化纤加工工艺学考试复习习题-2013

1、合成纤维工艺学2013年复习范围 版权所有 翻版必究复习题一、名词解释1. 纺丝流变学：是研究纺丝流体的流动和变形的基本规律及造成流体流变的各因素之间关系的一门学科2. 临界缠结分子量: 是大分子链间发生相互缠结时的分子量。3. 粘流活化能：一个分子克服其他分子对他的作用而改变位置时所需的能量。4. 结构粘度指数：表征流体结构化的程度5. 拉伸粘度：作用在纤维丝条横截面的拉伸全应力分量与拉伸应变速率的比值6. 非牛顿指数：流体偏离牛顿流体的程度7. 零切粘度：剪切速率趋于零的粘度/ 低剪切速率时，缠结与解缠结处于一个动态平衡，表观粘度保持恒定，此时流体的粘度定义为零切粘度8. 表观粘度：流体的

2、流动曲线上原点与曲线上任意一点连线的斜率9. 稳态纺丝：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。同一时间不同位置运动速度V 、温度 T 、 组分C 、应力 P 等连续变化，但在每一个选定的位置上这些参数不随时间而变化，他们在纺丝线上形成一种稳定的分布。10. 纺丝 将成纤聚合物熔体或浓溶液，用纺丝泵（或称计量泵）连续、定量而均匀地从喷丝头（或喷丝板）的毛细孔中挤出，而成为液态细流，再在空气、水或特定的凝固浴中固化成为初生纤维的过程称“纺丝” 。11. 冷却长度：喷丝板至丝条固化点的距离。12. 可纺性流体承受稳定的拉伸操作所具有的形变能力；或流体在拉伸作用下形成连续细长丝条的能力，

3、称为可纺性。13. 内聚断裂所产生的内应力等于内聚力（丝条强度）在粘弹性流体的拉伸流动中，当储存的弹性能时发生的断裂，称为内聚断裂。14. 毛细断裂：由表面张力引起的扰动（波动）产生的毛细波发展到振幅等于自由表面无扰动的丝条半径R时，细流解离成液滴而发生的断裂，称为毛细断裂。15. 纤维聚集态结构：纤维聚集态结构，是指纤维中成纤聚合物大分子链间的几何排列，又称三次结构，也称为超高分子结构。16. 取向 大分子链、链段或微晶在外力作用下沿着外力方向有序的平行排列的现象，主要为单轴取向17. 链段取向 通过单键的内旋转引起的链段运动来完成，这种取向在玻璃化温度以上就可进行18. 分子链取向 通过各

4、链段的协同运动来完成，只有在粘流态下才能实现19. 晶粒取向 通过晶区的破坏和重新排列来完成，一般需在外力作用下进行20. 三因次溶解度参数21. 凝固值对同一高聚物溶液来说，滴定所用凝固浴体积的立方厘米数称为此滴定液（即凝固浴）的凝固值Vb ，它表征该浴液的凝固强度。 22. 双扩散 纺丝原液细流在凝固浴中的双扩散包括凝固浴中的凝固剂向原液细流内部的扩散，也包括原液中溶剂向凝固浴扩散23. 自由挤出速度 在无拉伸作用下：从计量泵送出的纺丝原液被压入喷丝孔道（喷丝孔直径为DD00，孔道长度为LL00），然后从喷丝孔口挤出。原液细流在孔口处出现胀大（膨化）。此时细流的速度是自由流出速度Vf，24

5、. 临界浓度：在一定温度下，当溶液中高聚物的浓度为某一固定值时，不断改变体系中溶剂于凝固剂的比例，在达某一临界值后，高聚物开始从溶液中析出，此时溶剂在溶剂凝固剂体系中的浓度成为临界浓度。25. 凝固强度凝固值Vb ，它表征该浴液的凝固强度。Vb的数值越小，凝固浴的凝固强度越大。Vb的数值越小，体系越容易发生相分离。26. 传质通量比溶剂的通量（Js）和非溶剂（凝固剂）的通量（JN）比值（Js/JN），此值称为传质通量比27 冷拉伸是指拉伸时初生纤维处于空气包围之中，纤维与空气介质之间有热量传递一般适应于玻璃化温度在室温附近的初生纤维；PA628. 拉伸点是细颈发生阶段，在生产上通常所说的“拉伸

6、点”或“拉伸区”，29. 增塑作用使大分子链的柔性或高分子材料的可塑性增大的作用当初生纤维内包含水、溶剂单体等低分子物，使分子间作用力减弱增塑作用30. 熔体破裂 发生在某临界挤出速度以上的不稳定流动，挤出物表面出现不规则现象甚至出现破裂 使其内部质量受到破坏31. 结晶速率常数在一定的温度下，结晶度达到最大可能结晶度的1/2所需时间的倒数(t1/2)-1称为结晶速率常数32.动力学结晶能力K(T)曲线下的面积，其表示高聚物从熔点Tm以单位冷却速率降温至玻璃化转变温度Tg时所得到的相对结晶度。一 填空及作图题。1. 影响纺丝流体剪切粘性的因素有：聚合物分子结构特征、聚合物溶液浓度温度溶剂性质、

7、混合流体静压。2. 影响拉伸粘度的主要因素有：拉伸应变速率、温度、相对分子量及其分布、混合。3. 聚合物流体的弹性主要来自构象熵的贡献，在纺丝成形中的表现有：挤出胀大。4. 化学纤维成型过程中，挤出细流的类型按照粘度增加排序为：液滴型漫流型胀大型破裂型四种。其转化条件为：流体表面张力、粘度、R0喷丝孔径、V0挤出速度,正常的挤出细流的类型是：胀大型。5. 决定最大丝条长度的断裂机理至少有二种，一种是内聚破坏，另一种是毛细破坏。熔体纺丝一般不发生内聚破坏湿法纺丝一般不发生毛细破坏缩聚型高聚物一般不发生内聚破坏加聚型高聚物一般不发生毛细破坏。6. 在稳态纺丝中，熔体纺丝线上受到的力有：重力Fg表面

8、张力Fs惯性力Fi摩擦阻力Ff流变阻力Fr，接近卷绕点时最主要的力是：卷绕张力Fext(Fr(L)。7. 在熔体纺丝线上丝条冷却的控制因素是变化的。在纺纱窗的上段纺丝线，冷却过程受冷却吹风速度Vy控制；此时，冷却吹风速度和温度变化对纤维不匀率的影响较大。在纺丝窗的下段纺丝线，冷却过程决定于丝条速度Vx。对于高速纺丝：Vy/Vx=0.125的位置上移，冷却过程对纤维的影响较小，所以高速纺丝条抗干扰性好，质量稳定。8. 纺丝过程中的取向作用有两种取向机理，一种是熔体状态下的流动取向，包括剪切流动取向和拉伸流动取向，另一种是纤维固化区的形变取向。9. 熔体纺丝高聚物动力学结晶能力由高到低依次为：PA

9、66PPPA6PET,常规纺丝线上能结晶的是：PA66PP,不能结晶的是：PA6PET。10. 根据拉伸应变速率的不同，可将熔体纺丝线分成胀大区形变（细化）区固化丝条运动区三个区，其中第二区是发生拉伸流动和形成纤维最初结构的主要区域，因此也是纺丝成型过程最重要的区域。11. 根据拉伸时所处的介质不同，纤维拉伸的方式一般有干拉伸湿拉伸和蒸气浴拉伸三种，其中，干拉伸又可分为室温拉伸和热拉伸。12. 纤维的拉伸形变包括：普弹形变高弹形变和塑性形变。初生纤维的拉伸一定是在高弹形变的基础上进行的。而塑性形变是拉伸形变中的有效部分，是拉伸过程中应设法发展的。13. 根据热定型时纤维的收缩状态来区分，热定型

10、有：控制张力热定型定长热定型部分收缩热定型自由收缩热定型。14. 纺丝流体是一个泛意上的概念，可以是高分子的             、             、             ，             、 

11、0;           等。三、画图题1. 画出各种高聚物流变体的流动曲线，并标出n值。 2. 常规熔体纺丝线上直径、速度、速度梯度和张力的分布图。3. 粘胶原液、干法纺丝原液、聚乙烯醇溶液的两相平衡图。4. 湿纺初生纤维横截面形状示意图。5. 在三元体系相平衡图上表示出浓缩凝固、稀释凝固、等浓凝固的路径。6. 画出干纺成形时沿纺程温度和溶剂的浓度分布图。根据传质机理和纤维内溶剂含量和温度的变化，可以把整个成形过程分成三个区域 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

12、浓度 -起始蒸发区 -恒速蒸发区 -降速蒸发区 CP-纤维周围的介质 P-纺丝溶液 -纺程 -湿球温度7. 画出a、b、c、d型拉伸曲线并标出各转折点的意义及坐标轴上对应值的意义 8. 画出温度、刚性链高聚物浓度对粘度的影响示意图。9. 画出拉伸线上速度和速度梯度分布曲线。连续热拉伸和塑化拉伸时速度（1）和速度梯度（2）的典型分布准备区（塑化区） 变形区（拉伸区） 松弛区10. 画出纤维在后加工过程中形变的示意图及坐标轴上对应值得意义。纤维在后加工过程中形变的示意图 1-拉伸 2-低温回复 5-松弛状态热收缩 4-定长热定型 3-控制张力热定型图中10 20 30分别表示拉伸过程中所发生的普弹

13、、高弹（粘弹）和粘性（塑性）形变；r表示剩余收缩11. 画出纤维热定型过程中分子间结合能的变化示意图。四、推导与计算1 根据连续方程，在传质和密度变化可以忽略的情况下，推导自由挤出速度Vf与自由流出细流的胀大比B0的关系式。书上有此处不再啰嗦2 已知湿法纺丝原液的挤出速度V0为10m/min，初生纤维在第一导辊上的卷取速度VL为3m/min，自由流出细流的胀大比B为1.2。计算：自由挤出速度Vf；表观和真实的喷丝头拉伸率a、f；表观和真实的喷丝头拉伸比if、ia。参考答案 6.94 -70% -56.6% 0.30 0.432 具体计算省去 3 聚合物流体流过半径为R、长度为L的喷丝孔时，若测

14、定喷丝孔两端压力降为P，试推导出流体在喷丝孔壁处（距喷丝孔中心R处）的剪切应力（12）w的大小。若考虑末端效应，该值将会增大还是减小？为什么?自己自圆其说即可4 若上述喷丝孔的R为0.1mm、L为2mm，流体流经喷丝孔两端的压力降P为5×104Pa，且流体属非牛顿流体（n=0.5），试问a=12.5Pa.s时，其粘度系数K和在喷丝孔壁上的剪切速率分别为多少?参考答案 125 10400曾经做过类似作业 此处不再多累赘了（假设在上述喷丝孔中流动的聚合物流体是等温且不可压缩的、在喷丝孔壁处速度为0，其粘度不随时间而变化、并在沿喷丝孔流动的全过程中其它性质不变）5某流体在30时的零切粘度（

15、0）为35Pa·S，粘流活化能为36kJ/mol，问其温度提高到60时的零切粘度为多少？。此题不用做 放弃6. 聚氯乙烯的结构式为， -CH2，-CH，-Cl（仲）的摩 尔吸引常数分别为269.07、175.97、208（J/cm3）1/2，结构单元的分子量M0为62.5，聚氯乙烯的密度 =1.4，试求其溶解度参数五、问答题1. 试述影响聚合物熔体剪切粘度的因素一、 高聚物的平均相对分子质量及其分布二、 高聚物分子链结构的影响三、 温度的影响四、高聚物浓度的影响 五、溶剂的影响六、填充剂的影响七、流体静压的影响2. 分析影响聚合物弹性的因素，弹性对纺丝成型的影响如何？2.加工条件温度

16、 T弹性 B0 （松弛过程加快，贮存弹性能）(2)浓度 C弹性 B0 (3)切变速率 弹性 B0 (4)固体填料的影响填料浓度弹性 B0 (5)流动中的几何条件入口区形状入口区形状决定了大部分弹性能储存。入口尺寸变化，入口获得弹性能 弹性表现程度从积液区到毛细孔的直径收缩比DR/D贮存弹性能 B0长径比有利于松弛 弹性 B0喷丝孔直径DD ，切变速率 N B0，弹性效应明显减弱。1. 结构因素（1）分子量分子活动能力降低，N 弹性B0 例如：弹性 PP>PET,PA（2）分子量分布分子量分布加宽 弹性B0例如：弹性塑料级PP>纤维级PP（3）支链结构长链分支 分子活动能力降低，N

17、弹性B0 （4）分子链的刚柔性分子链刚性 弹性 B0涤纶分子链柔性 弹性 B0丙纶弹性对纺丝成形的影响1.具有一定的弹性是正常纺丝所必须的，挤出胀大使纺丝稳定、均匀；另外是成品纤维性能所必须的，也是高聚物流体本身的特性。2.弹性过大，会给纺丝成形带来不利的影响（1）弹性过大，挤出胀大过大，高聚物流体易粘喷丝板（2）弹性过大，异形纤维预期断面达不到要求（3）弹性过大，使初生纤维纤度不匀（4）弹性过大，使熔体破裂形成毛丝、断丝（5）弹性过大，使纺丝速度受到限制3. 以PET、PP为例说明纺丝线上n的变化规律，并且分析影响初生纤维取向的因素。以超高速纺PET为例： 流动形变区：0-80cm, n较小

18、 ( 取向低，T高，e小) nkxxm 结晶取向区： 80-130cm, n陡增 （取向诱导结晶，晶核形成，导致微晶取向） 塑性形变区：>130cm，n略增后趋于饱和。 (空气阻力的存在使张应力不断增加；e )PP 的例子没找到纺丝条件对取向的影响（1）卷绕张力和速度的影响： 纺程上无结晶时：VL，使xx n 纺程上有结晶时：VL，使xx 导致微晶取向，n 很快达到饱和值； 进一步使VL，n 变化缓慢。（2）纤维细度的影响：d n （3）熔体泵供量的影响：W n（4）冷却条件的影响：Ts Vy e n （5）熔体温度的影响： To e n（6）分子量： M e n 4. 初生纤维理想结构

19、是怎样的？如何实现理想结构？5. 高聚物溶剂选择的原则是什么？（一）高聚物和溶剂的极性 相似相溶原则：极性大的溶质溶于极性大的溶剂，极性小的溶质溶于极性小的溶剂，溶质和溶剂的极性越接近，二者越容易互溶。（二）溶解度参数理论选择溶剂常用的规则：尽可能找与聚合物C.E.D.或相近的溶剂。上述的溶解度参数理论，只有在估计非极性溶剂和非极性高聚物的互溶性时才适用。对于极性较高的或易形成氢键的溶剂或高聚物，常会出现偏差情况。三）高分子-相互作用参数(Huggins parameter )X1X1反映了高分子与溶剂混合过程中相互作用能的变化。X1的数值可作为溶剂优劣的半定量判据。如X1 > 0.5，

20、高聚物一般不能溶解；如X1 < 0.5，高聚物能够溶解。X1 ，高分子-溶剂相互作用力 即溶剂的溶解能力6. 影响扩散系数的因素有哪些？（一）凝固浴浓度及温度的影响1、 凝固浴温度的下降，扩散系数减小。扩散系数随凝固浴温度的下降而减小。 温度升高，分子活动能力增加，扩散加剧。2、凝固浴浓度增加，扩散系数先减小后增加，扩散系数存在最低值（二）扩散系数与纤维半径的关系随着单纤维半径的的不断增大，扩散系数D也不断的增大。一般有：R，Di （三）扩散系数沿纺程的变化 扩散系数沿纺程扩散系数减小。（四）添加剂及纺速的影响1、加入变性剂后，扩散系数减小。2、纺速增大，扩散速度增大。（五）溶剂及凝固剂

21、种类的影响1、溶剂不同，对成形纤维的结构和扩散速率有很大的影响。2、凝固剂分子量大，则扩散系数变小。（六）原液浓度的影响随着原液浓度的提高，溶剂或凝固剂的扩散系数都下降。因为原液的浓度提高，体系的粘度也随之提高，各种分子的扩散阻力增大，故扩散系数下降。7、试述湿纺初生纤维横截面的形状、皮芯结构的特点和空洞和毛细孔的形成原因及影响因素，并结合纺丝工艺条件加以讨论。（1）湿纺初生纤维横截面形状和形成原因肾形、哑铃形、扁平形、锯齿形：浓缩凝固时，双扩散的结果使纤维截面可能发生收缩。快速凝固时，皮层凝固程度高于芯层，芯层收缩时，皮层相应的收缩率较小，导致背向浴流的侧面凹进，使截面呈肾形。圆形：稀释凝固

22、，截面不收缩。或浓缩凝固时，凝固缓慢，皮层柔软易收缩变形，能随同芯层一起均匀收缩，使呈圆形或近似圆形。1)溶剂种类 无机溶剂的固化速率参数Sr一般小于有机溶剂，传质通量比通常JS / JN <1，因此纤维的横截面形状为圆形。(2)凝固浴温度 当结果使JS / JN1时, T 纤维截面更圆3)凝固浴浓度凝固浴浓度Cb固化表面层的硬度降低,因此湿纺纤维的截面会变得更圆. (4)纺丝溶液中聚合物含量纺丝溶液中聚合物含量CP JS , JN 固化表面层的硬度, 因此纤维的截面会变得更圆3）皮芯结构的特点湿纺初生纤维形态结构的另一特点是沿径向有结构上的差异，这个差异继续保留到成品纤维中。纤维（特别

23、明显的是粘胶纤维）外表有一层极薄的、密实的、较难渗透、难染的皮膜，该膜对传质过程有决定性作用。皮膜内部是纤维的皮层，皮层可占整个横截面的0100%。皮层中一般含有较小的微晶并具有较高取向度。再向里是芯层。芯层结构较松散，微晶较粗大。形成原因（1）在纺丝原液细流中 ，处于细流周边和内部的聚合物的凝固机理不同，以及凝固剂在纤维内部分不匀，导致皮层和芯层的结构不同；􀂄 细流外边的凝固主要由于溶剂向凝固浴扩散，使细流中溶剂浓度低于临界浓度，于是聚合物析出；此时P-S-N体系中聚合物含量高，因此结构致密。􀂄 细流内部的凝固溶剂向凝固浴扩散，凝固浴中的沉淀剂向原液细流扩

24、散，使溶剂浓度不断下降，当中溶剂浓度低于临界浓度, 聚合物析出，但此时P-S-N体系中聚合物含量不高，内部含有较多溶剂和沉淀剂，因此结构较松散。（2）纺丝原液在喷丝孔口处的硼化效应，导致细流外表层的“拉伸效应”，对皮层和芯层的形成也有一定的影响（3）在喷丝头拉伸区中，皮层已经凝固，而芯层尚处于液流态，使纺丝张力主要作用在纺丝线表面的冻胶层上，从而使沿纤维径向分布的各层具有不同的取向度（三）空隙由于成形过程中发生溶剂和凝固剂双扩散和纺丝溶液发生相分离，湿纺初生纤维的结构为由空隙分隔、相互连接的聚合物冻胶网络。尺寸达几十微米的空隙，成为大空洞或毛细孔尺寸在10纳米左右的称为微孔。初生纤维经拉伸后，

25、成为初级溶胀纤维，此时微孔被拉长呈梭子形，聚合物冻胶网络取向而成为微纤结构。1. 形成原因􀂄 纺丝线凝固较激烈时，皮层很快形成，表面可能产生一些缺陷或裂缝，沉淀剂通过此裂缝渗入而形成辐射状空洞或毛细孔。􀂄 皮层收缩率小，芯层收缩率大，在皮芯层之间会产生缺陷和空洞；􀂄 纤维在凝固过程中所产生的收缩应力集中，也促进了辐射状空洞的发展。2、对纤维结构和性能的影响􀂄 当凝固剧烈时，湿纺初生纤维内部可能产生大空洞或毛细孔，其尺寸可大致几十微米，经拉伸、干燥、热处理后，这样的空洞或毛细孔尺寸会有所减小或闭合，但难于根除，最终影响成品纤

26、维的机械性能。􀂄 具有空洞或闭合空洞的成品纤维在服用过程中受摩擦发生纵向开裂原纤化7. 湿法纺丝线上的断裂发生在什么地方？为什么？我相信你的能力 自己总结8. 凝固浴的流动场对湿法纺丝的影响怎样？不用看9. 初生纤维结构及拉伸工艺条件对拉伸性能的影响是什么？在满足下列条件的情况下，初生纤维的应力-应变曲线的形状会发生如下的变化：b型c型a型或d型。而在c型形变范围内，则变化方向为屈服应力和自然拉伸比N增大。这些条件是：（1）降低温度；（2）增大拉伸速度（形变速率）；（3）初生纤维中大分子活动性减小（溶剂含量减小除去增塑作用的小分子物质）；（4）初生纤维的结晶度增大；（5）初生

27、纤维的纤度减小。10. 拉伸对纤维结构和物理机械性能的影响是什么？拉伸所引起的最重要的结构变化是大分子、晶粒和其它结构单元沿纤维轴取向。这种取向导致各种物理性质的各向异性。除机械性质外，拉伸导致光学性质（双折射、吸收光谱的二向色性）的各向异性，以及热传导、溶胀和其它一些性质的各向异性。 纤维的拉伸取向主要是为了提高纤维的强度和降低其变形性。未取向纤维与取向纤维的强度相差达515倍。 伴随着发生相变、结晶、晶体破坏和晶型转化。在拉伸过程中，结晶度可能增大，也可能减小，取决于未拉伸纤维的结构和拉伸条件。与结晶度有关的物理性质主要有密度、熔化热、介电性和透气（汽）性等。2、拉伸条件对纤维物理-机械性

28、质的影响（1）拉伸比（拉伸倍数） ：主要因素。强度随拉伸倍数的增加而增大；拉伸模量和屈服应力随拉伸比而单调地增大；断裂伸长和总变形功随拉伸比而单调地减小；形变弹性功对拉伸比的关系曲线则有一个极大值。（2）热拉伸时间和拉伸温度纤维热拉伸的时间越长，拉伸温度越高，松弛过程进行的就越完全，纤维的结构均匀性就越高。11. 热定型对纤维的结构以及性能的影响如何？与拉伸过程一样，热定型过程中纤维结构的变化，主要是超分子结构变化。然而，热定型时纤维结构的变化比拉伸时的变化更为明显。热定型时纤维结构的变化。很大程度上取决于分子链的柔性，而热定型的条件，如温度、介质和所加张力对结构变化的影响也十分明显。前已指出。热处理（有时同时有溶剂的作用）促进分子链段运动，使，内应力得到松弛，同时使纤维结构更趋于完善和稳定。1.结晶度的变化2.微晶尺寸和晶格结构的变化3.取向度的变化4.纤维的长周期和链折叠 纤维的长周期（所谓长周期是指拉伸纤维形成的微纤结构中晶区与非晶区平均尺寸之和）随着热定型温度的升高而增大，晶体片厚度增加。 随热定型温度的提高，涤纶中有规折叠链的数目