挤出后，熔体细流 形成初生纤维的纺丝过程，以矩形喷丝板微孔纺制扁平截面 纤维为单元，联立连续方程、运动方程、能量方程和本构方 程，建立扁平截面纤维纺丝动力学的数学模型；并根据异形 纤维截面变形过程中表面积的减少所引起的能量差与系统 中伴随流动而逸散的能量守恒，建立了异形纤维截面形变动 力学的数学模型。 然后，第一次将纺丝动力学模拟与截面形变动力学模型 结合起来，建立异形纤维纺丝成形模型，经理论分析得出纺 丝工艺参数对纤维异形度影响程度如下：聚合物的特性粘 度，喷丝板微孔形状，尺寸和设计异形度；冷却吹风起始 硕士学位论文摘要 位置和纺丝温度；泵供量和卷绕速度；吹风速度和吹风 长度。 最后，在扁平截面纤维的成形理论基础上，通过实验， 用微孔形状系数f 建立五叶形纤维的成形动力学数学模型， 确立最佳的纺丝工艺路线，成功开发了中国石化委托项目细 旦高异形五叶形纤维的开发。其异形度为7 6 3 ，d p f 为 1 5 d t e x 。这种细旦异形纤维，在国内未见报道；该产品已注 册了商标并已申请了专利。 关键词：异形纤维，异形截面形变动力学，纺丝动力学，计 算机数值模拟，异形度 i i 硕上学位论文 摘要 r e s e a r c ho nh i g hp o l y m e rf l o wi n s p i n n e r e tm i c r o h o l ea n dp r o f i l e d f i b e r sf o r m a t i o np r o c e s s a b s t r a c t p r o f i l e df i b e ri s b e c o m i n gat r e n d y f o rc h e m i c a lf i b e r d e v e l o p m e n t c o m p a r e d t o a m e r i c a ，j a p a n a n do t h e r d e v e l o p e dc o u n t r i e s ，c h e m i c a lf i b e ri n d u s t r yi nc h i n af a c e s m a n yp r o b l e m sl i k el a r g eq u a n t i t yw i t hl o w e rq u a l i t y ，l o w e r d i f f e r e n t i a lr a t ea n dp r o d u c t i o ne x p e r i e n t i a l l y a tp r e s e n t ，t h e s h a p e df i b e rn e wp r o d u c td e v e l o p m e n t ，m a i n l yi st h r o u g ht h e a n a l y s i s o v e r s e a sn e wp r o d u c t ，a n dc a r r i e so n m a s s i v e l y e x p e r i e n c es p i n n i n g ，a l lf a l l s b e h i n di nt h eq u a l i t ya n dt h e q u a n t i t yt o t h eo v e r s e a sd e v e l o p m e n tc o u n t r y ，a n dt h em a i n q u e s t i o n1 i e si nl a c k st h ed i f f e r e n ts h a p et e x t i l ef i b e rt h e o r y t h er e s e a r c h t h i sp a p e rf o c u s e so ns h a p e df i b e rf o r m i n g p r o c e s sa n di t sc r i t i c a lt e c h n o l o g yt oc o n t r o lp r o f i l ed e g r e e f i r s t l y ，v a r i o u sk i n d so ft h es h a p e ds p i n n e r e tm i c r o - h o l e f o r mm o d e sa r e i n v e s t i g a t e dh e r e m i c r o h o l e s c o n s i s to f s e v e r a le l e m e n t a r yc e l l s ，n a m e l yr e c t a n g l ea n dc i r c l er i n g t h e f u n d a m e n t a lf l o w i n ge q u a t i o n so fe v e r ye l e m e n t a r yc e l la r e d e r i v e d a f t e rh i g hp o l y m e rf l o w i n go u tt h es p i n n e r e tp o r e ，i t s d e g r e eo fp r o f i l ei sm a i n l yd e c i d e db yt h es p i n n e r e tm i c r o h o l e c h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e r s a n dt h e s p i n n i n gt e c h n o l o g y 1 i i 硕士学位论文摘要 c o n d i t i o n sd u r i n gt h ep r o c e d u r eo ff o r m a t i o n t h e n ，t h ed y n a m i cm a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ef l a ts e c t i o n f i b e r s p i n n i n gi s e s t a b l i s h e dw i t ht h ec o n t i n u o u s e q u a t i o n ， m o t i o ne q u a t i o n ，e n e r g y e q u a t i o na n dc o n s t i t u t i v ee q u a t i o n f u r t h e r m o r e ，a c c o r d i n g t oc o n s e r v a t i o no f e n e r g y ，t h e d e f o r m a t i o nd y n a m i cm a t h e m a t i c a lm o d e li se s t a b l i s h e d ， t h es p i n n i n gd y n a m i c ss i m u l a t i o na n dt h ec r o s s s e c t i o n d e f o r m a t i o nd y n a m i c sm o d e la r eo r i g i n a l l yu n i f i e dt o g e t h e ri n t h i sw o r k t h es h a p e df i b e rs p i n n i n gf o r m i n gm o d e li sa l s o c o n s t r u c t e d s p i n n i n gt e c h n o l o g yp a r a m e t e r s h a v ed i f f e r e n t e f f e c t so i lt h ed e g r e eo fp r o f i l e ：p o l y m e ri n t r i n s i cv i s c o s i t y ， t h e s p i n n e r e tm i c r o h o l ef o r m ，s i z ea n dd e s i g n e dd e g r e eo f p r o f i l e ( 多s p i n n i n gt e m p e r a t u r e ，t h e i n i t i a l p o s i t i o n o f c h i l l i n ga e r a t i n p u m pq u a n t i t y ，t a k e u pv e l o c i t y b l o w a i r v e l o c i t ya n dl e n g t h f i n a l l y ，o nt h eb a s i so ft h ef l a ts e c t i o nf i b e rf o r m a t i o n r a t i o n a l e ，b ym a s s i v ee x p e r i m e n t s ，s o m eo t h e rs h a p e df i b e r s p i n n i n gf o r m i n gm o d e l sw i t h t h e s h a p ef a c t o r 善a r ea l s o d e r i v e dh e r e t h e r e f o r e ，t h eo p t i m i z e ds p i n n i n gt e c h n o l o g y r o u t ei s d e s i g n e d t h eo t h e rn e wf i b e rt y p e l i k ep e n t a g o n a l f i b e ri ss u c c e s s f u l l yd e v e l o p e d ，w h i l ep d fa n dp r o f i l ed e g r e eo f t h ep e n t a g o n a lf i b e ri so n l y1 5 d t e xa n d7 6 3 r e s p e c t i v e l y t h e r ei sn o td o m e s t i cr e p o r tr e l a t e dt ot h e s ef i n ed e n i e rs h a p e d f i b e r sf o u n du n t i ln o w t h ep r o d u c t sh a v ea p p l i e dm a r k sa n d h a v eb e e na p p li e df o rp a t e n t sa sp a r to ft h i sw o r k k e yw o r d s ：s h a p e df i b e r s ，s e c t i o nd e f o r m a t i o nd y n a m i c s ， s p i n n i n gd y n a m i c ，c o m p u t e rn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，d e g r e eo f p r o f il e ， i v 附件一： 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用 的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的 内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名：尹j 阵 日期： 扩6 年弓月f d 日 附件二： 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。 本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密口。 学位论文作者签名：尹耳平 指导教师签名：7 亏诈球一 日期：d 6 年 月c o 日日期：x “年；月p 日 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 中国化纤行业经过几十年的快速发展，已成长为国民经济的重要支柱产业之 一。自1 9 9 8 年后，中国化纤产量就一直位居世界前列，中国已成为世界最主要 的化纤生产国之一。但我国合纤的差别化率还比较低，且纤维差别化是制约我国 从化纤大国向化纤强国发展的关键技术因素1 1 】1 2 】。 纤维差别化技术有许多种，其中异形截面是目前最常见的一种，它主要通过 改变喷丝板微孔形状来实现口】。而异形纤维是差别化纤维最主要的产品之一。 目前，我国异形纤维新产品的研制，主要通过分析国外新产品，并进行大量 的试纺。虽然能够生产各种异形纤维和制造异形喷丝板，但无论是在质量水平， 还是在数量上均落后国外发达国家；主要问题在于缺乏异形纤维理论的研究。 高聚物熔体的纺丝过程既涉及聚合物加工流变学，又涉及纺丝动力学、连续 流体力学、非线性传热理论等理论t 4 。虽然日、美等国将其作为研究重点，但专 利、研究成果及公开的资料并不多见。 异形纤维的纺丝研究主要分两个过程：高聚物熔体在异形喷丝板内的流动过 程和出喷丝口后的纺丝卷绕过程。聚合物熔体从喷丝孔挤出到卷绕过程，又分两 个阶段，第一阶段是挤出熔体由于膨化效果而膨胀，直到弹性回复大致完成；第 二阶段为膨化后的冷却细化卷绕阶段。关于第一阶段由于膨化效应引起的变形己 有一定的研究，k l m s e l 5 得出膨化效应对异形纤维异形度的影响比较小。 而熔融纺丝动力学研究最早出现于6 0 年代初 6 1 ，研究人员d e n n 、w h i t e 和 h a r t 等提出了“细特长丝理论”。随后，z i a b i c k i 等对纺丝过程中力的关系式进 行了详细分析，a n d r e w s 研究纺丝过程中的温度变化，加濑等推导了沿纺程的 熔纺纺丝动力学理论计算式。此外，随着科学技术的不断进步，为了使力场、速 度场、温度场的理论计算尽可能与实际条件相符，许多研究者还研究了冷却时的 热传导系数【7 l 【8 】【9 】、丝条对空气的阻力的系数l l o i l l 】【1 2 】、聚合物的拉伸粘度【1 3 】【1 4 1 等 硕士学位论文第一章绪论 等，所有这些研究都为纺丝动力学研究打下了良好的基础。 熔融纺丝动力学理论主要是对圆形纤维纺丝线上三场( 速度场、温度场、应 力场) 分布的研究，但对异形纤维纺丝成形过程中截面形变过程的研究及纤维截 面异形度的定量研究，目前还未见报道。 我国虽对异形纤维的纺丝成形过程进行了一定研究，但主要还是依赖于大量 的实践，凭借经验设计喷丝板、微孔孑l 型以及设定纺丝工艺参数，理论性的指导 还不够成熟，更无法满足对新产品、新功能纤维的快速开发。 因此，研究异形纤维成形机理，对实际纺丝，以及对化纤新技术、新产品、 新工艺的开发，都具有很强的理论实际意义。 1 2 研究内容 本论文将从纺丝流变学基本原理出发，结合高聚物熔体特有的粘弹性及对时 间的依赖性，推导高聚物熔体在异形喷丝板微孔内的流动基本方程，并剖析异形 喷丝板微孔孔型构成的规律及组合方式。 同时，本论文以矩形喷丝板微孔纺制扁平截面纤维为单元，联立连续方程、 运动方程、能量方程和本构方程，建立扁平截面纤维纺丝动力学的数学模型：用 计算机数值方法模拟出扁平截面纤维在纺丝线上速度场、温度场、应力场和横截 面面积的分布。 在此基础上，根据异形纤维截面变形过程中表面积的减少所引起的能量差与 系统中伴随流动而逸散的能量守恒，建立了异形纤维截面形变动力学的数学模 型。 首次将纺丝动力学数学模型与异形纤维截面形变动力学模型结合起来，建立 异形纤维纺丝成形数学模型，用数学模型表征出异形纤维沿纺程在聚合物熔体自 身物理性能、纺丝温度、卷绕速度、冷却吹风条件和泵供量等工艺参数条件下， 异形纤维截面形状的变形过程，并从理论上定量的分析了这些纺丝工艺参数对纤 维异形度的影响程度。 在扁平截面纤维成形理论的基础上，通过实验，建立了五叶形截面纤维的成 形模型，根据对异形纤维成形模型的研究确立了最佳的纺丝工艺路线，并成功开 发了中国石化委托开发的高异形细旦新型( d p f 为1 5 d t e x ) 五叶形纤维项目，根 硕士学位论文第一章绪论 据要求很好的控制异形度，其异形度7 6 3 ，经实验纺丝，取得了良好的纺丝效 果。这种细旦异形纤维，在国内未见报道。该产品已注册商标并已申请了专利。 同时，还指导了其他异形纤维的制各，如王字形、三叶形、中空纤维等系列 异形纤维，取得了良好的纺丝效果。产生了较好的经济效益。 本论文通过对异形纤维成形理论的研究，将喷丝板设计与异形纤维纺丝工艺 学有机的结合起来，为我国异形纤维的开发提供了一定理论依据。 硕士学位论文第二章异形纤维及纺丝成形过程 第二章异形纤维及纺丝成形过程 异形纤维主要是经一定几何形状( 一般是非圆形) 的喷丝孔纺制而成的具有 特殊截面形状和功能的化学纤维。本章将对异形纤维及异形纤维成形过程作一介 绍。 2 1 异形纤维的简介 一般的圆形截面纤维，表面光泽弱、有蜡状感，且存在着易脏、易起球、不 吸水、覆盖性小等缺点。纤维截面异形化后可使纺织品的光泽性、膨松性、吸湿 性、抗起毛、起球性、耐污性、硬挺度、弹性、手感等得到不同程度的改善。诸 如仿丝、仿毛、仿麻、仿兽毛皮等，都可以通过异形纤维的物理特性并结合其它 工艺条件来实现。 2 1 1 异形纤维的发展 1 9 5 3 年美国杜邦公司首先提出了用膨化粘着法纺制异形纤维的技术【1 5 1 。随 后又提出了制造三角形截面纤维的技术【1 6 1 1 7 1 1 1 8 】，见图2 1 所示；提出了四角截 面和五角截面丝的专利申请；发明了聚酰胺6 6 中空纤维“b 一5 ”：提出了用复 合纺丝法制成复合纤维后再经分离制造异形纤维的方法。 而关于制造异形纤维的报告最初见于1 9 5 4 年，正式产品是美国杜邦公司的 三角形和三叶形纤维，1 9 5 9 , - 6 0 年问作为锦纶闪光丝应用于实际生产【】9 】。有关四 叶形、五叶形纤维的研究论文相继于1 9 6 0 年发表。关于中空纤维，杜邦公司早 在1 9 6 0 年就开始研究，1 9 6 5 年发表了锦纶6 6 中空纤维“b 一5 ”。 日本异形纤维研究较迟，但发展较快。东洋纺异形涤纶最早投入生产，商品 名“s i l l o o k ”。日本田中贵金属公司设有专门制造化纤喷丝板工厂，生产品种有 圆形、异形、复合形等。太奈卡公司也能生产多种形状的异形喷丝板和喷丝帽。 日本形成了一系列纤维开发一条龙体系，每年开发异形纤维品种1 0 0 0 个以上。 硕上学位论文 第二章异形纤维及纺丝成形过程 1 9 7 8 年，日本合成纤维的差别化率为1 9 ，到1 9 8 2 年即提高到4 0 ，这期间内， 日本市场对差别化纤维的数量和品种需求迫切，是异形纤维的高速发展时期。到 1 9 9 8 年后，异性纤维的差别化率已远远超过了5 0 。 图2 一l最早的典型三角形截面纤维( 美国杜邦公司) 意大利异形纤维也有一定的发展。意大利乌蒂塔公司所生产的异形喷丝板主 要品种有三角形、五角形、八角形、中空形和蚕豆形等。 德国第一批异形锦纶于1 9 5 5 年问世，首先进行试纺的是五角形纤维。目前， 其一般异形纤维和中空纤维已大量生产，且德国e n k a 公司的喷丝板生产技术在 国际上处于领先地位。 在国外，6 0 年代初异形纤维就已经进入工业化阶段。进入2 0 世纪8 0 年代 后，随着喷丝板技术和人们对纤维要求的不断提高，异形纤维朝着异形复合化、 中空化和多功能化方向发展，既提高纤维的保暖蓬松性，又解决起球钩丝、吸湿 和透气等问题，提高了纤维的性能。异形纤维的出现大大丰富了纤维品种，为新 型服装面料和纺织新产品的开发提供了丰富的原料。因此，异形纤维在世界各国 得到了广泛的重视、开发和利用。 我国众多的科研、生产单位在开发异形纤维方面做了很多有益尝试，于六十 年代至七十年代间曾进口异形喷丝板，试纺过锦纶异形丝，其中有y 形、五角 形、八角中空形等取得了初步的成就。而我国开始异形纤维的研制是在7 0 年代 中期，比发达国家晚二十多年的时间。8 0 年代中国纺织大学成功试制了三角形、 米字形、h 形异形截面纤维。 随着科学技术的不断发展，我国的异形纤维发展也取得了很大的成绩，如在 喷丝板制造方面改进了加工技术，提高了板的可纺性：在纺丝方面，有了一定的 理论研究；在纺织产品方面，主要是以仿各种天然纤维为主。 国家近十多年来，将差别化纤维作为科技攻关及发展的重要项目，而异形纤 维已成为差别化纤维的重要品种之一。目前，我国虽然能够生产异形纤维和各种 硕士学位论文 第二章异形纤维及纺丝成形过程 异形喷丝板，但无论其水平还是数量都与日、美、欧等国家存在很大的差距，可 以说，纤维差别化是制约我们从化纤大国向化纤强国发展的关键技术因素。 2 1 2 异形纤维的功能”1 1 、丝鸣的功能 顶端部分具有小裂纹的三叶形纤维组成的织物能够发出音波，波形与丝绸有 很相似的声音。 2 、光泽性能好 异形截面纤维的最大特征是其独特的光学效果，这也是制造异形纤维的主要 目的之一。利用异形纤维的这种性质可以制成具有真丝般光泽的合纤织物。另外， 不同截面的异形纤维的光学特性也有所不同。有的异形纤维具有钻石般的光泽， 而有的截面纤维光泽相对比较柔和，闪光小，因此比圆形纤维仿真丝效果更好。 3 、仿毛皮效果 腈纶纤维具有锐利的截面，可达到仿毛皮的效果：而超细纤维也会因将其纤 维的尖端超细化而产生手感好的毛皮感觉。 一 4 、吸水快干和透湿性 如果选择合适的异形纤维或将其进行适当混合，形成织物后，纤维和纤维之 间会产生微小的空隙。这些空隙会具有毛细管一样的功能，使汗液迅速挥发。当 纤维之间的空隙率提高，不仅可以迅速蒸发水汽，还会有很好的速干性。 5 、隔热保暖功能和轻量功能 由中空纤维或是异形纤维组合而成的织物，孔隙多，因此，织物就会变轻， 还具有隔热的功能。例如：c 型中空和“井”字异形纤维等。 6 、透明和不透明效果 将纤维的截面做成四角形，形成整齐的排列，可产生透明度极好的流行织物： 另外在纤维内部，把混入t i 0 2 微粒子的部分做成星形进行复合纺丝，就会产生 极不透明的纤维，即使制成白色的泳装也不会透光。 7 、风格的改善 所谓风格是指织物的触觉效果，对纤维进行变形截面改良的同时，一般的手 感也得n t 改善，更多的是与异收缩的纤维、自伸长纤维混纺和表面碱量加工技 硕士学位论文 第二章异形纤维及纺丝成彤过程 术的并用，来改善织物的风格。 8 、手感的改善 天然纤维中蚕丝、麻的截面近似三角形，且粗细不均，因此手感滑爽，普通 圆形截面却有蜡状感，这种感觉通过异形截面化就能加之改善，蜡状感就会消失 而接近丝绸，并且具有毛绒感，可提高屈曲硬度。 9 、蓬松性与透气性 一般情况下，异形纤维的覆盖性、蓬松性要比普通合成纤维好，做成的织物 手感也更厚实、蓬松、丰满、质轻，透气性也好。异形纤维截面越复杂，或异形 度越高，纤维及织物的蓬松性和透气性就越好。 2 1 3 异形纤维的制备方法。” l 、异形喷丝孔法 即将喷丝孔加工成与所要求的纤维截面形状相似的纺丝方法，这是最普遍使 用的方法。 2 、膨化粘着法 即将喷丝孔制成相互靠近的圆形孔、圆环形孑l 以及矩形孔等，利用纺丝液从 喷丝孔挤出时的膨化效应( 也称孔口胀大效应) ，使纺丝液细流相互粘着形成异 形纤维的方法。这种方法也得到广泛的应用。 3 、复合纤维分离法 即将两种或两种以上的成纤高聚物制成可分离的复合纤维后，在后加工过程 中通过机械剥离某一组分或者用溶剂溶掉某一组分而获得异形纤维的方法。 4 、挤压法 即将初生的圆形截面纤维在后处理时经挤压变形而产生所需要的异形截面 纤维的方法。 5 、其它方法 除了以上几种主要生产方法外，还可以利用成纤高聚物的热可塑性对圆形截 面纤维进行处理。 比较常见的异形截面形状的纤维有：具有优良的刚性性能的扁平形纤维，吸 湿排汗的十字形纤维，蓬松性、保暖性和透气性良好的中空纤维以及仿真丝效果 硕士学位论文 第二章异形纤维及纺丝成形过程 良好的三角形、三时形纤维等。目前，国内外异形纤维的生产主要还是通过采用 设计制造的异形喷丝板，经特殊纺丝工艺条件的纺丝方法制备而成。 2 1 4 异形纤维异形度的测量方法嘲 异形纤维品质的优劣，主要取决于纤维不同的截面形状及异形度的大小，异 形度的微小变化，都会使纤维光泽等产生显著差异，织成织物色泽不匀，染色时 容易产生色斑，且异形度的变化还会使纤维的抗弯曲和耐磨牢度等物理机械性能 发生变化，所以在异形纤维制备过程中应该严格控制异形度的大小和均匀性。 目前，国内外关于异形度的测试方法主要有两类，一类是直接法，主要是将 纺制好的成品纤维切片制样后通过显微镜观察其截面形状，摄相或投影描图并计 算得到异形度数据；另一类是间接法，一般是利用纤维截面不同而导致其力学、 光学和表观特性的差异，归纳起来主要有光学测量法，主要测量纤维绕轴转动 时其反射光量的变化：力学法，主要利用纤维截面形态的变化导致纤维在不同 径向的抗扭、抗弯等性能的变化来进行测量；气流仪法，利用纤维截面差异不 同所产生的比表面积和填充密度的变化来测量。 直接法虽然比较直观、准确，但主要缺点是制样时容易使纤维截面形态发生 畸变，不能真实的反映纤维断面的几何形状，且测试时间较长劳动强度大。间接 法虽精确度较高，但直观性差，并且操作不方便，测试的时间也相当长，导致劳 动强度大。由于测量方法简单、粗糙，因此如何保证在制样过程中避免纤维形态 发生畸变是影响测试准确性的关键要素。而利用计算机、高速摄相、传感器等技 术对纤维异形度进行动态在线检测的技术不够成熟，加上成本昂贵，有待进一步 发展。所以在本章中所采用的异形度测试方法依旧是直接法。具体的异形度测试 方法见附录l 所示。 2 2 异形纤维纺丝成形过程 化学纤维成形的制造一般包括以下几个工艺过程 2 4 1 ：( 1 ) 成纤聚合物的制 备；( 2 ) 纺丝流体的制备；( 3 ) 纺丝，即纺丝流体的挤出及随后的固化和纺丝成形 的变形：( 4 ) 拉伸；( 5 ) 热处理；( 6 ) 纺织加工过程( 加拈、上油、染色等) 。 化学纤维的成形采用的常规纺丝方法主要有熔体纺丝法和溶液纺丝法，后者 8 硕士学位论文 第二章异形纤维及纺丝成形过程 又分为湿法和干法纺丝。但随着航空、航天技术、国防和许多现代工业的飞速发 展，对化学纤维的性能提出了许多新的要求，而新的成纤高聚物往往不能用常规 纺丝方法进行加工；另外由于化学纤维工业本身的不断进步，要求技术和经济指 标更加先进合理，还出现了一系列新的纺丝方法，如干湿法纺丝、液晶纺丝和相 分离纺丝法等等。 常规纺丝方法主要由四个基本过程构成： ( 1 ) 纺丝流体( 溶液或熔体) 在喷丝毛细孔中流动； ( 2 ) 挤出液流中内应力松弛和流动体系的流场转化，也即是从喷丝孔中的 剪切流动向纺丝线上的拉伸流动的转化； ( 3 ) 流体丝条的单轴拉伸流动： ( 4 ) 纤维的固化。 在这些过程中，成纤高聚物要发生几何形态、物理状态和化学结构的变化。 在熔体纺丝中，只有很少的裂解和氧化等副反应发生，通常情况下不予考虑纺丝 中化学结构的变化。且熔体纺丝是一元体系，只涉及高聚物熔体丝条与冷却介质 之间的传热，整个纺丝体系没有组成的变化；而干法和湿法纺丝则分别为二元体 系( 高聚物+ 溶剂) 和三元体系( 高聚物+ 溶剂+ 沉淀剂) ，此时的传质过程十分显 著，还伴随着化学结构的变化。加上实际生产中，熔体纺丝法应用是最为广泛的 一种，在此本课题主要是以熔融纺丝成形纤维过程为研究目标。熔融纺丝的工艺 过程见图2 2 ( a ) ，异形纤维成形过程纤维截面形状的变化简图如2 2 ( b ) 所示。 a 图2 - 2 ( a ) 熔融纺丝时的工作情况示意图 9 b 图2 - 2 ( b ) 异形纤维纺丝示意图 硕士学位论文第二章异形纤维及纺丝成形过程 卜一料斗2 一螺杆挤压机3 一纺丝箱4 一齿轮计量泵卜喷丝组件 6 一纺丝套筒7 一导丝盘8 一丝筒 熔融纺丝的工艺过程如下：切片经干燥后靠自重从料斗的进口进入螺杆挤压 机，螺杆挤压机内的切片受热熔化，因被压缩而具有一定的熔体压力，压挤入纺 丝箱体中，经过滤被分配板均匀分配到喷丝板上的各个喷丝孔；从喷丝孔中挤出， 形成熔体细流，再在冷却吹风凝固成丝条；冷却成形的丝条通过纺丝甬道到达卷 绕机的卷绕筒上，卷装成丝筒。 熔体流入喷丝孔后，根据其流动性和纤维截面的变化情况，可将整个成形过 程划分为三个阶段： i 、熔体在喷丝板内的流动形变阶段； i i ，纺出的丝束由于孔口膨化效应两膨胀，直到弹性恢复大致完成的阶段； m 、膨化后的冷却细化卷绕阶段。 i 阶段，涉及高聚物熔体在喷丝板内的流变状态，在这过程中，影响纤维截 面形状的主要因素是熔体的粘性和弹性恢复应变，主要转交成熔体在喷丝板内的 流动分析及流变状态对纤维成形的影响。阶段，主要是由膨化所引起的形变， 据m e n t z n e r 2 5 】、森、s a k i a d i s 2 7 1 及l o d g e d 2 8 1 等科学家的研究知，膨化效应所 引起截面的形变影响很小，因此在整个纺程上可以忽略。i 阶段，是异形纤维的 截面形变的主要阶段。本课题将研究这一阶段异形纤维的成形机理，找出异形度 的影响因素，并建立异形纤维纺丝成形的数学模型。 2 3 喷丝板的概述 喷丝板是安放在化学纤维纺丝机纺丝部位上的一个精密部件，是纺丝装置中 的核心零件，其制造质量是保证纤维成品质量和良好纺丝性能的重要条件。其作 用是：将精确计量过的纺丝溶液，通过喷丝板上无数微孔喷挤出具有特定截面形 状的细流，经吹风冷却或凝固浴的固化而形成具有一定粗细和质地细密的纤维 束。 根据板的外形，喷丝板可分为：圆形、扇形和矩形。目前国内外化纤行业最 常用的是圆形喷丝板，而我国已颁布了圆形喷丝板的标准，1 9 9 5 年重新修订为 中华人民共和国纺织行业标准f z t 9 2 0 3 8 - - - 9 5 t 2 钟。 硕士学位论文 第二章异形纤维及纺丝成形过程 2 3 1 喷丝板的结构 喷丝板的结构型式如图2 - 3 所示有：a 平板型，b 一凸缘型，畔板环行， d 一凸缘环行。而喷丝孔的结构如图2 4 所示，主要由导孑l 、过渡角和微孔组成。 根据微孔的形状可分为圆形孔喷丝板和异形孔喷丝扳，在此主要以异形孔喷丝板 为研究对象，因异形纤维是从异形喷丝板微孔中挤出，经冷却、卷绕成一定截面 形状。图2 5 为常见的异形纤维所用异形喷丝板微孔的形状。 图2 - 3喷丝板的结构形式图2 4喷丝孔的结构 23 2 异形喷丝扳微孔孔型 图2 - 5 异形喷丝板微孔孔型 通过以上的介绍我们知道异形喷丝板微孔的构成形式主要由圆形、狭缝( 或 扁平、矩形) 和圆环形，按一定的形式组合构成。即其基本单元为圆形、狭缝( 或 扁平、矩形) 和圆环，这几个基本单元可以构成我们所需的任意形状的异形喷丝 孔。本论文将从分析基本单元的流变状态出发，得出高聚物熔体在异形喷丝板微 硕士学位论文 第二章异形纤维及纺丝成形过程 孑l 内的流动机理，并在此基础上，分析基本单元内流动状况与可纺性及对纤维成 形的影响。并通过单元组合法设计异形喷丝板微孑l 的方法，在纺丝理论上和实验 上得到了验证。图2 - 5 是一些典型的常用孔型，均可以看作是由圆形、矩形及圆 环形单元构成。 2 4 本章小结 一、异形纤维的制备方法主要为异形喷丝孔法，通过设计制造截面形状相近 的微孔形状喷丝板，可生产各种具有多功能和特性的纤维。 二、异形纤维纺丝成形过程中，如何控制异形截面的变化是异形纤维纺丝成 形的关键。 三、异形喷丝板微孔主要由圆形、矩形和圆弧基本单元构成。即这些单元可 构成各种异形喷丝板。对异形喷丝板的流变状态研究，可基于基本单元的流变研 究的基础上分析。 硕上学位论文 第三章离聚物熔体在喷丝板微孔中的流动机理研究 第三章高聚物熔体在喷丝板微孔中的流动机理研究 高聚物熔体在微孔中流动研究主要是对流动过程中熔体的速度、剪切速率分 布的研究，因为熔体速度、剪切速率大小及分布状况影响到纺丝的稳定性与可纺 性，例如当剪切速率超过其临界值时，便会出现熔体破裂，造成不能纺丝。因此， 了解高聚物在喷丝板微孔中的流动状况，对微孔几何尺寸的设计、纺丝工艺的确 定有重要意义。 异形喷丝板的种类繁多，但经分析异形喷丝板微孔的规律后，得知圆形、矩 形、圆环形是其基本的组成单元；因此，高聚物熔体在喷丝板微孔中的流变状态 研究，可基于单元内的流变状态研究，其它复杂的微孔流动可由基本单元组合流 变状态研究得出其流变机理。 故，本文将从纺丝流变学的基本理论出发推导高聚物熔体在基本单元内的速 度分布和剪切速率的分布方程，也即是：( 1 ) 熔体在圆形毛细管中的流动；( 2 ) 熔体在狭缝( 或矩形孔道) 中的流动；( 3 ) 熔体在同心圆环中的流动。 下面将从流体可纺性的基本概念、理论为基点，结合高聚物熔体的流变特性 和流变学基本方程，分别对高聚物容体在圆形、矩形和圆环形孔道中流动机理进 行分析阐述。 3 1 流体可纺性的基本概念及原理 在化学纤维工艺学中，关于“可纺性”这一术语尚无精确的含义。通常说“可 纺的”是意味着能够“成纤”，也就是说可“适合制造纤维”，而此定义包含着许 多物理和化学特点的内容。一般假如一种流体在受到单轴应力时，会引起很大的 不可逆变变形，则称这种流体为“可纺的”，并且可纺性的程度以最大可伸长来 测量。所以，可纺性是纤维成形的必要条件而非唯一的条件【3 0 1 。 可纺性的概念可做如下的定义：流体在给定的变形条件下，只要纺出时是稳 态、射流连续伸长而不发生任何类型的断裂。属于可纺的，但要建立流体可纺性 的定量理论，首先需要找出引起细流断裂的物理机理，目前，关于细流断裂的物 硕士学位论文 第三章高聚物熔体在喷丝板微孔中的流动机理研究 理机理普遍认为有两种。 导致细流发生断裂的第一种过程是内聚破裂机理，是在粘弹性射流所承受的 张应力超过了某个l 临界限度( 抗张强度) 时出现的。在此，流体的弹性起了决定 性的作用：一种理想的粘性流体会无限度变形的，所有的变形能量都瞬时逸散。 而粘弹性材料，一部分变形能量贮藏起来，当能量达到某一极限值( 回弹性) 时， 结果就产生内聚破裂现象。 引起细流断裂的另一可能过程，就是与射流的表面张力和自由表面上发生的 所谓的“毛细波”有关，即毛细机理引起的，由r a y l e i g h i 3 1 1 首先研究的一种现象。 原则上上述的两种机理都能单独起作用，而造成丝流的断裂。在给定条件下， 哪个导致较早断裂的机理，即它是对细流长度起着控制作用的。在低值范围内， 毛细波断裂起决定作用；而在较高的速度和粘度下，内聚破裂机理占主要因素。 上述的“可纺性”理论，应用到实际的纤维成形的体系时，只具有定性的而 不是定量的意义，具有局限性。因为实际所采用的纺丝条件不是像上述所假定的 那样简单，它既是非等温过程，也不是稳态的。但是尽管如此，从“可纺性”理 论中所得出的主要因素都是些控制可纺性的因素，如对毛细机理主要是粘度和表 面张力，对内聚破裂主要是形变速率和粘弹性等，这些结论对所有纺丝操作还是 有借鉴和参考意义的。 有限的可纺性是造成工业纺丝过程中不稳定性的许多来源之一，了解可纺性 的一般原理有助于在调节纺丝工艺时选择最佳的纺丝条件，避免纺丝的不稳定 性，纺丝过程的工艺参数以及纺丝原液特性的变动可能使稳定纺丝的范围充分扩 大。 3 2 高聚物熔体的流变特性嘲 高聚物熔体是粘弹性流体，其粘性有别于牛顿流体，并有明显的弹性表现。 3 2 1 高聚物流体的粘性 1 、粘度有切变速率依赖性 高聚物熔体是非牛顿性的，其粘度玎随切变速率尹而变化。对于牛顿流体记 硕士学位论文第三章高聚物熔体在喷丝板微孔中的流动机理研究 为：3 7 = 三，其中f 为剪切应力。 ， 2 、粘度的时间依赖性 高聚物流体的粘度随时间而变化。根据变化的情况，可分为触变性流体和 流凝性流体，前者的粘度随流动时间的增加而下降，后者的粘度随流动时间的增 加而上升。 3 、粘度的温度依赖性 高聚物熔体的粘度随着纺丝温度而变化，是温度的函数。一般来说，在低剪 切速率时，温度低，粘度就高；反之，高剪切速率时，温度高，熔体的粘度就小。 但是高聚物熔体的粘度与温度之间的函数关系并不是一个定量的表达式，在目前 已发表的文献中，主要采用的粘度公式 3 3 5 s 较多( 注均不考虑结晶的影响) ，由 于在研究异形纤维成形时主要是在熔融高速纺丝工艺条件下进行的，且粘度玎公 式( 3 1 ) 与我们的材料参数相接近且使用较多，故本文在进行流动分析和成形 模拟时采用这一形式： 叩= 3 【l m 】5 ”e x o ( 2 3 0 3 ( 3 2 8 0 ( t + 2 7 3 ) 1 5 4 ) ) ( 3 1 ) 式( 3 1 ) 中n n 为切片特性粘度。 3 2 2 高聚物熔体的弹性 对于高聚物熔体，可以观察到一些普通流体所没有的现象。如熔体挤出物的 模口膨胀( 挤出物胀大效应) 和熔体围绕旋转棒的上爬现象( 爬杆效应) 。这是 高聚物熔体所具有特征的弹性行为。 3 2 3 高聚物熔体的动态粘度 高聚物熔体是非牛顿性的粘弹性流体，它在流动过程中的粘性变形是不可逆 形变，随时间而持续地发展，弹性形变则是可以恢复的形交。 硕士学位论文 第三章高聚物熔体在喷丝板微孔中的流动帆理研究 3 3 流变学基本方程删哪旧3 3 3 1 连续方程 连续性方程，实质上指质量不灭定律的数学表达式。对不可压缩流体，其表 达式为： 在直角坐标系( x ，y ，z ) 中的表达式为： 堡+ 翌+ 堡：o 似 a y a z 在圆柱坐标系( r ，e 。z ) 中的表达式为： 等o rc + 吾等+ 警= otr0 镑。己 3 3 2 运动方程 ( 3 2 ) ( 3 - 3 ) 从动量守恒的角度并结合牛顿第二运动定律、动量定理及动量矩定理，可以 得到运动方程( 动量方程) 的具体形式。 在直角坐标系( x ，y ，z ) 中的具体表达式： x 分量： p c 警+ 比警+ _ 等+ 吃一署+ 蟹+ 鲁+ 鲁，+ 昭。 ( 3 4 ) y 分量： p 学+ 以等+ 巧百a v r + 一嚣+ 蟹+ 每+ 鲁，懈 ( 3 - 5 ) z 分量： p c 百a v z + 巧鲁+ 巧箬+ 圪= 一笔+ c 鲁+ 鲁+ - 缸瓦- - ) + 昭。 在圆柱坐标系( r ，o ，z ) 中的表达式： r 分量： ( 3 - 6 ) 璺主兰些堡苎 兰三兰塑壅望堕竺鱼堕丝堡塑! ! ! 塑堕垫垫堡型塞 p c 鲁+ _ 等+ 孚等一孚+ 圪西o r , ，= 一詈+ 哆昙c ，+ 鲁一等+ 誓，+ 昭， 【3 一，) 0 分量： p ( 鲁+ 以警+ 了v 9 丽a v o + 孚+ = 一历0 t + 7 1 9 ) 弓等+ 鲁】+ 昭。 ( 3 8 ) z 分量： p 学+ 警+ 孚斋+ 吃警卜篆+ 哆导小；鲁+ 鲁，+ 偌： ( 3 9 ) 以上方程，等式左端p ( 警+ 警_ v 百o r , + 匕为惯性力项；等式右 o to rrd廿dz 端第一项差为静压项；第二项! r 旦o t ( ，z ) + ；号手+ 号手为粘性力项；第三项昭： 3 3 3 能量方程 在熔融纺丝过程中，伴随着能量的传递和交换，以及加热和冷却等热传递过 程。这一过程中的能量平衡和温度分布，遵循着能量守恒定律。 在直角坐标系( x ，y ，z ) 中的展开式为： ( o 讲t + _ 罢+ 巧器+ 方o t = k 擘+ 鲁+ 争机警斋 吃老【( 百a v x + 豢) + f 。譬+ - 批- 万- ) 嘞( 豢+ 警) 】 川务蟹+ 斋+ 在圆柱坐标系( r ，0 。z ) 中的展开式为： ( 3 1 0 ) p c o 讲t + 詈+ 了v o 历o t + 吃旁o t = k 号昙p 詈，+ 砉警+ 害，+ h 等e 等+ 争吃警岷曝c 争+ 吾务c 警+ 秽a v , + 砀( 斋+ 西a v e ) 】_ r 当m ；昙( 蚓+ ；万a v e + 西a v e 】 1 7 硕士学位论文 第三章高聚物熔体在喷丝板微孔中的流动机理研究 ( 3 - 1 1 ) 式中：c v 为定容比热：k 为熔体的导热系数；t 为温度；q 为导热通量向量， 般由热传导的傅立叶定律给定：q = 一胛丁，其展开式如表3 1 所示。 表3 - 1导热通量向量展开式 直角坐标系柱坐标系球面坐标系 q l ：一k 婴g ，：一k 娶”一k 娶 劣o r o r 旷参一k ，1 历0 t g 口2 一k r 1a 0 t 目 吼：一置娶叮：一足娶 g ，= 一足丽1 丽o t