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)均勻地擠壓到噴絲頭，通過噴絲頭的細孔壓出成為細絲流，然后在空氣或水中使其降溫凝固，通過牽伸成絲。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鑄帶、切粒等紡前準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；將熔體經噴絲板眼壓出——熔體細流的形成；熔體細流被拉長變細并冷卻凝固；固態(tài)絲條的上油和卷繞。

二熔體紡絲的工序2熔紡的主要特點是卷繞速度高、不需要溶劑和沉淀劑，設備簡單，工藝流程短。熔點低于分解溫度、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間的傳熱，紡絲體系沒有組成的變化，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

在紡絲過程中，聚合物熔體以一定的流量自噴絲板細孔擠出，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，絲條就應成百倍地被拉伸，因此卷繞的速度就應成百倍地高于擠出速度。在紡絲過程中，聚合物熔體以一定的流量自噴絲板細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溫調濕氣流。

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部結構，提高斷裂強度和耐磨性，減少產品的伸長率。熱定型可調節(jié)紡絲過程帶來的高聚物內部分子間作用力，提高纖維的穩(wěn)定性和其他物理－機械性能、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。假捻是改進紡織品的風格，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與連續(xù)介質力學等學科背景下發(fā)展起來的。涉及的問題紡絲過程中的動量和熱量交換流動和形變下的大分子取向聚合物結晶動力學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與連續(xù)介質力學等學科背景下發(fā)展起8基本規(guī)律1）紡絲線上的任何一點上，高聚物的流動是“穩(wěn)態(tài)”的和連續(xù)的。2）紡絲線上的主要成形區(qū)域內，占支配地位的形變是單軸拉伸。3）紡絲過程是一個狀態(tài)參數(shù)（T,σ，C）連續(xù)變化的非平衡態(tài)動力學變化。4）紡絲動力學包括幾個同時進行并相互聯(lián)系的單元過程，如流體力學過程，傳熱、傳質，結構和聚集態(tài)變化過程等。第二節(jié)紡絲過程中的基本規(guī)律和主要參數(shù)

基本規(guī)律第二節(jié)紡絲過程中的基本規(guī)律和主要參數(shù)9熔體紡絲過程中的參數(shù)可以歸為三類熔體紡絲過程中的參數(shù)可以歸為三類10第二節(jié)熔體紡絲過程的運動學和動力學

紡絲線上直徑的變化和速度的分布第二節(jié)熔體紡絲過程的運動學和動力學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，可求出拉伸應變速率（軸向速度梯度）從速度分布，可求出拉伸應變速率（軸向速度梯度）13根據(jù)拉伸應變速率的不同，把整個紡絲線分成三個區(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。根據(jù)拉伸應變速率的不同，把整個紡絲線分成三個區(qū)域第一區(qū)：在直14初生纖維結構的形成和發(fā)展主要是指紡絲線上聚合物的取向和結晶。一熔體紡絲過程中的取向作用紡絲過程中發(fā)生取向是纖維制造中重要的結構形成過程之一。對成品纖維的取向貢獻最大的不是紡絲工序，而是拉伸工序。在紡絲過程中得到的取向度，即預取向度，對拉伸工序和成品纖維的取向度有很大的影響，對結晶動力學和晶體形態(tài)也有一定的影響。第三節(jié)熔體紡絲過程中纖維結構的形成

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

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

1.晶格結構成纖聚合物的晶體，大多數(shù)為對稱性較小的晶系，如三斜、單斜等，值得注意的是，纖維結晶中常常會出現(xiàn)同質多晶現(xiàn)象，即在不同的紡絲過程和紡絲條件下，生成不同的晶型。例如：聚丙烯（PP）在快速冷卻時形成六角次晶，而在緩慢固化時形成單斜晶體。卷繞絲的結晶特性主要包括：晶格結構、結212.結晶度聚合物的結晶極不完整，常用X射線衍射、熱分析或密度法來測定3.結晶形態(tài)及尺寸在光學和電子顯微鏡下，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.結晶度22高速紡絲，紡速已達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)點有：生產能力大；所得纖維的貯存穩(wěn)定性好；對卷繞工序的空調要求較低；能得到部分取向絲，可直接在拉伸變形機上加工；能形成穩(wěn)定的卷裝；變形加工時截面形變小，加工容易；染色較均勻。三高速紡絲線上的結晶特征高速紡絲，紡速已達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，結晶所需時間降低，結晶速率隨紡速提高而增加。取向使結晶速率大大增加的原因，可以概括為兩類：一，從結晶理論的角度看，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，必須有較大的過冷度才能形成晶核。？冷卻速率增加，結晶所需時間降低，結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，從熱力學的角度看，取向體系比未取向體系的熵值低，所以從熔體轉變?yōu)榫w時，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，即增大晶核生成的速率。對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，有人提出在這種情況下，結晶的歷程就從通常的晶核形成和晶粒生長轉變?yōu)椋骸罢w均勻成核”（nucleativecollapse），因此結晶速率迅速增加。二，從熱力學的角度看，取向體系比未取向體系的熵值低，27一、熔融擠出

切片熔融過程通常在螺桿擠壓機內進行，控制螺桿擠壓機各段溫度和箱體溫度可以改變熔體的溫度，使其具有適當?shù)恼扯群土己玫目杉徯浴穆輻U擠壓機出來的熔體經過計量泵送往噴絲頭組件。后者由過濾網(wǎng)、分配板和噴絲板等組成，其作用是除去熔體中的雜質，使熔體均勻地送至噴絲板。第四節(jié)熔體紡絲過程一、熔融擠出第四節(jié)熔體紡絲過程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。熔體粘度過高，則流動不均勻，使初生纖維拉伸時易產生毛絲、斷頭；熔體溫度可利用螺桿擠出機各段的溫度來控制，熔體溫度過高，會導致聚合物降解和形成氣泡；溫度過低，則熔體粘度過高；兩者均使紡絲過程不能正常進行。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。熔體通過噴絲板上的小孔形成熔體細流。細流直徑在出噴絲小孔處會出現(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。彈性效應較顯著的是聚丙烯。孔口脹大常是流動不均的根源。生產上常采用增大噴絲小孔直徑、長徑比（小孔長度與直徑之比）和提高熔體溫度等措施來減小脹大比，以防止熔體破裂（在高應力或高剪切速率時，液體中的擾動難以抑制并易發(fā)展成不穩(wěn)定流動，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)孔口脹大效應紡絲流體的應變松弛爬桿現(xiàn)象液體的彈性回縮熔體的彈性的幾種表現(xiàn)孔口脹大效應紡絲流體的應變松弛爬桿現(xiàn)象液31螺桿擠出機螺桿擠出機32合成纖維第三章熔體紡絲ppt課件33計量泵計量泵34噴絲板噴絲板35二、冷卻固化

熔體細流噴出后受到冷空氣的作用而冷卻固化。細流和周圍介質的熱交換主要以傳導和對流方式進行。熔體細流的溫度在冷卻過程中逐步下降，粘度則不斷提高，當粘度提高到某臨界值而卷繞張力已不足以使纖維繼續(xù)變細時，便到達了固化點。固化長度指熔體細流從噴絲孔口到固化點的長度，這是纖維結構形成的關鍵區(qū)域。

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

冷卻吹風方式橫吹風：風向與纖維垂直直吹風：風向與纖維平行冷卻室內吹出冷空氣的風速、風溫需要均勻恒定，以保證熔體細流在紡絲過程中的溫度分布、速度分布和固化點的位置恒定。纖維所受的軸向拉力恒定才能制得粗細和結構均勻的纖維。冷風從四周吹向纖維的環(huán)形吹風，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?shù)馗淖兝鋮s方式。如紡制民用纖維常在約2米長的冷卻室內用空氣介質冷卻成形;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置加熱裝置以降低纖維的冷卻速度，使初生纖維結構均勻，拉伸性能良好；在紡制粗條子纖維時(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?shù)馗淖兝鋮s方式。38

熔體細流冷卻成形時在周圍空氣介質中遇到的摩擦阻力，比濕法紡絲成形時絲條承受的溶液阻力小。熔體細流一經固化，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）也比濕紡時高。三、上油

熔紡纖維剛成形時幾乎是干的，容易積聚靜電，纖維間的抱合力差，與設備的摩擦力大，因此在卷繞前要經過給油、給濕處理。熔體細流冷卻成形時在周圍空氣介質中遇到39

對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。

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

對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，減少因摩擦所產生的靜電荷積聚，從而降低纖維表面電阻，增加導電作用；油膜隔離纖維,又對纖維有一定的親和力,使其