气隙长度、吹风湿度和温度对纤维性能的影响

2023-06-25 理论教育版权反馈

【摘要】：气隙条件是干喷湿纺工艺的重要组成部分，它是纤维聚集态结构形成的关键区域。这一过程受到多种因素的影响，包括气隙长度、吹风温度和吹风湿度、纺丝原液的温度等。由上述分析可见，Lyocell纤维生产中气隙长度设计的依据是纺丝细流在气隙中的凝固点。相反，当气隙长度确定后，必须通过工艺的调整使固化点落在气隙范围内。对于侧吹体系而言，纺丝细流的冷却效果与气隙长度、吹风温度和吹风速度相关。

气隙条件是干喷湿纺工艺的重要组成部分，它是纤维聚集态结构形成的关键区域。纺丝细流从喷丝孔挤出后，不仅经历了从孔口膨大到纤维形状基本形成的形态上的巨大变化，而且经历了从液体到固体的相变过程，细流还在这一过程中经受了拉伸力的作用，使其取向、结晶，而这一过程仅发生几个毫秒的时间内，因此，控制好气隙条件对稳定产品质量十分重要。

干喷湿纺工艺中，纺丝细流从喷丝孔挤出后，首先经过一段气隙，细流在冷却风的作用下固化。冷却吹风的作用是使丝条的温度迅速降低到凝固点，纺丝细流在冷却过程中，黏度不断增加，在拉伸力作用下，纤维素分子结晶、取向，并产生分子间的相互位移，细流直径迅速下降，初步形成纤维的形状。

纤维素纺丝溶液是一个黏弹性流体，在纺丝压力作用下，溶液在出喷丝孔口时会发生孔口膨胀。因此，丝条在气隙段（干段）的直径会发生急剧的变化，如果不考虑纤维自身的重力，纺丝细流每一个截面上受到的拉伸力是一样的。随着纤维截面变小，单位面积的拉伸力迅速增大，直至纤维外径不再改变。拉伸应力的增大，使纺丝细流取向，甚至结晶。拉伸应力的另一个特点是纤维皮层受到的力大于纤维芯部受到的力，由于纺丝细流的外层首先固化，固化后的皮层首先承载拉伸应力的作用，作用力越大越容易取向、结晶，从而形成较规整的层状结构。内层的纺丝液由于传热的原因，固化时间要比外层长，其结构形成的过程也会变慢，因此，第一层形成的取向分子在拉伸力的作用下，与内层分子发生分子间的位移，当第二层取向分子凝固后，与更内层的分子发生位移，以此类推，最终很可能形成同心圆形式取向的分子束。这一过程受到多种因素的影响，包括气隙长度、吹风温度和吹风湿度、纺丝原液的温度等。但在气隙段最需要关注的是纺丝细流凝固点的位置。它是上述各项因素综合影响的结果。我们可以用纺丝细流热量的得失来讨论凝固点的位置，纺丝细流从液体到固化所需的热量可以用式（5-7）表示：

式中：Q1为细流从液体到固体所需的热量（J）；q为气隙段内细流的质量（kg）；C为降温过程中的平均热比容[J/（kg·℃）]；T1为物料出喷丝孔时的温度（℃）；T2为物料凝固时的温度（℃）。

根据式（5-7），假设气隙吹风所带走的热量为Q2，那么，凝固点出现的位置就有三种典型的情况。当Q2＜Q1时，吹风带走的热量还不足以将纺丝细流冷却到凝固点温度，在这种情况下，纺丝细流在没有凝固的情况下就进入了凝固浴；当Q2=Q1时，纺丝细流的凝固点正好处在纺丝细流与凝固浴水平面交界处；当Q2＞Q1时，纺丝细流的凝固点将处在气隙中，Q2与Q1的差值越大，凝固点越往喷丝孔方向移动。凝固点落在凝固浴中并不是理想的状态，因为纺丝细流一旦进入凝固浴，纤维的结构就被迅速固化，如果纺丝细流在气隙段仍然没有固化，这就意味着，其取向和结晶尚在进行中，能够固定纤维素分子相对位置的网络尚未形成，不稳定的结构被固定后势必造成结构上的不完善，因此，生产中纺丝细流的固化点一定要控制在气隙内。式（5-7）仅考虑了静态的热交换量，而实际吹风冷却的过程除了热交换的总量，还与交换的效率相关，单位时间内对单位质量的物质进行冷却，其效率将取决于冷却吹风与物料接触的面积和热量的传递速度。冷却风与物料的接触面越大，冷却效果越好；冷却风更新的速度越快，冷却效果越好。

刘瑞刚等[13]用激光法测定了丝束出喷丝孔后直径的变化，实验结果表明：纺丝溶液细流直径的变化主要发生在靠近喷水头的一段气隙内，之后，纺丝溶液细流开始固化，直径逐渐趋于恒定。图5-17所示是在不同纺丝速度下，纺丝细流离开喷丝孔后直径变化的曲线。

图5-17　纤维离开喷丝孔后的直径变化

这一实验使用了25cm的气隙，喷丝孔直径为0.4mm，改变纺丝速度时，挤出量不变。由图5-17可知，纺丝细流的直径在离开喷丝孔8cm后基本不再变化。随着纺丝速度的提高，凝固点向喷丝孔方向移动，纺丝速度越高，凝固点离喷丝板距离越短。如果用式（5-7）来解释上述现象，似乎有些问题，因为在实验条件下，式中的q、T1、T2都是一个固定值，因此，需带走的热量是恒定的，凝固点应该与纺丝速度无关。但仔细分析可见，当纺丝速度提高后，纤维直径变小，同样质量的纺丝原液形成的表面积增加，即单位时间内，冷却吹风和纺丝原液热交换的面积增大，传热效率增加，使凝固点往喷丝板方向移动。因此，随纺丝速度的提高，凝固点上移的结论，只有在挤出量不变的情况下才成立。相反，如果实验条件更改为保持细度不变，那么随着纺丝速度的提高，凝固点会向喷丝板相反的方向移动。这是因为，细度恒定后，传热面积就确定了，而纺丝速度高，则单位时间需要冷却的物料量增加，要使凝固点保持不变，就需要更大的风量。如果保持吹风量不变，凝固点就必然向喷丝板相反的方向移动。当然，也可以从拉伸应力的角度分析，因为纺丝细流直径变化与其所承受的拉伸应力有关，随着纺丝卷绕速度的提高，纺丝细流所承受的拉伸应力增大，喷丝头拉伸倍率增加，纤维直径减小，冷却速度快，使纺丝细流达到凝固点的时间缩短，于是凝固点向喷丝板方向移动。

此外，随着纺丝速度提高，纺程上应力增加，应力硬化使溶液体系的固化温度提高，从而使固化点上移。

由上述分析可见，Lyocell纤维生产中气隙长度设计的依据是纺丝细流在气隙中的凝固点。因为各种纺丝条件确定后，细流在纺程上的固化点就确定了，这就要求设计中气隙长度必须大于固化点离喷丝孔的距离。相反，当气隙长度确定后，必须通过工艺的调整使固化点落在气隙范围内。在纺丝细流能够得到充分冷却的前提下，气隙长度应该尽可能短，原因是气隙段越长，纤维纺丝粘并的可能性越大。当然，气隙长度也不能过短，即便凝固点可以控制在气隙范围内，因为要使纺丝细流充分冷却就要确保有一定的风量，气隙长度缩短，就必须增加风速，而增加风速对纺丝不利。有研究认为：当气隙长度小于15mm时，最大拉伸比随气隙长度的增加急剧增大，在气隙长度约为15mm时，达到最大拉伸比。实际生产中气隙长度一般在20mm左右。

对于侧吹体系而言，纺丝细流的冷却效果与气隙长度、吹风温度和吹风速度相关。而真正作用于纺丝细流的是冷却风所提供的冷却量。冷却量由吹风温度、吹风速度和受风面积所确定，受风面积是丝束的宽度与气隙长度的乘积，这三者有着密切的相关性，调节任何一项都有可能改变冷却量。当气隙长度和吹风温度确定后，吹风速度增加，风量增加，冷却量就增加。如果其他条件不变，降低吹风温度，可以降低吹风速度。

吹风速度有一定的要求，因为Lyocell纤维使用的喷丝板都设置有多排喷丝孔，冷却风最基本的条件是必须穿透多层丝帘，使最外层的丝也能够得到充分的冷却，由于喷丝板孔的间距很小，它会对吹风造成一定的阻碍。吹风速度必须克服这些阻碍，所以吹风必须具有一定的速度。但吹风速度也不能过大，过大的吹风速度会使迎风面的丝承受过大的压力而产生弯曲或摆动，甚至断裂，而且丝条运动的不稳定会导致并丝。

吹风温度是调节冷却量的有效手段，它可以与吹风速度配合，为纺丝细流提供合适的冷却量。吹风对初生纤维的作用是迅速降低丝条的温度，从这一要求看，吹风温度越低越好，迅速降温可以使丝条快速固化，进而能够承受一定的拉伸力，也利于丝束的取向；但从工业生产的角度看，过低的吹风温度，意味着更大的能耗；但吹风温度过高会导致丝条来不及固化而产生并丝。因此，在满足工艺条件的前提下，应选择较高的吹风温度，工业生产中使用的吹风温度在10℃左右。

吹风含湿量也是影响纺丝质量的一个因素，出喷丝孔的纺丝液实际是高浓度NMMO的纤维素溶液，因此，丝条非常容易吸水，NMMO水溶液的凝固点与溶液的含水量有关，含水量增加，凝固点下降。从NMMO—H2O相图中可以发现，在单结晶水溶液的凝固点附近，含水量的变化对凝固点的影响尤为明显。因此，当初生的丝条遇到水分后，很容易因吸水而降低凝固点。一旦凝固点改变就有可能造成纤维微观结构上的缺陷，轻则产生并丝，重则无法成形。含水低或者无水的空气，有利于使丝束均一固化，保证顺利成形。梅雨季节容易出现产品质量事故，与其不无关系。通常，当吹风温度控制在20℃以下时，吹风的平均含湿量控制在4.5～8gH2O/kg为好。湿度和成品丝强度基本成反比，吹风湿度高，纺丝并丝多，成品丝强力低；吹风湿度低，纺丝成形条件好，成品丝强力高。

气隙长度和冷却空气的温湿度对纤维的性能有交叉影响，气隙长度较大时，减小空气温湿度，有利于纤维模量、强度和断裂伸长的提高；气隙长度较小时，增加空气温湿度，有利于纤维模量、强度和断裂伸长的提高。

气隙长度、吹风湿度和温度对纤维性能的影响

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