纤维加工原理习题及答案

纤维加工原理作业（二）接上次：六(1)计算湿法纺腈纶时,若泵供量为1400cm3/min,b0=1.5,第一导丝辊速度VL=8.7m/min,,Xe=0.65m,按牛顿流体处理,其表观和真实喷丝头拉伸率、拉伸比及平均轴向速度梯度各为多少?喷丝头规格为φ0.075mm*20000(2)画出Ziabicki描述相分离过程的三元相图，指出图中湿法纺丝、干法纺丝(3)何谓稀释凝固、浓缩凝固、上临界混溶温度、下临界混溶温度、传质通量比(4)思考题：何谓双扩散？影响Di的因素有哪些？答：(1)纺丝原液挤出速度V0=泵供量/(b0*π*0.00752*20000）≈26.4m/min由于按牛顿流体处理，所以不考虑挤出胀大则表观喷丝头拉伸率φa(%)=真实喷丝头拉伸率φf同理，表观喷丝头拉伸比ia=真实喷丝头拉伸比if表观平均轴向速度梯度=真实平均轴向速度梯度φa(%)=100v00lvv=(8.7-26.4)/26.4=-0.671100i0alavv=0.993elaxXvv0)(=-27.2（2）Ziabicki描述相分离过程的三元相图（画图工具绘制，图见下页）圆弧内部为两相区，黄色部分为一区，-Js/Jn*不可纺丝淡绿色部分为二区*Js/Jn1强度低不实用淡粉色部分为三区1Js/Jn**此时为浓缩凝固，最适宜纺丝。天蓝色部分为四区**Js/Jn此时为冻胶纺和液晶纺适宜区域。结构致密，无相分离。SDP这条线为干法纺丝过程，是溶剂的挥发过程，结构更致密，不涉及沉淀剂。（3）稀释凝固：溶剂与凝固剂的扩散速率相等，纺丝线聚合物含量沿路径下降，当凝固剂浓度增加到一定值时，均相体系变为两相体系，相变结果使体系固化，但形成疏松的不均匀结构，这就是稀释凝固。浓缩凝固：纺丝线中聚合物浓度不断沿路径增加，并且所有路径都进入两相区，固化是由相变和聚合物含量增加的结果，因此所获得的结构更均匀。这就是浓缩凝固。传质通量比：溶剂的通量Js与沉淀剂的通量Jn的比值。上临界混溶温度与下临界混溶温度在上次作业中有做，此处略。（4）双扩散指的是在纺丝过程中，丝条中的溶剂向凝固浴中扩散，同时凝固浴中的沉淀剂向丝条中扩散。Di为扩散系数，它的值与湿法成型中的许多变量有关。其中Grobe和Paul各有两种对于聚丙烯腈-二甲基甲酰胺-水体系中Di影响因素的理论。七（1）P.252–12（2）P.252–13（思考题）（3）P.252–14（思考题）（4）P.252–15（思考题）答：（1）试述影响湿法成型过程中截面形状的因素影响湿法纺丝过程中纤维截面形状的因素，主要是传质通量比（Js/Jn),固化表面层硬度和喷丝孔形状。当溶剂向外的通量小于凝固剂向里的通量时，丝条就溶胀，可以预期纤维的横截面是圆形的。当溶剂离开丝条的速率比沉淀剂进入丝条的速率高时，横截面的形状取决于固化层的力学行为，柔软而可变形的收缩表层收缩的结果导致形成圆形的横截面，当具有坚硬的表层时，横截面的崩溃将导致形成非圆形的犬骨形状。凝固液温度亦影响纤维截面，该温度同时影响Js和Jn，当Js/Jn1时，随着凝固浴温度增加，纤维截面変圆，当结果1时，纤维截面取决于固化表面硬度。凝固浴浓度和纺丝液中聚合物含量增加，Js,Jn均减小，固化表面层硬度降低，因此湿纺纤维截面会变得更圆。思考题略八（1）P．252-20何为细颈拉伸、冷拉伸、均匀拉伸？（2）初生纤维的拉伸曲线有哪几种类型？画图并用文字表述每种类型的拉伸行为，以及何种物质具有相应的拉伸行为。（3）P．252-24拉伸条件、初生纤维的结构对拉伸曲线有何影响？思考题：P．252-18、21、22、25答：（1）细颈拉伸：在不过高也不过低的拉伸温度范围内进行拉伸，纤维在被拉伸过程中，出现细颈，并逐渐发展，这样的拉伸称为细颈拉伸。冷拉伸：在纤维被拉伸的过程中，形变是均匀的，拉伸应力逐渐增大，形变也随之增大，直至断裂，这种拉伸过程被称作冷拉。均匀拉伸:若拉伸温度较高，达到细颈现象消失的程度，称为均匀拉伸。（2）图用画图工具画出真实应力许用应力伸长a型伸长b型伸长c型A型又称凸型，模量E随着伸长的发展而减小，塑料和金属材料的拉伸属于这种类型。B型又称凹形，模量随着应变的增大而增大，纤维在拉伸过程中出现自增强作用。硫化橡胶属于这种。C型称先凸后凹形，在曲线上有屈服点，还有应变几乎不变的平台区，在小形变区内，形变是均匀可逆的，相当于弹性形变，随着拉伸进行，形变先集中在一个或多个细颈处，继而细颈逐渐发展，此区域内拉伸属于不均匀拉伸，当进一步拉伸时，形变又是均匀的，拉伸应力逐渐增大，而形变也随之增大，直至断裂。大部分本体聚合物，涤纶、锦纶、丙纶熔法纺丝属于这种类型。（3）随着初生纤维结晶度的增加，应力应变曲线由b向c再向a型转化，导致屈服应力提高，并增大了自然拉伸比。随着初生纤维预取向度的增大形变特性沿c向b型转化，自然拉伸比有所减小，并转变为均匀拉伸，屈服应力和初始模量都增大。随着初生纤维相对分子质量的增大，拉伸时的屈服应力有所提高。思考题略九（1）热定型方式的分类及各自的定义（2）经验转变温度、多重转变的定义（3）为何在紧张热定型后还需进行松弛热定型？（4）常见的合成纤维热定型效果排序，为何(结合内耗-温度谱图说明）？思考题P.252-28、29、30、31答：共有四种热定型方式，分别为控制张力热定型：热定型时纤维不收缩，而略有伸长。定长热定型：热定型时纤维既不收缩也不伸长。以上两种被称为紧张热定型。部分收缩热定型：控制纤维收缩长度的热定型。自由收缩热定型：不控制纤维收缩长度的热定型，即松弛热定型。（2）经验转变温度：定义为黏弹回复速率等于10%/min时的温度，即此温度相当于松弛时间为10min,它通常比Tg高20到100℃。多重转变：聚合物在宽广的范围内显示出多种运动单元的转变温度，称为聚合物的多重转变。包括链段，大分子链，侧基等的运动。（3）在紧张热定型之后，必须接着进行一次松弛热定型，以消除内应力，否则纤维尺寸就不稳定。（4）涤纶热定型效果最好，聚酰胺纤维次之，腈纶也有热定型效果，聚烯烃纤维和纤维素纤维热定型效果不好。涤纶的内耗-温度关系图显示涤纶具有双内耗峰现象，因此其热定型效果很好。锦纶6在室温下有多重内耗峰，但由于其分子间有氢键，在湿态下锦纶6的α转变温度可降低到室温，虽然可借水等溶剂存在以降低热定型温度，但热定型效果随后将受到水分子的影响以致受到损害。腈纶的转变温度强烈收共聚、拉伸、增塑等作用的影响。疏水性的聚烯烃在室温下并不是处于两个内耗峰之间的低应力松弛的中间状态，这类纤维并不具备上述双峰现象所产生的效应，所以其热定型效果不好，抗褶皱性能差。思考题略