第三章熔体纺丝工艺原理总结

第三章熔体纺丝工艺原理总结

概述

熔体纺丝属于聚合物直接纺丝方法，相对于溶液纺丝方法而言，工艺简单，速度快，对环境影响较小，适合于几乎所有热塑性聚合物的纺丝。溶液纺丝分为干法纺丝（使用挥发性溶剂）和湿法纺丝（采用非挥发性溶剂）两种方法。由于涉及到溶剂的回收和物质交换，因此纺丝速度低于熔体纺丝，而且溶液纺丝成形过程中丝条所经受的拉伸少，纤维强力低，因此应用很少，只有少数聚合物纺丝使用。

PP、PE、PA 和PET一般采用熔体纺丝；醋酯、聚氨酯和一部分PAN采用干法纺丝；粘胶纤维、维纶、铜氨纤维和大部分PAN纤维采用湿法纺丝。

思考题：试比较熔体纺丝、干法纺丝和湿法纺丝法的工艺特征和产品特征。

第一节熔体纺丝成网工艺原理

聚合物切片送入螺杆挤出机，经熔融、挤压、过滤、计量后，由喷丝孔喷出，长丝丝束经气流冷却牵伸后，均匀铺放在凝网帘上，形成的长丝纤网经固网工序（热粘合、化学粘合、水刺或针刺）加固后成为熔体纺丝成网法非织造材料。

1、工艺流程为：

聚合物切片→切片烘燥→熔融挤压→纺丝→冷却→牵伸→分丝→铺网→加固→切边→卷绕

2、纺粘非织造工艺参数：聚合物种类、熔融挤压条件、纺丝孔尺寸、冷却空气、拉伸/牵伸方式、固网方法（重点掌握热轧粘合工艺参数对纺粘非织造布结构和性能的影响）。

思考题：试画出化纤长丝生产和纺粘非织造布生产工艺流程图，并标出每个工艺步骤的名称和作用。

一、熔体纺丝工艺特点

熔体纺丝工艺具有过程简单和纺丝速度高的特点，在熔体纺丝过程中，成纤高聚物经历了两种变化，即几何形状的变化和物理状态的变化。

几何形状的变化是指成纤高聚物经过喷丝孔挤出和拉长而形成连续细丝的过程；物理变化即先将高聚物变为易于加工的流体，挤出后为保持已经改变了的几何形状和取得一定的化纤结构，使高聚物又变为固态。

原则上讲，分解温度高于熔点温度（或流动温度）的热塑性高聚物都可以采用熔体纺丝法。

二、熔体纺丝工艺过程（以纺粘法非织造布生产过程为例）

主要步骤：

―高聚物纺丝熔体的制备；

―熔体自喷丝孔挤出/纺丝；

―挤出的熔体细流的冷却和拉伸成形；

―成形的纤维长丝铺网与固网。

1、熔体制备（螺杆挤压机）

含水率较高的成纤高聚物在熔融纺丝前要经过干燥处理，以防止由于水分引起的高聚物熔体分子降解。高聚物切片受热熔融过程中微细结构发生如下变化：非晶区从玻璃态转变为高弹态，再变为粘流态；结晶区发生晶体的融化，也成为粘流态，最后高聚物形成熔体。

思考：高聚物分子量、结晶度、水份和熔融挤压温度对熔体纺丝工艺有何影响；PET 熔体纺丝工艺中与结晶和干燥的作用。

螺杆挤压过程：高聚物切片是在螺杆挤压机中被加热熔融制备成纺丝熔体的；在挤压螺杆中，高聚物切片经过进料段（输送和预热）、压缩段（压实和排气、熔融）、计量段（混合、塑化）后达到适纺温度，以一定的压力挤出，以备后道工序使用。

单螺杆挤出机主要由螺杆、套筒、传动系统、加料装置、加热和冷却装置等构成。

实际生产中主要应用等距不等深的计量型螺杆，影响熔体制备的螺杆结构参数有：螺杆直径、螺杆工作长度、长径比、螺杆分段与分段长度、压缩比、螺距与螺槽深度、螺杆与套筒之间的间隙等。

螺杆与套筒之间的间隙是螺杆挤出机的一个重要的结构参数，特别是在计量段，对螺杆挤出机的产量影响很大。通常，漏流流量与间隙的三次方成正比，所以，在保证螺杆与套筒之间不产生刮磨的条件下，应尽可能地采用较小的间隙。通常，小螺杆间隙应小于0.002D，大螺杆应小于0.005D。

思考：根据上图，理解各个螺杆结构参数的定义和对熔体制备的意义；加工塑料和结晶高聚物熔体使用的螺杆结构有何区别（熔点、高弹形变、压缩段）。

当螺杆转速提高到一定程度时，聚合物原料在螺杆挤出机中停留时间缩短，使物料来不及熔融就进入计量段，未熔融的固体碎块颗粒会引起熔体质量下降（熔体温度、压力的差异和影响残留水分的排除）。新型螺杆例如分离型或销钉型螺杆可以解决这一问题。设置销钉后，螺杆挤出机的产量和普通螺杆相比，可以提高30％左右。

2、熔体纺丝（喷丝板）

（1）纺丝工艺过程

熔融挤压→过滤→静态混和→计量→熔体分配→挤出成形→冷却

过滤可去除聚合物熔体中一些凝胶和细小的固体粒子。

静态混和是指聚合物熔体输送管道中静态混和器对聚合物熔体的均匀混和作用。计量和熔体分配可精确控制产量和纤维细度的一致性。

聚合物熔体从喷丝孔挤出成形，经历入流、孔流、出流、变形和稳定的流变过程，其物理形态和几何形态均发生变化。其中入流和孔流过程在喷丝板内完成；出流在接近喷丝板的下方完成，变形在冷却和牵伸过程中完成，最后停止形变而稳定下来，形成纤维。

高聚物流体通过喷丝孔的流动有明显的流场变化，它不是单纯的Poecni流动，而包括毛细孔入口区的收敛流场，毛细孔区的管道流动，以及毛细孔出口区向拉伸流动的流场过渡。

入流区（入口效应）：纺丝流体进入喷丝孔前，在入口处发生流线收敛，流速增加，动能增加。入口区的纵向速度梯度导致粘弹性流体产生拉伸弹性形变，熔体的分子构象也发生改变，因此贮存了一定的变形弹性能，称为“入口效应”。入口区（喇叭口处）的结构参数决定了入口效应的大小。如从积液区（入口区）到毛细孔的直径收缩比较小，则流体在入口区获得的弹性能也较少。入口倒角越大，入口效应越厉害，熔体在入流区存储的变形弹性能越多，将来出口膨大越厉害，纺丝越不稳定。但入口导角太小制造比较困难。

这种变形弹性能是将来在喷丝口处发生熔体膨大的要因，如不很好控制，那么当单位体积熔体贮存的变形弹性能超过一定限度时，将发生熔体破裂，影响熔体的流动稳定和纺丝稳定性。

孔流区（纺丝）：入口效应产生的高弹形变来不及消失，因为熔体在微孔中的流速很高，通过时间很短，因此会出现孔口胀大现象。挤出温度升高，或挤出速度下降，或体系中加入填料而导致高分子熔体弹性形变减小时，挤出胀大现象明显减轻。熔体在纺丝孔/毛细微孔内的粘性流动存在径向速度梯度，即孔中心处流速大，管壁处流速小。如径向速度梯度过大，还会继续产生高弹形变。当熔体的弹性形变超过自身所能承受的极限时，就会发生熔体破裂，纺丝过程中断。

研究表明，径向速度梯度与微孔半径的三次方成反比，因此，微孔大一些纺丝比较稳定。纺PP时微孔直径一般为0.3~0.5mm，纺PET时微孔直径一般在0.3mm 以下。

出流区（出口膨大现象）

熔体在纺丝孔入口处的剪切力非常小，但是当进入纺丝孔/细孔时，剪切力迅速增加，熔体压力增加；但当出纺丝孔时，剪切力迅速降低，熔体压力下降，因此在喷丝口处，熔体出现松弛效应使得纤维直径增加了2-3倍，出现die swell 现象。这种出口喷打现象是由于入口效应引起的高弹形变在喷丝孔的孔流阶段来不及恢复，而在出口时发生迅速恢复/大分子松弛/熵值增加，熔体表现为径向膨大。膨胀严重时将出现熔体破裂现象，此时丝条表面不光滑，出现波纹、竹节或螺旋