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熔体直接纺丝法生产超纤的理论分析

出自:http://www.sdmicrofiber.com 发布时间:2013年11月28日

一、熔体的流变性能与纤维的线密度

纤维线密度的细化和聚合物的可纺性有关,而可纺性又依赖于 熔纺条件和聚合物熔体的流变性能。聚合物熔体的流变性能包括剪 切流动过程的流变性能和拉伸流动过程的流变性能。在熔体纺丝过程中,剪切流动主要表现为熔体在喷丝孔中的流动,它直接关系着熔体从喷丝孔喷出的状况,决定着初生纤维成型的优劣。而熔体的拉伸流动主要表现在熔体自喷丝头小孔吐出后,熔体细流拉长变细直至固化这一过程中,熔体的拉伸流动性能对在这一过程中熔体丝条的形变有着重要的影响,即聚合物的拉伸粘度决定着丝条的拉伸应力大小。

在已有的文献中,关于超细纤维的研究工作大多是以PET作为研究对象,当然也不乏对PA6.PA66.PP的研究。在有关熔体流变性能的研究中发现,聚合物的流变性能对纤维线密度的影响与聚合物的种类无关。

尽管有许多关于纺丝过程中聚合物拉伸行为的研究工作,但是要想测得聚合物的拉伸粘度值是很困难的。这不仅是由于很难在恒定的应变速率,特别是在较高的恒定应变速率条件下保证拉伸应力的稳态值,而且也由于在非等温的纺丝过程中应变速率与丝条温度都是沿纺程在动态地变化着。因此,通常是按照早期Cogswell提出的方法和近代Binding提出的方法,利用可实测的纺程上任一位置的丝条应力及丝条的速度梯度数据, 计算出聚合物的表观拉伸粘度, 近似地用它表征拉伸粘度。

图2 -1所示的剪切流动曲线( n一y) 是使用表2 -1中的4种不同相对分子质量PET试样在280℃ 下所做的流变实验结果做出的。由图2一1可以看出, 样品的特性粘数[n]值( 表征相对分子质量Mr的大小) 与所测得的剪切粘度值相对应, 即相对分子质量Mr 愈大, 剪切粘度值愈高。4种不同相对分子质量的聚合物在剪切速 率低于102S-1的范围内,都表现出牛顿流体行为; 而在剪切速率高于102S-1时, 则表现为切力变稀行为, 相对分子质量愈高切力变稀行为愈加明显, 由牛顿流体转变为非牛顿流体行为过程的临界剪切速率越低。

图2 -2是在280℃条件下用Binding的实验方法得到的拉伸粘 度与拉伸速率的关系曲线。用F.N. Cogswell的实验方法得到的拉 伸粘度与拉伸速率的关系曲线( 图略) 与Binding的实验方法所得结果完全一致。

从图2-2的实验结果可以看到,在300~3000s-1剪切速率范围内,各种不同相对分子质量PET样品的拉伸粘度均随拉伸速率的增加而减小,而且特性粘数较高的PET具有较高的拉伸粘度。流变性能的研究结果还表明,它同样具有线性高聚物的拉伸粘度随剪切应力增加而下降的切力变稀现象。

研究结果还表明,丝条的强度与在纺程上随着纤维线密度减小所产生的丝条张力的增加之间存在着一种平衡。这种平衡决定着所能够得到的纤维线密度值大小,如能恰到好处地掌握这种平衡,即可得到具有最小线密度值的纤维。倘若拉伸细化过程中丝条的拉伸粘度愈低,拉伸张力也就愈小,愈有利于获得具有较低线密度的纤维。

如上所述,选择较低特性粘数的PET切片为原料,有利于降低熔体自喷丝头小孔吐出过程的剪切粘度;也有利于降低丝条在拉伸 细化过程中的拉伸粘度,使丝条具有较小的拉伸张力,易于获得线密度更低的超细纤维。实际上,凡是可以降低熔体剪切粘度和丝条拉伸粘度的任何因素均有利于纤维线密度的细化。

二、纺丝乏力与纤维的密度

从近期有关熔体高速纺丝过程的报道来看,若使刚从喷丝孔挤 出的熔体丝条骤冷,其结果会在纺程上形成较高的丝条张力,从而 限制了纤维线密度的降低。Ziabicki认为,内聚断裂(即脆性断裂) 是丝条在纺程上发生断裂的一种重要形式。根据这一理论,流体的形 变能分为耗散和储存两部分,其中只有储能形变,即弹性形变的能量 可贡献于破坏。对于粘弹性流体的拉伸流动,当储存的弹性能密度超 过某临界值时,流动就会发生破坏,该临界值相当于流体的内聚能密 度K。Maxwell粘弹体( 线性粘弹体) 的断裂条件可以表示为:
W*=a11*2/2E=k                   (2一1)
式中:W*——临界弹性能密度;
a11* — 单轴拉伸时的断裂应力, 即流体的拉伸强度;
E-杨氏模量。
将丝条在纺程上的流动视为稳态流动, 则丝条所受拉伸应力a11等于内聚破坏临界值a11*时,便会发生丝条断裂。若从《高分子手册》中查得高聚物的K(内聚能密度)和E值,就可利用式(2一1) 计算丝条在纺程上的受力极限:
a11*=(2KE)1/2                   (2一2)

例如,PET在室温下的K=4. 77×108Pa,E =3×109Pa, 代人式(2— 2)可计算得到丝条受力极限a11=1.69×109Pa。这说明只要丝条 在纺丝线上所受应力小于此值,纺丝细流就能够顺利拉长变细。 根据纺丝线上受力分析结果,丝条总张力主要来自丝条与空气间的摩擦阻力,而且摩擦阻力绝大部分由丝条达到卷绕速度后的纺丝线所贡献。显然, 所纺纤维的线密度愈小,空气摩擦阻力愈大, 纤维截面上的纺丝应力就愈大,一旦达到受力极限值, 纤维就会发生断裂而使纺丝无法正常进行。为防止纤维发生内聚断裂,在纺制超细纤维时,设法降低纺丝应力尤为重要。

所有可以降低纺丝应力的因素均有利于得到线密度更小的纤维,例如适当地提高熔体温度,设置丝条缓冷装置、隔热板,缩短集 束长度, 减小丝条与机件的摩擦, 以及降低卷绕速度等。

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