第六章-2-熔融纺丝

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。 颈缩点附近纺丝应力急剧增大。
图 PET纺丝线上的应力分布 纺丝线上的应力分布
3.熔体纺丝线上的传热及温度分布 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: 运动丝条和环境介质间的传热 (1)丝条内部 < r < R ):传导 丝条内部(0 丝条内部 传导 (2)从丝条表面到环境介质 主要为 从丝条表面到环境介质:主要为 从丝条表面到环境介质 对流传热， 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（ 在纺丝线上有轴向温度场（T-X） ） 径向的温度场（ ） 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， 温度分布情况，即轴向温度场和径 向温度场。 向温度场。
分析从离喷头x处到离喷头 处的一段纺丝线 分析从离喷头 处到离喷头L处的一段纺丝线 处到离喷头 (下脱离体 ： 下脱离体)： 下脱离体
Fr(x)=Fext+Fg-Fs-Fi-Ff Fr(0)=π R0σ xx(0)= π R0ηeέ (0)
2 2
小结 对于常规熔 纺 ，Fi 和Ff起 是流变力的主 要贡献者。
(1)轴向温度分布 轴向温度分布
假设： 假设： 内能U的变化及流动过程中能量失散均忽略不计； 内能 的变化及流动过程中能量失散均忽略不计； 忽略热 的变化及流动过程中能量失散均忽略不计 辐射； 在纺丝线上的任何一点上，聚合物流动是稳态的； 辐射； 在纺丝线上的任何一点上，聚合物流动是稳态的； 丝条在冷却过程中无相变热释放； 丝条在冷却过程中无相变热释放； 以拉伸应变速率和拉 伸应力作粘性拉伸流动过程中产生的热量可以忽略； 伸应力作粘性拉伸流动过程中产生的热量可以忽略； 沿丝 条轴向的传热可忽略； 丝条径向无温差； 条轴向的传热可忽略； 丝条径向无温差；并将丝条作圆柱 形处理，其直径为d、密度为ρ、速度为v。 形处理，其直径为 、密度为 、速度为 。
①重力Fg 重力
考虑流体丝条在环境介质中的浮力作用， 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： 体积的重力： 0
fg=g(ρ-ρ )cosθ cosθ=
θ ：丝条流动方向与 重力方向的夹角
ρ0«ρ
-1 垂直向上纺丝 0 水平纺丝 1 垂直向下纺丝
Fg = ∫ ρg
0
x
πd x
4
2
。
⑤流变力Fr 流变力 Fr
Fr(0):熔体细流在喷丝孔出口处作拉伸流动时所克服 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 在 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） 处丝条截面上所受的张力） （纺丝线上 处丝条截面上所受的张力
1.熔体纺丝线上的直径变化和速度分布 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 对稳态纺丝 且忽略各参数在丝条截面 上的分布): 上的分布 ρxAxVx=常数 常数
T(x)：由补偿式接 ： 度计、 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
8v y vx
) 2 ]0.167
N Re = (vd /ν a )
d为丝条的直径 λa 为空气导热系数 2.76×10-2W/(m.k); 为丝条的直径; 为空气导热系数, 为丝条的直径 × 运动粘度, × νa 为 运动粘度 1.6×10-5m2/s
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， 根据纺丝线上的力平衡方程式，可求得任意 处的纺丝应力， 点x处的纺丝应力，从而确定纺丝线上的应力分 处的纺丝应力 布.
在4000m/min的纺速下，纺丝应力 的纺速下， 的纺速下 沿纺程几乎单调增加。 沿纺程几乎单调增加。
Ff受纺速影响较大 接近 0，Vx特别小， 受纺速影响较大,接近 接近X 特别小， Ff也极微小 实际上 f绝大部分为 L以后 也极微小.实际上 绝大部分为V 实际上F 的纺丝线所贡献。 的纺丝线所贡献。 Ff和Vx的1.39次方成正比 次方成正比 在高速纺丝中， 在高速纺丝中，Ff 随Vx提高而急剧增 因此F 在高速纺速中作用十分重要， 大。因此 f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 成为丝条的握持力， 大影响 .
melt
solid
Melt-spinning sketch
直接纺： 直接纺：单体聚合
高聚物熔体
切片纺： 切片纺：切片筛选干燥等处理 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 在纺丝甬道中冷却 拉伸) 拉伸
上油、 上油、卷绕或落桶
熔体纺丝的主要设备——螺杆挤出机 纺丝的主要设备 螺杆挤出机
长丝的后加工－ 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 筒子架 卷绕丝筒 ， 导 丝棒 4—喂入辊 5—上拉伸盘 喂入辊 上拉伸盘 6—加热器 7—下拉伸盘 9—钢领 加热器 下拉伸盘 钢领 10—筒管 11—废丝轴 12—钢丝圈 筒管 废丝轴 钢丝圈
拉伸加捻流程
POY丝假捻变形的加工 丝假捻变形的加工
x
πdα *
dx)
Cp和W通常可视为常数，在a* 确定后，可求得纺 和 通常可视为常数 通常可视为常数， 确定后， 程上x处的温度 处的温度T(x)。 程上 处的温度 。
PA6纺丝线上的温度分布 纺丝线上的温度分布
PET纺丝线上的温度分布 纺丝线上的温度分布
PET纺速为 纺速为8000m/min时，纺丝线上的温度曲线与计 纺速为 时 算值不符,其原因是未考虑丝条冷却过程中的相变热 其原因是未考虑丝条冷却过程中的相变热， 算值不符 其原因是未考虑丝条冷却过程中的相变热，
第六章 化学纤维成型原理
熔体纺丝(melt spinning)原理 第二节 熔体纺丝 melt spinning)原理 一.熔体纺丝工艺 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 熔纺纤维的纺丝成型
dv x =0 d=dmax时， dx
形变（细化） 形变（细化）区：
dv x d 2vx Ⅱa ： dx > 0, dx 2 > 0
Ⅱb：
dv x d 2vx > 0, 2 < 0 dx dx
固化丝条运动区： 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
dx
很小，在高速纺丝中可忽略， 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。 纤维时较重要。
②表面张力Fs 表面张力
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 仅在液态区域内起作用；熔纺中一般很小， 仅在液态区域内起作用 低分子量物料外可忽略。 低分子量物料外可忽略。
(3)丝条冷却的 (3)丝条冷却的 传热系数
v
冷却过程的鲁塞尔数 Nnu和雷诺数 Re的实 和雷诺数N 验关系式： 验关系式：
*
ν
空气速度分量V保持恒定时，传热系数 空气速度分量 保持恒定时， 保持恒定时 随Vy分量的变化
0.334 Re
N nu = (α d / λa ) = 0.42 N
[1 + (
POY丝假捻变形的加工原理 丝假捻变形的加工原理
利用纤维的热塑性， 利用纤维的热塑性，经 变形” 过“变形”和热定型而制得 的高度卷曲蓬松的弹力丝。 的高度卷曲蓬松的弹力丝。 加捻、热定型、 加捻、热定型、解捻这 三个过程在同一台机器上完 成。
短纤维集束短纤维拉伸 Nhomakorabea二.熔体纺丝的运动学和动力学
(2)冷却长度 k 冷却长度L 冷却长度
求Lk的方法
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： 由纺程上温度分布： 无相变热时，若固化点 无相变热时，若固化点T=Te
T0 − Ts ρd v C p T0 − Ts Lk = = ⋅ ln * * Te − Ts Te − Ts πd α 4α WC p
出现极大值， Ⅱ区的έ出现极大值，是熔体细流向初生纤维转化 区的 出现极大值 的重要过渡阶段， 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， 结构的主要区域，因此是纺丝成形过程最重要的区 域。 拉伸流动的主要区域,对纤维的均匀性影响很大 Ⅱa:拉伸流动的主要区域 对纤维的均匀性影响很大 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 L 结构形成的主要区域，拉伸流动取向↑;如果 如果V 很大,可能发生大分子结晶 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: 区中纤维的初生结构继续完成 拉伸形变取向↑ 拉伸形变取向 结晶 形态结构形成
③摩擦力Ff 摩擦力
F f = ∫ σ rx ,s ( x ) ⋅ 2πRx dx
0 X
σ rx ,s
1 0 2 = C f ρ 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 也可通过测定张力来确定:
∆Fext Cf = 0 2 ρ v x ⋅ π r ⋅ ∆x
2.熔体纺丝线上的力平衡及应力分布 2.熔体纺丝线上的力平衡及应力分布