二醋酸纖維素纖維紡絲溶液的擠出脹大行為

于 勤，王 強(qiáng)，范雪榮

(1.生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江南大學(xué))，江蘇無(wú)錫 214122;2.沙洲職業(yè)工學(xué)院紡織工程系，江蘇張家港 215600)

紡絲溶液壓入噴絲孔時(shí)會(huì)產(chǎn)生入口效應(yīng)，由于剪切應(yīng)力和法向應(yīng)力差的作用，部分能量消耗在溶液的形變上，大分子鏈的構(gòu)象發(fā)生了改變，并儲(chǔ)存為彈性形變能，該彈性形變恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)需要一定時(shí)間(松弛時(shí)間)［1］，而紡絲溶液流經(jīng)噴絲孔的時(shí)間遠(yuǎn)小于松弛時(shí)間，所以紡絲溶液在壓出噴絲孔時(shí)彈性形變并未完全恢復(fù)到初始狀態(tài)，在噴絲孔出口處產(chǎn)生了膨化行為，即擠出脹大現(xiàn)象。1893年美國(guó)生物學(xué)家Barus首先觀察到這一現(xiàn)象，所以擠出脹大現(xiàn)象被稱為Barus效應(yīng)［2］，也稱為出模膨脹(dieswell)，該現(xiàn)象是非牛頓流體的重要特征［3］。

紡絲溶液擠出脹大研究始于20世紀(jì)20年代，Chang等［4］研究了圓形噴絲孔的擠出脹大現(xiàn)象，認(rèn)為由于紡絲液有延時(shí)效應(yīng)，擠出脹大在出口處并不能達(dá)到最大值。也有研究［5－7］表明，熔體從狹縫口模中擠出脹大比圓管的更加明顯。梁基照等［8］研究了膠料在長(zhǎng)口型擠出時(shí)的流變行為，提出了擠出脹大比與可回復(fù)切應(yīng)變之間的數(shù)學(xué)模型，預(yù)測(cè)了混煉膠擠出脹大行為。甘學(xué)輝等［9］利用 Polyflow軟件，對(duì)十字形噴絲孔紡制的纖維擠出成型過程進(jìn)行了模擬計(jì)算，發(fā)現(xiàn)在設(shè)計(jì)噴絲孔之前應(yīng)對(duì)熔體擠出過程進(jìn)行逆向擠出模擬計(jì)算，才能保證得到所需的十字形截面纖維。Kim等［10－11］發(fā)現(xiàn)聚合物熔體從噴絲孔擠出后存在擠出脹大效應(yīng)，于是忽略材料彈性以及表面張力作用，利用有限元方法對(duì)三葉型纖維成型進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬。綜上可見，前人在擠出脹大方面的研究采用的噴絲孔形狀限于圓形、矩形、十字形、三葉形以及其他狹縫口模等，關(guān)于截面為正三角形噴絲孔的擠出脹大研究未見報(bào)道。前期研究發(fā)現(xiàn)，用于煙用絲束的二醋酸纖維(CDA)通常采用正三角形噴絲孔進(jìn)行干法紡制。在甬道內(nèi)，由于熱空氣的作用，二醋酸纖維素紡絲溶液的丙酮溶劑逐漸揮發(fā)，最終紡制的二醋酸纖維絲束的截面為“Y”形，煙氣過濾效率最佳［12］。擠出脹大現(xiàn)象是影響CDA絲束或纖維成型的重要因素之一，所以本文研究了不同因素對(duì)CDA纖維素纖維紡絲溶液在正三角形噴絲孔出口處的擠出脹大現(xiàn)象，旨在為CDA絲束成型研究提供依據(jù)和參考。

1 試驗(yàn)部分

1.1 CDA紡絲溶液的制備

采用高純度木漿為原料，利用醋酐對(duì)木漿進(jìn)行乙?；?，經(jīng)過預(yù)處理、醋化和水解等工序得到二醋酸纖維素片，簡(jiǎn)稱二醋片。將二醋片溶解于丙酮溶劑中形成CDA紡絲溶液試樣。

1.2 CDA紡絲溶液擠出脹大行為測(cè)試

在保持不同剪切速率(0.1000、0.1585、0.2512、0.3918、0.6309、1.0000、1.5849、2.5119、3.9811、6.3090、10.0000、15.8490、25.1190、39.8110、63.0960、100.0000，單位 s－1)的條件下，利用激光外徑測(cè)量?jī)x分別測(cè)試不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)(26%、27%、27.8%、28.5%和29.5%)、不同溫度(55、57、59、61 和 63 ℃)、不同流量(0.68、0.76、0.84、0.92、1.00 cm3/min)的 CDA 紡絲溶液及不同長(zhǎng)徑比的噴絲孔擠出脹大值。具體如圖1所示。

圖1 擠出脹大形成示意圖Fig.1 Schematic form of die swell

可表述為:

式中:B為擠出脹大比;D為紡絲溶液細(xì)流直徑，mm;D0為噴絲孔直徑，mm。從式中可看出，如果細(xì)流直徑過大，即脹大現(xiàn)象過于嚴(yán)重，則可能導(dǎo)致絲束并絲，纖維平均直徑增加，從而降低產(chǎn)品品質(zhì)［13］。

由于該試驗(yàn)的噴絲孔截面為正三角形，式中D和D0均代表正三角形的重心到頂點(diǎn)的距離，所以測(cè)試的是細(xì)流和噴絲孔的邊長(zhǎng)，然后按照式(1)計(jì)算擠出脹大比。

2 結(jié)果與討論

2.1 質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)擠出脹大比的影響

圖2示出不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的CDA紡絲溶液在噴絲孔口的擠出脹大比和剪切速率γ之間的關(guān)系。由圖可見:當(dāng)剪切速率一定時(shí)，擠出脹大比隨著紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加，可能原因是質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加時(shí)，CDA聚合物分子鏈間鍵合點(diǎn)和幾何纏結(jié)點(diǎn)顯著增加，分子間作用力增強(qiáng)，在一定剪切力作用下分子運(yùn)動(dòng)仍然比較困難，從而使得分子鏈段發(fā)生形變所需要的力增加，故彈性形變能增加，出口效應(yīng)增強(qiáng)［14］。隨著剪切速率的增加，擠出脹大比呈現(xiàn)逐步增加趨勢(shì)，這是因?yàn)镃DA紡絲溶液通過正三角形噴絲孔時(shí)存在徑向速度梯度，速度由孔中心向孔壁方向遞減，紡絲液在噴絲孔中流速增加，相應(yīng)地縮短了溶液在噴絲孔中的停留時(shí)間，儲(chǔ)存的彈性形變還來(lái)不及恢復(fù)，于是在噴絲孔出口處呈現(xiàn)更加明顯的脹大現(xiàn)象［3］。

2.2 溫度對(duì)擠出脹大比的影響

圖3示出不同溫度CDA紡絲溶液在噴絲孔口的擠出脹大比和剪切速率之間的關(guān)系。不難看出:在剪切速率保持恒定的情況下，紡絲溶液溫度升高時(shí)，擠出脹大比呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，原因是溫度升高時(shí)，纖維分子的熱運(yùn)動(dòng)能量增加，大分子鏈的活動(dòng)能力增強(qiáng)，分子間距增大，分子間形成了更大的自由體積，因而分子間作用力削弱，由入口效應(yīng)造成的儲(chǔ)存彈性形變能量減小，所以擠出脹大現(xiàn)象削弱。由于擠出脹大現(xiàn)象是由紡絲溶液的彈性引起的，當(dāng)溫度升高時(shí)，CDA聚合物的黏彈流體向牛頓流體靠近，對(duì)溫度的敏感性逐漸減弱，擠出脹大現(xiàn)象必然削弱。

圖3 不同溫度CDA紡絲液的擠出脹大比與剪切速率之間的關(guān)系Fig.3 Relationship between die swell ratio and shear rate for CDA spinning dopes at various temperatures

從圖3中還發(fā)現(xiàn)，隨著剪切速率的增加，不同溫度CDA紡絲液的擠出脹大比差異程度明顯增加，這是因?yàn)闇囟雀叩募徑z溶液受剪切作用產(chǎn)生切力變稀現(xiàn)象減弱，紡絲溶液在流動(dòng)中不會(huì)產(chǎn)生更大的彈性形變。

CDA絲束制備通常采用干法紡絲方法，當(dāng)擠出脹大比例較大時(shí)，易造成CDA紡絲溶液細(xì)流在甬道內(nèi)發(fā)生黏并現(xiàn)象，影響紡絲過程和產(chǎn)品質(zhì)量，所以可適當(dāng)提高紡絲液溫度，以減小溶液的擠出脹大行為。

2.3 噴絲孔紡絲液流量對(duì)擠出脹大比影響

紡絲液流量是指單位時(shí)間內(nèi)紡絲液通過噴絲孔的體積量。圖4示出不同紡絲液流量下脹大比與剪切速率的關(guān)系。由圖可見，擠出脹大比隨著紡絲液流量增加而增加，原因是隨著紡絲溶液流量增加，噴絲孔口入口區(qū)帶來(lái)的彈性形變使得拉伸的大分子鏈松弛程度下降，脹大現(xiàn)象增加。

圖4 噴絲孔入口不同流量的CDA紡絲液在出口處的脹大比與剪切速率之間的關(guān)系Fig.4 Relationship between die swell ratio and shear rate for CDA spinning dope with different fllowing rates

2.4 噴絲孔長(zhǎng)徑比對(duì)擠出脹大比的影響

正三角形噴絲孔的“長(zhǎng)”是噴絲孔的厚度，“徑”是正三角形的重心到頂點(diǎn)的距離。長(zhǎng)徑比則是上述2個(gè)參數(shù)的比值。

圖5示出長(zhǎng)徑比變化對(duì)擠出脹大的影響。

圖5 CDA紡絲液在不同長(zhǎng)徑比的噴絲孔口擠出脹大比與剪切速率之間的關(guān)系Fig.5 Relationship between die swell ratio and shear rate for CDA spinning dopes with different length/diameter ratio

圖5可發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)徑比增加時(shí)，擠出脹大比逐漸減小。主要原因是隨著噴絲孔長(zhǎng)度的增加，CDA紡絲溶液在噴絲孔內(nèi)停留時(shí)間延長(zhǎng)，溶液有相對(duì)足夠的時(shí)間進(jìn)行分子鏈段的松弛，剩余入口彈性形變逐漸減小，噴絲孔的出口效應(yīng)減弱，擠出脹大比降低。可見增加噴絲孔長(zhǎng)徑比可降低擠出脹大比，減少CDA溶液細(xì)流在甬道內(nèi)的黏并現(xiàn)象，但是在實(shí)際生產(chǎn)中，改變噴絲孔長(zhǎng)徑比相對(duì)比較困難，原因是需要不斷重新制作噴絲板。

3 結(jié)論

1)擠出脹大比隨著CDA紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、紡絲液流量和剪切速率的增加而增加;隨著紡絲液溫度和噴絲孔長(zhǎng)徑比的增加而下降。

2)當(dāng)剪切速率增加時(shí)，不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)、不同溫度和不同流量的紡絲液及不同長(zhǎng)徑比的噴絲孔的擠出脹大比也在增加，并且增加程度更加顯著。

3)紡制CDA絲束或纖維時(shí)，可通過改變上述參數(shù)控制合適的擠出脹大比，以保證CDA紡絲液在甬道內(nèi)順利成型，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

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