纤维成型原理更多的事高分子物理知识还是高分子化学知识

纤维成型原理

纤维成型原理更多的应是高分子化学知识。

化学纤维成型原理:

化学纤维的成型是将纺丝流体（聚合物熔体或溶液）以一定的流量从喷丝孔挤出，固化而成为纤维的过程。它是化学纤维生产过程中最重要的环节之一。化学纤维成型亦称纺丝，主要采用熔体纺丝法、干法纺丝法和湿法纺丝法。

从工艺原理角度，这三种纺丝方法均由四个基本步骤构成：①纺丝流体（溶液或熔体）在喷丝孔中流动；②挤出液流中的内应力松弛和流动体系的流场转化，即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，成纤聚合物要发生几何形态、物理状态和化学结构的变化。

第一节熔体纺丝成型原理

熔体纺丝成型的基本过程包括纺丝熔体的制备、熔体自喷丝孔的挤出、挤出熔体细流的拉长变细、冷却固化，固化丝条的上油和卷绕。概括地说，从聚合物到成丝仅是一个随着传热过程而产生的物态变化，即固态聚合物在高温下转变为流动的粘流体，并在纺丝压力下挤出喷丝孔，在喷丝板(s到卷绕装置之间，丝条必须被拉伸至需要的细度并充分冷却固化而为固态丝条的过程。

一、熔体细流冷却固化历程

熔体由纺丝计量泵以一定压力压经喷丝孔压出时，在外力（卷绕拉力、熔体重力和空气的摩擦力等）和纺丝冷却筒和纺丝甬道中的空

气气流的冷却作用下，使熔体拉长、变细、固化而最终形成初生纤维。由于熔体是高分子聚合物，呈现出非牛顿型的流动，所以熔体细流的固化成形历程，基本上可分为入口区、孔流区、膨化区、形变区和稳定区。

（一）入口区

入口区指熔体经过的每个喷丝孔的喇叭口部分。熔体从较大的空间进入直径逐渐变小的喇叭口内，流速增大会损失一部分能量，这部分能量损失则用于使柔顺的高分子聚合物的分子链以高弹形变的方

式改变自己的分子构象，并作为弹性能贮存于体系之中。高聚物在入口区具有的这种特征称为“入口效应”。

（二）孔流区

孔流区指熔体在喷丝孔的毛细孔中流动的区域。在此区域中，熔体有两个特点，一是流速不同，细流流速在毛细管中呈抛物线分布，孔壁处速度小，孔中心速度高，形成明显的径向速度梯度，这是非牛顿流体的特征。另一个是入口效应产生的高弹形变有所消失。弹性形变的消失需要一定的时间，称为松弛时间，约0.l～0.38s。由于熔体流经孔道的时间约为10-4～10-8s，与松弛时间相差甚远，弹性内应力来不及松弛，故高弹形变的消失非常小。

（三）膨化区

膨化区指熔体细流离开喷丝孔后的一段区域。直径膨化最大的地方，通常离喷丝板不超过10mm。在此区中，由于剪切速率和剪切应力迅速减小，熔体在进入孔口时所储存的弹性能，以及在孔流区贮存

的并来不及在孔道中松弛的那部分弹性能将在熔体流出孔口处发生

回弹和应力松弛，导致细流膨化胀大。过大的膨化易造成细流断裂或纺丝不匀，因此必须防止。

产生出口膨化现象的主要原因是高弹形变的迅速恢复，使细流产生膨胀，另外，熔体流经出口时速度场的变化，以及熔体的表面张力等也是重要因素。前面已经提到，熔体在孔流区内，由于高弹形变，大分子构象在剪切应力作用下发生了变化，由卷曲状态变为比较伸展的状态，并沿孔流方向取向，但是它仍有自动回复到卷曲状态的趋势。另外，孔流区内贮存了部分能量，所以当熔体压出喷丝孔时，因不受孔壁约束而应力松弛继续进行，这时原来贮存的能量使熔体细流产生径向膨胀而导致出口膨化。

膨化胀大的程度与分子量、纺丝温度和喷丝孔长径比有关，随分子量减小、纺丝温度提高和喷丝孔长径比增大而膨化率降低。

在熔体纺丝时，膨化现象不利于纺丝成形，所以在纺丝成形过程中应严格控制膨化率。膨化率过大时，会产生纤度不匀、熔体破裂、熔体和喷丝板剥离性能差等。

（四）形变区

形变区也称冷凝区，也就是膨化区之后与固化点之间的区域，是熔体细流向初生纤维转化的重要过渡区，是发生拉伸流动和形成纤维最初结构的区域，因此是纺丝成型过程最重要的区域。熔体细流在

L0～L c之间，即离开喷丝板板面约10～15cm的距离内，温度仍然很高，流动性较好。在卷绕张力等力的作用下，熔体细流很快被拉长变

细、速度迅速上升，速度梯度也增加。同时，由于接触到冷却风，细流从上到下温度逐渐降低，熔体粘度增加，致使大分子取向度增加，双折射上升；如卷绕速度很高，还可能发生大分子结晶。该区的终点即为固化点，固化点离喷丝板板面约40～80cm，一般成形条件下约为60cm左右。工业上将细流变细、变长的现象称为喷丝头拉伸，拉伸倍数为卷绕速度与熔体喷出速度之比。

（五）稳定区

固化点后一直到卷绕筒为止的这段区域称为稳定区。在该区，熔体细流已固化为初生纤维，不再有明显的流动发生，基本上已经形成一定的结构，对外界的影响也比较稳定，纤维不再细化，速度不变。

二、挤出细流的类型

化学纤维成型首先要求把纺丝流体从喷丝孔道中挤出，使之形成细流。因此正常细流的形成是熔体纺丝及溶液纺丝必不可少的先决条件。随着纺丝流体粘弹性和挤出条件的不同，挤出细流的类型大致可以分为如图2-3所示的四种，即液滴型、漫流型、胀大型、熔体破裂。/η作为纺丝流体是否出现液滴型的判据。一般来讲比值σ/η大于10-2cm/s，就会形成液滴型细流，且出现的可能性随σ/η值而增大。除纺丝流体的性质外，挤出条件也很重要。当喷丝孔径R0和挤出速度υ0减小时，形成液滴的可能性增大。在实际纺丝过程中，通常通过降低温度使η增大，或增加泵供量使υ0增大而避免液滴型细流出现。

（二）漫流型

随着η、R0和υ0的增加和σ的减小，挤出细流由液滴型向漫流型过渡。漫流型虽然因表面积比液滴型小20%而能形成连续细流，但由于纺丝流体在挤出喷丝孔后即沿喷丝板表面漫流，细流间易相互粘连，引起丝条的周期型断裂或毛丝，因此仍是不正常细流。

挤出速度υ0大于临界挤出速度υcr时，漫流型向胀大型转化。如果R0和η越小，则临界挤出速度υcr越大，这时需要采取更高的挤出速度υ0（υ0≥υcr），才能使纺丝流体从喷丝板表面剥离变成胀大型。在实际纺丝过程中，通常在喷丝板表面涂以硅树脂或适当改变喷丝头的材料性质，以降低纺丝流体与喷丝板间的界面张力；或适当降低纺丝流体的温度，以提高其粘度；或增大泵供量使υ0增大，从而减轻或避免漫流型细流的出现。

（三）胀大型

胀大型细流一般属于正常的纺丝细流。只要胀大比B0（指细流最大直径与喷丝孔直径之比）控制在适当的范围内，细流就连线而稳定。一般纺丝流体的B0约在1～2.5的范围内。B0过大，对于提高纺速和丝条成型的稳定性不利，因此实际纺丝过程中希望B0接近于1。

孔口胀大的根源在于纺丝流体的弹性。自由挤出细流的胀大比随孔口处的法向应力差的增加而增大。增加松弛时间，减小喷丝孔长径比L/R0以及增加纺丝流体在喷丝孔道中的切变速率均能使法向应力差增大，从而导致挤出胀大比增加。挤出胀大比过大往往是熔体破裂的先兆。

（四）熔体破裂