熔法紡絲機(jī)

關(guān)于熔體紡絲中紡程長度的分析

眾所周知，熔體紡絲時，熔體從噴絲孔中流出，在卷繞機(jī)羅拉的牽引下，發(fā)生了受力、速度和溫度上的變化。從宏觀上看，物料從高溫下的粘流態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌叵碌牟ＡB(tài)，由于速度上的差異，熔體細(xì)化成為有預(yù)定纖度的纖維；從微觀上看，由于速度梯度與熱松弛同時作用的結(jié)果，纖維內(nèi)部產(chǎn)生了取向作用。這種取向作用 對纖維的性能有很大影響。不少研究者，已經(jīng)能夠觀察和研究了這個理論上和工藝上的關(guān)鍵問題，并發(fā)表了許多專著。不足的是，他們注重于紡絲條件與性能之間的關(guān)系，從而求出了理想的紡絲條件，至于如何從工程上得到這些理想的條件，尤其是紡程長度問題，都沒有專門的論述，因而在生產(chǎn)上往往沿用舊的技術(shù)——太長的冷卻甬道。不僅造成了建筑上的浪費，而且對纖維的性能也有相當(dāng)?shù)挠绊憽Ｄ壳皣鴥?nèi)有的企業(yè)已經(jīng)注意到這個問題，把紡程縮短到了4米以下。有研究者 擬從熱傳遞分析冷卻甬道的作用，從理論上證明，并從實際測試證明紡程是可以大大縮短的。假如能夠把紡程縮短得很多，那么，就可以少建一層建筑樓面，至于纖維質(zhì)量提高后帶來的好處，更是不可估量。

實驗從熱交換的角度出發(fā)，可以從理論上計算熔體紡絲時的冷卻長度，實測數(shù)據(jù)也證明了這個計算是正確的，從而證實熔體紡絲時縮短紡程的可能性。一般地說，丙綸可以縮短至2米，滌綸可縮短至3米，錦綸可縮短至4米左右。短程紡絲的優(yōu)點不僅在于減少建筑面積，節(jié)約投資，還在于提高纖維在纖度、拉伸性能、成品的各項物理指標(biāo)，以致織物的著色及其他性能。

聚乳酸熔體紡絲

為了發(fā)揮聚乳酸生物降解和資源可再生的優(yōu)勢，中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所和佳木斯合成實業(yè)有限責(zé)任公司合作，開展了聚乳酸香煙過濾嘴的研制。香煙過濾嘴是由上萬根鋸齒式彎曲的纖維抱合在一起的圓柱體，它的制造主要經(jīng)過3個步驟。由樹脂經(jīng)紡絲和后處理制成“煙用絲束”；煙用絲束開松、上膠、卷棒制成“過濾嘴棒”；過濾嘴棒切割，接裝到香煙上。迄今為止，很多纖維已經(jīng)實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，但真正商品化的香煙過濾嘴只有二醋酸纖維素和聚丙烯兩個品種，原因是用作香煙過濾嘴，有很多特殊的要求，必須選用特別的原料，采用相應(yīng)的工藝和過程來制備，并不是能紡絲就能制造香煙過濾嘴。舉例來說，服裝和家紡纖維必須滿足纖維紡制、編織的要求和織物印染、洗滌、熨燙的要求，必須有很高的結(jié)晶度、取向度和機(jī)械強(qiáng)度，能耐溫80～ 100℃ ，必須在洗滌劑水溶液和干洗溶劑中不溶解、不溶脹，需要一定的吸濕性，但對周圍環(huán)境中的其它氣體物質(zhì)的吸附越少越好。而作為香煙過濾嘴纖維，首先要滿足對煙氣中有害物質(zhì)的阻擋、濾過和吸附等理化性能要求，減少煙氣對人體的危害。其次是滿足絲束纖維粘合成棒的工藝技術(shù)要求。實踐證明，目前市售的聚乳酸紡織纖維，盡管在線密度和卷曲特性上能夠滿足絲束生產(chǎn)的要求，卻不能滿足粘合成棒的工藝要求，因為使用目前公認(rèn)的三醋酸甘油酯，在常溫下不能將它們粘合成濾棒。第三，必須有一定的機(jī)械強(qiáng)度，在整個生產(chǎn)過程中保持纖維完好，但纖維強(qiáng)度不能過高，否則在高速生產(chǎn)線上，切割產(chǎn)生的熱量就足以將纖維熔化。第四，必須有足夠的耐熱性，卷棒過程中的摩擦生熱不至于使纖維粘連融化，吸煙時熱的煙氣流過不產(chǎn)生明顯的皺縮 。

所以從聚乳酸紡織纖維到聚乳酸香煙過濾嘴絲束纖維，不是簡單的模仿和挪用，必須有專門的聚合物樹脂和相應(yīng)的紡絲及后處理技術(shù)，其中的基本問題是樹脂的流動性和可紡性、纖維的強(qiáng)度控制、纖維的粘接性能和纖維的過濾與吸附性能等。

綜上所述，針對制備香煙過濾嘴的特殊需要，研究了聚乳酸的熔融紡絲、粘接和吸附性能。通過流變學(xué)測量考察了各種加工因素對熔體流動性和可紡性的影響，特別是殘留水分的影響，用分子量、DSC和力學(xué)性能測量跟蹤了熔體紡絲和后加工過程。

結(jié)果表明，水分對聚乳酸的可紡性有重要影響，必須對聚乳酸樹脂進(jìn)行干燥處理，將水分含量控制在適當(dāng)?shù)姆秶?；聚乳酸的降解主要發(fā)生在紡絲過程中，必須優(yōu)化擠出機(jī)和熔體流道設(shè)計，盡可能減少熔體的高溫停留時間；牽伸和熱定型提高了纖維的結(jié)晶度和強(qiáng)度，有利于提高纖維的耐溫等級，但不利于纖維的粘接和切割，因而必須適度控制；使用三醋酸甘油酯可以粘接聚乳酸纖維,過高的結(jié)晶度對粘接不利，因而必須選用適當(dāng)結(jié)晶度的樹脂作紡絲原料；聚乳酸纖維對極性和非極性煙氣成分氣體有較高的吸附吸收能力，但對煙堿的吸附卻很少，因而聚乳酸過濾嘴的香煙可能有自己獨特的吸味風(fēng)格。

與溶液紡絲相比，熔融紡絲具有紡絲速度快、污染少、不用溶劑和凝固浴及其回收裝置等優(yōu)點。按紡絲速度不同分為：

（1）低速紡絲，卷繞速度<2000m/min，卷繞絲為未拉伸絲（UDY）；

（2）中速紡絲，卷繞速度2000～3200m/min，卷繞絲為半預(yù)取向絲（MOY）；

（3）高速紡絲，卷繞速度3200～5500m/min，卷繞絲為高取向或全取向絲（HOY或FOY）。

熔法紡絲機(jī)的生產(chǎn)過程

熔體紡絲過程包括物料的熔融、從噴絲頭擠出,然后經(jīng)冷卻和固化成形。熔體紡絲工藝的基本類型如下圖一所示。聚合物通常為干燥的顆?；蚯衅谷霐D出機(jī)中，經(jīng)過擠壓熔融向前送至計量泵計量泵控制并確保聚合物熔體穩(wěn)定流入噴絲頭中，擠出的細(xì)流經(jīng)橫吹風(fēng)快速冷卻、固化成型、并卷繞。而在卷繞的過程中，由于導(dǎo)絲輥的預(yù)拉伸，可起抽長拉細(xì)絲條的作用。熔體紡絲的主要工藝參數(shù)為擠出溫度，卷繞速度，紡絲的冷卻條件，噴絲孔形狀和尺寸等 。

熔融紡絲的成形

固化過程是指由紡絲液轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w聚合物的過程，是纖維成形中最重要的環(huán)節(jié)之一。固化過程包含材料許多結(jié)構(gòu)上的和宏觀方面特性的不可逆變化，在結(jié)構(gòu)方面例如分子取向、結(jié)晶等，而宏觀方面特性則如粘度、模量、強(qiáng)度等。熔體紡絲的成形，即絲條發(fā)生傳熱，從而固化的過程。固化過程的速率受到細(xì)流和周圍介質(zhì)的傳熱過程紡絲線的冷卻的控制，同時伴隨著結(jié)晶化和分子取向的過程。在聚合物一溶劑的二元體系干法紡絲中，對紡絲流體轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w纖維時，除了傳熱，還有傳質(zhì)。即在紡絲流體的干燥過程中，熱量傳遞，同時溶劑揮發(fā)，聚合物發(fā)生結(jié)晶化、分子取向以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)凍膠化的形成。而濕法紡絲情況較為復(fù)雜，多組分的擴(kuò)散，伴隨著相和結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變聚合物沉淀、結(jié)晶作用、凍膠作用，在某些情況下，甚至還伴有化學(xué)反應(yīng)。

固化過程的相轉(zhuǎn)變和有關(guān)過程

紡絲成形中所涉及的濃縮的聚合物體系，很少存在真正的熱力學(xué)平衡。紡絲成形，取決于依賴時間的瞬間的變化程度。此過程中，可為聚合物的結(jié)晶化和其他的相和結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變過程。而熱力學(xué)與動力學(xué)因素與這種轉(zhuǎn)變過程有關(guān)，是必須考慮的。熱力學(xué)因素，它決定了平衡條件和確定了相轉(zhuǎn)變的潛在可能性。對于一種純粹的未稀釋的聚合物來說，熔點決定了相轉(zhuǎn)變的臨界條件。對二元聚合物一溶劑體系，溫度和濃度表征二者可混的范圍。此外一個重要的因素是相和結(jié)構(gòu)狀態(tài)的動力學(xué)穩(wěn)定性。從純粹的熱力學(xué)觀點來看，所有超過平衡的狀態(tài)，都是不穩(wěn)定的。然而在高分子的體系中，相轉(zhuǎn)變的速率對分子活動性是非常敏感的。當(dāng)?shù)陀诓ＡЩ瘻囟葧r，這種轉(zhuǎn)變幾乎為零。凡是達(dá)到此溫度的體系，不管它離開真正熱力學(xué)平衡多大距離，仍可認(rèn)為它在動力學(xué)上是穩(wěn)定的。