三 熔纺原理.docx

第三章 熔纺工艺原理3.1 熔体纺丝运动学和动力学稳态纺丝纺丝过程中各种参数（速度场、应力场、温度场等）只是空间坐标的连续函数，不 随时间改变数学表达式 d V（X）b（x）T（X） . .Lodt连续性方程在稳态纺丝条件下，纺丝线上的任意一点，每一瞬间流经的高聚物质量相等 数学表达式Po AV 0 = P xAxVx =P LALVL =常数喷出处 任意处 卷绕处一、纺丝线上直径、速度、速度梯度的变化熔体从喷丝孔喷出到卷绕我们可以看到的四种现象：① 从喷出的熔体变成凝固的纤维② 喷丝孔直径 o.25~o.5mm ，纤维直径几十微米③ 由熔体温度降至室温④ 熔体喷出速度几米〜二十几米/分，卷绕速度1000〜6000米/分几种熔纺高聚物密度： PA-6p = 1.1238 - 5.66 xl0r TPETp = 1.356-5.00x10-4TPPp = 0.8970- 5.99x10-4T纺丝中的温度测量：红外辐射温度计、加热比较式热电偶温度计直径的变化测量： 高速摄影仪、激光散射仪、夹丝器根据纤维的直径和密度便可求出纺丝线上各处的纺速纺丝线上各区的特点及对成形的影响：I区挤出胀大区 x < 10 mm V ! d（x）增大直至D . s（X ）= 0xmII区形变区（细化区）x=50〜150cmV t d（x） ! S（X）> 0 并出现极大值d氯）d2VC）=dx dx 2d 2V（x） c> 0 dx2d 2V （x） c< 0dx2（T（X ） t x沁10cm T咼、耳小、形变大、V（x）增加快，大部分形变在此发生S（X ）|直至固化点，T逐渐接近固化温度，耳t工t形变困难。

II区是拉伸形变主要区域，是成形的关键区域决定了初生纤维的尺寸和内在结构皿区等速行进区x>xe（固化点）纤维基本固化dv（x）=0，结构进一步完善dx二、纺丝线上的受力分析（一）轴向力平衡1时）FsTKlFflFs|FilFflFs! Fr（机FsTFilFfl FU血』％FJO)——出口处流变阻力Fi ——需要克服的惯性力Fg ——重力gFs ——需要克服的表面张力Fext(L) ——卷绕张力rheological resistance inertial force gravitational force surface tention external tensile forceFf ——空气对丝条的摩擦阻力 friction resistanceFr(x) ——纺丝线上的流变力或流变阻力在纺丝线上取不同的段落，力平衡方程式的形式略有不同O－X 段 Fr(X) + Fg(O-X) = Fr(O) + Fi(O-X) + Fs(O-X) + Ff(O-X)r g r i s fX-L 段 Fext(L)+Fg(X-L) = Fr(X) + Fi(X-L) + F/X-L) + Ff(X-L)0-L 段 Fext(L) + Fg(O-L) = Fr(0) + Fi(O-L) + F/O-L) + Ff(O-L)(二)诸力分析(按0—X段分析)1重力Fg喷丝板出口(x=0)至纺程x处丝条的重量F (0 - x) = fx p(x》n d 2")dxg04pc)——丝条密度g ——重力加速度d(x) ——丝条直径2．表面张力 Fs由纤维表面积变化引起的，纤维由粗到细，比表面增大。

F (0-x) = 2t[r(0)-R(Jk 九一比表面张力(达因/cm)s熔纺F很小，F < 1% Fextss3. 惯性力 Fi由速度的变化引起的，相当于动量的增加设：平均加速度a (0 - x) = 7，t时间被加速的熔体质量m = p Qt根据牛顿第二定律 Fi(O-x)=m& (0-x)= P Q(V - V0)=W(Vx-Vo)Q、W 分别为熔体的体积流量和质量流量4. 摩擦阻力 Ff丝条在介质中运动时，丝条表面与介质间的相对运动所产生的摩擦阻力F (0- x) = R d dx (& —作用在丝条表面的剪切应力)f o rx.s \x 丿 \x 丿 rx・s5. 卷绕张力 Fext可以用张力计直接测量三、纺程上力分析的意义1、根据力平衡方程式可以求出流变力及拉伸粘度(举例 PET)使用激光散射仪测纤维直径，补偿式接触温度计测量丝条温度，数据如下：X (cm)27.944.452.468.682.991.4温度T (C)14810590634230直径 d(cmX10-3)17.889.618.568.017.947.93测得 泵供量0.0166 g / sec.孑L卷绕速度 VL =278.5 cm/secL卷绕张力F =1.39X10-3 Next卷绕处长度 L= 100 cm又知，介质比密粘度度 0 = 0.16cm2/sec比表面张力九=2.7 x10-4 N / cm空气密度 p 0 = 1.2x10-3g/cm3以x=27.9cm 取x—L段为例(1) F=W(V -V )i L 27.9V = W = 57.76cm/sec 由 T 可以解出 pC)27.9 p (x丁 d 2 \x)耳=0.0166(278.5 —57.76) = 3.66day=3.66X10-5N2)F f ( IT d 2 (x )7 f W fF =J gp \x dx = —dx = 16.27Jg 4 V(X)dx上式积分采用1V (x )〜x作图，求曲线下的面积即为积分值。

从而得到f100 卓=0.39427.9 V xf = 6.41day = 6.41x10-5 Ng(3) f =nx(dx-dl)=nx2.7x1C-4(17.88-7.93)x10-3 =8.43x10-6Ns⑷ F = f1001C p nV(x)1 d(x)dxf 27.9 2 fCf ——表面摩擦系数(空气阻力系数) 经验公式 b =1 p oV2(x上式中rx . s 2 fC = 0.37N-0.61= 0.37 f Re-0.61F = 2.28x10-4 f V (x)1.39d(x)0.39dx式中积分可由V1-39 d 0.39〜x作图，求曲线下的区域面积即为积分值 f V 1.39d 0.39dx = 22561.627.9 100F = 5.145day = 5.145 x10 -5 N把上述各力代入力平衡方程式可以得到流变阻力 Fr(27.9)F + F (x-1)= F G)+ F (x-1)+ F (x-；)+ F (x-1)ext g r i s f拉伸粘度的计算F (x) = b OaG)r 11y b (x)=n (x)凶J 11 e dx由上式可以解出拉伸粘度"(x )e2、根据纺程上的力分析可以求表皮摩擦系数Cf对 x1 处 F(L)+ F (x -L)= F (x )+ F (x —L)+ F (x -L)+ F (x -L) '"X1ext g 1 r 1 i 1 s 1 f 1对 x2 处 F(L)+ F (x — L)= F (x )+ F (x — L)+ F (x — L)+ F (x — L) "X2ext g 2 r 2 i 2 s 2 f 2发现张力沿纺丝线线性增大，这主要是空气阻力的增加。

汽固化后的纤维因为dv(x)dx = 0所以Fi，Fs不再变化，Fg本来在纺粗丝时才有意义 固化后的纤维已很细，X］、x2的重力可以认为相等A F = F (x )— F (x )= — F (x — L)+ F (x — L)=AF(x - x )ext r 2 r 1 f 2 f 1 1 2A F 2n R(x二Q 2n R(xkxext x 2 rx.s rx.s将o = 1 PoV2(x)C 代入rx. s 2 fAFP 0V2 (xnR(xJAx3.2熔体纺丝的温度分布一、涤纶纺丝线上的温度分布曲线1、轴向温度分布曲线2、径向温度分布曲线=102 〜104°C/cm辽=1~10 C/cm・.竺》匹・•・丝条的冷却主要是径向热传导 帥 dx纤维表面温度分布方程纤维与空气介质的热交换可以主要以对流方式进行，热辐射有很小部分假设条件：①冷却成形过程是稳态过程②细流的径向温差忽略不计③细流的断面为圆形④细流在介质中以对流控制热传导⑤冷却过程中没有相变产生在x处取dx丝条，其散失的热量为q = 一4d2(x)dx.p CpdTC——丝条比热(卡/克.C)P冷却空气带走的热量为q* =n d(x)dxa (x方(x)-T Jdt给热系数(卡/cm2°C.sec)丝条散失的热量应与冷却空气带走的热量相平衡 q = q*'一吗d2m.pc严=nn d(x)dxa(x(x)-Ts * - Vb一 ^-d2(x)V(x)pC dT 二 nn d(xix(x方(x)-T ]dx4 p sn^4 d 2 (x b (x )p - —泵供量jT () dT jx nn d (x 1 (x 初To T -T 0u SWCpT(x)= T +(T - T )exps 0 snn d (x )x (x) z dxWCp三、影响温度分布的因素1、2、介质温度T tS挤出温度 T0t凝固点长度X」T(x)fX」T(x)t3、冷却温度1风速f a(x) tXe! T(X)!4、泵供量 W tXet T(x)t四、纺丝线上的冷却长度LkLk：从喷丝板至丝条固化点的距离。

T ：固化点的温度fT dT fL nn d (x 1 (x) ? l T —T f l nn d ^x 】^x)力J7固 =-fLk dx ln o 匚=fL dxt T -T o WC T -T o WC0 S p 固 s p为了便于计算固化点前的丝条直径，温度和速度均用平均值表示d — d d = o i~lnd - lndol4Wnp n d 2_ T — TT = o 固 ln T — ln T o 固这样就可以得到冷却长度 Lk：kWCpnn d« *ln o—Ts固 s在固化点以前是熔体细流向初生纤维转化的过渡阶段，是初生纤维结构形成的。