熔体纺丝(meltspinning)工艺原理

熔體紡絲 meltspinning 工藝原理 一熔體紡絲的定義及適用範圍將高分子聚合物加熱熔融成為一定粘度的紡絲熔體 利用紡絲泵連續均勻地擠壓到噴絲頭 通過噴絲頭的細孔壓出成為細絲流 然後在空氣或水中使其降溫凝固 通過牽伸成絲 第一節概述 二熔體紡絲的工序熔紡分直接紡絲法和切片紡絲法 直接紡絲是將聚合後的聚合物熔體直接送往紡絲 切片紡絲則需將高聚物溶體經鑄帶 切粒等紡前準備工序而後送往紡絲 熔體紡絲工藝主要包括 紡絲熔體的製備 將熔體經噴絲板眼壓出 熔體細流的形成 熔體細流被拉長變細並冷卻凝固 固態絲條的上油和捲繞 熔紡的主要特點是捲繞速度高 不需要溶劑和沉澱劑 設備簡單 工藝流程短 熔點低於分解溫度 可熔融形成熱穩定熔體的成纖聚合物 都可採用這一方法成形 如滌綸 丙綸 錦綸等 熔體紡絲是一元體系 只涉及聚合物熔體絲條與冷卻介質間的傳熱 紡絲體系沒有組成的變化 而幹法和濕法紡絲分別為二元體系 聚合物 溶劑 和三元體系 聚合物 溶劑 沉澱劑 在紡絲過程中 聚合物熔體以一定的流量自噴絲板細孔擠出 在噴絲板到捲繞裝置之間 絲條必須被拉伸至需要的細度並充分地冷卻固化 噴絲板的孔徑一般為0 1 0 4mm 而捲繞絲的直徑僅為20 30 m 熔體出噴絲孔後 絲條的直徑需成十倍的減小 絲條就應成百倍地被拉伸 因此卷繞的速度就應成百倍地高於擠出速度 由於聚合物熔體絲條一旦凝固便具有很大的抗張能力 因此 熔體紡絲的速度很高 工業上熔體紡絲的捲繞速度為每分鐘幾百米至幾千米 絲條的冷卻固化通常在噴絲板下的空氣中完成 為了加強冷卻效果 一般在噴絲板後 在垂直或平行於絲條的方向上吹送調溫調濕氣流 初生纖維的後處理主要有拉伸 熱定型 捲曲和假撚 拉伸可改變初生纖維的內部結構 提高斷裂強度和耐磨性 減少產品的伸長率 熱定型可調節紡絲過程帶來的高聚物內部分子間作用力 提高纖維的穩定性和其他物理 機械性能 染色性能 卷曲是改善合成纖維的加工性 羊毛和棉花纖維都是捲曲的 克服合成纖維表面光滑平直的不足 假撚是改進紡織品的風格 使其膨松並增加彈性 熔體紡絲理論是在高分子物理學與連續介質力學等學科背景下發展起來的 涉及的問題 紡絲過程中的動量和熱量交換 流動和形變下的大分子取向 聚合物結晶動力學 受紡絲條件影響的纖維形態 基本規律1 紡絲線上的任何一點上 高聚物的流動是 穩態 的和連續的 2 紡絲線上的主要成形區域內 占支配地位的形變是單軸拉伸 3 紡絲過程是一個狀態參數 T C 連續變化的非平衡態動力學變化 4 紡絲動力學包括幾個同時進行並相互聯繫的單元過程 如流體力學過程 傳熱 傳質 結構和聚集態變化過程等 第二節紡絲過程中的基本規律和主要參數 熔體紡絲過程中的參數可以歸為三類 第二節熔體紡絲過程的運動學和動力學 紡絲線上直徑的變化和速度的分佈 從速度分佈 可求出拉伸應變速率 軸向速度梯度 根據拉伸應變速率的不同 把整個紡絲線分成三個區域 第一區 在直徑膨化最大的地方 離噴絲板 10mm 第二區 發展拉伸流動的主要區域 通常在50 150CM 第三區 絲條已基本固化 不再明顯流動 初生纖維結構的形成和發展主要是指紡絲線上聚合物的取向和結晶 一熔體紡絲過程中的取向作用紡絲過程中發生取向是纖維製造中重要的結構形成過程之一 對成品纖維的取向貢獻最大的不是紡絲工序 而是拉伸工序 在紡絲過程中得到的取向度 即預取向度 對拉伸工序和成品纖維的取向度有很大的影響 對結晶動力學和晶體形態也有一定的影響 第三節熔體紡絲過程中纖維結構的形成 兩種取向機理 1 處於熔體狀態下的流動取向機理 包括噴絲孔中切變流場中的流動取向和出噴絲孔後熔體細流在拉伸流場中的流動取向 T高 小 取向小 可忽略 控制取向的速度場 軸向速度梯度 主要 2 纖維固化之後的形變機理 是一種橡膠網路取向拉伸 對捲繞絲的取向度也有貢獻 大小取決於形變比 取向度的測定 一般用取向因數f表徵 該式用於表徵單軸取向中結構單元的取向 表示單元晶胞某晶軸與纖維軸的平均夾角 當結構單元完全平行于纖維軸時 0 f 1 垂直于纖維軸時 90度 f 0 5 二熔體紡絲過程中的結晶熔體紡絲線上的結晶是控制絲條固化的一個極重要的動力學過程 紡絲線上的結晶對捲繞絲的結構和性能起決定作用 一 熔體紡絲中纖維結晶的主要特徵熔體紡絲中纖維結晶的特徵包括兩個方面 一是捲繞絲本身的晶態結構 二是熔體紡絲中聚合物結晶過程的發展 捲繞絲的結晶特性主要包括 晶格結構 結晶度 結晶形態和結晶取向等 它們對纖維的物理性能都有一定的影響 1 晶格結構成纖聚合物的晶體 大多數為對稱性較小的晶系 如三斜 單斜等 值得注意的是 纖維結晶中常常會出現同質多晶現象 即在不同的紡絲過程和紡絲條件下 生成不同的晶型 例如 聚丙烯 PP 在快速冷卻時形成六角次晶 而在緩慢固化時形成單斜晶體 2 結晶度聚合物的結晶極不完整 常用X射線衍射 熱分析或密度法來測定3 結晶形態及尺寸在光學和電子顯微鏡下 可以觀察到聚合物有多種形態 主要為球晶 柱晶 片晶 單晶 高速紡絲 紡速已達3000 4000m min 所得的捲繞絲稱為部分取向絲 用超高紡速 9000 10000m min 以獲得全取向絲的工藝也已研究成功 高速紡絲的優點有 生產能力大 所得纖維的貯存穩定性好 對捲繞工序的空調要求較低 能得到部分取向絲 可直接在拉伸變形機上加工 能形成穩定的卷裝 變形加工時截面形變小 加工容易 染色較均勻 三高速紡絲線上的結晶特徵 冷卻速率增加 結晶所需時間降低 結晶速率隨紡速提高而增加 取向使結晶速率大大增加的原因 可以概括為兩類 一 從結晶理論的角度看 大分子取向區域越大 生成晶核的臨界溫度也越高 因此 在熔體冷卻的過程中 取向高的體系能夠在較高的溫度下形成晶核 取向低的體系則相反 必須有較大的過冷度才能形成晶核 二 從熱力學的角度看 取向體系比未取向體系的熵值低 所以從熔體轉變為晶體時 取向體系的熵值變化小 即自由能變化較大 這樣就能使那些在未取向體系中不穩定的亞穩晶核穩定下來 即增大晶核生成的速率 對於取向度非常高的體系 臨界晶核尺寸將小到晶胞尺寸的數量級 有人提出在這種情況下 結晶的歷程就從通常的晶核形成和晶粒生長轉變為 整體均勻成核 nucleativecollapse 因此結晶速率迅速增加 一 熔融擠出切片熔融過程通常在螺杆擠壓機內進行 控制螺杆擠壓機各段溫度和箱體溫度可以改變熔體的溫度 使其具有適當的粘度和良好的可紡性 從螺杆擠壓機出來的熔體經過計量泵送往噴絲頭組件 後者由過濾網 分配板和噴絲板等組成 其作用是除去熔體中的雜質 使熔體均勻地送至噴絲板 第四節熔體紡絲過程 熔體粘度和溫度是熔體紡絲的主要工藝參數 在一定溫度下 熔體粘度主要取決於成纖聚合物的分子量 熔體粘度過高 則流動不均勻 使初生纖維拉伸時易產生毛絲 斷頭 熔體溫度可利用螺杆擠出機各段的溫度來控制 熔體溫度過高 會導致聚合物降解和形成氣泡 溫度過低 則熔體粘度過高 兩者均使紡絲過程不能正常進行 噴絲板用耐熱 耐腐蝕的不銹鋼材料製成 面上的小孔按一定規律排布 孔徑通常為0 2 0 5毫米 熔體通過噴絲板上的小孔形成熔體細流 細流直徑在出噴絲小孔處會出現膨脹現象 這是因熔體的彈性所致 不同的聚合物孔口膨脹程度不同 聚酯 聚醯胺熔體在正常紡絲條件下 孔口脹大比在1 5以下 彈性效應較顯著的是聚丙烯 孔口脹大常是流動不均的根源 生產上常採用增大噴絲小孔直徑 長徑比 小孔長度與直徑之比 和提高熔體溫度等措施來減小脹大比 以防止熔體破裂 在高應力或高剪切速率時 液體中的擾動難以抑制並易發展成不穩定流動 引起流體破壞 熔體的彈性的幾種表現 孔口脹大效應 紡絲流體的應變鬆弛 爬杆現象 液體的彈性回縮 螺杆擠出機 計量泵 噴絲板 二 冷卻固化熔體細流噴出後受到冷空氣的作用而冷卻固化 細流和周圍介質的熱交換主要以傳導和對流方式進行 熔體細流的溫度在冷卻過程中逐步下降 粘度則不斷提高 當粘度提高到某臨界值而捲繞張力已不足以使纖維繼續變細時 便到達了固化點 固化長度指熔體細流從噴絲孔口到固化點的長度 這是纖維結構形成的關鍵區域 冷風從四周吹向纖維的環形吹風 適用於短纖維的多孔紡 能有效地提高纖維品質 冷卻室內吹出冷空氣的風速 風溫需要均勻恒定 以保證熔體細流在紡絲過程中的溫度分佈 速度分佈和固化點的位置恒定 纖維所受的軸向拉力恒定才能制得粗細和結構均勻的纖維 不同品種的纖維根據需要可以適當地改變冷卻方式 如紡制民用纖維常在約2米長的冷卻室內用空氣介質冷卻成形 紡制聚酯和聚醯胺簾子線纖維則常在噴絲頭下方和冷卻室上方設置加熱裝置以降低纖維的冷卻速度 使初生纖維結構均勻 拉伸性能良好 在紡制粗條子纖維時 如棕絲 常以水為冷卻劑 使纖維迅速冷卻 熔體細流冷卻成形時在周圍空氣介質中遇到的摩擦阻力 比濕法紡絲成形時絲條承受的溶液阻力小 熔體細流一經固化 就有巨大的抗張能力 所以熔紡的捲繞速度比濕紡為高 一般在1000 1500米 分 噴絲頭拉伸比 捲繞速度與熔體從噴絲孔噴出速度之比 也比濕紡時高 三 上油熔紡纖維剛成形時幾乎是幹的 容易積聚靜電 纖維間的抱合力差 與設備的摩擦力大 因此在捲繞前要經過給油 給濕處理 對於吸水性較大的聚醯胺纖維還可以防止繞在筒管上的絲條再度吸水 以致發生縱向膨脹而出現松圈和塌邊等現象 化學纖維在紡絲和紡織加工過程中因不斷摩擦而產生靜電 必須使用助劑以防止或消除靜電積累 同時賦於纖維以柔軟 平滑等特性 使其順利通過後道工序 這種助劑統稱為化學纖維油劑 油劑主要由表面活性劑組成 能在化學纖維表面形成定向的吸附層 即油膜 油膜的親水基朝向空間 吸附空氣中的濕氣 在纖維表面上形成連續的水膜 使帶電離子在水膜上泳移 減少因摩擦所產生的靜