多孔中空纖維噴絲板設計與加工的研究

王 越，何法江，王明紅

WANG Yue, HE Fa-jiang, WANG Ming-hong

（上海工程技術大學，上海 201620）

多孔中空纖維噴絲板設計與加工的研究

Study on design & manufacture of spinneret for multi-hollow fi ber

王 越，何法江，王明紅

WANG Yue, HE Fa-jiang, WANG Ming-hong

（上海工程技術大學，上海 201620）

本文采用基本單元法設計加工多孔中空噴絲板，并進行實際紡絲。討論了噴絲板設計中孔型的選擇、微孔特征尺寸的設計原則。研究了加工過程中電極的制作，微孔的加工工藝。

多孔中空纖維；設計；加工

0 引言

中空滌綸纖維具有蓬松性高、彈性好、保暖性強、手感柔軟滑爽、回彈性好、覆蓋性好等特點，廣泛應用于噴膠棉、紡羽棉、床上用品、防寒服、玩具、裝飾布等領域。多孔中空滌綸纖維，不僅具有中空纖維的優異性能，還由于其結構的力學性質（單纖粗，多孔），具有更高的剛性、回彈性及體積重量比小等特點。

紡制中空纖維一般常采用以下幾種方法：1）發泡劑法；2）定位吹氣法；3）再處理法；4）插入柱式噴頭法；5）插入管式噴頭法；6）異形噴絲板法。其中異形噴絲板法是由特殊形狀的小孔和縫隙組成噴絲孔，在實際紡絲中最為常用。這樣設計和制造特殊形狀的噴絲板是關鍵技術。由于噴絲板的設計加工既涉及高聚物流變學，又涉及機械加工領域，一直是制約差別化纖維發展的關鍵。本文將從多中空噴絲板的設計理論入手，基于單元法的噴絲板設計加工方法，以十七中空纖維為例設計加工多中空纖維噴絲板并應用于實際紡絲。

1 多中空噴絲板微孔設計

生產多中空纖維需要特殊設計加工的噴絲板，具體措施就是將具有數個不連續的直線或曲線狹縫設計組合在一起形成特殊形狀的噴絲孔，使得從這些組合狹縫中擠出的高聚物熔體在固化前發生巴拉斯脹大效應而粘連在一起，熔體經冷卻固化后便獲得內部包有1個或數個連續空腔的中空纖維[1]。圖1為常見中空噴絲孔[2]，研究表明中空噴絲板微孔主要由圓環、矩形狹縫等構成。即其基本單元為矩形狹縫、圓環等，這幾個基本單元可以構成我們所需的任意形狀的噴絲孔。

圖1 常見中空噴絲孔

1.1 孔型的選擇

選擇孔型是多中空噴絲板設計中十分重要的一環。紡制多中空纖維的噴絲微孔形狀可有多種，例如：有多邊形、C型、圓弧型、多點型等。采用孔型要注意使噴絲孔的各組成微細小孔中的熔體流量平衡，否則會使計出熔體的細流呈“膝”狀彎曲，嚴重影響紡絲的穩定性和纖維的中空度。影響各組成微細小孔的熔體流量的因素較多，例如：各微細小孔的毛細孔截面實際面積和邊長、孔道長度、孔內壁的光潔度等等。

圖2 多中空噴絲板微孔

考慮噴絲孔孔型以圓形的力學性能為好以及加工制造方便等原則，因此多中空噴絲板的微孔采用兩層結構共16個圓弧形孔，即C形孔組成，如圖2所示。

1.2 多中空噴絲板微孔特征尺寸設計

1.2.1 單元孔尺寸設計

對中空纖維噴絲板微孔的設計，通常運用剪切速率法進行計算，計算每一個單元孔的剪切速率。根據熔體在微孔中流動的剪切速率、熔體的單孔吐出量和噴絲板微孔的相當中空度等工藝參數，可推導出設計噴絲板微孔的兩個主要結構參數的計算公式。

對于C形孔，把C形微孔展開，如圖3所示，按照扁平微孔的剪切速率進行計算[3]。熔體通過扁平微孔壁面處的剪切速率與單孔吐出量、微孔結構參數之間的關系：

圖3 C形孔展開

式中： d1、d2分別為微孔的外徑和內徑；α為C形孔弧度。

單孔吐出量和纖維的線密度、卷繞機的拉伸倍數和后處理的拉伸倍數等工藝參數有關，可用下式計算：

式中：V1—卷饒機的拉伸速度

D—中空纖維的線密度

Z1—頭道卷饒機的拉伸倍數

Z2—二道卷饒機的拉伸倍數

ξ—后處理松弛熱定型的熱收縮率，一般取9%

δ1—卷饒機的牽引輥打滑率，一般取2%

δ2—牽伸機的牽引輥打滑率，一般取10%

δ3—成品絲含油率，一般取2%

ρ—熔體密度

由上述公式可計算出微孔的基本尺寸。

1.2.2 開口間隙及孔間距設計

在進行多中空噴絲板設計時，圓環間縫隙的確定，即δ值的大小是一個關鍵參數，既要考慮膨化效應又要考慮機械加工的強度和難度。δ過小，由于膨化作用不易形成中空，且影響噴絲板的強度，δ值過大，膨化比達不到，從而熔體不能粘著，形成分絲。至今理論界只有定性的公式而沒有定量的公式，經驗認為[4]一般取0.06-0.2 mm，本論文通過實驗得出一個經驗值，供參考。

我們取C形孔弧度α=π/2～π，內徑為0.6mm，外徑為0.8mm，圓弧孔間隙的周向距離為0.2±0.01mm，此寬度根據纖維的線密度進行選擇，能保證中空的孔型和熔體的順利閉環，不致產生中空破裂。

2 多中空噴絲板微孔加工

2.1 加工方法的選擇

目前異形噴絲板微孔有兩種加工方法，即線切割法和電火花腐蝕，這兩種方法各有優缺點，線切割法的加工靈活性好且精度高，幾乎可以加工各種孔形，但它的加工成本很高。如果要加工大量的具有相同截面的噴絲孔，電火花法相對便宜，但它的加工精度稍差一些.且有的孔形不能加工。本文中空噴絲板微孔加工中采用蘇州生產的ZT-007微孔電火花數控加工機床進行加工。

2.2 電極制作

用電火花腐蝕法加工微小異形孔，電極制作是一個關鍵。

圖4 微腔模具示意圖

由于無論銀的機械加工性能還是放電特性都較銅有很大的優勢，為此本文采用擠壓方式加工C字形電極，加工時為避免加工不穩定以及開口間隙不一致，本文通過導向器采用拼裝方式加工17中空微孔，16個C字形單元一次加工完成。電極采用微腔模具擠壓而成。圖4為所設計微腔模具示意圖。

2.3 電加工工藝選擇

在多次試驗中，發現影響加工速度和質量的主要因素是脈沖寬度、脈沖間隔、峰值電流和放電間隙[5]。增加脈沖寬度，加工速度也隨之增加，但表面粗糙度和加工精度也越差。增大脈沖間隔，會降低加工速度，增加電極損耗。在脈沖寬度和脈沖間隔一定時增大峰值電流，加工質量降低。通過試驗得出，加工異形微孔時，加工效率最高且加工很穩定的脈寬為0.6-0.9μs，峰值電流的最佳值為0.8-1.2A，放電間隙在0.012-0.015mm時能過的較高的加工精度。

圖5 噴絲板微孔照片

圖6 所紡纖維截面

圖5為微孔放大圖，圖6為所紡纖維截面。

3 結束語

1）本文用單元法設計、加工多孔中空噴絲板，并應用于實際紡絲，證明使用效果良好，能紡制出所需要的纖維。

2）噴絲板微孔的特征尺寸設計時既要考慮聚合物熔體在噴絲孔內的流動性能，又要考慮微孔的機械加工性能。

3）對于多孔噴絲板微孔加工時選取合理的工藝，一次加工完成可以保證加工一致性，獲取較高的質量。

[1] 張樹鈞.改性纖維與特種纖維[M].北京:中國石化出版社,1995,133.

[2] FZ/T92043-95,中華人民共和國紡織行業標準[S].

[3] 李朝忠.中空纖維噴絲板的微孔設計[J].合成纖維工業,2002,25(5):47-50.

[4] 王華平,余曉蔚,朱建民.熔紡中空纖維皮芯結構的形成原理及動力學模擬[J].合成纖維工業,1999, 22(4):1-4.

[5] 翟德梅.電火花加工工藝效果的分析研究[J].模具制造,2002,14(9):38-41.

TH166

A

1009-0134(2010)11(下)-0116-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.11(下).41

2010-08-04

王越（1970 - ），女，遼寧沈陽人，講師，碩士，主要從事化纖機械設計及紡絲成型理論研究。