实际生产中主要使用在等距不等深的计量型螺杆，影响熔体制备的螺杆结构参数 有：螺杆直径、螺杆工作长度、长径比、螺杆分段与分段长度、压缩比、螺距与 螺槽深度、螺杆与套筒之间的间隙等。 螺杆与套筒之间的间隙是螺杆挤出机的一个重要的结构参数，特别是在计量段， 对螺杆挤出机的产量影响很大。通常，漏流流量与间隙的三次方成正比，所以， 在保证螺杆与套筒之间不产生刮磨的条件下， 应尽可能地采用较小的间隙。 通常， 小螺杆间隙应小于 0.002D，大螺杆应小于 0.005D。 思考：根据上图，理解各个螺杆结构参数的定义和对熔体制备的意义；加工塑料 和结晶高聚物熔体使用的螺杆结构有何区别（熔点、高弹形变、压缩段） 。 当螺杆转速提高到某些特定的程度时，聚合物原料在螺杆挤出机中停滞时间缩短，使物 料来不及熔融就进入计量段，未熔融的固体碎块颗粒会引起熔体质量下降（熔体 温度、压力的差异和影响残留水分的排除） 。新型螺杆例如分离型或销钉型螺杆 能解决这一问题。设置销钉后，螺杆挤出机的产量和普通螺杆相比，能大大的提升 30％左右。 2、熔体纺丝（喷丝板） （1） 纺丝工艺过程 熔融挤压→过滤→静态混和→计量→熔体分配→挤出成形→冷却 过滤可去除聚合物熔体中一些凝胶和细小的固体粒子。 静态混和是指聚合物熔体输送管道中静态混和器对聚合物熔体的均匀混和作用。 计量和熔体分配可精确控制产量和纤维细度的一致性。 聚合物熔体从喷丝孔挤出成形， 经历入流、 孔流、 出流、 变形和稳定的流变过程， 其物理形态和几何形态均发生明显的变化。其中入流和孔流过程在喷丝板内完成；出流 在接近喷丝板的下方完成，变形在冷却和牵伸过程中完成，最后停止形变而稳定 下来，形成纤维。 高聚物流体通过喷丝孔的流动有明显的流场变化，它不是单纯的 Poecni 流动， 而包括毛细孔入口区的收敛流场， 毛细孔区的管道流动， 以及毛细孔出口区向拉 伸流动的流场过渡。

  原则上讲，分解温度高于熔点温度（或流动温度）的热塑性高聚物都能够使用熔 体纺丝法。 二、熔体纺丝工艺过程（以纺粘法非织造布生产的全部过程为例） 主要步骤： ―高聚物纺丝熔体的制备； ―熔体自喷丝孔挤出/纺丝； ―挤出的熔体细流的冷却和拉伸成形； ―成形的纤维长丝铺网与固网。 1、熔体制备（螺杆挤压机） 含水率较高的成纤高聚物在熔融纺丝前要经过干燥处理， 以防止由于水分引起的 高聚物熔体分子降解。高聚物切片受热熔融过程中微细结构发生如下变化：非晶 区从玻璃态转变为高弹态，再变为粘流态；结晶区发生晶体的融化，也成为粘流 态，最后高聚物形成熔体。 思考：高聚物分子量、结晶度、水份和熔融挤压温度对熔体纺丝工艺有何影响； PET 熔体纺丝工艺中与结晶和干燥的作用。 螺杆挤压过程：高聚物切片是在螺杆挤压机中被加热熔融制备成纺丝熔体的；在 挤压螺杆中，高聚物切片经过进料段（输送和预热） 、压缩段（压实和排气、熔 融） 、计量段（混合、塑化）后达到适纺温度，以一定的压力挤出，以备后道工 序使用。 单螺杆挤出机主要由螺杆、 套筒、 传动系统、 加料装置、 加热和冷却装置等构成。

  稳定区 由于冷空气的作用，熔体细流从上到下温度越来越低，而粘度慢慢的升高，细流细 化的速度也愈来愈缓慢。之后，细度的变化基本停止，粘流态的熔体细流逐渐 变成稳定的固态纤维。 凝固点离喷丝板板面约 40～80CM， 一般成形条件下约为 60CM 左右。如果不再创造新的拉伸条件，纤维直径将稳定不变，但刚成形的初 生纤维的性能是很低的。 从凝固点到卷绕罗拉之间的区域叫稳定区。 熔体细流固 化成为纤维后，直径稳定，速度不再发生明显的变化。 思考：熔体挤出成型的过程分为哪几个阶段，各个阶段熔体发生的物理形态和几何 形态变化，以及变化的原因。 （2）纺丝主要设备 计量泵 计量泵为外啮合齿轮泵，齿轮啮合运转时，齿轮啮合脱开使吸入腔容积增大，形 成负压，聚合物熔体被吸入泵内并填满两个齿轮的齿谷，齿谷间的熔体在齿轮的 带动下紧贴着“8”字形孔的内壁回转近一周后送至出口腔，由于出口腔的容积不 断变化，聚合物熔体得以顺利排出。

  思考：计量泵的公称流量、容积效率、总效率；影响计量泵容积效率的因素。 纺丝组件 纺丝组件主要由纺丝箱体、熔体分配板、喷丝板等组成。矩形喷丝板应用较多， 圆形喷丝板次之。 喷丝孔的结构：

  喷丝孔的形状： 规则圆形、不规则异形（三叶形、丝带型等） ；双组分（皮芯型、并列型、陆地 海岛型及可分离型，如间隔派型、三叶型、丝带型等） 。目前 Hills 公司的双组分 熔体纺丝板已经能制造出很多类型截面的双组分纤维。 传统纺丝中异形界面纤维 可拿来产生不同织物手感、风格；双组分纤维可以兼具两种组分的不同性能， 如并列双组分纤维的卷曲型可使其织物具有蓬松性和暖感， 而可分离型双组分纤 维可拿来生产超细纤维。 喷丝孔直径和长度： 一般，喷丝孔直径越大，所纺纤维直径越大，纤维双折射越低。 喷丝孔直径越大，可以减缓熔体在喷丝孔中流动时的径向剪切速度梯度，降低毛 细粘性流动的切应变速率，减少出口时的熔体膨大现象。喷丝孔越长，熔体弹性 形变能松弛越多，将来出口处熔体膨大越小。通常，喷丝孔直径和长度大一些， 纺丝较为稳定，尤其是对高粘度熔体的纺丝有利。一般长径比大些，有利于熔体 松弛， 减小出口膨大； 但当长径比大到某一数值时， 膨大系数不再随长径比变化。

  3、冷却和拉伸（冷空气、卷绕张力） 熔体细流在成形过程中，粘度、速度、应力和温度在其路径上存在着连续变化的 梯度分布场，固化的纤维所具备的性能与这些分布场所起的作用有很大的关系， 如图 3-4-2 所示。

  1—入口区（喇叭口） 2—孔流区（毛细流动区） 3—膨化区（喷丝板到最大膨胀处） 4—形变区（最大膨胀处到凝固点的区域） 5—稳定区（凝固点到牵伸罗拉） ； Lo —熔体细流从喷丝孔出口到熔体细流直径最大处的距离 Lc —熔体细流直径最大处到拉伸应变速率最大时的距离 L∞ —熔体完全凝固时距喷丝孔出口的距离，即凝固长度。 思考：a)冷却过程中聚合物熔体/丝条的结构和性能变化；冷却过程参数(冷却温 度、冷却速度)对丝条结构和性能的影响； b)拉伸过程中聚合物熔体/丝条的变化；拉伸过程参数(拉伸速度、拉伸比) 对丝条结构和性能的影响； 4、分丝、铺网和固网 为了使非织造布网达到最佳均匀度和覆盖性，长丝在铺网前一定要经过分丝工艺。 凡丝方法一般有机械（摆丝）法、气动法和静电法三种。铺网是通过铺网机将熔 纺长丝以一定规律沉积在纤维成网帘/运输带上。运输带是透气性网帘，将纺程 上的气流吸走，并使纤网贴附在成网帘上，防止漂浮。固网的目的是采用机械、 热能或化学方法使熔纺纤维之间结合在一起，形成具有一定机械强度的非织造 布。具体方法在以后的内容中会详细探讨。

  熔体纺丝属于聚合物直接纺丝方法，相对于溶液纺丝方法而言，工艺简单，速度 快，对环境影响较小，适合于几乎所有热塑性聚合物的纺丝。溶液纺丝分为干法 纺丝（使用挥发性溶剂）和湿法纺丝（采用非挥发性溶剂）两种方法。由于涉及 到溶剂的回收和物质交换，因此纺丝速度低于熔体纺丝，而且溶液纺丝成形过程 中丝条所经受的拉伸少， 纤维强力低， 因此应用很少， 只有少数聚合物纺丝使用。 PP、PE、PA 和 PET 一般都会采用熔体纺丝；醋酯、聚氨酯和一部分 PAN 采用干法 纺丝；粘胶纤维、 维纶、铜氨纤维和大部分 PAN 纤维采用湿法纺丝。 思考题：试比较熔体纺丝、干法纺丝和湿法纺丝法的工艺特征和产品特征。 第一节 熔体纺丝成网工艺原理 聚合物切片送入螺杆挤出机，经熔融、挤压、过滤、计量后，由喷丝孔喷出，长 丝丝束经气流冷却牵伸后， 均匀铺放在凝网帘上， 形成的长丝纤网经固网工序 （热 粘合、化学粘合、水刺或针刺）加固后成为熔体纺丝成网法非织造材料。 1、工艺流程为： 聚合物切片→切片烘燥→熔融挤压→纺丝→冷却→牵伸→分丝→铺网→加固→ 切边→卷绕 2、纺粘非织造工艺参数：聚合物种类、熔融挤压条件、纺丝孔尺寸、冷却空气、 拉伸/牵伸方式、固网方法（重点掌握热轧粘合工艺参数对纺粘非织造布结构和 性能的影响） 。 思考题：试画出化纤长丝生产和纺粘非织造布生产工艺流程图，并标出每个工艺 步骤的名称和作用。 一、熔体纺丝工艺特点 熔体纺丝工艺具有过程简单和纺丝速度高的特点，在熔体纺丝过程中，成纤高聚 物经历了两种变化，即几何形状的变化和物理状态的变化。 几何形状的变化是指成纤高聚物经过喷丝孔挤出和拉长而形成连续细丝的过程； 物理变化即先将高聚物变为易于加工的流体， 挤出后为保持已经改变了的几何形 状和取得一定的化纤结构，使高聚物又变为固态。

  入流区（入口效应） ：纺丝流体进入喷丝孔前，在入口处发生流线收敛，流速增 加，动能增加。入口区的纵向速度梯度导致粘弹性流体产生拉伸弹性形变，熔体 的分子构象也发生改变，因此贮存了一定的变形弹性能，称为“入口效应”。入口 区（喇叭口处）的结构参数决定了入口效应的大小。如从积液区（入口区）到毛 细孔的直径收缩比较小，则流体在入口区获得的弹性能也较少。入口倒角越大， 入口效应越厉害，熔体在入流区存储的变形弹性能越多，将来出口膨大越厉害， 纺丝越不稳定。但入口导角太小制造很难。 这种变形弹性能是将来在喷丝口处发生熔体膨大的要因，如不很好控制，那么当 单位体积熔体贮存的变形弹性能超过一定限度时，将发生熔体破裂，影响熔体的 流动稳定和纺丝稳定性。 孔流区（纺丝） ：入口效应产生的高弹形变来不及消失，因为熔体在微孔中的流 速很高，通过时间很短，因此会出现孔口胀大现象。挤出温度上升，或挤出速度 下降，或体系中加入填料而导致高分子熔体弹性形变减小时，挤出胀大现象明显 减轻。熔体在纺丝孔/毛细微孔内的粘性流动存在径向速度梯度，即孔中心处流 速大，管壁处流速小。如径向速度梯度过大，还会继续产生高弹形变。当熔体的 弹性形变超过自身所能承受的极限时，就会发生熔体破裂，纺丝过程中断。 研究表明，径向速度梯度与微孔半径的三次方成反比，因此，微孔大一些纺丝比 较稳定。纺 PP 时微孔直径一般为 0.3~0.5mm，纺 PET 时微孔直径一般在 0.3mm 以下。 出流区（出口膨大现象） 熔体在纺丝孔入口处的剪切力非常小，但是当进入纺丝孔/细孔时，剪切力迅速 增加，熔体压力增加；但当出纺丝孔时，剪切力迅速降低，熔体压力下降，因此 在喷丝口处，熔体出现松弛效应使得纤维直径增加了 2-3 倍，出现 die swell 现 象。 这种出口喷打现象是由于入口效应引起的高弹形变在喷丝孔的孔流阶段来不 及恢复， 而在出口时发生迅速恢复/大分子松弛/熵值增加， 熔体表现为径向膨大。 膨胀严重时将出现熔体破裂现象，此时丝条表面不光滑，出现波纹、竹节或螺旋