文献综述
（一）本课题研究的现状及发展趋势
1.1大直径聚酯单丝的简介
大直径聚酯单丝是指直径在0.08mm-5mm之间的单根聚酯纤维，其成形工艺不同于常规的熔纺短纤维、复丝的空气冷却成形,特点是聚合物熔体单孔大容量挤出、液体冷却和多级拉伸。大直径聚合物单丝有优良的物理机械性能,具有良好的耐磨性,使用效果优于金属丝,刚性比复丝大。当用于特种织造时,可使织物在某一指定方向得到增强,低比表面积使织物不易受污染，聚合物单丝有韧性和记忆功能,与金属滤布相比,可以反复弯曲加工且不会硬化,又由于金属丝布对于化学稳定性有局限性,价格较高,比重又大,因此可以用单丝滤布替代金属丝滤布，其在未来市场有较好的竞争力。而聚酯单丝问世虽晚，但由于具有一系列优良性能，如断裂强度和弹性模量高，回弹性适中，热定型性能优异，耐热和耐光性好，织物具有洗可穿性等，故有广泛的服用和产业用途。同时由于近年石油化工业飞速发展，使涤纶原料生产，纤维成型和加工等过程逐步实现短程化，连续化，自动化和高速化。目前，聚酯纤维已成为发展速度最快，产量最大的合成纤维品种。聚酯纤维目前的主要品种有高伸缩弹性的PBT纤维(聚对苯二甲酸丁二酯）及PTT（聚对苯二甲酸丙二酯）具有超高强度，高模量的全芳族聚酯纤维等。
1.2大直径聚酯单丝冷却成型工艺流程
聚合物原料一纺前处理一挤压熔融一计量喷丝一液体冷却-后加工。研究表明,聚合物熔纺大直径单丝的液体冷却和传统的纤维空气冷却成形机理主要的区别在于常规纤维空气冷却成形时,对流传热系数alpha;*起主导作用,而大直径单丝液体冷却成形时,丝条内部的传热由聚合物导热系数lambda;起主导作用,单丝的最大直径和力学性能不仅取决于单孔熔体挤出量、纺丝参数,更主要还取决于聚合物本身的热传导系数lambda;值和液体冷却条件所形成单丝皮芯结构程度。这也为解释影响熔纺大直径单丝的纺丝稳定性机理提出了新的观点,具有一定的学术价值。随着社会的进步，以及对可持续发展的重视，寻找一种低成本，高效率的生产模式是大势所趋。
1.3液体冷却关键影响因素
研究表明通常熔体纺丝主要采用空气冷却,如环吹和侧吹,为径向气流冷却或横向气流冷却,由于熔纺聚合物大直径单丝径向导热时间较长,如用气流冷却,传热慢,固化长度大,纺丝雨道太高,带来工程和生产效率问题,因此,一般可用液体通常为水冷却,液体造成了极迅速的冷却作用,从而缩短了高聚物在最高结晶速率温度下的停留时间。熔体细流从喷丝孔中挤出后,先进入空气层,再进入冷却液体,即熔体细流在较高的温度下细化,再液体冷却。相对于空气冷却而言,液体冷却为对称冷却。在液体冷却过程中,初生丝所受到的阻力比在气体介质中高得多。在大多数液体冷却体系中,熔体细流垂直进入液体槽,然后通过一定路径离开液体冷却槽。液体冷却槽中使单丝改变方向的导丝辊位置,即与喷丝板的距离,一定要超过熔体细流的固化点。同样根据成纤聚合物的不同,单丝初生丝的线密度的不同,空气层的高度也将影响冷却效果。首先液体温度是影响冷却速率的关键，熔体纺丝过程中，丝条连续冷却经历一个温度范围，当中能够发生结晶，这对后续单丝的结构性能的影响尤为关键，但在任何温度停留的时间有限。冷却速率提高，任一温度提供给结晶的时间就相应减少，冷却速率降低，热氧交联将会使结晶度有所下降，因此纺丝线程上结晶性能取决于聚合物本身的结晶动力学与冷却速率的大小有关。另外，由于大直径单丝冷却过程是在液体中进行的,而水的黏度比空气大得多,丝条在其中运行时产生的阻力较大,这使得水冷方式下的纺丝速度会受到限制。事实上丝条与液体冷却介质的摩擦阻力对纺丝张力的贡献最大,但受纺丝速度限制,对丝条取向、结晶和拉伸性能并未构成很大的影响。由于聚合物熔纺大直径单丝冷却成形在液体中进行,不仅固化点前的张力无法准确测量,出水后的丝条也因水的润湿作用而无法测定。实验的结果可以认为,与常规纤维空气冷却成形相比,实验中初生丝的纺丝张力仍非常小,国外已有报道利用液体冷却成形方法,试制2000一5000m/min纺速下的新型聚酯长丝,并有专利报道。大直径单丝的皮芯结构是在一定的纺丝条件下,单丝的皮层取向高于芯层。这一论点的实验依据为,随单丝直径的增大,力学性能下降,如0.2mm的PET单丝强度可达8.0cN/dtex，分析认为聚合物熔纺大直径的皮芯层结构即沿径向上结构及性能的差异是因径向存在温度梯度以及单丝外层具有较大应力所致。皮芯层结构形成的具体原因为丝条首先进入空气层中细化,因空气层的传热速率较小,丝条能保持较高的温度,但温度高不利于晶核的形成,相应结晶速率也较低，甚至不结晶，故在未进入冷却水之前,丝条基本上还处于熔融状态；进入水中冷却时,因水的传热速率较大,丝条在进入水中的瞬间,其表层首先被冷却到固化温度以下,丝条表层的分子链来不及重排结晶,就被冻结固化,即形成结晶度非常低的皮层结构(类似玻璃状)此时,丝条内部的温度比表层的下降缓慢,温度可以持续一段时间保持在结晶温度范围内,这利于结晶,使得丝条内部能够达到一定的结晶度,进而形成芯层,故芯层因结晶而呈现不透明状。拉伸共振现象是聚合物熔纺大直径单丝液体冷却成形过程中的又一现象,是影响单丝稳态纺丝及力学性能的又一难题。拉伸共振不是对喷丝孔中的有限扰动的响应,而是对纺丝线上任何一点的无穷小扰动的持续振荡形式的响应,在恒定的挤出速度下,当喷丝头拉伸比超过某临界值之后,稳态纺丝会遭到破坏,丝条直径发生有规律的持续性周期变化,并伴之以张力的周期性涨落,这就是所谓的“拉伸共振”现象,这是高聚物熔体在拉伸形变场中的一种固有的不稳定性。在作者实验中,拉伸丝条直径最大值与最小值之比,随拉伸比的持续增加而有规律的加大,随拉伸比的增加,共振频率减小,振幅加大。实验中还发现,喷丝头拉丝比及粘流拉伸比是引起共振的又一个重要原因,实验发现,临界拉伸比对喷丝板的温度很敏感,随熔体温度升高临界拉伸比也增加,拉伸共振仅仅在液体冷却浴固化点或冷却辊强制冷却时出现。在空气中的非等温纺丝线中却没有出现过拉伸共振现象。说明对于拉伸共振现象的发生,需要拉伸体系中有两个固化点,其中一个是挤出模口,另一个是快速的冻结点。所以液体冷却过程中调节并控制液体冷却温度也成为引起拉伸共振特别要注意的工艺参数。几种聚酯单丝在不同冷却温度下的断裂强度的变化规律：0.1mm直径的PET单丝的断裂强度在20℃-70℃时逐渐增加，并在65℃左右达到最高值在70℃-80℃时断裂强度慢慢变小；0.2mm直径的PET单丝断裂强度在20℃-70℃时逐渐增加，在70℃达到最大值，在70℃-80℃时断裂强度慢慢变小；0.3mm直径的PET单丝的断裂强度在20℃-70℃时逐渐增加，在70℃达到最大值，在70℃-80℃时断裂强度慢慢变小，综合考虑断裂强度和断裂伸长，冷却水温度在70℃-80℃区间单丝的性能稳定。在20℃-60℃时，PBT单丝的断裂强度逐渐上升，在60℃左右达到最高值，在60℃-80℃时，PBT单丝的性能下降。直径的增大会影响单丝的性能，单丝的断裂强度越低。在20℃-60℃时，PTT单丝的断裂强度逐渐上升，在60℃左右达到最高值，在60℃-80℃时，PTT单丝性能下降，直径增大，单丝的断裂强度越低。PET-PBT 共混单丝的力学性能随着冷却水温的升高而提高, 这是因为冷却温度会影响共混初生丝的结晶方式 ,同时由于 PET 具有较高的玻璃化温度(67°C),因此冷却水温不宜偏低 ,但是过高的冷却温度也会导致共混单丝力学性能的下降,纺丝最佳冷却温度为 75°C 。PCL所纺纤维为单丝，直径为phi;0.14 mm（线密度约为165 dtex），丝条比表面积较小，而且熔体粘度较大，冷却固化速度较慢。为保证纤维在成形时能够充分冷却，采用水浴冷却的方式，并掌握好水浴温度与纺丝速度的配合。调整时，适当降低纺丝速度，水浴温度不要太低，否则冷却速度过快，不利于分子链取向的形成，丝条皮层变硬发脆，丝条牵伸性能变差，纤维质量难以保证；另外，水浴循环速度不宜太快，在保证冷却效果的前提下，尽量慢些，以防止丝条的扰动，避免丝条纤度不匀。试验表明，在纺丝速度45～50 m/m i n的情况下，采用水浴温度10～15 ℃，纺丝效果较好。
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