3.4干法纺丝及其他纺丝方法原理及工艺
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化学纤维生产原理及工艺
3.3干法纺丝原理及工艺
3.3.1干法纺丝工艺
将聚合物溶于挥发性溶剂中，通过喷丝孔喷出细 流，在热空气中形成纤维的纺丝方法。 分解温度低于熔点或加热时易变色，但能溶解在 适当溶剂中的聚合物适用于干法纺丝.
例：二醋酯纤维
对于既能用干法纺丝，又能用湿法纺丝成形的纤
维，如聚丙烯腈纤维、聚氯乙烯纤维、聚乙烯醇、
b.干纺纺丝线上的轴向力平衡分析 若分析从x=0至x=x处的一段纺丝线 Fr(x)=Fr(0)+Fs+Fi+Ff-Fg 其中：Fi=Fi理论+△Fi,(△Fi＜ 0) X
0
Ff rx,s ( x) 2Rx dx
对纺程张力的贡献最重要
Fg通常较小，Fs可忽略
3.3.2.2干纺纺丝中的传热和传质
3.4.4相分离纺丝法
与冻胶纺丝法类似，采用一种聚合物溶液作为纺丝原液， 纺丝线的固化是改变温度的结果，而不是改变溶液的组成。 由聚合物在溶剂中不同温度下溶解度不同的原理，使聚合 物溶液极速降温，从而导致聚合物与溶剂发生相分离而固化。 临界相分离温度高于室温而低于挤出温度。
所得初生纤维经过拉伸和萃取溶剂得到成品纤维
3.4.3液晶纺丝
具有刚性分子结构的聚合物在适当的溶液浓度和温 度下，可以形成各向异性溶液或熔体。 在纤维制造过程中，各向异性溶液或熔体的液晶区在 剪切和拉伸流动下易于取向，同时各向异性聚合物在冷 却过程中会发生相变形成高结晶性的固体，从而可以得 到高取向度和高结晶度的高强纤维。 溶致性聚合物的液晶纺丝通常采用干湿法纺丝工艺。 热致性聚合物的液晶纺丝可采用熔融纺丝工艺。
I区(起始蒸发区) (近喷孔处)： 溶剂大量挥发 T↓↓至Tm附近，且T中心>T表面
II区(恒速蒸发区) ： 溶剂恒速挥发 T≈Tm III区（降速蒸发区）：溶剂降速挥发 T表↑至T热风
干纺成形时沿纺程温度和溶剂的 浓度分布图 1－纤维表面温度 2－纤维中心温度 3－纤维内溶剂的平均浓度 CP－纤维周围的介质 P－纺丝溶液 X (t)－纺程（时间） Tm－湿球温度
优点：纺丝速度高，生产能力大（100~1600m/min） 溶液浓度可较低，而形成细旦纤维。 可纺制填充物粒径高于纤维直径的纤维。 缺点：溶剂的选择及回收 理论尚不成熟
3.4.4乳液纺丝法
将成纤高聚物分散在分散介质中，构成乳液或悬浊液进行纺丝的方法。 适用与一些熔点高于分解温度，且无合适的溶剂的聚合物进行纺丝。 50年代就被用来生产聚四氟乙烯纤维。 过程与湿纺纺丝类似。 将粉末状的聚合物颗粒分散在某种成纤载体中，配置成乳液，载体通 常是另一种聚合物的溶液，且这种聚合物溶液易被纺制成纤维，并能 在高温下破坏分解掉。在进行高温处理时，载体分解，而高熔点的聚 合物粒子被烧结或熔融而连续化形成纤维。为了提高纤维强度，在进 行烧结时通常进行一定的拉伸。 适用于生产：聚四氟乙烯纤维、陶瓷纤维、碳化硅纤维、氧化硅纤维、 维氯纶（氯乙烯在PVA水溶液中进行乳液聚合后进行纺丝）等。
蜘蛛和蚕是在空气中吐丝 静电压：20KV~40KV； 成形的，其成丝过程其实是 喷射孔径：0.9mm； 一个干法纺丝过程。 接收距离：11cm。 静电纺丝从本质上而言， 属于一种干法纺丝过程。
(L1)17wt%, 20kV
(L2)28wt%, 20kV
(L3)39wt%, 20kV
(H1)17wt%, 40kV
有研究表明，将聚合物熔体表面遮蔽起来，如采用保温 隔膜，则纺丝过程可以稳定的进行。
熔池纺丝法可以生产与普通熔融纺丝性质类似的纤维， 但纤维的变异系数较大。采用熔池纺丝法还可较为容易的生 产双组份复合纤维，将芯层聚合物熔体从皮层聚合物熔体表 面下方喷出。
1.复习比较各种纺丝方法的共同点与不同点。
2.理解记忆各种纺丝方法的特点及适用范围？
x
3.4.2冻胶纺丝（凝胶纺丝）
冻胶纺丝也称凝胶纺丝，是一种通过冻胶态中间物质制得高强 度纤维的新型纺丝方法。 冻胶纺丝通常采用干湿法纺丝工艺，使挤出细流先通过气隙， 然后进入凝固浴。因此与普通干湿法纺丝的区别，主要不在于 纺丝工艺，而在于挤出细流在凝固浴中的状态不同 冻胶纺丝的所有技术要点都是为了减少宏观和微观的缺陷， 使结晶结构接近理想的纤维，使分子链几乎完全沿纤维轴取向。 与干法、湿法相比: 采用超高分子量原料、半稀溶液（2%~10%） 固化过程主要是冷却过程，溶剂基本不扩散 拉伸比大（大于20） 产品高强高模
(H2)28wt%, 40kV
(H3)39wt%, 40kV
SEM photographs of electrospun SF fibers
3.4.7喷射纺丝法
采用高压和高速气流来分散高聚物溶液或熔体进行 纺丝的方法。 纺丝流体经过一个窄缝型模口挤出，而后通过文丘 里管或高速气流喷嘴进行喷吹拉伸，形成极细的纤 维。 与静电纺丝法可结合使用。
3.根据化学纤维生产的基本原理，你还能想出其他纺 丝方法吗？
3.4.6静电纺丝法
静电纺丝法是一种对高分 子溶液或熔体施加高电压进行 纺丝的方法。 静电纺丝的装置包括定量 供给溶液或熔体的装置（计量 泵）形成细流的装置（喷丝模 口）以及纤维接受装置。
例:再生蚕丝蛋白水溶液的静电纺丝
regenerated silk fibroin aqueous solution
3.4.8离心纺丝法
取消喷丝头，将聚合物熔体自轴心引入一个 快速转动着的喇叭口中央，由于离心力的作用使
流体甩出，通过喇叭口的内表面而成为一逐渐变 薄的薄膜，在离开喇叭口的边缘后薄膜被分散成 纤维，随后被干燥或冷却而固化。
3.4.9无喷头熔池纺丝法
直接从聚合物熔体表面将丝条拉出经冷却固化后形成纤维 的方法。 由于大多数聚合物的热稳定性都不是很好，故从未加保 护的熔体表面自然拉出纤维的过程尚未成功。
聚氨酯等纤维，干法纺丝更适合于纺长丝。
熔纺、湿纺、干纺的比较
3.3.2干法纺丝原理
3.3.2.1干法纺丝的运动学和动力学
a.干法纺丝线上的直径分布和速度分布 近喷头区域： 沿纺程dx ↓↓,Vx↑(胀大区基本消失) 离喷头稍远区：
沿纺程dx ↓， Vx↑(έx有极大值)
近固化区： dx及Vx均趋于平稳
化学纤维生产原理及工艺
3.4其他纺丝技术简介
3.4.1干湿法纺丝
与湿法相比，喷丝头拉伸↑↑，使纺速↑ 与湿法相比，喷丝孔径可↑ 与湿法相比，纺丝液浓度及粘度可↑ 与干法相比，能有效调节纤维结构形成过程
SpБайду номын сангаасnneret
Spin line in air gap Spin line in coagulation bath Godet roller Coagulation bath Godet roller Winding roller
3.3.2.3干法纺丝中纤维结构的形成
1.超分子结构 特点：一般存在结晶或准晶，但分子和微晶的取向度很低。 2.形态结构 (1)截面形状结构特点及影响因素 ≤1 趋于圆形（无皮层） E（溶剂蒸发速度） 稍>1 略偏离圆形（存在皮层） V（溶剂扩散速度） >1 近梅花形 >> 1 呈扁平状，近于大豆形或哑铃形 纺丝液浓度↓，越偏离圆形 (2)其他形态结构特点 无明显孔洞和微纤结构，皮芯结构不如湿纺明显
3.3干法纺丝原理及工艺
3.3.1干法纺丝工艺
将聚合物溶于挥发性溶剂中，通过喷丝孔喷出细 流，在热空气中形成纤维的纺丝方法。 分解温度低于熔点或加热时易变色，但能溶解在 适当溶剂中的聚合物适用于干法纺丝.
例：二醋酯纤维
对于既能用干法纺丝，又能用湿法纺丝成形的纤
维，如聚丙烯腈纤维、聚氯乙烯纤维、聚乙烯醇、
b.干纺纺丝线上的轴向力平衡分析 若分析从x=0至x=x处的一段纺丝线 Fr(x)=Fr(0)+Fs+Fi+Ff-Fg 其中：Fi=Fi理论+△Fi,(△Fi＜ 0) X
0
Ff rx,s ( x) 2Rx dx
对纺程张力的贡献最重要
Fg通常较小，Fs可忽略
3.3.2.2干纺纺丝中的传热和传质
3.4.4相分离纺丝法
与冻胶纺丝法类似，采用一种聚合物溶液作为纺丝原液， 纺丝线的固化是改变温度的结果，而不是改变溶液的组成。 由聚合物在溶剂中不同温度下溶解度不同的原理，使聚合 物溶液极速降温，从而导致聚合物与溶剂发生相分离而固化。 临界相分离温度高于室温而低于挤出温度。
所得初生纤维经过拉伸和萃取溶剂得到成品纤维
3.4.3液晶纺丝
具有刚性分子结构的聚合物在适当的溶液浓度和温 度下，可以形成各向异性溶液或熔体。 在纤维制造过程中，各向异性溶液或熔体的液晶区在 剪切和拉伸流动下易于取向，同时各向异性聚合物在冷 却过程中会发生相变形成高结晶性的固体，从而可以得 到高取向度和高结晶度的高强纤维。 溶致性聚合物的液晶纺丝通常采用干湿法纺丝工艺。 热致性聚合物的液晶纺丝可采用熔融纺丝工艺。
I区(起始蒸发区) (近喷孔处)： 溶剂大量挥发 T↓↓至Tm附近，且T中心>T表面
II区(恒速蒸发区) ： 溶剂恒速挥发 T≈Tm III区（降速蒸发区）：溶剂降速挥发 T表↑至T热风
干纺成形时沿纺程温度和溶剂的 浓度分布图 1－纤维表面温度 2－纤维中心温度 3－纤维内溶剂的平均浓度 CP－纤维周围的介质 P－纺丝溶液 X (t)－纺程（时间） Tm－湿球温度
优点：纺丝速度高，生产能力大（100~1600m/min） 溶液浓度可较低，而形成细旦纤维。 可纺制填充物粒径高于纤维直径的纤维。 缺点：溶剂的选择及回收 理论尚不成熟
3.4.4乳液纺丝法
将成纤高聚物分散在分散介质中，构成乳液或悬浊液进行纺丝的方法。 适用与一些熔点高于分解温度，且无合适的溶剂的聚合物进行纺丝。 50年代就被用来生产聚四氟乙烯纤维。 过程与湿纺纺丝类似。 将粉末状的聚合物颗粒分散在某种成纤载体中，配置成乳液，载体通 常是另一种聚合物的溶液，且这种聚合物溶液易被纺制成纤维，并能 在高温下破坏分解掉。在进行高温处理时，载体分解，而高熔点的聚 合物粒子被烧结或熔融而连续化形成纤维。为了提高纤维强度，在进 行烧结时通常进行一定的拉伸。 适用于生产：聚四氟乙烯纤维、陶瓷纤维、碳化硅纤维、氧化硅纤维、 维氯纶（氯乙烯在PVA水溶液中进行乳液聚合后进行纺丝）等。
蜘蛛和蚕是在空气中吐丝 静电压：20KV~40KV； 成形的，其成丝过程其实是 喷射孔径：0.9mm； 一个干法纺丝过程。 接收距离：11cm。 静电纺丝从本质上而言， 属于一种干法纺丝过程。
(L1)17wt%, 20kV
(L2)28wt%, 20kV
(L3)39wt%, 20kV
(H1)17wt%, 40kV
有研究表明，将聚合物熔体表面遮蔽起来，如采用保温 隔膜，则纺丝过程可以稳定的进行。
熔池纺丝法可以生产与普通熔融纺丝性质类似的纤维， 但纤维的变异系数较大。采用熔池纺丝法还可较为容易的生 产双组份复合纤维，将芯层聚合物熔体从皮层聚合物熔体表 面下方喷出。
1.复习比较各种纺丝方法的共同点与不同点。
2.理解记忆各种纺丝方法的特点及适用范围？
x
3.4.2冻胶纺丝（凝胶纺丝）
冻胶纺丝也称凝胶纺丝，是一种通过冻胶态中间物质制得高强 度纤维的新型纺丝方法。 冻胶纺丝通常采用干湿法纺丝工艺，使挤出细流先通过气隙， 然后进入凝固浴。因此与普通干湿法纺丝的区别，主要不在于 纺丝工艺，而在于挤出细流在凝固浴中的状态不同 冻胶纺丝的所有技术要点都是为了减少宏观和微观的缺陷， 使结晶结构接近理想的纤维，使分子链几乎完全沿纤维轴取向。 与干法、湿法相比: 采用超高分子量原料、半稀溶液（2%~10%） 固化过程主要是冷却过程，溶剂基本不扩散 拉伸比大（大于20） 产品高强高模
(H2)28wt%, 40kV
(H3)39wt%, 40kV
SEM photographs of electrospun SF fibers
3.4.7喷射纺丝法
采用高压和高速气流来分散高聚物溶液或熔体进行 纺丝的方法。 纺丝流体经过一个窄缝型模口挤出，而后通过文丘 里管或高速气流喷嘴进行喷吹拉伸，形成极细的纤 维。 与静电纺丝法可结合使用。
3.根据化学纤维生产的基本原理，你还能想出其他纺 丝方法吗？
3.4.6静电纺丝法
静电纺丝法是一种对高分 子溶液或熔体施加高电压进行 纺丝的方法。 静电纺丝的装置包括定量 供给溶液或熔体的装置（计量 泵）形成细流的装置（喷丝模 口）以及纤维接受装置。
例:再生蚕丝蛋白水溶液的静电纺丝
regenerated silk fibroin aqueous solution
3.4.8离心纺丝法
取消喷丝头，将聚合物熔体自轴心引入一个 快速转动着的喇叭口中央，由于离心力的作用使
流体甩出，通过喇叭口的内表面而成为一逐渐变 薄的薄膜，在离开喇叭口的边缘后薄膜被分散成 纤维，随后被干燥或冷却而固化。
3.4.9无喷头熔池纺丝法
直接从聚合物熔体表面将丝条拉出经冷却固化后形成纤维 的方法。 由于大多数聚合物的热稳定性都不是很好，故从未加保 护的熔体表面自然拉出纤维的过程尚未成功。
聚氨酯等纤维，干法纺丝更适合于纺长丝。
熔纺、湿纺、干纺的比较
3.3.2干法纺丝原理
3.3.2.1干法纺丝的运动学和动力学
a.干法纺丝线上的直径分布和速度分布 近喷头区域： 沿纺程dx ↓↓,Vx↑(胀大区基本消失) 离喷头稍远区：
沿纺程dx ↓， Vx↑(έx有极大值)
近固化区： dx及Vx均趋于平稳
化学纤维生产原理及工艺
3.4其他纺丝技术简介
3.4.1干湿法纺丝
与湿法相比，喷丝头拉伸↑↑，使纺速↑ 与湿法相比，喷丝孔径可↑ 与湿法相比，纺丝液浓度及粘度可↑ 与干法相比，能有效调节纤维结构形成过程
SpБайду номын сангаасnneret
Spin line in air gap Spin line in coagulation bath Godet roller Coagulation bath Godet roller Winding roller
3.3.2.3干法纺丝中纤维结构的形成
1.超分子结构 特点：一般存在结晶或准晶，但分子和微晶的取向度很低。 2.形态结构 (1)截面形状结构特点及影响因素 ≤1 趋于圆形（无皮层） E（溶剂蒸发速度） 稍>1 略偏离圆形（存在皮层） V（溶剂扩散速度） >1 近梅花形 >> 1 呈扁平状，近于大豆形或哑铃形 纺丝液浓度↓，越偏离圆形 (2)其他形态结构特点 无明显孔洞和微纤结构，皮芯结构不如湿纺明显