粘膠纖維成形過程中的不穩定因素分析

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

關鍵詞:粘膠纖維紡絲成形穩定性分析探討

中圖分類號:TS10文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)07(c)-0063-01

1 粘膠纖維形成過程的不穩定因素

粘膠細流在拉伸流動形變過程中，受到各種力的作用，若保持絲條成形過程的穩定，就必須使作用在絲條上的各種力處于平衡狀態。

1.1 流體動力學阻力

1.1.1 流變力

粘膠細流固化時，在縱向和橫向同時產生應力，從而使靠近噴頭處的液流產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。

1.1.2 慣性力

慣性力就是使粘膠細流在運行過程中獲得加速所需克服的力。由于粘膠纖維生產中采用負拉伸，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動方向，當這些微粒與成形過程中的粘膠細流相撞時，足以使單絲形成缺陷。同時，慣性力還應考慮絲條帶走并將其加速的凝固浴。

1.1.3 表面張力

絲條的成形過程是多相介面間進行的，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。由于粘膠細流受單軸拉伸而形變，細流表面積隨之增大，表面張力就起到了阻止表面積增加的作用。在凝固浴中加人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定性。

1.1.4 摩擦力

運行中的粘膠細流與凝固浴存在一定的摩擦，摩擦力表現為作用在細流表面的切應力，與絲條運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，還與導絲器件的形狀、材質、絲條與導絲器件的接觸面積、絲條在導絲器件上的包角等有關。由于絲條在導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。

1.1.5 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絲器件上的摩擦力的共同作用，易導致絲條缺陷的形成。

1.2 絲條所受拉力

絲條所受拉力根據實際生產中所選定的拉伸條件來確定。已固化的絲條能夠將拉力傳遞到粘膠細流，拉力與作用在絲條上的阻力達到動態平衡，就能夠保證絲條成形處于均衡穩定狀態。

1.3 粘膠中的雜質

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

2 提高粘膠纖維成形過程穩定性的途徑

在粘膠纖維生產中確定絲條成形的工藝條件時，不僅要考慮成形過程的穩定性和纖維的物理機械性能，還要考慮到經濟合理性。在粘膠纖維生產中，影響成形穩定性的因素很多，下面僅對一些直接影響到成形穩定性的主要參數進行討論。

2.1 粘膠組成及其性質

2.1.1 粘膠組成

當其他條件不變時，粘膠中a-纖維素含量越高，粘膠的結構粘度也較高。同時，a-纖維素含量高時，絲條凝膠結構較緊密，利于絲條強度的提高。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定性。

2.2.2 粘度

由于粘膠細流在凝固浴中受到一系列阻力。為保證液流具有最大的強度，可以通過提高粘度來實現。提高粘度，增加了粘膠的粘彈性質。但粘度過高(超過50s)，液流的切向應力隨之增加，孔口膨化現象劇烈，反而不利于絲條成形的穩定。為保證成形過程的均勻穩定，粘膠粘度應控制在30-50s，且波動范圍應嚴格控制在±3-5s。

2.2.3 熟成度

粘膠熟成度較低時，絲條的斷裂強度、伸度等物理機械性能較差，結構的均勻性、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、循環量和凝固浴中硫酸鹽含量等因素影響。

2.2.1 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。合理提高硫酸的濃度，不僅能縮短粘膠液流中和點的距離，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定性的重要指標之一。

2.2.2 凝固浴溫度

提高凝固浴溫度，可以加快各種反應速度，雙擴散速度和凝固速度，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，成形過程穩定性隨之下降。同時浴溫的均勻性對保持成形過程穩定、絲條結構和性能的均一起著重要作用。

2.2.3 凝固浴循環量

紡絲速度和絲條纖度決定了凝固浴循環量。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，才能保持成形過程的穩定性。

2.3 噴絲頭

成形過程的穩定性受到噴絲頭的諸多參數影響，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。

2.3.1 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有較大恢復，使出口的膨化效應大為降低，從而提高成形的穩定性。

2.3.2 孔道形狀

粘膠液流的流動和入口效應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貯存在體系內，在出口處產生較大膨化，擾亂液流的連續性。若采用雙曲線形孔道，由于膨化效應的大為降低可以使成形過程的穩定性明顯提高。

2.3.3 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阻力而提高絲條成形過程的穩定性。

2.3.4 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。當單絲間距離不一致時，距離較大的一側的邊界層厚度和流體動力學阻力會相應增加，使絲條的正常運行狀態受到破壞，流體動力學阻力急劇增加，易導致單絲斷裂出現線團狀膠塊。

3 結語

提高成形過程的穩定性對粘膠纖維生產具有重要意義。在生產過程中，應視實際生產情況對影響粘膠纖維成形穩定性的各個因素，例如:凝固浴的流體動力學阻力、成形速度、成形方式、導絲裝置等予以分析研究，從而提高其穩定性。

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