黏度是紡絲過程中最重要的指標(biāo)之一，黏度太高，紡絲壓力大，難紡出超細(xì)纖維；黏度太低，流動性太強(qiáng)，易斷絲不易成絲。因此只有在合適的黏度下，配合合適的牽伸速度才能夠得到理想的成絲。

那我們到底該改變哪些參數(shù)來調(diào)整紡絲過程中的熔體黏度呢？首先來看看切片熔體在整個紡絲過程中經(jīng)歷了怎樣的流變行為。圖1是簡單的熔融紡絲示意圖，聚合物切片首先從固體顆粒形態(tài)由料斗進(jìn)入螺桿擠出機(jī)，進(jìn)行熔融與傳送，隨后通過計(jì)量泵擠入噴絲頭，噴絲頭是一個由許多毛細(xì)管流道組成的圓盤，聚合物熔體從這些毛細(xì)管流道中擠出，形成具有一定直徑絲條，隨后下方在卷繞羅拉的牽引作用下，對擠出的絲條進(jìn)行拉伸取向，使其具有一定的定伸強(qiáng)度，最后卷繞在絲筒上得到一筒一筒的原絲卷。

圖1 熔融紡絲示意圖

從整個紡絲工藝過程來看，需要關(guān)注的點(diǎn)就在于物料通過噴絲板時的黏度。影響?zhàn)ざ鹊囊蛩鼐蛢蓚€，一個是溫度，一個是剪切速率。溫度很好理解，也是大家常用的調(diào)節(jié)黏度的方式，紡絲壓力太大了，黏度太高了，那么把溫度提高一些；出絲斷斷續(xù)續(xù)不成絲，黏度太小了，那么降低溫度，提高黏度。

那剪切速率是怎么影響的呢？一般高分子熔體都是剪切變稀性質(zhì)的流體，隨著剪切速率的增加，黏度下降。那么在紡絲過程中，我們就可以通過調(diào)節(jié)計(jì)量泵來改變?nèi)垠w的吐出量也就是體積流量，來改變?nèi)垠w通過噴絲板時的剪切速率，吐出量越大，剪切速率越高，熔體通過噴絲板時的黏度就越小。

熔體通過噴絲板時的剪切速率怎計(jì)算呢？剪切速率是由噴絲板的尺寸（噴絲孔形狀、大小、數(shù)量…）以及流量所決定。當(dāng)我們開始紡絲，噴絲板類型已經(jīng)確定，剪切速率就僅由流量所控制了，就可以簡單地通過控制流量來得到想要的熔體黏度了。圖2是各種各樣的噴絲板，除了最常見的標(biāo)準(zhǔn)圓形絲，還有各種各樣的異型絲。

圖2 各種類型的噴絲板（左1普通圓形；234各種異型絲）

噴絲板的尺寸直接影響剪切速率，圖3用圓孔噴絲板來舉兩個簡單的計(jì)算例。左圖是紡彈性纖維用的孔數(shù)少、孔徑大的噴絲板，右圖是紡超細(xì)纖維的孔數(shù)多、孔徑小的噴絲板，利用下面的圓形流道計(jì)算公式計(jì)算得到不同類型噴絲板下的剪切速率,可以看出，在相同體積流速下，三孔大口徑噴絲板的剪切速率只有64s-1，而多孔小口徑的卻達(dá)到了兩萬多，差了好幾個數(shù)量級，不同的噴絲工藝剪切速率相差甚遠(yuǎn)，因此在進(jìn)行流變測試前，一定首先要親自計(jì)算一下當(dāng)前紡絲工藝中使用的噴絲板所對應(yīng)的大概剪切速率到底是多少。

Q：紡絲機(jī)的體積流速（mm3/s）；n：噴絲版的孔數(shù)；R：噴絲孔的半徑

圖3 圓形噴絲板剪切速率計(jì)算示例

黏度受到溫度和剪切速率兩個因素的影響，紡絲時到底是去調(diào)節(jié)溫度還是調(diào)節(jié)剪切速率（計(jì)量泵吐出量）呢？這就涉及到我們聚合物本身的性質(zhì)了，材料本身它到底是對溫度的敏感性更強(qiáng)還是對剪切速率變化的敏感性更強(qiáng)。如果對溫度更敏感，黏溫效應(yīng)更強(qiáng)，少量的溫度變化就可以引起大量的黏度變化，那就可以考慮通過調(diào)整溫度來調(diào)節(jié)工藝粘度。例如圖4所示的PET，對溫度的敏感性非常強(qiáng)烈，溫度升高，黏度能夠明顯下降，這種切片的紡絲，通過溫度的升高與降低就可以輕松調(diào)節(jié)紡絲黏度。

圖4 PET在不同溫度下的黏度曲線

但有些時候會發(fā)現(xiàn)，無論怎么調(diào)節(jié)溫度，好像對成絲都沒有太大作用。這是因?yàn)榇祟惥酆衔锏酿ち骰罨鼙容^低，對溫度的敏感性并不高，升高降低溫度對黏度的影響較小，這時候就應(yīng)該考慮從剪切速率入手了，也就是去考慮物料本身的黏切效應(yīng)。在紡絲工藝中，通過調(diào)節(jié)計(jì)量泵改變物料通過噴絲板的體積流量就可以來改變?nèi)垠w受到的剪切速率，從而改變其在毛細(xì)管流道中的黏度。例如圖5展示的聚合物的黏度曲線，溫度升高，黏度能夠適當(dāng)降低，但降低程度有限。提高剪切速率能夠更加有效的降低熔體的黏度。

圖5 某改性紡絲切片在不同溫度下的黏度曲線

對于上面的這個聚合物種類來說，如果一味地只通過溫度來調(diào)整黏度，為了降低黏度，不斷的升高溫度，結(jié)果會怎么樣呢？紡絲壓力是降下來了，但絲條從噴絲板出來時溫度太高，冷卻變慢，在羅拉牽伸卷繞的過程中，會發(fā)生粘連從而引起斷絲，可紡性反而變得更差。從圖6的牽引測試中可以看出，隨著溫度的不斷升高，最大斷裂速度逐漸變小，變得容易斷裂，紡絲性變差，牽伸倍率降低，從而影響最終纖維性能。該切片在120℃下，牽引力波動較大，嚴(yán)重影響纖維纖度的均勻性；150-170℃，最大牽伸比降低嚴(yán)重，牽伸倍率降低；在130-140℃之間能夠得到牽引力穩(wěn)定，牽伸倍率合適的纖維原絲。

圖6 某改性紡絲切片在不同溫度下的牽引實(shí)驗(yàn)

綜上所述，紡絲工藝過程中能夠調(diào)節(jié)的就是溫度和剪切速率（計(jì)量泵的吐出量），具體是去調(diào)溫度還是調(diào)結(jié)計(jì)量泵，就需要結(jié)合紡絲切片在不同溫度下的黏度曲線，以及噴絲板的尺寸選擇，綜合考慮黏溫關(guān)系和黏切關(guān)系，來調(diào)整得到最佳的紡絲工藝參數(shù)。

作者

楊陽

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