前纺知识——POY高速纺丝工艺

        同常规纺丝相比，高速纺丝得到的初生丝具有一定的取向度，性质稳定，可以直接进行拉伸变形以制取变形丝，从而省去拉伸加捻工序，缩短了工艺流程。国外的涤纶高速纺丝技术得到迅速发展，至今已有90％以上的长丝采用高速纺丝技术。

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纺丝温度

    高速纺丝的纺丝温度高于常规纺丝，一般为280～298℃。高速纺丝的熔体细流自喷丝孔吐出的速度快，且在纺程上承受的拉伸倍数高，因此高速纺丝要求熔体具有更好的流变性能(指物质流动与变形的性能及其行为表现)和均匀性，以适应高倍拉伸和高的熔体喷出速度。由表10-3可知，温度过低，熔体流变性能和均匀性差，易造成毛丝和断头，且卷绕丝有较高的强度和较低的伸长。但温度过高，聚酯大分子会发生较大的热降解，使可纺性变差，甚至不能正常纺丝和卷绕。纺丝温度的选择原则是可以进行良好纺丝的较低温度，一般高于最低温度1～2℃范围内为最佳纺丝温度。此外，熔体温度的选择还与下列因素有关。

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切片的特性粘度和含水率

    通常，干切片的特性粘度高，熔体温度可稍高；干切片的特性粘度低，熔体温度应稍低。干切片的含水率高，熔体温度应稍低；干切片的含水率低，熔体温度可稍高。

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POY的品种规格

    丝条总线密度相同，单丝根数增加时，应适当提高熔体温度。随着喷丝板的孔数增多，每孔的熔体吐出量下降，这就要求熔体有较好的流动性能，而较高的温度可使熔体粘度在剪切速度较小时下降，有利于熔体在喷丝板上均匀分配并改善可纺性。但温度不能太高，否则会导致聚酯特性粘度下降并出现并丝、毛丝断头现象。丝条总线密度降低时，应降低螺杆各区温度和熔体温度。这是由于丝条总线密度降低使泵供量下降，从而延长了熔体在螺杆挤出机和熔体管道中的停留时间，为防止特性粘度下降过多，应采用较低的温度。

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切片的熔融热容量

    即使切片的特性粘度和含水率相近，若切片的熔融热容量不同，也应采用不同的纺丝温度。这是由于当切片熔融热容量不同时，切片随着温度的升高其熔体的流变性能不同。一般，当切片熔融热容量高时，应采用较高的纺丝温度，且螺杆前面几区的温度可基本相同；当切片熔融热容量低时，应采用较低的纺丝温度，且螺杆前面几区的温度稍低，后区温度稍高。

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螺杆各区温度和测量头压力

    螺杆可分为预热段、压缩段、计量段和混合段。切片进料后，被螺杆不断地向前推进，经预热段，被套筒壁逐渐加热，到达预热段末端紧靠压缩段时，温度接近熔点。在进入压缩段后，温度逐渐升高，并在螺杆挤出作用下逐渐熔融和增压，最后完全转化为粘流态。在计量段和混合段内，熔体温度均匀达到设定值。

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预热段温度

    在预热段内切片不应熔化，以使螺杆正常运转，减小切片特性粘度降，不致造成“环结”阻料。若预热段温度过高，切片过早熔化，使原来固体颗粒间的空隙消失，导致熔体无法被压缩，从而失去往前推进的能力；而且物料会随着螺杆回转丽产生环流，未熔化的切片就有可能进入环流熔体中，与熔体粘结在一起，造成“环结”阻料。反之，若预热段温度过低，切片在进入压缩段后不能熔融，影响螺杆的压缩、计量和混合作用。

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其他各区温度

    由于高速纺丝需要熔体有较好的流动性能，故螺杆各区段的温度一般比低速纺丝高10～15℃，与干切片的熔点有关。根据经验，可由下式计算：

                           T=Tm+（25~40）

式中：T为纺丝熔体温度（℃）；Tm为聚酯切片熔点（℃）。

    在压缩段、计量段和混合段，切片逐渐被熔化，而且被压缩、计量和混合，物料的温度应与纺丝熔体温度接近，各区域温度不宜大幅度地升高和降低。压缩段的温度应稍低于后面的温度，使熔体在后面各区依靠螺杆的机械发热而自然升温到所需温度。

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)测量头压力

    测量头压力是指螺杆挤出机的出口压力，其大小会影响纺丝计量泵的计量。为了计量泵吐出量恒定，熔体经预过滤器后的压力必须大于7MPa，减去熔体管道的压力损失，才能保证计量泵前的工作压力大于2MPa。如果测量头压力过大，则螺杆内熔体的逆流量和漏流量增加．不仅耗电，而且会延长熔体在螺杆中的停留时间，使其特性粘度降增加，严重时甚至出现螺杆的环结阻料现象。

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联苯温度

    联苯是一种联苯联苯醚的混合物，沸点为257℃，凝固点为12℃，具有难闻的刺激性气味，有轻微毒性。熔体输送管道、预过滤器和纺丝箱体采用联苯一联苯醚(简称联苯)蒸气加热和保温。联苯温度一般比熔体温度高1～2℃，过高或过低均不能使纺丝各部位温度均匀，从而影响丝条质量。

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预过滤器的压力

    大多数预过滤器的过滤介质为烧结金属网，新的或经清洗后再使用的过滤器入口压力(螺杆挤出机的测量头压力)与出口压力大致相等。随着使用时间的延长，滤网上会形成滤饼，从而增加过滤阻力，产生过滤器前、后的压力降。预过滤器的耐压一般设计为10MPa，但压力差达7MPa时，就需切换过滤室，并清洗过滤芯后再使用。这是由于过滤器前、后的压力差开始增加缓慢，而后迅速增加，当预过滤器压差超过设定值时，将压扁或击穿滤芯。

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组件压力和过滤材质

    随着纺丝组件使用时间的增加，过滤层内的杂质增多，组件压力会逐渐升高。过滤介质及其组合不同、喷丝板孔面积和泵供量等会影响组件压力。因此，当纺丝工艺条件变更时，需及时更换组件过滤介质的组合，使组件初始过滤压力达到较为理想的值。对于高速纺丝，既可采用高压纺丝，组件压力在40MPa以上；又可采用中压纺丝，组件初始压力为15～30MPa。采用后者时，以稍高的压力为佳。组件终压一般比初压约高8MPa，否则需更换组件。高压组件与普通组件在结构上基本相同，主要区别在于较多的和较高目数的过滤介质，以形成较大的阻力从而产生高压。高压组件的各个部件应加厚或加强，保证高压时不发生形变。高压纺丝的优点是熔体在高压下流过纺丝组件时形成很大的压力降，产生较大的剪切作用，使机械能瞬间转化成热能，熔体温度均匀上升，粘度下降，从而改善熔体流动性能，提高产品的质量。

    目前，在使用预过滤器的企业内，组件的使用时间可长达2～3个月以上，组件压力不明显上升。但随着组件使用时间的延长，组件过滤层上截留的凝胶状物将发生热裂解和再凝聚，从而形成齐聚物，若被带人纺丝熔体，使丝条质量下降。因此，组件的使用周期不宜过长。

    过滤材质是纺丝组件的重要组成部分，其作用是除去熔体的机械杂质并形成一定的熔体压力，使熔体达到均匀混合，以形成良好的熔体细流。组件的过滤介质大多由不同配比的粗细海砂(或金钢砂)与金属过滤网组成；也有采用若干层目数不同的金属丝网的组合体。其各层的排列，一般上层为粗目，中层为细目，底层为少量粗目(起支撑作用)。这既可使过滤达到良好的效果，又能防止熔体对细砂的冲击。

    目前也有采用烧结金属网作为过滤介质，其优点是可以使组件的容腔缩小若干倍(同样的过滤面积，烧结金属丝网的体积比由滤砂组成的过滤介质小得多)，从而使聚酯熔体在组件内的停留时间缩短；同时，该滤网可回收，清洗后能继续使用数次。

    在使用过滤砂的组件中，起始组件压力相同时，使用粒度粗、过滤砂厚的过滤层组件性能优于使用粒度细、过滤砂薄的过滤层组件。同时，使用不同粒度的多层过滤砂的组件的过滤性能优于单一粒度的过滤砂的组件。采用不同粒度的过滤砂多层排列的过滤层时，过滤砂的粒度应按逐渐变小的梯度排列。在过滤砂组装时切忌不同粒径的过滤砂混装，这样易造成部分过滤砂提前堵塞，缩短组件使用寿命。

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泵供量

    泵供量是指计量泵在单位时间内提供熔体的质量。泵供量决定POY的总线密度，根据成品纤维的线密度和后加工条件确定。

    当纺丝速度及喷丝板孔数、孔径一定时．随着泵供量的提高，熔体吐出速度增加，纺丝速度与熔体吐出速度的差值降低，使熔体细流的凝固点下移，纺丝张力、POY的双折射、断裂伸长等降低。所以，在变更泵供量时，必须采取相应的措施，以确保成品丝的质量。

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喷丝板的孔数和孔径

    喷丝板的主要作用是将聚酯熔体通过微孔转变成具有特定截面的细流。喷丝孔由导孔和喷丝孔组成，导孔形状有带锥底的圆柱形、圆锥形、双曲线形和平底圆柱形等几种。导孔的作用是引导熔体连续平滑地进入微孔，在导孔和喷丝孔的连接处应使熔体收敛比较缓和，避免在入口处产生死角和出现旋涡状的熔体，保证熔体流动的连续稳定。

    喷丝板的孔数与纺丝的品种有关，通常有24孔、36孔、48孔、72孔、96孔、144和288孔等。对线密度相同的长丝，其单丝根数愈多，手感愈柔软，纤维品质愈好。对于POY，其单丝线密度在2.2dtex以上，纺丝能顺利进行；单丝线密度在1～2.2dtex范围内，就较难纺。

    对于高速纺丝，喷丝板的孔径在0.15～0.30mm范围内，均可顺利纺丝。但为了保持熔体有一定的吐出速度，一般纺低单丝线密度POY时，孔径宜稍小；纺高单丝线密度时，孔径宜稍大。选择的依据是控制聚酯熔体出喷丝孔的剪切速率在104数量级内，一般以(1～3)×1041/s为较好。同时，其喷丝头拉伸倍数在80～180范围内较为适宜。

在高速纺丝条件下，伸展聚酯大分子的松弛时间为10-3s。因此，为了取得大分子的净伸展或净取向效果，剪切速率必须超过大分子的松弛速率，即必须达到104数量级。毛细管中聚合物的剪切应力与毛细管长径比(L/D)有如下关系：

式中：σw为管壁处的剪切应力；△P为作用在毛细管上的压力；L为喷丝孔毛细管长度。

    剪切速率还明显受毛细管直径和聚合物流出速度的影响：

式中：γw为管壁上的剪切速率；Q为流出毛细管的聚合物体积。

    由上式可知，无论剪切应力还是剪切速率，都与喷丝孔毛细管直径有关。不合适的喷丝孔毛细管直径，会使挤出的聚酯熔体稀薄化，无法形成足以纺丝的大分子整体，在极端情况下，还会导致熔体破裂(冷纺丝)。熔体破裂现象一般发生在剪切速率最大的毛细管管壁处。若剪切速率超过聚合物的弹性极限，还会发生丝条的皮层断裂或撕裂。即如果在熔体特性粘度较高或温度较低的情况下，熔体粘度增加，剪切应力也必定增加，丝条的取向也会增加。熔体温度太低或熔体特性粘度太高时，会使剪切应力升得太高，而产生熔体破裂现象，使拉伸比降低，从而降低POY的强度。严重时还会使纺丝板出丝不畅，并在板面上卷曲成球状，造成纺丝中断或注头丝。纺丝过程中是否发生熔体破裂现象，可将一束闪烁光垂直射向喷丝板下的丝束，根据有无雾状反射来判别。若有雾状反射，说明发生了熔体破裂现象，这是由于熔体裂解产物对入射光所产生的漫散射。若反射光的图形是明亮的针状光点，则说明不存在熔体破裂现象。在绝大多数条件下，比熔体破裂(冷纺丝)消失温度高出1～3℃的纺丝温度是最佳的工艺条件。

    喷丝孔的直径还与喷丝孔熔体的胀大和喷丝头拉伸倍数密切相关。若采用的喷丝孔直径较大，出口胀大区的直径就会增加，将纤维拉伸到成品线密度所需的拉伸倍数也增加，由此引起剪切速率的增加，将使总的取向增加。但如果喷丝孔直径太大，熔体离开喷丝孔的速度降低，以至直接在纺丝板面上形成胀大区，这会引起毛细管出口周围沉淀物的堆积，最终造成弯丝和并丝。

    喷丝孔的排列对熔体细流的均匀冷却、良好凝固成形有很大影响。目前，大多数喷丝孔为圆形分布，这种排列的优点是喷丝板外圈的丝条能均匀冷却，但孔数较多时，内圈的丝条往往不容易充分冷却；也有的喷丝孔为矩形分布，这种排列的优点是可以改进内层丝条的冷却，缺点是侧吹风迎风侧和背风侧丝条的冷却条件不一致。同时，层与层之间喷丝孔的排列有交错排列和平行排列两种。交错排列时丝条能受到侧吹风的迎面吹风冷却，其冷却的给热系数较大，有利于丝条充分冷却，但这容易造成侧吹风的扰动，不利于吹风的湍流。而喷丝}L平行排列时，在第二排以后的丝条不能受到侧吹风的迎面吹风冷却，其冷却的给热系数降低，不利于丝条的冷却，但丝条不会干扰侧吹风的平行流动，保持它的湍流性，有利于丝条的凝固成形。所以，喷丝孔的排列应根据喷丝孔孔数和所纺单丝线密度而定。

    对于高速纺丝，喷丝板的孔径、孔数及泵供量对纺丝工艺和成品丝性质的影响比常规纺丝小。这是因为决定纤维性质的主要工艺参数是熔体吐出速度与纺丝速度的差值(喷丝头的拉伸倍数)。而高速纺丝的纺速比常规纺丝高2～3倍，故熔体吐出速度对上述差值的影响减小。

    此外，喷丝孔的制造质量对纺丝的影响也很大，大致有以下几方面：

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长径比

    由于熔体的“入口效应”影响出口熔体的流量稳定性，增大长径比有助于熔体的弹性松弛，减小出口处的弹性胀大，对纺丝有利。高速纺丝的熔体吐出速度比常规纺丝高，剪切速率也高，所以要求喷丝孔的长径比在2.0以上。

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喷丝孔径和长度的偏差

    若涤纶长丝纺丝要求其熔体流量偏差小于0.75%，由于其喷丝孔偏差引起的流量偏差则是四次方关系，所以，应严格控制孔径偏差在±0.002～±0.005mm范围内；而长度偏差与流量之间是一次方关系，一般要求为0.02～0.05mm。

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光洁度

    喷丝孔导孔的光洁度一般为▽6～▽8，孔的过渡锥则为▽8～▽10，出丝面的光洁度为▽8～▽10。这样才能使熔体与喷丝板面有较好的剥离性能。

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导孔与出丝孔的垂直度

    对喷丝板导孔的垂直度要求不高，对出丝孔的垂直度要求较高。一是为了防止单丝表面受力不匀，而产生毛丝或断丝；二是为了避免单丝相交而产生并丝，影响成品质量。

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导孔与喷丝孔的同轴度

    要求同轴度愈高愈好，一般要求为0.02～0.05mm。喷丝孔的圆整度及毛刺等也会影响纺丝。

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喷丝板孔的分布

    一般排列在外周2～3圈，内心无孔。从侧面看，最好为成排分布，以便于冷却风的吹人，可提高冷却效果和冷却均匀性。另外，若喷丝孔分布过密，则单丝不易冷却，影响纺丝。

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冷却吹风条件

  熔体细流从喷丝板到卷绕装置之前要进行冷却吹风使其凝固。冷却吹风条件包括冷却吹风的风速、风温和相对湿度。冷却条件对纺程上熔体细流的流变性能，如拉伸流动粘度、拉伸应力等物理参数有很大影响。高速纺丝时，由于纺丝速度提高，冷却吹风条件对丝条凝固动力学的影响明显减小。它虽与常规纺丝有共同之处，但又有许多自己的特点，现分述如下：

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冷却吹风的风速

    风速、风温、相对湿度三个因素中，风速对纤维成形的影响最大。这是由于空气的导热系数低，熔体细流与周围空气的换热效果主要取决于空气的给热系数α*。α*与冷却吹风风速间的关系。在纺程上，当8μy>υ时，即在离开喷丝板不远处、熔体细流冷却成形时，α*主要受冷却吹风风速υy的影响；而当8υy<><>

    实践证明冷却吹风风速对POY的力学性质指标的平均值及后加工性能等无明显影响，但对POY的条干不匀率影响很大。由图10-6可知，过大或过小的吹风速度均会使条干不匀率(U％)增大，风速在0.3～0.7m/s范围内为最佳。风速过大时，湍动因素增加，而空气流动的任何湍动必将引起丝条振荡或飘动，当振动幅度达到一定数值，就会传递到凝固区上方，使初生丝条干不匀。但当所受冷却吹风的湍流状况一定时，这种振动的振幅将随着丝条张力的增加而降低。风速过小时，受室外气流干扰的因素增强以及丝条凝固速度的减慢，使凝固丝条飘忽、振动的因素增加。吹风速度还与所纺纤维的线密度有关，如图10-7所示。

    此外，冷却吹风压力的波动会影响吹风速度的变化，使单丝产生飘动和振荡。吹风压力变化△P和吹风压力P的比值最好小于0.005，这样才能保证产品具有较好的条干不匀率、染色均匀性和伸长不匀率等。冷却吹风风压对POY条干不匀率的影响与风速相似，如图10-8所示。当风压为20～35mm水柱时，POY的条干不匀率最小；过高或过低，条干不匀率都高。在较低的风压下．冷却吹风风速太小，使冷却效果明显变差，丝条的冷却长度增加；同时，容易受外来空气的干扰，最终使成品的条干不匀率增加。而风压过高时，引起丝条的湍动和振动增加，也会使成品条干不匀率增加。

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冷却吹风温度

    冷却吹风温度在15～35℃范围内。风温对高速纺丝成形过程中丝条的张力和成品丝的性质几乎无影响；仅吹风温度较低时，丝条手感较硬。但当吹风温度异常、波动大时，将影响POY的条干不匀率、动态热拉伸应力的不匀率、DTY的染色不匀率，并使毛丝断头增多。因此，保持吹风温度的稳定，对制得高质量的POY十分重要。

    熔体细流从喷丝板下的密闭(无风)区出来，立即受到冷却吹风的冷却，此时希望冷却的速度较快为好，目的是使细流停留在190℃附近的时间越短越好。最后要使丝束全部冷却到聚酯的第二有序转折点(玻璃化温度)以下．其冷却的推动力为冷却吹风与被冷却丝条间的温差。实践证明，冷却吹风和聚酯丝条间的温差至少应在10℃以上，才能保证丝条的均匀冷却。这样才能使喷丝板的熔体细流的冷却长度不至于太长，同时可以避免由于冷却不够充分而引起各根单丝间冷却长度的差异。

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相对温度

    在纺丝过程中，水蒸气向聚酯熔体内部扩散的速度为10-9~10-10cm2/s。聚酯的平衡吸湿率约为0.4％，因此，刚纺出的单丝在60～300s之内即快速完成吸湿。冷却吹风的含湿量对冷却成形过程影响不大，但必须稳定，否则导致丝筒含湿量不匀。

    随着冷却吹风的相对湿度的提高，它的比热容和热容量将会增加，热吸收量随之增加，从而使冷却吹风在吸收同样的热量时，温度升高小，有利于冷却吹风温度的稳定，提高冷却效果。同时，高的含湿量可减小丝条在纺丝过程中产生静电和飘移。但相对湿度过高，会造成操作条件恶化和设备的锈蚀。因而，冷却吹风的湿度不能太高，一般为(60％～75％)±3％。

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密闭区

    在喷丝板下约8～16cm的距离内应与外界隔绝气流交换，称为密闭区。因为熔体细流刚喷出孔时温度很高，细流十分脆弱，经不起任何气流冲击。此外，过快的冷却会导致纤维径向横截面的皮芯结构及产生的卷曲大分子增多，会引起众多微小晶核的生成，造成成品质量低劣。无冷却风的密闭区要保持熔体温度在210℃以上。因为聚酯熔体的结晶半衰期为190℃，若在此温度附近停留时间过长会导致初生纤维的结晶度增加。所以，在熔体细流刚出喷丝孔的密闭区时，不但要与外界空气隔绝，而且要采取保温措施，不使熔体过快冷却。同时，若在熔体细流的细化区内进行急冷，取向/松弛比会增加；而在细化区以下急冷，取向/松弛比下降。所以，将侧吹风急冷区安排在出喷丝板的密闭区以下，这样有利于取向度和取向均匀性的提高。若提高急冷速率(提高风速)，丝会冷却得更快，从而降低了纺丝熔体的温度，相应增加了熔体的粘度，提高了剪切应力，导致较高的取向。然而，过高的急冷速率会使丝的皮层应力过高而形成“冷纺丝”。此外，风速过大时还会在急冷区引起气体湍流，使丝条产生波动起伏和水平移动。这种波动会造成纺丝应力的变化，进而引起丝条轴向线密度和取向的变化以及丝条内单丝间的差异。在纺低单丝线密度POY时，密闭区的设置要适当延长，对延迟丝条冷却、保证纤维质量是十分必要的。

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纺丝集束的位置

    过高的纺丝张力不利于卷绕成形，所以，高速纺丝时往往将丝条提前集束上油，以减小纺丝张力。

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垂直方向集束位置

    沿垂直方向的集束位置选择在离喷丝板120cm以上，集束时纤维已凝固，纤维的流变阻力和惯性力基本不变。因此，当改变垂直方向的集束位置时，丝条的张力不同，如表10—4所示。由表可知，垂直方向的集束位置越往下，纺丝张力越大。这是由于空气摩擦阻力的变化引起的。随着集束位置的变化，丝条与周围空气的接触面积会发生变化，从而使丝条所受的空气摩擦阻力不同。张力的变化对纤维成形几乎无影响。但由于通常所纺的纤维均为复丝，集束位置的变化必将影响单丝间的的相互汇集。因此，纤维的冷却情况不同，即集束位置越往下，丝条的冷却状况愈好，POY丝的双折射率稍有上升。

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水平方向集束位置

    水平方向集束位置是指集束点离侧吹风网的距离。水平方向集束位置发生变化，纺丝张力也会发生变化，如表10-5所示。由表可知，随水平距离的微小变化，纺丝张力变化很大，而其他性能变化不大，条干不匀率在适中位置时有最低值。集束点在水平方向变化时，会引起各单丝间汇集状况发生变化，当水平距离逐渐增大时，丝条的倾斜度随之增大，使之在卷绕牵引力作用下沿丝条的分力减小，并且倾斜的丝条与横向侧吹风的夹角增大，导致冷却情况和丝条张力变化。若水平距离太小，即近于垂直纺丝时，丝条在吹风窗内受到侧吹风的横向作用力，使整条纺丝线成弓形，这对纺丝成形极为不利。若水平距离太大，即纺丝偏心太大，则刚成形的丝条易在集束点附近被擦伤而形成毛丝，且由于纺丝张力低，易受其他因素的干扰，而且给生头投丝操作带来困难。水平方向集束位置，一般喷丝板中心到集束点的水平距离约为8cm。

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纺程上力的分布

    纺程上力的分布是熔体纺丝成形过程中重要因素之一，它不仅与熔纺材料的特性有关，而且与纺丝工艺条件有关。即切片特性粘度、含水率、TiO2含量、纺丝速度、纺丝温度、吐出量、冷却吹风条件等的变化均会引起纺程上力的分布变化。有研究表明，在一定的条件下，随着聚酯特性粘度的增加，纺程上凝固点以下的纺丝张力随之增加。这是由于聚酯熔体细流的特性粘度较高，其流变阻力也较高所致。随着纺丝温度的升高，纺丝张力下降，因为熔体的流变阻力下降。当喷丝孔吐出量降低(总吐出量不变)时，纺丝张力上升较快。其原因有两个，一是当喷丝孔吐出量降低时，熔体的吐出速度降低，当纺丝速度一定时，速度差增加，导致喷丝头拉伸倍数增加，使纺丝张力增加；二是随着熔体喷丝孔吐出量的下降，熔体细流的比表面张力增加，增加了熔体的冷却速率以及与空气的摩擦阻力，导致纺丝张力增加。

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纺程上的张力

    纺程上的力有流变阻力、惯性力、空气摩擦力、表面张力和重力。常规纺丝或高速纺丝时，表面张力和重力很小，占总纺丝张力的比例小于1%，故可忽略不计。常规纺时，由于惯性力和空气摩擦阻力很小，凝固点的丝条张力F(χ)受流变阻力Fr(O)的控制，与纺程上的位置无关，只是缓缓地随着纺丝速度的提高而提高，大致符合Fr(0)∝。υL0.3的关系。高速纺丝时，惯性力和空气摩擦阻力增大，空气摩擦阻力Ff∝uL1.2x，速度一定时，Ff与纺程长度X成正比，但由于纤维在接近喷丝板的区域内(X=50～100cm)成形，由空气摩擦阻力产生的有效剪切应力较小，纺速在3000～4000m/min范围内，剪切应力小于(3～4)×10-3N/cm2，故不会导致熔体结构发生变化。导致结构发生明显变化的剪切应力约为102N/cm2。

    熔体的惯性力在成形区产生，随着熔体细流的加速度增大而增大。而到达成形结束的凝固点时，纤维加速度为零，直到卷绕为止，惯性力不再变化。高速纺丝时，由于惯性力产生的张应力约在(1.5～9)×102N/cm2范围内，达到热拉伸所需的屈服应力范围，接近冷拉伸所需应力(5×l04N/cm2)的数量级，因而张应力的大小对纤维的结晶和取向有很大影响。

    由此可见，在常规纺丝时，丝条张力受流变阻力Fr(0)的控制；而纺速为3000～5000m/min时，丝条张力则受流变阻力和空气摩擦阻力和惯性力的控制，而空气摩擦阻力对纤维成形的影响不大；在纺速5000～10000m/mln时，惯性力和空气摩擦阻力对丝条张力起支配作用，空气摩擦阻力对纤维结构的影响也不大。在常规纺丝时，凡影响熔体细流的流变阻力因素，如熔体特性粘度、纺丝温度等，对纤维成品质量的影响较大；高速纺丝时，这些因素对成品质量的影响明显减弱，而影响惯性力的纺丝速度、熔体吐出速度等对纺丝成形的影响逐渐增加；超高速纺丝时，纺丝成形则几乎仅受影响惯性力的纺丝速度的影响。

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纺程上张力与取向的关系

    纺程上的张力对POY丝的取向和结晶均有影响。纺丝过程中发生的取向有两种机理，即处于熔融状态下的流动取向机理和丝条凝固之后的形变取向机理。据文献介绍，纺速在3600m/min以下时，卷绕前的张应力在(2.5～3.5)×103N/cm2以下，小于拉伸应力和屈服应力，因而纺程上不会出现形变取向，只有在凝固之前发生的流动取向。

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纺程上张力与结晶的关系

    Gearge等人提出，当纺速大于4000m/min，在凝固点处的张应力达到或超过9.5×102N/cm2(0.089cN/dtex)的临界值时，纺程上有明显的取向诱导结晶发生。

    高速纺丝时，结晶的生成主要是应力诱导结晶，在纺速3000～4000m/min范围内，张应力增加，纺程上产生取向结晶，导致POY结晶度增大，这不仅不利于POY的后加工，而且使纺丝卷绕张力过大，增加断头率。由表10-6可知，POY单丝线密度小，张应力高，结晶度也高，单丝线密度为3.3dtex时尤为明显。因此，当纺制单丝线密度小的POY时，为了避免张应力接近这一临界值，必须降低纺丝速度，以适当降低卷绕前的张力。

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纺丝速度

  纺丝速度的高低直接影响产品的质量和生产效率等。纺丝速度的选择应综合考虑产品品种、质量和设备条件等因素确定。

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纺丝速度对POY结构、性能的影响

    涤纶大分子的构象主要有旁式和反式两种。用红外光谱法测得，常规纺丝的初生丝大分子构象主要是旁式。随着纺丝速度的提高，旁式构象减少，反式构象增多(见图10-9)。纺丝速度为3600～4000m/min时，大分子构象发生突变，即大分子伸展程度增加导致构象的突变。由于反式结构的位能比旁式低，因此，随着纺丝速度的增加，初生丝的性质愈加稳定。POY的密度和双折射亦随着纺丝速度的增加而增大，如图10-10所示。纺丝速度在3000～3600m/min之间时，POY的双折射随着纺丝速度增加的速率基本达最大值(即达到高取向的范围)；而且密度增加的最高速率稍后于双折射，约在4000m/min以上，说明这时才大规模地发生取向诱导结晶。对于POY，为适应后加工的需要，希望具有高取向、低结晶的结构，因而纺丝速度的选择要尽量防止取向诱导结晶的发生。

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纺程上的速度梯度变化

    根据熔体纺丝的基本原理可知，纺程上的速度梯度对纤维成形有较大影响。沿纺程的速度梯度符合下式：

式中：UL为卷绕速度(cm/s)；U0为熔体吐出速度(cm/s)；L∞为凝固长度(即喷丝板到凝固点的距离，cm)；q为速度梯度(1/s)。

    图10-11为熔体自喷丝孔挤出并在不同的卷绕速度下纤维成形的理论计算结果，图10-12为初生丝的表面温度从开始冷却起并随冷却时间变化的情况。由图可知，采用6000m/min纺丝速度时的熔体细流速度梯度(形变速度)比3000m/min和1500m/min纺丝速度下高得多，且冷却得快。高形变速率与快速冷却相结合，导致丝条拉伸应力增大。而快速冷却使丝条横截面产生大的温度梯度，使纤维结构产生截面径向结构的差异，甚至可能引起纤维断裂。因此，选择纺丝速度时要考虑这个因素。

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纺丝速度与POY的后加工性

    随着纺丝速度的提高，POY的双折射和强度提高，从而提高纤维的摩擦牢度及坚韧度，在后加工过程中纤维耐导丝器的摩擦，有利于减少断头和毛丝，为提高DTY的变形速度创造了条件。此外，随着纺速的提高，POY的剩余拉伸倍数降低，改善了后加工的拉伸条件，防止由于较大的加捻张力而形成毛丝或断头，有利于提高DTY的均匀性。

    综上所述，仅考虑工艺因素，纺丝速度宜选择在未使POY结构产生明显结晶的最高速度内。同时，纺制不同单丝线密度的POY时，应选择不同的纺丝速度。单丝愈细，吐出量愈低，纺速愈宜适当降低。

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纺丝速度与卷绕张力

    随着纺丝速度的提高，卷绕张力增加。卷绕张力的最佳范围为0.11～0.22cN/dtex。过高的卷绕张力会导致成形不良，POY不匀率上升，导丝器磨损增大，易产生毛丝，卷绕筒子的硬度也增高，后加工时退绕性能变差。因此，应在不影响工艺条件的前提下降低卷绕张力，提高纺速。

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纺丝速度与产品品种的关系

    纺丝速度为3000～3600m/min时，采用较高的纺速制得的POY，可选用较高的后加工速度，且成品的染色均匀性略高，紧点和僵丝少，但毛丝出现的可能性大。尤其在纺制低线密度单丝DTY时，毛丝更为严重。但加工空气变形丝或网络丝时，因为毛丝出现的几率小，POY的纺丝速度可略高。此外，当聚酯切片均匀、干切片含水率低、纺丝工艺条件选择适当、操作水平高时，可选择较高的纺丝速度。

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纺丝速度与设备磨损的关系

    随着纺丝速度的提高，卷绕机易损零部件的磨损程度增加，则要求定期更换备品、备件的数量增加，故增加停车修理时间和设备维修费用。为了高效、低耗地纺制高质量的POY，必须选择适当的工艺参数。

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高速卷绕成形

    涤纶高速纺丝的关键是高速卷绕成形。不良的卷绕成形不仅会影响预取向丝的性质、造成卷绕筒子在运输过程中塌边，而且会影响拉伸变形过程中POY原丝的退绕性、假捻张力稳定性和拉伸变形丝的染色均匀性，造成强伸度不匀等。所以，正确控制卷绕工艺条件以得到良好的卷绕筒子十分重要。

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卷绕筒子的形式

    一般卷绕筒子有双锥形和直边形两种，双锥形具有外观美观、不易塌边的优点。但由于双锥形卷绕筒子的卷装量小，只能适应500～1200m/min的卷绕速度，而且其锥边部分的丝易产生纬向条花、染色不匀。直边形卷绕筒子能适应高速卷绕的需要(高达9000m/min)，且卷绕丝质均匀，卷绕筒子容量大，一般为10～20Kg，最大可达60kg以上。

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不良卷绕及其对POY丝质的影响

    理想的直边卷绕筒子应是一个良好的圆柱体，而且卷绕硬度适中。但实际上不能完全达到，常见的缺陷有几种。

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螺旋边

    螺旋边又称鸡爪，是指在卷绕筒子的端面出现开放性螺旋线。由于卷绕筒子在高速运转时的制动机械力主要施加在筒管上，因此，卷绕筒子外层的丝的惯性力比内层大，制动速度比内层慢，从而造成丝层之间沿离心力方向产生滑移现象，使卷绕筒子端面产生如图10-13所示的开放性螺旋线，并随着卷绕筒子的增大和卷绕速度的提高而增多。所以，采用超高速卷绕和特大筒子成形时，要采用特殊的制动方式，以避免形成太多的螺旋边。不过，不严重的螺旋边一般不影响丝条的性质和后加工时卷绕筒子的退绕性能。

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蛛网丝

    蛛网丝是指出现在卷绕筒子端面、部分脱离正常的卷绕轨迹，由弧变成弦，其弦长超过5cm。蛛网丝不仅影响卷绕筒子的外观，而且严重影响卷绕筒子的退绕性能，往往造成后加工时的断头和毛丝。

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表面凹凸

    指卷绕筒子的外表面出现凹凸不平的现象，同时卷绕硬度不均匀，凸起部分硬度高，而凹下部分硬度低。当筒子中间高、两端低时，又称凸肚；反之称凸肩(耳高)。这是由于纺丝张力不匀所致，即凸起部分的张力大，凹下部分的张力小。这将影响POY的质量，其主要表现在条干不匀率和染色均匀性。

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叠圈

  指在卷绕筒子的端面形成圆圈状并高出其他卷绕部分的丝，影响丝的条干不匀率和染色均匀性，而且会造成退绕困难，严重时会使卷绕筒子塌边。

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卷绕硬度过高或过低

    一般要求高速纺丝时卷绕筒子的硬度为肖氏硬度55～70。卷绕筒子的硬度过低，筒子松，容易塌边，退绕时易造成松圈丝，后加工断头率高；而卷绕筒子的硬度过高，会使卷绕密度过高，从而造成退绕困难，退绕张力波动大。

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卷绕解过大或过小

    卷绕筒子上两层相邻丝条之间的交角的一半为卷绕角。卷绕角过大，筒子两边的丝易向中间滑移，卷绕筒子凸肩将增加，且蛛网丝增多；卷绕角过小，则卷绕筒子上的丝层趋向平行排列．易造成塌边或凸肚。所以，必须选择适当的卷绕角，才能实现卷绕成形良好。当纺丝速度为3200m/min时，最好选择卷绕角为6°35′～7°05′。

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影响高速卷绕的主要因素

    常规纺丝时，影响卷绕的三要素为油剂性能、卷绕张力和欠喂率。高速纺丝时，欠喂率改为超喂率，以降低卷绕张力。

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油剂性能

    由于喷丝孔吐出的丝条含水率低，运行速度快，因此纤维间的抱合力和导电性差，使丝条与丝条、丝条与金属之间因摩擦而产生电荷并积聚，影响纺丝和卷绕的顺利进行。因此，在丝条冷却凝固后即进行集束、上油，以增加纤维间的抱合力，改善丝条与金属之间的润滑性和抗静电性，有利于卷绕筒子成形。油剂性能不仅对卷绕筒子成形有影响，而且与POY在后加工过程中的适应性、白粉产生、毛丝和断头以及热箱的结焦和冒烟等有关。

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卷绕张力

    卷绕张力的大小与预取向丝的卷绕筒子成形密切相关。一般卷绕角为7°～8°时，33～82.5dtex的细特丝的卷绕张力应为0.2～0.3cN/dtex，82～220dtex的为0.15～0.25cN/dtex。卷绕张力过高，会使卷绕筒子成形不良，产生凸边、螺旋边、蛛网丝和表面凹凸；卷绕张力过低，卷绕筒子易脱圈。

    卷绕张力的大小可调节。采用有导丝盘卷绕时，通过调整导丝盘圆周速度与卷绕速度的差值来调节卷绕张力；无导丝盘卷绕时，用改变集束位置的办法来调节。

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超喂率

    是指有导丝盘卷绕时导丝盘对摩擦辊的超喂率；或指巴马格公司SW46S型卷绕机上辅助槽辊对摩擦辊的超喂率。超喂率的计算公式如下：

式中：U1为辅助槽辊(或导丝盘)的线速度；uL为摩擦辊的线速度。

    超喂率过高或过低，均对卷绕成形不利。若超喂率过高，凸肩和蛛网丝增多；超喂率过低，会增加凸肚，造成内塌边。对于SW46S型卷绕机，超喂率一般在2.5%～5.0%之间。

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横动导丝器的运动速度及其干扰振幅、周期

    卷绕筒子上丝层的卷绕是由筒子的旋转和横动导丝器的往复运动叠加而成的。因此，横动导丝器的速度与卷绕成形密切相关。

    为防止相邻丝层间的重叠，使横动导丝器的速度产生周期性的变化，故设置干扰频率，其振幅一般为±1％～1.5％，周期为3～5s。实践证明，干扰振幅太低，卷绕筒子表面丝层易脱圈；干扰振幅太高，则容易产生蛛网丝。

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摩擦辊与卷绕筒子的接触压力

    卷绕筒子的旋转是由摩擦辊与筒子之间的摩擦力推动的。摩擦力除与摩擦辊的转速有关外，还与摩擦辊和卷绕筒子之间的压力以及摩擦系数有关。当绕底层丝或满卷丝时，由于前者的摩擦系数小而后者大，致使摩擦力不同，从而影响底层丝的质量。日本村田机械公司设计的卷绕头，先绕底层丝(可作废丝处理)，使摩擦系数达到要求时再绕尾巴丝，然后进行正常卷绕。

    德国Barmag公司的SW系列卷绕头，摩擦辊和卷绕筒子之间的接触压力是变化的。空筒管时，因卷绕筒管加速的需要，压力设计为1.4～1.6MPa；绕底层丝时，为了避免擦伤丝条，压力设计为0.8～1.0MPa；正常卷绕时为1.1～1.3MPa。这使得绕底层丝与正常卷绕时的摩擦力一致，从而保证底层丝与正常丝的性质相同。

    正常卷绕时，卷绕筒子的硬度与摩擦辊和卷绕筒子的接触压力有关。压力增大，筒子硬度增加；压力减小，筒子变松。此外，当绕底层丝时的接触压力转换成正常卷绕时的接触压力时，若控制不当，还会在退绕时引起断头，致使底层丝用不完，造成浪费。