合成纖維第三章熔體紡絲課件

第三章熔體紡絲（meltspinning）工藝原理

一熔體紡絲的定義及適用范圍

將高分子聚合物加熱熔融成為一定粘度的紡絲熔體，利用紡絲泵連續(xù)均勻地?cái)D壓到噴絲頭，通過(guò)噴絲頭的細(xì)孔壓出成為細(xì)絲流，然后在空氣或水中使其降溫凝固，通過(guò)牽伸成絲。第一節(jié)概述第三章熔體紡絲（meltspinning）工藝原理一1二熔體紡絲的工序熔紡分直接紡絲法和切片紡絲法。直接紡絲是將聚合后的聚合物熔體直接送往紡絲；切片紡絲則需將高聚物溶體經(jīng)鑄帶、切粒等紡前準(zhǔn)備工序而后送往紡絲。

熔體紡絲工藝主要包括：紡絲熔體的制備；將熔體經(jīng)噴絲板眼壓出——熔體細(xì)流的形成；熔體細(xì)流被拉長(zhǎng)變細(xì)并冷卻凝固；固態(tài)絲條的上油和卷繞。

二熔體紡絲的工序2熔紡的主要特點(diǎn)是卷繞速度高、不需要溶劑和沉淀劑，設(shè)備簡(jiǎn)單，工藝流程短。熔點(diǎn)低于分解溫度、可熔融形成熱穩(wěn)定熔體的成纖聚合物，都可采用這一方法成形。如滌綸、丙綸、錦綸等。

熔體紡絲是一元體系，只涉及聚合物熔體絲條與冷卻介質(zhì)間的傳熱，紡絲體系沒(méi)有組成的變化，而干法和濕法紡絲分別為二元體系（聚合物+溶劑）和三元體系（聚合物+溶劑+沉淀劑）。熔紡的主要特點(diǎn)是卷繞速度高、不需要溶劑3合成纖維第三章熔體紡絲ppt課件4

在紡絲過(guò)程中，聚合物熔體以一定的流量自噴絲板細(xì)孔擠出，在噴絲板到卷繞裝置之間，絲條必須被拉伸至需要的細(xì)度并充分地冷卻固化。噴絲板的孔徑一般為0.1-0.4mm，而卷繞絲的直徑僅為20-30μm，熔體出噴絲孔后，絲條的直徑需成十倍的減小，絲條就應(yīng)成百倍地被拉伸，因此卷繞的速度就應(yīng)成百倍地高于擠出速度。在紡絲過(guò)程中，聚合物熔體以一定的流量自噴絲板細(xì)5由于聚合物熔體絲條一旦凝固便具有很大的抗張能力，因此，熔體紡絲的速度很高，工業(yè)上熔體紡絲的卷繞速度為每分鐘幾百米至幾千米。絲條的冷卻固化通常在噴絲板下的空氣中完成，為了加強(qiáng)冷卻效果，一般在噴絲板后，在垂直或平行于絲條的方向上吹送調(diào)溫調(diào)濕氣流。

由于聚合物熔體絲條一旦凝固便具有很大的抗張能力，因此，熔體紡6初生纖維的后處理主要有拉伸、熱定型、卷曲和假捻。

拉伸可改變初生纖維的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高斷裂強(qiáng)度和耐磨性，減少產(chǎn)品的伸長(zhǎng)率。熱定型可調(diào)節(jié)紡絲過(guò)程帶來(lái)的高聚物內(nèi)部分子間作用力，提高纖維的穩(wěn)定性和其他物理－機(jī)械性能、染色性能。卷曲是改善合成纖維的加工性（羊毛和棉花纖維都是卷曲的），克服合成纖維表面光滑平直的不足。假捻是改進(jìn)紡織品的風(fēng)格，使其膨松并增加彈性。

初生纖維的后處理主要有拉伸、熱定型、卷曲和假捻。7熔體紡絲理論是在高分子物理學(xué)與連續(xù)介質(zhì)力學(xué)等學(xué)科背景下發(fā)展起來(lái)的。涉及的問(wèn)題紡絲過(guò)程中的動(dòng)量和熱量交換流動(dòng)和形變下的大分子取向聚合物結(jié)晶動(dòng)力學(xué)受紡絲條件影響的纖維形態(tài)熔體紡絲理論是在高分子物理學(xué)與連續(xù)介質(zhì)力學(xué)等學(xué)科背景下發(fā)展起8基本規(guī)律1）紡絲線上的任何一點(diǎn)上，高聚物的流動(dòng)是“穩(wěn)態(tài)”的和連續(xù)的。2）紡絲線上的主要成形區(qū)域內(nèi)，占支配地位的形變是單軸拉伸。3）紡絲過(guò)程是一個(gè)狀態(tài)參數(shù)（T,σ，C）連續(xù)變化的非平衡態(tài)動(dòng)力學(xué)變化。4）紡絲動(dòng)力學(xué)包括幾個(gè)同時(shí)進(jìn)行并相互聯(lián)系的單元過(guò)程，如流體力學(xué)過(guò)程，傳熱、傳質(zhì)，結(jié)構(gòu)和聚集態(tài)變化過(guò)程等。第二節(jié)紡絲過(guò)程中的基本規(guī)律和主要參數(shù)

基本規(guī)律第二節(jié)紡絲過(guò)程中的基本規(guī)律和主要參數(shù)9熔體紡絲過(guò)程中的參數(shù)可以歸為三類熔體紡絲過(guò)程中的參數(shù)可以歸為三類10第二節(jié)熔體紡絲過(guò)程的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)

紡絲線上直徑的變化和速度的分布第二節(jié)熔體紡絲過(guò)程的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)紡絲線上直徑的變化和11合成纖維第三章熔體紡絲ppt課件12從速度分布，可求出拉伸應(yīng)變速率（軸向速度梯度）從速度分布，可求出拉伸應(yīng)變速率（軸向速度梯度）13根據(jù)拉伸應(yīng)變速率的不同，把整個(gè)紡絲線分成三個(gè)區(qū)域第一區(qū)：在直徑膨化最大的地方，離噴絲板<10mm；第二區(qū)：發(fā)展拉伸流動(dòng)的主要區(qū)域，通常在50~150CM；第三區(qū)：絲條已基本固化，不再明顯流動(dòng)。根據(jù)拉伸應(yīng)變速率的不同，把整個(gè)紡絲線分成三個(gè)區(qū)域第一區(qū)：在直14初生纖維結(jié)構(gòu)的形成和發(fā)展主要是指紡絲線上聚合物的取向和結(jié)晶。一熔體紡絲過(guò)程中的取向作用紡絲過(guò)程中發(fā)生取向是纖維制造中重要的結(jié)構(gòu)形成過(guò)程之一。對(duì)成品纖維的取向貢獻(xiàn)最大的不是紡絲工序，而是拉伸工序。在紡絲過(guò)程中得到的取向度，即預(yù)取向度，對(duì)拉伸工序和成品纖維的取向度有很大的影響，對(duì)結(jié)晶動(dòng)力學(xué)和晶體形態(tài)也有一定的影響。第三節(jié)熔體紡絲過(guò)程中纖維結(jié)構(gòu)的形成

初生纖維結(jié)構(gòu)的形成和發(fā)展主要是指紡絲線上聚合物的取向和結(jié)晶。15合成纖維第三章熔體紡絲ppt課件16兩種取向機(jī)理：（1）處于熔體狀態(tài)下的流動(dòng)取向機(jī)理：包括噴絲孔中切變流場(chǎng)中的流動(dòng)取向和出噴絲孔后熔體細(xì)流在拉伸流場(chǎng)中的流動(dòng)取向T高，τ小，取向小，可忽略控制取向的速度場(chǎng)：軸向速度梯度，主要兩種取向機(jī)理：T高，τ小，取向小，可忽略控制取向的速度場(chǎng)：軸17（2）纖維固化之后的形變機(jī)理是一種橡膠網(wǎng)絡(luò)取向拉伸，對(duì)卷繞絲的取向度也有貢獻(xiàn)，大小取決于形變比（2）纖維固化之后的形變機(jī)理是一種橡膠網(wǎng)絡(luò)取向拉伸，對(duì)卷繞絲18取向度的測(cè)定：一般用取向因子f表征。該式用于表征單軸取向中結(jié)構(gòu)單元的取向，φ表示單元晶胞某晶軸與纖維軸的平均夾角，當(dāng)結(jié)構(gòu)單元完全平行于纖維軸時(shí)，φ=0，f=1；垂直于纖維軸時(shí)，φ=90度，f=0.5。取向度的測(cè)定：一般用取向因子f表征。該式用于表征單軸取向中19二熔體紡絲過(guò)程中的結(jié)晶

熔體紡絲線上的結(jié)晶是控制絲條固化的一個(gè)極重要的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。紡絲線上的結(jié)晶對(duì)卷繞絲的結(jié)構(gòu)和性能起決定作用。（一）熔體紡絲中纖維結(jié)晶的主要特征熔體紡絲中纖維結(jié)晶的特征包括兩個(gè)方面，一是卷繞絲本身的晶態(tài)結(jié)構(gòu)，二是熔體紡絲中聚合物結(jié)晶過(guò)程的發(fā)展。二熔體紡絲過(guò)程中的結(jié)晶20卷繞絲的結(jié)晶特性主要包括：晶格結(jié)構(gòu)、結(jié)晶度、結(jié)晶形態(tài)和結(jié)晶取向等，它們對(duì)纖維的物理性能都有一定的影響。

1.晶格結(jié)構(gòu)成纖聚合物的晶體，大多數(shù)為對(duì)稱性較小的晶系，如三斜、單斜等，值得注意的是，纖維結(jié)晶中常常會(huì)出現(xiàn)同質(zhì)多晶現(xiàn)象，即在不同的紡絲過(guò)程和紡絲條件下，生成不同的晶型。例如：聚丙烯（PP）在快速冷卻時(shí)形成六角次晶，而在緩慢固化時(shí)形成單斜晶體。卷繞絲的結(jié)晶特性主要包括：晶格結(jié)構(gòu)、結(jié)212.結(jié)晶度聚合物的結(jié)晶極不完整，常用X射線衍射、熱分析或密度法來(lái)測(cè)定3.結(jié)晶形態(tài)及尺寸在光學(xué)和電子顯微鏡下，可以觀察到聚合物有多種形態(tài)，主要為球晶，柱晶，片晶，單晶。

2.結(jié)晶度22高速紡絲，紡速已達(dá)3000～4000m/min，所得的卷繞絲稱為部分取向絲。用超高紡速(9000～10000m/min)以獲得全取向絲的工藝也已研究成功。高速紡絲的優(yōu)點(diǎn)有：生產(chǎn)能力大；所得纖維的貯存穩(wěn)定性好；對(duì)卷繞工序的空調(diào)要求較低；能得到部分取向絲，可直接在拉伸變形機(jī)上加工；能形成穩(wěn)定的卷裝；變形加工時(shí)截面形變小，加工容易；染色較均勻。三高速紡絲線上的結(jié)晶特征高速紡絲，紡速已達(dá)3000～4000m/min，所得的卷繞23合成纖維第三章熔體紡絲ppt課件24冷卻速率增加，結(jié)晶所需時(shí)間降低，結(jié)晶速率隨紡速提高而增加。取向使結(jié)晶速率大大增加的原因，可以概括為兩類：一，從結(jié)晶理論的角度看，大分子取向區(qū)域越大，生成晶核的臨界溫度也越高，因此，在熔體冷卻的過(guò)程中，取向高的體系能夠在較高的溫度下形成晶核，取向低的體系則相反，必須有較大的過(guò)冷度才能形成晶核。？冷卻速率增加，結(jié)晶所需時(shí)間降低，結(jié)晶速率隨紡速提高而增加。？25合成纖維第三章熔體紡絲ppt課件26

二，從熱力學(xué)的角度看，取向體系比未取向體系的熵值低，所以從熔體轉(zhuǎn)變?yōu)榫w時(shí)，取向體系的熵值變化小，即自由能變化較大，這樣就能使那些在未取向體系中不穩(wěn)定的亞穩(wěn)晶核穩(wěn)定下來(lái)，即增大晶核生成的速率。對(duì)于取向度非常高的體系，臨界晶核尺寸將小到晶胞尺寸的數(shù)量級(jí)，有人提出在這種情況下，結(jié)晶的歷程就從通常的晶核形成和晶粒生長(zhǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)椋骸罢w均勻成核”（nucleativecollapse），因此結(jié)晶速率迅速增加。二，從熱力學(xué)的角度看，取向體系比未取向體系的熵值低，27一、熔融擠出

切片熔融過(guò)程通常在螺桿擠壓機(jī)內(nèi)進(jìn)行，控制螺桿擠壓機(jī)各段溫度和箱體溫度可以改變?nèi)垠w的溫度，使其具有適當(dāng)?shù)恼扯群土己玫目杉徯?。從螺桿擠壓機(jī)出來(lái)的熔體經(jīng)過(guò)計(jì)量泵送往噴絲頭組件。后者由過(guò)濾網(wǎng)、分配板和噴絲板等組成，其作用是除去熔體中的雜質(zhì)，使熔體均勻地送至噴絲板。第四節(jié)熔體紡絲過(guò)程一、熔融擠出第四節(jié)熔體紡絲過(guò)程28熔體粘度和溫度是熔體紡絲的主要工藝參數(shù)。在一定溫度下，熔體粘度主要取決于成纖聚合物的分子量。熔體粘度過(guò)高，則流動(dòng)不均勻，使初生纖維拉伸時(shí)易產(chǎn)生毛絲、斷頭；熔體溫度可利用螺桿擠出機(jī)各段的溫度來(lái)控制，熔體溫度過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致聚合物降解和形成氣泡；溫度過(guò)低，則熔體粘度過(guò)高；兩者均使紡絲過(guò)程不能正常進(jìn)行。熔體粘度和溫度是熔體紡絲的主要工藝參數(shù)。在一定溫度下，熔體粘29噴絲板用耐熱、耐腐蝕的不銹鋼材料制成，面上的小孔按一定規(guī)律排布，孔徑通常為0.2～0.5毫米。熔體通過(guò)噴絲板上的小孔形成熔體細(xì)流。細(xì)流直徑在出噴絲小孔處會(huì)出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象，這是因熔體的彈性所致。不同的聚合物孔口膨脹程度不同。聚酯、聚酰胺熔體在正常紡絲條件下，孔口脹大比在1.5以下。彈性效應(yīng)較顯著的是聚丙烯。孔口脹大常是流動(dòng)不均的根源。生產(chǎn)上常采用增大噴絲小孔直徑、長(zhǎng)徑比（小孔長(zhǎng)度與直徑之比）和提高熔體溫度等措施來(lái)減小脹大比，以防止熔體破裂（在高應(yīng)力或高剪切速率時(shí)，液體中的擾動(dòng)難以抑制并易發(fā)展成不穩(wěn)定流動(dòng)，引起流體破壞）。噴絲板用耐熱、耐腐蝕的不銹鋼材料制成，面上的小孔按一定規(guī)律排30熔體的彈性的幾種表現(xiàn)孔口脹大效應(yīng)紡絲流體的應(yīng)變松弛爬桿現(xiàn)象液體的彈性回縮熔體的彈性的幾種表現(xiàn)孔口脹大效應(yīng)紡絲流體的應(yīng)變松弛爬桿現(xiàn)象液31螺桿擠出機(jī)螺桿擠出機(jī)32合成纖維第三章熔體紡絲ppt課件33計(jì)量泵計(jì)量泵34噴絲板噴絲板35二、冷卻固化

熔體細(xì)流噴出后受到冷空氣的作用而冷卻固化。細(xì)流和周圍介質(zhì)的熱交換主要以傳導(dǎo)和對(duì)流方式進(jìn)行。熔體細(xì)流的溫度在冷卻過(guò)程中逐步下降，粘度則不斷提高，當(dāng)粘度提高到某臨界值而卷繞張力已不足以使纖維繼續(xù)變細(xì)時(shí)，便到達(dá)了固化點(diǎn)。固化長(zhǎng)度指熔體細(xì)流從噴絲孔口到固化點(diǎn)的長(zhǎng)度，這是纖維結(jié)構(gòu)形成的關(guān)鍵區(qū)域。

二、冷卻固化36冷風(fēng)從四周吹向纖維的環(huán)形吹風(fēng)，適用于短纖維的多孔紡，能有效地提高纖維質(zhì)量。

冷卻吹風(fēng)方式橫吹風(fēng)：風(fēng)向與纖維垂直直吹風(fēng)：風(fēng)向與纖維平行冷卻室內(nèi)吹出冷空氣的風(fēng)速、風(fēng)溫需要均勻恒定，以保證熔體細(xì)流在紡絲過(guò)程中的溫度分布、速度分布和固化點(diǎn)的位置恒定。纖維所受的軸向拉力恒定才能制得粗細(xì)和結(jié)構(gòu)均勻的纖維。冷風(fēng)從四周吹向纖維的環(huán)形吹風(fēng)，適用于短纖維的多孔紡，能有效地37不同品種的纖維根據(jù)需要可以適當(dāng)?shù)馗淖兝鋮s方式。如紡制民用纖維常在約2米長(zhǎng)的冷卻室內(nèi)用空氣介質(zhì)冷卻成形;紡制聚酯和聚酰胺簾子線纖維則常在噴絲頭下方和冷卻室上方設(shè)置加熱裝置以降低纖維的冷卻速度，使初生纖維結(jié)構(gòu)均勻，拉伸性能良好；在紡制粗條子纖維時(shí)(如棕絲)常以水為冷卻劑，使纖維迅速冷卻。

不同品種的纖維根據(jù)需要可以適當(dāng)?shù)馗淖兝鋮s方式。38

熔體細(xì)流冷卻成形時(shí)在周圍空氣介質(zhì)中遇到的摩擦阻力，比濕法紡絲成形時(shí)絲條承受的溶液阻力小。熔體細(xì)流一經(jīng)固化，就有巨大的抗張能力，所以熔紡的卷繞速度比濕紡為高，一般在1000～1500米/分，噴絲頭拉伸比（卷繞速度與熔體從噴絲孔噴出速度之比）也比濕紡時(shí)高。三、上油

熔紡纖維剛成形時(shí)幾乎是干的，容易積聚靜電，纖維間的抱合力差，與設(shè)備的摩擦力大，因此在卷繞前要經(jīng)過(guò)給油、給濕處理。熔體細(xì)流冷卻成形時(shí)在周圍空氣介質(zhì)中遇到39

對(duì)于吸水性較大的聚酰胺纖維還可以防止繞在筒管上的絲條再度吸水，以致發(fā)生縱向膨脹而出現(xiàn)松圈和塌邊等現(xiàn)象。

化學(xué)纖維在紡絲和紡織加工過(guò)程中因不斷摩擦而產(chǎn)生靜電，必須使用助劑以防止或消除靜電積累,，同時(shí)賦于纖維以柔軟、平滑等特性，使其順利通過(guò)后道工序。這種助劑統(tǒng)稱為化學(xué)纖維油劑。

對(duì)于吸水性較大的聚酰胺纖維還可以防止繞在40

油劑主要由表面活性劑組成，能在化學(xué)纖維表面形成定向的吸附層，即油膜。油膜的親水基朝向空間，吸附空氣中的濕氣，在纖維表面上形成連續(xù)的水膜，使帶電離子在水膜上泳移，減少因摩擦所產(chǎn)生的靜電荷積聚，從而降低纖維表面電阻，增加導(dǎo)電作用；油膜隔離纖維,又對(duì)纖維有一定的親和力,使其