熔體紡絲(melt spinning)工藝原理.ppt

1、熔體紡絲（melt spinning）工藝原理,一 熔體紡絲的定義及適用範(fàn)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，通過噴絲頭的細(xì)孔壓出成為細(xì)絲流，然後在空氣或水中使其降溫凝固，通過牽伸成絲。,第一節(jié) 概述,二 熔體紡絲的工序 熔紡分直接紡絲法和切片紡絲法。 直接紡絲是將聚合後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)備工序而後送往紡絲。 熔體紡絲工藝主要包括：紡絲熔體的製備；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)並冷卻凝固；固態(tài)絲條的上油和捲繞。,熔紡的主要特點(diǎn)是捲繞速度高、不需要溶劑和沉澱劑，設(shè)備簡(jiǎn)單，

2、工藝流程短。熔點(diǎn)低於分解溫度、可熔融形成熱穩(wěn)定熔體的成纖聚合物，都可採(cǎi)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，紡絲體系沒有組成的變化，而幹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+沉澱劑）。,在紡絲過程中，聚合物熔體以一定的流量自噴絲板細(xì)孔擠出，在噴絲板到捲繞裝置之間，絲條必須被拉伸至需要的細(xì)度並充分地冷卻固化。噴絲板的孔徑一般為0.1-0.4mm，而捲繞絲的直徑僅為20-30m，熔體出噴絲孔後，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)成百倍地高於擠出速度。,由於聚合物熔體絲條一旦

3、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)上熔體紡絲的捲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，一般在噴絲板後，在垂直或平行於絲條的方向上吹送調(diào)溫調(diào)濕氣流。,初生纖維的後處理主要有拉伸、熱定型、捲曲和假撚。 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)紡絲過程帶來的高聚物內(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捲曲的），克服合成纖維表面光滑平直的不足。假撚是改進(jìn)紡織品的風(fēng)格，使其膨松並增加彈性。,熔體紡絲理論是在高分子物理學(xué)

4、與連續(xù)介質(zhì)力學(xué)等學(xué)科背景下發(fā)展起來的。,涉 及 的 問 題,紡絲過程中的動(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),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）紡絲過程是一個(gè)狀態(tài)參數(shù)（T,，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)行並相互聯(lián)繫的單元過程，如流體力學(xué)過程，傳熱、傳質(zhì)，結(jié)構(gòu)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),熔體紡絲過程中的參數(shù)可以歸為三類,第二節(jié) 熔體紡絲過程的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué),紡絲線上直徑的變化和速

5、度的分佈,從速度分佈，可求出拉伸應(yīng)變速率（軸向速度梯度）,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50150CM； 第三區(qū)：絲條已基本固化，不再明顯流動(dòng)。,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 熔體紡絲過程中的取向作用 紡絲過程中發(fā)生取向是纖維製造中重要的結(jié)構(gòu)形成過程之一。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) 熔體紡絲過程中纖維

6、結(jié)構(gòu)的形成,兩種取向機(jī)理： （1）處?kù)度垠w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)取向和出噴絲孔後熔體細(xì)流在拉伸流場(chǎng)中的流動(dòng)取向,T高，小，取向小，可忽略,控制取向的速度場(chǎng)：軸向速度梯度，主要,（2）纖維固化之後的形變機(jī)理,是一種橡膠網(wǎng)路取向拉伸，對(duì)捲繞絲的取向度也有貢獻(xiàn)，大小取決於形變比,取向度的測(cè)定：一般用取向因數(shù)f 表徵。,該式用於表徵單軸取向中結(jié)構(gòu)單元的取向， 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)，=0，f=1；垂直于纖維軸時(shí)，=90度，f=0.5 。,二 熔體紡絲過程中的結(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)過程。紡絲線上的

7、結(jié)晶對(duì)捲繞絲的結(jié)構(gòu)和性能起決定作用。 （一）熔體紡絲中纖維結(jié)晶的主要特徵 熔體紡絲中纖維結(jié)晶的特徵包括兩個(gè)方面，一是捲繞絲本身的晶態(tài)結(jié)構(gòu)，二是熔體紡絲中聚合物結(jié)晶過程的發(fā)展。,捲繞絲的結(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 。,2. 結(jié)晶度 聚合物的結(jié)晶極不完整，常用X射線衍射、熱分析或密度法來測(cè)

8、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。,高速紡絲，紡速已達(dá) 30004000m/min，所得的捲繞絲稱為部分取向絲。用超高紡速 (900010000m/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)捲繞工序的空調(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)晶特徵,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

9、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。,？,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，即增大晶核生成的速率。對(duì)於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”（nucleative collapse），因此結(jié)晶速率迅速增加。,一、熔融擠出 切

10、片熔融過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)出來的熔體經(jīng)過計(jì)量泵送往噴絲頭組件。後者由過濾網(wǎng)、分配板和噴絲板等組成，其作用是除去熔體中的雜質(zhì)， 使熔體均勻地送至噴絲板。,第四節(jié) 熔體紡絲過程,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，熔體粘度主要取決於成纖聚合物的分子量。 熔體粘度過高，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)各段的溫度來控制，熔體溫度過高，會(huì)導(dǎo)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(jìn)行。,噴絲板用耐熱、耐腐蝕

11、的不銹鋼材料製成，面上的小孔按一定規(guī)律排布，孔徑通常為0.20.5毫米。熔體通過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、聚醯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?？卓诿洿蟪Ｊ橇鲃?dòng)不均的根源。 生產(chǎn)上常採(cǎi)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)難以抑制並易發(fā)展成不穩(wěn)定流動(dòng)，引起流體破壞）。,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)變鬆弛,爬桿現(xiàn)象,液體的彈性回縮,螺桿擠出機(jī),計(jì)

12、量泵,噴絲板,二、冷卻固化 熔體細(xì)流噴出後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捲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。,冷風(fēng)從四周吹向纖維的環(huán)形吹風(fēng)，適用於短纖維的多孔紡，能有效地提高纖維品質(zhì)。,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)流在紡絲過程中的溫度分佈、速度分佈和固化點(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。,不同品種的纖維根據(jù)需要可以適當(dāng)?shù)馗淖兝鋮s方

13、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; 紡制聚酯和聚醯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。,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，所以熔紡的捲繞速度比濕紡為高，一般在10001500米/分，噴絲頭拉伸比（捲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)幾乎是幹的，容易積聚靜電，纖維間的抱合力差，與設(shè)備的摩擦力大，因此在捲繞前要經(jīng)過給油、給濕處理。,對(duì)於吸水性較大的聚醯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)賦於纖維以柔軟、平滑等特性，使其順利通過後道工序。這種助劑統(tǒng)稱為化學(xué)纖維油劑 。,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