紡絲流體的可紡性和擠出細(xì)流的類型（一）紡絲流體的可紡性1.可紡性：流體在拉伸作用下形成連續(xù)細(xì)長絲條的能力?？杉徯詥栴}實(shí)質(zhì)上是一個(gè)單軸拉伸流動(dòng)的流變學(xué)問題有良好的可紡性是保證紡絲過程持續(xù)不斷的先決條件可紡性的評(píng)定：(1)細(xì)流最大的拉絲長度χ*

(2)細(xì)流的斷裂伸長比L(tB)/L(o)(3)最大噴絲頭拉伸比(VL/V0)max（1）內(nèi)聚破壞(脆性斷裂)

內(nèi)聚破壞的機(jī)理是基于強(qiáng)度理論：

細(xì)流發(fā)生內(nèi)聚破壞的條件為：σ11=σ11*

線性粘彈體：

σ11（2EK）1/2由內(nèi)聚破壞所決定的最大拉絲長度Xcoh=1/2[ln(2k/E)-2ln(V0τξ)]/

ξ*

V0——流體擠出速度，

ξ——拉伸形變梯度=d(lnV)/dx

τ——松馳時(shí)間內(nèi)聚能密度K↑

，ξ、V0及τ↓xcoh↑**

=K-內(nèi)聚能密度E－楊氏模量根據(jù)令ηe=

3η0，可以證明：2.可紡性理論（2）毛細(xì)破壞毛細(xì)破壞的條件為：δ(x1)=R(x1)x1=x**x1=x

當(dāng)液體表面張力引起的擾動(dòng)及其滋長和傳播導(dǎo)致毛細(xì)波發(fā)展到振幅δ(x*)等于自由表面無擾動(dòng)絲條的半徑R(x*)時(shí)，流體發(fā)生破壞。低分子量熔體絲條的破壞屬于此種類型。兩種斷裂機(jī)理起控制作用的條件:η、V0較小時(shí)毛細(xì)破壞起控制作用η、V0較大時(shí)內(nèi)聚破壞起控制作用在某一中間范圍χ*有極大值,可紡性最好。原則上，這兩種斷裂機(jī)理都能獨(dú)立地對(duì)絲條的斷裂起作用。圖兩種斷裂機(jī)理的x*－V0η關(guān)系示意圖

1－毛細(xì)破壞2－內(nèi)聚破壞

3－有毛細(xì)波在的內(nèi)聚破壞

1.液滴型

液滴型不能成為連續(xù)細(xì)流，這是毛細(xì)破壞現(xiàn)象。影響液滴型出現(xiàn)的因素:

(1)流體表面張力α和粘度

:α/η↑液滴的可能性↑

(溫度T↑

η↓α/η↑)(2)噴絲孔徑R0和擠出速度v0:R0↓液滴的可能性↑

V0↓液滴的可能性↑

（二）紡絲流體擠出細(xì)流的類型vcr為從漫流型轉(zhuǎn)變?yōu)槊洿笮退璧淖畹团R界擠出速度當(dāng)α/η↓(α↓，η↑)Vcr↓R0↑Vcr↓

2.漫流型（擠出細(xì)流在噴絲板表面的舒展）

漫流型因表面積比液滴型小而能形成連續(xù)細(xì)流，但細(xì)流間易相互粘連，會(huì)引起斷裂或毛絲。漫流型產(chǎn)生的根源：是紡絲流體的擠出動(dòng)能超過了流體與噴絲板面的相互作用力和能量損失之和。2.漫流型避免措施：（1）在噴絲板表面涂以硅樹脂，減小表面張力；（2）降低紡絲溫度，使絲條粘度上升；（3）提高泵供量，使擠出速度提高。3.脹大型當(dāng)（V0)↑↑，脹大型破裂型

只要脹大比B0控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，細(xì)流連續(xù)而穩(wěn)定。（B0

=脹大直徑dmax/d0）出現(xiàn)孔口脹大現(xiàn)象的根源是紡絲流體的彈性。

B0過大對(duì)于提高紡速和絲條成型的穩(wěn)定性不利，實(shí)際紡絲過程中希望B0接近于1。當(dāng)細(xì)流呈破裂型時(shí)，紡絲流體中出現(xiàn)不穩(wěn)定流動(dòng)甚至破裂。這是內(nèi)聚破壞現(xiàn)象.熔體破裂的臨界切應(yīng)力值σcr約在105Pa左右。雷諾準(zhǔn)數(shù)﹥5影響臨界切應(yīng)力的因素:(1)聚合物的分子量:M↑σcr↓(2)溫度:T↓σcr↓4.破裂型熔紡成型的基本步驟和規(guī)律1.纖維成型的基本步驟(1)紡絲流體在噴絲孔中的剪切流動(dòng)(2)紡絲流體從噴絲孔中的剪切流動(dòng)向紡絲線上的拉伸流動(dòng)的轉(zhuǎn)化(3)流體絲條的單軸拉伸流動(dòng)(4)纖維的固化紡絲線：熔體擠出細(xì)流和固化初生纖維的總稱2.纖維成型過程中成纖聚合物的變化(1)幾何形態(tài)變化(dodx)噴絲板孔徑0.1-0.4mm，卷繞絲直徑20-30μm(2)物理形態(tài)變化①宏觀狀態(tài)參數(shù)

T-X(溫度場(chǎng))V-X(速度場(chǎng))P-X(應(yīng)力場(chǎng))Ci-X(濃度場(chǎng))②微觀狀態(tài)參數(shù)取向度結(jié)晶度網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(3)化學(xué)結(jié)構(gòu)變化熔體紡絲是一元體系，只涉及聚合物熔體絲條與冷卻介質(zhì)的傳熱，紡絲體系沒有組成的變化干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+凝固劑），傳質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)，比較復(fù)雜熔體紡絲是最簡單的紡絲過程，五個(gè)基本過程3.紡絲過程的基本規(guī)律（1）在紡絲線的任何一點(diǎn)上，聚合物的流動(dòng)是穩(wěn)態(tài)和連續(xù)的穩(wěn)態(tài)：連續(xù)：在穩(wěn)態(tài)紡絲條件下，紡程上各點(diǎn)每一瞬時(shí)所流經(jīng)的聚合物質(zhì)量相等

(流動(dòng)連續(xù)性方程)：熔體紡絲ρAν=常數(shù)溶液紡絲ρAνCi=常數(shù)（2）紡絲線上的主要成形區(qū)域內(nèi)，占支配地位的形變是單軸拉伸（徑向、軸向速度梯度）（3）紡絲過程是一個(gè)狀態(tài)參數(shù)連續(xù)變化的非平衡態(tài)動(dòng)力學(xué)過程，同一時(shí)間不同位置ν、T、Ci

、P等連續(xù)變化（4）紡絲動(dòng)力學(xué)包括幾個(gè)同時(shí)進(jìn)行并相互聯(lián)系的單元過程:動(dòng)能傳遞、傳熱、傳質(zhì)、結(jié)構(gòu)參數(shù)變化等熔紡過程參數(shù)1.獨(dú)立（初級(jí)）參數(shù)成纖聚合物的種類；擠出溫度T0；噴絲孔直徑d0、長度L0、孔數(shù)n；質(zhì)量流量W；紡絲線長度L；卷繞速度vL；冷卻條件2.次級(jí)參數(shù)（連續(xù)性方程）平均擠出速度v0=4W/（3.14nρd02）；單根卷繞絲直徑dL=4W/（3.14nρL

vL）1/2；

卷繞絲纖度Ttex=1000W/vL；噴絲頭拉伸比S=vL/v0熔紡過程參數(shù)3.結(jié)果參數(shù)（流變學(xué)、流體力學(xué)、熱平衡）卷繞張力；張應(yīng)力；固化點(diǎn)的絲溫；結(jié)構(gòu)參數(shù)熔體紡絲的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)1.熔體紡絲線上的直徑變化和速度分布對(duì)穩(wěn)態(tài)紡絲(且忽略各參數(shù)在絲條截面上的分布):ρxAxVx=常數(shù)ρxdx：Vx?(x)=dVxdx拉伸應(yīng)變速率軸向速度梯度根據(jù)?的不同，紡絲線可分成三個(gè)區(qū)域:擠出脹大區(qū):體積膨化，沿紡程Vx減小,

d=dmax時(shí)，

形變（細(xì)化）區(qū)：50-150cm

Ⅱa

：

Ⅱb：固化絲條運(yùn)動(dòng)區(qū)：Vx=K，d=K

圖聚合物在等溫紡絲條件下的平均軸向分布拉伸應(yīng)變速率變化1一PA62一PET3一聚苯乙烯圖紡絲過程中拉伸應(yīng)變速率分布的示意圖

噴絲頭拉伸比=VL/V0增大，脹大比下降x＜10mmⅡ區(qū)的?出現(xiàn)極大值，是熔體細(xì)流向初生纖維轉(zhuǎn)化的重要過渡階段，是發(fā)生拉伸流動(dòng)和形成纖維最初結(jié)構(gòu)的主要區(qū)域，因此是紡絲成形過程最重要的區(qū)域。Ⅱa:拉伸流動(dòng)的主要區(qū)域,對(duì)纖維的均勻性影響很大.Ⅱb：結(jié)構(gòu)形成的主要區(qū)域，拉伸流動(dòng)取向↑;如果VL很大,可能發(fā)生大分子結(jié)晶Ⅲ區(qū)中纖維的初生結(jié)構(gòu)繼續(xù)完成:拉伸形變?nèi)∠颉?；結(jié)晶；形態(tài)結(jié)構(gòu)形成。（1）熔體紡絲線上的力平衡分析從噴絲頭(x=0)到離噴絲頭x處的一段紡絲線(上脫離體)：Fr(x)=Fr(0)+Fs+Fi+Ff-Fg2.熔體紡絲線上的力平衡及應(yīng)力分布Fr（x）——在x=X處絲條所受到的流變阻力；Fr（0）——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;Fs——紡絲線在紡程中需克服的表面張力；Fi——使紡絲線作軸向加速運(yùn)動(dòng)所需克服圖紡絲線軸向受力示意圖

的慣性力；Ff——空氣對(duì)運(yùn)動(dòng)著的紡絲線表面所產(chǎn)生的摩擦阻力；Fg——重力場(chǎng)對(duì)紡絲線的作用力。Fp（卷繞張力）+Fg=Fr+Fs+Fi+FfFr(ext)=Fr(L)=Fp小結(jié)絲條的重力和表面張力都很小，可忽略不計(jì)，其它三項(xiàng)阻力Ff、Fi和Fr（0）隨著卷繞速度VL而增大，總張力中主要是空氣摩擦阻力的貢獻(xiàn)。

對(duì)于常規(guī)熔紡，F(xiàn)i和Ff起是流變力的主要貢獻(xiàn)者。圖PA66在紡速6600m/min時(shí)計(jì)算的受力分布3.熔體紡絲線上的傳熱及溫度分布

運(yùn)動(dòng)絲條和環(huán)境介質(zhì)間的傳熱:(1)絲條內(nèi)部(0<r<R):傳導(dǎo)

(2)從絲條表面到環(huán)境介質(zhì):主要為對(duì)流傳熱，還有很小一部分為熱輻射。在紡絲線上有軸向溫度場(chǎng)（T-X）徑向的溫度場(chǎng)（T-r）研究熔體紡絲中傳熱問題的主要任務(wù)，就是找出任何時(shí)刻紡絲線上的溫度分布情況，即軸向溫度場(chǎng)和徑向溫度場(chǎng)。冷卻長度Lk:噴絲板至固化點(diǎn)距離結(jié)論絲條軸向溫度梯度隨傳熱系數(shù)的增大和熔體擠出量的減少而變大；冷卻長度Lk（從噴絲板至絲條固化點(diǎn)間的距離）主要受冷卻吹風(fēng)對(duì)絲條的傳熱系數(shù)α*的影響；在橫吹風(fēng)時(shí)（Vx=0，Vy=a）的傳熱系數(shù)為縱向吹風(fēng)（Vx=a，Vy=0）時(shí)的兩倍；在紡絲線上絲條冷卻的控制因素是變化的，在上段紡絲線，冷卻過程受冷卻吹風(fēng)速度Vy控制，在下段紡絲線，冷卻過程決定于絲條速度Vx；纖維中心和表面溫差只有幾度，絲條的徑向溫度梯度對(duì)纖維的徑向結(jié)構(gòu)發(fā)展產(chǎn)生重要影響。（紡速和冷卻速率高，皮層產(chǎn)生應(yīng)力集中，表皮層出現(xiàn)裂縫或裂紋）。

熔體紡絲纖維結(jié)構(gòu)的形成（一）熔紡過程中的取向作用紡絲過程中的取向作用將影響：結(jié)晶動(dòng)力學(xué)纖維中的晶體形態(tài)拉伸工序的進(jìn)行成品纖維的取向度1.取向機(jī)理卷繞絲的取向度（預(yù)取向）主要是紡絲線上拉伸流動(dòng)的貢獻(xiàn)

雙折射△n↑，取向度高紡絲過程中取向機(jī)理主要有兩種，即熔體狀態(tài)下的流動(dòng)取向，纖維固化區(qū)的形變?nèi)∠颉?、流動(dòng)形變區(qū)：0-70cm，△n很小2、結(jié)晶取向區(qū)：80-130cm，△n增加主要是由于結(jié)晶3、塑性形變區(qū)：接近固化點(diǎn)，T＞Tg，部分形變?nèi)∠?.影響取向的因素（1）聚合物分子量：M，ηe↑→σxx↑→Δn↑（2）卷繞速度紡程上不結(jié)晶時(shí)：VL↑，使σxx→Δn↑紡程上結(jié)晶時(shí)：VL↑，使σxx↑微晶取向↑→Δn↑↑，進(jìn)一步使VL↑↑，Δn變化緩慢（3）熔體泵供量（細(xì)度不變）：W↑→Δn↓（4）纖維細(xì)度（泵供量不變）：d↓→Δn↑（5）環(huán)境介質(zhì)溫度的影響：Ts↑→Δn↓（6）熔體溫度的影響：T↑→Δn↓（二）熔紡過程中的結(jié)晶1．熔體紡絲中纖維結(jié)晶的特征有兩個(gè)方面：一是卷繞絲本身的晶態(tài)結(jié)構(gòu)，二是聚合物結(jié)晶過程的發(fā)展。（1）晶格結(jié)構(gòu)：在不同的紡絲過程和條