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 ? 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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附图(合纤P94)

图 1. 牛顿流体和几种非牛顿流体的流动曲线

(2) 切力变稀流体的流动曲线

纺丝流体是切力变稀型的，但切力变稀现象只在某特定??范围内显现。当??较低时，流动是牛顿型的，该粘度称为零切粘度?0，相应的??区间称为第一牛顿区；当??增大到某极限值以上时，流体开始呈现切力变稀现象，?12与??的比值不再是常数，表观粘度?随??增大而不断下降，相应的??区间称为非牛顿区；继续提高切变速率，流体又表现为牛顿流动，相应的粘度称为极限牛顿粘度??，此时流动进入第二牛顿区。

流动曲线往往画成以下两种形式：?? ?用lg?12对lg?y作图

附图(合纤P95)

图2. 切力变稀流体的流动曲线

上图中，曲线的斜率d lg?12 /d lg??即幂次律中的指数n，指数n表征流体偏离牛顿流动的程度。如果n越小，则随着??的增加表观粘度?下降越强烈。n具有温度、分子量和切变速率依赖性，只是在较窄的温度范围内才保持常数。不同高聚物熔体的粘度对切变速率依赖性的敏感程度不同。聚酯熔体在很宽的??范围内仍保持牛顿流体行为。

?用lg?对lg?y作图

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附图(合纤P95)

图3. 切力变稀流体的流动曲线

(3) 切力变稀的原因

纺丝流体切力变稀的原因在于大分子链间发生的缠结。当线性大分子的分子量超过某一定临界值Mc以上时，大分子链间形成了缠结点。这些缠结点具有瞬变性质，在不断地拆散和重建，并在某一特定条件下达到动态平衡。因此，可以把高聚物流体看成为瞬变网络体系。该体系的动态平衡随给定条件的改变相应地发生移动。

?切应力

当切应力增大(相应地??也增大)时，大分子链间的部分缠结点被拆除，缠结点浓度的下降相应地使表观粘度下降。

?切变速率

当??增大时，缠结点间链段中的应力来不及松弛，链段在流场中仍发生取向。链段取向效应导致大分子链在流层间传递动量的能力减小，流层间的牵曳力也随之减小，表现为表观粘度的下降。

对于高聚物浓溶液来说，切力变稀还有另外一个原因，当切应力增大时，大分子链发生脱溶剂化，使大分子链有效尺寸减小，表现为表观粘度下降。

(4) 流动曲线对化学纤维生产工艺的意义

流动曲线在较宽广的切变速率范围内描述了纺丝流体的剪切粘性。这种剪切粘性是其内在结构的反映。当纺丝流体内高聚物的链结构、分子量、分子量分布及链间结构化程度发生变化时，流动曲线相应地发生变化。

当高聚物分子量分布相似时，流动曲线随平均分子量的增大而上移。 当平均分子量相近时，流动曲线在非牛顿区的负斜率(1?n)随分子量分布宽度增加而下降。

3． 纺丝流体的拉伸粘性

通常用拉伸粘度来表征纺丝流体作单轴拉伸流动的材料常数。拉伸粘度?e可表示为：

?e =S11 / ??

式中：S11为丝条横截面上的拉伸应力，或法向应力(Pa)；??为拉伸应变速率。 拉伸粘度值大小除于可纺性有关外，它与??的变化规律也与成形稳定性有关。 拉伸粘度与下列因素有关：

?在低拉伸应变速率下，纺丝流体为牛顿流体，?e = 3?；对于粘弹性流体来说，?e往往是??的函数，且与松弛时间?有关。纺丝流体拉伸粘度对??的依赖关系要比切粘度对??的依赖性复杂得多，至今未能找到较为满意的理论解释。通常认为随??增加，高聚物的拉伸粘度降低是由于大分子链缠结浓度的降低。另一方面，大分子链的取向伸直、平行

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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 排列则比杂乱状的具有较强的抗拉伸性，?e因而较大。

?高聚物熔体的拉伸粘度随温度的提高按指数关系下降，符合Arrhenius方程式。

?拉伸粘度随Mw/Mn增大而提高，可以推测，分子量分布越窄(在Mw保持恒定时)，则?e越小。

4． 纺丝流体的弹性

前文已指出，纺丝流体是一种典型的弹性粘流体。其弹性的表现和表征为： ?液流的弹性回缩：把纺丝流体从容器中倾出，使其成液流，突然切断后，液 流会发生弹性回缩。

?纺丝流体的蠕变松弛：在同轴旋转圆筒粘度计中，对流体施以形变，维持一段时间后在另其松弛，曲线上的可回复部分即为弹性形变，见下图。

附图(合纤P129)

图 4 . 同轴旋转圆筒粘度计中的可复形变与流动示意图

1— 外加形变时间；2—维持恒定形变时间；

3—可回复形变； 4—由于粘性流动所产生的形变

?孔口胀大效应：纺丝流体从喷丝孔挤出时，在孔口处出现细流胀大现象， 即Barus效应，见下附图5。

?Weissenberg效应：小分子流体在搅拌轴周围为凹面，而纺丝流体则为凸面， 这种效应又称为爬杆效应，见下附图6。

附图(合纤P130)

图5 挤出细流的形状 图6 Weissenberg效应

(a)纯粘性流体的挤出收缩现象 (a)小分子流体 (b)粘弹性流体的挤出胀大现象 (b)纺丝流体 ?剩余压力现象：纺丝流体沿孔道流动时，测定沿流向各点的压力，用外推 法可求出出口处表压不为零，有剩余压降?Pexit。

?孔道的虚构长度：纺丝流体流经孔道时，孔端压力降(?P)实测 ? (?P)计算。因 为(?P)计算是以纯粘性为基础求出的，(?P)实测却包括由于弹性能的储藏所包含的压降在内，

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