高分子材料成型加工-第6講

1、第一早第一節(jié)熔融紡絲五、拉伸過(guò)程中纖維結(jié)構(gòu)性能變化1、拉伸過(guò)程中纖維取向度的變化(1) 取向單元(2) 取向度的變化規(guī)律2、拉伸過(guò)程中纖維結(jié)晶度的變化(1) 拉伸過(guò)程中無(wú)變化(2) 拉伸過(guò)程中結(jié)晶度T或J3、拉伸過(guò)程中纖維力學(xué)性能的變化六、纖維的熱定型1、熱定型的目的和作用2、熱定型方法控制張力、定長(zhǎng)、部分收縮、松弛熱定型3、纖維在熱定型中的形變g(t)=豈 e雪(t / q ) + 豈4、熱定型溫度的選擇Tg < T < Tm5、熱定型過(guò)程中分子間作用力的變化 松懈階段、定型階段、結(jié)構(gòu)固定階段七、熱定型過(guò)程中纖維結(jié)構(gòu)性能變化1、熱定型中纖維結(jié)構(gòu)的變化(1) 纖維結(jié)晶度的變化(2)

2、 纖維晶粒尺寸的變化(3)纖維取向度的變化2、熱定型對(duì)纖維物理機(jī)械性質(zhì)的影響(1)纖維力學(xué)性能的變化(2)纖維熱收縮率的變化3 纖維吸濕和染色性能的變化第二節(jié)熔融紡絲實(shí)例聚酯纖維（一）紡絲級(jí)PET樹脂的品質(zhì)指標(biāo)分子量、分子量分布、軟化點(diǎn)與熔點(diǎn)（二）PET切片的干燥1、PET切片的含水率2、PET切片干燥的目的3、切片的干燥曲線5、4、切片干燥過(guò)程的結(jié)晶切片干燥的工藝控制（干燥溫度、時(shí)間、風(fēng)速、風(fēng)濕等）（三）聚酯纖維的紡絲1、聚酯紡絲技術(shù)路線類型常規(guī)紡絲、中速紡絲、高速紡絲、超高速紡絲2、紡絲熔體的制備3、熔融紡絲機(jī)的基本結(jié)構(gòu)單螺桿擠出機(jī)、熔體分配、噴絲板、的冷卻上油、卷繞4、聚酯纖維的高速紡絲

3、（POY長(zhǎng)絲）（1） POY（預(yù)取向絲）特點(diǎn)；（2）工藝流程;要求;（4）紡絲溫度;（5）紡絲噴絲孔;（3）對(duì)切片質(zhì)量（6） POY性能5、聚酯纖維的高速紡絲（FDY長(zhǎng)絲）（1） FDY （全拉伸絲）定義；（2） FDY工藝路線;（3） FDY紡絲特點(diǎn)；（4） FDY紡絲工藝控制6、熔紡纖維的后加工二、聚酰胺纖維1、聚酰胺纖維簡(jiǎn)介聚酰胺（PA）纖維是世界上最早（1941年）投入工業(yè)化生 產(chǎn)的合成纖維，統(tǒng)稱為錦綸（或尼龍）。聚酰胺纖維具有突出的耐磨性，其吸濕性、回彈性和可染性 均優(yōu)于滌綸。主要用于服用領(lǐng)域，包括運(yùn)動(dòng)衣、內(nèi)衣、襪類等；產(chǎn)業(yè)用領(lǐng)域，包括工業(yè)濾布、漁網(wǎng)、繩索、帳篷及裝飾地毯等。聚酰胺纖

4、維主要包括純脂肪族聚酰胺纖維、含脂肪環(huán)或芳香環(huán)的聚酰胺纖維，但不包括全芳香族的聚酰胺纖維（芳綸）。聚酰胺纖維有許多品種，以PA6和PA66為主，其余還有 PA1010, PA610, PA56等。2、聚酰胺的合成與紡絲聚酰胺的合成路線一般分兩類：/ 一類是用二元胺和二元酸縮聚而成，通式為:-HNCCHNHCOCCHCO-；/另一類是由o氨基酸縮聚或由內(nèi)酰胺開環(huán)聚合而得，通式為:4-hn（ch2）x co-n-聚酰胺的紡絲PA6由于開環(huán)聚合的特性，聚合體內(nèi)含10%左右的單體和低聚物，則熔體直紡僅限于短絲，主要為切片經(jīng)萃取、干燥后再行熔融紡絲。紡絲級(jí)聚酰胺的分子量如PA6的Mn為 14000200

5、00, PA66的Mn為20000300003、聚酰胺纖維的高速紡絲工藝聚酰胺纖維熔體紡絲的原理及生產(chǎn)設(shè)備與聚酯纖維基本相同， 只是工藝過(guò)程及控制有些差別。(1) 切片含水率高速紡絲要求切片含水低于0.08% (聚酯低于0.005%)(2) 紡絲溫度PA6和PA66的熔點(diǎn)分別為215 °C和255°C,而兩者的分解溫度 均在300°C左右，則PA6的紡絲溫度控制在270°C左右,而PA66則控 制在280290 °C左右。(3) 紡絲速度ifi聚酰胺分子間結(jié)合力大，易結(jié)晶和吸濕，使卷繞絲在卷裝上發(fā) 生吸濕膨潤(rùn)變形，崩塌，則高速紡絲時(shí)紡絲速度比聚

6、酯高，至少在 42004500 m/min 以上。154、聚酰胺高速紡絲拉伸一步法(FDY)工藝16聚酰胺纖維卷繞絲剩余拉伸倍數(shù)與紡絲速度的關(guān)系(1) 紡絲速度和噴頭拉伸倍數(shù) 聚酰胺高速紡絲速度為4000-6000m/min,甚至更高，因而噴 頭拉伸倍數(shù)也較大，為200倍以上。 噴頭拉伸倍數(shù)越大，剩余拉伸倍 數(shù)就越小，紡速高于4000m/min后, 剩余拉伸倍數(shù)變化較為緩慢。(2) 拉伸倍數(shù)FDY機(jī)通過(guò)第一導(dǎo)絲輻的高速紡絲和第二導(dǎo)絲輻的補(bǔ)充拉伸,實(shí)現(xiàn)高速紡絲拉伸一步法，便可獲得全拉伸絲(FDY)。一般第一導(dǎo)輻的速度可達(dá)POY的生產(chǎn)水平(40004500m/min),而第二導(dǎo)輻 速度則高達(dá)550

7、06000m/min。拉伸倍數(shù)一般為121.3倍。17三、聚丙烯纖維1、聚丙烯的結(jié)構(gòu)根據(jù)聚丙烯（PP）中甲基在空間排列位置 的不同，存在等規(guī)PP、間規(guī)PP和無(wú)規(guī)PP 三種立體結(jié)構(gòu)形式。TO卜悶、財(cái)MH HU H «I :等規(guī)II;間規(guī)£ H 1954年Ziegler-Natta催化劑誕生，成功合 成出具備成纖性能的等規(guī)PP。等規(guī)PP具有高度結(jié)晶性，其結(jié)晶是一種有 規(guī)則的螺旋狀鏈，在這種三維結(jié)晶鏈軸的 直角方向也具有規(guī)則的鏈堆砌Ob o CH,OCBb卜阻卜護(hù)啊H H? HKtm：無(wú)規(guī)聚丙烯的立構(gòu)結(jié)構(gòu)（R為CH3基）o ch yXT0.65niu J等規(guī)pp的結(jié)晶螺旋結(jié)構(gòu)三、

8、聚丙烯纖維2、聚丙烯纖維簡(jiǎn)介聚丙烯纖維于1 957年由意大利Montefibre公司實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化生 產(chǎn)，在我國(guó)簡(jiǎn)稱丙綸。丙綸制造工藝簡(jiǎn)單、成本低廉，吸濕性較低，染色相當(dāng)困難, 常用紡前著色的方法著色。丙綸具有許多優(yōu)良的性能，可供服裝、裝飾及產(chǎn)業(yè)用品使用, 產(chǎn)品包括繩索、漁具、汽車安全帶、縫紉線、過(guò)濾布、毯子、 地毯和填充絮料等。工業(yè)生產(chǎn)丙綸的紡絲方法一般有兩種：一種是熔融紡絲法,一種是膜裂紡絲法。3、聚丙烯的熔融紡絲(1)紡絲原料PP含水率極低，可不必干燥直接紡絲。但由于PP染色困難, 所以常在紡絲時(shí)混入色母粒以制得有色纖維。(2)紡絲溫度由于成纖PP具有較高的熔體粘度，熔體的流動(dòng)性差，熔融紡

9、絲溫度需高于其熔點(diǎn)100°C或更高。A紡絲溫度較低時(shí)易引起PP的取向和結(jié)晶，并形成高度有序的 單斜晶體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不利于后拉伸；而在較高溫度下 紡絲，初生纖維的預(yù)取向度低，形成不穩(wěn)定的碟狀液晶結(jié)構(gòu), 可以釆用較高的后拉伸獲得高強(qiáng)力纖維。3、聚丙烯的熔融紡絲（3）冷卻成形條件成形過(guò)程中冷卻速度對(duì)聚丙烯纖維質(zhì)量有很大影響，冷卻較 快，紡絲易得到不穩(wěn)定碟狀液晶結(jié)構(gòu)的初生纖維，晶區(qū)尺寸小， 有利于纖維后拉伸；若緩慢冷卻，則得到的初生纖維是穩(wěn)定的單 斜晶體結(jié)構(gòu)，不利于后拉伸。（4）噴頭拉伸噴絲頭拉伸過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致初生纖維產(chǎn)生穩(wěn)定的單斜晶體結(jié) 構(gòu)，從而使后拉伸很難進(jìn)行。PP紡絲時(shí)噴頭拉伸倍數(shù)一

10、般以60倍左右為宜，這樣得到的卷繞絲具有較少穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，后拉伸較易進(jìn)行。（而聚酯和聚酰胺噴頭拉伸均為200倍左右）。3、聚丙烯的熔融紡絲(5)擠出脹大比PP紡絲時(shí)，熔體粘度較大，擠出脹大比要比聚酯大。熔體 細(xì)流拉伸性能隨B。增大而逐漸變壞，易產(chǎn)生熔體破裂，表面呈鋸 齒形、波紋形，甚至成螺旋絲。紡速過(guò)高或紡絲溫度偏低，就易 出現(xiàn)熔體破裂，影響產(chǎn)品質(zhì)量，或使卷繞不能正常進(jìn)行。(6) PP纖維的后拉伸A初生纖維結(jié)晶度約為3340%,取向度也較低，須經(jīng)拉伸和熱定 型處理，賦予纖維強(qiáng)力等性能。卷繞絲放置時(shí)間延長(zhǎng)，纖維的 結(jié)晶度會(huì)有所增加，一般放置24小時(shí)平衡后再行拉伸。APP纖維后拉伸溫度為120-130

11、°C,此溫度纖維結(jié)晶速度最高。聚丙烯纖維的拉伸倍數(shù)一般為4555倍，拉伸速度一般偏低些 為好，這是由于過(guò)高的拉伸速度會(huì)增加拉伸斷頭率。264、聚丙烯纖維的熱定型聚丙烯纖維在松弛狀態(tài)下熱定型制得的纖維具有很好的尺寸穩(wěn)定性，纖維的結(jié)晶度由51 %提高到61 %左右。聚丙烯纖維的熱定型溫度以120130C左右為宜。熱 定型溫度升高，纖維結(jié)晶度增大。r=膜裂纖維為扁條或扁絲，主要用于代替黃麻制做包裝袋，其切割扁絲也應(yīng)用于地毯襯底織物等。A割裂法:是通過(guò)把吹塑得到的管狀薄膜或T型機(jī)頭擠出的平膜，用 刀片切割成扁帶，再經(jīng)單軸拉伸，得到5501 650dtex左右的扁絲。也可先在熱輻上拉伸薄膜，再

12、將其切割成合乎要求的扁絲。=nilr=i撕裂法:是將擠出或吹塑得到的薄膜，經(jīng)單軸拉伸使聚合物大分 子沿拉伸方向取向而形成沿軸向的原纖化，然后通過(guò)針輻或齒輻 等破纖裝置，將薄膜開纖，再經(jīng)物理、化學(xué)或機(jī)械作用使開纖薄 膜進(jìn)一步離散成纖維網(wǎng)狀物或連續(xù)長(zhǎng)絲，制得撕裂纖維。多數(shù)普通纖維的截面是圓形的，其紡絲孔為圓形；而高感性纖 維截面為異形（非圓形），采用異形紡絲孔制成。異形纖維由于表面發(fā)生光的漫反射而賦予纖維不同的光澤效應(yīng), 如真絲是不規(guī)則的三角形，因而具有真絲光澤和優(yōu)良手感。111A截面異形導(dǎo)致其織物摩擦系數(shù)變大，手感粗細(xì)不均，手感爽滑, 而圓形截面纖維則有蠟滑感。例如：豆形截面具有馬海毛的閃光效果

13、；菊花形和表面凸形具 有麻的手感；三葉形和多葉形不起球，具有真絲光澤；三角形和五角形具有鉆石的光澤。采用非圓形的噴絲孔，并控制成形和后處理工藝，使成品纖維的截面異形化，從而可賦予纖維新的特性。31NO.INO7NO.I9NO 20異形孔款式NO 21NO.23NO 26NO.28NO.29NO 30NO 31KO 32INO 33NO 34N0-3SNO36中空孔款式20211、異形噴絲孔與纖維截面fX異形纖維是采用非圓形噴絲孔紡制且截面形狀為非圓形的纖維，主要采用熔融紡絲法成形。A由于異形噴絲板加工技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，異形噴絲孔 的種類不斷增加，已達(dá)近百種。通過(guò)這些異形孔噴絲板， 能紡制異

14、形度良好的各種異形截面纖維。A異形纖維的截面的形狀，除與噴絲孔的形狀有關(guān)外，還取 決于紡絲流體的性質(zhì)和紡絲成形條件等多種因素。因此纖維截面的形狀并不是異形孔的形狀，但之間有一定的內(nèi)在聯(lián)系。異形孔叼固回因回回回纖維截面©總 ©異形孔也同用函匡纖維截面Q 0 ® © G 2異形孔及纖維截面的形狀2、異形纖維的異形度矩形纖維的異形度B定義為矩形斷面的長(zhǎng)邊W和短邊長(zhǎng)H 之差與長(zhǎng)邊長(zhǎng)W之比值，長(zhǎng)邊W與短邊H的差值越大，則 B值越大。B=(l-H/W)xlOO%星型、Y型、三角型纖維的異形度B定義為異形截面的外接圓周長(zhǎng)L內(nèi)切圓周長(zhǎng)L?之差與外接圓周長(zhǎng)L之比。B =(

15、LrL2/L1)xlOO%=(l-r/R)xlOO%式中：異形截面內(nèi)切圓半徑；R-異形截面外切圓半徑。I越小，R越大，則B值越大，纖維異形度越大。3、影響異形纖維熔紡成形的因素A熔體細(xì)流的出口膨化效應(yīng)熔體的出口膨化效應(yīng)，會(huì)降低纖維異形度。聚丙烯纖維的紡絲成 形實(shí)驗(yàn)表明，隨著流量變大，異形度變??；熔體膨化度越大，異 形度保持率也越差。而對(duì)于膨化效應(yīng)較小的聚酰胺纖維、聚酯纖維計(jì)算異形度時(shí)，膨化度的影響可以不考慮。成形過(guò)程中的表面張力和粘性阻力/熔體表面張力的作用，引起表面曲率的平 均比，會(huì)降低截面的異形度，使熔體截面三葉形熔體細(xì)流橫截面上的表面張力分布趨向于形。/熔體的粘性阻力抵抗表面張力而引起的

16、曲 率平均化，力圖保持原有形狀的作用。4、熔紡工藝參數(shù)對(duì)纖維異形度的影響在熔紡成形時(shí)，卷繞絲的截面形狀與紡絲成形各因素 有關(guān)，改變?nèi)魏我粋€(gè)紡絲因素，將會(huì)使卷繞絲的截面形狀發(fā)生變化，同時(shí)對(duì)卷繞絲超分子結(jié)構(gòu)和物理機(jī)械性能產(chǎn)生 影響。噴絲孔形狀截面異形度41熔體的性質(zhì)物理機(jī)械性能<冷卻成形條件紡絲因素1:1孔形狀、孔面積、 毛細(xì)管長(zhǎng)徑比熔體粘度、表面張力、 松弛時(shí)間、粘流活化能泵供量、紡絲溫度.冷卻 速度、卷繞速度、纖度紡絲因素對(duì)異形界面卷繞絲的影響4、熔紡工藝參數(shù)對(duì)纖維異形度的影響_(1)冷卻條件絲條的黏度與溫度成指數(shù)反比關(guān)系，因此熔體的冷卻條件與纖 維的異形度有非常明顯的關(guān)系。如果在熔體細(xì)

17、流表面曲率半徑 還未完全均化時(shí)，就使其冷卻固定下來(lái)，便可以得異形度較高的纖維。隨著熔體細(xì)流冷卻條件加劇,離縮短而變大。異形度變化曲線如冷卻風(fēng)速的增加、風(fēng)溫的 降低以及吹風(fēng)點(diǎn)離噴絲板距(2)紡速和熔體性質(zhì)A泵供量一定時(shí)，隨紡絲速度增加，纖維異形度 變化不大，但由于紡絲速度增加，纖維的冷卻 加強(qiáng)，所以異形度略有上升趨勢(shì)。A冷卻吹風(fēng)條件不變時(shí)，熔體溫度升高，纖維的 異形度隨之下降。50dVV/H=840 W/H=4301丄 da50010001500紡絲速度(m/min)紡絲速度的影響10290300310紡絲溫度(匸) 熔體溫度的影響隨紡絲熔體聚合度的增加，在紡絲及冷卻條件 不變的情況下，纖維的異

18、形度增加。在泵供量 較大時(shí)，五、復(fù)合紡絲復(fù)合纖維是兩種不同的聚合物或分子量不同、組成不同的同種聚合 物以一定的規(guī)則分布于同一根纖維之中所成的纖維。復(fù)合纖維的制造過(guò)程，是將兩種聚合物切片分別干燥、熔融擠壓、 熔體計(jì)量，隨后進(jìn)入復(fù)合紡絲箱體，在噴絲組件中，通過(guò)各自的流 道，在噴絲孔入口處匯合，一并擠出，迅速固化成形，形成界面清 晰的復(fù)合纖維。因此復(fù)合纖維不同于共混纖維，兩組分不相混溶。復(fù)合纖維的制造過(guò)程與單組分纖維有相似之處，所不同的是需要兩 套切片干燥系統(tǒng)和雙螺桿熔融擠壓機(jī)和復(fù)合紡絲箱體及組件。由于 復(fù)合纖維中兩種組分，在加工過(guò)程中的每一環(huán)節(jié)的不均勻因素影響到兩種組分，因此在制造過(guò)程中對(duì)設(shè)備控制

19、的要求比一般單組分纖維更高。311、復(fù)合纖維的種類(1)(3)(4)并列型(Side by Side)皮芯型(Sheath-core )海島型(land in a sea)剝離型(Microsplit)I一 纖維并列o o觀纟 (2)隨機(jī)分布小g家*.強(qiáng)皮芯 ©® ©異形復(fù)合® I層狀復(fù)合呱剝離超細(xì)毬) (7)海島圖(8)基質(zhì)微纖木紋處(10)碎瓷巒各種類型復(fù)合纖維的橫截面示意圖33海島短纖維橫截面和縱截面海島纖維噴絲組件及纖維的縱剖中心相連的剝離型超細(xì)纖維截面352復(fù)合纖維的制備(1)復(fù)合纖維組分選擇的原則36纖維成型方法相同的原則：必須釆用同樣的紡絲

20、方法。根據(jù)使用要求確定聚合物相容性的原則/并列型復(fù)合纖維:必須選擇兩種相容性好的聚合物。/剝離型超細(xì)纖維:兩組分相容性差才能使組分界面粘結(jié)力小。聚合物的粘度接近的原則若兩種熔體黏度相差較大，在噴絲孔中的流動(dòng)狀態(tài)就不穩(wěn)定: 復(fù)合熔體細(xì)流擠出噴絲孔時(shí)產(chǎn)生出口彎角，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成黏附板面(“爬板”現(xiàn)象)使纖維橫截面形狀不穩(wěn)定。A還要根據(jù)材料的使用要求和目的，進(jìn)行不同組分的搭配。兩種熔體在同一毛細(xì)管中作兩相流動(dòng)，由于聚合物結(jié)構(gòu)的差異,具有不同的粘彈性，因此雙組分熔體的流變性就更為復(fù)雜。壓力特征：兩種聚合物熔體，當(dāng)它們各自在毛細(xì)管單獨(dú)擠出時(shí),熔體壓力可以有明顯的差別，但一旦共存于同一毛細(xì)管中作并列 型流動(dòng)

21、時(shí)，兩相熔體壓力趨于相同。速度分布：兩相分層流動(dòng)中，黏度較大的相流速較慢，黏度較小的相流速較快。在兩相界面，流速相等。流動(dòng)曲線：兩相共混體系的粘度與組成的關(guān)系式:1=£a+b“ “A %38(2)兩相流體的流變特性界面遷移和出口彎角/出口彎角表示并列型雙組分纖維 在紡絲過(guò)程中，在噴絲孔出口處 產(chǎn)生的彎曲程度，為絲條擠出方 向與噴絲孔軸線之間的夾角。/兩種組分黏度差異愈大，出口彎 角也愈大。當(dāng)出口彎角接近90。 時(shí)，發(fā)生噴絲板面的“爬板” 現(xiàn)象。/出口彎角產(chǎn)生的原因：兩種組分 黏度不同造成界面遷移。低粘度組分一Q、巧一高粘度組分雙組分流體在平板中流動(dòng)的擠出彎角33（3）并列型纖維的界面

22、幾何結(jié)構(gòu)當(dāng)兩種組分黏度不同時(shí)，不利于兩相界面運(yùn)動(dòng)的因素，r 促使纖維界面曲率增加，同時(shí)低黏度組分對(duì)纖維周邊的占 有率也增加。>熔體粘度比的影響兩組分粘度相等時(shí)，界面線為平直線；粘度比增加，界面曲 率增加；當(dāng)兩種組分粘度相差懸殊時(shí)，低粘度組分全部包圍高粘 度組分。需考慮兩組分對(duì)剪切速率和紡絲溫度的不同依賴性。A»B A>B A=B A<B A«B粘度比不同的并列型擠出的纖維橫截面>復(fù)合比的影響：對(duì)并列復(fù)合纖維的界面曲率有一定的影響343、復(fù)合紡絲應(yīng)用(1)三維卷曲纖維1高卷曲頻率弓卷曲伸長(zhǎng)U結(jié)合曲線i拉直纖維的伸長(zhǎng)低卷曲頻率cd并列型纖維界面形狀和卷曲

23、勢(shì)關(guān)系伸長(zhǎng) 卷曲纖維的拉伸應(yīng)力-伸長(zhǎng)曲線(2)超細(xì)纖維1212(b)海島型1-PET或改性PET, 2-PA(a)桔瓣型1-PA； 2-PET超細(xì)纖維的橫截面卄一 < 2 1嚴(yán)3邑3采用兩組分或三組分復(fù)合 而成，一組分為導(dǎo)電層。2（4）自粘合纖維2氏您2堆2復(fù)合導(dǎo)電纖維的各種截面形狀36如ES纖維，英文 “Ethylene-Propylene Side By Side” 的縮寫, 是一種熱粘合性纖維，可制成不用粘合劑的無(wú)紡布襯。#六、熔噴無(wú)紡布1、熔噴的工藝原理熔噴是利用高速熱空氣對(duì)模頭噴絲孔擠出的聚合物熔體細(xì)流進(jìn)行 牽伸，由此形成超細(xì)纖維并凝聚在接收網(wǎng)簾或滾筒上，并依靠自身粘合而成為無(wú)紡布。聚合物需具有較高熔融指數(shù)（MFI=8001000）。冷卻氣