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熔体纺丝成型
一、 实验目的
了解熔体纺丝机的各部分组成，掌握螺杆挤压机、计量泵的工作原理，了解纺丝工艺条件和工艺流程，设计出合理的纺丝工艺，纺制出合格的纤维
二、 实验原理
一） 螺杆挤压机的工作原理和结构
1、工作原理
物料从加料口进到螺杆的螺槽中，由于螺杆的转动，把切片向前推进。切片不断吸收加热装置供给的热能；另一方面因切片和切片、切片与螺杆及套筒的摩擦及液层之间的剪切作用，而由一部分机械能转化成热能，切片在前进过程中温度不但升高而逐渐熔化成熔体。熔化过程聚合物在温度、压力、粘度和形态等方面发生变化，由固态（玻璃态）转变为高弹态，随温度的进一步提高，出现塑性流动，成为粘流体（粘流态）。粘流态的聚合物经螺杆的推进和螺杆出口的阻力作用，以一定的压力向熔体管道输送
2、挤压机的结构
螺杆挤压机主要由四部分组成（见图1）
高聚物熔融装置：主要由螺杆和套筒组成，其作用是将固体的物料挤压，外加热，使其熔融成均匀的熔体，并以一定的温度、压力和排出量从螺杆头部挤出，经过熔体管道送至纺丝装置进行纺丝。按物料在螺杆中的输送、压缩和熔融等过程，一般将螺杆的的工作长度分为进料段、压缩段和计量段；根据物料在螺杆中的物理状态，将螺杆分为固体区、熔融区和熔体区。
加热和冷却系统：主要是由铝套加热器和水冷却夹套组成，其作用是通过对套筒的加热和冷却保证高聚物在工艺要求的温度范围内挤出。
传动系统：主要由变速电动机和齿轮箱组成，其作用是保证螺杆以需要的扭矩和转速稳定而均匀的工作。
电器控制系统：由温度、压力和转速控制系统构成，一方面通过熔体压力传感器控制电动机按所需要的转速运转，另一方面通过测温单元控制加热、冷却系统按设定温度工作。
二）计量泵的工作原理和结构
计量泵的作用是精确计量、连续输送成纤高聚物熔体或溶液，并于喷丝头组件结合产生预定的压力，保证纺丝流体通过滤层到达喷丝板，以精确的流量从喷丝孔喷出。
1、计量泵的结构
计量泵为外啮合齿轮泵，它由一对相等齿数的齿轮、三块泵板、两根轴和一副联轴器以及若干螺栓组成（见图2）.
2、工作原理
计量泵工作时，传动轴插在联轴器的槽中，带动主动轴转动，从而使一对齿轮在中泵板的“8”字形孔中啮合运转。当齿轮啮合运转时，在吸入孔造成负压，流体被吸入泵内并填满两个齿轮的齿谷，齿谷间的熔体在齿轮的带动下紧贴着“8”字孔的内壁回转近一周后送至出口，由于出口容积的不断变化，而将流体排出。

图1 螺杆挤压机

图2 计量泵结构及工作图
三）纺丝组件与喷丝板
纺丝组件的主要作用是将计量泵送来的熔体进行最终过滤，混合均匀后分配到每个喷丝孔中，形成均匀的细流。
喷丝板的主要作用是将高聚物熔体通过微孔转变成具有特定截面的细流，经过冷却固化而形成丝条。喷丝板的主要参数包括喷丝孔的直径和长径比、孔的排列和喷丝孔的加工精度。
四）热拉伸辊
热拉伸辊是用于纺牵一步法联合机上的主要部件，装在纺丝机和卷绕机之间，经过热拉伸辊后再卷绕，称为全拉伸丝（注：一般需要是高速纺或超高速纺才能够达到全拉伸）。
五）卷绕机构
卷绕机构的作用是把丝条按一定规律卷绕收集，形成一定形状和容量的卷装。任何一种卷装形式都应当满足一定的要求，主要有：
1、形状稳定：不论卷装采取何种形状，丝层怎样分布，卷装应十分稳定，经久不变。
2、容量大：卷装的容量增大，意味着降低丝条街头，减少机器停台时间和提高效率。
3、丝条分布均匀：卷装上的丝条应分布均匀，密度一致，软硬适中。不能有重叠，有重叠后将出现密集丝带；也不能有凸边，否则会擦伤丝条，损坏成形，增加退绕时的阻力。
4、张力均匀：卷绕过程一定要保持一定的张力，才能使丝条卷绕成结实的卷装。张力过大，卷装端面会出现起皱和胀边现象，张力过小，则卷装松软，退绕时容易产生塌边和脱圈。
5、退绕容易：卷装上的丝层必须层次分明，在卷装端不能有蛛网丝。
卷绕机构由导丝机构和卷取机构两部分组成。卷绕机构工作时，只能完成卷绕作用的称为单纯卷绕机构。
三、 仪器和药品
纺丝牵伸一体小型熔体纺丝机（非标，临淄方辰母料厂），干燥好的成纤树脂切片
四、 实验步骤
1、打开冷却水，打开机器电源，打开各控制柜，将螺杆各部分加热到设定温度
2、温度升到后，打开热拉伸辊，并将热拉伸辊的转速（低速档）和温度设定到指定参数。
计量泵及各辊频率设定原则：
1）计量泵频率的的设定(以PA6为例)：

注：泵供量单位为：g/min；线密度单位为分特时，分母为10000；为特时，分母为1000；为旦时，分母为9000。
本设备的计量泵电机50HZ对应1400r/min，减速机速比为40：1，则计量泵1HZ对应1400/50/40=0.7r
假设V0=600r/min，t=100dtex，r=4，则

而本设备计量泵的规格为2.4cm3/r，PA6的密度为1.14g/cm3，用泵供量除以物料密度，可以得到泵供体积，以泵供体积除以计量泵规格，可以得到计量泵转速，进而得到频率。

2) 热辊频率设定
热辊的电机频率为50HZ对应1500r/mim，辊子直径为0.24m，则
1HZ对应30r/min,热辊转一周的长度为πD=0.75m
热辊1HZ对应的线速度为22.608m/min
卷绕棍1HZ对应的线速度为14.13m/mim
3、当各工艺参数均达到指定参数时，开启空压机，开启螺杆主机，并将主机调到高速档，从螺杆进料口加入物料切片；打开油盘；开启卷绕装置；待纺丝细流稳定后，将主机调回低俗档，开始纺丝。
4、当开始纺丝后，用吸枪吸丝后，依次经过油盘，导丝钩，三道热辊，最后进入卷绕装置前。
5、当吸丝稳定后，将热拉伸辊调节到高速挡，转速达到后开始卷绕。
6、纺丝结束后，将剩余的物料挤空。关闭温控单元及各传动单元，待温度降下后关掉冷却水，并将实验室打扫干净，关闭所有电源方可离开实验室。
五、思考题
1、何为环结阻料？采用哪些措施避免？
2、何谓螺杆的压缩比？为何不能过大或过小？
3、挤压机进料段为何加冷却装置？
4、上油装置可以起到哪些作用？
5、为了获得性能均匀的纤维，需要加强哪些工艺环节的控制？如何控制？
6、何谓卷绕比？纺丝过程如何控制卷绕比？