第六章-2-熔融纺丝

第二节 熔体纺丝(melt spinning)原理 一.熔体纺丝工艺
聚合物熔体
熔体过滤及分配
纺丝
后加工
高聚物切片
熔体制备
纺丝箱体分配 组件过滤
喷丝板成型
纤维
螺杆熔融
熔体纺丝过程
1.熔纺纤维的纺丝成型
melt
solid
Melt-spinning sketch
直接纺：单体聚合
高聚物熔体
切片纺：切片筛选干燥等处理
④惯性力Fi
牛顿第二定律：使物体加速需要克服物体的惯性 Fi=W(Vx-V0)=Qρ(Vx-V0)=A0V0 ρ(Vx-V0)
Fi与vx的平方成正比。因此高速纺丝中，Fi的重要性大 大增加。纺丝速度超过6000m/min时，Fi和Ff达到了使纤 维在纺丝线上进行全拉伸。 丝条固化后， Fi不变
。
⑤流变力Fr
图 PET纺丝线上的应力分布
3.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。
Fr
Fr(0):熔体细流在喷丝孔出口处作拉伸流动时所克服 的流变阻力 Fr(X):在x=X处丝条所受到的流变阻力 （纺丝线上x=X处丝条截面上所受的张力）
分析从离喷头x处到离喷头L处的一段纺丝线 (下脱离体)：
Fr(x)=Fext+Fg-Fs-Fi-Ff Fr(0)=π R0σ xx(0)= π R0ηeέ (0)
rx ,s
1 0 2 C f vx 2
C f = K N n Re
Re=
Vxdx
νa
(νa 即ν )
0
Cf也可通过测定张力来确定:
Fext Cf 0 2 v x r x
Ff受纺速影响较大,接近X0，Vx特别小， Ff也极微小.实际上Ff绝大部分为VL以后 的纺丝线所贡献。 Ff和Vx的1.39次方成正比 在高速纺丝中，Ff 随Vx提高而急剧增 大。因此Ff在高速纺速中作用十分重要， 成为丝条的握持力，对结构的形成有很 大影响 .
①重力Fg
考虑流体丝条在环境介质中的浮力作用，丝条单位 体积的重力： 0
fg=g(ρ-ρ )cosθ cosθ=
x
θ ：丝条流动方向与 重力方向的夹角
-1 垂直向上纺丝
ρ0«ρ
0 水平纺丝 1 垂直向下纺丝
Fg g
0
d x
4
2
dx
Fg 很小，在高速纺丝中可忽略，但低速纺制高线密度 纤维时较重要。
卷曲，上油，切断和打包整个工序。

长丝的后加工－拉伸
拉伸加捻示意图 1—筒子架 2—卷绕丝筒 3，8—导 丝棒 4—喂入辊 5—上拉伸盘 6—加热器 7—下拉伸盘 9—钢领 10—筒管 11—废丝轴 12—钢丝圈
拉伸加捻流程
POY丝假捻变形的加工
POY丝假捻变形的加工原理
利用纤维的热塑性，经 过“变形”和热定型而制得 的高度卷曲蓬松的弹力丝。 加捻、热定型、解捻这 三个过程在同一台机器上完 成。
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，拉伸流动取向↑;如果VL
很大,可能发生大分子结晶 Ⅲ区中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
2.熔体纺丝线上的力平衡及应力分布
(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 Fr（x）——在x=X处丝条所受到的流变 阻力； Fr（0）——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; Fs——纺丝线在纺程中需克服的wk.baidu.com面张力； Fi——使纺丝线作轴向加速运动所需克服 图 纺丝线轴向受力示意图 的惯性力； Ff——空气对运动着的纺丝线表面所产生的摩擦阻力； Fg——重力场对纺丝线的作用力 。
έ(x) =
dVx dx
纺丝线上发生结晶 , 存在着一处丝条 直径急剧减小的位 置.
PET高速纺丝
根据έ的不同，纺丝线可分成三个区域 :
dv x 0 挤出胀大区:沿纺程Vx减小, dx
dv x 0 d=dmax时， dx
形变（细化）区：
dvx d 2vx Ⅱa ： dx 0, dx2 0
②表面张力Fs
纺丝液的拉伸流动使流体比表面积增大，但表面张力 要使液体表面趋于最小， Fs是一种抗拒拉伸的作用力 。 Fs=2π(R0-Rx) λ Fs仅在液态区域内起作用；熔纺中一般很小，除了纺 低分子量物料外可忽略。
③摩擦力Ff
Ff rx ,s ( x ) 2Rx dx
0 X
2 2

小结
对于常规熔 纺 ，Fi 和Ff起 是流变力的主 要贡献者。
图 PA66在纺速6600m/min时计算的受力分布
根据纺丝线上的力平衡方程式，可求得任意 点x处的纺丝应力，从而确定纺丝线上的应力分 布.
在4000m/min的纺速下，纺丝应力 沿纺程几乎单调增加。
当纺速更高纺丝线上出现颈缩现象 时，颈缩点附近纺丝应力急剧增大。
螺杆挤出机中熔融
纺丝箱体 丝孔挤出
泵送至纺丝组件
由喷
在纺丝甬道中冷却(拉伸)
上油、卷绕或落桶
熔体纺丝的主要设备——螺杆挤出机
纺丝箱体
喷丝头组件
喷丝孔及导孔形状
丝条的冷却
上油
纤维的卷绕成型
长丝卷绕机
2.熔纺纤维的后加工
长丝的后加工
拉伸（加捻） 加弹（假捻变形） 网络
短纤维的后加工包括集束，拉伸，定型，
Ⅱb：
dvx d 2vx 0, 2 0 dx dx
固化丝条运动区：Vx=K，d=K
图 聚合物在等温纺丝条件下的平均轴向分布
和 图 纺丝过程中拉伸应变速率分布的示意图 拉伸应变速率变化 1一PA6 2一PET 3一聚苯乙烯
Ⅱ区的έ出现极大值，是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，因此是纺丝成形过程最重要的区
短纤维集束
短纤维拉伸
二.熔体纺丝的运动学和动力学
1.熔体纺丝线上的直径变化和速度分布
对稳态纺丝(且忽略各参数在丝条截面 上的分布):
ρxAxVx=常数
T(x)：由补偿式接 触温 度计、红外 线拍照等确定 ρ(T) ① 高速摄影法 不发生 结晶时
ρx ≈ K Vx
dx： ②取样器取样法确定
③ 激光衍射法