基于熔融紡絲動力學(xué)模型的超細(xì)旦長絲紡絲成形分析

基于熔融紡絲動力學(xué)模型的超細(xì)旦長絲紡絲成形分析

詳細(xì)纖維（單絲纖維dpf）是近年來發(fā)展迅速的分離纖維。這是一種新型的高加工纖維，具有較高的成熟度。針對超細(xì)旦滌綸長絲的生產(chǎn)條件要求高、成形工藝復(fù)雜、影響因素多等問題以及現(xiàn)有的聚酯熔融紡絲動力學(xué)無法與實(shí)際生產(chǎn)相結(jié)合的缺點(diǎn),本論文在熔融紡絲基本數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,拓展和建立了超細(xì)旦長絲紡絲成形的工程數(shù)學(xué)模型,并通過計(jì)算機(jī)模擬,研究了緩冷區(qū)溫度對超細(xì)旦纖維紡絲成形的影響,為優(yōu)化超細(xì)旦纖維的生產(chǎn)工藝,制備超細(xì)旦纖維提供理論依據(jù)。1動力學(xué)模型建立為了對紡絲過程作出定量分析,首先從表征紡絲過程的一般物理規(guī)律和假設(shè)出發(fā):(1)PET聚合物的流動是穩(wěn)態(tài)和連續(xù)的;(2)纖維結(jié)構(gòu)變化在方程上連續(xù);(4)單根纖維橫截面上溫度分布均勻一致,即纖維徑向不存在熱阻;(5)將輻射傳熱系數(shù)包含在表面對流熱傳遞系數(shù)h之內(nèi)。根據(jù)質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒等原理建立的紡絲工程數(shù)學(xué)模型如表1所示。表1中:W為泵供量;D為絲條的橫截面直徑;V為絲條軸向運(yùn)行速度;X為紡程上離開噴絲孔的距離;F為絲條沿紡絲線的軸向張力;g為重力加速度;T在上述基本模型中,還包括下列用于模擬的基本參數(shù):(1)ρ=1.356-5.0×10式中:ρ(4)式中:A為纖維的橫截面積(cm式中:[IV]為熔體特性黏度(dL/g);θ為結(jié)晶度。在給定的紡絲初始條件下,利用半分法獲取紡絲的初始應(yīng)力F當(dāng)確定了初始的應(yīng)力以后,在假設(shè)未知物性參數(shù)的前提下結(jié)合已知的滌綸物性參數(shù),利用Matlab語言進(jìn)行紡絲模擬系統(tǒng)編程,得到一系列紡絲成形的理論數(shù)據(jù)。主要思路:采用四階龍格-庫塔(Runge-Kutta)法,選用適當(dāng)?shù)牟介L計(jì)算,代入相應(yīng)的初始值,T(X=0)=T2拉伸變形絲絲為了考察超細(xì)旦滌綸的成形特點(diǎn),我們對比分析了粗旦(dpf3dtex)、細(xì)旦(dpf1dtex、dpf0.6dtex)、超細(xì)旦(dpf0.3dtex)滌綸在紡程上的溫度、速度、應(yīng)力、取向的變化,基本模擬條件如表2、表3、表4所示。經(jīng)過計(jì)算機(jī)數(shù)學(xué)模擬計(jì)算,紡絲線上的絲條溫度、紡絲速度、應(yīng)力及取向度的變化結(jié)果如圖2所示。圖2(a)描述了在不同纖度下絲條平均溫度沿紡程的分布情況。從圖中可以看到,絲條溫度隨著紡程延伸而降低,并且絲條纖度越小,溫度下降的速率越快,在緩冷區(qū)和自然冷卻區(qū)這種降低數(shù)值較小,而在吹風(fēng)區(qū)降低較大。圖2(b)描述了不同纖度下絲條速度沿紡程的分布。從圖中可知,絲條速度沿紡程延伸遞增,纖度越小,速度增加的速率越大。這主要是纖度越小,比表面積越大,散熱越快,在相同的冷卻條件下越容易成形,凝固點(diǎn)上移,能較快地達(dá)到卷繞速度;當(dāng)絲條凝固后,因纖度導(dǎo)致的速度差異為零。圖2(c)表明不同纖度下應(yīng)力沿紡程的分布。從圖中可知,纖度越小,應(yīng)力增加的速率越快,dpf0.3dtex的纖維在紡程8.6cm之前應(yīng)力增加劇烈,而在紡程8.6cm之后應(yīng)力增加緩和;dpf3dtex的纖維在紡程31.42cm之前應(yīng)力增加較為劇烈,在31.42cm之后應(yīng)力很少增加。圖1(d)表明不同纖度下絲條取向沿紡程的分布。在緩冷區(qū),取向度隨著紡程延伸而快速增加,纖度越小,增加越快,并先達(dá)到定值,最終取向度越大。這主要是因?yàn)榧徑z線上的拉伸流動取向起主導(dǎo)作用,纖度越小,絲條張力越小,越容易被拉伸,所以取向度越大。而在同一冷卻條件下,纖度越小越容易凝固,大分子的活動性較小,形變困難,紡程上的拉伸應(yīng)力不足以使大分子進(jìn)一步取向通過上面對不同纖度纖維的模擬比較可以發(fā)現(xiàn),在同一工藝條件下,超細(xì)旦纖維相比細(xì)旦和粗旦纖維,對生產(chǎn)條件更為敏感,冷卻速率與拉伸形變速率加大,紡絲應(yīng)力增大,成形加劇,意味著纖維與纖維間及纖維束間纖維線密度的差異加大,均勻性、品質(zhì)難以控制。因?yàn)閿D出后的超細(xì)旦纖維絲條由于溫度高、質(zhì)量小,是成形過程中最薄弱的環(huán)節(jié),非常容易受外部環(huán)境影響,輕則使絲條產(chǎn)生抖動,條干不勻率增加,重則產(chǎn)生斷頭與毛絲。如在噴絲板下加裝緩冷裝置,降低熔體細(xì)流的冷卻速率,延長絲條的塑化區(qū),增大冷卻距離,有利于纖維品質(zhì)的提高。下面通過改變緩冷區(qū)溫度來模擬研究緩冷區(qū)溫度對纖維成形的影響規(guī)律。3模擬緩沖冷區(qū)的溫度對精細(xì)旦冠的形成的影響模擬了220℃、230℃、240℃、250℃不同的緩冷區(qū)溫度對纖維成形的影響規(guī)律,模擬計(jì)算結(jié)果見圖3。4緩冷區(qū)溫度對取向度的影響以及結(jié)果的討論和建議從以上的模擬結(jié)果我們可以發(fā)現(xiàn),在同一工藝條件下,隨著纖度的降低,絲條溫度沿紡程的下降速率增加,速度、應(yīng)力沿紡程的遞增速率增加,表明超細(xì)旦纖維對工藝條件的敏感度要高于細(xì)旦纖維和粗旦纖維。通過提高緩冷區(qū)溫度,可以有效地減小緩冷區(qū)中絲條溫度的遞減速率,減緩絲條速度的遞增速率,降低緩冷區(qū)中絲條所受的應(yīng)力,對緩冷區(qū)中絲條取向度影響較小,但可以提高最終的取向度。(3)纖維為圓形截面,紡程是豎直的,在紡絲線的主要區(qū)域中,占優(yōu)勢的形變類型是單軸延伸;(1)ρ=1.356-5.0×10(2)C(3)圖3(a)比較了不同緩冷區(qū)溫度下絲條平均溫度沿紡程的分布情況。從圖中可以看出,隨著緩冷區(qū)溫度的提高,絲條溫度的下降速率減緩。圖3(b)描述了不同緩冷區(qū)溫度下絲條速度沿紡程的分布情況。從圖3(b)中可知,緩冷區(qū)溫度的提高可以有效地減緩絲條速度的增加,在緩冷區(qū)的某一定點(diǎn)上,250℃時(shí)的絲條速度比220℃時(shí)的絲條速度要低300m/min左右。圖3(c)表明不同緩冷區(qū)溫度下應(yīng)力沿紡程的分布。在緩冷區(qū),應(yīng)力沿紡程增加的速率較慢,在吹風(fēng)區(qū)和自然冷卻區(qū)應(yīng)力等速上升,隨著緩冷區(qū)溫度的提高,絲條的應(yīng)力會增大。圖3(d)表明不