化学纤维的纺丝成型原理
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第十二章 纤维成形原理及方法
12.1 纤维纺丝成形方法的一般特性
2）异形纤维纺丝 ） 此法是用非圆形喷丝孔， 此法是用非圆形喷丝孔，制取各种不同截面形态的 异形纤维。常见到形异纤维有三角形、 型 异形纤维。常见到形异纤维有三角形、Y型、星形 和中空纤维等。 和中空纤维等。 3）着色纤维纺丝法 此方法是在化学纤维的纺丝熔体或溶液中加入适当 的着色剂，经纺丝后直接制成有色纤维， 的着色剂，经纺丝后直接制成有色纤维，该方法可 提高染色牢度，降低染色成本，减少环境污染。 提高染色牢度，降低染色成本，减少环境污染。此 还有相分离纺丝法、冻胶纺丝法、 外，还有相分离纺丝法、冻胶纺丝法、乳液或悬液 纺丝法、液晶纺丝等纺丝方法。 纺丝法、液晶纺丝等纺丝方法。
12.1 纤维纺丝成形方法的一般特性
湿法纺丝的特点是工艺流程复杂，投资大、 湿法纺丝的特点是工艺流程复杂，投资大、 是工艺流程复杂 纺丝速度低，生产成本较高。 纺丝速度低，生产成本较高。一般在短纤 维生产时， 维生产时，可采用多孔喷丝头或级装喷丝 孔来提高生产能力， 孔来提高生产能力，从而弥补纺丝速度低 的缺陷。通常， 的缺陷。通常，不能用熔体法纺丝的成纤 高聚物， 高聚物，才用湿法纺丝和生产短纤维和长 丝束。腈纶、维纶、氯纶和粘胶多采用湿 丝束。腈纶、维纶、 法纺丝。 法纺丝。
12.1 纤维纺丝成形方法的一般特性
思考题： 思考题： 什么是熔法纺丝、 什么是熔法纺丝、干法纺丝和湿法纺 丝，它 们在纺丝速度和纤度上有何 不同？ 不同？
12.2 纺丝溶液细流的形成
一、纺丝液体在喷丝头孔道中的流动 聚合物的纺丝液体经过计量泵后， 聚合物的纺丝液体经过计量泵后，以一定的速度和 压力进入纺丝头的小孔中， 压力进入纺丝头的小孔中，从孔中流出形成液体细 主要经过四个阶段 见图12-5） 四个阶段（ 流。主要经过四个阶段（见图 ） 1、入口段：熔体或液体进入喷丝孔道 、入口段： 2、恒定段：液体在孔道中恒定流动 、恒定段： 3、出口段：液体细流流出 、出口段： 4、固化段：细流受外力作用发生形变和纺丝细流 、固化段： 受冷却介质作用固化成形的阶段。 受冷却介质作用固化成形的阶段。
纤维 湿法纺丝
纤维湿法纺丝
湿法纺丝是一种化学纤维纺丝方法，也是溶液纺丝中的一种。
该纺丝技术主要适用于不能熔融只能溶解于溶剂中的聚合物材料，例如对温度敏感易降解的天然高分子、生物质材料。
湿法纺丝的工艺过程一般是先将成纤高聚物配制成浓溶液（原液），然后把原液过滤、脱泡后通过计量泵从喷丝头中挤出，在凝固剂的作用下，经过适当的喷丝头拉伸而形成初生纤维。
纺丝原液经喷丝板挤入到凝固浴中，原液细流中的溶剂向外扩散，而沉淀剂向原液细流内部扩散，于是引起相变，导致初生纤维的形成。
根据原料的来源不同，湿法纺丝工艺又分为一步法纺丝和两步法纺丝。
一步法纺丝是将单体聚合得到的聚合物溶液直接输送到纺丝机处进行纺丝，两步法纺丝是单体聚合得到的聚合物溶液经过分离、干燥制得固体聚合物，然后将固体聚合物再溶解后再进行纺丝。
在相分离法中，纺丝原液经喷丝板挤入到凝固浴中，原液细流中的溶剂向外扩散，而沉淀剂向原液细流内部扩散，于是引起相变。
在冻胶法（凝胶法）和液晶法中，根据物理化学原理不同，湿法纺丝可进一步分为相分离法、冻胶法（凝胶法）和液晶法。
在实际的湿法纺丝中，多数是通过相分离法实施的。
第八章 化学纤维成型原理概述3
取向因数 f 取决于 和τ。 是取向与解取向竞争的结果。
ⅲ形变取向：发生在纺丝线上的固化区，是 一种橡胶状网络取向拉伸，对卷绕丝的取向 度也有贡献。
可视为松弛时间无限大时的拉伸流动取向。 形变取向的大小取决于形变比，与拉伸形变 速率和时间无关。
2．熔体纺丝线上分
160
子取向的发展
可见，丝条的加速运动是非均匀的。
Dm 固化点 加速
减速
速度 恒定
(x)
枀大值
Ⅰ区（挤出胀大区） 位置： 喷丝板—Dm
X<10mm。
表现:体积膨化,松弛。
vx沿纺程减小，
(x) <0
在细流最大直径处， (x) =0 胀大区随喷丝头拉伸而减小,喷丝头拉伸达一 定值时,胀大区消失。
II区中， Δn增加迅速。 拉伸流动速度场的取向因
较大而增大
解取向作用因ηe逐渐增大而削弱
有效取向大幅度上升
III区，
Δn不变，达到了饱和值。
丝条几乎固化， 大分子活动性小，形变困难， 拉伸应力不足使大分子取向
Δn达到饱和值。
ⅱ在纺程上发生结晶的聚合体的取向度发展
塑性形变区 Δn略增 结晶取向区 Δn增大显著 流动形变 区 Δn略增
12
G
G
N Re,el
熔体破裂发生与否取决于纺丝流体的粘弹性 质（）及其在喷丝孔道中的流动状态（ ）。 调节影响和 的各项因素来避免熔体破裂。 提高温度以减小，增大泵供量以降低有效
。
二、熔体纺丝的运动学和动力学
（一）熔体纺丝线上的速度分布
3.3干法纺丝及其他纺丝方法原理及工艺
有研究表明，将聚合物熔体表面遮蔽起来，如采用保温 隔膜，则纺丝过程可以稳定的进行。
熔池纺丝法可以生产与普通熔融纺丝性质类似的纤维， 但纤维的变异系数较大。采用熔池纺丝法还可较为容易的生 产双组份复合纤维，将芯层聚合物熔体从皮层聚合物熔体表 面溶液浓度和温 度下，可以形成各向异性溶液或熔体。 在纤维制造过程中，各向异性溶液或熔体的液晶区在 剪切和拉伸流动下易于取向，同时各向异性聚合物在冷 却过程中会发生相变形成高结晶性的固体，从而可以得 到高取向度和高结晶度的高强纤维。 溶致性聚合物的液晶纺丝通常采用干湿法纺丝工艺。 热致性聚合物的液晶纺丝可采用熔融纺丝工艺。
Fg通常较小，Fs可忽略
3.3.2.2干纺纺丝中的传热和传质
I区(起始蒸发区) (近喷孔处)： 溶剂大量挥发 T↓↓至Tm附近，且T中心>T表面
II区(恒速蒸发区) ： 溶剂恒速挥发 T≈Tm III区（降速蒸发区）：溶剂降速挥发 T表↑至T热风
干纺成形时沿纺程温度和溶剂的 浓度分布图 1－纤维表面温度 2－纤维中心温度 3－纤维内溶剂的平均浓度 CP－纤维周围的介质 P－纺丝溶液 X (t)－纺程（时间） Tm－湿球温度
3.4.4相分离纺丝法
与冻胶纺丝法类似，采用一种聚合物溶液作为纺丝原液， 纺丝线的固化是改变温度的结果，而不是改变溶液的组成。 由聚合物在溶剂中不同温度下溶解度不同的原理，使聚合 物溶液极速降温，从而导致聚合物与溶剂发生相分离而固化。 临界相分离温度高于室温而低于挤出温度。
所得初生纤维经过拉伸和萃取溶剂得到成品纤维
化学纤维生产原理及工艺
3.3干法纺丝原理及工艺
3.3.1干法纺丝工艺
将聚合物溶于挥发性溶剂中，通过喷丝孔喷出细 流，在热空气中形成纤维的纺丝方法。 分解温度低于熔点或加热时易变色，但能溶解在 适当溶剂中的聚合物适用于干法纺丝.
7-1化学纤维的纺丝成型
高分子材料生产控制
任务7.1：化学纤维成型
化学纤维成型加工的基本过程
概述
（一）基础阶段 （二）成型阶段 （三）后成型阶段
第三节 化学纤维的生产方法概述
化学纤维的制造可概括为以下四个工序：
原料 制备
纺丝流体 （液）制备
化学纤维的 纺丝成型
一、原料制备
化学纤维 的后加工
再生纤维
由天然高聚物经化学加工制造而成，其原料制备过程是将天然 高分子化合物经一系列的化学处理和机械加工，提纯去除杂质。
玻璃态的无定形聚合物最好称为无定形固体。
1.无定形聚合物的分子结构
无定形聚合物中的大分子和在溶液中的大分子一样，是无规线团状。
化学纤维拉伸原理
2.大分子的运动
• 聚合物的运动可以有两种形式： (1)分子链改变构象 (2)相对运动到其相邻位置。
两种情况都可以认为是自行扩散。 由于分子链很长，而且相互缠结， 所以扩散时移动的方向不是任意的。
聚合物链的扩散理论: 蠕动理论
蠕动模型 分子链P在若干固定 的障碍物O间爬行，但不能跨越 任一障碍
化学纤维拉伸原理
（三）拉伸的实施方法
1.干拉伸
室温拉伸 Tg在室温附近的初生纤维 热拉伸 Tg 较高或拉伸应力较大的（长丝）纤 维，热源：热盘、热板或热箱
2.蒸汽浴拉伸
饱和蒸汽浴拉伸 过热蒸汽浴拉伸
Tg大、拉伸应力大、 拉伸倍数高的(短)纤维
冻胶纺丝通常采用干湿法纺丝工艺，使挤出细流先通 过气隙，然后进入凝固浴。
因此与普通干湿法 纺丝的区别，主要不 在于纺丝工艺，而在 于挤出细流在凝固浴 中的状态不同.。
冻胶纺丝的技术要点
冻胶纺丝的所有技术要点都是为了减少宏观和微观的缺陷， 使结晶结构接近理想的纤维，使分子链几乎完全沿纤维轴取向。
任务7.1：化学纤维成型
化学纤维成型加工的基本过程
概述
（一）基础阶段 （二）成型阶段 （三）后成型阶段
第三节 化学纤维的生产方法概述
化学纤维的制造可概括为以下四个工序：
原料 制备
纺丝流体 （液）制备
化学纤维的 纺丝成型
一、原料制备
化学纤维 的后加工
再生纤维
由天然高聚物经化学加工制造而成，其原料制备过程是将天然 高分子化合物经一系列的化学处理和机械加工，提纯去除杂质。
玻璃态的无定形聚合物最好称为无定形固体。
1.无定形聚合物的分子结构
无定形聚合物中的大分子和在溶液中的大分子一样，是无规线团状。
化学纤维拉伸原理
2.大分子的运动
• 聚合物的运动可以有两种形式： (1)分子链改变构象 (2)相对运动到其相邻位置。
两种情况都可以认为是自行扩散。 由于分子链很长，而且相互缠结， 所以扩散时移动的方向不是任意的。
聚合物链的扩散理论: 蠕动理论
蠕动模型 分子链P在若干固定 的障碍物O间爬行，但不能跨越 任一障碍
化学纤维拉伸原理
（三）拉伸的实施方法
1.干拉伸
室温拉伸 Tg在室温附近的初生纤维 热拉伸 Tg 较高或拉伸应力较大的（长丝）纤 维，热源：热盘、热板或热箱
2.蒸汽浴拉伸
饱和蒸汽浴拉伸 过热蒸汽浴拉伸
Tg大、拉伸应力大、 拉伸倍数高的(短)纤维
冻胶纺丝通常采用干湿法纺丝工艺，使挤出细流先通 过气隙，然后进入凝固浴。
因此与普通干湿法 纺丝的区别，主要不 在于纺丝工艺，而在 于挤出细流在凝固浴 中的状态不同.。
冻胶纺丝的技术要点
冻胶纺丝的所有技术要点都是为了减少宏观和微观的缺陷， 使结晶结构接近理想的纤维，使分子链几乎完全沿纤维轴取向。
第八章 化学纤维成型原理概述1
ɺ ε (x) <0
ε 在细流最大直径处，ɺ (x) =0， 胀大区随喷丝头拉伸而减小,喷丝头拉伸达一 定值时，胀大区消失。
Ⅱ区（形变细化区） 形变细化区） 位置:胀大点---固化点。 50~150cm左右， 细流拉长变细---取向 故vx沿纺程x的变化常呈S形，拐点把Ⅱ区划 分为区Ⅱa和区Ⅱb： 在区Ⅱa中:
相变热所致！！！
（二）熔体纺丝线上的冷却长度Lk 纺程:从喷丝板(x=0)到卷绕点(x=L)之间距离。 冷却长度( Lk ):喷丝板到丝条固化点(x=xe)之间的距 离。 求Lk的方法 ①由纺程上直径分布：d不变时所对应的距喷头距离 ②由纺程上速度分布：V不变时所对应的距喷头距离 ③由纺程上温度分布： 无相变热时，若固化点T=Te，
对于纺丝线上发生的结晶情况，Vx要考虑 相态变化。
ɺ ε (x)
图8-9 PET熔体纺丝线上的直径变化 熔体纺丝线上的直径变化
可见，纺丝速度为4000m/min时，丝条直径 沿纺程单一地减少。 纺丝速度≥6000m/min，存在丝条直径急剧减 小的位置。---径缩(结晶放热-细颈拉伸)
（二）熔体纺丝线上的力平衡及分布
速度分布和拉 伸应变速率变化 1-PA6 2-PET 3-PS
vx曲线可见， 丝条的加速运动是非均匀的。 在Dm之前，减速 Dm以后，逐步加速， 固化后速度基本上维持恒定。
ɺ ε (x) 有极大值存在。
根据拉伸应变速率的不同，将整个纺丝线分 成三个区域。
Ⅰ区（挤出胀大区） 挤出胀大区） 位置： 喷丝板—Dm X<10mm。 表现:体积膨化,松弛。 vx沿纺程减小，
ρ 0 A0 v0 = ρAv = ρ L AL v L = 常数
式中：ρ0、ρ、ρL丝条在喷丝孔口、纺丝线上某 点和卷绕丝的密度； A 0 、A 、A L各点的丝条横截面积； v 0 、v、v L各点丝条的运动速度。
高分子材料加工原理第五章
(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 (do (2)物理形态变化 ①宏观状态参数 T-X (温度场) Ci-X (浓度场) ②微观状态参数 取向度 结晶度 网络结构 V-X (速度场) P-X (应力场) dx)
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
έ(x) =
dVx dx
Test stand for temperature and velocity measurement: Infrared Camera and Laser Doppler Anemometer
(3)化学结构变化
（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： , T , Ci , P, 0
t
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 溶液纺丝 ρxAxVx=常数 ρxAxVxCix=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
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
第2章化学纤维成型原理精品PPT课件
特征：波浪形、鲨鱼皮形、竹节形或螺旋形畸变，甚至发生破裂 判断：弹性雷诺准数＞5
三、熔体纺丝的运动学和动力学
1、熔体纺丝线上的速度分布：
熔体从喷丝孔挤出后，熔体丝条逐渐被拉细，运动速度逐步加大
2、熔体纺丝线上的力平衡：
Fp＋Fg=Fr＋Fi＋Ff＋Fs 式中卷绕张力Fp可用张力计在纺丝线上直接测定，重力Fg、惯性力Fi、摩擦力Ff及表面张力Fs可根据理论 计算得到，从而可求出流变阻力Fr
传热过程：热效应不大（传质过程中温度差别不大）
四、湿法纺丝中纤维结构的形成
1、初生纤维溶胀度：
取向度：溶胀度↓→高聚物含量↑→分子间作用力↑→取向度↑→ 断裂强度↑ 序态和染色饱和值：溶胀度↑→较高的碘溶胀度（低序态）和高的染色饱和值 干燥收缩率：溶胀度↑→纵向收缩率↑
2、形态结构：
横截面形状：强烈凝固→非圆形横截面 缓慢凝固→圆形横截面
大分子链结构：分子间作用力强、刚性分子链、化学交联→溶解度↓ 超分子结构：结晶高聚物→溶解度↓ 溶剂：极性溶剂（成纤高聚物是极性高聚物）
3、溶剂的选择：
高分子～溶液相互作用参数χ1： χ1< 1/2 →大分子和溶剂分子间作用能↑→溶解 χ1<1/2 →大分子和溶剂分子间作用能↑→不溶解
相似相溶：结构 内聚能密度或溶度参数相近 ：溶解
四、成型过程中的热量变化
热量变化：熔体细流不断向周围介质释出热量，温度逐渐下降。 手段：强制对流传热（环形吹风、侧吹风）
五、熔体纺丝中纤维结构的形成
1、取向：
机理：熔体状态下的流动取向机理（喷丝孔中切变流场中的流动取向和出喷丝孔后熔体细流在拉伸流场 中的流动取向）；纤维固化之后的形变取向机理
表示：双折射Δn，Δn↑→纤维取向度↑ 大小：流动形变区：该区在喷丝板以下0～70cm范围，解取向主要（高温），取向很小
三、熔体纺丝的运动学和动力学
1、熔体纺丝线上的速度分布：
熔体从喷丝孔挤出后，熔体丝条逐渐被拉细，运动速度逐步加大
2、熔体纺丝线上的力平衡：
Fp＋Fg=Fr＋Fi＋Ff＋Fs 式中卷绕张力Fp可用张力计在纺丝线上直接测定，重力Fg、惯性力Fi、摩擦力Ff及表面张力Fs可根据理论 计算得到，从而可求出流变阻力Fr
传热过程：热效应不大（传质过程中温度差别不大）
四、湿法纺丝中纤维结构的形成
1、初生纤维溶胀度：
取向度：溶胀度↓→高聚物含量↑→分子间作用力↑→取向度↑→ 断裂强度↑ 序态和染色饱和值：溶胀度↑→较高的碘溶胀度（低序态）和高的染色饱和值 干燥收缩率：溶胀度↑→纵向收缩率↑
2、形态结构：
横截面形状：强烈凝固→非圆形横截面 缓慢凝固→圆形横截面
大分子链结构：分子间作用力强、刚性分子链、化学交联→溶解度↓ 超分子结构：结晶高聚物→溶解度↓ 溶剂：极性溶剂（成纤高聚物是极性高聚物）
3、溶剂的选择：
高分子～溶液相互作用参数χ1： χ1< 1/2 →大分子和溶剂分子间作用能↑→溶解 χ1<1/2 →大分子和溶剂分子间作用能↑→不溶解
相似相溶：结构 内聚能密度或溶度参数相近 ：溶解
四、成型过程中的热量变化
热量变化：熔体细流不断向周围介质释出热量，温度逐渐下降。 手段：强制对流传热（环形吹风、侧吹风）
五、熔体纺丝中纤维结构的形成
1、取向：
机理：熔体状态下的流动取向机理（喷丝孔中切变流场中的流动取向和出喷丝孔后熔体细流在拉伸流场 中的流动取向）；纤维固化之后的形变取向机理
表示：双折射Δn，Δn↑→纤维取向度↑ 大小：流动形变区：该区在喷丝板以下0～70cm范围，解取向主要（高温），取向很小
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cr
cr
因此，弹性雷诺准数可以作为熔体破裂的判据。一般来说， Reel ＞5～8时，即会发生熔体破裂。 措施 由上式可得，熔体破裂避免的措施为：
cr τ↓(T↑→τ↓)、 ↓(Q→ ↓) →Reel↓→避免 cr 提高纺丝流体温度和减小泵供量以减低 cr
4.2 熔体纺丝
概述
一、熔体纺丝工艺
但熔体纺丝中，由于卷绕速度较大，即拉伸比v(L)/v(0) 较 大，通常不存在胀大区。
形变区（第Ⅱ区） 在卷绕张力的作用下，细流被拉长变细，此区的长度
在50～150cm，从直径膨化最大的地方一直到玻璃化温度 Tg对应的地方（固化点），此区叫细化区。 由于变细，即有D(x)减小，故v(x)增加；纺丝线上的v(x) 沿纺程x的变化通常呈S形曲线，拐点把此区划分为Ⅱa和 Ⅱb区。 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域。
(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:
B、理论
Ziabicki认为聚合物的断裂主要有2种，内聚 断裂和毛细破坏。 （1）内聚断裂:也叫脆性断裂
当储存的弹性能密度超过某临界值W * (相当于液
体的内聚能密度K)时，流体便发生破坏。
线性粘弹体的断裂条件为：W * = σxx /2E≈ K
（1）纺丝线上的任何一点，聚合物的流动是稳态的和连续的。 纺丝线：纺丝细流与固化纤维的总称，与 纺程是不同的。 稳态的：纺丝线上任何一点的状态参数不 随时间而变化。 d(V、T、P、C)/dt＝0 连续的：在稳态条件下，在某一时刻，纺 丝线上任何一点所流经的质量是相等的。
ρ 0V0A0＝ρ LVLAL＝ρ VA＝常数
dv d 2vx ( ) ＞ 0， 2 ＜ 0； 在此区中，D(x)减小，v(x)增加， dx dx
温度T较低使拉伸粘度较大，导致松弛时间延长，形成的结构
容易被稳定下来，即容易取向和结晶。
故此区是结构形成的区域，v(L)越大，则越易取向和结晶
等速区（第Ⅲ区）
从固化点一直到卷绕点。
在此区中，由于直径D(x)不变，故速度v(x)也不变； 但结构会发生变化，结构进一步在此形成，可能发生
ρ0«ρ
Fg g
0
x
d x
4
dx
低速纺时，Fg较重要；高速纺丝中，Fg的作用减弱甚至可忽略
B、表面张力Fs
纺丝过程是一个比表面积逐渐增大的过程，但表面张 力要使液体的表面趋于最小化，因此表面张力是一个 抵抗拉伸的作用力。
界面张力λ（N/m）：单位分界边缘上的力，聚合物熔体的 界面张力一般为0.03～0.08 N/m。 表面张力Fs：由界面张力可以计算求得，其关系式为：
原则上,这两种断裂机理都能独立地对丝条的断裂起作用.
两种断裂机理起控制作用的条件:
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χ* 有极大值,可纺性最好
4.1. 4 挤出细流的类型
随着纺丝流体的粘弹性和挤出条件的不同，有4种类型。
(1)液滴型
定义
由内聚破坏所决定的最大拉丝长度
Xcoh=1/2[ln(2k/E)-2ln(V0τ ξ )]/ ξ
式中：V0 —— 流体挤出速度， ξ ——拉伸形变梯度 =d(lnV)/dx，τ —— 松驰时间 内聚能密度K↑ ， ξ 、V0及τ ↓ xcoh ↑
（2）毛细破坏
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，流体便发生破坏。
dvx d 2vx 0, 2 0 dx dx
固化丝条运动区：Vx=K，d=K‘，
胀大区
形变区
等速区
胀大区（Ⅰ区 ）
从喷丝板一直到对应于直径膨化最大的地方，通常离喷丝 板不超过10mm,即x ＜10mm。 在此区中，由于弹性表现而呈现胀大效应，故直径增大而 速度减小；即有D(x)增大，而v(x)下降，拉伸应变速率 (dv/dx) ≤ 0。
(3) 胀大型
定义
挤出的细流在孔口处发生胀大，但不依附于喷丝板 面的挤出类型，叫做“胀大型”。
胀大比B0 细流的最大直径与喷丝孔的直径之比，叫做“胀大
比”B0。纺丝流体出现孔口胀大现象，是由于纺丝 流体的弹性。 一般纺丝流体的胀大比B0为1～2.5；个别的高达7
（4）破裂型
在胀大型的基础，丝条如果继续提高挤出速度，挤出细流 则会因均匀性的破坏而转化为破裂型。
PA熔体纺丝线上的直径分布
PA熔体纺丝线上的速度分布
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 :
dvx 0 挤出胀大区:沿纺程Vx减小, dx
d=dmax时， 形变（细化）区： Ⅱa ： Ⅱb ：
dvx 0 dx
dvx d 2vx 0, 0 dx dx 2
Ⅱa:拉伸流动的主要区域，对纤维的均匀性影响很大.
dv d 2vx ( ) ＞ 0， 2 ＞ 0；温 在此区中，D(x)减小，v(x)增加， dx dx
度T较高使拉伸粘度较小，在拉伸力作用下容易发生细化，即 直径下降的变化较大。
故此区是拉伸流动的主要区域，要严格控制冷吹风条件
Ⅱb区：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
定义
不管是熔纺，还是湿纺，初生纤维的外表呈现出波浪形、鲨鱼皮形、
竹节形或螺旋形畸变，甚至破裂，叫做不稳定流动、熔体破裂。
条件
对于绝大多数聚合物来说，拉伸应力σ≥σcr＝105Pa时，出现的
可能性增大↑。M↑、T↓→σcr↓，即可能性增大↑。 发生破裂型的临界切变速率 cr 的大小，因粘度而异。一般来
毛细破坏：毛细破坏的条件为：
δ (x1)x =x * 1
= R(x1)x =x * 1
由毛细破坏所决定的最大拉丝长度xcap ≈2ln(R0/δ 0)/[ξ +(8α /ρ V0R0) ]┅ ┅ η 极小、α 很大时 ≈[2ln (R0/δ 0)-(2α/3η V0R0ξ )]/ξ ┅ ┅ η 极大、α 较小时
B、主要变化
（1）几何形态上的变化 纺丝流体通过喷丝孔挤出的变化；纺丝线上的横截面 形状的变化 （2）物理状态的变化 聚合物的溶解和熔化；纺丝流体的流动和形变；丝条 的固化和结晶；拉伸流动中的取向；纺丝过程中的扩散、 传热和传质。
（3）化学结构的变化 主要发生在再生纤维的纺制过程中。
4.1.2 纺丝过程的基本规律
挤出细流一滴一滴的挤出来的类型，叫做液滴型
条件
内因：纺丝流体本身的α/η≥10-2cm/s时，α/η↑ → 可能性↑ 外因：T↑→η↓→可能性↑；v0↓、R0↓→可能性↑。 措施
T↓→η↑→可能性↓；Q↑→ v0↑→可能性↓。 降低温度或增加泵供量可以避免
（2）漫流型
定义
挤出细流在喷丝板表面舒展开来的挤出类型，叫做漫流型
条件
随着粘度η↑、表面张力α↓，以及喷丝孔径R0↑和挤出速度v0↑的增 加，挤出细流由液滴型向漫流型转变。
措施
由于在喷丝板表面舒展，从而使细流间相互粘连，会引起丝条的周 期断裂和毛丝，因此要避免。 v0 ≥ vcr→漫流型↓。 注意：R0↓、η↓→ vcr↑→漫流型↑。 a、在喷丝板表面涂硅树脂，减小表面张力，降低可能性； b、降低纺丝温度，使丝条的粘度上高，以降低可能性； c、提高泵供量，使挤出速度提高，以降低可能性。
取向诱导结晶。
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
4.2.2 熔体纺丝的动力学
（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)为在x=X处丝条所受到的流变阻力； Fr(0)为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为纺丝线在纺程中需克服的表面张力； Fi为使纺丝线作轴向加速运动所需克服的惯性力； Ff为空气对运动着的纺丝线表面所产生的摩擦阻力； Fg为重力场对纺丝线的作用力
4.1.3 纺丝流动的可纺性 A、定义
可纺性：流体在拉伸作用下形成连续细长丝条的能力.可纺 性问题实质上是一个单轴拉伸流动的流变学问题. 可纺性是成纤聚合物的必要条件，而不是充分条件。成纤 聚合物还必须具有热稳定性、化学稳定性和物理力学性质。 可纺性的评定 (1)细流最大的拉丝长度χ
*
(2)细流的断裂伸长比L(tB)/L(o)
说，M↑、T↓→
↓，即可能性增大↑。 cr
临界粘度也可作为破裂的标志：ηcr＝0.025η0。
原因 在纺丝过程中，之所以会出现不稳定流动与破裂，是由于 弹性过大，造成聚合物流体的流动变为弹性湍流。 纺丝流体的弹性可复剪切应变γ可表示为： cr γ＝σ12/G＝η /G＝τ ＝Reel
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。
网络丝的加工
网络丝是指丝条在网络喷嘴中，经喷射气流作 用，单丝互相缠结而呈周期性网络点的长丝。
短纤维集束
第四章
化学纤维的纺丝成型原理
4.1 概述
化学纤维的成型是将纺丝流体（聚合物熔体或溶液） 以一定流量从喷丝孔挤出，固化而称为纤维的过程。 熔体纺丝
干法纺丝
湿法纺丝
4.1.1 化纤成型的基本步骤和主要变化
A、基本步骤
（1）纺丝流体在喷丝孔中的流动； （2）挤出细流中的内应力松弛与流场的 转变，即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）丝条的单轴拉伸流动； （4）纤维的固化。
cr
因此，弹性雷诺准数可以作为熔体破裂的判据。一般来说， Reel ＞5～8时，即会发生熔体破裂。 措施 由上式可得，熔体破裂避免的措施为：
cr τ↓(T↑→τ↓)、 ↓(Q→ ↓) →Reel↓→避免 cr 提高纺丝流体温度和减小泵供量以减低 cr
4.2 熔体纺丝
概述
一、熔体纺丝工艺
但熔体纺丝中，由于卷绕速度较大，即拉伸比v(L)/v(0) 较 大，通常不存在胀大区。
形变区（第Ⅱ区） 在卷绕张力的作用下，细流被拉长变细，此区的长度
在50～150cm，从直径膨化最大的地方一直到玻璃化温度 Tg对应的地方（固化点），此区叫细化区。 由于变细，即有D(x)减小，故v(x)增加；纺丝线上的v(x) 沿纺程x的变化通常呈S形曲线，拐点把此区划分为Ⅱa和 Ⅱb区。 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域。
(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:
B、理论
Ziabicki认为聚合物的断裂主要有2种，内聚 断裂和毛细破坏。 （1）内聚断裂:也叫脆性断裂
当储存的弹性能密度超过某临界值W * (相当于液
体的内聚能密度K)时，流体便发生破坏。
线性粘弹体的断裂条件为：W * = σxx /2E≈ K
（1）纺丝线上的任何一点，聚合物的流动是稳态的和连续的。 纺丝线：纺丝细流与固化纤维的总称，与 纺程是不同的。 稳态的：纺丝线上任何一点的状态参数不 随时间而变化。 d(V、T、P、C)/dt＝0 连续的：在稳态条件下，在某一时刻，纺 丝线上任何一点所流经的质量是相等的。
ρ 0V0A0＝ρ LVLAL＝ρ VA＝常数
dv d 2vx ( ) ＞ 0， 2 ＜ 0； 在此区中，D(x)减小，v(x)增加， dx dx
温度T较低使拉伸粘度较大，导致松弛时间延长，形成的结构
容易被稳定下来，即容易取向和结晶。
故此区是结构形成的区域，v(L)越大，则越易取向和结晶
等速区（第Ⅲ区）
从固化点一直到卷绕点。
在此区中，由于直径D(x)不变，故速度v(x)也不变； 但结构会发生变化，结构进一步在此形成，可能发生
ρ0«ρ
Fg g
0
x
d x
4
dx
低速纺时，Fg较重要；高速纺丝中，Fg的作用减弱甚至可忽略
B、表面张力Fs
纺丝过程是一个比表面积逐渐增大的过程，但表面张 力要使液体的表面趋于最小化，因此表面张力是一个 抵抗拉伸的作用力。
界面张力λ（N/m）：单位分界边缘上的力，聚合物熔体的 界面张力一般为0.03～0.08 N/m。 表面张力Fs：由界面张力可以计算求得，其关系式为：
原则上,这两种断裂机理都能独立地对丝条的断裂起作用.
两种断裂机理起控制作用的条件:
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χ* 有极大值,可纺性最好
4.1. 4 挤出细流的类型
随着纺丝流体的粘弹性和挤出条件的不同，有4种类型。
(1)液滴型
定义
由内聚破坏所决定的最大拉丝长度
Xcoh=1/2[ln(2k/E)-2ln(V0τ ξ )]/ ξ
式中：V0 —— 流体挤出速度， ξ ——拉伸形变梯度 =d(lnV)/dx，τ —— 松驰时间 内聚能密度K↑ ， ξ 、V0及τ ↓ xcoh ↑
（2）毛细破坏
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，流体便发生破坏。
dvx d 2vx 0, 2 0 dx dx
固化丝条运动区：Vx=K，d=K‘，
胀大区
形变区
等速区
胀大区（Ⅰ区 ）
从喷丝板一直到对应于直径膨化最大的地方，通常离喷丝 板不超过10mm,即x ＜10mm。 在此区中，由于弹性表现而呈现胀大效应，故直径增大而 速度减小；即有D(x)增大，而v(x)下降，拉伸应变速率 (dv/dx) ≤ 0。
(3) 胀大型
定义
挤出的细流在孔口处发生胀大，但不依附于喷丝板 面的挤出类型，叫做“胀大型”。
胀大比B0 细流的最大直径与喷丝孔的直径之比，叫做“胀大
比”B0。纺丝流体出现孔口胀大现象，是由于纺丝 流体的弹性。 一般纺丝流体的胀大比B0为1～2.5；个别的高达7
（4）破裂型
在胀大型的基础，丝条如果继续提高挤出速度，挤出细流 则会因均匀性的破坏而转化为破裂型。
PA熔体纺丝线上的直径分布
PA熔体纺丝线上的速度分布
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 :
dvx 0 挤出胀大区:沿纺程Vx减小, dx
d=dmax时， 形变（细化）区： Ⅱa ： Ⅱb ：
dvx 0 dx
dvx d 2vx 0, 0 dx dx 2
Ⅱa:拉伸流动的主要区域，对纤维的均匀性影响很大.
dv d 2vx ( ) ＞ 0， 2 ＞ 0；温 在此区中，D(x)减小，v(x)增加， dx dx
度T较高使拉伸粘度较小，在拉伸力作用下容易发生细化，即 直径下降的变化较大。
故此区是拉伸流动的主要区域，要严格控制冷吹风条件
Ⅱb区：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
定义
不管是熔纺，还是湿纺，初生纤维的外表呈现出波浪形、鲨鱼皮形、
竹节形或螺旋形畸变，甚至破裂，叫做不稳定流动、熔体破裂。
条件
对于绝大多数聚合物来说，拉伸应力σ≥σcr＝105Pa时，出现的
可能性增大↑。M↑、T↓→σcr↓，即可能性增大↑。 发生破裂型的临界切变速率 cr 的大小，因粘度而异。一般来
毛细破坏：毛细破坏的条件为：
δ (x1)x =x * 1
= R(x1)x =x * 1
由毛细破坏所决定的最大拉丝长度xcap ≈2ln(R0/δ 0)/[ξ +(8α /ρ V0R0) ]┅ ┅ η 极小、α 很大时 ≈[2ln (R0/δ 0)-(2α/3η V0R0ξ )]/ξ ┅ ┅ η 极大、α 较小时
B、主要变化
（1）几何形态上的变化 纺丝流体通过喷丝孔挤出的变化；纺丝线上的横截面 形状的变化 （2）物理状态的变化 聚合物的溶解和熔化；纺丝流体的流动和形变；丝条 的固化和结晶；拉伸流动中的取向；纺丝过程中的扩散、 传热和传质。
（3）化学结构的变化 主要发生在再生纤维的纺制过程中。
4.1.2 纺丝过程的基本规律
挤出细流一滴一滴的挤出来的类型，叫做液滴型
条件
内因：纺丝流体本身的α/η≥10-2cm/s时，α/η↑ → 可能性↑ 外因：T↑→η↓→可能性↑；v0↓、R0↓→可能性↑。 措施
T↓→η↑→可能性↓；Q↑→ v0↑→可能性↓。 降低温度或增加泵供量可以避免
（2）漫流型
定义
挤出细流在喷丝板表面舒展开来的挤出类型，叫做漫流型
条件
随着粘度η↑、表面张力α↓，以及喷丝孔径R0↑和挤出速度v0↑的增 加，挤出细流由液滴型向漫流型转变。
措施
由于在喷丝板表面舒展，从而使细流间相互粘连，会引起丝条的周 期断裂和毛丝，因此要避免。 v0 ≥ vcr→漫流型↓。 注意：R0↓、η↓→ vcr↑→漫流型↑。 a、在喷丝板表面涂硅树脂，减小表面张力，降低可能性； b、降低纺丝温度，使丝条的粘度上高，以降低可能性； c、提高泵供量，使挤出速度提高，以降低可能性。
取向诱导结晶。
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
4.2.2 熔体纺丝的动力学
（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)为在x=X处丝条所受到的流变阻力； Fr(0)为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为纺丝线在纺程中需克服的表面张力； Fi为使纺丝线作轴向加速运动所需克服的惯性力； Ff为空气对运动着的纺丝线表面所产生的摩擦阻力； Fg为重力场对纺丝线的作用力
4.1.3 纺丝流动的可纺性 A、定义
可纺性：流体在拉伸作用下形成连续细长丝条的能力.可纺 性问题实质上是一个单轴拉伸流动的流变学问题. 可纺性是成纤聚合物的必要条件，而不是充分条件。成纤 聚合物还必须具有热稳定性、化学稳定性和物理力学性质。 可纺性的评定 (1)细流最大的拉丝长度χ
*
(2)细流的断裂伸长比L(tB)/L(o)
说，M↑、T↓→
↓，即可能性增大↑。 cr
临界粘度也可作为破裂的标志：ηcr＝0.025η0。
原因 在纺丝过程中，之所以会出现不稳定流动与破裂，是由于 弹性过大，造成聚合物流体的流动变为弹性湍流。 纺丝流体的弹性可复剪切应变γ可表示为： cr γ＝σ12/G＝η /G＝τ ＝Reel
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。
网络丝的加工
网络丝是指丝条在网络喷嘴中，经喷射气流作 用，单丝互相缠结而呈周期性网络点的长丝。
短纤维集束
第四章
化学纤维的纺丝成型原理
4.1 概述
化学纤维的成型是将纺丝流体（聚合物熔体或溶液） 以一定流量从喷丝孔挤出，固化而称为纤维的过程。 熔体纺丝
干法纺丝
湿法纺丝
4.1.1 化纤成型的基本步骤和主要变化
A、基本步骤
（1）纺丝流体在喷丝孔中的流动； （2）挤出细流中的内应力松弛与流场的 转变，即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）丝条的单轴拉伸流动； （4）纤维的固化。