三 熔纺原理.doc

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 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 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0.25~0.5mm，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-6 PET PP 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 Vx↓ 增大直至Dm. Ⅱ区 形变区（细化区） x=50~150cm Vx↑ ↓ 并出现极大值 ↑ T高、小、形变大、V(x)增加快，大部分形变在此发生 ↓ 直至固化点，T逐渐接近固化温度，↑ ↑ 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Ⅲ区 等速行进区 x>xe (固化点) 纤维基本固化结构进一步完善二、纺丝线上的受力分析（一）轴向力平衡Fr(0)——出口处流变阻力 rheological resistanceFi ——需要克服的惯性力 inertial force Fg ——重力 gravitational forceFs ——需要克服的表面张力 surface tention Fext(L) ——卷绕张力 external tensile forceFf ——空气对丝条的摩擦阻力 friction resistance Fr(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0－X段 Fr(X) + Fg(0-X) = Fr(0) + Fi(0-X) + Fs(0-X) + Ff(0-X)X－L段 Fext(L)+Fg(X-L) = Fr(X) + Fi(X-L) + Fs(X-L) + Ff(X-L)0－L段 Fext(L) + Fg(0-L) = Fr(0) + Fi(0-L) + Fs(0-L) + Ff(0-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 ——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。

－比表面张力（达因/cm）熔纺Fs很小，Fs < 1% Fext3. 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，t时间被加速的熔体质量根据牛顿第二定律 Fi(0-x)＝m(0-x)==W(Vx－V0) 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 （－作用在丝条表面的剪切应力）5. 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） 27.9 44.4 52.4 68.6 82.9 91.4温度T（℃） 148 105 90 63 42 30直径d（cm×10-3） 17.88 9.61 8.56 8.01 7.94 7.93测得 泵供量0.0166 g / sec. 孔卷绕速度 VL＝278.5 cm/sec卷绕张力 Fext=1.39×10-3 N 卷绕处长度L＝100 cm又知，介质比密粘度比表面张力 空气密度 以x=27.9cm 取x－L段为例（1）Fi＝W（VL－V27.9） 由T可以解出Fi＝0.0166(278.5－57.76)＝3.66day＝3.66×10-5N（2）上式积分采用作图，求曲线下的面积即为积分值。

从而得到 （3）（4） Cf ——表面摩擦系数（空气阻力系数）经验公式 式中 式中积分可由 作图，求曲线下的区域面积即为积分值把上述各力代入力平衡方程式可以得到流变阻力Fr (27.9)拉伸粘度的计算由上式可以解出拉伸粘度2、根据纺程上的力分析可以求表皮摩擦系数Cf对x1处 对x2处 发现张力沿纺丝线线性增大，这主要是空气阻力的增加 固化后的纤维因为 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，x1、x2的重力可以认为相等将代入 3.2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、径向温度分布曲线一般 ℃/cm ℃/cm ∴ ∴丝条的冷却主要是径向热传导二、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Cp——丝条比热（卡/克.℃）冷却空气带走的热量为 ——给热系数（卡/cm2℃.sec） 丝条散失的热量应与冷却空气带走的热量相平衡 ——泵供量三、影响温度分布的因素1、 介质温度 Ts↑ 凝固点长度Xe↑ T(x)↑2、 挤出温度 T0↑ Xe↑ T(x)↑3、 冷却温度↓ 风速↑ ↑ Xe↓ T(x)↓4、 泵供量 W ↑ Xe↑ T(x)↑ 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：固化点的温度 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 这样就可以得到冷却长度Lk： 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主要区域，测定或计算Lk并加以控制是纺丝重要研究内容3.3 熔纺过程中纤维结构的形成一、概述1、纤维结构的形成纤维结构： ①大分子链结构 对具体纤维品种是确定的②超分子结构 取向、结晶③形态结构 表面形态、截面形态、皮芯形态、空穴结构等熔纺过程是本体高聚物的冷却成形，形态结构不重要，结构主要指超分子结构，它取决于纺丝、拉伸、热处理等工序 预拉伸 取向 拉伸熔体细流的 传热 卷绕丝结构 后处理 成品纤维结构性能 结晶动力学 结晶 热定型 2、研究纺丝成形过程的方法（1） 唯象理论：从宏观现象出发，是在化学工程的基础上发展起来的，着重对整个纺丝线上的应力场、温度场、速度场进行分析。

2） 分子理论：从微观分子结构，分子运动出发，以高分子物理为基础，着重研究加工过程，应力历史，热历史对纤维微观结构的影响，尤其对取向和结晶结构的影响纺丝过程中 PE、PA66、PP都将发生不同程度的结晶 PA6在接触水后迅速结晶 取向都要发生 PET普通纺不结晶，高纺速有较低结晶度二、熔纺过程中的取向 纺丝过程中的取向对成品纤维的取向度的贡献虽不大，但对后拉伸工艺的影响很大，对结晶动力学和晶体形态也有一定的影响 纺丝过程的取向可分为流动取向和形变取向两种机理： 1、流动取向（1） 喷丝孔中的流动取向 熔体在喷丝孔入口区拉伸速度梯度和毛细管中的径向速度梯度的作用下的取向和分子热运动的解取向综合作用结果 W↑, ↑ 、↑ ∴f ↑T↑, ↓ ∴f ↓ 实际生产中 T 很高，很小，且发生孔口胀大效应，f很小可忽略2）纺丝线上的流动取向发生在T >Tf 阶段，在轴向速度梯度 作用下产生的取向卷绕丝的取向度主要是它的贡献决定取向度的参数是（），也是取向与解取向综合作用结果。

2、形变取向发生在纺丝线上的形变区 ，是以高弹性形变为基础，以塑性形变为主的大分子取向，主要取决于纺丝线上的形变比，对卷绕丝的取向度也有一定的贡献 形变取向与流动取向的差别，前者不再发生解取向，可以看作扩散速度为零的极限情况3、纤维取向的表征 双折射法：反映全部分子的取向，大分子化学键在光波场中被极化，平行和垂直于纤维取向方向的折光指数产生差异声波法：反映全部分子的取向，声波在平行和垂直于分子链方向波传播速度不同X－光衍射法：反映微晶体的取向4、初生纤维的取向与纺丝线上的张应力将双折射仪安装在纺丝机旁，测定纺程上的双折射，发现双折射率的变化规律与纺程上张应力的变化规律有一致性 因为 所以 曲线特点可知：Ⅱa 但小 略有增加 Ⅱb 仍较大 增加较大 Ⅲ 趋于平衡5、影响卷绕丝取向的因素（1）熔体温度的影响T0（℃） 278.5 282 285 288 T0↑ 张力（g） 32.33 32.0 31.5 30.0 T0↑ 2.386 2.171 2.027 1. 660 （2）单丝纤度的影响 丝条传热的比表面积 冷却速度 （3）冷却条件的影响（风速、风温）冷却速度 （4）喷丝头拉伸比的影响 在O－Xe的平均轴向速度梯度 熔纺中S较大（100左右） 很小，S的变化对的影。