一种用于湿法纺丝的喷丝头及其应用的制作方法

本发明属于纺丝设备技术领域，具体地说，涉及一种用于湿法纺丝的喷丝头及其应用。

背景技术：

喷丝头作为纺丝机上最精密的一个部件，其形状及特征尺寸是保证纤维成品品质的重要条件。而湿法纺丝工艺中所用的湿纺喷丝头，无论在材质、孔数，还是在孔形、孔径等各方面，都比干纺或熔纺喷丝头要求严格。在纺丝过程中，当纺丝原液受压从直径较大的空间被压入直径很小的喷丝口孔道内时，由于直径的减小沿流动方向产生速度梯度，导致纺丝原液发生弹性形变，用于弹性形变的能量大部分将作为弹性能贮藏于原液中。同时，原液流经喷丝头毛细孔道时会迅速收敛成细流，此时将产生能量的急剧转化。结合喷丝口入口区所贮存的弹性能和毛细孔道流动中所贮存的弹性能，原液细流会发生挤出膨化现象，从而破坏了细流的稳定性，造成毛丝或断头。

湿纺纺丝的喷丝头普遍采用圆锥形和圆弧形两种孔形，喷丝口分别是由圆锥形导孔或圆弧形导孔与圆柱形毛细孔两部分组成。对于目前普遍使用的圆锥形喷丝口，在毛细孔道长度不大的前提下，原液细流的弹性能在孔道中来不及松弛，从而细流在出口区出现体积膨化现象，且在高纺速下更为明显。此外，进入毛细孔入口处的圆锥形导孔和圆柱形毛细孔突变点时的能量损失可能扰乱纺丝原液的连续性，使可纺性严重变坏。

圆弧形喷丝口的圆弧形导孔与圆柱形毛细孔连接无突变，液流的连续性相对稳定，但圆弧形喷丝口与圆柱形毛细孔的直线相切其曲率变化较大，所以液流仍会有一定的能量突变，圆弧形喷丝口在料液的输送方向上的曲率时刻在改变，极易产生紊流，影响了纺丝速度、丝条的成形以及纤维的性能，以致纺丝不稳定。

从流体力学的角度分析来看，增大毛细孔长径比有助于纺丝原液弹性能的松弛，减轻连接处孔形突变所形成的流动紊乱，减小出口处的压力和膨化，有利于细流的成形稳定性。但是较大的长径比要求提高进喷丝口的纺丝原液压力，以克服喷丝口道加长后的能量损失，同时制造喷丝头的板材厚度和整体尺寸相应增加，从而使制造和使用时清洗的难度增加。

有鉴于此特提出本发明。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种用于湿法纺丝的喷丝头及其应用，使纺丝原液便于流入喷丝口，可减少纺丝原液进入喷丝口的入口能量，从而降低出入口压力降，避免发生不稳定流动现象，并有效减少出口处的膨化效应，改善纺丝可纺性，确保喷丝质量；同时减少纺丝中产生毛丝、疵点、断头等现象，提高纺丝品的质量。

为解决上述技术问题，本发明采用技术方案的基本构思是：

一种用于湿法纺丝的喷丝头，包括喷丝头本体和设置于喷丝头本体上的喷丝口，所述喷丝口包括沿料液的输送方向依次设置的导料段、过渡段和出料段，所述导料段和过渡段的内壁均沿料液的输送方向逐渐收缩，所述出料段的截面不变。

所述的导料段的内壁为沿料液的输送方向收缩而成的弧形内壁，所述过渡段的内壁沿料液的输送方向收缩速率恒定形成锥形内壁。

所述的过渡段的锥形内壁的锥角为20-60°。

根据流体力学分析，纺丝流体从大的横截面过渡到较小的横截面时，由于直径的减小沿流动方向产生速度梯度，在流动的流体中产生的抗张形变(弹性形变)占主要部分，抗张形变所引起的分子取向作用比在等径孔道中由剪切形变所引起的分子取向作用更为明显，所以在过渡段到出料段入口处张力达到最大值。因此，过渡段采用锥形结构更能够使流体平稳地过渡，当入口锥角大于120°时，流体流动时易产生旋涡；当入口锥角大于90°时，由于应力集中效应，流体急转直下，流线收缩不够平稳。当入口锥角为60°时，入口处应力集中消除，流线收缩较稳，流体流动较好。继续减小入口锥角至30°，流体速度分布由纵向流动转为剪切流动，流体在入口区域产生的剪切形变是产生分子取向的主要原因，流体的收敛程度有所减缓，流体流动相对稳定。若进一步减小入口锥角至15-30°，流体的出/入口压力降会有明显下降，原液流动的稳定性增加，可纺性得到改善。因此，在长径比不变的情况下，采用小入口角则相当于加长了入口区域。对于本专利所涉及的湿法纺丝应用领域，纺丝原液最大分子取向的入口角是在60°和0°之间，为了保证具有良好的成形条件，同时考虑到机械加工的可行性，所以过渡段锥形内壁的锥角选取为20-60°。

所述的导料段在喷丝口轴线方向的剖面形状为关于轴线对称的弧线段，两段弧线段共双曲线。

所述过渡段的两端分别与导料段的出料端和出料段的进料端平滑过渡；

优选地，所述导料段的弧形内壁与过渡段的锥形内壁相切。

所述的导料段、过渡段和出料段共轴线，锥形内壁和出料段的内壁在喷丝口轴线方向的剖面形状分别为关于轴线对称的第一直线段和第二直线段，弧线段与第一直线段平滑过渡，第一直线段和第二直线段平滑过渡；

优选地，所述弧线段与第一直线段相切。

所述的导料段和过渡段在喷丝口轴线方向的总长度大于喷丝口在该方向上的总长度的1/2，

优选地，所述的导料段和过渡段在喷丝口轴线方向的总长度为喷丝口在该方向上的长度的0.55-0.95倍。所述的过渡段在喷丝口轴线方向的长度不小于导料段在该方向上长度；

优选地，过渡段在喷丝口轴线方向的长度为导料段在该方向上长度的1-3倍。

纺丝流体流动的稳定性随出料段孔道长度的增加而增加，直至孔长增至某一极限值。但若毛细孔过长，在锥形的过渡段中产生的分子取向会大大地降低。虽然可用增加喷丝头拉伸的方法使收敛流动部分产生的取向保持完整，但这时纺丝过程的稳定性较低。另一方面，导料段与过渡段的直径收缩比愈小，流体在导料段与过渡段获得的弹性能就愈小。从流体的流动性角度来看，虽然导料段和过渡段均采用双曲线形更加有利于纺丝，但加工较困难，只能应用于孔数较少的喷丝板。因此，导料段和过渡段的高度和喷丝口的高度之间的比例以及导料段与过渡段的比例必须折中，以便获得适当的取向度又具有良好的流动和纺丝稳定性。对于本发明所涉及的湿法纺丝应用领域，纺丝流体均为非牛顿粘弹性流体，其中既有高粘度流体，也有低粘度流体，根据不同流体在喷丝孔中的流动特性，为便于纺丝原液流动，减小入口能量，避免发生不稳定流动现象，同时，为了保证纺丝原液中大分子具有良好的取向，且从现有的喷丝头加工技术角度来考虑，导料段和过渡段的高度和占比选取为0.55-0.95，过渡段长度为导料段长度的1-3倍。

所述出料段的截面为圆形，所述出料段的长径比0.8-1.8；

优选地，所述出料段的直径为0.05mm-0.2mm。

喷丝孔长径比的大小与所纺纤维的品种、纺丝溶液的粘度、纺丝速度等因素有关。湿纺纤维中喷丝孔长径比一般为0.5-2.0，长径比过小时，在大的喷丝头拉伸和较高纺速下，纺丝流体会发生过度紧张与压缩，容易造成毛丝或其它疵点。适当增加长径比，可使纺丝溶液流经毛细管的时间增加，有利于纺丝流体弹性形变的松弛，减轻连接处孔形突变所形成的流动紊乱，减小出口处的压力和膨化，有利于细流的成形稳定纺丝相对稳定性。但是较大的长径比要求提高进喷丝口的纺丝原液压力，以克服喷丝口道加长后的能量损失，同时制造喷丝头的板材厚度和整体尺寸相应增加，从而使制造和使用时清洗的难度增加。综合考虑，本发明中出料段毛细孔长径比选取为0.8-1.8。

一种上述的喷丝头在湿法制备再生纤维素纤维、芳纶纤维或氨纶纤维中的应用。

采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明的喷丝头使纺丝原液便于流入喷丝口，可减少纺丝原液进入喷丝口的入口能量，从而降低出入口压力降，避免发生不稳定流动现象，并有效减少出口处的膨化效应，改善纺丝可纺性，确保喷丝质量；同时减少纺丝中产生毛丝、疵点、断头等现象，提高纺丝品的质量。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。

附图说明

附图作为本发明的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。在附图中：

图1是本发明喷丝头结构示意图。

图中：1、喷丝头本体；2、出料段；3、导料段；4、过渡段。

需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

一种用于湿法纺丝的喷丝头，包括喷丝头本体1和设置于喷丝头本体1上的喷丝口，所述喷丝口包括沿料液的输送方向依次设置的导料段3、过渡段4和出料段2，所述导料段3和过渡段4的内壁均沿料液的输送方向逐渐收缩，所述出料段2的截面不变。

通过导料段的设置，使纺丝原液便于流入喷丝口，减少纺丝原液进入喷丝口的入口能量，从而降低出入口压力降，避免发生不稳定流动现象，并有效减少出口处的膨化效应，改善纺丝可纺性，确保喷丝质量；同时减少纺丝中产生毛丝、疵点、断头等现象，提高纤维丝的质量。

进一步的方案，所述的导料段3的内壁为沿料液的输送方向收缩而成的弧形内壁，所述过渡段4的内壁沿料液的输送方向收缩速率恒定形成锥形内壁。

导料段3为弧形内壁，便于纺丝原液的流入，入口能量小，降低出入口压力降；弧形内壁与锥形内壁相接，原液细流的弹性能在弧形内壁和锥形内壁形成的通道内得到充分的松弛，从而原液细流在从出料段2喷出时不易出现体积膨化现象，尤其在高纺速下更为明显；弧形内壁与锥形内壁相接，曲率变化小，纺丝原液动态时的能量突变小，能量损失小，不会扰乱纺丝原液的连续性，可纺性更好。

由弧形内壁过渡到锥形内壁的方式又进一步降低了毛细孔入口角度，在喷丝口长径比不变的情况下，入口角小相当于加长喷丝口的入口区，有助于纺丝原液细流弹性能的松弛，纺丝原液的出入口压力降会有明显的下降，原液流动的稳定性增加，可纺性得到改善。且随着入口区的加长，可使喷丝头内压增大，减少原液在孔道内的气泡，降低纺丝断头率，提高纺丝的质量。

收缩速率恒定的锥形内壁，原液流动的稳定性增加，而且有助于纺丝原液细流弹性能的松弛，减少原液在孔道内的气泡，降低纺丝断头率，提高纺丝的质量。

进一步的方案，所述的过渡段4的锥形内壁的锥角为20-60°。

进一步的方案，所述的导料段3在喷丝口轴线方向的剖面形状为关于轴线对称的弧线段，两段弧线段共双曲线。

由于采用了上述结构的导料段3和锥形段相接的组合，纺丝原液在导料段3的入口处呈双曲线形，不仅便于纺丝原液的流入，纺丝原液还可形成最小的入口能量，在降低出入口压力降的同时，避免发生不均匀的流动，从而有效减少喷丝口出口端的膨化效应。双曲线形的弧形内壁与锥形内壁相连接时，曲率变化很小，纺丝原液动态时的能量突变可达最小值或几乎没有突变，原液细流的连续性更加稳定。

双曲线形的弧形内壁与锥形内壁相接的方式又进一步降低了喷丝口入口角度，在喷丝口长径比不变的情况下，采用小入口角则相当于加长了喷丝口入口区，有助于纺丝原液细流弹性能的松弛，纺丝原液的出入口压力降会有明显的下降，原液流动的稳定性增加，可纺性得到改善。且随着入口区的加长，可使喷丝头内压增大，减少原液在喷丝口的通道内的气泡，降低纺丝断头率，提高纺丝的质量。

进一步的方案，所述过渡段4的两端分别与导料段3的出料端和出料段2的进料端平滑过渡；

优选地，所述导料段3的弧形内壁与过渡段4的锥形内壁相切。

进一步的方案，所述的导料段3、过渡段4和出料段2共轴线，锥形内壁和出料段2的内壁在喷丝口轴线方向的剖面形状分别为关于轴线对称的第一直线段和第二直线段，弧线段与第一直线段平滑过渡，第一直线段和第二直线段平滑过渡。

最好是，所述弧线段与第一直线段相切。

进一步的方案，所述的导料段3和过渡段4在喷丝口轴线方向的总长度大于喷丝口在该方向上的总长度的1/2，

最好是，所述的导料段3和过渡段4在喷丝口轴线方向的总长度为喷丝口在该方向上的长度的0.55-0.95倍。

增加导料段3和过渡段4的占比，降低了喷丝口入口角度，使纺丝原液在该部位充分松弛。

进一步的方案，所述的过渡段4在喷丝口轴线方向的长度不小于导料段3在该方向上长度；

最好是，过渡段4在喷丝口轴线方向的长度为导料段3在该方向上长度的1-3倍。

上述长度比范围内，纺丝原液细流的连续性更好，从而提高纺丝原液的可纺性更好。

进一步的方案，所述出料段2的截面为圆形，所述出料段2的长径比0.8-1.8；

最好是，所述出料段2的直径为0.05mm-0.2mm。

长径比在上述范围内，纺丝原液细流的连续性更好，从而提高纺丝原液的可纺性更好。

进一步的方案，所述的导料段3和过渡段4的截面均为圆形、椭圆形、四边形或者十字形；

最好是，所述的导料段3、过渡段4和出料段2的截面均为圆形，过渡段4的进料端半径与导料段3的出料端的半径相等，过渡段4的出料端半径与出料段2的进料端半径相等。

上述的喷丝头在湿法制备再生纤维素纤维、芳纶纤维或氨纶纤维中的应用，制备得到的纤维性能及纺丝可纺性均得到提高。

该喷丝头也可用于干法纺丝、熔融纺丝，但效果不如湿法纺丝明显。

下面结合实施例以碱/尿素法纤维素纤维的湿法纺丝生产工艺以及lyocell纤维的干喷湿纺生产工艺为例对本发明的技术方案作进一步说明，将有助于本领域内技术人员理解本技术方案、效果等，实施例不限于本发明的保护范围，本发明的保护范围由权利要求决定。

实施例1

如图1所示，一种喷丝头，包括喷丝头本体1，喷丝头本体1上设置有多个喷丝口，所述喷丝口包括沿料液的输送方向依次设置的导料段3、过渡段4和出料段2，所述的导料段3的内壁为沿料液的输送方向收缩而成的弧形内壁，所述的导料段3在喷丝口轴线方向的剖面形状为关于轴线对称的弧线段，两段弧线段共双曲线，过渡段4的内壁沿料液的输送方向收缩形成锥形内壁，导料段3、过渡段4和出料段2的截面均为圆形。所述过渡段4的两端分别与导料段3的出料端和出料段2的进料端平滑过渡。

导料段3和过渡段4的长度和为喷丝口总长度的0.70倍，过渡段4的长度为导料段3长度的1.5倍，过渡段4与出料段2间的锥角为55°，出料段2的长径比为0.8，出料段2的孔径为0.10mm，孔数为100孔。

将纤维素浓度为5％(质量百分比)的碱/尿素法纤维素纺丝原液通过计量泵按照8ml/min的速度挤入到纺丝组件进料区，经过喷丝口中喷出纺丝原液细流，依次进入h2so4/na2so4组成的第一凝固浴槽和纯水组成的第二凝固浴槽中迅速拉伸形成纤维。纺丝组件内压力稳定，可纺性好，经过6h的连续纺丝，组件压力升高0.65mpa。得到的纤维指标见表1。

实施例2

如图1所示，本实施例与实施例1的区别在于，导料段3和过渡段4的高度和为喷丝口总高度的0.9倍，过渡段4的高度为导料段3高度的2倍，过渡段4与出料段2间的锥角为35°，出料段2的长径比为1.2，出料段2的孔径为0.10mm，孔数为150孔。

将纤维素浓度为4.2％(质量百分比)的碱/尿素法纤维素纺丝原液通过计量泵按照10ml/min的速度挤入到组件进料区，按照实施例1的方法进行纺丝，纺丝组件内压力稳定，可纺性好，经过5h的连续纺丝，组件压力升高0.40mpa。得到的纤维指标见表1。

实施例3

如图1所示，本实施例与实施例1的区别在于，导料段3和过渡段4的长度和为喷丝口总长度的0.9倍，过渡段4的长度为导料段3长度的2倍，过渡段4与出料段2间的锥角为40°，出料段2的长径比为1.0，出料段2的孔径为0.075mm，孔数为1000孔。

将纤维素浓度为11％(质量百分比)的纤维素/nmmo纺丝原液通过计量泵按照50ml/min的速度挤入到组件进料区，经过喷丝口中喷出纺丝原液细流，并进入nmmo/h2o凝固浴中。经由纺丝设备纺丝，纺丝稳定性优异，4小时纺丝时间内无断头，且纺丝组件内压力稳定。经过4h的连续纺丝，组件压力升高0.3mpa。得到的纤维指标见表1。

实施例4

如图1所示，本实施例与实施例1的区别在于，导料段3和过渡段4的长度和为喷丝口总长度的0.80倍，过渡段4的长度为导料段3长度的2.5倍，过渡段4与出料段2间的锥角为45°，出料段2的长径比为1.0，出料段2的孔径为0.09mm，孔数为1000孔。

将纤维素浓度为12％(质量百分比)的纤维素/nmmo纺丝原液通过计量泵按照50ml/min的速度挤入到组件进料区，按照实施例3的方法进行纺丝，2小时纺丝时间内无断头，且纺丝组件内压力稳定。经过2h的连续纺丝，组件压力升高0.1mpa。得到的纤维指标见表1。

对比例1

本实施例与实施例2的区别在于，喷丝头不包含导料段3，过渡段4的长度和为喷丝口总长度的0.75倍，过渡段4与出料段2间的锥角为60°，出料段2的长径比为1.0，出料段2的孔径为0.10mm，孔数为100孔，其它设备及参数不变。

按照实施例2的方法，采用与本发明专利所述喷丝头在相同纺丝工艺条件下同时纺制碱/尿素法纤维素纤维，原液细流进入凝固浴槽后，纺丝稳定性较差，频繁出现断丝及毛丝，经过2h纺丝后，组件压力升高1.5mpa，更换新喷丝组件。得到的纤维指标见表1。

对比例2：

本实施例与对比例1的区别在于，喷丝口孔径为0.09mm，孔数为1000孔，其它设备及参数不变。

按照实施例4的方法，采用与本发明专利所述喷丝头在相同纺丝工艺条件下同时纺制lyocell纤维，原液细流进入nmmo/h2o凝固浴中后，经纺丝设备纺丝，纺丝稳定性较差，2小时纺丝时间内断头出现较频繁，纺丝组件压力升高1.2mpa，更换新喷丝组件。得到的纤维指标见表1。

对比例3

本实施例与实施例2的区别在于，喷丝头不包含导料段3，其他条件与实施例2相同。得到的结论与对比例1与实施例2的结论相同。得到的纤维指标见表1。

对比例4

本实施例与实施例2的区别在于，喷丝头不包含过度段，其他条件与实施例2相同。得到的纤维指标见表1。

对比例5

本对比例与实施例2的区别在于，导料段和过渡段在喷丝口轴线方向的总长度为喷丝口在该方向上的总长度的0.23，其他条件与实施例2相同。

对比例6

本对比例与实施例2的区别在于，所述的过渡段在喷丝口轴线方向的长度为导料段在该方向上长度的0.5倍，其他条件与实施例2相同。

在过渡段在喷丝口轴线方向的长度小于导料段在该方向上长度时，得到的结果与该结果相似。

对比例7

本对比例与实施例2的区别在于，所述的过渡段在喷丝口轴线方向的长度为导料段在该方向上长度的4倍，其他条件与实施例2相同。

在过渡段在喷丝口轴线方向的长度大于导料段在该方向上长度的3倍时，得到的结果与该结果相似。

对比例8

本对比例与实施例2的区别在于，出料段的长径比为0.5，其他条件与实施例2相同。

出料段的长径比小于0.8时，得到的结果与该结果相似。

对比例9

本对比例与实施例2的区别在于，出料段的长径比为2.8，其他条件与实施例2相同。

出料段的长径比大于1.8时，得到的结果与该结果相似。

表1：纤维指标

由表1可见，从对比例1和对比例2可以看出，相对于传统湿纺用喷丝头，采用本发明专利所述技术方案，能延长纺丝工作周期，减少原液损失，纺丝原液细流的连续性得到稳定，从而提高纺丝原液的可纺性。同时纺出的丝质量较好，可以较大程度上提高产品质量，取得了较好的技术效果。

从表1可见，实施例2、对比例3和对比例4的对比可见，不设置过渡段4和导料段3相接的结构，而将过渡段4与导出段直接相连，或者将导料段3与导出段直接相连，均会造成增加原液损失，纺丝原液细流的连续性差，从而纺丝原液的可纺性差。

通过实施例2与对比例5的对比可见，导料段和过渡段在喷丝口轴线方向的总长度占比越大越好，其占比小于0.55时，纺丝原液细流的连续性差，从而提高纺丝原液的可纺性差。

通过实施例2、对比例6、对比例7的对比可见，过渡段在喷丝口轴线方向的长度小于导料段在该方向上长度，或者，过渡段在喷丝口轴线方向的长度大于导料段在该方向上长度的3倍时，纺丝原液细流的连续性差，从而纺丝原液的可纺性差。

通过实施例2、对比例8和对比例9的对比可见，出料段的长径比小于0.8和大于1.8时，纺丝原液细流的连续性差，从而纺丝原液的可纺性差。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。