多孔中空纖維噴絲板設(shè)計(jì)與加工的研究

王 越，何法江，王明紅

WANG Yue, HE Fa-jiang, WANG Ming-hong

（上海工程技術(shù)大學(xué)，上海 201620）

多孔中空纖維噴絲板設(shè)計(jì)與加工的研究

Study on design & manufacture of spinneret for multi-hollow fi ber

王 越，何法江，王明紅

WANG Yue, HE Fa-jiang, WANG Ming-hong

（上海工程技術(shù)大學(xué)，上海 201620）

本文采用基本單元法設(shè)計(jì)加工多孔中空噴絲板，并進(jìn)行實(shí)際紡絲。討論了噴絲板設(shè)計(jì)中孔型的選擇、微孔特征尺寸的設(shè)計(jì)原則。研究了加工過程中電極的制作，微孔的加工工藝。

多孔中空纖維；設(shè)計(jì)；加工

0 引言

中空滌綸纖維具有蓬松性高、彈性好、保暖性強(qiáng)、手感柔軟滑爽、回彈性好、覆蓋性好等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于噴膠棉、紡羽棉、床上用品、防寒服、玩具、裝飾布等領(lǐng)域。多孔中空滌綸纖維，不僅具有中空纖維的優(yōu)異性能，還由于其結(jié)構(gòu)的力學(xué)性質(zhì)（單纖粗，多孔），具有更高的剛性、回彈性及體積重量比小等特點(diǎn)。

紡制中空纖維一般常采用以下幾種方法：1）發(fā)泡劑法；2）定位吹氣法；3）再處理法；4）插入柱式噴頭法；5）插入管式噴頭法；6）異形噴絲板法。其中異形噴絲板法是由特殊形狀的小孔和縫隙組成噴絲孔，在實(shí)際紡絲中最為常用。這樣設(shè)計(jì)和制造特殊形狀的噴絲板是關(guān)鍵技術(shù)。由于噴絲板的設(shè)計(jì)加工既涉及高聚物流變學(xué)，又涉及機(jī)械加工領(lǐng)域，一直是制約差別化纖維發(fā)展的關(guān)鍵。本文將從多中空噴絲板的設(shè)計(jì)理論入手，基于單元法的噴絲板設(shè)計(jì)加工方法，以十七中空纖維為例設(shè)計(jì)加工多中空纖維噴絲板并應(yīng)用于實(shí)際紡絲。

1 多中空噴絲板微孔設(shè)計(jì)

生產(chǎn)多中空纖維需要特殊設(shè)計(jì)加工的噴絲板，具體措施就是將具有數(shù)個(gè)不連續(xù)的直線或曲線狹縫設(shè)計(jì)組合在一起形成特殊形狀的噴絲孔，使得從這些組合狹縫中擠出的高聚物熔體在固化前發(fā)生巴拉斯脹大效應(yīng)而粘連在一起，熔體經(jīng)冷卻固化后便獲得內(nèi)部包有1個(gè)或數(shù)個(gè)連續(xù)空腔的中空纖維[1]。圖1為常見中空噴絲孔[2]，研究表明中空噴絲板微孔主要由圓環(huán)、矩形狹縫等構(gòu)成。即其基本單元為矩形狹縫、圓環(huán)等，這幾個(gè)基本單元可以構(gòu)成我們所需的任意形狀的噴絲孔。

圖1 常見中空噴絲孔

1.1 孔型的選擇

選擇孔型是多中空噴絲板設(shè)計(jì)中十分重要的一環(huán)。紡制多中空纖維的噴絲微孔形狀可有多種，例如：有多邊形、C型、圓弧型、多點(diǎn)型等。采用孔型要注意使噴絲孔的各組成微細(xì)小孔中的熔體流量平衡，否則會(huì)使計(jì)出熔體的細(xì)流呈“膝”狀彎曲，嚴(yán)重影響紡絲的穩(wěn)定性和纖維的中空度。影響各組成微細(xì)小孔的熔體流量的因素較多，例如：各微細(xì)小孔的毛細(xì)孔截面實(shí)際面積和邊長(zhǎng)、孔道長(zhǎng)度、孔內(nèi)壁的光潔度等等。

圖2 多中空噴絲板微孔

考慮噴絲孔孔型以圓形的力學(xué)性能為好以及加工制造方便等原則，因此多中空噴絲板的微孔采用兩層結(jié)構(gòu)共16個(gè)圓弧形孔，即C形孔組成，如圖2所示。

1.2 多中空噴絲板微孔特征尺寸設(shè)計(jì)

1.2.1 單元孔尺寸設(shè)計(jì)

對(duì)中空纖維噴絲板微孔的設(shè)計(jì)，通常運(yùn)用剪切速率法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算每一個(gè)單元孔的剪切速率。根據(jù)熔體在微孔中流動(dòng)的剪切速率、熔體的單孔吐出量和噴絲板微孔的相當(dāng)中空度等工藝參數(shù)，可推導(dǎo)出設(shè)計(jì)噴絲板微孔的兩個(gè)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算公式。

對(duì)于C形孔，把C形微孔展開，如圖3所示，按照扁平微孔的剪切速率進(jìn)行計(jì)算[3]。熔體通過扁平微孔壁面處的剪切速率與單孔吐出量、微孔結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系：

圖3 C形孔展開

式中： d1、d2分別為微孔的外徑和內(nèi)徑；α為C形孔弧度。

單孔吐出量和纖維的線密度、卷繞機(jī)的拉伸倍數(shù)和后處理的拉伸倍數(shù)等工藝參數(shù)有關(guān)，可用下式計(jì)算：

式中：V1—卷饒機(jī)的拉伸速度

D—中空纖維的線密度

Z1—頭道卷饒機(jī)的拉伸倍數(shù)

Z2—二道卷饒機(jī)的拉伸倍數(shù)

ξ—后處理松弛熱定型的熱收縮率，一般取9%

δ1—卷饒機(jī)的牽引輥打滑率，一般取2%

δ2—牽伸機(jī)的牽引輥打滑率，一般取10%

δ3—成品絲含油率，一般取2%

ρ—熔體密度

由上述公式可計(jì)算出微孔的基本尺寸。

1.2.2 開口間隙及孔間距設(shè)計(jì)

在進(jìn)行多中空噴絲板設(shè)計(jì)時(shí)，圓環(huán)間縫隙的確定，即δ值的大小是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，既要考慮膨化效應(yīng)又要考慮機(jī)械加工的強(qiáng)度和難度。δ過小，由于膨化作用不易形成中空，且影響噴絲板的強(qiáng)度，δ值過大，膨化比達(dá)不到，從而熔體不能粘著，形成分絲。至今理論界只有定性的公式而沒有定量的公式，經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為[4]一般取0.06-0.2 mm，本論文通過實(shí)驗(yàn)得出一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，供參考。

我們?nèi)形孔弧度α=π/2～π，內(nèi)徑為0.6mm，外徑為0.8mm，圓弧孔間隙的周向距離為0.2±0.01mm，此寬度根據(jù)纖維的線密度進(jìn)行選擇，能保證中空的孔型和熔體的順利閉環(huán)，不致產(chǎn)生中空破裂。

2 多中空噴絲板微孔加工

2.1 加工方法的選擇

目前異形噴絲板微孔有兩種加工方法，即線切割法和電火花腐蝕，這兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，線切割法的加工靈活性好且精度高，幾乎可以加工各種孔形，但它的加工成本很高。如果要加工大量的具有相同截面的噴絲孔，電火花法相對(duì)便宜，但它的加工精度稍差一些.且有的孔形不能加工。本文中空噴絲板微孔加工中采用蘇州生產(chǎn)的ZT-007微孔電火花數(shù)控加工機(jī)床進(jìn)行加工。

2.2 電極制作

用電火花腐蝕法加工微小異形孔，電極制作是一個(gè)關(guān)鍵。

圖4 微腔模具示意圖

由于無論銀的機(jī)械加工性能還是放電特性都較銅有很大的優(yōu)勢(shì)，為此本文采用擠壓方式加工C字形電極，加工時(shí)為避免加工不穩(wěn)定以及開口間隙不一致，本文通過導(dǎo)向器采用拼裝方式加工17中空微孔，16個(gè)C字形單元一次加工完成。電極采用微腔模具擠壓而成。圖4為所設(shè)計(jì)微腔模具示意圖。

2.3 電加工工藝選擇

在多次試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)影響加工速度和質(zhì)量的主要因素是脈沖寬度、脈沖間隔、峰值電流和放電間隙[5]。增加脈沖寬度，加工速度也隨之增加，但表面粗糙度和加工精度也越差。增大脈沖間隔，會(huì)降低加工速度，增加電極損耗。在脈沖寬度和脈沖間隔一定時(shí)增大峰值電流，加工質(zhì)量降低。通過試驗(yàn)得出，加工異形微孔時(shí)，加工效率最高且加工很穩(wěn)定的脈寬為0.6-0.9μs，峰值電流的最佳值為0.8-1.2A，放電間隙在0.012-0.015mm時(shí)能過的較高的加工精度。

圖5 噴絲板微孔照片

圖6 所紡纖維截面

圖5為微孔放大圖，圖6為所紡纖維截面。

3 結(jié)束語(yǔ)

1）本文用單元法設(shè)計(jì)、加工多孔中空噴絲板，并應(yīng)用于實(shí)際紡絲，證明使用效果良好，能紡制出所需要的纖維。

2）噴絲板微孔的特征尺寸設(shè)計(jì)時(shí)既要考慮聚合物熔體在噴絲孔內(nèi)的流動(dòng)性能，又要考慮微孔的機(jī)械加工性能。

3）對(duì)于多孔噴絲板微孔加工時(shí)選取合理的工藝，一次加工完成可以保證加工一致性，獲取較高的質(zhì)量。

[1] 張樹鈞.改性纖維與特種纖維[M].北京:中國(guó)石化出版社,1995,133.

[2] FZ/T92043-95,中華人民共和國(guó)紡織行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3] 李朝忠.中空纖維噴絲板的微孔設(shè)計(jì)[J].合成纖維工業(yè),2002,25(5):47-50.

[4] 王華平,余曉蔚,朱建民.熔紡中空纖維皮芯結(jié)構(gòu)的形成原理及動(dòng)力學(xué)模擬[J].合成纖維工業(yè),1999, 22(4):1-4.

[5] 翟德梅.電火花加工工藝效果的分析研究[J].模具制造,2002,14(9):38-41.

TH166

A

1009-0134(2010)11(下)-0116-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.11(下).41

2010-08-04

王越（1970 - ），女，遼寧沈陽(yáng)人，講師，碩士，主要從事化纖機(jī)械設(shè)計(jì)及紡絲成型理論研究。