第三章化学纤维成型加工原理

第三章化学纤维成型加工原理

一、化学纤维成型加工的基本过程 第一节概述（一）基础阶段（二）成型阶段（三）后成型阶段

（一）基础阶段 1.原料制备 • 成纤高分子化合物的合成（聚合） • 天然高分子化合物的化学处理和机械加工 2.纺前准备纺丝熔体/纺丝溶液的制备一步法(聚合物熔体直接进行纺丝)/二步法（聚合后得到切片或粉末，再通过熔融或溶解制成纺丝流体）

(二)成型阶段 • 熔体纺丝 • 溶液纺丝干法纺丝湿法纺丝

（三）后成型阶段 • 拉伸 • 热定型。 • 上油。 • 水洗等。

例：熔纺纤维的后加工 拉伸（加捻）加弹（假捻变形）网络 • 长丝的后加工 • 短纤维的后加工包括集束，拉伸，定形，卷曲，上油，切断和打包整个工序。

二.化学纤维的基本概念与品质指标 （一）化学纤维的基本概念 1.纤维的定义（Fiber）纤维（Fiber）一种细长形状的物体：长径比至少为10︰1，截面积小于0.05mm2，宽度小于0.25mm。具有一定的柔曲性、强度、模量、伸长和弹性等。

2.纤维的分类 (1)按原料分类的纤维天然纤维：由纤维状的天然物质直接分离、精制而成。化学纤维：用天然或人工合成的聚合物为原料、经化学或物理处理和机械加工而制得的纤维。天然纤维纺织纤维化学纤维动物纤维：羊毛、驼毛、蚕丝等植物纤维：棉花、麻等矿物纤维：石棉等

以天然高分子化合物为原料 ，Lyocell 用石油、天然气、煤及农副产品为原料、经一系列的化学反应制成合成高分子化合物，再经加工而制得

①长丝 (2)按尺寸分类的化学纤维单丝(小孔丝、鬃丝) 复丝 ②丝束 ③短纤维棉型：25~38mm 毛型：70~150mm 中长：51~76mm

1.线密度（纤度或细度）：表示纤维的粗细程度1.线密度（纤度或细度）：表示纤维的粗细程度 (二)化学纤维的品质指标化学纤维的一些专用品质指标对同一根纤维而言 (1)1tex(特克斯：1000m长纤维重量的克数) 1tex=10dtex （分特克斯） (2)1旦（9000m长纤维重量的克数） 1特=1/9旦 (3)公支换算关系：分特数=10×特数特数×支数=1000 旦数=9 ×特数

S-S曲线(Stress-Strain曲线) 2.拉伸性能 (1)初始模量（应力与应变的比值）：表示试样在小负荷下变形的难易程度，反映了纤维的刚性 (弹性模量或杨氏模量) 单位：N/特拉伸初始一定直线部分的斜率表示

L-L0 断裂伸长率= ×100% L0 (2)断裂强度和断裂伸长率断裂强力：纤维对拉伸力的抵抗能力的量度(kg) 绝对强力：纤维在连续增加负荷的作用下，直到断裂时所承受的最大负荷，单位N 断裂强度（试样拉伸至断裂时所承受的最大负荷来表示）相对强度 :绝对强力/线密度（N/tex）强度极限: 试样横截面积上能承受的最大强力，绝对强力/负荷作用前纤维的横截面积(N/mm2) 断裂长度:纤维自身重量与断裂强力相等时的纤维长度 (km）打结强度勾结强度

(3) 断裂功：纤维拉伸至断裂时外力所做的功 单位：N cm Ww F(l)拉伸负荷 W↑，耐冲击性（韧性）↑ 图纤维的断裂功

3. 回弹性 纤维在外力作用下伸长和释放外力后恢复到原始状态的能力称为回弹性。纤维回弹性的表示方法有两种。 (1)一次负荷回弹性质---回弹率和弹性功

(2) 多次循环负荷回弹性质

4.吸湿性 试样所含水分的重量回潮率= × 100% 干燥试样的重量试样所含水分的重量含湿率= × 100% 未干燥试样的重量公定回潮率:为了计重和核价需要，对各种纺织材料的回潮率作出的统一规定

三、化学纤维成型基本原理 （一）纤维成型的基本步骤 (1)纺丝流体在喷丝孔中的剪切流动 (2)纺丝流体从喷丝孔中的剪切流动向纺丝线上的拉伸流动的转化 (3)流体丝条的单轴拉伸流动 (4)纤维的固化

（二）纤维成型过程中成纤聚合物的变化 (1)几何形态变化:转变为具有一定断面形状的、长径比无限大的联系丝条 (2)物理状态变化 ①宏观状态参数 T-X (温度场) V-X (速度场) P-X (应力场) Ci-X (浓度场) ②微观状态参数取向度结晶度网络结构 (3)化学结构变化：很少的裂解和氧化等副反应发生。

（三）纺丝过程的基本规律 1.在纺丝线的任何一点上，聚合物的流动是稳态和连续的。纺丝线: 熔体挤出细流和固化初生纤维的总称。稳态：任何点具有恒定的状态参数稳态：连续：在稳态纺丝条件下，纺程上各点每一瞬时所流经的聚合物质量相等（流动连续性方程) : 熔体纺丝 ρAV=常数溶液纺丝 ρAVCi=常数

2.纺丝线上的主要成形区域内，占支配地位的形变是单轴拉伸2.纺丝线上的主要成形区域内，占支配地位的形变是单轴拉伸 3.纺丝过程是一个状态参数连续变化的非平衡态动力学过程同一时间不同位置V 、 T 、 Ci、 P等连续变化。 4.纺丝动力学包括几个同时进行并相互联系的单元过程动能传递、传热、传质、结构参数变化等。

(四)纺丝流体的可纺性 可纺性：流体在拉伸作用下形成连续细长丝条的能力。实质上是一个单轴拉伸流动的流变学问题。有良好的可纺性是保证纺丝过程持续不断的先决条件可纺性的评定：p130 (1)细流最大的拉丝长度χ* (2)细流的断裂伸长比L(tB)/L(o) (3)最大喷丝头拉伸比(VL/ V0)max

可纺性理论：决定最大丝条长度χ* 的断裂机理至少有两种1.内聚破坏 * 机理是基于强度理论：细流发生内聚破坏的条件为：σ11= σ11 * 线性黏弹体： * σ11 （2EK）1/2 = K-内聚能密度 E－杨氏模量

由内聚破坏所决定的最大拉丝长度 Xcoh=1/2[ln(2k/E)-2ln(V0τξ)]/ξ * V0——流体挤出速度； ξ——拉伸形变梯度=d(lnV)/dx； τ—— 松弛时间。 * 内聚能密度K↑， ξ、V0及τ↓ xcoh ↑

δ(x1) = R(x1) * * x1=x x1=x 2.毛细破坏毛细破坏现象的机理与经典流体力学中的稳定性问题有关。毛细破坏的条件为： * 当液体表面张力引起的扰动及其滋长和传播导致毛细波发展到振幅δ (x* )等于自由表面无扰动丝条的半径R (x * )时，流体发生破坏。

原则上,这两种断裂机理都能独立地对丝条的断裂起作用。控制两种断裂机理起作用的条件: η、 V0 较小时毛细破坏起控制作用 η、 V0 较大时内聚破坏起控制作用在某一中间范围丝条最大长度χ*有极大值,可纺性最好。

1.液滴型 液滴型不能成为连续细流，这是毛细破坏现象。影响液滴型出现的因素: (1)流体表面张力a和黏度 (2)喷丝孔径R0和挤出速度v0 : （五）挤出细流的类型

2.漫流型 漫流型能形成连续细流，但细流间易相互粘连。漫流型产生的根源: 纺丝流体的挤出动能超过了流体与喷丝板面的相互作用力和能量损失之和。

3.胀大型 只要胀大比B0 (指细流最大直径与喷丝孔直径之比)控制在适当的范围内，细流连续而稳定。出现孔口胀大现象的根源是纺丝流体的弹性。 B0过大对于提高纺速和丝条成型的稳定性不利，实际纺丝过程中希望B0接近于1。

纺丝流体中出现不稳定流动甚至破裂。 熔体破裂的临界切应力影响临界切应力的因素: (1)聚合物的分子量 (2)温度 4.破裂型

一、熔体纺丝的运动学和动力学 • 第二节熔体纺丝原理（一）熔体纺丝线上的速度分布对稳态纺丝(且忽略各参数在丝条截面上的分布): 连续方程表示为： ρxAxVx=常数 ① 高速摄影法 ②取样器取样法确定 ③ 激光衍射法 dx：

纺丝直径与速度的变化关系

dVx έ(x) = dx 从速度的分布，可以进一步求出拉伸应变速率（即轴向速度梯度）：

纺丝线上发生结晶, 存在着一处丝条直径急剧减小的位置。

根据拉伸应变έ的不同，纺丝线可分成三个区域 : 1. 挤出胀大区: 由于体积膨化， Vx沿纺程减小, d=dmax时， 2. 形变细化区： Ⅱa： Ⅱb： 3. 固化丝条运动区：Vx=保持不变

Ⅱ区：熔体细流向初生纤维转化的重要过渡阶段，是发生拉伸流动和形成纤 维最初结构的主要区域。 Ⅱa:拉伸流动的主要区域，对纤维的均匀性影响很大。 Ⅱb：结构形成的主要区域 Ⅲ区：纤维的初生结构继续完成: 拉伸形变取向↑ 结晶形态结构形成

1.熔体纺丝线上的力平衡 分析从喷丝头(x=0)到离喷丝头x处的一段纺丝线(上脱离体)： Fr(x)=Fr(0)+Fs+Fi+Ff-Fg （二）熔体纺丝线上的力平衡及应力分布

二、熔体纺丝线上的传热及温度分布 运动丝条和环境介质间的传热: (1) 丝条内部(0 < r < R ): 传导 (2) 从丝条表面到环境介质:主要为对流传热，还有很小一部分为热辐射。在纺丝线上有轴向温度场（T-X）径向的温度场（T-r）研究熔体纺丝中传热问题的主要任务，就是找出任何时刻纺丝线上的温度分布情况，即轴向温度场和径向温度场。

(一)熔体纺丝线上的轴向温度分布 纺丝中无相变热时：考虑相变热时:

PA6纺丝线上的温度分布 PET纺丝线上的温度分布

（二）熔体纺丝线上的冷却长度Lk 冷却长度Lk的表达式（1）求Lk的方法：冷却长度Lk：喷丝板到丝条固化点之间的距离称为冷却长度。 ①由纺程上直径分布 ②由纺程上速度分布 ③由纺程上温度分布（2）由纺程上温度分布求Lk 无相变热时，若固化点T=Te：

（三）熔体纺丝线上的径向温度分布 由傅立叶定律：平均径向温度梯度的表示式 : 熔纺纤维的径向温度梯度物理性质和动力学特征 1－温度 2－聚合物黏度 3－轴向速度 4－张应力 5－结晶速率

三.熔体纺丝中纤维结构的形成 (1)成纤聚合物的链结构（Chain Structure）单个分子的结构和形态。包括成纤聚合物的组成、构型,以及分子量和分布、支化或交联等链空间不规则性。 • 刚性链聚合物的分子结构

(2)成纤高聚物的聚集态结构 成纤聚合物分子链聚集成一定规则排列的高分子聚集体结构晶态结构非晶态结构取向态结构液晶态结构织态结构。聚合物的织态结构

(3)纤维的形态结构 包括微观形态结构和宏观形态结构。微观形态结构指微孔的形状、大小和分布等。宏观形态结构包括横截面形状、空隙大以及皮芯结构。聚集态结构形态结构和成型的工艺条件密切相关。熔纺纺丝线上纤维结构的形成和发展高聚物的取向和结晶

（一）熔纺过程中的取向作用 结晶动力学纤维中的晶体形态拉伸工序的进行成品纤维的取向度纺丝过程中的取向作用将影响：

1.取向机理 喷丝孔切变流场中的流动取向纺丝线拉伸流场中的流动取向熔体状态下的流动取向纤维固化区的形变取向卷绕丝的取向度主要是纺丝线上拉伸流动的贡献

2.沿纺程取向的发展 （1）对于纺程上基本不发生结晶的聚合物速度梯度 έ↑流动取向↑ T高 ηe小，使解取向作用也大接近喷头区： Δn增加有限 έ流动取向↑ ηe↑ 使解取向↓ 离喷头稍远区： Δn相对增加迅速 ηe↑↑进一步流动取向困难拉伸应力有限形变取向困难固化区附近： Δn趋于饱和

（3）影响取向的因素 ①聚合物分子量 ②卷绕速度 ③熔体泵供量（细度不变） ④纤维细度（泵供量不变） ⑤环境介质温度的影响： ⑥熔体温度的影响：

（二）熔纺过程中的结晶1.纺丝线的等温结晶动力学 由Avrimi方程式：（1-θe）=exp（-κtn）由三个不同的区域组成：（1）结晶诱导期：此区的结晶度低且上升缓慢。（2）结晶进行期：结晶度急剧增加。（3）结晶结束期：结晶趋于稳定。结晶度随结晶时间有分布。结晶特性曲线

第三章 化学纤维成型加工原理