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算公式計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。這是因為此類聚合物的黏流活化能比較低，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驗

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（計量泵的吐出量），具體是去調(diào)溫度還是調(diào)結(jié)計量泵，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

耐馳儀器公司應(yīng)用實驗室