第3章　纤维的湿法成型及微结构调控

3.1　湿法纺丝成型原理

湿法纺丝通常通过相分离实现纤维的凝固成型。纺丝原液经喷丝组件进入凝固浴中，由于体系热力学的不平衡，溶剂与凝固剂发生双扩散，即溶剂从纺丝原液中通过扩散作用进入凝固浴，而凝固剂则由凝固浴向纺丝液内部扩散，随着纺丝原液中凝固剂含量的增加，体系原有的热力学平衡态被破坏，纺丝原液通过相分离减小体系的自由能，聚合物纤维在凝固浴中逐渐凝固成型。因此，湿法纺丝制备聚合物纤维主要涉及非溶剂/溶剂/聚合物三元体系的相平衡和相转变，研究该过程的热力学平衡过程，是探究溶液纺丝成型机理的重要手段。

聚酰胺酸初生纤维的性能直接影响聚酰亚胺纤维的强度，当纤维进入凝固浴开始双扩散过程时，其驱动力为浓度差，扩散速度可由Fick扩散方程表征，见式（3-1）。

式中：J为扩散速率[mol/（s·m2）]，D为扩散系数（m2/s），dC/dz为浓度梯度[mol/（m3·m）]。可以看出，不同结构的纺丝液与凝固浴的相互作用不同，导致其扩散系数D不同。纺丝液的浓度均超过10%，因此，浓度梯度dC/dz仅仅取决于凝固浴中凝固剂与溶剂的配比。

聚酰胺酸纤维的成型可以采用湿法纺丝技术路线进行研究，纺丝设备和过程如图3-1所示。聚酰胺酸浆液在高压空气压力作用下，经计量泵进一步加压通过喷丝头（50孔，直径80μm）进入凝固浴中，经过双扩散过程凝固成形，随后经过两道水浴，除去残留的溶剂，卷绕成形，随后将PAA初生纤维置于60℃真空烘箱中24 h，以充分除去残余溶剂。分别采用水/DMAc、乙醇/DMAc以及乙二醇/DMAc三种混合凝固浴进行湿法纺丝成型，以研究凝固浴对纤维成形及性能的影响，采用扫描电子显微镜（SEM）对不同成形条件下的PAA初生纤维的表面及断面进行观察，以确定纺丝的最佳条件。