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細說粘膠纖維的成型(一)

更新時間:2022-04-26      點擊次數(shù):3049

把粘膠通過一定的機械設備及凝固介質(zhì),轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢ㄐ阅艿墓虘B(tài)纖維,這一過程稱為枯膠纖維的成型。

粘膠被擠出噴絲孔后形成細流而進入凝固浴,在凝固浴中被中和而成為溶脹絲條,纖維素黃原酸酯被分解而再生成水

化纖維素。凝固和分解可以同時發(fā)生,也可以先后發(fā)生。在同一凝固浴中完成凝固和分解的方法稱為一浴法紡絲;

在第一凝固浴凝固、在第二凝固浴內(nèi)分解再生的方法稱為二浴法紡絲。為改善纖維的某些性能,也有采用三浴法、

四浴法,甚至五浴法的實例。

所有的粘膠纖維,不論是普通短纖維或長絲、簾子布、高濕模量纖維以及Y久卷曲短纖維的成型過程,都具有

同樣的規(guī)律性。粘膠纖維的成型過程是一個復雜的工藝過程,它發(fā)生一系列化學、物理和物理化學變化。有些過程

是獨立進行的,更多的是同時發(fā)生,交叉進行,并相互影響,下面就其中的各個過程分別進行論述。

(一)粘膠在噴絲孔道中的流動及細流的形成

粘膠在加工和成型過程中的流動基本上可分兩種情況:在進入噴絲孔之前在設備及管道中的流動,基本上屬于剪切

流動處理;在出噴絲孔后的紡絲線上,則基本上屬于單軸拉身流動。

粘膠在噴絲頭孔道中(包括進入和流出)的流動,不是單純的泊肅葉流動,它還包括噴絲孔入口區(qū)的流線收斂流動、

噴絲孔中的管道流動、噴絲孔出口區(qū)向拉伸流動的過渡。此外,粘膠是黏彈性流體,它在噴絲孔道中流動時難以形成

穩(wěn)定速度分布的穩(wěn)態(tài)速度場。以上種種因素都使粘膠在噴絲孔道中的流動偏離泊肅葉流動,在討論有關問題時都必須

考慮這些因素。

下面按照工藝流程對粘膠細流的形成、發(fā)展及其能量平衡作簡介。

經(jīng)計量泵正確計量的粘膠被壓入噴絲孔道,然后從噴絲孔道被擠出,擠出孔口的細流往往在靠近孔口處出現(xiàn)一個直徑

增大的膨化區(qū)。如果細流是自由流出的,其直徑保持恒定;如果細流是在外力的作用下被拉出的,由于拉力的作用,

細流在越過膨化區(qū)最大直徑后,在凝固浴內(nèi)逐漸變細。

1.粘膠流進噴絲孔道時的入口效應

粘膠進入噴絲孔道入口時,從直徑較大的空間被壓入直徑很小的噴絲孔。具有黏彈性質(zhì)的粘膠,在入口區(qū)直徑減小時,

沿流動方向有了速度梯度,導致粘膠在引張力方向發(fā)生了彈性形變,流線也隨之而收斂。在這種情況下除因摩擦而

損耗一部分能量作為熱的形式逸散外,用于彈性形變的那部分能量則作為彈性能儲藏于體系之中,這種在入口處粘膠

把所消耗的一部分能量儲存為彈性能的現(xiàn)象稱為入口效應,它是粘膠彈性在入口區(qū)所導致的必然結果。

2.粘膠在噴絲孔道中流動的彈性現(xiàn)象

粘膠進入噴絲孔后,沿著孔壁向前流動,在緊貼孔壁處,粘膠的流速可以看作零。沿孔徑方向,自孔壁至中心線,粘膠

的流速逐漸增大,至中心線,粘膠的流速到達最大。即粘膠在徑向的流速有差異,稱為徑向流速梯度,并用dv/dr表示

或簡寫成g。顯然,徑向速度梯度g.等于粘膠在孔道流動中的切應變速率。

粘膠是一種彈黏體,它在孔道中做黏性流動的同時,由于切應力和法向應力差的存在,還發(fā)生彈性形變。隨著流動中切應

速率的增大,上述孔道流動中所引起的彈性形變也將增大。

在軸向和徑向產(chǎn)生的這種應力,會影響液流的各向異性和細流由噴絲孔噴出時所發(fā)生的膨化現(xiàn)象。彈黏體流經(jīng)噴絲孔道

的有關能量平衡是相當復雜的,有人把這些能量分為三組,即動能、散失能和彈性能。動能和形成速度斷面時所散失的

能量在能量總平衡中所占的比例很少。彈性能(特別在噴絲頭孔道較短時)占體系總能量的主要部分。甚至當流經(jīng)較長

的毛細管時,彈性能仍較大,并對流出液流的膨化產(chǎn)生影響。高聚物溶液在噴絲孔道內(nèi)的流動伴隨著發(fā)生形變和取向現(xiàn)

象,這種現(xiàn)象與徑向速度梯度(dv/dr)有關。液流中質(zhì)點的定向和形變程度從中心向毛細管壁逐漸增大,因為在此方

向速度梯度也有所增大。隨著流動速度和流體黏度的增大,各向異性也有所增大;而隨著噴絲孔徑的增大,各向異性

有所減少。沿噴絲頭孔道大分子質(zhì)點取向度的變化是很復雜的現(xiàn)象,它不僅與入口應力的松弛有關,而且與沿孔道

軸向的速度斷面及相應的徑向速度梯度的變化有關,它還與其他流動條件以及流體的結構有關。流體的雙折射率沿

噴絲孔道單調(diào)地增加并趨于穩(wěn)定。

3.粘膠流出噴絲孔時的膨化效應

粘膠細流從噴絲孔口流出時,本來被孔道所約束的流動轉(zhuǎn)化為沒有孔壁的約束細流。流體與噴絲孔壁的摩擦消失了,

因此細流的速度斷面逐漸趨于均衡,剩余入口應力和法向應力隨著消失。可以觀察到細流直徑逐漸增大(超過噴絲

孔道的直徑)并達到最大值,這一現(xiàn)象稱為孔口膨化效應。成型過程中細流的明顯變化對成型工藝和成品質(zhì)量會產(chǎn)生

不良影響。多種物理因素可能影響液流的膨化現(xiàn)象,這些因素大致可分為下列幾種類型。

4.粘膠細流在引力作用下的拉細

粘膠細流在第一導盤的牽引下,軸向被拉長,徑向被拉細。如前所述,粘膠細流的流動服從連續(xù)流動方程式,故在被

拉細的地方流速比較大。也就是說,雖然徑向速度梯度消失了,但軸向速度梯度又產(chǎn)生了。

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