紡織干貨 | 深度分析熔體紡絲工藝的一般特點(diǎn)。

　　     熔體紡絲是一元體系，主要涉及高聚物熔體絲條與冷卻介質(zhì)間的傳熱，紡絲體系沒有組成的變化。其主要工藝過程包括紡絲熔體的制備，熔體從噴絲孔擠出，熔體絲條的拉伸、冷卻固化以及絲條的上油和卷繞。

　　熔體紡絲紡程如圖9-1所示。

　　熔體以一定的泵供量自噴絲孔中擠出，在紡程上熔體發(fā)生噴絲孔道中的剪切形變、噴出脹大、拉伸形變、細(xì)流的冷卻和固化，從而形成具有一定的超分子結(jié)構(gòu)的初生纖維。

　　1、紡程上絲條的直徑變化和速度分布

　　熔體從噴絲孔擠出后，由于熔體法向應(yīng)力的作用而發(fā)生脹大，然后細(xì)流被逐漸加速、拉伸，至冷卻固化后，速度和纖維直徑不再發(fā)生變化。

　　根據(jù)細(xì)流的拉伸應(yīng)變速率(即軸向速度梯度世)，可以將整個(gè)紡程分為擠出脹大區(qū)、形變區(qū)和固化絲條運(yùn)動(dòng)區(qū)三個(gè)區(qū)域，如圖9-2所示。

　　     第一區(qū)和第二區(qū)的交界處對應(yīng)于直徑脹大最大的部位，通常離噴絲板不超過1omm。第二區(qū)是發(fā)展拉伸流動(dòng)的主要區(qū)域，共長度隨紡絲條件而異，通常在50～150cm左右。

　　這一區(qū)域中世出現(xiàn)極大值，由于空氣冷卻作用，此時(shí)細(xì)流溫度下降、粘度增高，細(xì)流被拉長，使熔體大分子發(fā)生預(yù)取向。第二區(qū)也是控制冷卻條件的關(guān)鍵區(qū)域。第三區(qū)為固化絲條運(yùn)動(dòng)區(qū)，此時(shí)纖維的速度和直徑基本不變著=o，熔體細(xì)流轉(zhuǎn)化為完全冷卻的固態(tài)初生纖維，實(shí)質(zhì)為纖維從凝固溫度繼續(xù)冷卻到接近室溫，故為冷卻區(qū)。

　　2、熔體紡絲過程的動(dòng)力學(xué)

　　在熔體紡絲過程中，聚酯熔體從噴絲孔擠出后，受到卷繞力的軸向拉伸作用，而絲條在運(yùn)行過程中將克服各種阻力而被拉長細(xì)化。紡程上絲條的受力情況如圖9-3所示。

　　     從噴絲頭(x=0)到離噴絲頭x處的張力Fext(x)可表示為：Fext=Fi(x)+Fs(x)+Ff(x)+Fr(0)-Fg(x)。

　　式中Fext(x)為x處絲條所受的卷繞張力；Fi(x)為絲條做軸向加速運(yùn)動(dòng)需克服的慣性力；Fs(x)為絲條在紡程上需客服的表面張力；Ff(x)為空氣對絲條表面產(chǎn)生的摩擦阻力；Fr(0)為熔體細(xì)流在噴絲孔出口處作軸向拉伸流動(dòng)時(shí)所克服的流變阻力；Fg(x)為重力場對絲條的作用力。

　　在卷繞處(x=L)時(shí)，上式可寫成：Fext(L)=Fr(L)=Fi(o)+Fs(0)+Ff(0)+Fr(0)-Fg(0)

　　上式中表面張力Fs(0)存在于絲條處于液態(tài)的小段區(qū)域，表面張力Fs(0)和重力Fg(0)在常規(guī)紡絲或高速紡絲時(shí)占總紡絲張力的比例小于1%，故可忽略不計(jì)。

　　慣性力Fi(0)僅在紡程上絲條有加速運(yùn)動(dòng)的范圍內(nèi)存在，故絲條固化后，速度不再變化，慣性力為零；摩擦阻力Fi(0)在接近噴絲板處，由于熔體絲條速度特別小，空氣阻力也極微小。

　　實(shí)際上，空氣摩擦阻力絕大部分為達(dá)到卷繞速度以后的絲條所貢獻(xiàn)，并隨紡絲速度的平方而增加。低速紡絲時(shí)，空氣摩擦阻力對總張力的貢獻(xiàn)不大；但高速紡絲時(shí)，空氣摩擦阻力是不可忽視的因素。

　　在噴絲孔出口處(x0=0)，流變阻力Fr(0)為：

　　     式中：axx(0)為熔體細(xì)流在噴絲孔出口處的平均拉伸應(yīng)力；R0為噴絲孔半徑。

　　     卷繞張力對紡絲條件(卷繞速度和汞貢量、冷卻條件或擠出熔體的流變特性)是極為銘感的因此，可用于表征工業(yè)紡絲過程中工藝的穩(wěn)定性。