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冷却速率对聚合物熔纺纤维结构及性能的影响 　　摘要：本文综述了聚合物熔纺过程中冷却速率对纤维结晶和力学性能的影响。冷却速率影响着初生纤维的结晶速率、晶型以及晶粒尺寸，而初生纤维的微观结构影响纤维的后拉伸工艺及成品纤维的力学性能，其冷却速率是影响纤维力学性能的重要因素之一。 　　关键词：冷却速率；初生纤维；微观结构；力学性能 　　中图分类号：TQ340.1+4 文献标志码：A 　　Effect of Cooling Rate on Structure and Properties of Polymer Meltspun Fibers 　　Abstract： This paper reviews the research on the effect of cooling rate on crystallization and mechanical properties of polymer melt-spun fibers. The cooling rate had an influence on crystallization rate， crystal form and grain sizes of as-spun fiber， and the microstructure of the as-spun fiber had a strong influence on the after-drawing process and the mechanical properties of the finished fiber. Cooling rate of as-spun fiber is one of the important factors that influence the mechanical properties of finished fiber. 　　Key words： cooling rate； as-spun fiber； microstructure； mechanical properties 　　聚合物熔纺纤维力学性能的高低取决于成纤聚合物的结构、初生纤维结构及后加工工艺，而冷却速率影响初生纤维的结晶速率及晶粒尺寸，甚至决定了初生纤维的晶型。因此，通过研究不同冷却速率下初生纤维的微观结构，包括结晶度、晶型及晶粒尺寸，可得出冷却速率与初生纤维微观结构及成品纤维性能的关系，进而为提高纤维的力学性能提供理论指导。目前，关于冷却速率影响聚合物成形的研究集中在塑料加工领域，主要涉及冷却速率影响塑料的结晶、成形的规整性以及皮芯结构等方面。国内少有冷却速率影响初生纤维结构方面的研究，而国外相对较多。有研究者发现，冷却速率影响着聚合物初生纤维晶型的形成，进而决定了纤维的性能。如聚丙烯纤维，高冷却速率下促使近晶相的形成，从而有利于进行后拉伸，得到力学性能较高的聚丙烯纤维。因此，确定冷却速率、得到合适的微观结构是聚合物熔纺纤维的研究重点。 　　1 冷却速率对聚合物熔纺纤维结晶速率的影响 　　冷却温度是熔融聚合物结晶过程中最敏感的因素，温度相差 1 ℃结晶速率即有可能相差若干倍，聚合物从Tm以上降到Tg以下的冷却速率，实际上决定了晶核生成和晶体生长的条件，因此聚合物熔纺纤维加工过程中的结晶速率与熔体冷却速率有关。 　　聚合物等温结晶动力学理论中，以Avrami理论较完善实用。Avrami方程的具体形式如式（1）所示。 　　1-X（t） = exp（-Ztn ） （1） 　　对方程两边取对数得到式（2）。 　　lg [-ln（ 1-X（t））] = lgZ+nlgt （2） 　　式（1）、式（2）中，X（t）为t时刻的相对结晶度；Z为结晶速率常数（包含成核和生长），（min-n）；n为Avrami指数，与结晶过程的成核机理和生长维数有关。 　　结晶速率的大小关系到聚合物熔纺纤维的结晶时间与结晶度，从而影响了纤维的生产周期和产品的最终性能。 　　Jeziomy对Avrami方程进行了改进，从而可用于聚合物熔体非等温结晶过程中。Avrami结晶速率常数可用冷却速率校正，如式（3）所示。 　　lg∫Zc = lgZ /Ф （3） 　　式（3）中：Zc为经冷却速率校正后的Avrami结晶速率常数；Φ为冷却速率（K/min）。 　　冷却速率取决于熔体温度Tm和冷却介质温度Tc之间的温度差，即Tm-Tc=ΔT，ΔT称为冷却温差。如果熔体温度一定，则ΔT取决于冷却介质温度。 　　A Ziabicki研究了聚合物熔纺纤维冷却速率与成核速率之间的关系，指出：在复杂的结晶过程中，成核速率是由两种不同机理所贡献的。第一种贡献与热涨落而导致超临界尺寸（晶核）的分子集群有关；另一种无热成核，只是当体系中热力学状