【導讀】對于供紡織用的纖維，其長度與直徑之比一般大于1000﹕1?；瘜W纖維是指用天然的或合成的高聚物為原料，經(jīng)過化學方法和機械加工制成的纖維?；瘜W纖維的問世使紡織工業(yè)出現(xiàn)了突飛猛。新材料、新品種、新性能不斷涌現(xiàn)，呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的趨勢[1]。分為再生纖維和合成纖維兩大類。原高聚物基本相同。甲殼素纖維，海藻膠纖維）。某些農(nóng)副產(chǎn)品等天然的低分子化合物作原料，經(jīng)化學合成和加工制得的纖維。烯纖維（氯綸）和聚氨酯彈性纖維（氨綸）等。圖1-1列出紡織纖維分類及其品。工工后，得到的長度以千米計的纖維稱為化學纖維長絲。8～100根以下單纖維組成。根據(jù)切斷長度的不同，短纖維可分成棉型、毛型和中長型短纖維。由兩種或兩種以上高聚物組成的纖維稱多組分纖維，如腈綸。軸向有規(guī)則地排列并形成連續(xù)的界面的纖維，稱為復合纖維。或較均勻混合的纖維，則稱為共混纖維。維和抗起球纖維等。

　　

【正文】 m。 2．卷曲率 J 式中： L1 為纖維在重負荷下測得的長度（ mm）； 卷曲率表示卷曲程度。卷曲率越大，表示卷曲波紋越深，卷曲數(shù)多的卷曲率也大。一般化學纖維的卷曲率在 10％～ 15％左 右。 3．卷曲回復率 Jw 式中： L2 為纖維在重負荷下保持 30s 后卸載，回復 2min，再在輕負荷下測得的長度（ mm）； 卷曲回復率表示卷曲的牢度。卷曲回復率越小，表示回縮后剩余的波紋越深，及波紋不易消失，卷曲耐久。一般在 10﹪左右。 4．卷曲 彈性恢復率 Jd 卷曲彈性回復率表示卷曲彈性的好壞。卷曲彈性率越大，表示卷曲容易回復，卷曲彈性越好，卷曲耐久度越好。一般 70﹪～ 80﹪左右。 （三）纖維疵點 化學短纖維的外觀疵點包括纖維的含雜和疵點兩項內(nèi)容。含雜是指除纖維以外的夾雜物。疵點是指 生產(chǎn)過程中形成的不正常異狀纖維。疵點包括僵絲（脆而硬的絲）、并絲（粘合在一起不易分開的數(shù)根纖維）、硬絲（由于紡絲不正常而產(chǎn)生的比未牽伸絲更粗的絲）、注頭絲（由于紡線不正常，中段或一端呈硬塊的絲）、未牽伸絲（未經(jīng)牽伸或牽伸不足而產(chǎn)生的粗而硬的絲）、膠塊（沒有形成纖維的小塊聚合體）、硬板絲（因卷曲機擠壓形成的纖維硬塊）、粗纖維（直徑為正常纖維 4 倍及以上的單纖維）等異狀纖維。 第二章 化學纖維成型原理 化學纖維的成型是將紡絲流體（聚合物熔體或溶液）以一定的流量從噴絲孔擠出，固化而成為纖維的過程。它是 化學纖維生產(chǎn)過程中最重要的環(huán)節(jié)之一。化學纖維成型亦稱紡絲，主要采用熔體紡絲法（ meltspinning）、干法紡絲法（ dryspinning）和濕法紡絲法（ wetspinning）。 從工藝原理角度，這三種紡絲方法均由四個基本步驟構(gòu)成： ① 紡絲流體（溶液或熔體）在噴絲孔中流動； ② 擠出液流中的內(nèi)應力松弛和流動體系的流場轉(zhuǎn)化，即從噴絲孔中的剪切流動向紡絲線上的拉伸流動的轉(zhuǎn)化； ③ 流體絲條的單軸拉伸流動； ④ 纖維的固化。在這些過程中，成纖聚合物要發(fā)生幾何形態(tài)、物理狀態(tài)和化學結(jié)構(gòu)的變化。 第一節(jié) 熔體紡絲 成型原理 熔體紡絲成型的基本過程包括紡絲熔體的制備、熔體自噴絲孔 (spinneret hole)的擠出 (extrusion)、擠出熔體細流的拉長變細、冷卻固化（ solidify），固化絲條的上油和卷繞（ takeup），見圖 21 所示。概括地說，從聚合物到成絲僅是一個隨著傳熱過程而產(chǎn)生的物態(tài)變化，即固態(tài)聚合物在高溫下轉(zhuǎn)變?yōu)榱鲃拥恼沉黧w，并在紡絲壓力下擠出噴絲孔，在噴絲板 (spinneret)到卷繞裝置之間，絲條必須被拉伸（ drawing）至需要的細度并充分冷卻固化而為固態(tài)絲條（初生纖維， asformed fibre）的過程。 一、熔體細流冷卻固化歷程 熔體由紡絲計量泵 (metering pump)以一定壓力壓經(jīng)噴絲孔壓出時，在外力（卷繞拉力、熔體重力和空氣的摩擦力等）和紡絲冷卻筒（ air cooling chimney）和紡絲甬道（ metering duct）中的空氣氣流的 冷卻作用下，使熔體拉長、變細、固化而最終形成初生纖維。由于熔體是高分子聚合物，呈現(xiàn)出非牛頓型的流動，所以熔體細流的固化成形歷程，基本上可分為入口區(qū)、孔流區(qū)、膨化區(qū)、形變區(qū)和穩(wěn)定區(qū)（圖 2－ 2）。 （一）入口區(qū) 入口區(qū)指熔體經(jīng)過的每個噴絲孔的喇叭口部分。熔體從較大的空間進入直徑逐漸變小的喇叭口內(nèi)，流速增大會損失一部分能量，這部分能量損失則用于使柔順的高分子聚合物的分子鏈以高彈形變的方式改變自己的分子構(gòu)象，并作為彈性能貯存于體系之中。高聚物在入口區(qū)具有的這種特征稱為 “入口效應 ”。 （二）孔流區(qū) 孔流區(qū)指熔體在噴絲孔的毛細孔中流動的區(qū)域。在此區(qū)域中，熔體有兩個特點，一是流速不同，細流流速在毛細管 (capillary)中呈拋物線分布，孔壁處速度小，孔中心速度高，形成明顯的徑向速度梯度，這是非牛頓流體的特征。另一個是入口效應產(chǎn)生的高彈形變有所消失。彈性形變的消失需要一定的時間，稱為松弛時間，約 ～ 。由于熔體流經(jīng)孔道的時間約為 104～ 108s[1]，與松弛時間相差甚遠，彈性內(nèi)應力來不及松弛，故高彈形變的消失非常小。 （三）膨化區(qū) 膨化區(qū)指熔體細流離開噴絲孔后的一段區(qū)域。 直徑膨化最大的地方，通常離噴絲板不超過 10mm。在此區(qū)中，由于剪切速率和剪切應力迅速減小，熔體在進入孔口時所儲存的彈性能，以及在孔流區(qū)貯存的并來不及在孔道中松弛的那部分彈性能將在熔體流出孔口處發(fā)生回彈和應力松弛，導致細流膨化脹大。過大的膨化易造成細流斷裂或紡絲不勻，因此必須防止。 產(chǎn)生出口膨化現(xiàn)象的主要原因是高彈形變的迅速恢復，使細流產(chǎn)生膨脹，另外，熔體流經(jīng)出口時速度場的變化，以及熔體的表面張力等也是重要因素。前面已經(jīng)提到，熔體在孔流區(qū)內(nèi)，由于高彈形變，大分子構(gòu)象在剪切應力作用下發(fā)生了變化，由卷 曲狀態(tài)變?yōu)楸容^伸展的狀態(tài)，并沿孔流方向取向，但是它仍有自動回復到卷曲狀態(tài)的趨勢。另外，孔流區(qū)內(nèi)貯存了部分能量，所以當熔體壓出噴絲孔時，因不受孔壁約束而應力松弛繼續(xù)進行，這時原來貯存的能量使熔體細流產(chǎn)生徑向膨脹而導致出口膨化。 膨化脹大的程度與分子量、紡絲溫度和噴絲孔長徑比有關，隨分子量減小、紡絲溫度提高和噴絲孔長徑比增大而膨化率降低。 在熔體紡絲時，膨化現(xiàn)象不利于紡絲成形，所以在紡絲成形過程中應嚴格控制膨化率。膨化率過大時，會產(chǎn)生纖度不勻、熔體破裂、熔體和噴絲板剝離性能差等。 （四） 形變區(qū) 形變區(qū)也稱冷凝區(qū)，也就是膨化區(qū)之后與固化點之間的區(qū)域，是熔體細流向初生纖維轉(zhuǎn)化的重要過渡區(qū)，是發(fā)生拉伸流動和形成纖維最初結(jié)構(gòu)的區(qū)域，因此是紡絲成型過程最重要的區(qū)域。熔體細流在 L。～ Lc（見圖 22）之間，即離開噴絲板板面約 10～ 15cm的距離內(nèi)，溫度仍然很高，流動性較好。在卷繞張力等力的作用下，熔體細流很快被拉長變細、速度迅速上升，速度梯度也增加。同時，由于接觸到冷卻風，細流從上到下溫度逐漸降低，熔體粘度增加，致使大分子取向度增加，雙折射上升；如卷繞速度很高，還可能發(fā)生大分子結(jié)晶。該區(qū)的 終點即為固化點（ ），固化點離噴絲板板面約 40～ 80cm，一般成形條件下約為 60cm左右。工業(yè)上將細流變細、變長的現(xiàn)象稱為噴絲頭拉伸，拉伸倍數(shù)為卷繞速度與熔體噴出速度之比。 （五）穩(wěn)定區(qū) 固化點后一直到卷繞筒為止的這段區(qū)域稱為穩(wěn)定區(qū)。在該區(qū)，熔體細流已固化為初生纖維，不再有明顯的流動發(fā)生， 基本上已經(jīng)形成一定的結(jié)構(gòu)，對外界的影響也比較穩(wěn)定，纖維不再細化，速度不變。 二、擠出細流的類型 化學纖維成型首先要求把紡絲流體從噴絲孔道中擠出，使之形成細流。因此正常細流的形成是熔體紡絲及溶液紡絲必不可少的先決條件。隨著紡絲流體粘彈性和擠出條件的不同，擠出細流的類型大致可以分為如圖 23 所示的四種，即液滴型、漫流型、脹大型、熔體破裂。 /η作為紡絲流體是否出現(xiàn)液滴型的判據(jù)。一般來講比值 ζ/η大于 102cm/s，就會形成液滴型細流，且出現(xiàn)的可能性隨 ζ/η值而增大。除紡絲流體的性質(zhì)外，擠出條件也很重 要。當噴絲孔徑 R0 和擠出速度υ0減小時，形成液滴的可能性增大。在實際紡絲過程中，通常通過降低溫度使 η增大，或增加泵供量使 υ0增大而避免液滴型細流出現(xiàn)。 （二）漫流型 隨著 η、 R0 和 υ0的增加和 ζ 的減小，擠出細流由液滴型向漫流型過渡。漫流型雖然因表面積比液滴型小 20%而能形成連續(xù)細流，但由于紡絲流體在擠出噴絲孔后即沿噴絲板表面漫流，細流間易相互粘連，引起絲條的周期型斷裂或毛絲，因此仍是不正常細流。 擠出速度 υ0大于臨界擠出速度 υcr時，漫流型向脹大型轉(zhuǎn)化。如果 R0 和 η越小，則臨界擠出速 度 υcr越大，這時需要采取更高的擠出速度 υ0（ υ0≥υcr），才能使紡絲流體從噴絲板表面剝離變成脹大型。在實際紡絲過程中，通常在噴絲板表面涂以硅樹脂或適當改變噴絲頭的材料性質(zhì)，以降低紡絲流體與噴絲板間的界面張力；或適當降低紡絲流體的溫度，以提高其粘度；或增大泵供量使 υ0增大，從而減輕或避免漫流型細流的出現(xiàn)。 （三）脹大型 脹大型細流一般屬于正常的紡絲細流。只要脹大比 B0（指細流最大直徑與噴絲孔直徑之比）控制在適當?shù)姆秶鷥?nèi)，細流就連線而穩(wěn)定。一般紡絲流體的 B0約在 1～ 的范圍內(nèi)。 B0 過大，對于 提高紡速和絲條成型的穩(wěn)定性不利，因此實際紡絲過程中希望 B0 接近于 1。 孔口脹大的根源在于紡絲流體的彈性。自由擠出細流的脹大比隨孔口處的法向應力差的增加而增大。增加松弛時間，減小噴絲孔長徑比 L/R0 以及增加紡絲流體在噴絲孔道中的切變速率 均能使法向應力差增大，從而導致擠出脹大比增加。擠出脹大 比過大往往是熔體破裂的先兆。 （四）熔體破裂 在脹大型的基礎上，如繼續(xù)提高切變速率，擠出細流會因均勻性的破壞而轉(zhuǎn)化為破裂型。熔體破裂是發(fā)生在臨界擠出速度以上的一種不穩(wěn)定流動現(xiàn)象。當細流呈破裂型時，其初生纖維外表呈現(xiàn)波浪形、鯊魚皮形、竹節(jié)形或螺旋形畸變，甚至發(fā)生破裂。 對紡絲來說，破裂型細流屬于不正常類型，它限制著紡絲速度的提高，使紡絲過程不時地中斷，或使初生纖維表面形成宏觀的缺陷，并降低纖維的斷裂強度和耐疲勞性能。 熔體破裂是一種彈性湍流現(xiàn)象?？梢杂脧椥岳字Z準數(shù) Reel 作 為熔體破裂出現(xiàn)的判據(jù)，一般 Reel＞ 5～ 8 時發(fā)生熔體破裂 [2]。 Reel實質(zhì)上就是粘彈流體在剪切流動中的可復彈性形變。增大紡絲流體松弛時間或切變速率均能使熔體破裂的可能性增大。 三、熔體紡絲的運動學和動力學 從出噴絲孔至卷繞點的整個紡絲路徑稱為紡絲線，紡絲線的速度分布（速度場）和應力分布（應力場）對熔紡纖維結(jié)構(gòu)的形成起著重要的作用，歷來是化學纖維成型理論研究的核心問題之一。 （一）熔體紡絲線上的速度分布 熔體從噴絲孔擠出后，熔體絲條逐漸被拉細，運動速度逐步加大，這是絲條在紡絲線上最直 觀的變化。絲條直徑的變細是熔體在紡絲線上的縱向速度梯度場中拉伸流動的結(jié)果。 根據(jù)拉伸應變速率 (χ)的不同，可將整個紡絲線分成三個區(qū)域（見圖 24） [3]。 1．擠出脹大區(qū) 在此區(qū)中，熔體在進入孔口時所儲存的彈性能，以及在孔流區(qū)貯存的并來不及在孔道中松弛的那部分彈性能將在熔體流出孔口處發(fā)生回彈，從而在細流上顯現(xiàn)出體積膨化的現(xiàn)象。由于體積膨化，故 υΧ沿紡程減小，軸向速度梯度為負值；在細流最大直徑處，軸向速度梯度為零。在改變噴絲頭拉伸比的情況下，脹大比隨 υL/υ0的增大而下降。當拉伸比增至一定值時，擠出脹大區(qū)可完全消失。由于熔紡的 υL/υ0通常較大，故擠出脹大區(qū)通常不存在。 2．形變區(qū) 擠出脹大區(qū)和形變區(qū)交界處對應于直徑膨化最大的地方，通常離噴絲板不超過 10mm，其長度隨紡絲條件而異，通常在 50～ 150cm左右，這一區(qū)中(χ)出現(xiàn)極大值，一般為 10～ 50s1。形變區(qū)是熔體細流向初生纖維轉(zhuǎn)化的重要過渡階段，是發(fā)生拉伸流動和形成纖維最初結(jié)構(gòu)的區(qū)域，因此是紡絲成型過程最重 要的區(qū)域。在此區(qū)中，熔體細流被迅速拉長而變細，速度迅速上升，速度梯度也增大。由于冷卻作用，絲條溫度降低，熔體粘度增加，致使大分子取向度增加，雙折射上升；如卷繞速度很高，還可能發(fā)生大分子的結(jié)晶。該區(qū)的終點即為固化點 (solidification point)。 3．固化絲條運動區(qū) 在固化絲條運動區(qū)中，熔體細流已固化為初生纖維，不再有明顯的流動發(fā)生。纖維不再細化， υΧ保持不變。纖維的初生結(jié)構(gòu)在此繼續(xù)形成。此區(qū)的結(jié)晶發(fā)生在取向狀態(tài)，該取向狀態(tài)影響結(jié)晶的動力學和形態(tài)學 [4]。 （二）熔體紡絲線上的力平衡 熔體出噴絲孔進入空氣中便成為自由的細流，立即受到卷繞張力等的軸向拉伸作用，而絲條在運行過程中，將克服各種阻力而被拉長細化，此時對于向下運動的熔體細流受到各種力的作用而處于平衡： Fp＋ Fg=Fr＋ Fi＋ Ff＋ Fs（ 21） 式中卷繞張力 Fp 可用張力計在紡絲線上直接測定，重力 Fg、慣性力 Fi、摩擦力 Ff及表面張力 Fs 可根據(jù)理論計算得到，從而可求出流變阻力 Fr。 四、成型過程中的熱量變化 熔體紡絲成型過程中，從熔體細流到纖維成形，主要是細流和周圍介質(zhì)的傳熱過程，同時伴隨結(jié)晶和分子取向的過程。 紡絲熔體溫度很高，而紡絲冷卻的介質(zhì)溫度卻很低，所以整個紡絲成形過程中，熔體細流不斷向周圍介質(zhì)釋出熱量，溫度逐漸下降。 通常，熔體紡絲成形過程中的傳熱是對流傳熱，生產(chǎn)中采用強制對流傳熱，比較常用的是在形變區(qū)位置采用環(huán)形吹風或側(cè)吹風等。影響熱交換的主要因素是冷卻吹風的風量、風溫、吹風形式和吹風位置以及聚合物本身的熱性能等。 五、熔體紡絲中纖維結(jié)構(gòu)的形成 從紡絲得到的纖維結(jié)構(gòu)，即所謂卷繞絲結(jié)構(gòu)，卷繞絲結(jié)構(gòu)是在整個紡絲線上發(fā)展起來的，它是紡絲過程中流變學因素（熔體細流的拉伸）、紡絲線上的傳 熱和高聚物結(jié)晶動力學之間相互作用的結(jié)果。取向和結(jié)晶是纖維的主要結(jié)構(gòu)因素，它們對后加工和產(chǎn)品質(zhì)量有重要影響。 （一）熔體紡絲過程中的取向作用