制备不定岛型海岛纤维的方法优化

（1）不定岛型海岛纤维的成纤机理

图7-3为共混海岛纤维加工示意图。在一定条件下把两种（或两种以上）不相容的高聚物共混、熔融，其中岛组分的高聚物（分散相、微纤）以微小液滴分布在海组分的高聚物（连续相、基质）中，当受到径向拉伸作用时，分散相液滴受力形变为微纤维，冷却定型后形成岛组分聚合物，以维系短纤维的形式分散于另一种海组分聚合物中的纤维结构，即海岛纤维，也称基体-微纤型共混纤维。

图7-3 共混海岛纤维加工示意图

1—岛组分以液滴形式分散在海组分中 2、3—岛组分液滴变为椭球体

4—经拉伸形成共混海岛纤维 5—去除海组分的超细纤维

图7-4是基质-微纤型共混纤维的截面图，由图可以看出纤维的长短、位置是随机的，微纤的细度不一。

图7-4 基体-微纤型共混纤维截面图

（a）纵截面 （b）横截面

共混熔体中的聚合物颗粒（分散相）必须发生径向拉伸形变并且保持形变后的形状，才能在共混挤出物中呈现微纤状结构。早期Taylor就已经提出了牛顿体系在剪切作用下分散相在基体中的形变机理，认为液滴在加工过程中发生的形变主要受到了共混组分黏度比和毛细管数的影响，其中毛细管数可以被理解为黏性力和组分间界面张力的竞争关系，黏性力迫使液滴变形，而界面张力保持液滴平衡。

Cox把这个基础理论推广到拉伸流场，发现这个理论在拉伸流场中的应用更加有效，并且此理论在Grace的拉伸实验中已定性地得到证实。虽然熔体所受剪切速率的大幅度改变也可以使熔体微滴发生形变，从而被拉伸成为细长条状，但拉伸流动比剪切流动在使液滴微纤化方面的作用更有效。

微纤的形成分为共混、纺丝两个主要阶段。在共混阶段，共混物通过螺杆挤出机的熔融混合作用，形成非相容的均匀混合熔体，根据共混物的混合比例、混合组分的熔融黏度形成分散相和连续相，如图7-5中混合区；在纺丝阶段，完成 “滴-纤”转变，并固化为海岛纤维。

纺丝阶段又可分为三个阶段：

第一阶段：即熔体在喷丝头入孔区产生入口拉伸。喷丝头入孔区为锥形，熔体从进入喇叭口到流出锥形底部，流动区的横截面逐渐减小，使熔体速度逐渐增大。由于黏度对剪切速率的依赖关系，纵向速度梯度使得分散相颗粒产生形变，如图7-5中入孔区，在该阶段影响分散相形变的因素是入口区的半径及入口角等。

图7-5 微纤成型机理示意图

第二阶段：熔体喷丝孔道中流动阶段，如图7-5中孔流区，在剪切应力作用下，分散相受到剪切形变形成原纤，但是，分散相受到形变的程度还取决于两相高聚物的黏弹性，只有在一定的黏弹比下，才能形成一定连续长度的超细纤维。分散相形变程度的决定性因素是剪切应力以及两相熔体的黏度比。

第三阶段：熔体出喷丝孔后的阶段，见图7-5中膨化区和形变区，是形成超细纤维的主要阶段。当熔体流出喷丝孔时，由于高聚物的黏弹性而发生松弛，宏观上表现为出口胀大现象，对于不相容高聚物的共混熔体，该现象尤为明显，提高挤出温度或减小挤出速度，可以减轻胀大现象。熔体细流中弹性较高的分散相有恢复成球状的倾向，这对可纺性和形成基体——微纤型结构非常不利，因此，在该阶段如何使分散相继续保持住微纤状形态至关重要。为了使在喷丝孔中形成的原纤状态尽可能保持下来，必须使细流骤冷、冻结，不发生松弛，或在保证可纺性良好的条件下，借助于卷绕张力，进行喷丝头拉伸。在喷丝头拉伸的作用下，熔体细流拉长变细的同时，原有的原纤继续受到形变，变得更细更长，原来没有形变或形变不大的分散相也受到形变成为微纤，并随之冷却固化（图7-5中稳定区的基体——微纤型纤维）。

共混高聚物熔融纺丝中分散相形成超细纤维的机理主要为：在喷丝孔入口区受到喷头拉伸；在喷丝孔孔道中，大尺寸的分散相颗粒在法向应力作用下向管壁径向迁移，以及在剪切应力作用下受到剪切形变；出喷丝孔后，熔体受到喷头拉伸而产生轴向形变，使得原纤的成型得到进一步的发展和完善。

纺丝熔体自喷丝孔喷出后，在轴向速度梯度场中被逐渐拉伸变细。在稳定的纺丝条件下，纺丝线上各点的质量流量相等，满足公式：

ρ（x）v（x）A（x）= 常数

式中ρ（x）——纺丝线上距离喷丝板x处熔体的密度；

v（x）——纺丝线上距离喷丝板x处熔体的速度；

A（x）——丝条的横截面面积。

在纤维成型的纺丝线上任何一点的运动速度、温度、组成和应力都不随时间变化，但是不同位置参数不同，并沿着纺丝线呈现连续变化，丝线横截面随着纺丝速度和熔体密度增加而减少。

拉伸流动中丝条从喷丝孔口处的流动速度v₀逐渐变化为卷绕速度v_L，该过程中丝条的运动是一种不均匀的加速运动。丝条在距离喷丝孔不超过10 mm的区间内，流动速度沿纺程逐步减小，在最大胀大截面处变为零；随后，丝条的速度在拉伸引力下沿着纺程逐渐增大。整个过程中，丝条横截面经过膨胀区后逐渐变细，到达稳定区后形成初级纤维。此外，丝条横截面还受到冷却温度的影响，冷却风的速度越高，纺丝线上丝条面积减小越快，纤维快速细化区域越短。

（2）影响不定岛海岛纤维形态结构的关键因素

影响海岛微纤形貌的因素很多，可以从聚合物性质和加工条件进行分类归纳。

①聚合物性质

a.相容性：聚合物的相容性是判断形成超细纤维的依据，只有部分相容及完全非相容高聚物才能形成超细纤维的海岛结构。

聚合物共混过程中自由能变化ΔG可以采用溶液混合的热力学方程表示：

ΔG=ΔH-TΔS

式中 ΔH——体系焓的变化；

ΔS——混合后熵的变化；

T——体系的温度。

如果ΔG＜0，则混合组分是相容的，反之则是不相容。实际上，一般高分子的相对分子质量都相当大，所以两种聚合物共混时，体系的熵变是很小的，因此相容性主要取决于共混过程的焓变。如果焓变为负，则体系可能相容；如果焓变为正，且变化值小于T|ΔS|，则体系可能相容，其余情况体系均不相容，将形成非均相体系。

b.黏流活化能ΔE_η：黏流活化能反映材料流动的难易程度，同时也能反映材料黏度变化的温度敏感性。黏流活化能越大，材料熔体的黏度受温度依赖性较大，反之，材料的黏度受温度依赖性较小。同时，黏流活化能还和剪切速率有关，不同的剪切速率下黏流活化能不同。在温度T＞T_g+100℃时，聚合物熔体黏度与温度之间满足Arrhenius公式：

式中 η_a——表观剪切黏度；

A——经验常数；

R——摩尔气体常数 [8.314J/（K·mol）]；

T——热力学温度；

ΔE_η——黏流活化能。

将上面公式取对数后，得到

该关系式是以为自变量，ln为因变量的线性方程，直线斜率是，即可得到在一定纺丝速度下，不同温度下的剪切黏度_ηa。

②加工条件 在高分子共混物的制备过程中，分散相的尺寸和形状主要受到高聚物黏度比和组分比影响。基本规律为：含量高的易形成连续相，含量低的易形成分散相；溶体黏度较高者易构成岛相，较小者构成海相。根据经验，体积分数（φ）高而黏度（η）低的组分构成连续相。如果某个组分的体积分数和黏度都高，则相形态取决于η/φ值的大小，一般η/φ值小的组分为连续相。根据焦德哈莫等提出的模型，当以下公式成立时，不相容聚合物共混物将发生相反转：

式中 η_d、η_m——分散相和连续相的黏度；

φ_d、φ_m——分散相和连续相的体积分数。

此外，海岛纤维中微纤的直径及分布等因素还受到剪切速度、纺丝温度、融化温度及纺丝速度等因素的影响。为了制备出符合市场需求的海岛纤维必须对这些因素进行详细的分析。

a.两组分的熔体黏度比：在流场中基体产生使液滴形变的黏性应力和形变液滴内的应力都与黏度有关，所以液滴的形变受两相黏度比的影响。组分黏度比λ定义为：

式中 η_d——分散相（液滴）黏度；

η_m——连续相熔体黏度。

在剪切流场中，λ接近1的体系，液滴容易发生破裂；而λ很小的体系，液滴比较容易被拉长，但不太容易破裂。对于较大的体系（λ＞4），液滴只能形变，无法破裂。λ＜1的体系中，球形液滴在剪切流场中会出现瞬态的增宽现象，形成椭圆形的片状结构。

对两种不同黏度的LDPE（1I50A和1I60A，熔体质量流动速率分别为50g/10min和60g/10min）与PA6以PA6/LDPE=65/35的混合比共混纺丝的超细纤维形貌进行对比，如图7-6所示。结果显示，两种LDPE都可以顺利制备出超细纤维，但是低黏度的1I60A比高黏度的1I50A得到的PA6/LDPE超细纤维均匀性更好，岛径更小。黏度对于制作超细纤维影响比较大，需要合理优选黏度比。

图7-6 PA6与不同黏度LDPE混合的纺丝形态对比图

（a）1I50A （b）1I60A

b.两组分的混合比：在纺丝过程中，混合物组分比主要影响液滴分裂和聚并的过程。连续相或分散相的组分比理论临界值为：当两相共混体系中的某一组分含量大于74%（体积分数）时，这一组分就不再可能构成分散相，而将成为连续相。同样，当某一组分含量小于26%时，这一组分就不再可能构成连续相，而只会构成分散相。当组分含量为26%～74%时，是分散相还是连续相，取决于组分比和熔体黏度比。

图7-7为共混物PA6/LDPE/PE-g-MAH不同混合比（质量分数）的纺丝分布形态图。从图中可以看出，PA6质量分数低于65%时，PA6/LDPE/PE-g-MAH共混物表现为典型的两相结构，LDPE为连续相，PA6为分散相。随着分散相PA6含量增加，分散相的尺寸增大，当共混物中PA6的质量分数增至65%时，共混物的相结构不再呈现出典型的两相结构，而是双连续相结构。

利用扫描电镜观察PP与EHDPET不同混合比（体积分数）的共混纤维经碱水解处理后的相转变现象，如图7-8所示。这组照片形象地展示共混体系体积比影响相形态的转变过程。PP体积分数小于65%，PP为岛相，共混纤维水解后成PP微纤，如图7-8 （a）～（d）所示；PP体积分数大于70%，PP为海相，共混纤维水解后，EHDPET溶出，留下许多孔洞，如图7-8 （g）和（h）所示；PP体积分数为65%～70%时，共混纤维处于相逆转状态，水解后共混纤维中微纤结构和孔状结构并存，如图7-8 （e）和（f）所示。

图7-7 PA6/LDPE/PE-g-MAH不同混合比（质量分数）的纺丝分布形态图

（a）30/67/3 （b）40/57/3 （c）50/47/3

（d）55/42/3 （e）60/37/3 （f）65/32/3

图7-8 PP与EHDPET不同混合比（体积分数）共混纤维相形态变化对比图

（a）20/80 （b）30/70 （c）50/50 （d）60/40

（e）65/35 （f）70/30 （g）75/25 （h）80/20

注：（a）～（d）微纤 （e）～（f）相逆转 （g）～（h）微孔。

在形成稳定海岛结构的基础上，混合比例主要影响分散相的数目与尺寸。一般情况下，适度增加分散相的含量，有利于增加微纤的数量，形成有效长度的超细纤维。不同材料构成的高聚物共混体系中，最优组分比不同，例如，用PA6/LDPE生产海岛纤维时，一般将PA6含量控制在45%～55%。

共混组分的熔体黏度比和组成比对共混物形态结构的综合影响如图7-9所示。在某一组分含量大于74%时，这一组分一般是连续相，如A组分在A-1区域或B组分在B-1区域；当某一组分含量小于26%时，这一组分多为分散相，如B组分在A-1区或A组分在B-1区。某一组分含量为26%～74%时，根据 “软包硬”的规律，在A-2区域，当A组分的熔体黏度小于B组分的黏度时，尽管B组分的含量接近甚至超过A组分，A组分仍然可以成为连续相，在B-2区域，也有类似的性质。

从A组分为连续相向B组分为连续相转变的过程中，会有一个相转变的区间（图7-9中斜线阴影区域）。理论上讲，这个相变区内，都会有两相连续的 “海-海”结构出现。但是，在A组分与B组分接近的区域（图7-9中双斜线覆盖的部分），更容易出现 “海-海”结构。

图7-9 共混组分的熔体黏度比和组成比对共混物形态结构的影响

通过对高组成比组分构成共混纤维分散相的研究，可以在实验中证实，海岛纤维岛生成主要受到黏度比和体积比的共同影响，如图7-10所示。从图中可以看到，生成的共混纤维是海岛结构，孔洞是PA6被甲酸溶解后所形成的，表明PA6是岛，_ηm（PA6）/ηm （PE）比值越大，PA6的岛直径越大。图7-10 （c）因黏度比较小，已成为AinBinA的互为海-岛结构。

图7-10 PA6与PE不同熔体黏度比的纺丝形态结构图

（a）_ηm（PA6）/_ηm（PE）=6.15 （b）_ηm（PA6）/_ηm（PE）=5.14 （c）_ηm（PA6）/_ηm（PE）=2.67

c.剪切速度：剪切速度影响聚合物的黏度以及海岛纤维分散相的颗粒尺寸，可以通过调整剪切速度来改变海岛纤维的相结构。

熔融状态下的共混高聚物，属于非牛顿流体，在温度保持不变的情况下，共混组分的熔体黏度比随着剪切速度（或剪切应力）增大而下降，具有典型的 “剪切变稀”行为。

分散相颗粒尺寸与剪切速度成反比，根据Wu利用Taylor关于微滴变形和破裂的理论研究得出，分散相粒子平均半径R_ave与共混物结构和性能参数的关系，该表达式认可度最高，表达式为：

式中 R_ave——分散相颗粒平均半径；

σ——两相界面张力；

v——剪切速度；

λ——组分黏度比；λ＞ 1，公式取 “+”；λ＜ 1，公式取 “-”，

ηm——连续相熔体黏度。

τ=vηm

式中 τ——剪切应力。

剪切速度增大，表面张力下降，连续相的黏度增大（或分散相黏度减少），均可降低分散相的岛径。为获得长径比大的分散相，需要满足以下条件：两界面具有较小的张力；两相的黏度差较小；适宜的喷丝板设计及纺丝条件。

d.纺丝温度：熔体温度影响共混物的黏度，从而影响着初生纤维的结晶度和晶态的形成。一方面是因为熔体温度高，凝固时间和结晶时间长，所以结晶度高；而另一方面，则因熔体温度高，在丝流细化过程中，纺线上凝固点位置下移，熔体的轴向速度梯度减小，大分子热松弛取向的时间长，因此取向结晶减少。

较高的纺丝温度可以改善熔体通过喷丝孔的流变性能，提高可纺性。但温度过高，会使熔体黏度降低甚至热分解，造成相对分子质量降低，使组件压力降低或出现波动，微纤不均率增大，毛丝及断头增多，可纺性下降。在玻璃化温度T_g以上且不损伤纤维的温度时，拉伸过程才能正常进行。可通过热-重分析的TG曲线来测试混合物的温度曲线，继而协调混合物的温度曲线，最终确定最优的纺丝温度。根据生产经验，纺丝温度可以比熔融温度（T_m）高20～40℃。

图7-11是PA6/LDPE在三种不同的工艺温度下得到的纤维SEM截面图。纺丝工艺温度是指螺杆的进料区、计量区、混合区、接头（螺杆与喷丝组件的连接部）、喷板组件5个区域的温度。在三种方式工艺温度下，都可以得到较好的可纺性，但是第二种情况下，纺丝效果最好。

图7-11 不同温度的纺丝形态分布图

（a）222、244、260、265、265℃ （b）222、254、270、275、275℃ （c）232、258、274、278、278℃

e.纺丝速度：卷绕速度是纤维成型过程中的重要参数，对纤维聚集态结构以及力学性能影响很大。在喷丝孔流速不变的情况下，增加卷绕速度，改变了喷丝头的拉伸倍率，提高了喷丝头预拉伸倍率SDR，纤维拉伸过程中卷绕速度v_L（m/min）与喷丝孔口处的熔体流动速度v_O（m/min）之比，即SDR=v_L/v_O。

喷丝头拉伸比公式：

SDR≈（d/d₁）²

式中 d₁——单根卷绕丝直径，mm；

d——喷丝孔直径，mm。

利用纺丝熔体平均流出速度与喷丝孔速度之间关系，可以得到喷丝头拉伸比：

式中 Q——纺丝熔体的平均流出流速，m³/min；

n——喷丝板孔数；

d——喷丝孔直径，m；

V——计量泵转一次输出的体积，m³/r；

υ——计量泵转速，r/min。

随着纺丝速度的提高，熔体的喷头拉伸比逐步增大，这意味着纺程上的各级张力相应增加，在纺程上拉伸流动的应力也相应提高。随着泵供量的增加，喷头拉伸比逐步减小。泵供量越小，纺丝速度越高时，喷头拉伸比越大，纤维越细。调整泵供量和纺丝速度都可以实现纤维纤度的控制。当纺丝体系的卷绕速度不能调整时，可以通过调整泵供量来实现纤维纤度的控制。当计量泵供应量超出其上下限时，可能会导致纺丝熔体不稳定流动，故一般SDR控制在50～200。

纺丝速度对共混纤维中分散相梯度分布影响的实验结果如图7-12所示。图中的实验参数为：PA6/LDPE=45/55，PA6相对黏度2.9，LDPE熔体质量流动速率50g/10min。从实验结果可以看出，共混纤维中分散相的梯度分布主要是在纤维成型的拉伸过程中形成的，与出喷丝孔之前的剪切作用无关。拉伸作用越大，分散相的梯度分布越明显，纤维径向从中心到表层的梯度分布也越来越明显，说明提高纺丝速度可以促进分散相的梯度分布；当纺丝速度达到1100 m/min时，基体相LDPE出现明显的轴向断裂，代表分散相的 “孔洞”之间因为基体相的消失而出现明显的贯通现象，使两个或多个PA6分散相融合为 “8”字形的结构，说明过高的纺丝速度会导致分散相径向融合。

图7-12 不同纺丝速度下纤维的形态分布图

（a）0m/min （b）37m/min （c）500m/min （d）850m/min （e）1100m/min

f.相容剂：为了有效地制备海岛纤维，使用的聚合物都是不相容的，两相界面的相互作用非常弱，减少了两组分分子间的相互作用，有利于分散相在熔体中滑移、取向。但组分间的不相容不利于有效的传递应力，影响分散相的均匀度。为了改善高聚物的性能，引入相容剂，也称之为增容剂。

相容剂对高聚物的影响包括：改善分散相分布状态；提高体系黏度；使相分离变差，残留量增加；降低可纺性，增加纤维剥离的难度。在满足实际生产要求下，适当加入一定量的相容剂，用于改善分散相颗粒尺寸和均匀度。

在PA6/PE共混的聚合物中添加PO-g-MAH相容剂，可以观察相容剂对超细纤维结构形态的影响，如图7-13所示。相容剂从零开始依次增加1%，从结果可以看出，添加适量的相容剂可增强共混组成物间的亲和性，改善纺丝过程的可纺性；随着相容剂添加量的增加，共混纤维中分散相平均直径减小，尺寸均匀性提高。

图7-13 在PA6/PE （55/45）中添加不同比例的PO-g-MAH的纺丝形态分布图

（a）×500，0 （b）×1000，1% （c）×2000，2%（d）×2000，3% （e）×2000，4% （f）×2000，5%

（3）制备不定岛型海岛纤维的主要设备

①粒料系统 粒料系统是将纺丝用的聚合物切片，按要求计量、输出，并进行初步混合的系统，如图7-14所示。海组分、岛组分及需要的添加剂经过各自的计量装置计量后，送入混料罐进行初步混合，然后供料给螺杆挤出机使用。

送料方式有正压、负压等，计量方式有质量计量、体积计量等。图7-15是负压吸料并用旋转加料器按体积计量的送料系统，其具有占地少、效率高、人工劳动强度低等特点。

图7-14 粒料系统示意图

旋转加料器示意图如图7-16所示，主要由机体、星形转子、端盖等部分组成，物料由上部的进料口落入机体内部的转子的叶片之间，在电机驱动下转子匀速旋转，将物料送至下部的出料口，将料供给或卸出。根据其安装形式的不同，旋转加料器可作为正压输送系统或负压吸送系统的卸料器用，也可作为正压输送系统的供料器用，在各个系统均起着封闭防止气体泄漏以及供料的作用。

图7-15 真空吸料系统示意图

图7-16 旋转加料器示意图

1—散装物料 2—加料器机体 3—星形转子

②螺杆挤出机 螺杆挤出机在螺杆螺槽的推动和螺杆与套筒之间的剪切力作用下，对熔体压实并剪切混合，保证流体在螺杆挤出机内发生剪切流动。螺杆挤出机剪切作用的强弱不仅可以影响分散相的形态，还可改变两相界面的形态。保证流体的加工温度，合理设计流体流道及模具的几何尺寸，同时控制剪切流场的强度稳定才能得到稳定均匀的流体。

螺杆挤出机的分类如下：

根据螺纹头数分为单头螺杆和多头螺杆挤出机；根据螺距变化情况分为等螺距螺杆和变螺距螺杆挤出机；根据根径变化情况分为突变螺杆和渐变螺杆挤出机。渐变螺杆又分为全区渐变和短区渐变螺杆两种。

各种螺杆挤出机的基本组成相同，包括加料装置、螺杆、套简、加热与冷却装置、螺杆传动和变速机构、控制仪表和机架等。其中，螺杆是整个螺杆挤出机的关键部件，它的结构特征主要由螺杆直径D、螺杆长径比L/D （即有螺纹部分的长度L与螺杆直径D 之比，工艺上将L定义为由加料口中心线到螺纹末端的长度）、螺纹头数、螺距变化情况、螺纹深度（即根径）、螺纹结构、间隙大小决定。

根据物料在挤出机中的状态可将螺杆挤出机分为三个区段：固体区、熔融区和熔体区，如图7-17所示。

螺杆挤出机既是加热器，也是熔体输送泵。首先，固体物料从料筒进入螺杆后，在进料段被输送和预热，在熔融区逐渐融化，最后在输送区内进一步混合，并达到一定的温度，以一定的压力定量地输送至计量泵进行纺丝。物料在固体区和熔体区为单相的，在熔融区两相并存。

单螺杆挤出机的生产率可用下式表示：

图7-17 单螺杆挤出机

式中 Q_d、Q_P、Q_L——顺流、逆流和漏流的流量；

n——物料的非牛顿指数；

D——螺杆直径；

n——螺杆转速；

H₃——计量段螺槽深度；(www.xing528.com)

ϕ——螺纹升角；

δ——机筒间隙；

b——轴向棱宽；

——压力梯度；

η1 ——螺槽中熔体黏度；

η2 ——机筒间隙中熔体的黏度。

流量Q直接受到压力p、螺杆转速n和物料黏度η的影响。利用上面公式，可以估算出在给定条件下螺杆的流量，也可以在给定螺杆流量情况下，预测螺杆的转速。

③计量泵 计量泵将来自螺杆挤出机的高温熔体精确计量并稳定地送入纺丝头组件上，从而保证纺丝纤度均匀。

计量泵由上下两块泵盖板，中间一块呈 “8”字形的空洞，里面恰好能装一对互相啮合的齿轮，其中一个是主动齿轮，另一个是被动齿轮构成，如图7-18所示。工作时，当一对一互相啮合的齿轮转动时，在熔体入口形成负压，熔体就从入口被吸入，充满于齿轮的齿间隙之中。随着齿轮的旋转，在熔体出口形成一定的压力，将熔体从出口处压出而进入纺丝组件。由于齿轮的齿隙容积恒定的，所以计量泵每转动一转，输出的容积恒定，从而保证了计量泵具有高精度的计量。

④静态混合器 静态混合器是由若干混合单元串联组成的一种没有运动部件的高效混合设备，通过固定在管内的混合单元体改变流体在管道内的流动状态，产生流体的切割、剪切、旋转，达到流体之间良好分散和充分混合的目的。

静态混合器的混合能力常用混合物均匀性表征。工程上，特别是非相容聚合物共混纺丝生产超细纤维时，常用混合物的分流层数作为混合效能的表征。分流层数可由下列关系式表示：

图7-18 熔体计量泵结构及外形图

1—加热管 2—泵体 3—轴承 4—主动齿轮 5—被动齿轮 6—密封 7—侧板

N=Aaⁿ

式中 N——分流层数；

A——混合前组分数；

a——单元机械分割层数；

n——单元数。

静态混合器只是对体系的混合与分散提供一种辅助手段，而不是决定海岛结构的主要因素。此外，静态混合器是无动力装置，流体通过混合器时完全靠压力驱动，因此设计和选用静态混合器时需要考虑其压力损失。

管式静态混合器如图7-19所示，是一种快速高效、低能耗的管道螺旋混合器，每节混合器有一个180°扭曲的固定螺旋叶片，分左旋和右旋两种，相邻两节中的螺旋叶片旋转方向相反，并相错90°，混合器的螺旋叶片不动，仅是被混合的物料或介质的运动，流体通过它除产生降压外，不用外部能源。混合器主要是通过流动分割、径向混合、反向旋转，达到两种介质不断掺混扩散、混合的目的。

图7-19 管式静态混合器

⑤纺丝头 纺丝头的主要作用是将计量泵送来的熔体或溶液进行最终过滤，混合均匀后分配到每一个喷丝孔上，挤出均匀的细丝。

图7-20是大型内环吹风纺丝头结构示意图，熔体自入口进入纺丝头，经分配腔均匀地流向四周，经分配环再流向环形喷丝板；环吹风自纺丝头中心下侧引入，经空气分配器，沿环吹风口喷向自环形喷丝板下落的丝束。

内环吹风纺丝头具有如下两个特点：

a.熔体自入口至每一个喷丝孔的行进距离几乎相等，这就避免了矩形板或普通大型圆形板熔体行进距离不等、停留时间不等而造成的纤维质量不匀的缺点。

b.熔体分配腔大体呈圆锥形，可以保证熔体离中心任何部位与腔壁的切变速率υ保持恒定。如果用h表示离中心r 处的腔高，则r与h必须服从公式υ= 6Q/（2πrh²）恒定。当熔体黏度相同的情况下，只要υ相同，就可以保证熔体流动的稳定性。

以上两条，可以使喷丝板孔与孔之间熔体质量差异减至最少，从而提高孔排列密度，减少孔与孔之间的距离成为可能，大幅度增加生产力。

图7-20 大型内环吹风纺丝头结构示意图

1—熔体入口 2—锥形熔体分配腔

3—环形喷丝板 4—熔体分配环

5—环吹风入口管 6—空气分配器

7—导流环 8—环吹风出口

9—隔热石棉层 10—高度调节螺栓

将成形的丝束分为两半，在下部用两个输出辊引至牵伸机构，这样就可以在两片丝束中间引入吹风管，实现从内向外吹风。从内向外的吹风方式可以保证加热的空气在大气中自然扩散，避免内吹风的排气相互干扰而影响板面温度与丝条质量的均匀。

喷丝板是纺丝头的核心部件，利用微孔将高聚物熔体或液体，转变成只有特定截面形状的细流，经吹风冷却或凝固浴的固化而形成丝条。

喷丝板的选择需要考虑以下因素：孔数、孔的排列形式、孔径的大小、孔的形状、板面大小、板面厚度尺寸、材料的选择及制造技术要求等。喷丝孔的结构由导孔、过渡孔和微孔组成。共混海岛纤维使用的圆孔环形喷丝板如图7-21所示，具有孔数多、孔径小的特点。

图7-21 圆孔环形喷丝板

喷丝板孔直径直接影响着喷丝头的拉伸比：

式中 v_L——纺丝速度，cm/min；

d——喷丝孔直径，cm；

Q——单孔体积流量，cm³/min。

喷丝头拉伸比与原丝的断裂强度有较好的定量关系，在保持恒定的纺丝温度和纺丝压力下，纤度随着拉伸倍数的增加而减少。拉伸倍数增加，纤维的强力增大，但伸长率有所下降。拉伸倍数增大，纤维在冷却至T_g时的凝固长度增加，同时所承受的形变应力大幅度提高，聚合物大分子链取向度增加，从而提高了纤维的强力。当拉伸倍数增加到一定程度后，纤维的强度和模量反而有所下降，因为环吹风冷却时间太短，丝内部的温度不能及时冷却下来，而热运动是解取向，使分子内部取向度不够高，从而导致力学性能的下降。

环吹风系统直接影响纺丝过程是否平稳及纺丝的质量，对原丝的机械与物理性能也有很大的影响，是纺丝头中另一个核心系统。熔体出喷丝板至固化点以前是熔体细流向初生纤维固化的过渡阶段，是初生纤维结构形成的主要区域，在纤维成型过程中，关键是丝条出喷丝板后在吹风区内的冷却。

纺丝吹风的主要工艺参数：风量、沿纺程的风速分布、风的温度、风的湿度和喷丝板到起始出风处的垂直距离。

确定风量的基本方式是依据丝束与冷却空气热量平衡关系：

式中 Q_q——吸收的热量，kJ/m³；

Q_T——放出的热量，kJ/m³；

W——吐出量，kg/m³；

c_p——熔体平均比热容，kJ/（kg·K）；

ΔT——熔体温度T₀与风温T′的温度差，K；

ΔT′——环吹风温与热交换后的风温T″温度差，K；

c_p干空气、c_p水蒸气——干空气、水蒸气的比热容，kJ/（kg·K）；

ρ_干空气、ρ_水蒸气——干空气、水蒸气的密度，kg/m³。

此外，在实际应用中，随着风量的增加，压差与实际风量之间并不是直线关系，生产过程中一般采用观测纤维冷却状态及测量纤维物理性能的方法修正送风量。

⑥牵伸机 熔纺成型的丝束，属于初生纤维，强力低、伸长大、结构不稳定，需要通过拉伸等后加工处理，使纤维具有优良的使用性。拉伸常称为合成纤维的二次成型，它是提高纤维物理力学性能必不可少的手段。在拉伸过程中，纤维的大分子链或聚集态结构单元发生舒展，并沿纤维轴向排列取向，在取向的同时通常伴随着相态的变化以及其他结构特征的变化。

牵伸机是对纤维进行拉伸的主要设备，如图7-22所示，通常由5个或7个直径相同牵伸辊组成。丝束拉伸依靠两台牵伸机的速度差来完成，因此提高牵伸辊对丝束的握持力，保证拉伸倍数的稳定是至关重要的。通过采用橡胶压辊或增加牵伸辊数可以有效地减少滑动摩擦。一般五辊牵伸机打滑系数为7%～10%，而七辊牵伸机打滑系数仅为3%。

图7-22 七辊牵伸机示意图及外形图

在拉伸过程中出现细颈的位置称为拉伸点或拉伸区。拉伸点位置稳定，可以确保得到线密度和其他物理力学性能均匀的纤维，为了达到这个要求，必须综合考虑拉伸点的位置与拉伸张力、拉伸倍数、拉伸温度和拉伸速度等参数之间的关系。

图7-23 丝条通过拉伸辊面张力的变化

a.拉伸张力：拉伸张力关系到拉伸过程和所得纤维结构的稳定性，一般情况下拉伸张力是拉伸条件以及未拉伸材料的组成和结构的函数。丝条或丝束通过第一圆柱形拉伸辊后，增大的张力T₂（图7-23）主要取决于丝条与辊面之间的摩擦因数_μ和丝条在辊上的包角θ，根据Amonton定律，张力增大表达式为：

T ₂ =T ₁exp（_μθ）

如果丝条经过一系列拉伸辊，则最后一个辊导出后的张力T_R为：

T_R=T ₁exp（_μθ）

式中 T₁——进入第一个辊前的预张力；

μ——丝条与辊面之间的摩擦因数；

θ——每个辊上包角之和，θ=θ₁+θ₂+…+θ_R。

在辊上多绕一圈，包角θ增大2π。

由此可见张力随包角和摩擦因数迅速增大，在七辊牵伸机上，由进入第一辊至最后一辊导出处，将形成一个逐渐增大的张力场。

b.拉伸倍数：在一定范围内随着拉伸倍数的增大，取向度增加，纤维的强度也相应提高，要制得具有一定物理力学性能的纤维，就应对纤维进行一定倍数的拉伸。受力后的纤维长度l与纤维的原始长度l₀的比值称为拉伸倍数，R=l/l₀。拉伸倍数应该大于自然拉伸比，小于断裂拉伸比。

自然拉伸比是指纤维完全变为细颈时长度l₁与原始长度l₀的比值，R_n=l₁/l₀；或者原始样品截面积A₀与细颈截面积A₁之比，。_ρ为密度，假设拉伸过程中密度保持不变，则R_n=N。

提高拉伸倍数，可以采用多段拉伸或者一段拉伸来实现。采用多段拉伸过程时，每一段的温度可不同，所以多段拉伸比一段拉伸效果好。另外，减少拉伸时的断头率，降低拉伸的负荷，也可以提高拉伸倍数。

c.拉伸温度：温度对纤维的拉伸性能和质量有很大影响，一般拉伸温度要高于玻璃化温度T_g，当考虑到附加外力作用，可以略低于T_g；要低于软化温度（一般在熔点以下20～40℃），温度过高时，解取向的速度很大，也不能得到稳定的取向。

对于两段拉伸工艺，经过第一段拉伸后，纤维具有一定程度的取向，随着结晶度的提高，其玻璃化温度T_g随着提高，第二段需要采用更高的拉伸温度。

d.拉伸速度：拉伸速度与拉伸应力之间是一种非线性过程，受到纤维形变时间和纤维拉伸过程发热的双重影响。在一定范围内，增加拉伸速度，拉伸应力和纤维的弹性也相应增加，但当超过某个数值时，拉伸应力和纤维的弹性都反而下降。

除了合理设置拉伸温度、拉伸速度工艺条件外，还可以通过拉伸设备的调整实现拉伸点稳定：把第一台牵伸机的最后一辊设定为浸渍辊，浸渍辊内部通有冷却水，从而降低丝束温度，增大纤维的屈服应力，拉伸点就不会提前发生在牵伸辊上。

一般在第一、第二台牵伸机之间设有水浴或油浴加热器，使纤维内部形成一稳定的温度梯度。

减小丝束通过牵伸辊时纤维与辊表面之间的滑动摩擦，避免因为滑动摩擦引起纤维的温度升高，从而就可以避免拉伸点位置的变化。

⑦上油装置 依据纤维加工过程中上油目的的不同分为纺丝上油和牵伸上油。

a.纺丝上油：熔纺纤维刚成型时几乎是干燥的，容易积聚静电，纤维间的抱合力差，与设备的摩擦力大，为了确保后续的工序顺利进行需要对丝束进行上油。

纺丝上油一般在丝束与导丝辊接触之前进行，纺丝上油装置如图7-24所示。

图7-24 纺丝上油装置

1—丝束 2—上油轮 3—导丝辊

每个上油轮都部分浸在各自的油盘槽中，通过转动的圆周面将油剂带给其上经过的丝条。上油轮附着油层的厚度与油剂的黏度、在油槽中的浸没深度和上油轮转速有关。黏度越大，浸没越深，转速越快，上油轮带的油就越厚，给丝条上的油也越多。为了保证丝条着油均匀，可调整油盘槽中油面的高度、丝束与上油轮的接触长度、上油轮转速等。

b.牵伸上油：为了保证丝束拉伸的加工条件，丝束在拉伸时需要通过浸油机的浸油处理，在去掉附着在丝束上的大量静电的同时，添加适量的油剂，使纤维具有柔软、平滑等特性，保证后续加工顺利进行。浸油机分为有辊和无辊两种油浴槽。

在无辊油浴槽中，丝束通过长方形的浴槽，槽内有两块固定挡板，每块挡板上有一凹口，浴槽两长边比挡板高。在固定挡板上方各有一活动挡板，其宽度比固定挡板凹口处宽度稍小些，活动挡板上嵌有长条羊毛毡或其他适当的织物。羊毛毡与凹口形成一条缝隙，丝束可从缝隙处通过，油剂液体则被挡住，可由缝隙处溢流一小部分，因此液面可升至固定挡板最高处溢流，这样可保证丝束在拉伸时完全浸没在油剂液体中。

图7-25为牵伸上油装置。

⑧卷曲机 在化纤后处理阶段，为使超细纤维能够得到与天然纤维类似的抱合力，需要对其进行卷曲处理。按照工艺方法，卷曲一般分为热水浴卷曲和机械卷曲。

图7-25 牵伸上油装置

海岛纤维采用机械式卷曲，卧式卷曲机较常见，主要由卷曲辊、卷曲箱、加压机构、安全保护机构和机架等部分组成，如图7-26所示。达到玻璃化温度、厚度均匀、宽度合适、张力稳定的丝束，经过夹持点A，被强制送入卷曲箱时，丝片开始弯折，这是卷曲的最初形成；接着丝片继续前进，但由于前方丝片的阻力，迫使丝片弯曲去填满空间，即进行丝片的折叠，然后是折叠丝片的整体推移；最后丝片克服卷曲阻力，冲出卷曲箱，完成整个卷曲过程。主要部件卷曲辊是空心轴，轴孔中通入水进行循环冷却，避免卷曲辊在高压下挤压纤维而产生高温，造成丝束黏结。通过调整卷曲辊的主压和卷曲箱的背压，调节丝束的张力，使丝束均匀卷曲，达到丝束的工艺要求。

图7-26 卷曲机示意图及外形图

纤维卷曲的程度一般以卷曲度来表示，卷曲度定义为：

式中 l₀——单根纤维在初负荷下的长度；

l——在一定负荷下的长度。

卷曲情况也可用卷曲数表示，即单位长度纤维内的卷曲个数。卷曲数的要求视纤维的用途而定。

⑨干燥调湿设备 在纤维上油和卷曲后进行干燥调湿，以去除纤维中的水分，使纤维达到一定的含水、含油量，消除纤维在牵伸和卷曲后产生的内应力，使大分子发生一定程度的松弛，提高结晶度，以稳定卷曲度，降低纤维的热收缩率。海岛纤维采用松弛热定型，使纤维在自由状态下进行干燥定型处理，常见设备如图7-27所示。

图7-27 帘带式松弛热定型设备

干燥定型过程主要控制温度。温度过低，应力松弛时间长；温度过高，不能消除纤维的内应力，还会由于结晶度变化，导致纤维的结构和物性的下降。

⑩裁断机 干燥定型后的丝束需要使用裁断机将长纤维切成规定长度的短纤维，海岛纤维通常被裁断为51 mm短纤。裁断机分为沟轮式切断机和转轮式切断机。

海岛纤维常用转轮式切断机，装有锋利切刀的 “转盘”与自由旋转的 “压轮”组合，实现压力切断功能。工作时，进入切断机的丝束预先经过张力装置，以均匀的丝束张力连续地绕在刀盘外周，丝束层越绕越厚，当厚度大于刀盘和压轮之间的间隙时，压轮把丝束压向刀刃，绕在刀盘上的内层丝束就被刀刃切断，切断后的短纤维从刀盘中引出，其工作示意图如图7-28所示。可通过调整 “转盘”上的刀片数和刀片间距来控制纤维的切断长度。

进入切断机的丝束张力，不但能控制切断长度，还能把丝束中纤维拉整齐，减少超长纤维。切断机的理论产量为：

式中 Q——切断机理论产量，kg/h；

v——丝束的喂入速度，m/min；

D——丝束的纤度，den （9000m纤维的质量为1den，1dtex=9den）。

图7-28 转轮式切断机

1—丝束 2—张力装置 3—刀盘 4—压轮

⑪打包机 打包是超细短纤维生产的最后一道工序，目的是将松散的纤维打成一定质量、一定体积的包装，有人工、半自动、自动打包三种方式。自动打包机按照加压方式不同，一般有液压（油压）式和机械（丝杠）式两种。目前广泛采用液压打包机，如图7-29所示，主要由进料部分、棉箱部分、加压部分和计量部分等组合而成。一定压力的气流将成品纤维吹送至称料仓，达到规定的质量后落入棉箱中，并用压板压紧，然后缝口成包，过秤入仓。

（4）纺丝工艺

共混短程纺丝工艺流程如图7-30所示，成纤物料经粒料系统计量并初步混合，进入螺杆挤出机混合、熔融并过滤，经计量泵精确计量，进入纺丝头由喷丝板喷出，经纺丝上油、拉伸、卷曲等工序制成短纤维。

以PA6/LDPE共混纺丝为例，介绍制备不定岛纤维的工艺条件。

①原料要求PA6是超细纤维纺丝中最重要的原料之一，它的物理化学性质对纺丝效果的影响至关重要。PA6粒料是白色柱形颗粒物，软化点温度约为180℃，熔融温度约为220℃，分解温度约为313℃，密度为1.12～1.14g/cm³。PA6耐碱、不耐酸，可溶于苯酚、59%硫酸、15%的盐酸和热甲酸中，在95℃用NaOH （10%）处理16h后几乎无变化。

图7-29 打包机

图7-30 短程海岛型纤维混合纺丝工艺流程

1—螺杆挤出机 2—纺丝箱体及组件 3—上油导丝 4—一牵伸 5—二牵伸

6—卷曲 7—干燥调湿 8—裁断 9—打包

LDPE粒料为乳白色蜡质半透明固体颗粒，熔融温度约为104℃，分解温度约为353℃、密度为0.910～0.925g/cm³。LDPE不溶于水，微溶于烃类，溶于热苯类溶剂。

原材料的黏度是影响海岛纤维形态的重要因素，而高聚物黏度随着剪切速率和温度的变化而变化。图7-31是在不同的温度下PA6和LDPE熔体在剪切速率为100～10000/s的流动曲线。

图7-31 不同温度下表观剪切黏度与剪切速率的关系曲线

（a）PA6 （b）LDPE

从图7-31可以看出，恒定的温度下，PA6和LDPE的表观剪切黏度随着剪切速率的增加不断下降。在同一剪切速率下，随着温度升高，表观黏度逐渐减小，它们的熔体属于假塑性流体。

图7-32 不同温度下PA6/LDPE表观黏度比与剪切速率关系曲线

图7-32是不同温度下PA6/LDPE表观黏度比与剪切速率的关系曲线。从图中可以明显看出PA6的熔体黏度比LDPE的要高很多，在整个剪切速率的范围内，黏度比值在5.8～10.6。在相同的温度下，黏度比随剪切速率的变化出现先增加后减小的趋势，转折点随着温度升高，向高剪切速率迁移。

用于PA6/LDPE型共混纺制海岛纤维的PA6和LDPE切片指标分别见表7-2和表7-3。

表7-2 PA6切片指标

表7-3 LDPE切片指标

②PA6/LDPE共混纺丝工艺条件PA6/LDPE=55/45，螺杆挤压机直径150 mm，长径比30，分七区加热，下装式环形喷丝板，板孔数42000，内环吹风冷却，熔体压力3.0～3.5MPa，纺丝速度22m/min。两组七辊拉伸，牵伸油浴65～70℃，拉伸倍率2.8～3.1，卷曲12～20/cm，松弛热定型温度50～85℃，裁断长度51mm。PA6/LDPE共混纺丝工艺条件见表7-4。

表7-4 PA6/LDPE共混纺丝工艺条件