纤维的形成过程

出处：按学科分类—工业技术 中国轻工业出版社《塑料挤出制品生产工艺手册》第215页（2990字）

(一)纺丝液细流的形成

纺丝液体经过计量泵后，以一定的速度和压力进入纺丝组件的小孔中，从孔中流出形成液体细流。在细流形成的过程中经历了以下几个阶段，如图11－1所示。

图11－1 液体细流形成的分段图

Ⅰ－为入口段 Ⅱ－为恒定流动段 Ⅲ－细流出口段 Ⅳ－细流受力变形段

由图11－1可知：第一区为入口段，即液体进入孔道；第二段为液体在孔道中恒定流动；第三段为液体细流出口段；第四段为细流受外力作用发生形变，和纺丝细流受冷却介质作用固化成型的阶段。

喷丝孔道的横面形状也将会大大地影响液体的流动过程。若孔道锥形入口的长度达总长的2／3以上时，将有利于液体的流动，减少液体的入口效应，使液体的入口能量损失大大减少，有利于产生均匀的速度场，如图11－2。由图11－2可知，圆柱形入口孔的能量损失比圆锥形的要大得多。

图11－2 喷丝孔的形状与入口能量损失的关系

(a)为圆筒形毛细孔

(b)为锥形毛细孔

纺丝液体在纺丝过程中形成细流的可能性与液体从喷丝孔流出的稳定性有关。影响液体细流稳定的因素有：

①喷丝头表面与液体之间的界面层上的表面张力及液体细流同冷却介质之间的界面上的表面张力。

②液体流动动能的大小。

③纺丝液体从喷丝头流出到丝线成型的内张力。

①液体细流的流变性能及内应力。

在一定条件下，这些因素相互作用的结果保证了液体细流形状的稳定性及流动性。从喷丝孔流出的液体细流可能有四种形状，如图11－3。

图11－3 细流形状与流动速度的关系

(a)－流速小(沿纺孔板散流) (b)－中等流速(有膨胀区的流动) (c)－较大流速(无膨胀区的细流) (d)－大的流速(为扭曲形式的细流)

第一种形状称为散流。液体从喷丝孔流出时，由于流速太小不能很好地形成纤维，而是沿喷丝头表面散流，难以形成纤维。

第二种形状称为有膨胀状态的细流。由于纺丝速度中等，液体从喷丝孔流出后产生膨胀，使细流直径比喷丝孔的直径大得多；膨胀细流离喷丝板一定距离后直径又减小变细。

第三种状态称为无膨胀的细流。这时纺丝速度较大。

第四种状态称为扭曲状细流。这时纺丝速度很大，细流离开喷丝头由于速度很大而产生扭曲。

纺丝工业生产中要求速度的快慢使得细流处于第二、三两种状态为宜。在这个流速范围内能形成稳定的流动过程，细流的速度较均匀。

(二)细丝的冷却及固化过程

在熔体与溶液法纺丝中，液体细流的冷却固化的本质是传热和传质的过程。当然，固化过程还包括材料许多结构特性的不可逆变化，例如，分子的取向和结晶等。

合成纤维纺丝中的传热过程具有特殊性。热交换过程中介质同细流直接接触。细流的直径很小，而细流成型的丝线很长。从传热的边界条件来分析，细流在整个热交换过程中是连续运动的，丝线上的速度梯度和丝的直径也连续不断变化的，就是说传热的温度场是不稳定的。

(三)纺丝过程中的拉伸

在纤维形成过程中，液体细流从喷丝板的小孔流出后，通过用周围介质进行传质、传热(即冷却凝固)的同时，纺丝细流受到拉伸作用，使细流直径发生变化。沿外力作用的方向使纤维的外形、粗细发生连续变化，使纺成的纤维具有一定的初步结构和性能，这种纤维称为初生纤维。

拉伸过程是纺丝中丝线受力后的延伸过程，使液体细流的大分子结构从无序排列向有序排列转化，纤维中的分子链产生取向和结晶作用。

在拉伸成型过程中，沿纤维轴向的速度梯度的分布在各段是不同的，根据受力情况和速度的变化，整个丝线的运动可分为四个阶段，如图114。第一段主要在喷丝头孔道内，其余三段的分布情况随传质，传热及拉伸速度而有所不同。

图11－4 纤维形成的主要区段

A、B、C相当于最小、中等和最大的ε和W₂值。

Ⅰ－在纺丝孔中流动区段(dv／dr＞0)

Ⅱ－细流膨胀区段(dv／dl＜0)

Ⅲ－纤维结构形成区段(dv／dl＞0，

其中Ⅲ_a的d²v／dl²＞0，Ⅲ_b的d²v／dl²＜0)

IV－恒速区段(dv／dl=0)

由图11－4可知，第一段为纺丝液在喷丝孔中的流动。在这段内流速分布的特征是横断面的速度梯度dv／dr＞0，在孔道中产生最大的流速。流动的大分子产生一定的取向，形成速度梯度场。第二段为液体细流刚从喷丝孔流出，在此段的横截面的速度梯度减少，喷丝板的拉伸作用很小，产生一定的膨胀，伴随着解取向过程，发现轴向速度梯度为负值，在最大膨胀部分为零，即dv／dl≤0。膨胀随着传热、冷却及拉伸作用而逐渐减小。这段细流的存在与拉伸速度及液体性能有关。在一定条件下这段可能不存在，见图11－4中C。第三段为纤维结构形成的主要阶段。在这段内轴向的速度梯度为正，dv／dl=0。这段内沿丝线的速度梯度的变化规律是不同的：在开始的一段是增加的，即d²v／dl²＞0，而后的行为是d²v／dl²=0，最后又下降到d²v／dl²＜0。在这段内液体固化而形成固相纤维，即形成初生纤维的结构。在此段内产生部分取向，后者由液体细流的纵向速度梯度场所引起，使丝线逐层形成初生纤维的结构。第四段丝线运动的速度为恒定。速度梯度dv／dl≈0。在此段继续形成纤维结构，且在外力作用下使已经成型的纤维继续变形取向。纤维结构的变化主要决定于拉伸力及其速度变化。

在液体纺丝中细流的速度分布数据，过去一般都是以纺丝板速度(即从喷丝孔流出的速度)和卷绕速度之比来计算拉伸倍数，不考虑膨胀速度分布的变化。由于有膨胀作用，所以正确计算拉伸倍数时应该用喷丝孔流出细流产生最大膨胀后的速度来计算，而不能用喷丝孔中的流速来计算。