_二醋酸纤维素纤维纺丝溶液的挤出胀大行为
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
（ 1． 生态纺织教育部重点实验室（ 江南大学） ，江苏 无锡 214122； 2． 沙洲职业工学院 纺织工程系，江苏 张家港 215600）
摘 要 为研究二醋酸纤维素纤维（ CDA） 纺丝溶液在正三角形喷丝孔出口处的挤出胀大行为，通过激光外径测量
仪，对不同剪切速率条件下，不同质量分数、温度、流量的纺丝液和不同长径比的喷丝孔的挤出胀大比进行了系统
Abstract In order to study the die swell behavior of cellulose diacetate spinning dopes at the exit of a regular triangle spinneret orifice，a laser outside diameter measuring instrument was used to investigate the die swell ratio of spinning dopes of different mass concentrations，temperatures and flowing rates and spinneret orifices of different length / diameter ratios under various shear rates． The results demonstrated that when shear rate was kept constant，with increasing of mass concentrations or flowing rates of CDA spinning dopes，the die swell ratios gradually increased，but they were in a reduction trend while increasing temperatures of dopes or the length / diameter ratios of spinneret orifices． As shear rate was increased，the die swell ratio of spinning dopes of different mass concentrations，temperatures and flowing rates and spinneret orifices of different length / diameter ratios were increased as well， with more significant increase． The research conclusion provides a basis for the further analysis on the process for spinning CDA fibers or tows by regular triangular spinneret orifices． Keywords cellulose diacetate； spinning dope； die swell； regular triangle； spinneret orifice
收稿日期： 2014 － 02 － 18
修回日期： 2014 － 11 － 13
基金项目： 教育部长江学者和创新团队发展计划（ IＲT1135） ； 江苏高校优势学科建设工程资助项目（ 苏政办发（ 2011） 137 号） ；
江苏省“青蓝工程”资助项目（ 苏教师（ 2012） 39 号）
作者简介： 于勤（ 1979—） ，男，讲师，博士生。研究方向为纺丝成型工艺。范雪荣，通信作者，E-mail： wxfxr@ 163． com。
角形喷丝孔纺制二醋酸纤维或丝束的过程提供了依据。
关键词 二醋酸纤维素； 纺丝溶液； 挤出胀大； 正三角形； 喷丝孔
中图分类号： O 636. 11； TG 352. 2
文献标志码： A
Die swell behavior of cellulose diacetate spinning dope
YU Qin1，2 ，WANG Qiang1 ，FAN Xuerong1
研究。结果表明： 当剪切速率一定时，随着 CDA 纺丝液质量分数和纺丝液流量的增加，挤出胀大比也逐渐增加； 提
高纺丝液温度和增加喷丝孔长径比，挤出胀大比则呈现下降趋势。当剪切速率增加时，不同质量分数、不同温度和
不同流量的纺丝液及不同长Biblioteka Baidu比的喷丝孔的挤出胀大比也在增加，并且增加程度更加显著。研究结论为分析正三
1. 2 CDA 纺丝溶液挤出胀大行为测试
在保 持 不 同 剪 切 速 率 （ 0. 100 0、0. 158 5、 0. 251 2、0. 391 8、0. 630 9、1. 000 0、1. 584 9、 2. 511 9、3. 981 1、6. 309 0、10. 000 0、15. 849 0、 25. 119 0、39. 811 0、63. 096 0、100. 000 0，单位 s － 1 ） 的条件下，利用激光外径测量仪分别测试不同质量 分数（ 26% 、27% 、27. 8% 、28. 5% 和 29. 5% ） 、不同 温度 （ 55、57、59、61 和 63 ℃ ） 、不 同 流 量 （ 0. 68、
第4 期
于 勤 等： 二醋酸纤维素纤维纺丝溶液的挤出胀大行为
·9·
大现象［3］。
图 2 不同质量分数 CDA 纺丝液的挤出胀 大比与剪切速率之间的关系
Fig． 2 Ｒelationship between die swell ratio and shear rate for CDA spinning dopes with various concentrations
·8·
纺织学报
第 36 卷
swell） ，该现象是非牛顿流体的重要特征［3］。 纺丝溶液挤出胀大研究始于 20 世纪 20 年代，
Chang 等［4］研究了圆形喷丝孔的挤出胀大现象，认 为由于纺丝液有延时效应，挤出胀大在出口处并不 能达到最大值。也有研究［5 － 7］表明，熔体从狭缝口 模中挤出 胀 大 比 圆 管 的 更 加 明 显。 梁 基 照 等［8］ 研 究了胶料在长口型挤出时的流变行为，提出了挤出 胀大比与可回复切应变之间的数学模型，预测了混 炼胶挤 出 胀 大 行 为。甘 学 辉 等［9］ 利 用 Polyflow 软 件，对十字形喷丝孔纺制的纤维挤出成型过程进行 了模拟计算，发现在设计喷丝孔之前应对熔体挤出 过程进行逆向挤出模拟计算，才能保证得到所需的 十字形截面纤维。Kim 等［10 － 11］发现聚合物熔体从 喷丝孔挤出后存在挤出胀大效应，于是忽略材料弹 性以及表面张力作用，利用有限元方法对三叶型纤 维成型进行了计算机模拟。综上可见，前人在挤出 胀大方面的研究采用的喷丝孔形状限于圆形、矩形、 十字形、三叶形以及其他狭缝口模等，关于截面为正 三角形喷丝孔的挤出胀大研究未见报道。前期研究 发现，用于烟用丝束的二醋酸纤维（ CDA） 通常采用正 三角形喷丝孔进行干法纺制。在甬道内，由于热空气 的作用，二醋酸纤维素纺丝溶液的丙酮溶剂逐渐挥 发，最终纺制的二醋酸纤维丝束的截面为“Y”形，烟 气过滤效率最佳［12］。挤出胀大现象是影响 CDA 丝 束或纤维成型的重要因素之一，所以本文研究了不同 因素对 CDA 纤维素纤维纺丝溶液在正三角形喷丝孔 出口处的挤出胀大现象，旨在为 CDA 丝束成型研究 提供依据和参考。
CDA 丝束制备通常采用干法纺丝方法，当挤出 胀大比例较大时，易造成 CDA 纺丝溶液细流在甬道 内发生黏并现象，影响纺丝过程和产品质量，所以可 适当提高纺丝液温度，以减小溶液的挤出胀大行为。
2. 3 喷丝孔纺丝液流量对挤出胀大比影响
纺丝液流量是指单位时间内纺丝液通过喷丝孔 的体积量。图 4 示出不同纺丝液流量下胀大比与剪 切速率的关系。由图可见，挤出胀大比随着纺丝液 流量增加而增加，原因是随着纺丝溶液流量增加，喷 丝孔口入口区带来的弹性形变使得拉伸的大分子链 松弛程度下降，胀大现象增加。
纺丝溶液压入喷丝孔时会产生入口效应，由于 剪切应力和法向应力差的作用，部分能量消耗在溶 液的形变上，大分子链的构象发生了改变，并储存为 弹性形变能，该弹性形变恢复到原来的状态需要一 定时间（ 松弛时间） ［1］，而纺丝溶液流经喷丝孔的时
间远小于松弛时间，所以纺丝溶液在压出喷丝孔时 弹性形变并未完全恢复到初始状态，在喷丝孔出口 处产生了膨化行为，即挤出胀大现象。1893 年美国 生物学家 Barus 首先观察到这一现象，所以挤出胀 大现象被称为 Barus 效应［2］，也称为出模膨 胀（ die
由于该试验的喷丝孔截面为正三角形，式中 D 和 D0 均代表正三角形的重心到顶点的距离，所以测 试的是细流和喷丝孔的边长，然后按照式（ 1） 计算 挤出胀大比。
2 结果与讨论
1 试验部分
1. 1 CDA 纺丝溶液的制备
采用高纯度木浆为原料，利用醋酐对木浆进行 乙酰化，经过预处理、醋化和水解等工序得到二醋酸 纤维素片，简称二醋片。将二醋片溶解于丙酮溶剂 中形成 CDA 纺丝溶液试样。
2. 1 质量分数对挤出胀大比的影响
图 2 示出不同质量分数的 CDA 纺丝溶液在喷 丝孔口的挤出胀大比和剪切速率 γ 之间的关系。 由图可见： 当剪切速率一定时，挤出胀大比随着纺丝 液质量分数的增加而增加，可能原因是质量分数增 加时，CDA 聚合物分子链间键合点和几何缠结点显 著增加，分子间作用力增强，在一定剪切力作用下分 子运动仍然比较困难，从而使得分子链段发生形变 所需要的力 增 加，故 弹 性 形 变 能 增 加，出 口 效 应 增 强［14］。随着剪切速率的增加，挤出胀大比呈现逐步 增加趋势，这是因为 CDA 纺丝溶液通过正三角形喷 丝孔时存在径向速度梯度，速度由孔中心向孔壁方 向递减，纺丝液在喷丝孔中流速增加，相应地缩短了 溶液在喷丝孔中的停留时间，储存的弹性形变还来 不及恢复，于是在喷丝孔出口处呈现更加明显的胀
（ 1． Key Laboratory of Eco-Textiles（ Jiangnan University） ，Ministry of Education，Wuxi，Jiangsu 214122，China； 2． Department of Textile Engineering，Shazhou Institute of Technology，Zhangjiagang，Jiangsu 215600，China）
2. 2 温度对挤出胀大比的影响
图 3 示出不同温度 CDA 纺丝溶液在喷丝孔口 的挤出胀大比和剪切速率之间的关系。不难看出： 在剪切速率保持恒定的情况下，纺丝溶液温度升高 时，挤出胀大比呈现下降趋势，原因是温度升高时， 纤维分子的热运动能量增加，大分子链的活动能力 增强，分子 间 距 增 大，分 子 间 形 成 了 更 大 的 自 由 体 积，因而分子间作用力削弱，由入口效应造成的储存 弹性形变能量减小，所以挤出胀大现象削弱。由于 挤出胀大现象是由纺丝溶液的弹性引起的，当温度 升高时，CDA 聚合物的黏弹流体向牛顿流体靠近， 对温度的敏感性逐渐减弱，挤出胀大现象必然削弱。
0. 76、0. 84、0. 92、1. 00 cm3 / min） 的 CDA 纺丝溶液 及不同长径比的喷丝孔挤出胀大值。具体如图 1 所示。
图 1 挤出胀大形成示意图 Fig． 1 Schematic form of die swell
可表述为： B= D D0
式中： B 为挤出胀大比； D 为纺丝溶液细 流 直 径， mm； D0 为喷丝孔直径，mm。从式中可看出，如果细 流直径过大，即胀大现象过于严重，则可能导致丝束 并丝，纤维平均直径增加，从而降低产品品质［13］。
第 36 卷 第 4 期 2015 年 4 月
DOI： 10. 13475 / j． fzxb． 20140201904
纺织学报 Journal of Textile Ｒesearch
Vol． 36，No． 4 Apr． ，2015
二醋酸纤维素纤维纺丝溶液的挤出胀大行为
于 勤1，2 ，王 强1 ，范雪荣1
摘 要 为研究二醋酸纤维素纤维（ CDA） 纺丝溶液在正三角形喷丝孔出口处的挤出胀大行为，通过激光外径测量
仪，对不同剪切速率条件下，不同质量分数、温度、流量的纺丝液和不同长径比的喷丝孔的挤出胀大比进行了系统
Abstract In order to study the die swell behavior of cellulose diacetate spinning dopes at the exit of a regular triangle spinneret orifice，a laser outside diameter measuring instrument was used to investigate the die swell ratio of spinning dopes of different mass concentrations，temperatures and flowing rates and spinneret orifices of different length / diameter ratios under various shear rates． The results demonstrated that when shear rate was kept constant，with increasing of mass concentrations or flowing rates of CDA spinning dopes，the die swell ratios gradually increased，but they were in a reduction trend while increasing temperatures of dopes or the length / diameter ratios of spinneret orifices． As shear rate was increased，the die swell ratio of spinning dopes of different mass concentrations，temperatures and flowing rates and spinneret orifices of different length / diameter ratios were increased as well， with more significant increase． The research conclusion provides a basis for the further analysis on the process for spinning CDA fibers or tows by regular triangular spinneret orifices． Keywords cellulose diacetate； spinning dope； die swell； regular triangle； spinneret orifice
收稿日期： 2014 － 02 － 18
修回日期： 2014 － 11 － 13
基金项目： 教育部长江学者和创新团队发展计划（ IＲT1135） ； 江苏高校优势学科建设工程资助项目（ 苏政办发（ 2011） 137 号） ；
江苏省“青蓝工程”资助项目（ 苏教师（ 2012） 39 号）
作者简介： 于勤（ 1979—） ，男，讲师，博士生。研究方向为纺丝成型工艺。范雪荣，通信作者，E-mail： wxfxr@ 163． com。
角形喷丝孔纺制二醋酸纤维或丝束的过程提供了依据。
关键词 二醋酸纤维素； 纺丝溶液； 挤出胀大； 正三角形； 喷丝孔
中图分类号： O 636. 11； TG 352. 2
文献标志码： A
Die swell behavior of cellulose diacetate spinning dope
YU Qin1，2 ，WANG Qiang1 ，FAN Xuerong1
研究。结果表明： 当剪切速率一定时，随着 CDA 纺丝液质量分数和纺丝液流量的增加，挤出胀大比也逐渐增加； 提
高纺丝液温度和增加喷丝孔长径比，挤出胀大比则呈现下降趋势。当剪切速率增加时，不同质量分数、不同温度和
不同流量的纺丝液及不同长Biblioteka Baidu比的喷丝孔的挤出胀大比也在增加，并且增加程度更加显著。研究结论为分析正三
1. 2 CDA 纺丝溶液挤出胀大行为测试
在保 持 不 同 剪 切 速 率 （ 0. 100 0、0. 158 5、 0. 251 2、0. 391 8、0. 630 9、1. 000 0、1. 584 9、 2. 511 9、3. 981 1、6. 309 0、10. 000 0、15. 849 0、 25. 119 0、39. 811 0、63. 096 0、100. 000 0，单位 s － 1 ） 的条件下，利用激光外径测量仪分别测试不同质量 分数（ 26% 、27% 、27. 8% 、28. 5% 和 29. 5% ） 、不同 温度 （ 55、57、59、61 和 63 ℃ ） 、不 同 流 量 （ 0. 68、
第4 期
于 勤 等： 二醋酸纤维素纤维纺丝溶液的挤出胀大行为
·9·
大现象［3］。
图 2 不同质量分数 CDA 纺丝液的挤出胀 大比与剪切速率之间的关系
Fig． 2 Ｒelationship between die swell ratio and shear rate for CDA spinning dopes with various concentrations
·8·
纺织学报
第 36 卷
swell） ，该现象是非牛顿流体的重要特征［3］。 纺丝溶液挤出胀大研究始于 20 世纪 20 年代，
Chang 等［4］研究了圆形喷丝孔的挤出胀大现象，认 为由于纺丝液有延时效应，挤出胀大在出口处并不 能达到最大值。也有研究［5 － 7］表明，熔体从狭缝口 模中挤出 胀 大 比 圆 管 的 更 加 明 显。 梁 基 照 等［8］ 研 究了胶料在长口型挤出时的流变行为，提出了挤出 胀大比与可回复切应变之间的数学模型，预测了混 炼胶挤 出 胀 大 行 为。甘 学 辉 等［9］ 利 用 Polyflow 软 件，对十字形喷丝孔纺制的纤维挤出成型过程进行 了模拟计算，发现在设计喷丝孔之前应对熔体挤出 过程进行逆向挤出模拟计算，才能保证得到所需的 十字形截面纤维。Kim 等［10 － 11］发现聚合物熔体从 喷丝孔挤出后存在挤出胀大效应，于是忽略材料弹 性以及表面张力作用，利用有限元方法对三叶型纤 维成型进行了计算机模拟。综上可见，前人在挤出 胀大方面的研究采用的喷丝孔形状限于圆形、矩形、 十字形、三叶形以及其他狭缝口模等，关于截面为正 三角形喷丝孔的挤出胀大研究未见报道。前期研究 发现，用于烟用丝束的二醋酸纤维（ CDA） 通常采用正 三角形喷丝孔进行干法纺制。在甬道内，由于热空气 的作用，二醋酸纤维素纺丝溶液的丙酮溶剂逐渐挥 发，最终纺制的二醋酸纤维丝束的截面为“Y”形，烟 气过滤效率最佳［12］。挤出胀大现象是影响 CDA 丝 束或纤维成型的重要因素之一，所以本文研究了不同 因素对 CDA 纤维素纤维纺丝溶液在正三角形喷丝孔 出口处的挤出胀大现象，旨在为 CDA 丝束成型研究 提供依据和参考。
CDA 丝束制备通常采用干法纺丝方法，当挤出 胀大比例较大时，易造成 CDA 纺丝溶液细流在甬道 内发生黏并现象，影响纺丝过程和产品质量，所以可 适当提高纺丝液温度，以减小溶液的挤出胀大行为。
2. 3 喷丝孔纺丝液流量对挤出胀大比影响
纺丝液流量是指单位时间内纺丝液通过喷丝孔 的体积量。图 4 示出不同纺丝液流量下胀大比与剪 切速率的关系。由图可见，挤出胀大比随着纺丝液 流量增加而增加，原因是随着纺丝溶液流量增加，喷 丝孔口入口区带来的弹性形变使得拉伸的大分子链 松弛程度下降，胀大现象增加。
纺丝溶液压入喷丝孔时会产生入口效应，由于 剪切应力和法向应力差的作用，部分能量消耗在溶 液的形变上，大分子链的构象发生了改变，并储存为 弹性形变能，该弹性形变恢复到原来的状态需要一 定时间（ 松弛时间） ［1］，而纺丝溶液流经喷丝孔的时
间远小于松弛时间，所以纺丝溶液在压出喷丝孔时 弹性形变并未完全恢复到初始状态，在喷丝孔出口 处产生了膨化行为，即挤出胀大现象。1893 年美国 生物学家 Barus 首先观察到这一现象，所以挤出胀 大现象被称为 Barus 效应［2］，也称为出模膨 胀（ die
由于该试验的喷丝孔截面为正三角形，式中 D 和 D0 均代表正三角形的重心到顶点的距离，所以测 试的是细流和喷丝孔的边长，然后按照式（ 1） 计算 挤出胀大比。
2 结果与讨论
1 试验部分
1. 1 CDA 纺丝溶液的制备
采用高纯度木浆为原料，利用醋酐对木浆进行 乙酰化，经过预处理、醋化和水解等工序得到二醋酸 纤维素片，简称二醋片。将二醋片溶解于丙酮溶剂 中形成 CDA 纺丝溶液试样。
2. 1 质量分数对挤出胀大比的影响
图 2 示出不同质量分数的 CDA 纺丝溶液在喷 丝孔口的挤出胀大比和剪切速率 γ 之间的关系。 由图可见： 当剪切速率一定时，挤出胀大比随着纺丝 液质量分数的增加而增加，可能原因是质量分数增 加时，CDA 聚合物分子链间键合点和几何缠结点显 著增加，分子间作用力增强，在一定剪切力作用下分 子运动仍然比较困难，从而使得分子链段发生形变 所需要的力 增 加，故 弹 性 形 变 能 增 加，出 口 效 应 增 强［14］。随着剪切速率的增加，挤出胀大比呈现逐步 增加趋势，这是因为 CDA 纺丝溶液通过正三角形喷 丝孔时存在径向速度梯度，速度由孔中心向孔壁方 向递减，纺丝液在喷丝孔中流速增加，相应地缩短了 溶液在喷丝孔中的停留时间，储存的弹性形变还来 不及恢复，于是在喷丝孔出口处呈现更加明显的胀
（ 1． Key Laboratory of Eco-Textiles（ Jiangnan University） ，Ministry of Education，Wuxi，Jiangsu 214122，China； 2． Department of Textile Engineering，Shazhou Institute of Technology，Zhangjiagang，Jiangsu 215600，China）
2. 2 温度对挤出胀大比的影响
图 3 示出不同温度 CDA 纺丝溶液在喷丝孔口 的挤出胀大比和剪切速率之间的关系。不难看出： 在剪切速率保持恒定的情况下，纺丝溶液温度升高 时，挤出胀大比呈现下降趋势，原因是温度升高时， 纤维分子的热运动能量增加，大分子链的活动能力 增强，分子 间 距 增 大，分 子 间 形 成 了 更 大 的 自 由 体 积，因而分子间作用力削弱，由入口效应造成的储存 弹性形变能量减小，所以挤出胀大现象削弱。由于 挤出胀大现象是由纺丝溶液的弹性引起的，当温度 升高时，CDA 聚合物的黏弹流体向牛顿流体靠近， 对温度的敏感性逐渐减弱，挤出胀大现象必然削弱。
0. 76、0. 84、0. 92、1. 00 cm3 / min） 的 CDA 纺丝溶液 及不同长径比的喷丝孔挤出胀大值。具体如图 1 所示。
图 1 挤出胀大形成示意图 Fig． 1 Schematic form of die swell
可表述为： B= D D0
式中： B 为挤出胀大比； D 为纺丝溶液细 流 直 径， mm； D0 为喷丝孔直径，mm。从式中可看出，如果细 流直径过大，即胀大现象过于严重，则可能导致丝束 并丝，纤维平均直径增加，从而降低产品品质［13］。
第 36 卷 第 4 期 2015 年 4 月
DOI： 10. 13475 / j． fzxb． 20140201904
纺织学报 Journal of Textile Ｒesearch
Vol． 36，No． 4 Apr． ，2015
二醋酸纤维素纤维纺丝溶液的挤出胀大行为
于 勤1，2 ，王 强1 ，范雪荣1