基于熔融纺丝动力学模型的超细旦长丝纺丝成形分析

基于熔融纺丝动力学模型的超细旦长丝纺丝成形分析

详细纤维（单丝纤维dpf）是近年来发展迅速的分离纤维。这是一种新型的高加工纤维，具有较高的成熟度。针对超细旦涤纶长丝的生产条件要求高、成形工艺复杂、影响因素多等问题以及现有的聚酯熔融纺丝动力学无法与实际生产相结合的缺点,本论文在熔融纺丝基本数学模型的基础上,拓展和建立了超细旦长丝纺丝成形的工程数学模型,并通过计算机模拟,研究了缓冷区温度对超细旦纤维纺丝成形的影响,为优化超细旦纤维的生产工艺,制备超细旦纤维提供理论依据。1动力学模型建立为了对纺丝过程作出定量分析,首先从表征纺丝过程的一般物理规律和假设出发:(1)PET聚合物的流动是稳态和连续的;(2)纤维结构变化在方程上连续;(4)单根纤维横截面上温度分布均匀一致,即纤维径向不存在热阻;(5)将辐射传热系数包含在表面对流热传递系数h之内。根据质量守恒、动量守恒、能量守恒等原理建立的纺丝工程数学模型如表1所示。表1中:W为泵供量;D为丝条的横截面直径;V为丝条轴向运行速度;X为纺程上离开喷丝孔的距离;F为丝条沿纺丝线的轴向张力;g为重力加速度;T在上述基本模型中,还包括下列用于模拟的基本参数:(1)ρ=1.356-5.0×10式中:ρ(4)式中:A为纤维的横截面积(cm式中:[IV]为熔体特性黏度(dL/g);θ为结晶度。在给定的纺丝初始条件下,利用半分法获取纺丝的初始应力F当确定了初始的应力以后,在假设未知物性参数的前提下结合已知的涤纶物性参数,利用Matlab语言进行纺丝模拟系统编程,得到一系列纺丝成形的理论数据。主要思路:采用四阶龙格-库塔(Runge-Kutta)法,选用适当的步长计算,代入相应的初始值,T(X=0)=T2拉伸变形丝丝为了考察超细旦涤纶的成形特点,我们对比分析了粗旦(dpf3dtex)、细旦(dpf1dtex、dpf0.6dtex)、超细旦(dpf0.3dtex)涤纶在纺程上的温度、速度、应力、取向的变化,基本模拟条件如表2、表3、表4所示。经过计算机数学模拟计算,纺丝线上的丝条温度、纺丝速度、应力及取向度的变化结果如图2所示。图2(a)描述了在不同纤度下丝条平均温度沿纺程的分布情况。从图中可以看到,丝条温度随着纺程延伸而降低,并且丝条纤度越小,温度下降的速率越快,在缓冷区和自然冷却区这种降低数值较小,而在吹风区降低较大。图2(b)描述了不同纤度下丝条速度沿纺程的分布。从图中可知,丝条速度沿纺程延伸递增,纤度越小,速度增加的速率越大。这主要是纤度越小,比表面积越大,散热越快,在相同的冷却条件下越容易成形,凝固点上移,能较快地达到卷绕速度;当丝条凝固后,因纤度导致的速度差异为零。图2(c)表明不同纤度下应力沿纺程的分布。从图中可知,纤度越小,应力增加的速率越快,dpf0.3dtex的纤维在纺程8.6cm之前应力增加剧烈,而在纺程8.6cm之后应力增加缓和;dpf3dtex的纤维在纺程31.42cm之前应力增加较为剧烈,在31.42cm之后应力很少增加。图1(d)表明不同纤度下丝条取向沿纺程的分布。在缓冷区,取向度随着纺程延伸而快速增加,纤度越小,增加越快,并先达到定值,最终取向度越大。这主要是因为纺丝线上的拉伸流动取向起主导作用,纤度越小,丝条张力越小,越容易被拉伸,所以取向度越大。而在同一冷却条件下,纤度越小越容易凝固,大分子的活动性较小,形变困难,纺程上的拉伸应力不足以使大分子进一步取向通过上面对不同纤度纤维的模拟比较可以发现,在同一工艺条件下,超细旦纤维相比细旦和粗旦纤维,对生产条件更为敏感,冷却速率与拉伸形变速率加大,纺丝应力增大,成形加剧,意味着纤维与纤维间及纤维束间纤维线密度的差异加大,均匀性、品质难以控制。因为挤出后的超细旦纤维丝条由于温度高、质量小,是成形过程中最薄弱的环节,非常容易受外部环境影响,轻则使丝条产生抖动,条干不匀率增加,重则产生断头与毛丝。如在喷丝板下加装缓冷装置,降低熔体细流的冷却速率,延长丝条的塑化区,增大冷却距离,有利于纤维品质的提高。下面通过改变缓冷区温度来模拟研究缓冷区温度对纤维成形的影响规律。3模拟缓冲冷区的温度对精细旦冠的形成的影响模拟了220℃、230℃、240℃、250℃不同的缓冷区温度对纤维成形的影响规律,模拟计算结果见图3。4缓冷区温度对取向度的影响以及结果的讨论和建议从以上的模拟结果我们可以发现,在同一工艺条件下,随着纤度的降低,丝条温度沿纺程的下降速率增加,速度、应力沿纺程的递增速率增加,表明超细旦纤维对工艺条件的敏感度要高于细旦纤维和粗旦纤维。通过提高缓冷区温度,可以有效地减小缓冷区中丝条温度的递减速率,减缓丝条速度的递增速率,降低缓冷区中丝条所受的应力,对缓冷区中丝条取向度影响较小,但可以提高最终的取向度。(3)纤维为圆形截面,纺程是竖直的,在纺丝线的主要区域中,占优势的形变类型是单轴延伸;(1)ρ=1.356-5.0×10(2)C(3)图3(a)比较了不同缓冷区温度下丝条平均温度沿纺程的分布情况。从图中可以看出,随着缓冷区温度的提高,丝条温度的下降速率减缓。图3(b)描述了不同缓冷区温度下丝条速度沿纺程的分布情况。从图3(b)中可知,缓冷区温度的提高可以有效地减缓丝条速度的增加,在缓冷区的某一定点上,250℃时的丝条速度比220℃时的丝条速度要低300m/min左右。图3(c)表明不同缓冷区温度下应力沿纺程的分布。在缓冷区,应力沿纺程增加的速率较慢,在吹风区和自然冷却区应力等速上升,随着缓冷区温度的提高,丝条的应力会增大。图3(d)表明不