粘胶纤维.docx

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粘胶纤维

粘胶纤维（讲座）

1纤维简介

1.1纤维的概况

棉纤维是由胚珠（即将来的棉籽）表皮壁土的细胞伸大加厚而成的。

一个细胞，就长成一根纤维，它的一端着生于棉籽表面，另一端成封闭状，棉籽上长满了棉纤维，这就称为籽棉。

棉维的生长可以分为伸长期，加厚期加转由期三个时期。

随着生长天数的增加，棉纤维逐渐成熟。

纤维长度开始时增加快，互加厚期起增长极少，以后不再增长，由于壁由外向内逐渐增厚，薄壁管状物逐渐丰满，从而使纤维长度逐渐减小，强度逐渐加大，单位重量的长度逐渐减小。

1.1.1棉纤维的种类

（一）按纤维的长度、细度分

1、细绒棉2、长绒棉

（二）按纤维的包泽分

1、白棉2、黄棉3、灰棉

1.1.2棉纤维的性能

（1）长度，棉纤维的长度主要取决于棉花的品种，生长条件和初加工。

通常细绒棉的手扯长度平均为23-33mm，长绒棉为33-45mm，棉纤维的长度与纺纱工艺及纱线的质量关系十分密切，一般长度越长，且长度整剂度越高，短绒越少，可纺织越细，纱线条干越均匀，强度高，且表面光洁，毛羽少。

（2）线密度，棉纤维的线密度（细度）指标是指纤维单位长度的重量。

棉纤维的线密度主要取决于棉茬品种，生长条件等。

在成熟正常的情况下，棉纤维的线密度小，有利于成纱强力和条干均匀度，可新线密度低的纱。

（3）吸湿性，表示吸湿性的指标是回潮率，回潮率是指材料所含水分的重量对材料干量的百分率。

我国原棉的回潮率一般在8%--13%。

原棉含水的多少会影响重量，用棉量的计算及以后的纺纱工艺。

回潮太高的原棉不易开松除杂，影响开消棉工序顺利进行，还容易扭结成“萝卜丝”，回潮率太低则会产生静电现象造成绕罗拉，绕皮辊，纱条中纤维紊乱，纱的条干不均匀等。

（4）弹伸性，棉纤维的强伸性通常可用拉伸断裂强度或比强度断裂长度和断裂伸长率表示，拉伸断裂强度是纤维拉伸到断裂时所需的最大外力。

断裂长度是以长度形式表示的强度指标。

它的物理意义设想将纤维头尾衔接悬吊起来，直到它因自身重力而断裂时的长度，也就是重力等于强度时的纤维长度。

棉纤维在纺织加工过程中不断受到外力作用。

一定的强度是纤维具有纺织加工性有的必备条件之一，并且纤维强度越高纺得纱线强度也越高。

棉纤维的强度主要取决于纤维的品种，粗细等，一般细绒棉的断裂长方度均匀20-30km，长绒棉更高一些。

棉纤维的湿强增加2%-10%。

1.1.3化学纤维

化学纤维是由高聚物制造而成的，而高聚物可直接取自然界，也可由低分子物经化学聚合而成。

再生纤维，醋酯纤维是以天然高聚物为原料，经化学加工，提纯，去除朵后，后制造而成，例如，制造粘胶纤维的高聚物为纤维，它是从棉短绒，木材，芦苇或甘蔗渣中提纯出纤维，制成浆粕，然后用浆粕制造纤维。

粘胶纤维纯属再生纤维，它且以天然纤维为原料，经碱化，老化，黄化等工序制成可溶性纤维素，黄酸酯，再溶于稀减液制成粘胶，经湿法纺丝而制成，采用不同的原料和纺丝工艺，可以分别得到普通粘胶纤维，高湿模量粘胶纤维和高强力粘胶纤维等，普通粘胶纤维具有一般的物理机械性能和化学性能，又分棉型，毛型，和长丝型，俗称人造棉，人造毛和人造丝。

2粘胶纤维的工艺原理

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，这一过程称为纤维的成形，通常称为纺丝。

粘胶被挤出喷丝也后形成细流而进入凝固浴，在凝固浴中被中和凝固而成为溶胀丝条，纤维素，黄酸酯，被分解后再生成水化纤维素。

凝固和分解可以同时发生，也可以先后地生，在同一凝固浴中完成凝固和分解的方法，称为一浴法纺丝，在第一浴内凝固，而在第二浴内分解，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，四洛法，甚至五浴法的实例。

2.1粘胶在喷丝孔道中的流动

2.1.1粘胶进喷丝孔道的入口效应

粘胶在进入喷丝孔道的入口处时，从直径较大的空间被压入直径很小的喷丝孔。

具有弹粘性质的粘胶，当在入口区直径减小时，而沿流动方向有了速度梯度，导致粘胶在引张方向发生弹性形度，流线也随之而收敛，在这种情况下除因磨擦而损耗一部分能量作为想的形或散外，用于弹性形变的那部分能量则作为弹性能贮藏于体系之中。

这种在入口处粘胶把所消耗的一部分能量贮存为弹性能的现象，称为入口效应，它是粘胶弹性在入口区所导致的必然结果。

2.1.2粘胶在喷丝孔道中流动的弹性形变

粘胶进入喷丝孔后，沿着孔壁向前流动，在紧贴孔壁处，它的流速可以看作室。

沿着孔经方向，自孔壁至中心线粘胶的流速逐渐增大，在中心线上的流速最大，即粘胶在经向的流速有差异，称为径向速度，等于粘胶在孔道流动中的切应变速率。

2.2成形过程中的化学和物理化学变化

2.2.1成形过程中的化学反应

与合成纤维的成形不同，粘胶纤维在成形过程中因发生一系列的化学反应而使过程复杂化，粘胶中含有纤维素，黄酸酯，化合物与凝固浴中的硫酸及其盐作用的结果，使碱被中和纤维素，黄酸酯被分解而再生或水化纤维素，某些副反应产物被分解，以及生成某些含锌的中间化合物。

纤维素，黄酸为不稳定的中间产物，它能继续分解成水化纤维素和二硫化碳。

2.2.2、黄酸酯的分解与纤维素的再生

纤维素黄酸酯经中和而生成纤维素黄酸，在酸性介质中进一步分解并再生成水化纤维素。

黄酸酯的分解速度与一系列的因素有关，其中主要有：

1、凝固浴组分及浓度，凝固浴中酸的类型和浓度对纤维素黄酸酯的分解速度有较大的影响，研究了和浓度对黄酸酯分解速度的影响，发现其关系曲线都有一最大值，即随着酸浓度的增加分解速度也增加，当达到最大值后即随酸浓度的增加而下降。

2、细流的半径

黄酸酯化学分解反应的必要条件下扩散，即反应是发生在扩散以后。

2.2.3、成形过程中的运动学和动力学

一、成形过程的运动学

粘胶从喷丝孔被挤入凝固浴后，细流发生孔口膨化（胀大）现象。

如细流是以速度Vf自由挤出的，胀大细流的直径为D，其大小沿细流轴向保持恒定；如果细流是在第一导辊的拉伸力作用下被引出的，则细流在越过最大直径Dm后逐渐变细，这一细化过程一直持续到凝固点为止。

与其他化学纤维的成形过程一样，粘胶纤维成形时可以按运动学特点，把纺程划分为四个区域：

孔流区；胀大（或膨化）区；细化区以及凝固纤维的等速区。

二、凝固浴的流体动力学阻力

纺丝线在凝固浴中运动时，会拖住周围的凝固浴并以边界层的形式一起运动。

其中紧贴纺丝线表面的液层，其运动速度与丝条本身的速度相同；离丝条表面稍远的液层，其速度小于丝条的运动速度。

通常都把液体的运动速度为丝条速度的1%处的液层，作为边界层的界面。

随着丝条的运动，边界层也不断地扩张。

但在粘胶纤维的生产过程中都使用多孔喷丝头。

因此，对边界层有影响的因素除粘度，速度、半径和长度外，还有喷丝头孔眼之间的距离。

孔间距越大，相邻单丝边界层的交点就越远。

生产强力丝和短纤维的孔间距为0.3-0.5mm，而长丝一般为0.6-2.5mm。

从喷丝头表面以边界形式不断被带走的凝固浴的量，大致相当于喷丝头开孔部分的表面积与纺丝线移动速度的乘积。

为保持浴流流动的连续性，必然会有相同量的浴液以正常液流的方式，沿喷丝表面由周边向中间垂直于单丝的运动方向被充进来。

补进的浴液一般在距喷丝头表面5-7mm以内进行，在距喷丝头表面7mm以上已无浴液被进。

沿喷丝头表面并与纺丝线运动方向相垂直流入的凝固浴，容易使纺丝线变形，甚至断裂或形成粘胶块。

浴流还能与赐喷也的粘胶细流产生各种反应，使凝固浴各组分的浓度下降，并在喷丝头表面形成各种沉积物，容易使喷丝孔眼堵塞。

2.2.4成型中的不稳定因素

在制定成形参数时，不仅要考虑过程的稳定性和成品纤维的物理机械性能，而且要考虑生产过程的经济性。

例如，提高凝固浴中H2SO4的浓度，虽能提高成形过程的稳定性，但却使成品纤维的强度和弹性能下降。

降低成形速度能明显地提高成形过程的稳定性，但在经济上是不合理的，由于成形速度的下降使纺丝机的生产率下降，从而提高产品成本。

影响成形过程的诸因素中的主要因素如下：

（一）、粘胶指数

成形条件的稳定性在很大程度上决定于粘胶指数。

1．粘度粘胶细流在凝固浴中运动受到一系列的阻力，为保证成形的稳定性必须使粘胶液流具有尽可能高的强度。

往往可通过提高粘胶的粘度以增加细流的强度，尤其在缓和的凝固条件下成形时，更应提高粘胶的粘度指标。

但是，提高粘度受弹性湍流极限值的限制，对于普通型粘胶纤维粘度不应超过4.5%-5.0Pα·s。

高粘度的粘胶在流过喷丝孔道时，由于弹性形变较大，容易造成过大的孔口膨化比并降低粘胶细流的抗拉伸能力。

2．表面活性剂粘胶具有较高的表面张力，因而容易粘附在喷丝头表面，加上因凝固浴的污染等因素，将导致粘胶在喷丝头表面漫流，从而破坏成形过程的稳定性。

为提高成形稳定性常在粘胶中加入表面活性剂以降低粘胶的表面张力，表面活性剂一般以加入阳离子型或非离子型表面活性剂为宜。

3．其他粘胶指数为提高成形过程中的稳定性，可改变某些参数以加快粘胶细流的固化。

请如降低粘胶的熟成指数、减少粘胶的含碱量、提高粘胶中纤维素含量及纤维素的聚合度、提高纺丝时粘胶的温度。

前两项措施虽能提高成形稳定性，但却降低初生纤维的取向拉伸能力，如果持原有的拉伸比，则增加拉伸时的断裂程度，反而使过程的稳定性下降。

提高纺丝粘胶的温度，能降低大分子的松弛时间，加速弹性形变的回复，从而降低孔口膨化现象，使最高纺丝速度有较大的提高。

（二）、粘胶中的杂质

粘胶中的杂质主要有胶状的微粒和固体微粒，气泡以及添加的分散状微粒如二氧化钛和染料等，这些杂质能较大程度地影响成形的稳定性和成品纤维的物理机械性质。

1．胶状微粒及固体杂质胶状微粒及固体杂质的存在会不同程度地破坏成形过程的稳定性，部分地或全部堵塞喷孔，增加纤维纤度的不均匀性，并增加纤维的断裂程度，以及出现各种形式的宏观缺陷。

至于微粒的临界尺寸，不同作者所得的数据各不相同；胶状微粒的临界尺寸为1cm到半个喷丝孔径（约40cm）固体微粒的临界尺寸为1-4cm。

2．分散性填充物为使纤维具有所必须的性能，往往在纤维中引入分散性的填充物，如消光剂，浆液粘胶中加入的染料，以及制取各种性能纤维而加入的填充物如抗静电剂或微生物。

在纤维中引进填充物能赋予纤维新的性能，但同时使纤维的箍理机械性能变坏。

为防止填充物微粒在粘胶中的凝聚，通常必须同时引入表面活性剂以增加微粒的分散程度，并应尽可能地降低微粒的尺寸。

3．气泡纺丝粘胶中的气泡主要来自：

脱泡不充分；间歇式脱泡桶表面的泡沫；重新装配纺前过滤机或烛形滤器时混入的空气；通溶液的导管体系不紧密处吸入的气泡。

混入的气泡能逐渐溶入粘胶中，气泡的尺寸越小，数量越少，压力越大，其溶解速度就越高。

粘胶中的气泡能降低成形的稳定性，增加断头率，并使纤维的横截面减小，强度下降。

（三）、喷丝头参数

喷丝头参数包括孔眼圆柱体部分的长度和直径之比、毛细孔的入口角、孔间距或孔眼的分布密度和分布的均匀性、孔数、喷丝头打孔部分的直径等，它们对成形过程的稳定性都有很大的影响。

1．喷丝孔眼的长径比增加喷丝孔眼的长径比有利于弹性形变的回复，减小孔口膨化现象，使最大纺丝速度增加，从而提高成形的稳定性。

2．喷丝孔眼的入口角α喷丝孔眼入口处的几何形状通常以入口角α表示。

具有高粘性和高弹性的粘胶，在进入毛细孔眼的入口处时的能量损失可能超过某一临界值，因而有可能扰乱液流的连续性，并使之类遭受损伤。

如采用圆柱形的喷丝孔眼（没有入口角会形成最大的入口能量，使入口能量超过临界值，使纺丝不稳定），可使入口能量降低，如入口角为10-12，入口能量虽有所下降，但还相当大，而且粘度的微小波动，即可能使之超过临界值；入口角增至20-25，可取得最大效果，入口能量降到最低值，如继续增加入口角，有可能使入口能量继续增加。

3．喷丝头穿孔部分的直径缩短喷丝孔眼间的距离或提高喷丝孔的分布密度，就可缩小喷丝头穿孔部分的直径。

为缩小喷丝头穿孔部分的直径，还可以采用组合喷丝头，特别是喷丝孔数在20000孔以上时，采用组合喷丝头更为有