粘膠纖維成形過程中的不穩(wěn)定因素分析

摘 要:粘膠纖維成形過程的穩(wěn)定性與工業(yè)化生產(chǎn)中的許多實(shí)際問題都有著十分密切的關(guān)系。粘膠纖維成形過程的穩(wěn)定性受多種因素影響，但成形過程中絲條的成形質(zhì)量不穩(wěn)定往往是由于單絲存在某種缺陷造成的，這些缺陷導(dǎo)致單絲斷裂，出現(xiàn)膠塊，甚至使整個絲條斷裂，本文將對此進(jìn)行分析，以期提高粘膠纖維形成過程中的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞:粘膠纖維紡絲成形穩(wěn)定性分析探討

中圖分類號:TQ314文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1674-098x(2011)05(c)-0047-01

1 粘膠纖維形成過程的不穩(wěn)定因素

1.1 流體動力學(xué)阻力

(1)流變力。粘膠細(xì)流固化時，在縱向和橫向同時產(chǎn)生應(yīng)力，從而使靠近噴頭處的液流產(chǎn)生收縮形變但絲條在成形過程中所受流變力僅為總張力的2％左右，所占比值很小。(2)慣性力。慣性力就是使粘膠細(xì)流在運(yùn)行過程中獲得加速所需克服的力。由于粘膠纖維生產(chǎn)中采用負(fù)拉伸，因此，慣性力很小，以至可以忽略。但沖擊性慣性力對絲條的作用較大。凝固浴雖經(jīng)過濾，但仍含有很多100～300微米的粒子，凝固浴流動方向垂直于絲條運(yùn)動方向，當(dāng)這些微粒與成形過程中的粘膠細(xì)流相撞時，足以使單絲形成缺陷。同時，慣性力還應(yīng)考慮絲條帶走并將其加速的凝固浴。(3)表面張力。絲條的成形過程是多相介面間進(jìn)行的，主要在粘膠與噴頭表面間，粘膠與凝固浴間，凝固浴與噴頭表面間。由于粘膠細(xì)流受單軸拉伸而形變，細(xì)流表面積隨之增大，表面張力就起到了阻止表面積增加的作用。在凝固浴中加入陽離子型或非離子型表面活性劑，能夠有效地改善成形過程的穩(wěn)定性。(4)摩擦力。運(yùn)行中的粘膠細(xì)流與凝固浴存在一定的摩擦，摩擦力表現(xiàn)為作用在細(xì)流表面的切應(yīng)力，與絲條運(yùn)行速度的二次方成正比，即成形速度越高，絲條所受摩擦力越大。此外，還與導(dǎo)絲器件的形狀、材質(zhì)、絲條與導(dǎo)絲器件的接觸面積、絲條在導(dǎo)絲器件上的包角等有關(guān)。由于絲條在導(dǎo)絲器件的阻滯作用下因拉伸而取向，所以摩擦力大大超過絲條總張力中的其他成分。(5)重力。絲條在凝固浴中同時受自身重力和凝固浴浮力的作用，因凝固浴的比重(1.2-1.3)大于粘膠比重(1.1-1.12)，因此，在凝固浴中重力影響很小。但當(dāng)絲條從凝固浴中引出時，重力作用則較為明顯，尤其在絲條未充分凝固的情況下，重力與慣性力及在導(dǎo)絲器件上的摩擦力的共同作用，易導(dǎo)致絲條缺陷的形成。綜合上述分析，在成形過程中絲條所受流體動力學(xué)阻力主要取決于絲條的運(yùn)行速度和在凝固浴中的浸浴長度，隨絲條運(yùn)行速度的越大，絲條所受總張力就越大。

1.2 絲條所受拉力

絲條所受拉力根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中所選定的拉伸條件來確定。已固化的絲條能夠?qū)⒗鬟f到粘膠細(xì)流，拉力與作用在絲條上的阻力達(dá)到動態(tài)平衡，就能夠保證絲條成形處于均衡穩(wěn)定狀態(tài)。

1.3 粘膠中的雜質(zhì)

粘膠中的雜質(zhì)主要有膠狀微粒和固體微粒、氣泡、添加的分散狀微粒，這些雜質(zhì)的存在會不同程度地影響成形的穩(wěn)定，還會堵塞噴孔，同時影響成品纖維的物理機(jī)械性能。

2 提高粘膠纖維成形過程穩(wěn)定性的途徑

2.1 粘膠組成及其性質(zhì)

(1)粘膠組成。當(dāng)其他條件不變時，粘膠中a-纖維素含量越高，粘膠的結(jié)構(gòu)粘度也較高。同時，a-纖維素含量高時，絲條凝膠結(jié)構(gòu)較緊密，利于絲條強(qiáng)度的提高。粘膠中含堿量也能影響初生纖維的取向拉伸能力，從而影響成形過程的穩(wěn)定性。(2)粘度。由于粘膠細(xì)流在凝固浴中受到一系列阻力。為保證液流具有最大的強(qiáng)度，可以通過提高粘度來實(shí)現(xiàn)。提高粘度，增加了粘膠的粘彈性質(zhì)。但粘度過高(超過50s)，液流的切向應(yīng)力隨之增加，孔口膨化現(xiàn)象劇烈，反而不利于絲條成形的穩(wěn)定。為保證成形過程的均勻穩(wěn)定，粘膠粘度應(yīng)控制在30～50s，且波動范圍應(yīng)嚴(yán)格控制在±3～5s。(3)熟成度。粘膠熟成度較低時，絲條的斷裂強(qiáng)度、伸度等物理機(jī)械性能較差，結(jié)構(gòu)的均勻性、纖維大分子的取向度都比較差。

2.2 凝固條件

凝固浴的固化能力對成形過程起著決定性作用，主要受硫酸濃度、凝固浴溫度、循環(huán)量和凝固浴中硫酸鹽含量等因素影響。

(1)硫酸濃度。凝固浴中硫酸的濃度的確定主要與粘膠液流在凝固浴中的距離、紡速、粘膠含堿量、熟成度、絲條纖度等因素有關(guān)。合理提高硫酸的濃度，不僅能縮短粘膠液流中和點(diǎn)的距離，還可以增加粘膠液流凝固層的厚度，使單絲不易斷裂。最大噴頭拉伸也是衡量成形過程穩(wěn)定性的重要指標(biāo)之一。(2)凝固浴溫度。提高凝固浴溫度，可以加快各種反應(yīng)速度，雙擴(kuò)散速度和凝固速度，但浴溫過高(如超過55℃)，最大噴絲頭拉伸率反而下降，析出較多氣體，成形過程穩(wěn)定性隨之下降。同時浴溫的均勻性對保持成形過程穩(wěn)定、絲條結(jié)構(gòu)和性能的均一起著重要作用。(3)凝固浴循環(huán)量。紡絲速度和絲條纖度決定了凝固浴循環(huán)量。只有使凝固浴各組分的濃度波動和浴溫波動限制在一定范圍內(nèi)，才能保持成形過程的穩(wěn)定性。因此，凝固浴循環(huán)量要保持在一個穩(wěn)定的水平上。(4)凝固浴中的硫酸鹽。凝固浴中的硫酸鹽具有能夠促使粘膠液流脫水的作用，抑制硫酸離解，延緩纖維素黃酸酯再生速度，提高絲條強(qiáng)度、伸度。但其中一些金屬離子因可以形成穩(wěn)定的不溶解的硫化物，如硫化鋅、硫化銅等沉淀物而堵塞噴絲孔，降低了絲條成形的穩(wěn)定性。

2.3 噴絲頭

成形過程的穩(wěn)定性受到噴絲頭的諸多參數(shù)影響，比如噴絲孔的長徑比、孔道的形狀、噴絲頭穿孔部分的面徑、噴絲孔分布的均勻程度等。

(1)噴絲孔的長徑比。增加噴絲孔長度、減少孔徑、提高噴絲孔長徑比，能夠使粘膠液流的入口效應(yīng)有較大恢復(fù)，使出口的膨化效應(yīng)大為降低，從而提高成形的穩(wěn)定性。(2)孔道形狀。粘膠液流的流動和入口效應(yīng)在很大程度上受到噴絲孔孔道形狀的影響。高粘彈性的粘膠進(jìn)入圓柱形孔道時的能量損失很大，甚至超過其臨界值，這部分能量作為彈性能儲存在體系內(nèi)，在出口處產(chǎn)生較大膨化，擾亂液流的連續(xù)性。若采用雙曲線形孔道，由于膨化效應(yīng)的大為降低可以使成形過程的穩(wěn)定性明顯提高。(3)噴絲頭穿孔部分的面徑。通過縮小孔間距或提高噴頭表面的孔的分布密度來縮小噴頭穿孔部分的面徑，可以降低粘膠液流的動力學(xué)阻力而提高絲條成形過程的穩(wěn)定性。(4)噴絲孔分布的均勻性。如果噴絲頭表面的噴絲孔分布的均勻性差，則會造成不對稱的邊界層。當(dāng)單絲間距離不一致時，距離較大的一側(cè)的邊界層厚度和流體動力學(xué)阻力會相應(yīng)增加，使絲條的正常運(yùn)行狀態(tài)受到破壞，流體動力學(xué)阻力急劇增加，易導(dǎo)致單絲斷裂出現(xiàn)線團(tuán)狀膠塊。因此。噴絲頭上噴絲孔的分布必須嚴(yán)格對稱、分布均勻。

3 結(jié)語

提高成形過程的穩(wěn)定性對粘膠纖維生產(chǎn)具有重要意義。在生產(chǎn)過程中，應(yīng)視實(shí)際生產(chǎn)情況對影響粘膠纖維成形穩(wěn)定性的各個因素，例如:凝固浴的流體動力學(xué)阻力、成形速度、成形方式、導(dǎo)絲裝置等予以分析研究，從而提高其穩(wěn)定性。

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