甘學(xué)輝,曹均雨,楊崇倡,劉娜娜

(東華大學(xué) 機械工程學(xué)院,上海 201620)

基于Polyflow對纖維拉伸成形過程的模擬＊

甘學(xué)輝,曹均雨,楊崇倡,劉娜娜

(東華大學(xué) 機械工程學(xué)院,上海 201620)

紡絲熔體從噴絲微孔擠出之后,經(jīng)過冷卻、拉伸最終凝固成絲條.這個過程主要受到紡絲卷繞拉伸力和冷卻空氣對流傳熱等條件影響.利用Polyflow軟件建立纖維拉伸成形的數(shù)值模型,模擬圓形截面纖維在冷卻空氣和不同的拉伸力等條件作用下纖維拉伸成形的過程.分析在此過程中拉伸速率、絲條溫度和絲條半徑的變化情況,在聚合物熔體紡絲工藝研究中起到一定的指導(dǎo)作用.

拉伸成形;數(shù)值模型;Polyflow;數(shù)值模擬

熔體紡絲法紡絲,是化學(xué)纖維的主要成形方法之一.熔體紡絲法紡絲成形一般分為4個基本過程[1]:(1)紡絲熔體在噴絲微孔中流動;(2)擠出熔體中內(nèi)應(yīng)力松弛和流動體系的流場轉(zhuǎn)化,即從噴絲孔中的剪切流動向紡絲線上的拉伸流動的轉(zhuǎn)化;(3)熔體絲條的單軸拉伸流動;(4)纖維的固化.在上述過程中,成纖高聚物要發(fā)生幾何形態(tài)、物理狀態(tài)和化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化.這個過程主要受拉伸應(yīng)力、冷卻溫度等條件對纖維局部晶體形態(tài)及相轉(zhuǎn)變、結(jié)晶誘導(dǎo)時間等的影響,是典型的流動誘導(dǎo)結(jié)晶的過程[2].為了盡可能準(zhǔn)確描述纖維成形過程中發(fā)生的變化,并盡可能分析出結(jié)晶和纖維成形的關(guān)系,本文首先根據(jù)非等溫結(jié)晶動力學(xué)知識建立熔體紡絲過程的理論模型,再利用 Polyflow軟件對卷繞拉伸力和冷卻空氣等因素描述并建立合理的數(shù)值模型,對纖維拉伸成形過程進行數(shù)值模擬.

1 理論模型

1.1 流動誘導(dǎo)結(jié)晶理論

流動誘導(dǎo)結(jié)晶的實驗研究目前已經(jīng)獲得不少的研究成果.關(guān)于流動誘導(dǎo)結(jié)晶的主要結(jié)論[3]有:(1)流動可以導(dǎo)致聚合物熔體的結(jié)晶溫度升高;(2)聚合物熔體受到剪切或拉伸作用后,體系的結(jié)晶誘導(dǎo)時間變短、成核速率或生長速率增大;即使是在較低的剪切或拉伸速率下,這些參數(shù)都有數(shù)量級的變化;(3)流動對結(jié)晶的影響主要發(fā)生在成核階段,并且長鏈分子在流動條件下更容易取向形成束狀晶核;(4)流動場存在下,晶體的形態(tài)會發(fā)生改變,比如球晶生長出現(xiàn)各向異性或者是出現(xiàn)shish-kebab結(jié)構(gòu).基于上述部分實驗結(jié)果,本文模擬研究結(jié)晶在纖維成形過程中與拉伸力的關(guān)系.

1.2 非等溫動力學(xué)理論模型

纖維的拉伸成形過程主要受拉伸應(yīng)力和冷卻空氣影響,所以其結(jié)晶過程可認(rèn)為是靜態(tài)結(jié)晶加上拉伸誘導(dǎo)結(jié)晶的過程.非等溫靜態(tài)結(jié)晶過程是能量轉(zhuǎn)換的過程,由能量方程得到[4]:

其中:η為黏度;ρ為密度;Cp為比熱容;T為溫度;t為時間;r為軸向半徑;z為軸向長度;λ為熱導(dǎo)率;vz為流動速度;Q為結(jié)晶過程中每單位體積的放熱量,即結(jié)晶潛熱項.

其中,結(jié)晶潛熱項Q可由結(jié)晶動力學(xué)表述為[5]:

其中:θ 為最大結(jié)晶度;θ為結(jié)晶度;ΔHc為結(jié)晶熱焓.結(jié)晶度θ將分別受擠出溫度、冷卻空氣溫度、拉伸應(yīng)力的影響,同時隨時間變化而變化.

NA KAM URA等[6]在等溫動力學(xué)基礎(chǔ)上擴展了Avrami等溫結(jié)晶理論,假定成核和生長兩個階段具有相同的溫度依賴性,提出了非等溫結(jié)晶動力學(xué)模型[7].由 Nakamura模型,可將式(2)中 dθ/d t表示為:

其中:n為A vrami指數(shù),θ表述為:

而對于 KS(T,γ.)又有如下表述[8]:

其中:f為中間變量,f=2 T/T+Tm(T,γ.);T 為最終溫度,這里等于空氣溫度;U＊為聚合物的分子活化能;R為氣體常數(shù);(1/t1/2)0為除溫度外其他影響結(jié)晶的因素參考因子;Kk為成核指數(shù);Tm為平衡熔融溫度;γ.為剪切速率.

2 數(shù)值模擬模型

2.1 Polyflow模擬原理

Polyflow是黏彈性和聚合物流動模擬方面占領(lǐng)先地位的軟件,適用于塑料、樹脂等高分子材料的擠出成形、吹塑成形、拉絲、層流混合、涂層過程中的流動及傳熱和化學(xué)反應(yīng)問題.Polyflow的模擬流程如圖1所示.

圖1 Polyflow模擬流程圖Fig.1 Polyflow numerical simulation flowchart

2.2 數(shù)值模型建立和模擬環(huán)境設(shè)置

選取圓形截面尼龍纖維作為模擬對象,用Gambit建立的圓形截面纖維過中心的半剖面幾何模型,并對幾何模型進行網(wǎng)格劃分,幾何模型長0.35m,寬0.000 2 m,網(wǎng)格數(shù)為 750.

模擬環(huán)境設(shè)置包括材料特性參數(shù)設(shè)置和邊界條件設(shè)置,邊界條件設(shè)置又包括流動邊界條件設(shè)置和熱邊界條件設(shè)置,在設(shè)置兩個邊界條件時均需要對自由面的邊進行網(wǎng)格重劃分.

材料設(shè)置包括:材料物性與流變特性參數(shù)、熔融紡絲加工工藝條件參數(shù)和模擬模型參數(shù)3部分,具體參數(shù)見表1～3.?

表1 材料參數(shù)表Table 1 Materials parameters

表2 工藝參數(shù)表Table 2 Process parameters

表3 模型參數(shù)表Table 3 Model parameters

各個物理邊界設(shè)置如圖2所示.其中:BS1為噴絲微孔出口即流量入口邊界,入口邊界溫度200℃.BS2為自由表面,即纖維表面,計算域進行網(wǎng)格整體重劃分,這個表面的位置及形狀待定;設(shè)定熱通量即在這個表面存在對流傳熱.BS3為出口,在這個邊界上給流體施加一個卷曲拉伸方向的作用力(f).BS4為中心對稱線:即纖維中心,圓形纖維剖面軸對稱.

圖2 纖維拉伸示意圖Fig.2 Fiber stretch form ing

3 模擬結(jié)果及分析

模擬主要是為了研究圓形尼龍纖維在不同的拉伸力和冷卻溫度等條件作用下,流動誘導(dǎo)結(jié)晶的過程及在這個過程中的速度、溫度、半徑(截面積)的變化情況.選取3種不同的拉伸力10,25,40N的熔體紡絲工藝條件作為研究方案.

3.1 3種方案的紡絲速率變化對比

在3種不同拉伸力下的拉伸速率收斂值分別是:9.1,20.7,92.6m/s,大致可以分別代表低速紡絲、中速紡絲和高速紡絲.

如圖3所示為3種不同拉伸力下的拉伸速率分布圖.從圖3可以看出,拉伸速率的增長速度遠大于拉伸力的增長速度,且拉伸力越小,拉伸速率曲線收斂越快,即低速紡絲比高速紡絲更容易收斂.隨著拉伸力增大,噴絲頭拉伸力也增大,噴絲頭拉伸力與拉伸速率成正比而非線性關(guān)系.

圖3 計算機模擬的拉伸速率分布圖Fig.3 Velocity profile of numerical simulation

3.2 3種方案下對流傳熱溫度變化對比

如圖4所示為3種不同拉伸力作用下的溫度分布圖.從圖4可以看出:(1)低速紡絲比高速紡絲溫度曲線收斂得快;(2)在擠出噴絲孔一段距離后纖維的中心溫度與外表面溫度有較大溫差,比較圖中的3種情況,發(fā)現(xiàn)低速紡絲的纖維表面和纖維中心溫差比高速紡絲的溫差大很多,即拉伸速率越低纖維表面和纖維中心溫差越大;(3)拉伸速率越小,結(jié)晶放熱越多,散熱越慢,因為結(jié)晶會放熱從而導(dǎo)致纖維內(nèi)部溫度升高,從而可以推測低速紡絲比高速紡絲纖維結(jié)晶度要高;(4)對于本文所研究的這種尼龍纖維,結(jié)晶溫度的最佳區(qū)域大概是30～40℃;(5)流動誘導(dǎo)結(jié)晶的過程中拉伸速率越高則結(jié)晶誘導(dǎo)時間越短,即低速紡絲比高速紡絲放熱越集中,拉伸速率越高越容易散熱.這與已經(jīng)獲得的流動誘導(dǎo)結(jié)晶的實驗研究成果:(1)流動可以導(dǎo)致聚合物熔體的結(jié)晶溫度升高;(2)聚合物熔體受到剪切或拉伸作用后,體系的結(jié)晶誘導(dǎo)時間變短,完全一致.

圖4 計算機模擬的溫度分布圖Fig.4 Temperature profile of numerical simulation

3.3 3種方案的絲條半徑模擬結(jié)果

由于在拉伸力(拉伸應(yīng)力)的作用下,紡絲過程中噴絲微孔出口處會發(fā)生纖維半徑縮減的現(xiàn)象,即通常所說的頸縮現(xiàn)象.如圖5所示為纖維半徑變形圖.

圖5 纖維變形對比圖Fig.5 Fiber deformation contrast

將噴絲微孔出口處纖維局部放大,可清楚地看出纖維截面變化情況.由圖5可知,在其他工藝條件一定的情況下,拉伸速率越大,纖維變形越大,得到的纖維也越細;所以,在工藝上可以利用高速紡絲得到直徑更小的纖維.結(jié)合圖4可以分析出:(1)在纖維的半徑發(fā)生頸縮時,熔體幾乎還沒有開始結(jié)晶,所以,頸縮發(fā)生在結(jié)晶之前;(2)纖維的拉伸力越大,纖維半徑越小,頸縮越嚴(yán)重.

4 結(jié)論

本文利用Polyflow軟件對不同拉伸力下的纖維成形過程進行了模擬,分析了在不同拉伸力和對流傳熱條件下,絲條拉伸速率、絲條溫度和纖維半徑的變化情況,得出以下結(jié)論:

(1)絲條成形過程拉伸力與拉伸速率成正比關(guān)系,拉伸力(拉伸速率)越小,則拉伸速率和溫度收斂越快,越容易達到平衡(達到最大結(jié)晶度、拉伸速率和纖維溫度不再變化即平衡),這與工藝上驗證的完全一致.

(2)低速紡絲比高速紡絲纖維表面和纖維中心溫差更大,結(jié)晶會放熱從而導(dǎo)致纖維內(nèi)部溫度升高,所以,拉伸會使對流動誘導(dǎo)結(jié)晶的過程結(jié)晶誘導(dǎo)時間變短,拉伸速率過快會使放熱量減少,結(jié)晶度變低.

(3)拉伸力越大,纖維半徑越小,頸縮越嚴(yán)重;頸縮發(fā)生在結(jié)晶之前.

[1] 藏昆,藏己.紡絲流變學(xué)基礎(chǔ)[M].北京:紡織工業(yè)出版社,1993.

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The Stretch Forming Process of Fiber Based on Polyflow Numerical Simulation

GAN Xue-hui,CAO Jun-yu,YANG Chong-chang,L IU N a-na
(College of Mechanical Engineering,Donghua University,Shanghai201620,China)

After extrusion from spinneret,looping th rough coo ling down,and stretching,ultimately,the melt w as congealed into strand silk.This process was mainly influenced by tensile strength of winding and convective heat transfer th rough coo ling air.By using Polyflow softw are,a numerical simulation model about fiber stretch forming could be established to simulate the forming process of circle-profiled fibers under coo ling air and different tensile strength. The changes of velocity,temperature and radius w ere analyzed in the process,which provide a theoretical ba sis for polymer melt spinning.

st retch forming ;numerical model ; Polyflow ;numerical simulation

TQ 342.19

A

2009-10-27

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(9D10306)

甘學(xué)輝(1972—),男,四川內(nèi)江人,副教授,博士,研究方向為新型化纖裝備.E-mail:xuehuig@dhu.edu.cn

1671-0444(2010)03-0271-04