纺丝成型工艺优化方案

纤维纺丝成型工艺(Fiber spinning process)有熔体纺丝、湿纺丝法和干纺丝法这3种基本方法。本小节介绍3种纺丝工艺的优缺点，重点介绍熔体纺丝法。

(1)纺丝工艺的比较

三种纺丝工艺中，应用最多的是熔体纺丝法，在熔体纺丝中，聚合物熔体溶化后从喷丝头挤出，液态丝条通过冷却介质时固化，如尼龙纤维、聚酯纤维、聚烯烃纤维就是用这种纺丝方法加工的。湿纺丝法将聚合物溶解在溶剂中，通过浸入化学溶液的喷丝头挤出。干纺丝法挤出聚合物溶液，在离开喷丝头时溶剂蒸发。后两种方法用于不能熔纺的聚合物。熔体纺丝的一个重要要求是加热软化的聚合物不发生降解。也就是说，若一种聚合物在所需纺丝温度下产生降解，显然它就不适于熔体纺丝。当然有时热降解的问题可借助加入热稳定剂或增塑剂来解决，因为低分子增塑剂的加入，可将聚合物的熔点或软化点降低至热降解温度之下。

在湿法纺丝过程中，聚合物溶解于适当的溶剂，其溶液从喷丝头挤出，形成的丝条通过凝固浴而得到固化丝线，纺丝液中的溶剂在凝固浴中通过反扩散机理被除去，有时在凝固浴中还有化学反应发生，例如黏胶纤维。

熔体纺丝与湿法纺丝相比有产率高、无溶剂回收问题的两大优点。因为从丝条中除去溶剂需要成本，湿法纺丝在经济上也不如熔融纺丝。有时为进一步拉伸丝条还需要一些洗涤和干燥等后处理工序。

当聚合物的熔点很高或加热易降解时，通常宜用干法纺丝。在干法纺丝过程中，聚合物溶液从喷丝头挤出后，丝条穿过一个通干燥热空气的密闭室，溶剂蒸发而使丝条固化。干法纺丝要求溶剂有低的沸点和低的汽化热，通常非极性溶剂比极性溶剂好。干法纺丝法要求溶剂热稳定好、易回收、惰性和无毒，以及不易起静电和无爆炸危险。聚丙烯腈系纤维和聚氯乙烯纤维是干法纺丝的例子。干法纺丝和熔融纺丝一样，具有拉伸速率高和产率高的优点。

随着纤维的广泛使用，发展了许多新的纺丝工艺。例如，空气间隙纺丝法兼有干法和湿法纺丝的特点，改善了成品纤维的物理力学性质，如纤维的拉伸性质。还有区别于常规纺丝方法的“异形”纤维生产和“共轭”纤维（双组分纤维）生产。其中异形纤维的横截面是非圆形；共轭纤维成型过程中，两种组分聚合物丝并列挤出，成品纤维由两种成分构成。新纺丝工艺制备的纤维都比常规纺丝法制备的纤维性能有一些优点。

(2)纤维纺丝工艺(melt fiber spinning process)

考虑读者学习的基本要求和本书的篇幅，本节仅介绍无处不在和最重要的熔体纺丝工艺。图7.4.1给出熔体纺丝成型工艺。在熔体纺丝过程中，用螺杆挤出机熔融固体颗粒，然后用精确流量控制的齿轮泵，将熔体泵入具有多个孔的喷丝头模具中，如图7.4.1 (a)所示，挤出的股丝被拉伸，固化后的纤维被卷起，随后进一步冷却。图7.4.1 (b)显示了商业喷丝头的照片。

图7.4.1 熔体纺丝成型工艺^[1]

(a)纤维纺丝工艺的流程(b)喷丝头的照片

分析纤维纺丝成型过程，主要关注单丝从喷丝头出来和单丝由卷取辊拉伸的过程。图7.4.2给出喷丝头喷出单股丝示意图。由该图所示，从喷丝头出来的单股丝经历膨胀，然后冷却到凝固定点，同时伴随着卷取辊的拉伸。出模后的挤出物胀大结束端和熔体拉伸开始端没有明确的分界点。这两种现象是同时发生的。在模具出口附近，通常丝发生迅速的肿胀。熔体纺丝的实验数据表明，熔体丝横截面从喷丝头出口到卷取辊呈双曲线形式地减小。(www.xing528.com)

当熔体从喷丝板出口运动到卷取辊时，它同时被拉伸和冷却，从而发生聚合物熔体分子链取向和聚合物结晶的变形。图7.4.3给出熔体分子链沿纺线方向发展的示意图。如图7.4.3所示，实际上纺丝过程不仅是纤维成型步骤，而且也是一个“结构化”步骤。Dees和Spruiell早期实验研究纤维纺纱过程^[1]，使用线性高密度聚乙烯纤维纺纱，观察研究了分子链结构的发展，用一个形态学模型来解释分子链取向和结晶行为。研究表明，在低纺丝线应力或卷取速度下，获得了球晶结构。增加卷取速度将导致扭曲的薄片。

图7.4.2 喷丝头喷出单股丝示意图^[1]

7.4.3 熔体分子链沿纺线方向发展的示意图^[1]

由图7.4.1 (a)还可知，在纺丝之后，半结晶聚合物的商业纤维被冷拔，以通过大分子取向和晶体形态进一步变化，最终实现纺丝的结构化。由于冷拉制过程的低温，许多变形被保留。图7.4.4给出T_g<T<T_m的几个阶段多晶聚合物拉伸试样的形状和应力—应变曲线示意图。

图7.4.4 几个阶段多晶聚合物拉伸试样的形状和应力—应变曲线示意图^[1]

丝拉伸试样的开始是多晶“复合材料”，纤维的屈服、颈缩是适应应力诱导的晶体单元破坏的结果。在这个过程中，涉及非晶相和结晶相。如图7.4.5(a)~(e)给出半结晶纤维变形步骤的示意图。由颈缩引发的形态变化的“分子”描述性模型和由冷拉伸传播的“分子”描述性模型由以下步骤组成：

① 一薄片刚好滑过另一薄片。薄片平行于拉伸方向，因此，成核的球晶是各向同性的。在这个阶段，在开始收缩时，应变几乎全部由层间无定形组分调节。

② 由于无定形的“纽带”几乎完全延伸，导致薄片的倾斜。

③ 通过链条牵引和展开，发生层状分裂，分子链仍然连接片层碎片。

④ 片状碎片沿着拉伸方向进一步滑动并对齐，形成了交替的晶体块和拉伸的非晶区，也包含自由链端和一些链折叠。因此，薄片破碎成最终沿轴向堆叠的碎片。在拉伸方向上，连接这些碎片的连接分子提供了纤维中微丝的强度。因此，纤维分子结构是纺丝和拉伸过程的参数值，需要确保连接分子的比例。

图7.4.5 半结晶纤维变形步骤的示意图^[1]