二醋酸纖維素纖維紡絲溶液的擠出脹大行為

于 勤，王 強，范雪榮

(1.生態紡織教育部重點實驗室(江南大學)，江蘇無錫 214122;2.沙洲職業工學院紡織工程系，江蘇張家港 215600)

紡絲溶液壓入噴絲孔時會產生入口效應，由于剪切應力和法向應力差的作用，部分能量消耗在溶液的形變上，大分子鏈的構象發生了改變，并儲存為彈性形變能，該彈性形變恢復到原來的狀態需要一定時間(松弛時間)［1］，而紡絲溶液流經噴絲孔的時間遠小于松弛時間，所以紡絲溶液在壓出噴絲孔時彈性形變并未完全恢復到初始狀態，在噴絲孔出口處產生了膨化行為，即擠出脹大現象。1893年美國生物學家Barus首先觀察到這一現象，所以擠出脹大現象被稱為Barus效應［2］，也稱為出模膨脹(dieswell)，該現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20年代，Chang等［4］研究了圓形噴絲孔的擠出脹大現象，認為由于紡絲液有延時效應，擠出脹大在出口處并不能達到最大值。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］研究了膠料在長口型擠出時的流變行為，提出了擠出脹大比與可回復切應變之間的數學模型，預測了混煉膠擠出脹大行為。甘學輝等［9］利用 Polyflow軟件，對十字形噴絲孔紡制的纖維擠出成型過程進行了模擬計算，發現在設計噴絲孔之前應對熔體擠出過程進行逆向擠出模擬計算，才能保證得到所需的十字形截面纖維。Kim等［10－11］發現聚合物熔體從噴絲孔擠出后存在擠出脹大效應，于是忽略材料彈性以及表面張力作用，利用有限元方法對三葉型纖維成型進行了計算機模擬。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，關于截面為正三角形噴絲孔的擠出脹大研究未見報道。前期研究發現，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行干法紡制。在甬道內，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，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象，旨在為CDA絲束成型研究提供依據和參考。

1 試驗部分

1.1 CDA紡絲溶液的制備

采用高純度木漿為原料，利用醋酐對木漿進行乙酰化，經過預處理、醋化和水解等工序得到二醋酸纖維素片，簡稱二醋片。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，利用激光外徑測量儀分別測試不同質量分數(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為紡絲溶液細流直徑，mm;D0為噴絲孔直徑，mm。從式中可看出，如果細流直徑過大，即脹大現象過于嚴重，則可能導致絲束并絲，纖維平均直徑增加，從而降低產品品質［13］。

由于該試驗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的距離，所以測試的是細流和噴絲孔的邊長，然后按照式(1)計算擠出脹大比。

2 結果與討論

2.1 質量分數對擠出脹大比的影響

圖2示出不同質量分數的CDA紡絲溶液在噴絲孔口的擠出脹大比和剪切速率γ之間的關系。由圖可見:當剪切速率一定時，擠出脹大比隨著紡絲液質量分數的增加而增加，可能原因是質量分數增加時，CDA聚合物分子鏈間鍵合點和幾何纏結點顯著增加，分子間作用力增強，在一定剪切力作用下分子運動仍然比較困難，從而使得分子鏈段發生形變所需要的力增加，故彈性形變能增加，出口效應增強［14］。隨著剪切速率的增加，擠出脹大比呈現逐步增加趨勢，這是因為CDA紡絲溶液通過正三角形噴絲孔時存在徑向速度梯度，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，相應地縮短了溶液在噴絲孔中的停留時間，儲存的彈性形變還來不及恢復，于是在噴絲孔出口處呈現更加明顯的脹大現象［3］。

2.2 溫度對擠出脹大比的影響

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，擠出脹大比呈現下降趨勢，原因是溫度升高時，纖維分子的熱運動能量增加，大分子鏈的活動能力增強，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，由入口效應造成的儲存彈性形變能量減小，所以擠出脹大現象削弱。由于擠出脹大現象是由紡絲溶液的彈性引起的，當溫度升高時，CDA聚合物的黏彈流體向牛頓流體靠近，對溫度的敏感性逐漸減弱，擠出脹大現象必然削弱。

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系Fig.3 Relationship between die swell ratio and shear rate for CDA spinning dopes at various temperatures

從圖3中還發現，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，這是因為溫度高的紡絲溶液受剪切作用產生切力變稀現象減弱，紡絲溶液在流動中不會產生更大的彈性形變。

CDA絲束制備通常采用干法紡絲方法，當擠出脹大比例較大時，易造成CDA紡絲溶液細流在甬道內發生黏并現象，影響紡絲過程和產品質量，所以可適當提高紡絲液溫度，以減小溶液的擠出脹大行為。

2.3 噴絲孔紡絲液流量對擠出脹大比影響

紡絲液流量是指單位時間內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，噴絲孔口入口區帶來的彈性形變使得拉伸的大分子鏈松弛程度下降，脹大現象增加。

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 噴絲孔長徑比對擠出脹大比的影響

正三角形噴絲孔的“長”是噴絲孔的厚度，“徑”是正三角形的重心到頂點的距離。長徑比則是上述2個參數的比值。

圖5示出長徑比變化對擠出脹大的影響。

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

圖5可發現長徑比增加時，擠出脹大比逐漸減小。主要原因是隨著噴絲孔長度的增加，CDA紡絲溶液在噴絲孔內停留時間延長，溶液有相對足夠的時間進行分子鏈段的松弛，剩余入口彈性形變逐漸減小，噴絲孔的出口效應減弱，擠出脹大比降低。可見增加噴絲孔長徑比可降低擠出脹大比，減少CDA溶液細流在甬道內的黏并現象，但是在實際生產中，改變噴絲孔長徑比相對比較困難，原因是需要不斷重新制作噴絲板。

3 結論

1)擠出脹大比隨著CDA紡絲液質量分數、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徑比的增加而下降。

2)當剪切速率增加時，不同質量分數、不同溫度和不同流量的紡絲液及不同長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，可通過改變上述參數控制合適的擠出脹大比，以保證CDA紡絲液在甬道內順利成型，提高產品質量。

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