如何掌控干法成型工艺？

（一）聚合物相对分子质量

干法纺丝的原液浓度较高，如腈纶干法纺丝常用的原液浓度为25%～33%，为此应适当降低聚合物的相对分子质量，否则由于原液的黏度太高，不但增加过滤和脱泡的困难，还会降低原液的可纺性。例如腈纶湿法纺丝所用聚合物相对分子质量一般为50000～80000，干法纺丝通常为30000～40000，一般不超过50000。当然相对分子质量过低，也是不合适的，它会使纤维的某些物理-力学性能变差。

（二）原液浓度

提高原液中聚合物的浓度，可以减少纺丝时溶剂的蒸发量及溶剂的单耗，降低甬道中热空气的循环量，避免初生纤维相互黏结，并能提高纺丝速度；提高纺丝原液的浓度，还对所得纤维的物理-力学性能有良好影响，如纤维的横截面变圆，光泽较好，断裂强度增加，但伸长率有所下降。在一定温度下，原液黏度主要决定于原液的组成和聚合物的相对分子质量。腈纶干法纺丝时，原液黏度一般以控制在600～800s（落球法）的范围为好。因为在一定范围内，初生纤维的可拉伸性随黏度的增加而增加，但是达到某一最大值后，又随黏度的进一步增加而降低。

（三）喷丝头孔数和孔径

在纺丝条件相同的情况下，随着喷丝头孔数或孔径的增大，未拉伸纤维的总线密度增加，丝束中DMF的残存量增大，有时甚至使单纤维间互相粘连，而断裂强度和伸长率明显下降。纤维的最大拉伸倍数降低，纤维的热水收缩率增加，所以喷丝头的孔数和孔径不能随意增加，如需增加，必须相应改变其他纺丝条件。

在保持吐液量和纺丝速度不变的情况下，减小孔径而增加孔数，丝束的总线密度不变而降低单丝的线密度，这等于相应增加单位体积丝条的蒸发表面积，因此，有利于DMF的蒸发。使纤维的截面结构较均匀，形状更接近于圆形，纤维的力学性能也较好。但是，孔径过小时，喷丝孔容易堵塞或产生毛丝，对纺丝工艺的要求较高。

（四）纺丝温度和甬道中介质的温度

纺丝温度应包括喷丝头出口处纺丝原液的温度、通入甬道热空气的温度以及甬道夹套的温度。表5-6显示纺丝温度对未拉伸纤维性能的影响。随着纺丝温度的下降，纤维的断裂强度和热水收缩率有所上升。伸长率和喷丝头最大拉伸倍数与纺丝温度关系曲线上有极大值，即开始时随温度的下降伸长率和拉伸倍数有所增加，至最大值后则随温度的下降而下降。未拉伸纤维中DMF的残存量则明显地随纺丝温度的下降而上升。

表5-6　纺丝温度对未拉伸纤维性能的影响

注　原液温度80℃；原液浓度28%；喷丝头0.15×30（孔径×孔数）；吐液量31g/min；风量1.5m3/min；卷绕速度200m/min。

在实际生产过程中，喷丝头内外两层温度不同，一般内层温度比外层高出10℃，以保证内层丝条中DMF能充分蒸发。通入甬道的热介质（N2饱和蒸气，热空气或其他惰性气体）的温度的选择与多种因素有关，特别是与纺丝原液中高聚物的浓度、溶剂的沸点、初生纤维的线密度、混合气体中溶剂的浓度以及通入纺丝甬道夹层的热载体的温度等有关。

适当降低甬道内热介质的温度有利于成型均匀，使所得纤维结构较均匀，横截面形状趋于圆形，纤维的力学性能提高。但若温度过低，丝条中溶剂含量较高，将会造成丝条相互黏结。温度过高，会因溶剂蒸发过快而造成气泡丝，从而影响纤维的物理-力学性能和外观质量。此外，PAN是热敏性聚合物，温度过高时因热分解而使纤维变黄。同时，纺丝温度过高，会使操作条件恶化，并且消耗较多的热能，使成本上升。在使用N2为甬道循环介质时其进口温度通常为400℃，出口温度常为130℃；如以热空气为循环介质，其温度一般为230～260℃。

（五）纺丝速度

干法纺丝的速度取决于原液细流在纺丝甬道中溶剂的蒸发速度和原液细流中需要释出的溶剂量。随着甬道中温度的提高以及混合气体中溶剂浓度的降低，溶剂的蒸发速度加快，纺丝速度可提高。适当提高原液浓度，减少需要释出的溶剂量，也可提高纺丝速度。但是在提高纺丝速度的同时，必须保证纤维能充分而均匀地成型，特别应使纤维在较长的时间内，保持适当的可塑状态，以便进行拉伸。纺丝速度一般取100～400m/min，如适当增加纺丝甬道的长度，或降低单纤维的线密度，也可使纺丝速度进一步提高。表5-7为纺丝速度与未拉伸纤维性能的关系，从表中数据可以看出，由于卷绕速度的提高，而增大喷丝头的拉伸比，从而增加纤维中各种结构单元的取向度，使纤维的断裂延伸和最大拉伸比减小，纤维的线密度降低。断裂强度和热水收缩率则随纺丝速度的增加而增大。

表5-7　纺丝速度与未拉伸纤维性能的关系①

①原液温度100℃，甬道送风量1.5m3/min，喷丝板结构0.15mm×30孔。

从表5-7还可以看出，纤维中DMF的残存量与纺丝速度之间的关系没有一定规律，这是因为DMF的蒸发速度与丝束在甬道中的停留时间、单位体积丝条的表面积两个因素有关。提高纺丝速度，使丝条在甬道中的停留时间缩短，则纤维中DMF的残留量提高；而提高纺丝速度又增加喷丝头拉伸比，使丝条的表面积增加，纤维中的DMF的残存量反而下降。(www.xing528.com)

（六）喷丝头拉伸

干纺的腈纶与其他热塑性纤维一样，只有在塑性状态下经拉伸后，才具备所需的纺织性能。在干纺过程中，喷丝头拉伸倍数比湿纺时高，但比熔纺时小，通常为10～15倍。由于纤维中残存的溶剂对大分子有增塑作用，纤维中溶剂残存量越高，拉伸温度就应越低。离开纺丝甬道的纤维中溶剂含量为5%～20%。为了提高拉伸的有效性，需经洗涤除去一部分溶剂，再进行后拉伸。后拉伸可在热空气、蒸汽、热水中或热板上进行，拉伸倍数一般为10～15倍。

（七）甬道中溶剂蒸气的浓度

甬道中溶剂蒸气的浓度对纤维成型及溶剂回收的难易具有重要意义。在其他条件不变的情况下，甬道中溶剂浓度越低，丝条中溶剂的蒸发速度越快，成型的均匀性就越差，纤维横截面形状就越偏离圆形，所得纤维的力学性能也越差。

在纺丝速度和纤维线密度一定时，甬道中溶剂蒸气的浓度可送入的循环介质的量来控制。甬道中保持的溶剂浓度越低，则送入的循环介质的量应越大，动力的消耗也相应地增多，另外也给溶剂回收增加困难。

此外，从生产安全角度考虑，甬道中二甲基甲酰胺与空气相混合达到某种比例时，有引起爆炸的危险，爆炸的上限为200～250g/m3，下限为50～55g/m3，因此，甬道中混合气体中溶剂的浓度以控制在35～45g/m3为宜。

（八）纤维截面形状

根据干法纺丝的工艺原理可知，溶剂在纤维细流中的扩散速度及在其表面的蒸发速度是决定丝条固化和纤维截面形状的重要因素。由于丝条表面固化速度快，形成皮层结构，而后，芯层溶剂经扩散穿过皮层而在表面蒸发使芯层物质减少，造成皮层塌陷，与溶剂扩散速度相比，蒸发速度越快，纤维截面就越容易从圆形变为豆形，甚至犬骨形，如图5-14所示。

有人认为，纤维截面形状还可用溶剂DMF的蒸发速度和丝条在甬道中的停留时间两个参数来描述（图5-15）。很明显，DMF蒸发速度可通过原液中溶剂量、出纺丝甬道时溶剂残余量以及丝条在甬道中的停留时间计算出来。

图5-14　干法纺丝纤维截面形状的形成

图5-15　纺丝工艺对截面形状的影响

由图5-15可知，DMF蒸发速度是停留时间的函数。曲线上方为犬骨结构区域，下方为形成圆形、豆形的区域。

由于纤维截面形状对其纺织，服用性能影响极大，因此应合理选择上述各工艺参数以得到预期的截面形状。

表5-8和表5-9分别列出腈纶湿法、干法纺丝主要工艺参数及优缺点的比较。

表5-8　聚丙烯腈主要纺丝工艺参数比较

表5-9　聚丙烯腈干法和湿法纺丝主要优缺点的比较