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细说粘胶纤维的成型(一)

发布时间:2022-04-22      点击次数:935

把粘胶通过一定的机械设备及凝固介质,转变为具有一定性能的固态纤维,这一过程称为枯胶纤维的成型。

粘胶被挤出喷丝孔后形成细流而进入凝固浴,在凝固浴中被中和而成为溶胀丝条,纤维素黄原酸酯被分解而再生成水

化纤维素。凝固和分解可以同时发生,也可以先后发生。在同一凝固浴中完成凝固和分解的方法称为一浴法纺丝;

在第一凝固浴凝固、在第二凝固浴内分解再生的方法称为二浴法纺丝。为改善纤维的某些性能,也有采用三浴法、

四浴法,甚至五浴法的实例。

所有的粘胶纤维,不论是普通短纤维或长丝、帘子布、高湿模量纤维以及Y久卷曲短纤维的成型过程,都具有

同样的规律性。粘胶纤维的成型过程是一个复杂的工艺过程,它发生一系列化学、物理和物理化学变化。有些过程

是独立进行的,更多的是同时发生,交叉进行,并相互影响,下面就其中的各个过程分别进行论述。

(一)粘胶在喷丝孔道中的流动及细流的形成

粘胶在加工和成型过程中的流动基本上可分两种情况:在进入喷丝孔之前在设备及管道中的流动,基本上属于剪切

流动处理;在出喷丝孔后的纺丝线上,则基本上属于单轴拉身流动。

粘胶在喷丝头孔道中(包括进入和流出)的流动,不是单纯的泊肃叶流动,它还包括喷丝孔入口区的流线收敛流动、

喷丝孔中的管道流动、喷丝孔出口区向拉伸流动的过渡。此外,粘胶是黏弹性流体,它在喷丝孔道中流动时难以形成

稳定速度分布的稳态速度场。以上种种因素都使粘胶在喷丝孔道中的流动偏离泊肃叶流动,在讨论有关问题时都必须

考虑这些因素。

下面按照工艺流程对粘胶细流的形成、发展及其能量平衡作简介。

经计量泵正确计量的粘胶被压入喷丝孔道,然后从喷丝孔道被挤出,挤出孔口的细流往往在靠近孔口处出现一个直径

增大的膨化区。如果细流是自由流出的,其直径保持恒定;如果细流是在外力的作用下被拉出的,由于拉力的作用,

细流在越过膨化区最大直径后,在凝固浴内逐渐变细。

1.粘胶流进喷丝孔道时的入口效应

粘胶进入喷丝孔道入口时,从直径较大的空间被压入直径很小的喷丝孔。具有黏弹性质的粘胶,在入口区直径减小时,

沿流动方向有了速度梯度,导致粘胶在引张力方向发生了弹性形变,流线也随之而收敛。在这种情况下除因摩擦而

损耗一部分能量作为热的形式逸散外,用于弹性形变的那部分能量则作为弹性能储藏于体系之中,这种在入口处粘胶

把所消耗的一部分能量储存为弹性能的现象称为入口效应,它是粘胶弹性在入口区所导致的必然结果。

2.粘胶在喷丝孔道中流动的弹性现象

粘胶进入喷丝孔后,沿着孔壁向前流动,在紧贴孔壁处,粘胶的流速可以看作零。沿孔径方向,自孔壁至中心线,粘胶

的流速逐渐增大,至中心线,粘胶的流速到达最大。即粘胶在径向的流速有差异,称为径向流速梯度,并用dv/dr表示

或简写成g。显然,径向速度梯度g.等于粘胶在孔道流动中的切应变速率。

粘胶是一种弹黏体,它在孔道中做黏性流动的同时,由于切应力和法向应力差的存在,还发生弹性形变。随着流动中切应

速率的增大,上述孔道流动中所引起的弹性形变也将增大。

在轴向和径向产生的这种应力,会影响液流的各向异性和细流由喷丝孔喷出时所发生的膨化现象。弹黏体流经喷丝孔道

的有关能量平衡是相当复杂的,有人把这些能量分为三组,即动能、散失能和弹性能。动能和形成速度断面时所散失的

能量在能量总平衡中所占的比例很少。弹性能(特别在喷丝头孔道较短时)占体系总能量的主要部分。甚至当流经较长

的毛细管时,弹性能仍较大,并对流出液流的膨化产生影响。高聚物溶液在喷丝孔道内的流动伴随着发生形变和取向现

象,这种现象与径向速度梯度(dv/dr)有关。液流中质点的定向和形变程度从中心向毛细管壁逐渐增大,因为在此方

向速度梯度也有所增大。随着流动速度和流体黏度的增大,各向异性也有所增大;而随着喷丝孔径的增大,各向异性

有所减少。沿喷丝头孔道大分子质点取向度的变化是很复杂的现象,它不仅与入口应力的松弛有关,而且与沿孔道

轴向的速度断面及相应的径向速度梯度的变化有关,它还与其他流动条件以及流体的结构有关。流体的双折射率沿

喷丝孔道单调地增加并趋于稳定。

3.粘胶流出喷丝孔时的膨化效应

粘胶细流从喷丝孔口流出时,本来被孔道所约束的流动转化为没有孔壁的约束细流。流体与喷丝孔壁的摩擦消失了,

因此细流的速度断面逐渐趋于均衡,剩余入口应力和法向应力随着消失。可以观察到细流直径逐渐增大(超过喷丝

孔道的直径)并达到最大值,这一现象称为孔口膨化效应。成型过程中细流的明显变化对成型工艺和成品质量会产生

不良影响。多种物理因素可能影响液流的膨化现象,这些因素大致可分为下列几种类型。

4.粘胶细流在引力作用下的拉细

粘胶细流在第一导盘的牵引下,轴向被拉长,径向被拉细。如前所述,粘胶细流的流动服从连续流动方程式,故在被

拉细的地方流速比较大。也就是说,虽然径向速度梯度消失了,但轴向速度梯度又产生了。

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