设计喷丝板的优化方案

2023-06-25 理论教育版权反馈

【摘要】：干喷湿纺喷丝板的设计与熔融纺丝喷丝板的设计有许多相似之处，因此，可以借鉴熔融纺丝喷丝板的设计经验。喷丝板设计和制作的主要参数包括导孔的形状与大小、喷丝孔的直径、长径比、喷丝孔的间距等。胀大比过大，会对纺丝工艺不利，严重时会造成纺丝细流的破裂。实际生产过程中，在固定供料量和纺丝卷绕速度的条件下，通过使用同样孔数、不同喷丝孔孔径的喷丝板来获得最佳的纺丝效果。

Lyocell纤维纺丝采用了干喷湿纺的工艺路线，干喷湿纺是熔融纺丝和湿法纺丝相互融合的一种纺丝工艺，干喷部分遵循了熔融纺丝的规律，而纤维进入凝固浴后，脱除溶剂的过程又具有湿法纺丝的特点。干喷湿纺喷丝板的设计与熔融纺丝喷丝板的设计有许多相似之处，因此，可以借鉴熔融纺丝喷丝板的设计经验。喷丝板设计和制作的主要参数包括导孔的形状与大小、喷丝孔的直径、长径比、喷丝孔的间距等。喷丝孔的结构与纤维的成形过程如图5-16所示。

在喷丝组件中，喷丝板上方是一个体积较大的存料腔，设置存料腔是为了确保进入各喷丝孔的物料具有均匀一致的板前压力，由于存料腔的体积大，因此，纺丝溶液在存料腔中的流动速度很慢。NMMO/H2O/纤维素溶液属非牛顿流体，是一种具有黏弹性的高聚物溶液，当它从较大的空间被挤入很小的喷丝孔时，在拉伸方向会发生弹性形变，部分能量会以弹性势能的形式储存于体系中，聚合物的弹性形变是可逆的，待纺丝溶液出喷丝孔后，被孔道约束的细流成了无约束的流体，即时发生弹性回复，即呈现孔口胀大现象。胀大比与纺丝溶液自身的结构、黏度、温度、进入喷丝孔处的压力、孔道中的流动速度、喷丝孔的长径比等因素有关。胀大比过大，会对纺丝工艺不利，严重时会造成纺丝细流的破裂。黏弹性流体在流经小孔时会发生弹性形变，这是造成纺丝不稳定的重要原因之一，影响弹性形变的因素主要有三个：一是流体在微孔中的流动速度，它关系到流体的形变速率；二是温度，高温有利于聚合物分子自身的链段运动，减少弹性形变；三是微孔形状的设计。在工业生产中，改变纺丝溶液在微孔中的流动速度和温度会在一定程度上受到限制。例如，为保证产能就必须将纺丝速度控制在一定范围内，而过高的纺丝温度会影响聚合物的化学稳定性，对Lyocell纤维体系尤为如此，高温会导致NMMO分解反应加剧。因此，必须通过合理设计喷丝孔的几何形状来改善纺丝溶液的可纺性。

图5-16　喷丝孔的结构与纤维的成形过程

喷丝孔通常都设有导孔，设置导孔的目的是为了使物料能够顺利进入喷丝的小孔，对于高黏度物料来说，如果不设导孔有可能使物料在进入小孔时受阻而不能充满喷丝小孔，它将有可能导致纺丝溶液的断裂。导孔的另一个目的是改变纺丝溶液的流变性，缓解了直接进入喷丝小孔而导致的剪切速率的迅速增加。因此，设置导孔有助于消除聚合物纺丝溶液的弹性形变。对微孔入口的几何形状有三方面的要求[9]：一是随剪切应变速率的增大，纺丝溶液流谱中不得出现涡流、死角，不发生螺旋形畸变和纺丝溶液破裂等不稳定的流动现象；二是导孔的直径收缩比应避免突变；三是纺丝溶液入孔后，流体应该呈流线型。导孔可以有多种形状，常见的有直孔、锥形孔和双曲线孔。从加工的角度看，直孔的加工相对容易，也是普遍使用的一种导孔形状。而从流体的导流情况看，以锥形孔和双曲线孔更好，当然，其加工难度较大。圆柱形导孔的直径与喷丝孔直径之比称为直径收缩比。直径收缩比越小，纺丝溶液在入口区获得的弹性势能就越小，它对纺丝过程有利，但导孔越小，出口压力波动越大，也就是说，进入喷丝孔的压力波动加大，不利于纺丝过程。因此，必须选择合适的直径收缩比。锥形和双曲线形导孔不能直接用孔径计算其收缩比，但孔径的大小对流体的影响规律与圆柱形导孔相似。纺丝溶液在锥形和双曲线形导孔中流动时，其剪切压力的改变都有一个渐进的过程，能够较好地满足导孔的基本要求。Lyocell纤维喷丝孔常采用锥形导孔。

从物料平衡的角度看，喷丝孔直径与所纺制纤维的细度有几种关系：①当喷丝孔孔径、喷丝孔孔数和供料总量都固定不变时，改变卷绕速度就可以获得不同细度的纤维，卷绕速度越快，纤维的细度越小。②当喷丝孔孔径、喷丝孔孔数和卷绕速度都固定不变时，改变供料量，同样可以获得不同细度的纤维，供料量越大，细度越大。也就是说，在一定的范围内，直径一定的喷丝孔，通过改变供料量或卷绕速度，可以得到不同细度的纤维。然而，对于一定孔径的喷丝孔来说，虽然可以纺制不同细度的纤维，但很难达到优良的产品质量和稳定的纺丝工艺。对于特定的喷丝孔孔径，一定只存在一个最适宜纺制的细度范围，喷丝孔的孔径和细度有一定的对应关系。③当供料量、喷丝孔孔数和卷绕速度固定不变时，改变喷丝孔孔径，此时所得到的纤维的细度不变。实际生产过程中，在固定供料量和纺丝卷绕速度的条件下，通过使用同样孔数、不同喷丝孔孔径的喷丝板来获得最佳的纺丝效果。改变喷丝孔孔径实质上是改变了挤出速度和喷头拉伸比的比重，在上述条件下，小孔径的喷丝孔挤出速度就大，由于卷绕速度是恒定的，故喷头拉伸就小，相反亦然，因此，喷丝孔孔径的设计必须同时考虑纺丝液在小孔内的流动和喷头拉伸情况，并使其有合理的搭配。

首先，要保证流体在喷丝孔内有合理的流速，即纺丝液在微孔中有合理的剪切速率，常用以式（5-5）判断[10]：

式中：γw为微孔壁面的剪切速率（s-1）；R为微孔半径（cm）；q为单孔流量（cm3/s）；n为非牛顿指数。

所谓合理的剪切速率就是要满足γw≤γc，γc为临界剪切速率，是指从第一牛顿区进入幂律区交接点处的剪切速率。也就是说，流体在经过微孔时处在第一牛顿区内，一旦剪切速率超过临界点，流体便呈现非牛顿流体性质，产生切力变稀，使溶液流不稳定。高的剪切速率也不利于弹性势能的消除。由式（5-5）可见，当单孔流量q确定后，剪切速率与微孔半径的三次方成反比。孔越大，剪切速率越小，因此，从剪切速率来看，为保证其小于临界剪切速率，喷丝孔可以做得很大。但在流量和卷绕速度都确定的情况下，喷丝速率的降低，就意味着喷头拉伸比的增加，因此，喷丝孔的设计还必须考虑喷头拉伸比，喷头拉伸比是喷丝速度与卷取速度的速度比，当纺丝速度和供料量确定后，微孔直径就确定了喷头拉伸比，微孔孔径越大，喷头拉伸比越大，喷丝头拉伸过大，易造成丝不稳定，甚至造成毛丝和断丝。当然，微孔孔径太小，由于喷头拉伸比太小而造成纤维拉伸不足，从而不能获得优异的物理性能。喷头拉伸比可以用式（5-6）计算：

式中：R为喷丝头拉伸比；Q为单孔吐出量（g/s）；ρ为熔体密度；d0为喷丝孔直径（cm）；V为卷绕速度（cm/s）。

挤出速率和喷头拉伸比的选择是确定喷丝孔直径的关键。从以上分析可见，当供料量和卷绕速度确定时，理想的喷丝孔孔径要满足一定的挤出速率，同时还要满足一定的喷头拉伸比。当然，喷丝孔孔径的设计还应考虑温度因素，纺丝温度越高，临界剪切速率也越高，允许的微孔壁剪切速率也越高，也就意味着可以选用更小的微孔孔径；相反，纺丝溶液的黏度越高，临界剪切速率下降，要求选择的孔径越大。

陈钦等[11]用孔径分别为0.08mm、0.1mm和0.15mm三种的喷丝板，在110m/min纺丝速度、5cm气隙长度等条件下，考察了纤维力学性能的变化。结果表明：采用孔径为0.1mm的喷丝板制得的Lyocell纤维的力学性能最好，过大或过小的喷丝孔孔径都不利于纤维力学性能的提高。实验所设计的方案是：当卷绕速度和供料量一定时，用不同孔径、同样孔数的喷丝板纺制同样细度的纤维。根据式（5-6）可见，喷丝孔孔径越小、纺丝液细流从喷丝孔中挤出的速度越大，喷头拉伸比越小，在纺程上丝条所受到的张力相应减小，从而不利于纤维中的纤维素大分子链的取向及结晶结构的形成，因此纤维的力学性能下降。喷丝孔孔径增大、纺丝液细流从喷丝孔中挤出的速度减小，喷头拉伸比增大，在纺程上丝条所受到的张力相应增大，从而有利于纤维中的纤维素大分子链排列规整有序，取向度提高，并进一步诱导结晶结构的形成，表现为纤维力学性能提高。然而，当喷丝孔孔径过大时，纺丝液细流从喷丝孔中挤出的速度过小，喷头拉伸比过大，过大的张力容易产生毛丝及断丝现象，导致纺丝不能稳定进行，从而不利于纤维中的纤维素大分子链的取向及结晶结构的形成。相应Lyocell纤维样品的结晶和取向结构参数也证实了这一点。此外，对于喷丝孔孔径的选定一定有其先决条件，如纺丝速度、细度等。实验所提供的0.1mm纺丝孔孔径只适用于上述条件。

长径比是喷丝板设计中另一个重要参数，它是指喷丝孔的长度与直径之比。增大长径比有助于弹性势能的松弛，减少出口压力和膨化，选择长径比的原则是纺丝溶液在微孔中的停留时间必须大于纺丝液的松弛时间。从喷丝孔的结构图（图5-16）中可以看到，孔径自上而下不断收缩，因此，聚合物分子在进入喷丝小孔前已经被多次挤压，大分子也在这一过程中取向，由于流体有一定的流动速度，随着直径减小，在纺丝液的流动方向上产生了速度梯度，急剧的速度变化导致纺丝液在拉伸方向发生弹性形变，弹性势能主要是在入口区建立，在出口区释放。孔口膨大是弹性势能释放的一种表现。过大的弹性势能甚至能够造成纺丝细流破裂。这部分能量也可以理解为在外力快速作用下大分子链段运动产生的内应力，因此，在一定的温度下，链段的运动可以产生应力松弛，但它需要一定的时间。高聚物在喷丝孔中流动伴随应力松弛的发生，且随着长径比的增大，弹性势能松弛越多，可回复弹性势能越小，有利于消除出口区的不稳定流动现象。当纺丝速度和微孔孔径确定后，微孔的长径比就决定了纺丝溶液在微孔内的停留时间。显然，长径比越大，纺丝液在微孔中停留时间越长，其孔口膨大效应越小。因此，停留时间大于松弛时间是长径比选择的一个重要条件。当然，实际生产中，不可能将喷丝孔的长径比做得过大，因为喷丝孔原本孔径就很小，加工已经十分困难。长径比的增大会使加工难度成倍增加，过大的长径比对维修和保养也都不利。因此，长径比的选择原则是在满足停留时间大于松弛时间的前提下，取其小的长径比。目前，Lyocell纤维短纤维的生产中，纺丝速度一般在40～50m/min，低速纺丝工艺使纺丝溶液在微孔中有足够的松弛时间，因此，可以采用较小的长径比，常用的喷丝板的长径比在（2～3）：1之间。

陈钦等[11]用3:1和1:1两种不同长径比的喷丝板，在110m/min纺丝速度、5cm气隙长度等条件下，考察了Lyocell纤维物理性能的变化。实验表明，大长径比的喷丝板纺制的Lyocell纤维性能优于用小长径比的喷丝板纺制的纤维性能，大长径比纺制的纤维结晶度和取向度都有相应的提高，与其相对应初始模量和断裂强度也有所提高，但提高的幅度不大。长径比对纤维物理性能的影响主要源于长径比大利于分子的取向，及长径比大有利于分子在喷丝孔内的松弛，减少孔口膨大。上述实验是在纺丝速度为110m/min条件下进行，当纺丝速度下降时，纺丝液在喷丝孔中停留时间会增长，有利于应力松弛，它对纤维性能的影响会进一步减少。因此，Lyocell纤维用喷丝板的喷丝孔设计中可以采用较小的长径比。

喷丝板设计中，除了导孔、孔径和长径比，喷丝孔的排列也非常重要。它的设计需考虑产量和质量之间的平衡。在有限的空间内获得最大的产量是每一个生产者的愿望。喷丝板不可能无限制扩大，因此，要在有限的长度空间中排布尽可能多的孔，就需要使喷丝孔间距尽可能缩小，并排布尽可能多的层数。目前的技术每一块条形喷丝板可以排布3万多个孔，而环形板的最大孔数已经超过7万个孔。孔间距缩小的直接影响是冷却吹风效果，如此稠密的孔，其孔间距及其排列的方法就显得十分重要，冷却吹风是使纺丝液迅速冷却，并具有牵伸强度的必要条件，当具有多层排布时，就要考虑冷却吹风如何能够受到最小的阻力，使它能够对最外层的纤维进行有效的冷却，同时又不能采用过高的风速（风量），因为过大的风速会直接影响迎风面纤维的稳定性。密集的排布对纤维的直接影响就是纤维的并丝率增加，纺丝过程中不可避免地会产生一定程度的工艺上的波动，它可能来自于纺丝液压力的波动、纺程上张力的波动、冷却吹风温度和压力的波动，也可能来自于凝固浴液面的波动等，在纤维尚未完全凝固前，所有这些波动都有可能造成纤维粘并，这种粘并会随着微孔空间距的减少而增加。设计喷丝孔间距的排布时，必须考虑工艺上可能出现的这些波动，以确保在允许波动的范围内仍能够保证产品质量。粘并纤维是纤维质量的重要参数，也是短纤维制作过程中最易出现的质量问题。显然，缩小孔间距与产品质量之间是矛盾的，因此，要在两者之间找到一个合适的平衡点。

设计喷丝板的优化方案

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