熔体纺丝工艺

天津石化20万吨聚酯工程职工培训教材--短丝工艺 第一篇 纺丝工艺

· 概述

· 熔体纺丝工艺原理

· 装置纺丝工艺流程及特点简介 · 附加和辅助设备简介

第一篇

涤纶短纤维纺丝工艺部分

第一章 合成纤维概述

合成纤维即用石油、天然气、煤及农副产品等为原料，经一系列的化学反应，制成合成高分子化合物，再经加工而制成的纤维。其生产始于本世纪30年代中期，由于其性能优良，用途广泛，原料来源丰富，生产又不受气候或土壤条件的影响，所以合成纤维工业自建立以来，发展十分迅速。在品种方面，占主导地位的是涤纶、锦纶和晴纶。

合成纤维的纺丝成型方法主要有熔体纺丝法和溶液纺丝法两种。溶液纺丝是化学纤维传统的成型工艺，根据纺丝原液细流的凝固方式不同，又分为湿法纺丝和干法纺丝。

湿法纺丝是指纺丝溶液经混合、过滤和脱泡等纺前准备，送至纺丝机，通过计量泵、过滤器、连接管，进入喷丝头，从喷丝头毛细孔中压出的原液细流进入凝固浴，原液细流中的溶剂向凝固浴扩散，浴中的沉淀剂向细流扩散，高聚物在凝固浴中析出而形成纤维。湿法纺丝中的扩散和凝固是一些物理化学过程，但在某些化学纤维(如粘胶纤维)的湿法纺丝过程中，还同时发生化学变化，因此，湿法纺丝的成形过程是比较复杂的。

干法纺丝是指从喷丝头毛细孔中压出的原液细流不是进入凝固浴，而是进入纺丝甬道中。由于通入甬道中的热空气流的作用，使原液细流中的溶剂快速挥发，挥发出来的溶剂蒸汽被热空气流带走。在逐渐脱去溶剂的同时，原液细流凝固并伸长变细而形成初生纤维。在干法纺丝过程中，纺丝原液与凝固介质(空气)之间只有传热和传质过程，不发生任何化学变化。干法纺丝的成形过程与熔体纺丝有某些相似之处，它们都是在纺丝甬道中使高聚物液流的粘度达到某一极限值来实现凝固的，所不同的在于熔体纺丝时，这个过程是借温度下降而达到，而干法纺丝则是通过高聚物浓度的不断增大而完成的。

熔体纺丝是指成纤高聚物在高于其熔点10—40 ?C的熔融状态下，形成较稳定的纺丝熔体，然后通过喷丝孔挤出成型，熔体射流在空气或液体介质中冷却凝固，形成半成品纤维，再经过拉伸、热定型等后处理工序，即成为成品纤维。在纤维成形过程中，只发生熔体细流与周围空气的热交换，而没有传质过程，故熔体纺丝法较为简单。合成纤维的主要品种中，涤纶、锦纶和丙纶等均是以熔体纺丝法生产的。因此，熔体纺丝是合成纤维纺丝成型中最重要的方法。

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天津石化20万吨聚酯工程职工培训教材--短丝工艺 第一篇 纺丝工艺 第二章 熔体纺丝工艺原理

1 熔体纺丝概述

2 高聚物熔体的加工性质 3 熔体纺丝运动学和动力学 4 熔体纺丝的传热

5 非稳态纺丝及其对纤维不匀性的影响 6 纺丝过程中纤维结构的形成

第一节

一、 熔体纺丝工艺的一般特点

前已述及，熔体纺丝是一元体系，只涉及高聚物熔体丝条与冷却介质之间的传热，纺丝体系没有组成的变化。而干法和湿法纺丝分别为二元体系(高聚物+溶剂)和三元体系(高聚物+溶剂+沉淀剂)，此时传质(扩散)过程非常突出，甚至还有化学反应发生，情况要复杂很多。从这种意义上来说，熔体纺丝是最简单的纺丝过程，在理论研究中，容易用数学模型进行分析，生产工艺也比较简单。 1． 熔体纺丝的基本步骤

熔体纺丝主要由以下四个基本部分构成： (1) 纺丝熔体在喷丝毛细孔中流动

(2) 挤出细流的内应力松弛和流动体系的流场转化，即从喷丝孔中的剪切流 动向纺丝线上的拉伸流动转化 (3) 流体丝条的单轴拉伸流动 (4) 纤维的固化

在上述这些过程中，成纤高聚物要发生几何形态、物理状态和化学结构的变化。几何形态的变化是指成纤高聚物熔体经喷丝孔挤出和在纺丝线上转变为具有一定断面形状的、长径比无限大的连续丝条(即成形)。纺丝中化学结构的变化是很重要的，但在熔体纺丝中只有很少的裂解和氧化等副反应发生，因此通常不予考虑。纺丝中物理状态的变化，即先将固态高聚物变为易于形变加工的液态，挤出后为了保持已经改变了的几何形状和取得一定的纤维结构，高聚物又变为固态。这一变化虽然在宏观上用温度、组成、应力和速度等几个物理量就能加以描述，但整个纺丝过程涉及高聚物的溶解和溶化；纺丝熔体的流动和形变，丝条固化过程中的胶凝、结晶、二次转变和拉伸流动中的大分子取向，以及过程中的传热等。同时三者之间互相影响，这就构成了纺丝过程固有的复杂性。

熔体纺丝概述

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天津石化20万吨聚酯工程职工培训教材--短丝工艺 第一篇 纺丝工艺

纤维发生上述变化相应于纺丝线上的位置为： (1) 在喷丝毛细孔内产生纺丝熔体的流动

(2) 在刚出喷丝板的出口胀大区产生熔体丝条内应力松弛和速度场转化 (3) 在胀大区与丝条固化点之间熔体丝条被拉伸，此区又称为形变区 (4) 在固化点与卷绕之间熔体丝条固化，此区称为固化区 2． 熔体纺丝工艺过程的主要内容 熔体纺丝过程主要包括： (1)纺丝熔体的制备 (2)熔体从喷丝孔挤出

(3)熔体细流的拉伸和冷却固化 (4)固化丝条的给湿上油和卷绕

纤维的内部结构取决于全部上述纺丝过程的进行。上述每一步在不同的方面对纤维结构产生影响，(2)、(3)两步决定丝条形状的规则性和尺寸，并直接地影响下一段纺丝线上的应力分布和速度分布；与纤维基本力学性质相关的大分子取向主要在拉伸过程中发生；纤维固化和结构的发展主要在拉伸和固化中完成。

二、 熔体纺丝过程的基本规律和主要参数

1． 熔体纺丝过程的基本规律

为了对熔体纺丝过程进行理论分析，首先应了解纺丝过程中的一些基本规律，即： (1) 在纺丝线上任何一点上，高聚物的流动是“稳态”和连续的。

“稳态” 是指纺丝线上任何一点都具有各自恒定的状态参数，不随时间而变化。即其运动速度V、温度T、组成Ci和应力P等参数虽然在整个纺丝线上各点依位置不同而连续变化，但在每一个选定的位置上，这些参数不随时间而改变，它们在纺丝线上形成一种稳定的分布，称为“稳态纺丝”。应该指出，在实际生产过程中，纺丝条件不可能控制得完全准确和稳定，因熔体本身不匀，挤出速度或卷绕速度变化，或外部成形条件波动，纺丝状态便会遭到破坏，因此，“稳态纺丝”只是一种理想的状况。

(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。

纺丝线上高聚物熔体的流动和形变是单轴拉伸流动，即熔体出喷丝孔后，在轴向速度梯度的作用下，高聚物大分子沿纺丝线方向被拉伸。

(3) 纺丝过程是一个状态参数(T 、P、 Ci)连续变化的非平衡态动力学变化过程。 即使纺丝过程的初始(挤出)条件和最终(卷绕)条件保持不变，纤维的结构和性质仍强烈地依赖于状态变化的途径。因此，研究纺丝条件与纤维结构和性质的关系必须考虑从纺丝流体转变为固体纤维的动力学问题。

(4)纺丝动力学包括几个同时进行并相互联系的单元过程，如流体力学过程， 传热，结构及聚集态变化过程等。 2． 熔体纺丝过程的主要参数

纺丝过程包含许多参数，这些参数是纺丝过程中各种变化因素的定量表示，它们以数学的形式确定了纤维成形过程。 这些参数可归纳为以下三类：

(1) 独立参数，指对纺丝过程的进行及卷绕丝结构和性质起主导作用的参数。 这些参数包括：

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天津石化20万吨聚酯工程职工培训教材--短丝工艺 第一篇 纺丝工艺 ? 高聚物的种类； ? 挤出温度T0； ? 喷丝孔直径d0； ? 喷丝孔长度l0； ? 喷丝板孔数n； ? 质量流量W； ? 纺丝线长度L； ? 卷绕速度VL；

? 冷却条件(冷却介质的温度和流动状况)

(2)次级参数，指通过连续性方程与初级参数相联系的参数。 这些参数包括：

? 平均挤出速度V0，V0 = (4W / n?0?d02)；

? 单根卷绕丝的直径dL，dL = 2(W / n??LVL)1/2； ? 卷绕丝纤度(tex) Td，Td = 1000(W / VL)； ? 喷丝伸比S，S = (VL/V0) ? (d02/dL2)；

(3)结果参数，指由独立参数和基本纺丝动力学规律所决定的参数，即原则上讲，可以由流变

学、流体力学和热平衡方程推导出来的参数。 这些参数包括： ? 卷绕张力Fext；

? 张应力?L，?L = (4Fext / n?dL2)； ? 卷绕点(x = L)处丝的温度TL；

? 卷绕丝结构(取向度、结晶度和形态结构等) 另外，还有一种观点，按高聚物和纺丝过程的步骤，将纤维成形的工艺参数分为以下三类： (1)对工艺控制有重要意义的高聚物性质参数，包括：

? 数均分子量和重均分子量；

? 结晶速率的温度和应变依赖性； ? 切应力—切变速率关系； ? 切应力的温度依赖性

(2)挤出过程中的基本参数，包括： ? 高聚物的剪切历史； ? 挤出温度； ? 喷丝孔直径、长度和入口角度； ? 体积流量；

? 出口胀大； ? 最大挤出速度 (3)冷却区中的过程参数，包括： ? 熔体的拉伸粘度； ? 冷却区长度； ? 卷绕速度； ? 热交换介质的温、湿度和流动状况；

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天津石化20万吨聚酯工程职工培训教材--短丝工艺 第一篇 纺丝工艺 ? 丝条温度分布；

? 纺丝线上丝条直径的变化； ? 最大拉伸速度； ? 丝条张力

第二节 高聚物熔体的加工性质

纺丝流变学是研究纺丝流体的流动和形变的基本规律以及造成流体流变的各种因素之间的关系的一门学科。因此，研究纺丝流体的流变性质及其从喷丝孔内的挤出过程，对化学纤维的成形有着重要的意义。本节仅就纺丝流体的流变性，纺丝流体的粘弹性，纺丝流体的挤出过程及纺丝流体的可纺性等内容进行讨论。

一、纺丝流体的流变性

材料在受外力作用时，作为对外力的响应，将在内部建立起应力，于是材料发生流动或形变。流变性即指材料在外力作用下发生流动和形变的特点。纤维纺丝成形是通过流动和形变来实现的，流动是纤维成形加工过程中最基本的现象。因此，了解高聚物熔体的流变性对于研究纺丝工艺具有很大的意义。

高聚物流体在纺丝加工中有两种基本流场，以喷丝孔为界，在喷丝孔之前的一系列加工设备的通道中，基本上属于剪切流动；在出喷丝孔后的纺丝线上，基本上属于单轴拉伸流动；在喷丝孔道中，则基本上属于压差作用下的压力流动，可以按二维简单剪切流动处理。

1．纺丝流体的非牛顿剪切粘性

(1)非牛顿流体

如果流体切变速率??与切应力?12成正比，即符合于牛顿流动定律：

?12 = ???? (1)

则该流体称之为牛顿流体。一般地说，除牛顿流体以外的流体，都称之为非牛顿流体。常采用下列幂函数形式描述：

?12 ? ?y = K???n (2)

相应的流体称为幂次律流体。式中：?y为屈服应力，K与n均为经验常数。

用切应力?12对切变速率??作成的图，称为流动曲线。上述(2)式中，当?y = 0时，曲线过原点。若此时n=1，则(2)式可转化为(1)式，且?=K。所以牛顿流体是幂次律流体的一个特例。若n?1，则表观粘度??随??增大而减小，这种非牛顿流体称为假塑性流体或切力变稀流体，大部分高聚物熔体和浓溶液属于这一类；若n?1，则??随??增大而增大，这种非牛顿流体称为胀流性流体或切力增稠流体，少数高聚物溶液和一些固体含量高的高聚物分散体系属于这一类。当?y ?0时，?12 ? ?y的差值是导致流动的净切应力，这种流体称为宾哈姆流体，聚合物的浓溶液，油漆、牙膏等均属此类。若?12? ?y，则无流动发生。下图是牛顿流体与几种非牛顿流体的流动曲线。

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