濕法成型原理

1、 熔體紡絲法、干法紡絲法、濕法紡絲法 濕法紡絲成型原理濕法紡絲成型原理濕法紡絲生產(chǎn)流程濕法紡絲生產(chǎn)流程適用于不能熔融僅能溶解于非揮發(fā)性的或?qū)岵环€(wěn)定的溶劑中的聚合物。除有傳熱外，傳質(zhì)突出，有時(shí)還伴有化學(xué)反應(yīng)，只能定性討論與成形有關(guān)的一些問題。濕法紡絲原理濕法紡絲原理一、成纖高聚物溶解的基本規(guī)律一、成纖高聚物溶解的基本規(guī)律1 1、溶解過程：溶質(zhì)分子擴(kuò)散到溶劑分子中形成分散的均相體系、溶解過程：溶質(zhì)分子擴(kuò)散到溶劑分子中形成分散的均相體系先發(fā)生體積溶脹 （溶劑向高聚物擴(kuò)散）溶解（大分子分散到溶劑中）熱力學(xué)角度：分子間作用力的變化使體系的H變化；分子運(yùn)動(dòng)自由度的改變與體系的熵變有關(guān)。自由能Fm= H-

2、T* SFm0，溶解過程能自發(fā)進(jìn)行。一、成纖高聚物溶解的基本規(guī)律一、成纖高聚物溶解的基本規(guī)律2 2、影響溶解度的結(jié)構(gòu)因素：、影響溶解度的結(jié)構(gòu)因素：l大分子鏈結(jié)構(gòu)：分子間作用力強(qiáng)、剛性分子鏈、化學(xué)交聯(lián)、相對(duì)分子質(zhì)量高溶解度；低聚體的存在，使溶解度提高。l超分子結(jié)構(gòu)：結(jié)晶高聚物溶解度（極性結(jié)晶高聚物常溫下溶解，無定型部分溶解時(shí)放出大量熱，PA能溶于甲酸、濃硫酸）l溶劑：極性溶劑（成纖高聚物是極性高聚物）3 3、溶劑的選擇：、溶劑的選擇：l高分子溶液相互作用參數(shù)1： 1 1/2 大分子和溶劑分子間作用能溶解 11/2 大分子和溶劑分子間作用能弱不溶解l相似相溶原則：組成和結(jié)構(gòu)相似的物質(zhì)可以互溶；極性

3、大的溶質(zhì)可以溶于極性大的溶劑；非極性的高聚物溶于非極性的溶劑。l內(nèi)聚能密度或溶解度參數(shù)相近原則：溶解l溶劑化規(guī)則：極性定向和氫鍵規(guī)則高聚物溶劑溫度x1聚苯乙烯甲苯苯醋酸乙酯2323230.440.450.55聚氯乙烯四氫呋喃硝基苯丙酮2753530.140.290.60聚乙烯醇水250.494聚丙烯腈DMF230.170.29一、成纖高聚物溶解的基本規(guī)律一、成纖高聚物溶解的基本規(guī)律4 4、溶解過程的動(dòng)力學(xué)、溶解過程的動(dòng)力學(xué)溶脹程度隨時(shí)間增加，還與溶劑性質(zhì)和組成、溫度、壓力等條件有關(guān)。二、濕法紡絲的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)二、濕法紡絲的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)1 1、濕法成型過程中紡絲線上的速度分布：、濕法成型過程

4、中紡絲線上的速度分布：l孔流區(qū)、脹大區(qū)、細(xì)化區(qū)、等速區(qū)。二、濕法紡絲的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)二、濕法紡絲的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)1 1、濕法成型過程中紡絲線上的速度分布：、濕法成型過程中紡絲線上的速度分布：原液從噴絲孔擠出尚未固化，不能承受過大的噴絲頭拉伸。原液從噴絲孔擠出尚未固化，不能承受過大的噴絲頭拉伸。l噴絲頭正拉伸：紡絲線的速度略大于噴絲速度，脹大區(qū)消失或部分消失，速度和速度梯度沿紡程的分布情況和熔紡相類似。l零拉伸與負(fù)拉伸：脹大區(qū)的存在，剛進(jìn)入凝固浴時(shí)，紡絲線的速度低于噴絲速度。然后紡絲線被緩慢加速。與熔紡不同。紡絲線上張力很小，可以得到內(nèi)應(yīng)力較低的初生纖維。2 2、濕法成型區(qū)內(nèi)的噴絲頭拉伸：、濕法

5、成型區(qū)內(nèi)的噴絲頭拉伸：兩個(gè)參數(shù)：噴絲頭拉伸率（比）；平均軸向速度梯度。拉伸率增大對(duì)應(yīng)于兩個(gè)參數(shù)：噴絲頭拉伸率（比）；平均軸向速度梯度。拉伸率增大對(duì)應(yīng)于B0=Rf/R0B0=Rf/R0增大增大理論：噴絲頭負(fù)拉伸，使成型得以穩(wěn)定實(shí)際：噴絲頭正拉伸或零拉伸（脹大區(qū)的存在）二、濕法紡絲的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)二、濕法紡絲的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)3 3、濕法紡絲線上受力分析：、濕法紡絲線上受力分析：l紡絲線上軸向力：平衡 l紡絲線上的徑向應(yīng)力： 施加于紡絲線上的張力，完全由皮層承受和傳遞，皮層的取向度比芯層高得多。 靠近噴絲頭的區(qū)域內(nèi)，張力由很薄的皮層承受，故皮層內(nèi)的應(yīng)力很大。紡絲時(shí)采用過大的張力會(huì)引起細(xì)流的斷裂。三、

6、濕法紡絲中的傳質(zhì)過程三、濕法紡絲中的傳質(zhì)過程 l雙擴(kuò)散的傳質(zhì)過程： 液體細(xì)流中的溶劑及鹽類向外擴(kuò)散，而凝固劑向內(nèi)擴(kuò)散，結(jié)果 形成固相纖維。l傳熱過程：熱效應(yīng)不大（傳質(zhì)過程中溫度差別不大）四、濕法紡絲中纖維結(jié)構(gòu)的形成四、濕法紡絲中纖維結(jié)構(gòu)的形成 1 1、初生纖維溶脹度、初生纖維溶脹度D.S.D.S.對(duì)纖維結(jié)構(gòu)和性能影響：對(duì)纖維結(jié)構(gòu)和性能影響：l取向度：溶脹度高聚物含量分子間作用力取向度 斷裂強(qiáng)度l序態(tài)和染色飽和值：溶脹度較高的碘溶脹度（低序態(tài)）和高的染色飽和值l干燥收縮率：溶脹度縱向收縮率2 2、形態(tài)結(jié)構(gòu)：、形態(tài)結(jié)構(gòu)：l橫截面形狀：強(qiáng)烈凝固非圓形橫截面，PAN用有機(jī)溶劑，凝固速度快，呈腎形 緩慢

7、凝固圓形橫截面l皮芯結(jié)構(gòu)：徑向差異，皮層：密實(shí)、取向度高；芯層：松散，微晶較粗大。 其主要原因是：細(xì)流周邊和內(nèi)部的聚合物的凝固機(jī)理不同，凝固劑在纖維內(nèi)部分布不勻；紡絲原液在噴絲孔口處的膨化效應(yīng)，導(dǎo)致細(xì)流外表層的“拉伸效應(yīng)” ；皮層凝固，芯層尚處于液流態(tài)，大部分拉伸張力導(dǎo)致皮層產(chǎn)生單軸拉伸形變；外層大分子鏈在噴絲孔內(nèi)取向凝固浴內(nèi)快速凍結(jié)，內(nèi)層因凝固速率較慢，取向的分子鏈解取向；l空隙：由于皮層頗為剛性，聚合物粒子的合并使內(nèi)部體系收縮時(shí)，皮層不能按比例發(fā) 生形變，濕紡初生纖維內(nèi)部產(chǎn)生大空洞或毛細(xì)孔。經(jīng)拉伸定型后會(huì)有所減小或 閉合難以根除，服用過程發(fā)生縱向開裂（原纖化）3 3、超分子結(jié)構(gòu)：（結(jié)晶結(jié)構(gòu)

8、了解不多）、超分子結(jié)構(gòu)：（結(jié)晶結(jié)構(gòu)了解不多）l剪切流動(dòng)取向：孔道中的剪切流動(dòng)取向較??；l拉伸流動(dòng)取向：濕紡中的流動(dòng)取向機(jī)理在濕紡條件下其效果較??；l拉伸形變?nèi)∠颍撼跎w維的取向主要來自于拉伸形變?nèi)∠颉８煞徑z成型原理干法紡絲成型原理 干法紡絲生產(chǎn)流程干法紡絲生產(chǎn)流程干法紡絲原理干法紡絲原理干紡工藝特點(diǎn)：l紡絲溶液濃度比濕法高，18%45%，黏度高，噴絲頭拉伸大（27倍）l紡絲線上絲條受到的力學(xué)阻力遠(yuǎn)比濕紡小，紡速比濕紡高，一般達(dá)300600m/minl噴絲頭孔數(shù)遠(yuǎn)比濕紡少（干法固化慢，固化前絲條易粘連），短纖小于1200孔一、溶劑的選擇一、溶劑的選擇l紡絲速度主要取決于溶劑的揮發(fā)速度l高濃度聚

9、合物l溶劑的沸點(diǎn)和蒸發(fā)潛熱應(yīng)盡可能低l常用溶劑：丙酮、二甲基甲酰胺DMF，DMAc，DMSO二、干法紡絲的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)二、干法紡絲的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)l直徑分布：靠近噴絲板，直徑急劇下降（細(xì)流拉伸流動(dòng)） 以后，因溶劑蒸發(fā)和噴絲頭拉伸直徑緩慢減少 隨著溶劑蒸發(fā)量的減少和絲條的固化，趨于平穩(wěn)。l速度分布：速度分布與熔紡相似，脹大區(qū)基本消失。 這是因?yàn)楦煞徑z時(shí)，根據(jù)流變因素來看， 成型條件接近于熔紡，紡絲速度較高（6001200m/min）腈綸干法紡絲線上直徑和速度分布腈綸干法紡絲線上直徑和速度分布 三、干法紡絲中的傳熱和傳質(zhì)三、干法紡絲中的傳熱和傳質(zhì) 干法同時(shí)進(jìn)行傳熱和傳質(zhì)的過程1 1、溶劑從紡絲

10、線上除去有三種機(jī)理：、溶劑從紡絲線上除去有三種機(jī)理：閃蒸；紡絲線內(nèi)部的擴(kuò)散；從紡絲線表面向周圍介質(zhì)的對(duì)流傳質(zhì)2 2、纖維溶劑含量的變化及其溫度的分布：、纖維溶劑含量的變化及其溫度的分布：干法成型時(shí)沿紡程溫度和溶劑的濃度分布圖干法成型時(shí)沿紡程溫度和溶劑的濃度分布圖 l區(qū)：噴絲孔出口處，熱的紡絲液解除壓縮的結(jié)果，發(fā)生溶劑閃蒸，使溶劑迅速大量揮發(fā)，聚合物細(xì)流表面的溫度很快減少到濕球溫度，而后溫度變化很慢，經(jīng)過一段時(shí)間后接近所需溫度和纖維中層溫度，因?yàn)樵趨^(qū)蒸發(fā)所需熱量在很大程度上是由紡絲溶液供給的，同時(shí)同周圍介質(zhì)產(chǎn)生熱交換。傳質(zhì)以對(duì)流方式進(jìn)行，因?yàn)榧?xì)流表層上溶劑的濃度大。此段距離比較短。l區(qū)：由于熱風(fēng)的傳熱與絲條溶劑蒸發(fā)達(dá)到平衡，這一階段絲條的溫度實(shí)際上保持不變，且等于濕球溫度。沿纖維截面的溫度同樣是相同的，纖維同周圍介質(zhì)之間的熱交換也恒定。在該區(qū)內(nèi)絲條內(nèi)部溫度保持較低，溶劑緩慢擴(kuò)散，質(zhì)量交換速度變化很小，可以近似地認(rèn)為不變。這時(shí)聚合物細(xì)流中溶劑的濃度會(huì)大一些，所以蒸發(fā)過程不是由內(nèi)部擴(kuò)散控制，它主要取決于外部的（對(duì)流的）熱、質(zhì)交換速度和與此相對(duì)應(yīng)的表面溫度。這個(gè)階段的熱、質(zhì)交換大致相同，纖維表面溫度不變。l區(qū)：纖維傳質(zhì)傳熱形成纖維結(jié)構(gòu)的主要區(qū)域。纖維開始成形，溶劑從纖維中間層向表面擴(kuò)散，溶劑蒸發(fā)的速度更慢