关于熔体纺丝中纺程长度的分析

众所周知，熔体纺丝时，熔体从喷丝孔中流出，在卷绕机罗拉的牵引下，发生了受力、速度和温度上的变化。从宏观上看，物料从高温下的粘流态转变为常温下的玻璃态，由于速度上的差异，熔体细化成为有预定纤度的纤维；从微观上看，由于速度梯度与热松弛同时作用的结果，纤维内部产生了取向作用。这种取向作用 对纤维的性能有很大影响。不少研究者，已经能够观察和研究了这个理论上和工艺上的关键问题，并发表了许多专著。不足的是，他们注重于纺丝条件与性能之间的关系，从而求出了理想的纺丝条件，至于如何从工程上得到这些理想的条件，尤其是纺程长度问题，都没有专门的论述，因而在生产上往往沿用旧的技术——太长的冷却甬道。不仅造成了建筑上的浪费，而且对纤维的性能也有相当的影响。目前国内有的企业已经注意到这个问题，把纺程缩短到了4米以下。有研究者 拟从热传递分析冷却甬道的作用，从理论上证明，并从实际测试证明纺程是可以大大缩短的。假如能够把纺程缩短得很多，那么，就可以少建一层建筑楼面，至于纤维质量提高后带来的好处，更是不可估量。

实验从热交换的角度出发，可以从理论上计算熔体纺丝时的冷却长度，实测数据也证明了这个计算是正确的，从而证实熔体纺丝时缩短纺程的可能性。一般地说，丙纶可以缩短至2米，涤纶可缩短至3米，锦纶可缩短至4米左右。短程纺丝的优点不仅在于减少建筑面积，节约投资，还在于提高纤维在纤度、拉伸性能、成品的各项物理指标，以致织物的着色及其他性能。

聚乳酸熔体纺丝

为了发挥聚乳酸生物降解和资源可再生的优势，中国科学院长春应用化学研究所和佳木斯合成实业有限责任公司合作，开展了聚乳酸香烟过滤嘴的研制。香烟过滤嘴是由上万根锯齿式弯曲的纤维抱合在一起的圆柱体，它的制造主要经过3个步骤。由树脂经纺丝和后处理制成“烟用丝束”；烟用丝束开松、上胶、卷棒制成“过滤嘴棒”；过滤嘴棒切割，接装到香烟上。迄今为止，很多纤维已经实现了工业化生产，但真正商品化的香烟过滤嘴只有二醋酸纤维素和聚丙烯两个品种，原因是用作香烟过滤嘴，有很多特殊的要求，必须选用特别的原料，采用相应的工艺和过程来制备，并不是能纺丝就能制造香烟过滤嘴。举例来说，服装和家纺纤维必须满足纤维纺制、编织的要求和织物印染、洗涤、熨烫的要求，必须有很高的结晶度、取向度和机械强度，能耐温80～ 100℃ ，必须在洗涤剂水溶液和干洗溶剂中不溶解、不溶胀，需要一定的吸湿性，但对周围环境中的其它气体物质的吸附越少越好。而作为香烟过滤嘴纤维，首先要满足对烟气中有害物质的阻挡、滤过和吸附等理化性能要求，减少烟气对人体的危害。其次是满足丝束纤维粘合成棒的工艺技术要求。实践证明，目前市售的聚乳酸纺织纤维，尽管在线密度和卷曲特性上能够满足丝束生产的要求，却不能满足粘合成棒的工艺要求，因为使用目前公认的三醋酸甘油酯，在常温下不能将它们粘合成滤棒。第三，必须有一定的机械强度，在整个生产过程中保持纤维完好，但纤维强度不能过高，否则在高速生产线上，切割产生的热量就足以将纤维熔化。第四，必须有足够的耐热性，卷棒过程中的摩擦生热不至于使纤维粘连融化，吸烟时热的烟气流过不产生明显的皱缩 。

所以从聚乳酸纺织纤维到聚乳酸香烟过滤嘴丝束纤维，不是简单的模仿和挪用，必须有专门的聚合物树脂和相应的纺丝及后处理技术，其中的基本问题是树脂的流动性和可纺性、纤维的强度控制、纤维的粘接性能和纤维的过滤与吸附性能等。

综上所述，针对制备香烟过滤嘴的特殊需要，研究了聚乳酸的熔融纺丝、粘接和吸附性能。通过流变学测量考察了各种加工因素对熔体流动性和可纺性的影响，特别是残留水分的影响，用分子量、DSC和力学性能测量跟踪了熔体纺丝和后加工过程。

结果表明，水分对聚乳酸的可纺性有重要影响，必须对聚乳酸树脂进行干燥处理，将水分含量控制在适当的范围；聚乳酸的降解主要发生在纺丝过程中，必须优化挤出机和熔体流道设计，尽可能减少熔体的高温停留时间；牵伸和热定型提高了纤维的结晶度和强度，有利于提高纤维的耐温等级，但不利于纤维的粘接和切割，因而必须适度控制；使用三醋酸甘油酯可以粘接聚乳酸纤维,过高的结晶度对粘接不利，因而必须选用适当结晶度的树脂作纺丝原料；聚乳酸纤维对极性和非极性烟气成分气体有较高的吸附吸收能力，但对烟碱的吸附却很少，因而聚乳酸过滤嘴的香烟可能有自己独特的吸味风格。

与溶液纺丝相比，熔融纺丝具有纺丝速度快、污染少、不用溶剂和凝固浴及其回收装置等优点。按纺丝速度不同分为：

（1）低速纺丝，卷绕速度<2000m/min，卷绕丝为未拉伸丝（UDY）；

（2）中速纺丝，卷绕速度2000～3200m/min，卷绕丝为半预取向丝（MOY）；

（3）高速纺丝，卷绕速度3200～5500m/min，卷绕丝为高取向或全取向丝（HOY或FOY）。

熔法纺丝机的生产过程

熔体纺丝过程包括物料的熔融、从喷丝头挤出,然后经冷却和固化成形。熔体纺丝工艺的基本类型如下图一所示。聚合物通常为干燥的颗粒或切片喂入挤出机中，经过挤压熔融向前送至计量泵计量泵控制并确保聚合物熔体稳定流入喷丝头中，挤出的细流经横吹风快速冷却、固化成型、并卷绕。而在卷绕的过程中，由于导丝辊的预拉伸，可起抽长拉细丝条的作用。熔体纺丝的主要工艺参数为挤出温度，卷绕速度，纺丝的冷却条件，喷丝孔形状和尺寸等 。

熔融纺丝的成形

固化过程是指由纺丝液转变为固体聚合物的过程，是纤维成形中最重要的环节之一。固化过程包含材料许多结构上的和宏观方面特性的不可逆变化，在结构方面例如分子取向、结晶等，而宏观方面特性则如粘度、模量、强度等。熔体纺丝的成形，即丝条发生传热，从而固化的过程。固化过程的速率受到细流和周围介质的传热过程纺丝线的冷却的控制，同时伴随着结晶化和分子取向的过程。在聚合物一溶剂的二元体系干法纺丝中，对纺丝流体转变为固体纤维时，除了传热，还有传质。即在纺丝流体的干燥过程中，热量传递，同时溶剂挥发，聚合物发生结晶化、分子取向以及网络结构冻胶化的形成。而湿法纺丝情况较为复杂，多组分的扩散，伴随着相和结构的转变聚合物沉淀、结晶作用、冻胶作用，在某些情况下，甚至还伴有化学反应。

固化过程的相转变和有关过程

纺丝成形中所涉及的浓缩的聚合物体系，很少存在真正的热力学平衡。纺丝成形，取决于依赖时间的瞬间的变化程度。此过程中，可为聚合物的结晶化和其他的相和结构的转变过程。而热力学与动力学因素与这种转变过程有关，是必须考虑的。热力学因素，它决定了平衡条件和确定了相转变的潜在可能性。对于一种纯粹的未稀释的聚合物来说，熔点决定了相转变的临界条件。对二元聚合物一溶剂体系，温度和浓度表征二者可混的范围。此外一个重要的因素是相和结构状态的动力学稳定性。从纯粹的热力学观点来看，所有超过平衡的状态，都是不稳定的。然而在高分子的体系中，相转变的速率对分子活动性是非常敏感的。当低于玻璃化温度时，这种转变几乎为零。凡是达到此温度的体系，不管它离开真正热力学平衡多大距离，仍可认为它在动力学上是稳定的。