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干法纺丝成型原理[复制链接]
干法纺丝时,纺丝液由计量泵输送到喷丝头,从喷丝头毛细孔中挤出的纺丝液细流进入纺丝甬道与热介质(空气或氮气)接触,通过甬道中热介质的作用,使溶液细流中的溶剂快速挥发,并被热介质流带走。溶液细流在逐渐脱去溶剂的同时发生浓缩和固化,并在卷绕张力的作用下伸长变细而成为初生纤维。
干法纺丝过程中,通常要受到溶剂从丝条中挥发速度的限制,聚合物固化速度较慢,这就决定了干纺工艺的特点:
(1)纺丝溶液的浓度比湿法高,一般达18%~45%,相应的粘度也高,能承受比湿纺更大的喷丝头拉伸(2~7倍),易制得比湿纺更细的纤维。
(2)纺丝线上丝条受到的力学阻力远比湿纺小,故其纺速比湿纺高,一般达300~600m/min,高者可达1000m/min或更高些,但由于受到溶剂挥发速度的限制,干纺速度总比熔纺低。
(3)喷丝头孔数远比湿纺少,这是因为干法固化慢,固化前丝条易粘连,一般干纺短纤维的喷丝头孔数不超过1200孔(最高4000孔),而湿纺短纤维的喷丝头孔数高达数万至十余万孔。因此干法单个纺丝位的生产能力远低于湿纺,干纺一般适于生产长丝。
一、溶剂的选择
纺丝速度主要取决于溶剂的挥发速度,所以选择的溶剂应使溶液中高聚物的浓度尽可能高,而溶剂的沸点和蒸发潜热应尽可能低,这样就可减少在纺丝溶液转化为纤维过程中所需挥发的溶剂量,降低热能消耗,并可提高纺丝速度。除了技术经济要求以外,还应考虑溶剂的可燃性以满足安全防护要求。最常用的干纺纺丝溶剂为丙酮、二甲基甲酰胺等。
二、干法纺丝的运动学和动力学
在靠近喷丝板的区域内,急剧下降,这主要是由于细流拉伸流动的结果;因溶剂蒸发和喷丝头拉伸的作用而缓慢减少;随着溶剂蒸发量的减少和丝条的固化,趋于平稳。
干纺纺丝线上的速度分布与熔纺相似,胀大区基本消失。这是因为干法纺丝时,根据流变因素来看,成型条件接近于熔纺,纺丝速度较高(600~1200m/min)。
干纺过程中纺丝线受力的数学表达式要比熔纺难于描述,因为一些参数的变化在很大程度上依赖于不能精确量化的蒸发条件。但其轴向力平衡方程与熔纺相同。
三、干法纺丝中的传热和传质
干法成形与熔法不同,熔法中主要是传热过程,而干法同时进行传热和传质的过程。干法纺丝中有大量的溶剂要从纤维中除去,这是利用热介质加热液体细流来使溶剂挥发。
溶剂从纺丝线上除去有三种机理:①闪蒸;②纺丝线内部的扩散;③从纺丝线表面向周围介质的对流传质。
干法纺丝中,纤维在流动过程中进行传质和传热,所以纤维溶剂含量的变化及其温度的分布可分为几段。
在喷丝孔出口处,热的纺丝液解除压缩的结果,发生溶剂闪蒸,使溶剂迅速大量挥发,聚合物细流表面的温度很快减少到湿球温度,而后温度变化很慢,经过一段时间后接近所需温度和纤维中层温度,因为在Ⅰ区蒸发所需热量在很大程度上是由纺丝溶液供给的,同时同周围介质产生热交换。传质以对流方式进行,因为细流表层上溶剂的浓度大。此段距离比较短。
由于热风的传热与丝条溶剂蒸发达到平衡,这一阶段丝条的温度实际上保持不变,且等于湿球温度。沿纤维截面的温度同样是相同的,纤维同周围介质之间的热交换也恒定。在该区内丝条内部温度保持较低,溶剂缓慢扩散,质量交换速度变化很小,可以近似地认为不变。这时聚合物细流中溶剂的浓度会大一些,所以蒸发过程不是由内部扩散控制,它主要取决于外部的(对流的)热、质交换速度和与此相对应的表面温度。这个阶段的热、质交换大致相同,纤维表面温度不变。
纤维开始成形,溶剂从纤维中间层向表面扩散,溶剂蒸发的速度更慢,浓度分布变得更大,随着蒸发强度的急剧降低,丝条表面温度上升并接近热风温度。此时,纤维中的分子扩散速度又小,在此阶段开始除去使聚合物分子溶剂化的那部分溶剂。在Ⅲ区内,溶剂的蒸发速度变小,以致聚合体与溶剂间的相互作用加强,而且受内部扩散控制。Ⅲ区丝条的固化过程基本上完成,此时溶剂含量约为30%~50%。从甬道出来的纤维溶剂含量为5%~25%。
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