【化纤小讲堂】熔体纺丝工艺的一般特点

熔体纺丝工艺的一般特点

 熔体纺丝是一元体系，主要涉及高聚物熔体丝条与冷却介质间的传热，纺丝体系没有组成的变化。其主要工艺过程包括纺丝熔体的制备，熔体从喷丝孔挤出，熔体丝条的拉伸、冷却固化以及丝条的上油和卷绕。

熔体纺丝纺程如图9-1所示。

熔体以一定的泵供量自喷丝孔中挤出，在纺程上熔体发生喷丝孔道中的剪切形变、喷出胀大、拉伸形变、细流的冷却和固化，从而形成具有一定的超分子结构的初生纤维。

1.纺程上丝条的直径变化和速度分布

熔体从喷丝孔挤出后，由于熔体法向应力的作用而发生胀大，然后细流被逐渐加速、拉伸，至冷却固化后，速度和纤维直径不再发生变化。

根据细流的拉伸应变速率(即轴向速度梯度世)，可以将整个纺程分为挤出胀大区、形变区和固化丝条运动区三个区域，如图9-2所示。

第一区和第二区的交界处对应于直径胀大最大的部位，通常离喷丝板不超过1omm。第二区是发展拉伸流动的主要区域，共长度随纺丝条件而异，通常在50～150cm左右。

这一区域中世出现极大值，由于空气冷却作用，此时细流温度下降、粘度增高，细流被拉长，使熔体大分子发生预取向。第二区也是控制冷却条件的关键区域。第三区为固化丝条运动区，此时纤维的速度和直径基本不变着=o,熔体细流转化为完全冷却的固态初生纤维，实质为纤维从凝固温度继续冷却到接近室温，故为冷却区。

 2.熔体纺丝过程的动力学

在熔体纺丝过程中，聚酯熔体从喷丝孔挤出后，受到卷绕力的轴向拉伸作用，而丝条在运行过程中将克服各种阻力而被拉长细化。纺程上丝条的受力情况如图9-3所示。

从喷丝头(x=0)到离喷丝头x处的张力Fext(x)可表示为：

Fext=Fi（x）+Fs（x）+Ff（x）+Fr（0）-Fg(x)

                                                                   
式中Fext(x)为x处丝条所受的卷绕张力；Fi(x)为丝条做轴向加速运动需克服的惯性力；Fs（x）为丝条在纺程上需客服的表面张力；Ff（x）为空气对丝条表面产生的摩擦阻力；Fr（0）为熔体细流在喷丝孔出口处作轴向拉伸流动时所克服的流变阻力；Fg(x)为重力场对丝条的作用力。

在卷绕处(x=L)时，上式可写成：

Fext（L）=Fr(L)=Fi(o)+Fs(0)+Ff(0)+Fr(0）-Fg(0)

上式中表面张力Fs(0)存在于丝条处于液态的小段区域，表面张力Fs(0)和重力Fg(0)在常规纺丝或高速纺丝时占总纺丝张力的比例小于1%，故可忽略不计。

惯性力Fi(0)仅在纺程上丝条有加速运动的范围内存在，故丝条固化后，速度不再变化，惯性力为零；

摩擦阻力Fi(0)在接近喷丝板处，由于熔体丝条速度特别小，空气阻力也极微小。实际上，空气摩擦阻力绝大部分为达到卷绕速度以后的丝条所贡献，并随纺丝速度的平方而增加。低速纺丝时，空气摩擦阻力对总张力的贡献不大；但高速纺丝时，空气摩擦阻力是不可忽视的因素。

在喷丝孔出口处(x0=0)，流变阻力Fr(0)为：

式中：axx(0)为熔体细流在喷丝孔出口处的平均拉伸应力；R0为喷丝孔半径。

卷绕张力对纺丝条件（卷绕速度和汞贡量、冷却条件或挤出熔体的流变特性）是极为铭感的因此，可用于表征工业纺丝过程中工艺的稳定性。