化学纤维的纺丝成型原理

1、第四章第四章 化学纤维的纺丝成型原理化学纤维的纺丝成型原理 4.14.1 概述概述化学纤维的成型是将纺丝流体（聚合物熔体或溶液）化学纤维的成型是将纺丝流体（聚合物熔体或溶液）以一定流量从喷丝孔挤出，固化而称为纤维的过程。以一定流量从喷丝孔挤出，固化而称为纤维的过程。 熔体纺丝熔体纺丝 干法纺丝干法纺丝 湿法纺丝湿法纺丝A、基本步骤基本步骤 （1）纺丝流体在喷丝孔中的流动；）纺丝流体在喷丝孔中的流动； （2）挤出细流中的内应力松弛与流场的）挤出细流中的内应力松弛与流场的转变，即转变，即纺丝流体从喷丝孔中的剪切流动向纺丝流体从喷丝孔中的剪切流动向纺丝线上的拉伸流动的转化纺丝线上的拉伸流动的转化；

2、（3）丝条的单轴拉伸流动；）丝条的单轴拉伸流动； （4）纤维的固化。）纤维的固化。B B、主要变化主要变化 （1）几何形态上的变化）几何形态上的变化纺丝流体通过喷丝孔挤出的变化；纺丝线上的横截面纺丝流体通过喷丝孔挤出的变化；纺丝线上的横截面形状的变化形状的变化（2）物理状态的变化）物理状态的变化聚合物的溶解和熔化；纺丝流体的流动和形变；丝条聚合物的溶解和熔化；纺丝流体的流动和形变；丝条的固化和结晶；拉伸流动中的取向；纺丝过程中的扩散、的固化和结晶；拉伸流动中的取向；纺丝过程中的扩散、传热和传质。传热和传质。（3）化学结构的变化）化学结构的变化主要发生在再生纤维的纺制过程中。主要发生在再生纤维的

3、纺制过程中。4.1.2 纺丝过程的基本规律纺丝过程的基本规律 （1）纺丝线上的任何一点，聚合物的流动是稳态的和连续的。纺丝线上的任何一点，聚合物的流动是稳态的和连续的。v纺丝线：纺丝细流与固化纤维的总称，与纺丝线：纺丝细流与固化纤维的总称，与纺程是不同的。纺程是不同的。v稳态的：纺丝线上任何一点的状态参数不稳态的：纺丝线上任何一点的状态参数不随时间而变化。随时间而变化。 d(V、T、P、C)/dt0 v连续的：在稳态条件下，在某一时刻，纺连续的：在稳态条件下，在某一时刻，纺丝线上任何一点所流经的质量是相等的。丝线上任何一点所流经的质量是相等的。 0V0A0LVLALVA常数常数 （2）。喷丝孔

4、中的剪切形变对成型的影响不大。喷丝孔中的剪切形变对成型的影响不大。（3）纺丝过程是一个状态参数（纺丝过程是一个状态参数（T、P、C）连续变化的非平衡连续变化的非平衡动力学过程。纤维的结构性质依赖于状态变化的历史，依赖于动力学过程。纤维的结构性质依赖于状态变化的历史，依赖于路径。路径。（4）纺丝动力学包括几个同时进行并且相互联系的单元过程。纺丝动力学包括几个同时进行并且相互联系的单元过程。 4.1.3 纺丝流动的可纺性纺丝流动的可纺性 p可纺性：可纺性：流体在拉伸作用下形成连续细长丝条的能力流体在拉伸作用下形成连续细长丝条的能力.可纺可纺性问题实质上是一个单轴拉伸流动的流变学问题性问题实质上是一

5、个单轴拉伸流动的流变学问题.p可纺性是成纤聚合物的必要条件，而不是充分条件。成纤可纺性是成纤聚合物的必要条件，而不是充分条件。成纤聚合物还必须具有热稳定性、化学稳定性和物理力学性质。聚合物还必须具有热稳定性、化学稳定性和物理力学性质。 ： 决定最大丝条长度决定最大丝条长度* 的断裂机理的断裂机理. .至少有两种至少有两种: : (1)细流最大的拉丝长度* (2)细流的断裂伸长比L(tB)/L(o)(3)最大喷丝头拉伸比(VL/ V0)maxB、理论理论Ziabicki认为聚合物的断裂主要有认为聚合物的断裂主要有2种，内聚种，内聚断裂和毛细破坏。断裂和毛细破坏。（1）内聚断裂）内聚断裂:也叫脆性

6、断裂也叫脆性断裂当储存的弹性能密度超过某临界值W * (相当于液体的内聚能密度K)时，流体便发生破坏。线性粘弹体的断裂条件为：W * = xx /2E K由内聚破坏所决定的最大拉丝长度 Xcoh=1/2ln(2k/E)-2ln(V0)/ 式中：V0 流体挤出速度， 拉伸形变梯度=d(lnV)/dx， 松驰时间内聚能密度K ， 、V0及 xcoh （2）毛细破坏毛细破坏当液体表面张力引起的扰动及其滋长和传播导致毛细波发展到振幅 (x* )等于自由表面无扰动丝条的半径R (x * )时，流体便发生破坏。由毛细破坏所决定的最大拉丝长度xcap2ln(R0/0)/+(8/V0R0) 极小、很大时2ln

7、 (R0/0)-(2/3V0R0)/ 极大、较小时毛细毛细破坏破坏：毛细破坏的条件为：毛细破坏的条件为：(x1) = R(x1)x1=x*x1=xn原则上,这两种断裂机理都能独立地对丝条的断裂起作用.两种断裂机理起控制作用的条件: 、 V0 较小时毛细破坏起控制作用、 V0 较大时内聚破坏起控制作用在某一中间范围* 有极大值,可纺性最好4.1. 4 挤出细流的类型挤出细流的类型随着纺丝流体的粘弹性和挤出条件的不同，有随着纺丝流体的粘弹性和挤出条件的不同，有4种类型。种类型。(1)液滴型液滴型定义定义挤出细流一滴一滴的挤出来的类型，叫做液滴型挤出细流一滴一滴的挤出来的类型，叫做液滴型条件条件内因

8、：纺丝流体本身的内因：纺丝流体本身的/10-2cm/s时，时，/ 可能性可能性外因：外因：T可能性可能性；v0、R0可能性可能性。措施措施T可能性可能性；Q v0可能性可能性。降低温度或增加泵供量可以避免降低温度或增加泵供量可以避免（2）漫流型）漫流型挤出细流在喷丝板表面舒展开来的挤出类型，叫做漫流型挤出细流在喷丝板表面舒展开来的挤出类型，叫做漫流型随着粘度随着粘度、表面张力、表面张力，以及喷丝孔径，以及喷丝孔径R0和挤出速度和挤出速度v0的增的增加，挤出细流由液滴型向漫流型转变。加，挤出细流由液滴型向漫流型转变。定义定义条件条件措施措施由于在喷丝板表面舒展，从而使细流间相互粘连，会引起丝条的

9、周期由于在喷丝板表面舒展，从而使细流间相互粘连，会引起丝条的周期断裂和毛丝，因此要避免。断裂和毛丝，因此要避免。v0 vcr漫流型漫流型。 注意：注意：R0、 vcr漫流型漫流型。a、在喷丝板表面涂硅树脂，减小表面张力，降低可能性；、在喷丝板表面涂硅树脂，减小表面张力，降低可能性；b、降低纺丝温度，使丝条的粘度上高，以降低可能性；、降低纺丝温度，使丝条的粘度上高，以降低可能性；c、提高泵供量，使挤出速度提高，以降低可能性。、提高泵供量，使挤出速度提高，以降低可能性。 (3) 胀大型胀大型挤出的细流在孔口处发生胀大，但不依附于喷丝板挤出的细流在孔口处发生胀大，但不依附于喷丝板面的挤出类型，叫做面

10、的挤出类型，叫做“胀大型胀大型”。细流的最大直径与喷丝孔的直径之比，叫做细流的最大直径与喷丝孔的直径之比，叫做“胀大胀大比比”B0。纺丝流体出现孔口胀大现象，是由于纺丝。纺丝流体出现孔口胀大现象，是由于纺丝流体的弹性。流体的弹性。一般纺丝流体的胀大比一般纺丝流体的胀大比B0为为12.5；个别的高达；个别的高达7定义定义 胀大比胀大比B0 （4）破裂型）破裂型在胀大型的基础，丝条如果继续提高挤出速度，挤出细流在胀大型的基础，丝条如果继续提高挤出速度，挤出细流则会因均匀性的破坏而转化为破裂型。则会因均匀性的破坏而转化为破裂型。不管是熔纺，还是湿纺，初生纤维的外表呈现出波浪形、鲨鱼皮形、不管是熔纺，

11、还是湿纺，初生纤维的外表呈现出波浪形、鲨鱼皮形、竹节形或螺旋形畸变，甚至破裂，叫做不稳定流动、熔体破裂。竹节形或螺旋形畸变，甚至破裂，叫做不稳定流动、熔体破裂。定义定义 条件条件 p对于绝大多数聚合物来说，拉伸应力对于绝大多数聚合物来说，拉伸应力cr105Pa时，出现的时，出现的可能性增大可能性增大。M、Tcr，即可能性增大，即可能性增大。p发生破裂型的临界切变速率发生破裂型的临界切变速率 的大小，因粘度而异。一般来的大小，因粘度而异。一般来说，说，M、T ，即可能性增大，即可能性增大。p临界粘度也可作为破裂的标志：临界粘度也可作为破裂的标志：cr0.0250。crcrcrcr在纺丝过程中，之

12、所以会出现不稳定流动与破裂，是由于在纺丝过程中，之所以会出现不稳定流动与破裂，是由于弹性过大，造成聚合物流体的流动变为弹性湍流。弹性过大，造成聚合物流体的流动变为弹性湍流。纺丝流体的弹性可复剪切应变纺丝流体的弹性可复剪切应变可表示为：可表示为：12/G /G Reel因此，弹性雷诺准数可以作为熔体破裂的判据。一般来说，因此，弹性雷诺准数可以作为熔体破裂的判据。一般来说，Reel 58时，即会发生熔体破裂。时，即会发生熔体破裂。原因原因 由上式可得，熔体破裂避免的措施为：由上式可得，熔体破裂避免的措施为：(T)、 (Q ) Reel避免避免提高纺丝流体温度和减小泵供量以减低提高纺丝流体温度和减小

13、泵供量以减低措施措施 crcrcrcr4.24.2 熔体纺丝熔体纺丝聚合物熔体聚合物熔体高聚物切片高聚物切片熔体制备熔体制备熔体过滤及分配熔体过滤及分配纺丝纺丝后加工后加工纤维纤维螺杆熔融纺丝箱体分配组件过滤喷丝板成型概述概述直接纺：单体聚合 高聚物熔体切片纺：切片筛选干燥等处理 螺杆挤出机中熔融纺丝箱体 泵送至纺丝组件 由喷丝孔挤出 在纺丝甬道中冷却(拉伸) 上油、卷绕或落桶 熔熔体纺丝的主要设备纺丝的主要设备螺杆挤压机螺杆挤压机 纺丝箱体纺丝箱体喷丝头组件喷丝头组件喷丝孔及导孔形状喷丝孔及导孔形状丝条的冷却丝条的冷却上油上油纤维的卷绕成型纤维的卷绕成型长丝卷绕机长丝卷绕机2.熔纺纤维的后加

14、工熔纺纤维的后加工 长丝的后加工长丝的后加工拉伸（加捻）拉伸（加捻）加弹（假捻变形）加弹（假捻变形）网络网络 短纤维的后加工包括集束，拉伸，定型，卷曲，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。上油，切断和打包整个工序。 长丝的后加工拉伸长丝的后加工拉伸F拉伸加捻示意图拉伸加捻示意图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FPOY丝假捻变形的加工丝假捻变形的加工FPOY丝假捻变形的加工原理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。

15、 加捻、热定型、解捻这三个过程在同一台机器上完成。F网络丝的加工网络丝的加工 网络丝是指丝条在网络喷嘴中，经喷射气流作网络丝是指丝条在网络喷嘴中，经喷射气流作用，单丝互相缠结而呈周期性网络点的长丝。用，单丝互相缠结而呈周期性网络点的长丝。短纤维集束短纤维集束 F短纤维拉伸短纤维拉伸4.2.14.2.1熔体纺丝的运动学熔体纺丝的运动学（1）纺丝线上的速度分布）纺丝线上的速度分布熔体纺丝为一个等温过程；熔体纺丝为一个等温过程；纺丝速度纺丝速度v在径向上是不变的；在径向上是不变的；纺丝线上不发生结晶过程。纺丝线上不发生结晶过程。基本假设基本假设 meltsolidMelt-spinning sket

16、chxAxVx=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xdx： 高速摄影法取样器取样法 确定 激光衍射法Vx(x)=dVxdx KTest stand for temperature and velocity measurement:Infrared Camera and LaserDoppler AnemometerPA熔体纺丝线上的直径分布熔体纺丝线上的直径分布PA熔体纺丝线上的速度分布熔体纺丝线上的速度分布纺丝线上发生结晶纺丝线上发生结晶, 存在着一处丝条直径存在着一处丝条直径急剧减小的位置急剧减小的位置.PET高速纺丝根据的不同，纺丝线可分成三个区域

17、:挤出胀大区挤出胀大区:沿纺程Vx减小, d=dmax时， 形变（细化）区形变（细化）区： a ： b： 固化丝条运动区固化丝条运动区：Vx=K，d=K， 0dxdvx0dxdvx0, 022dxvddxdvxx0, 022dxvddxdvxx在此区中，由于弹性表现而呈现胀大效应，故直径增大而在此区中，由于弹性表现而呈现胀大效应，故直径增大而速度减小；即有速度减小；即有D(x)增大，而增大，而v(x)下降，拉伸应变速率下降，拉伸应变速率 (dv/dx) 0。但熔体纺丝中，由于卷绕速度较大，即拉伸比但熔体纺丝中，由于卷绕速度较大，即拉伸比v(L)/v(0) 较较大，通常不存在胀大区。大，通常不存

18、在胀大区。胀大区（胀大区（区区 ） 形变区（第形变区（第区）区） 在此区中，在此区中，D(x)减小，减小，v(x)增加，增加， 0， 0；温；温度度T较高使拉伸粘度较小，在拉伸力作用下容易发生细化，即较高使拉伸粘度较小，在拉伸力作用下容易发生细化，即直径下降的变化较大。直径下降的变化较大。pb区：区：在此区中，在此区中，D(x)减小，减小，v(x)增加，增加， 0， 0；22dxvdx)(dxdv)(dxdv22dxvdx温度温度T较低使拉伸粘度较大，导致松弛时间延长，形成的结构较低使拉伸粘度较大，导致松弛时间延长，形成的结构容易被稳定下来，即容易取向和结晶。容易被稳定下来，即容易取向和结晶。

19、在此区中，由于直径在此区中，由于直径D(x)不变，故速度不变，故速度v(x)也不变；也不变；但结构会发生变化，结构进一步在此形成，可能发生但结构会发生变化，结构进一步在此形成，可能发生取向诱导结晶。取向诱导结晶。 等速区（第等速区（第区）区） 4.2.2 4.2.2 熔体纺丝的动力学熔体纺丝的动力学（1）熔体纺丝线上的力平衡 分析从喷丝头(x=0)到离喷丝头x处的一段纺丝线(上脱离体)： p Fr(x)为在x=X处丝条所受到的流变阻力；p Fr(0)为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;p Fs为纺丝线在纺程中需克服的表面张力；p Fi为使纺丝线作轴向加速运动所需克服的惯性力

20、；p Ff为空气对运动着的纺丝线表面所产生的摩擦阻力；p Fg为重力场对纺丝线的作用力 单位体积的质量力：作用在整个物体上的单位体积的力，考虑流单位体积的质量力：作用在整个物体上的单位体积的力，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：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xxgdxdgF04在空气中冷却在空气中冷却 0（2）纺丝线上的轴向受力分析）纺丝线上的轴向受力分析A、重力、重力FgdxdgFxxg04B、表面张力、表面张力Fs 纺丝过程是一个比表面积逐

21、渐增大的过程，但表面张纺丝过程是一个比表面积逐渐增大的过程，但表面张力要使液体的表面趋于最小化，因此表面张力是一个力要使液体的表面趋于最小化，因此表面张力是一个抵抗拉伸的作用力。抵抗拉伸的作用力。 界面张力界面张力（N/m）：单位分界边缘上的力，聚合物熔体的）：单位分界边缘上的力，聚合物熔体的界面张力一般为界面张力一般为0.030.08 N/m。表面张力表面张力Fs：由界面张力可以计算求得，其关系式为：由界面张力可以计算求得，其关系式为：Fs2(R0 Rx)Fs仅在仅在液态区域液态区域内起作用；熔纺中，一般很小。内起作用；熔纺中，一般很小。C、摩擦阻力、摩擦阻力Ff 摩擦阻力的大小，可以通过定

22、义而求得，即：摩擦阻力的大小，可以通过定义而求得，即：dxRxFxxsrxf2)(0,纺丝线表面的剪切应力纺丝线表面的剪切应力20,21xfsrxvC摩擦阻力沿纺丝线而变化着，摩擦阻力沿纺丝线而变化着，。表面摩擦因数或空气阻力系数：与丝条运动速度、表面摩擦因数或空气阻力系数：与丝条运动速度、丝条丝条 表面集合形状及介质的运动粘度等因素有关表面集合形状及介质的运动粘度等因素有关Cf KRenFf8.2810-4vx1.39dx0.39摩擦阻力摩擦阻力Ff与纺丝速度的与纺丝速度的1.39次方成正比。次方成正比。D、惯性力、惯性力Fi 根据牛顿第二定律求得：根据牛顿第二定律求得：FimaQt(vx-

23、v0)/tQ(vx-v0)A0v0(vx-v0)由于由于A0v0Axvx，并且，并且vx v0，故有：，故有：FiAxvx(vx-v0)Axv2x惯性力惯性力Fi与丝条速度与丝条速度的平方成正比的平方成正比 丝条固化后，丝条固化后，基本上为匀速运动，故不存在惯性力基本上为匀速运动，故不存在惯性力Fi丝条固化前，丝条固化前，为加速运动，存在惯性力，并且丝条速度越大，为加速运动，存在惯性力，并且丝条速度越大，则惯性力则惯性力Fi的贡献就越大。的贡献就越大。总而言之，常规纺丝中，惯性力总而言之，常规纺丝中，惯性力Fi在第在第区中存在；在高速纺丝区中存在；在高速纺丝中，惯性力中，惯性力Fi的重要性大大

24、增加。的重要性大大增加。E、流变力、流变力Fr 流变力流变力Fr :Fr(x)可由力平衡方程式得：可由力平衡方程式得：Fr(x)Fext+FgFsFfFi流变阻力流变阻力Fr(0):可以通过拉伸应力的定义来计算，即：可以通过拉伸应力的定义来计算，即：Fr(0)R20 xx(0)R20e(0) (0)R20e(0)dv/dxFr(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） 根据纺丝线上的力平衡方程式，根据纺丝线上的力平衡方程式，可求得任意点可求得任意点x处的纺丝应力，从而处的纺丝应力，从而确定纺丝线

25、上的应力分布确定纺丝线上的应力分布. PET纺丝线上的应力分布 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现颈缩现象时，颈缩点附近纺丝应力急剧增大。4.2.3 4.2.3 熔体纺丝的传热学熔体纺丝的传热学 （1）纺丝线上的传热和温度分布纺丝线上的传热和温度分布 （A） 纺丝线上的传热机理纺丝线上的传热机理 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

26、况，即轴向温度场和径向温度场。v 热传导：热传导：丝条内部，丝条内部，0 r R 对流传热：对流传热：丝条表面与空气介质丝条表面与空气介质之间，之间，r R；v 热辐射热辐射：刚离开喷丝孔的一段：刚离开喷丝孔的一段距离内，一般忽略，只有在高温距离内，一般忽略，只有在高温时才会考虑。时才会考虑。（B）纺丝线上的轴向温度梯度纺丝线上的轴向温度梯度 a、纺丝线轴向上没有传热，但轴向有温差，即忽略轴纺丝线轴向上没有传热，但轴向有温差，即忽略轴向热传导；向热传导；b、纺丝线径向上没有温差，即忽略径向热传导；纺丝线径向上没有温差，即忽略径向热传导；c、纺丝线上没有相变化，即忽略相变热；纺丝线上没有相变化，

27、即忽略相变热；d、纺丝线上没有热辐射；纺丝线上没有热辐射；e、纺丝是稳态的，即状态参数是不随时间而改变。纺丝是稳态的，即状态参数是不随时间而改变。 基本假设基本假设 温度分布式温度分布式 从喷丝孔带出来的纺丝细流的热量，和与空气之间的热交从喷丝孔带出来的纺丝细流的热量，和与空气之间的热交换能量是相等的，故有以下关系式：换能量是相等的，故有以下关系式：*是丝条的对流传热系数；T、Ts分别是丝条和介质的温度；Cp是丝条的热容量，J/kgk；W是从一个喷丝孔挤出来的熔体的质量，单位为kg/sq1*dA(TTs)* d d(x) (TTs)q2W Cp dT：pspsWCTTdCvdTTdxdT)()

28、(4*)exp()(0*0 xPssxdxWCdaTTTT)exp()1)(0*0 xPssxdxWCdakTTTTCp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纺速为纺速为8000m/min时，纺丝线上的温度曲线与计算值不时，纺丝线上的温度曲线与计算值不符符,其原因是未考虑丝条冷却过程中的相变热其原因是未考虑丝条冷却过程中的相变热 （2）熔体纺丝线的冷却长度熔体纺丝线的冷却长度Lk名词解释名词解释 （a）纺程：从喷丝孔纺程：从喷丝孔x0到卷绕点到卷绕点xL之间的之间的距离距离。（b）纺丝线路径：从喷丝孔纺丝

29、线路径：从喷丝孔x0到卷绕点到卷绕点xL之间的之间的路线路线。（c）冷却长度冷却长度Lk：从喷丝孔从喷丝孔x0到固化点到固化点xe之间的之间的距离距离。（d）纺丝细流：从喷丝孔纺丝细流：从喷丝孔x0到固化点到固化点xe之间的之间的路线路线。 冷却长度冷却长度Lk的计算的计算 假设固化点的温度为假设固化点的温度为Te，冷却长度为冷却长度为Lk，则根据纺丝则根据纺丝线上的轴向温度分布方程式，有：线上的轴向温度分布方程式，有：为了处理问题的方便，假设为了处理问题的方便，假设W、Cp、*都为常数，固化都为常数，固化点前的直径和速度用平均值表示，则可得到如下关系式：点前的直径和速度用平均值表示，则可得到

30、如下关系式： dxWCdTTTTkLPses0*0lnsesPsesPkTTTTCvdTTTTdWCL0*0*4ln冷却长度冷却长度Lk的影响因素的影响因素 根据以上关系式，可以对冷却长度根据以上关系式，可以对冷却长度Lk进行如下讨论。进行如下讨论。（1）对流传热系数）对流传热系数*：*一倍一倍 Lk一半，可一半，可降低固化长度，缩短纺丝设备的高度。降低固化长度，缩短纺丝设备的高度。（2）介质温度）介质温度Ts：Ts Lk,例如，介质温度例如，介质温度Ts从从20变到变到10，则冷却长度，则冷却长度Lk降低降低8.6。（3）热容量）热容量Cp：Cp Lk。例如，例如，Cp(PA6) Cp(PE

31、T)，故故Lk(PA6)要大；要大；PET的的冷却长度冷却长度Lk为为0.50.8m，PA6的冷却长度的冷却长度Lk为为0.71.2m，因此专用设备的纺丝效果更好。因此专用设备的纺丝效果更好。（4）直径）直径d：d Lk。这是因为这是因为w不变时，直径增加，则纤维的根数减少，不变时，直径增加，则纤维的根数减少，故冷却长度故冷却长度Lk缩短。缩短。（5）泵供量）泵供量w：w Lk。（6）喷丝板温度喷丝板温度T0：T0 Lk。根据以上讨论可知，即使常规纺丝，冷却长度根据以上讨论可知，即使常规纺丝，冷却长度Lk也也很短，只有很短，只有0.5m左右，而其纺程为左右，而其纺程为46m，高速纺高速纺丝时为

32、丝时为7m。从中受到启发，是否能缩短纺丝设备的从中受到启发，是否能缩短纺丝设备的高度？高度？v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冷却过程的鲁塞尔数Nnu和雷诺数和雷诺数NRe的实验关系式：的实验关系式：167. 02334. 0Re*)8(1 42. 0)/(xyanuvvNdN)/(ReavdNd：丝条的直径; 空气导热系数, 2.7610-2W/(m.k); 运动粘度, 1.610-5m2/s 又 A=d2/4 =0.42(a a-0.334)Vx0.334A-0.333(4/ )-0.3331+( )20.167=0.4253A-0.333Vx0.334

33、 1+( )2 0.167 = 0.4253A-0.333 Vx2+ （8Vy）2 0.167 8VyVx8VyVxvx为风速的纵向分量，相当于纺丝过程中丝条的运动速度；为风速的纵向分量，相当于纺丝过程中丝条的运动速度；vy为风速的横向分量。为风速的横向分量。 （3）丝条冷却的传热系数）丝条冷却的传热系数* aa 根据上述关系式，可以得到两个重要的结论：根据上述关系式，可以得到两个重要的结论：i.i. 横吹风时（横吹风时（vx0，vya）丝条的传热系数丝条的传热系数*是纵吹风（是纵吹风（vxa，vy0）的传热系数的传热系数*的的2倍。倍。ii.ii.纺丝线上丝条冷却的控制因素是变化的。纺丝线上

34、丝条冷却的控制因素是变化的。当当8vy vx，即即vy/vx 0.125时，时，*2cvy0.334；即对流传热系数即对流传热系数*取决于横吹风的控制，也就是风速的控制。取决于横吹风的控制，也就是风速的控制。当当8vy vx，即即vy/vx 0.125时，时，*cvx0.334；即对流传热系数即对流传热系数*与横吹风无关，取决于纺速。与横吹风无关，取决于纺速。即：常规纺丝中，在冷却窗的上部，对流传热系数即：常规纺丝中，在冷却窗的上部，对流传热系数* *取决于取决于横吹风，即风速的控制；在冷却窗的下部，对流传热系数横吹风，即风速的控制；在冷却窗的下部，对流传热系数* *取决于纺速的控制。取决于纺

35、速的控制。在高速纺丝中，更早出现在高速纺丝中，更早出现v vy y/ /v vx x 0.125 0.125的情况，冷却窗的上的情况，冷却窗的上部更短，即风速的变化对冷却过程和初生纤维结构性质的变部更短，即风速的变化对冷却过程和初生纤维结构性质的变化不如常规纺丝明显。化不如常规纺丝明显。 （4）纺丝线上的径向温度分布）纺丝线上的径向温度分布 在推导纺丝线上的轴向温度分布方程式时，是假设在推导纺丝线上的轴向温度分布方程式时，是假设不存在径向温度差的，而实际上是存在的。根据化不存在径向温度差的，而实际上是存在的。根据化工原理中的付立叶定律，可以得到如下方程式：工原理中的付立叶定律，可以得到如下方程

36、式：方程式方程式 *)()(sRRTTrT式中，式中，TR是表面温度，是表面温度，是热传导系数；是热传导系数；*是对流传热系数。是对流传热系数。根据以上关系式，可作如下讨论。根据以上关系式，可作如下讨论。（a）对流传热系数对流传热系数*：* (dT/dr)。（b）其它因素：其它因素：v、vy、d* (dT/dr)。因此，纺丝速度因此，纺丝速度v和风速和风速vy的增加，使丝条的对流传热系数的增加，使丝条的对流传热系数增大，从而使丝条的径向温度梯度加大，使丝条径向上的差增大，从而使丝条的径向温度梯度加大，使丝条径向上的差异性加大。异性加大。讨论讨论 平均径向温度梯度平均径向温度梯度 根据对流传热系

37、数根据对流传热系数*的关系式，即的关系式，即*Nua/d，可以有可以有如下方程式：如下方程式：通过数学处理后，可以得到丝条的平均径向温度梯度：通过数学处理后，可以得到丝条的平均径向温度梯度：式中，式中，T0为丝条中心的温度；为丝条中心的温度；a为空气的传热系数。为空气的传热系数。(T0TR)/R为的丝条平均径向温度梯度。为的丝条平均径向温度梯度。RNTTdrdTausRR2)()(RNTTRTTausRR2)(0径向温度梯度对纤维结构与性质的影响径向温度梯度对纤维结构与性质的影响 从图可知，丝条中心与表面之间的温差可达从图可知，丝条中心与表面之间的温差可达2030，而丝条的半径，而丝条的半径为

38、为0.002cm，则径向温度梯度的数量级为则径向温度梯度的数量级为104/cm，因此对聚合物的因此对聚合物的结构和性质产生重要的影响。结构和性质产生重要的影响。丝条表面的温度丝条表面的温度T低低 e 11 n；丝条中心的温度丝条中心的温度T高高 e 11 n。由此可见，这样将导致聚合物在径向上的不均匀性由此可见，这样将导致聚合物在径向上的不均匀性将化学纤维的结构分成三个层次： 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 。 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。 包括

39、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等。聚集态结构、形态结构与成形的工艺条件密切相关。4.2.4 4.2.4 熔体纺丝过程中纤维结构的形成熔体纺丝过程中纤维结构的形成 纺丝线上纤维结构的形成和发展纺丝线上纤维结构的形成和发展 高聚物的取向和结晶高聚物的取向和结晶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）熔体纺丝过程中的取向）熔体纺丝过程中的取向 熔体熔体状态下的状态下的流动取向流动取向纤维固化区的纤维固化区的形变取向形变取向喷丝孔喷丝孔切变流场中的流动取向切变流场中的

40、流动取向纺丝线拉伸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 ( )VVoA. 取向机理取向机理 聚合物流体在喷丝孔中流动时存在剪切速度梯度，故存在聚合物流体在喷丝孔中流动时存在剪切速度梯度，故存在取向，其纺丝流体取向度为：取向，其纺丝流体取向度为：但由于熔体温度较高，其粘度较小，松弛时间较短，易发生解但由于熔体温度较高，其粘度较小，松弛时间较短，易发生解取向；同时由于胀大效应，使此取向也会消失。取向；同时由于胀大效应，使此取向也会消失。故该取向较少，故该取向较少，可忽略。可忽略。1f过固化点之后，存在拉伸形变，故存在取向；但

41、由于较小，并且拉过固化点之后，存在拉伸形变，故存在取向；但由于较小，并且拉伸应力也难把纤维拉动而细化。伸应力也难把纤维拉动而细化。故取向不是很大。故取向不是很大。此种取向比较重要，初始纤维的取向度主要是拉伸流动取向的此种取向比较重要，初始纤维的取向度主要是拉伸流动取向的结果，大小为：结果，大小为：1f由于细流温度在逐渐降低，其粘度逐渐在上升，松弛时间增加；由于细流温度在逐渐降低，其粘度逐渐在上升，松弛时间增加；并且此阶段的并且此阶段的 较大，较大，f2较大。较大。故此阶段的取向度较大。故此阶段的取向度较大。接近喷头区：接近喷头区： n增加有限n相对增加迅速n趋于饱和 流动取向 T高 e小，使解

42、取向作用也大 流动取向 e 使解取向e 进一步流动取向困难 拉伸应力有限 形变取向困难离喷头稍远区：离喷头稍远区：固化区附近：固化区附近： B.分子取向的发展分子取向的发展 1.1.纺丝线上不结晶的熔纺初生纤维的取向纺丝线上不结晶的熔纺初生纤维的取向 通过以上分析，可以得到以下结论：通过以上分析，可以得到以下结论：vx xn因此，从常规纺丝到高速纺丝，再到超高速纺丝，在较因此，从常规纺丝到高速纺丝，再到超高速纺丝，在较宽的速度范围内，取向度宽的速度范围内，取向度n将得到充分的发展和提高将得到充分的发展和提高之所以出现以上结果，是由于之所以出现以上结果，是由于nf ，而而，因此有如下关系式：因此

43、有如下关系式： 实际上测定的也是如此，例如实际上测定的也是如此，例如PET的的n7.81010 x x。 xxn以超高速纺PET为例： 低 e小：070cm的范围内，细化主要在此完成的范围内，细化主要在此完成 ( T高 解取向大 n较小 ： n陡增在 80130cm的范围内，的范围内，晶核形成结晶加速，导致微晶取向） ：从固化点（从固化点（130cm）到卷绕点的范围内，难于发生取向到卷绕点的范围内，难于发生取向(空气阻力的存在使张应力不断增加;e )2.2.纺丝线上发生结晶的熔纺初生纤维的取向纺丝线上发生结晶的熔纺初生纤维的取向 这是由于结晶的取向增加较快，并且容易达到饱和值，这是由于结晶的取

44、向增加较快，并且容易达到饱和值，故结晶的初生纤维的取向度故结晶的初生纤维的取向度n在在b区增加较快。区增加较快。由于聚合物容易结晶，而结晶后阻碍了取向的进一步由于聚合物容易结晶，而结晶后阻碍了取向的进一步发展（这是因为纺丝线上的拉伸应力发展（这是因为纺丝线上的拉伸应力不足以使结晶不足以使结晶聚合物取向），故只有结晶前的液态聚合物才发生取聚合物取向），故只有结晶前的液态聚合物才发生取向，而结晶又很快发生。因此纺丝速度达到一定值以向，而结晶又很快发生。因此纺丝速度达到一定值以后再提高，取向度后再提高，取向度n变化较慢。变化较慢。综上所述，聚合物在纺程上结晶时，其取向度综上所述，聚合物在纺程上结晶时

45、，其取向度n沿沿纺程纺程x的分布除取决于应力历史外，还取决于热历史。的分布除取决于应力历史外，还取决于热历史。卷绕速度的影响：纺程上无结晶时：VL，使xx n 纺程上有结晶时：VL，使xx ，导致微晶取向， n 很快达到饱和值；进一步使VL，n 变化缓慢纤维细度的影响：d n 熔体泵供量的影响：W n环境介质温度的影响：Ts n熔体温度的影响：To n（2）熔体纺丝过程中的结晶）熔体纺丝过程中的结晶 A、纺丝线上的等温结晶动力学纺丝线上的等温结晶动力学Avrami方程式方程式 （1c）exp(-ktn)结晶化的特征曲线结晶化的特征曲线 根据该曲线，可把结晶过程分为根据该曲线，可把结晶过程分为3

46、个阶段：个阶段：，结晶度，结晶度c较小并较小并且且慢；慢；，结晶度，结晶度c；，结晶度，结晶度c基本上基本上稳定不变。稳定不变。总而言之，结晶是分阶段进行的，并且结晶总而言之，结晶是分阶段进行的，并且结晶速率速率（d/dt）是不一样的。是不一样的。结晶速率的表征结晶速率的表征 结晶速率可以用半寿期结晶速率可以用半寿期t1/2表示，也可以用结晶速率常表示，也可以用结晶速率常数数k（kt1/21）表示。表示。t1/2 k d/dt。半结晶宽度半结晶宽度D(T1-T2) 动力学结晶能力动力学结晶能力G：K(T)曲线下的曲线下的 面积面积 B、纺丝线上的准等温结晶动力学纺丝线上的准等温结晶动力学 由于

47、结晶速率常数由于结晶速率常数k是温度是温度T的函数，的函数，故故k(T)曲线是一个倒钟形的曲线曲线是一个倒钟形的曲线 物理量：物理量：v聚合物最大结晶速率常数（聚合物最大结晶速率常数（k*）v最大结晶温度（最大结晶温度（T*）v半结晶温度（半结晶温度（T2、T1）v半结晶宽度（半结晶宽度（DT1T2）v动力学结晶能力动力学结晶能力G（Gk* D） 动力学结晶能力动力学结晶能力G，指聚合物熔体从熔点指聚合物熔体从熔点Tm以单位冷却速率降低以单位冷却速率降低到玻璃化温度到玻璃化温度Tg时，所得到的相对结晶度。时，所得到的相对结晶度。计算：计算：k(T)曲线下的面积，近似地等于半结晶宽度与最大结晶速

48、曲线下的面积，近似地等于半结晶宽度与最大结晶速率常数之乘积率常数之乘积: :DKdTTKGmsTT)(C、纺丝线上结晶的发展纺丝线上结晶的发展 结晶度的表达式结晶度的表达式根据以上的分析，丝条到达卷绕装置时，丝条的结晶度根据以上的分析，丝条到达卷绕装置时，丝条的结晶度L为：为： 通过有关的推导，可以得到结晶度的关系式：通过有关的推导，可以得到结晶度的关系式： )()(12*0ttKdttTKLtLssPLTDTTDTTTdCKt22ln)(4)()(*结晶度的影响因素结晶度的影响因素 由上式可以看出，结晶度的影响因素有以下几个方面。由上式可以看出，结晶度的影响因素有以下几个方面。丝条的特性参数

49、：丝条的特性参数：k*、D、T*L；丝条的冷却参数：丝条的冷却参数：*L，、Cp、TsL；丝条的运动学参数：丝条的运动学参数：v0、vL、w d(T*)L。D、纺丝线上的取向结晶纺丝线上的取向结晶 定义定义 结晶形态随分子取向程度的不同而变化。结晶形态随分子取向程度的不同而变化。例如：例如：vL折叠链折叠链、晶体尺寸、晶体尺寸。在取向结晶过程中，结晶温度和结晶速在取向结晶过程中，结晶温度和结晶速率要升高。例如：率要升高。例如：VL、x xTcr。c、结晶机理有可能完全不同。结晶机理有可能完全不同。 特点特点 4.3 4.3 湿法纺丝湿法纺丝 n湿法纺丝中的扩散和凝固不仅是一般的物理和化学过程，

50、对某些湿法纺丝中的扩散和凝固不仅是一般的物理和化学过程，对某些化学纤维如粘胶纤维同时还发生化学变化化学纤维如粘胶纤维同时还发生化学变化，因此，湿法纺丝的成，因此，湿法纺丝的成形过程较复杂，形过程较复杂，所以纺丝速度比熔体纺丝低。纺丝速度为，所以纺丝速度比熔体纺丝低。纺丝速度为5100m/min，而熔体纺丝的卷绕速度为每分钟几百米至几千米。，而熔体纺丝的卷绕速度为每分钟几百米至几千米。n采用湿法纺丝时，必须配备凝固浴的、循环及回收设备，工艺流采用湿法纺丝时，必须配备凝固浴的、循环及回收设备，工艺流程复杂，厂房建筑和设备投资费用都较大，纺丝速度低，成本高程复杂，厂房建筑和设备投资费用都较大，纺丝速

51、度低，成本高且对环境污染较严重。且对环境污染较严重。 采用二步法时，需要选择合适的溶剂将成纤聚合物溶解，所得的溶液在送去纺丝之前要经过混合、过滤和脱泡等工序，总称为纺前准备。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。气泡会在纺丝过程中造成断头、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下进行。在常压下静置脱泡，因气泡较小，气泡上升速度很慢，脱泡时间很长；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

52、大加快。一步法：单体直接聚合 聚合物溶液二步法：固体成纤聚合物 纺丝液 纺丝机混合、过滤、脱泡+溶剂溶解分离、干燥 计量泵、烛形滤器 喷丝头 凝固浴 后处理 原液细流的固化原液细流的固化n原液细流在凝固浴中进行如下过程：p 凝固浴中凝固剂向原液细流内部的扩散 原液中的溶剂向凝固浴扩散p p n涉及两方面的问题： 相分离的热力学条件：聚合物（P）、溶剂（S）和凝固剂（N）三者之间对应关系 扩散动力学问题：原液细流和凝固浴表面接触扩散等速区细化区胀大区4.3.1 湿法纺丝的运动学湿法纺丝的运动学 （1）纺丝线上的速度分布）纺丝线上的速度分布 孔流区在湿法纺丝中，稳态条件下的单轴拉伸满足下式：在湿法

53、纺丝中，稳态条件下的单轴拉伸满足下式： x vx Ax Cx常数常数Cx是纺丝线处于是纺丝线处于x点时，其单位体积内所含的聚合物质量点时，其单位体积内所含的聚合物质量假设体系的密度假设体系的密度x沿纺程不变，沿纺程不变，则纺丝线上的速度同时依赖于其则纺丝线上的速度同时依赖于其直径直径dx和聚合物浓度和聚合物浓度Cx；显然，显然，与熔纺中不一样，纺丝速度与熔纺中不一样，纺丝速度vx与与直径直径dx并无单值关系并无单值关系 速度分布曲线速度分布曲线 纺丝线上区域的划分纺丝线上区域的划分 （1）第）第区：胀大区，正拉伸时消失，零拉伸和负区：胀大区，正拉伸时消失，零拉伸和负拉伸时存在。拉伸时存在。（2

54、）第）第区：细化区，也可分为区：细化区，也可分为a区和区和b区。区。（3）第）第区：等速区。区：等速区。与熔纺不同，湿纺中的细流从喷丝孔挤出时，不与熔纺不同，湿纺中的细流从喷丝孔挤出时，不能承受过大的拉伸，故湿法纺丝通常采用负拉伸、能承受过大的拉伸，故湿法纺丝通常采用负拉伸、零拉伸或不大的正拉伸。零拉伸或不大的正拉伸。（1）负拉伸：）负拉伸：纺丝速度纺丝速度vx低于挤出速度低于挤出速度v0。（2）零拉伸：零拉伸：纺丝速度纺丝速度vx等于挤出速度等于挤出速度v0。（3）正拉伸：正拉伸：纺丝速度纺丝速度vx高于挤出速度高于挤出速度v0。湿法纺丝湿法纺丝的拉伸的拉伸 胀大区：沿纺程Vx，dVx/dX

55、0， 0dVxdxd2Vxdx2b区： 0， 乙醇甲醇H2ODN1060.2650.871.865.2溶剂种类对扩散速率有影响溶剂种类对扩散速率有影响凝固剂分子量凝固剂分子量 ，DN (一般而言一般而言) 纺程的影响纺程的影响 一般有：沿纺程一般有：沿纺程x ,Dx ,Di i （2）湿法成型中的相分离）湿法成型中的相分离 A、相分离图相分离图 Ziabicki对湿法纺丝成型的相分离过程进行了定性的研究对湿法纺丝成型的相分离过程进行了定性的研究 SNPponsoSZiabicki 三元相图三元相图相图分析相图分析n当夹角0时， SD沿SP线向S靠近，相应的通量比JS/JN，即纺丝原液不断地被纯

56、溶剂所稀释n当 时，SD向P靠近，通量比JS/JN，相当于干法纺丝，即纺丝原液中的溶剂不断蒸发，使原液中聚合物浓度不断上升，直至完全凝固i.i.Js/JN*（第一临界切线第一临界切线）此区中，此区中，溶剂的溶剂的扩散速度远小于凝固剂的扩散速度，纺丝线上聚合物不断扩散速度远小于凝固剂的扩散速度，纺丝线上聚合物不断地被稀释，故地被稀释，故Cp；并且无相变。并且无相变。因此纺丝原液始终处于均相状态而不固化。因此纺丝原液始终处于均相状态而不固化。说明，说明，Js /JN是指纺丝原液不断地被纯溶剂所稀释。是指纺丝原液不断地被纯溶剂所稀释。ii.ii.*Js/JN1 () 此区中，溶剂的扩散速度仍然小于凝

57、固此区中，溶剂的扩散速度仍然小于凝固剂的扩散速度，纺丝线上聚合物不断被剂的扩散速度，纺丝线上聚合物不断被稀释，故稀释，故存在相变存在相变。可发生固化，但为稀释固化可发生固化，但为稀释固化；形成疏松而不均匀的结构。形成疏松而不均匀的结构。 说明，说明，1是指溶剂的扩散速度等是指溶剂的扩散速度等于凝固剂的扩散速度。于凝固剂的扩散速度。iii. 1Js/JN* （第二临界切线）（第二临界切线） 此区中，溶剂的扩散速度大于凝固剂此区中，溶剂的扩散速度大于凝固剂的扩散速度，纺丝线上聚合物浓度的扩散速度，纺丝线上聚合物浓度不断上升，故不断上升，故；存在相变。存在相变。固化固化（由相变和聚合物含量增加所致）

58、（由相变和聚合物含量增加所致）形成紧密而均匀的结构形成紧密而均匀的结构iv.iv.*Js/JN+ 此区中，溶剂的扩散速度远大于凝固剂的此区中，溶剂的扩散速度远大于凝固剂的扩散速度，纺丝线上聚合物浓度不断上升，扩散速度，纺丝线上聚合物浓度不断上升，故故Cp；但不存在相变。但不存在相变。但湿法生产上不能达到这大的传质通量比。但湿法生产上不能达到这大的传质通量比。综上所述，湿法纺丝大多在第综上所述，湿法纺丝大多在第3区中成型。区中成型。相图小结相图小结 从热力学可能性而言：从热力学可能性而言： 在在区是不能纺制成纤维的区是不能纺制成纤维的 在在、和和区的原液细流能够固化区的原液细流能够固化 从纤维结

59、构的均匀性和机械性能看从纤维结构的均匀性和机械性能看: : 以以区成形的纤维最为优良区成形的纤维最为优良 通常的湿法纺丝以通常的湿法纺丝以区为多区为多湿法成形中，初生纤维的结构不仅取决于平均组成，而湿法成形中，初生纤维的结构不仅取决于平均组成，而且取决于达到这个组成的途径。且取决于达到这个组成的途径。相分离法中，浓缩凝固形成的结构比稀释凝固形成的结相分离法中，浓缩凝固形成的结构比稀释凝固形成的结构较为均匀。构较为均匀。 必须指出，纺丝线组成变化路径的直线与相分离曲线的相交并不一定保证相分离的实现，因为上述的分析仅标志其热力学可能性而已。 相分离动力学、亚稳态体系存在的可能性等对相分离都有极其重

60、要的影响。 亚稳态体系在湿法成形的三元相图中引入了双节线和旋节线相边界理论： 三元相图被双节线分成均相和非均相两个区域： 均相区位于双节线上方，非均相区位于双节线下方。 旋节线又将非均相区划分为亚稳态区和非稳态区，双节线和旋节线之间的区域为亚稳态区，旋节线以下的区域为非稳态区。 在非稳态区，相分离过程迅速自发进行，属于旋节分离机理。 在亚稳态区，体系虽在热力学上处于非稳态，但相分离必须首先克服势垒形成的分相的“核”，然后“核”逐渐扩大，最终形成分相，属于成核及生长分离机理。在亚稳态区中，温度或组成的有限波动会使溶液进入非稳态区。 按旋节分离机理形成的初生纤维结构较为疏松 按成核和生长分离机理形