（机械设计及理论专业论文）多组分复合纺丝熔体流动及纤维成形过程的模拟研究.pdf

东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论 文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中 已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内 容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：礅钐匀两 日期：吲口年钞 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密匹 一虢曦崛 日期：咖易年华月以日 指导教师签名 日期：如阵缸月e t 奎兰丕堂堡主堂篁笙苎 一 摘要 一一- - ：= ： 多组分复合纺丝熔体流动及纤维成形过程的模拟研究 摘要 多组分纤维和异形纤维是化学纤维差别化的两种主要技术，与美、日等发达 国家相比，我国化纤工业存在量重质轻问题，差别化率低。目前，我国在新纤维 产品的研制，主要是通过仿制国外的新产品，由于缺乏纺丝条件优化控制理论的 指导，现在对纤维成形过程控制技术大都凭借实践经验及反复试验，增大了开发 的成本和周期。因此，本课题将主要针对熔体在复合纺丝组件中流动及纤维成形 过程理论模拟研究。 论文分析了多组分纤维和复合纺丝组件的概况，接着以流变学基本原理为理 论依据，研究高聚物熔体在复合纺丝组件单元内的流动机理，基于熔体在喷丝微 孔中流动的数学模型，推导出纺丝熔体在喷丝微孔单元中达到稳定流动时的速度 分布和剪切速率分布数学模型。用g a m b i t 建立多组分皮芯型喷丝微孔模型，在 有限元网格划分基础上，利用模拟粘弹性流体流动的c f d 软件一p o l y f l o w 对纺 丝熔体在喷丝微孔中的流动情况进行了模拟；并对熔体在其中流动的速度、压力、 温度三场进行了模拟仿真，分析出了流量比不同情况下对熔体复合的影响，得出 熔体在喷丝微孔内的流动情况，并实现熔体的流动过程可视化。这将为实际生产 中提供一定的理论依据。 论文详细分析了熔体挤出成形过程，把温度依赖粘度变化的a r r h e n i u s 模型、 微分粘弹性p p t 模型和流动诱导结晶模型应用于描述纺丝熔体挤出拉伸成型， 使得熔体纺丝模型更符合实际。建立了单组份圆形纤维的- 2 维数值模型，模拟流 场的参数分布，如速度、温度、结晶度等。重点讨论了高速纺丝过程中挤出胀大、 半径缩小、结晶三个物理现象。将数值模拟结果与熔体纺丝实验结果具有良好的 一致性。建立了多组分圆形纤维共挤出的二维数值模型，重点模拟讨论了改变流 场的参数如入口流量比、温度、拉伸速率对多组分皮芯纤维共挤出成形过程的影 东华大学硕士学位论文 摘要 响，并得出了有用的结论。 建立了十字形纤维的三维数值模型，主要针对异形纤维成形过程中纤维的变 形这一物理现象进行研究，并寻找主要原因。将计算机模拟所得的十字形纤维截 面形状与纺丝实验结果对比，基本符合，验证了数值模拟的正确性。 关键词：多组分纤维，熔体流动，p o l y f l o w ，纤维成形，数值模拟 东华大学硕士学位论文 a b s t r a c t s t u d yo fm e l tf l o w i nt h ec o m p o s i t es p i n n i n g c o m p o n e n t sa n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o no ff i b e r f o r m i n gp r o c e s s a b s t r a c t m u l t i c o m p o n e n tf i b e ra n dp r o f i l e df i b e ri s t w ok i n d so fk e yt e c h n o l o g i e si n d i f f e r e n t i a lf i b e r s c o m p a r e dt oa m e r i c a ，j a p a na n do t h e rd e v e l o p e dc o u n t r i e s ， c h 锄i c a lf i b e ri n d u s t r yi nc h i n af a c e sm a n yp r o b l e m ss u c ha sl a r g eq u a n t i t yw i t h l o w e rq u a l i t ya n dl o w e rd i f f e r e n t i a lr a t e a tp r e s e n t ，i no u rc o u n t r yt h en e w f i b e r p r o d u c td e v e l o p m e n tm a i n l yi sb y t h ei m i t a t i o no fn e wp r o d u c t sa b r o a d b el a c ko f t h e o r e t i cg u i d eo fe f f e c t i v es p i n n i n gp r o c e s sc o n d i t i o n s ，t h ef i b e rf o r m i n gp r o c e s si s m a i n l yd e p e n d i n go ne x p e r i e n c ea n de x p e r i m e n t ，i n c r e a s e dr e s e a r c hc o s t sa n dc y c l e s o ，m yr e s e a r c hi sm a i n l ya b o u ts t u d yo fm e l tf l o wi n t h ec o m p o s i t es p i n n i n g c o m p o n e n t sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no f f i b e rf o r m i n gp r o c e s s f i r s t l v a n a l y s e t h eo v e r v i e wo ft h em u l t i c o m p o n e n tf i b e ra n dc o m p o s i t e s p i n n i n gc o m p o n e n t s ，t h e nb a s e do nk n o w l e d g e o fp o l y m e rr h e o l o g y , s t u d yt h em e l t f l o wp r o c e s si nt h ec o m p o s i t es p i n n i n gc o m p o n e n t s ，l a s te s t a b l i s ham a t h e m a t i c a l m o d e lo fm e l tf l o wi nt h es p i n n e r e t ，a n dd e r i v e dm e l th o l e si nt h es p i n n e r e tw h e nt h e s t e a d vf l o wv e l o c i t ya n ds h e a rr a t ed i s t r i b u t i o nm a t h e m a t i c a lm o d e l w i t h t h e e s t a b l i s h m e n to fg a m b i to nt h es k i n c o r et y p eo fm u l t i c o m p o n e n tp h y s i c a lm o d e lo f s p i n n e r e th o l ea n dm e s h ，u s i n gp o l y f l o ws i m u l a t et h es p i n n i n gm o v e m e n t o fs p l n m n g m e i ti nm i c r o p o r e s ，a n di t ss p e e d ，p r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r e ，b ya n a l y z i n gt h e a 虢c t i o nt om e i ti o i na td i f f e r e n tr a t i of l o w , m a k eac o n c l u s i o na b o u tt h es i t u a t i o ni n m i c r o p o r e ，a n dm a k ei tv i s u a l ，w h i c h w i l lp r o v i d et h ef o u n d a t i o nf o ra c t u a l 东华大学硕士学位论文a b s t r a c t p r o d u c t i o n s e c o n d l y , i td e t a i l e d l ya n a l y z e st h ef o r m i n gp r o c e s so fm e l te x t r u s i o n t h e a r r h e n i u sm o d e l ，d i f f e r e n t i a lv i s c o e l a s t i cm o d e l p p tm o d e la n df l o w i n d u c e d c r y s t a l l i z a t i o nm o d e la r ea p p l i e dt od e s c r i b et h es p i n n i n gm e l te x t r u s i o ns t r e t c h f o r m i n g ，w h i c hm a k e st h em e l ts p i n n i n gm o d e lm o r ea c c u r a t ea n dm o r ep r a c t i c a l t h e e s t a b l i s h m e n to fc i r c u l a rf i b e r s2 dn u m e r i c a lm o d e lt os i m u l a t et h ed i s t r i b u t i o no f f l o wp a r a m e t e r ss u c ha ss p e e d ，t e m p e r a t u r e ，c r y s t a l l i n i t y , e r e i te m p h a s i z et h et h e r e p h y s i c a lp h e n o m e n o n ( e x t r u d a t es w e l l ，n e c k i n g ，c r y s t a l l i z a t i o n ) i n h i g h s p e e d s p i n n i n gp r o c e s s c o m p a r e dw i t ht h em e l ts p i n n i n gr e s u l t s ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t si s f u l lc o m p l i a n c e a f t e rt h a t ，b yt h ee s t a b l i s h m e n to f m u l t i c o m p o n e n tc o e x t r u s i o no f t h en u m e r i c a lm o d e l ，i tp a y sm o r ea t t e n t i o nt os i m u l a t i o na n dd i s c u s s i o no ft h e a f f e c t i o nt oc o 。e x t r u s i o nf o r m i n gp r o c e s so ft h es k i n - c o r ef i b e rc h a n g i n gt h ef l o w f i e l dp a r a m e t e r s ，s u c ha s ：e n t r yf l o wr a t i o ，t e m p e r a t u r e ，v e l o c i t y , a n dm a k ea u s e f u l c o n c l u s i o n f i n a l l y , e s t a b l i s h at h r e e - d i m e n s i o n a ln u m e r i c a lm o d e lo fc r o s sf i b e r s ，m a i n l y p r o f i l e df i b e rf o r m i n gp r o c e s sf o rt h ed e f o r m a t i o no ff i b e r st os t u d yt h ep h y s i c a l p h e n o m e n aa n df i n dt h ek e yr e a s o n s c o m p a r i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o n so ft h ec r o s s s e c t i o ns h a p ea n df i b e r s p i n n i n ge x p e r i m e n tr e s u l t s ，i tp r o v e st h ee x a c t n e s so f s i m u l a t i o n k e yw o r d s ：m u l t i c o m p o n e n t f i b e r s ，m e l tf l o w , p o l y f l o w , f i b e rf o r m i n g ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 1 v 奎兰奎堂硕士学位论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目j i v 第一章绪论1 1 1 研究背景及意义1 1 2 研究现状2 1 2 1c f d 方法在纺丝熔体流动模拟研究现状2 1 2 2 纤维成形过程模拟研究现状- 3 1 3 研究目标、研究内容、研究方法和创新点4 1 3 1 研究目标4 1 - 3 2 研究内容5 1 3 3 研究方法6 1 3 4 创新点7 第二章多组分纤维及纺丝熔体流动过程的分析8 2 1 多组分纤维的结构及分类8 2 1 1 多组分皮芯型纤维9 2 1 2 多组分海岛型纤维1 0 2 1 3 多组分并列型纤维l o 2 1 4 多组分剥离型纤维1 1 2 1 5 多组分共纺型纤维1 l 2 2 多组分纤维成形原理与复合纺丝组件1 2 2 3 复合纺丝法熔体流动过程分析一1 4 2 4 本章小结1 6 第三章复合纺丝熔体流动研究及数值模拟1 7 3 1 纺丝熔体流动的基本理论1 7 3 1 1 纺丝熔体的流变特性1 7 3 1 2 流体可纺性原理1 7 3 1 _ 3 流变学的发展过程1 7 3 1 4 流变学基本控制方程1 9 3 1 5 本构方程2 0 3 2 微孔中熔体流动基本方程2 3 3 3 熔体在喷丝微孑l 中流动模拟一2 7 3 3 1p o l y f l o w 软件的介绍及其在熔体纺丝问题上的应用2 7 3 3 2 皮芯型喷丝微孔结构和熔体复合模型2 9 3 3 3 纺丝熔体在双组份皮芯型纺丝组件内的数值模拟3 0 3 3 4 纺丝熔体在三组份皮芯型纺丝组件内的数值模拟3 4 3 4 本章小结3 7 第四章圆形纤维挤出成形过程数值模拟3 8 4 1 熔体纺丝挤出成形过程分析3 8 4 1 1 熔体纺丝挤出成形过程3 8 4 1 2 纺丝熔体挤出成形分析及理论3 9 v 东华大学硕士学位论文 目录 4 2 熔体纺丝的流变模型4 0 4 2 1 熔体纺丝的温度模型的建立4 0 4 2 2 熔体纺丝的本构模型4 1 4 3 有限元方法模拟熔体纺丝4 2 4 3 1 有限元方法求解熔体纺丝问题过程4 2 4 3 2 有限元方法模拟求解设置4 3 4 4 数值模拟结果与实验分析对比4 5 4 4 1 速度场模拟与实验对比分析4 5 4 4 2 温度场模拟与实验对比分析4 6 4 4 3 结晶度的分析与对比4 8 4 4 4 挤出胀大与纤维半径变化分析4 9 4 5 多组分皮芯型纤维成形过程数值模拟51 4 5 1 多组分皮芯型纤维成形过程分析51 4 5 2 建立多组分皮芯型纤维有限元模拟模型51 4 5 3 入口流量比、冷却温度及卷绕速度对纤维成形的影响5 3 4 6 本章小结。6 0 第五章异形纤维挤出成形过程数值模拟。6 l 5 1 十字形纤维熔融纺丝过程中挤出变形数值模拟一6 1 5 2 异性纤维挤出胀大变形过程分析6 4 5 3 数值模拟结果和熔体纺丝实验结果验证对比分析一6 7 5 4 本章小结6 8 第六章总结与展望6 9 6 1 总结6 9 6 2 展望7 0 参考文献7 1 攻读硕士期间发表的论文7 8 致谢7 9 v i 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 在过去的半个多世纪之中，人们研制了大量的各种性能的纤维，如高功能纤 维、高感性纤维、智能纤维以及可降解纤维掣。随着科技的不断进步目前的普 通纤维已经不能满足人们需求，纤维未来进一步的发展方向是多组分纤维和纳米 纤维。但是，国内所用高性能纤维9 0 以上仍依赖进口；在差别化、功能性纤维 方面与国外先进水平相比也有很大差距。一些高档次差别化纤维品种需要大量进 口【2 ，3 j 。因此，为了适应化学纤维差别化的需要，结合功能性要求，研究相应纺 丝技术课题非常有必要。多组分复合纺丝技术正是为纤维的细旦化、差别化、功 能化提供基本的技术保障。 目前，我国的多组分纤维和异形纤维等新产品的研制，主要是通过仿制国外 的新产品，由于缺乏纺丝条件优化控制理论的指导，现在的对纤维成形过程控制 技术大都凭借实践经验及反复试验，增大了开发的成本和周则4 1 。因此，对纤维 成形过程纺丝理论进行研究，并通过计算机模拟找出纺丝过程的关键因素，进行 生产工艺条件的优化，对指导多组分纤维和异形纤维的生产有非常现实的意义。 熔体复合纺丝法是指两种或两种以上的纺丝熔体形成稳定细流的汇入到喷丝板 的纺丝成形方法，是多组分纤维成形的关键技术之一，是复合纤维的性能能否达 到预期的效果的关键所在【5 1 。异形纤维成形与普通纤维相比，主要是喷丝板的模 口不同。所以，对于熔体纺丝而言，纤维的差别化，在纺丝设备上的不同就是纺 丝组件的不同。 在我国，目前较先进的多组分纤维的生产技术是大连合成纤维研究所股份有 限公司在2 0 0 5 年5 月给台湾的三芳化学工业股份有限公司安装的复合u d y 、m o y 的生产线6 1 。复合纤维的纺丝工艺过程是：将3 种聚合物切片分别干燥、熔融挤 出、过滤、熔体计量、随后进入复合纺丝箱体，在复合纺丝组件中，通过各自的 熔体流道汇聚在喷丝孔的入口处，三种熔体通过一定的复合方式一起挤出。由于 熔体很快固化，所以不会混合，形成界面清晰的复合纤维，其生产工艺如图1 1 【j 。 从图中可以看出，复合纺丝工艺过程中所需主要设备有：聚合物切片干燥设备一 一螺杆挤压机计量泵纺丝箱体复合纺丝组件卷绕头。在这个过 程中所需设备基本上都可以用普通的纺丝设备，但是，在纺出环节中的复合纺丝 组件必须根据相应的要求用特定的设备。同时，从复合纺丝组件到卷绕头的过程 影响纤维成形最主要的过程。 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 耩惫 蘩裔褥 虢穗 鐾辫 燃b 鲷黪襄霪蕤黪 图1 1 复合纺丝工艺流程图 聚合物熔体从复合纺丝组件到卷绕头的加工过程，包括熔体从进入到复合纺 丝组件到从喷丝板挤出成形的过程，主要包含两个过程：1 、纺丝熔体在复合纺 丝组件内的流动过程；2 、纺丝熔体从喷丝板的挤出纤维成形过程。这个两个过 程是对复合纤维成形都有决定性的影响，是非常有研究价值的环节。 1 2 研究现状 1 2 1c f d 方法在纺丝熔体流动模拟研究现状 计算流体力学( c f d ) 是以计算机作为模拟、计算或实验手段来数值求解各种 各样的流体流动、传热等问题。是一个多领域交叉的学科，涉及计算机科学、流 体力学、偏微分数学理论、计算几何、数值分析等学科 8 】。流体力学涉及的物理 现象是多方砸的，目前c f d 的应用领域己经从一维、二维发展到三维；从势流 发展到漩涡运动，从层流发展到湍流，从定常流发展到非定常流，从单相液体流 动发展到液、固两相流再到液、固、汽三相流。c f d 以其强大的功能，在航空、 水力、电力、化工、冶金和生化工程等各种领域得到了广泛的应用 9 , 1 0 】。 本课题主要内容之一是运用p o l y f l o w 软件对聚合物纺丝熔体在复合纺丝组 件内流动及纺丝熔体从喷丝板挤出后纤维成形的过程进行模拟研究。主要涉及三 方面内容：复合纺丝组件内纺丝熔体流动过程数学模型的建立、纺丝熔体在复合 纺丝组件内流动过程模拟和挤出后纤维成形的过程进行数值模拟。由于聚合物熔 体是复杂的粘弹性的非牛顿流体，所以用一般的c f d 软件模拟效果较差。目前， 在国内纺丝组件熔体流动这方面东华大学的纺织学院、材料学院、机械学院都有 相关的论文 1 l , 1 2 ，还有 i l l 大学的蔡兵在非牛顿流体纺丝拉伸流动 1 3 】博士论 文中也提到了相关的内容，以及东北大学的在喷丝板的理论及应用的研究 1 4 1 硕士论文中也有相关内容等等。但是对于国内这些研究的共同缺陷是：1 、这些 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 论文中的纺丝组件熔体流动模拟都是普通单组份纺丝，熔体流动通道比较简单， 没有针对复合纺丝组件的熔体流动分析，所以研究相对简单。2 、没有充分考虑 到粘弹性的非牛顿流体的复杂性，都是过度简化的方式研究，如把纺丝熔体假设 为一般的牛顿流体或非牛顿流体，没有考虑到熔体流动过程中粘弹性会发生变化 的特性。3 、模拟的纺丝熔体计算模型非常简单，与实际情况偏差大。主要有三 种情况：一、建立数学模型，推导出数学模型，由于建立模型过程简化和理想化 过多，导致模型偏差很大；二、所用模拟的c f d 软件相对落后，模拟结果不够 精确，如采用f l u e n t 模拟高聚物熔体流动过程，很难准确描述聚合物熔体的粘弹 性以及非等温流动过程；三、在选取模型时就与实际情况偏差较大，如粘弹性模 型选用m a x w e l l 模型，m a x w e l l 模型微分型粘弹性模型中较为简单模型，同时也 是实际情况偏差较大的模型。 1 2 2 纤维成形过程模拟研究现状 随着计算机技术的发展，计算机模拟分析熔融纺丝工艺的研究已有几十年的 发展，w h i t e 【1 5 】，d e n n 1 6 】，z i a b i c h i 1 7 】等对熔融纺丝过程的模拟研究作了综述。 纺丝过程，尤其是高速纺丝，涉及到许多重要的物理现象，如材料的粘弹性、热 传递、颈缩、流动诱导结晶、纤维拉伸、固化等，在过去的研究中，人们从实验 与模拟两个方面对上面的问题进行了深入的探讨。 绝大部分的模拟是针对单组分圆形丝，且在早期的模拟研究中，把纤维成型 的流场简化为一维模型，把纺丝熔体简化成牛顿流体，把熔融纺丝过程的温度变 化忽略，简化为等温过程。一维模拟计算量小，但无法预测纤维径向流动参数的 分布，如温度、结晶度等。早在1 9 6 7 年，k a s e 矛1 m a t s u o 在实验中发现，冷却后沿 纤维径向存在较大的温差，纤维中心温度要高于表面的温度【l8 】；h e n s o n 圳也有 相同的发现。h e n s o n 还发现，一维径向均化模型中，采用截面的平均温度代替纤 维表面温度，会过高地估计与周围环境的热传导，从而使计算得到的温度场不正 确。由于粘弹性流体流动中，应力是温度的函数。温度场计算的偏差，使得计算 得到的应力，继而大分子的取向，结晶度等不正确，影响了对最终纤维性能的预 测。解决以上问题，需要考虑径向的流动，即进行二维轴对称或三维纺丝过程的 模拟。 之后，许多研究者在原有基础之上扩展原来的理想模型，在模型中考虑了材 料的粘弹i 生1 2 0 , 2 1 】，非等温效应2 2 1 以及结晶行为 2 3 , 2 4 】。k u l k a n l i 禾1 b e r i s 2 5 】模拟预测 了高速纺丝下的颈缩现象并提出了颈缩机理：认为结晶改变了纤维形态并且晶相 承载高拉伸应力的能力下降是形成颈缩的原因。d o u f o u s 并w m c h u g h 于2 0 0 0 年建立 的两相微结构流变模型 2 6 , 2 7 ，其熔融相的流动用粘弹g i e s e k u s 模型描述，半结晶 相用则采用刚性棒模型，认为分子只能取向，不能被拉伸。模拟结果比较准确地 预测了速度、纤维表面温度的分布。同时也成功预测到颈缩现象。这是对纤维成 东华大学硕士学位论文第一章绪论 形模拟的较准确的结果。 圆形纤维纺丝过程主要利用的二维有限元方法模拟。f i s h e r 2 8 】最早对牛顿流 体的二维等温纺丝过程进行了有限元分析；k e u n i n g s 计算了p t t 流体与u c m 流体 的三维纺丝过程【29 1 。h u y n h 与t a n n e r 模拟分析了牛顿流体的非等温纺丝过程，从 温度的分布，可以发现纤维径向存在明显温度差【3 0 1 ，以上模拟分析均不考虑聚 合物材料的结晶相变过程。s u n 【3 l 】考虑了流动诱导结晶现象，建立了模拟二维粘 弹性流体纺丝过程的数学模型，其中耦合- y n a k a m u r a 结晶动力学方程【3 2 1 ，模型 预测得到的喷丝口处挤出胀大、温度、双折射等数据与实验较好吻合。但s u n 模 型本质上为单相模型，因此无法描述高速纺丝下纤维的颈缩行为。因此有必要建 立二维纺丝过程的两相流变模型，以及对径向流动与颈缩、流动诱导结晶等物理 现象进行准确的描述与预测。 异形纤维是最重要的差别化纤维之一，是指经非圆形的特定几何形状喷丝口 纺制的化学纤维。常见的异形纤维有；c 形、l 形、h 形、t 形、三时形、五角 形、十字形、三角形等。异形纤维的“异形 带来了一些独特的性质，例如：三 角形断面的纤维具有较大的光反射面，由三角形纤维织出的布，呈现光亮的表面； 中空纤维则具有轻量化，保暖等功能；尖角形的纤维对粉尘微粒的扑捉能力较强， 适合作为擦拭用途。由于异形纤维截面形状复杂，通常需要采用完整的三维模拟， 计算量较大、计算也比较困。因此，对于异形纤维的成型过程的计算机模拟分析 属于起步阶段，已发表的研究论文非常少，目前查到的有矩形 3 3 , 3 4 】环形丝 3 4 , 3 5 , 3 6 、三叶形型3 7 1 等。异形纤维成型过程中，经常发现最终得到的纤维的截面 形状较大地偏离喷丝口模形状【3 8 , 3 9 , 4 0 1 。n o h 对矩形纤维的成型过程进行了实验和 模拟的研究，发现在挤出胀大最大处，纤维截面成椭圆状。为了减少计算量， n o h 忽略了厚度方向上的流动，但模拟结果与实验值存在比较大的偏差。k i m 采 用有限元方法对p e t 三叶形纤维的成型过程进行数值模拟，预测得到纤维的形 状也较大程度地偏离实际纤维制品形状。对于异形纤维预测成型过程和找出纤维 成形的主要因素仍然是主要问题；对于圆形纤维模拟多组分同时挤出的成形模拟 现在还未涉及。 1 3 研究目标、研究内容、研究方法和创新点 1 3 1 研究目标 熔体纺丝的应用非常广泛，熔体挤出成形过程是研究的重点和热点，只有对 熔体挤出成型过程有较深的了解前提之下，才能对症找出问题所在。本论文主要 是从理论上和已有的熔体纺丝实验基础之上研究熔体在复合纺丝组件内熔体的 流动和在挤出成形过程中的拉伸细化，分析熔体在复合纺丝组件内的流动过程和 挤出拉伸成形过程，进而分析材料的流变参数和纺丝工艺条件对熔体的流动和挤 出成型过程的影响，建立熔体纺丝挤出成型过程的物理模型。 4 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 由于熔体在复合纺丝组件内复合是直接影响到复合纤维成型后的性能和截 面形状，所以了解熔体在复合纺丝组件内流动过程非常有必要，本论文将会在论 文用p o l y f l o w 可视化熔体复合过程，然后对可视化熔体复合过程进行讨论，进 一步更准确地了解多组分熔体在复合纺丝组件内复合过程。由于熔体纺丝拉伸速 度一般比较高且纤维直径小，难以测量和观察，通过使用p o l y f l o w 软件模拟熔 体挤出拉伸的运动状态，对模拟结果进行分析讨论。 1 3 2 研究内容 本文主要研究内容是熔体从进入到复合纺丝组件到从喷丝板挤出成型的过 程的研究。可以分为以下两个方面：一、纺丝熔体在复合纺丝组件内流动的模拟 研究；二、熔体挤出拉伸成形过程的模拟研究。即纺丝工艺条件对熔体在复合纺 丝组件微孔中流动过程到熔体从喷丝板挤出成型过程的影响的模拟研究。 本论文的工作将围绕五方面展开，据此，本课题的主要研究内容有： 建立熔体在微孔内熔体流动的数学模型 以流变学基本原理为理论依据，研究熔体在复合纺丝组件内的流动机理，建 立合理的数学模型，对熔体在多组份皮芯型喷丝孔单元内流动情况建立数学模型 并进行数值分析计算，推导出熔体在微孔流动的速度分布方程、体积流率方程。 建立多组分熔体在复合纺丝组件微孔内流动的数值模型，并进行模拟分析 对复合纺丝组件进行三维建模，对皮芯型喷丝孔结构进行优化设计。建立熔 体流动的数值模型，并用g a m b i t 建立模型，用p o l y f l o w 软件进行数值模拟，用 后处理软件f l p o s t 做结果处理，得出熔体在喷丝微孔内的流动情况，并实现熔 体的流动过程可视化。 分析熔体挤出成形过程及影响因素分析 喷丝微孔挤出之后拉伸成形过程：即喷丝微孔挤出之后，经过冷却、拉伸最 终凝固成丝条，而丝条的凝固过程相当复杂，在沿纺程的各质点上，其运动的速 度、截面积、温度、所受力和内部结构都在不断发生变化，而这些因素又相互 影响。 模拟单组分和多组分圆形纤维共挤出成形过程 建立单组分圆形纤维的数值模型，模拟流场的参数分布，如速度、温度、结 晶度等，重点讨论了高速纺丝过程中挤出胀大、半径缩小、结晶现象。建立多组 分圆形纤维共挤出的数值模型，重点模拟讨论了改变流场的参数如：入口流量比 流量、温度、拉伸速率对多组分皮j 枣纤维共挤出成形过程的影响。 对异形纤维成形过程的数值模拟研究 建立十字形纤维的三维数值模型，主要针对异形纤维成形过程中纤维的变形 这一物理现象进行研究。 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 3 研究方法 研究方法一般分为实验法和数值解析法、计算机模拟分析法： 一、实验法。这种方法要进行大量的实验，成本非常高，也很耗时。因此， 一般只在验证计算结果的合理性时使用。 二、数学解析法。这种方法只有对一些简单截面几何形状如圆形、狭缝型等 的流道，而且在采用不断简化和假设的情况下，推导出数学模型，然后，通过解 出数学模型，进而得到解析解。这种方法一般用于理论分析。 三、计算机模拟分析法。在熔体流动和纤维成型过程分析中，解析方法有很 大的局限性，求解往往需要很多的简化和假设，所以只能借助于计算机强大的计 算功能。计算机求解过程非常复杂且耗时，而且很大程度上还受到求解方法和计 算机能力的限制，所以，合理地选择数值模型和尽量减少计算量是计算机模拟分 析的关键所在。 实际研究中，根据实际情况选用相应的方法，通常采用几种方法相结合的办 法。本论文就是以基于p o l y f l o w 的计算模拟分析法为主，结合数学解析法和实 验法为辅的方式来研究。这种方法比传统的完全基于实验的方法大大降低了成 本，且更有效。传统研究方法和基于p l o y f l o w 的有限元分析数值模拟法的优缺 点简单对比如图1 2 ： 图1 2 传统研究方法和基于p l o y f l o w 的有限元数值模拟分析法对比 东华大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 4 创新点 ( 1 ) 建立多种因素影响下的熔体挤出拉伸成形的数值模型。 ( 2 ) 首次建立了多组分皮芯纤维的2 d 两种纺丝熔体复合共挤出的轴对称 有限元数值模型，采用p l o y f l o w 模拟了复合共挤出拉伸成形过程，得出了熔体 的入口流量比、温度和拉伸速率对纺丝熔体共挤出成形过程中的影响。 ( 3 ) 建立了十字形纤维的3 d 轴对称有限元数值模型，模拟出十字形纤维 挤出胀大过程和受表面张力下的成形过程。 东华大学硕士学位论文 第二章多组分纤维及纺丝熔体流动过程的分析 第二章多组分纤维及纺丝熔体流动过程的分析 在多组分纤维成形的过程中，纺丝熔体在复合纺丝组件中的流动复合过程和 纤维从喷丝微孔挤出后的在纺丝通道中的拉伸成形过程，是影响纺丝成形和决定 纤维质量的关键所在。所以，在研究复合纺丝熔体的流动复合过程和纤维成型过 程之前，必须对熔融复合纺丝法和多组分纤维的结构有清楚地了解，这样才能为 后面的研究做好铺垫。 2 1 多组分纤维的结构及分类 近些年来，世界化纤高科技产品的开发极为迅速，合成纤维的改性、开发和 研究也进入了一个新的阶段。合成纤维从总体上看是向多功能、多组分、细旦化、 高性能等方向发展，世界上技术较先进的化纤企业在纺丝工程中大部分是采用改 变纤维外形外观及其异形截面的方法来开发合成纤维新产品，创造出丰富多彩 的、各具特色的新合纤及高档面料【4 1 | 。 纤维真正意义上的细旦化始于复合纺丝技术的成功开发。合成纤维细化技术 最初是通过对常规纺丝技术进行改良，纤维细度( 线密度) 能达到0 3 3 d t e x ，随着 市场需求的迫切，生产技术的进步，上个世纪4 0 年代由a v i s c o 公司的s i s s o n 等 提出了粘胶纤维复合纺丝专利技术( u s p 2 3 8 6 1 7 3 d ) ，纺制出双组分粘胶纤维； 1 9 5 0 1 9 6 0 年间，美国杜邦公司先后纺制出并列型腈纶和聚酰胺复合纤维【4 2 。6 0 年代以来日本的东丽、钟纺等公司开发出多层结构化的特殊纺丝法和剥离法，成 功研制出不同规格的超细纤维。8 0 年代以后进入以超细纤维的应用为目的的商 品开发时代，超细纤维的特性、功能和潜力得到发掘和探索，仿麂皮织物、人造 皮革、超高密度织物、高性能擦拭布等新产品被不断投入市场【4 3 1 。 多组分纤维目前主要有双组分纤维和三组分纤维，其中双组分纤维占了绝大 大多数。多组分纤维是指将组分、配比、黏度等不同的两种或两种以上的成纤高 聚物熔体分别输送到同一纺丝组件，在组件中的适当部位汇合，从同一喷丝孔喷 出成为一根纤维。多组分纤维物理改性是使化学纤维模拟和超过天然纤维的重要 手段之一【1 1 | 。多组分纤维种类繁多，多组分纤维的复合形式按截面形状可分为： 共纺型、并列型、裂片型( 剥离型) 、皮芯型、和海岛型五大类。图2 1 是各种 多组分纤维的演变过程图 4 4 q7 奎堡奎兰堡主堂篁笙文第二章多组分纤维及纺丝熔体流动过程的分析 二一：t - 二：= = ：= ：= ! = ：! 困 ( 1 ) 爿：捌 o 胬 ll l 婪螽 疆l l 一 堪蹑喇h 障 - 图2 1多组分纤维的演变过程图 多组分纤维可用于医疗、服装、高档人工皮革、吸附及过滤材料、电导、光 传导等各种领域，下面是几种典型的多组分纤维的应用。 2 1 1 多组分皮芯型纤维 多组分皮芯型纤维目前有双组分皮芯纤维和三组分皮芯纤维。又分成同芯 形、偏芯形、异形截面等，利用芯皮结构的特点来改善纤维的性能。偏芯皮芯型 复合纤维具有三维空间的立体卷曲，有高度的体积蓬松性、延伸性和覆盖能力。 三组分皮芯纤维通常是在芯皮结构的基础上加上中问层，中问层一般加入黏性或 弹性聚合物，用来改善皮芯纤维的粘合性或弹性。三组分皮芯纤维显然是从双组 分皮芯纤维发展起来的，图2 2 为多组分皮芯型纤维截面图。 在美国专利【4 8 】中披露的一种三组分皮芯纤维，这种纤维通过在中间层2 d n 入 含弹性聚合物的成分形成皮芯型三组分纤维，可以显著地提高复合皮芯纤维的弹 性，这种纤维可用于层压材用含弹性材料。 在德国专利 4 9 】中发明的一种三组分皮芯纤维，可以改善复合皮芯纤维的粘 性，通过在中间层2 加入粘合剂来改善皮芯纤维的粘性。这种改善皮芯层粘合的 多层复丝生产工艺为：同时挤出多个层，并且在层1 和层3 间，同时挤入一种增 加层内粘合的粘合剂( 主要含有乙烯醋酸乙烯共聚物或甲基丙烯酸共聚物) 。 东华大学硕士学位论文 第二章多组分纤维及纺丝熔体流动过程的分析 图2 2 多组分皮芯型纤维截向图 2 1 2 多组分海岛型纤维 多组分海岛型纤维是指两种或两种以上组分的高聚物在纤维截面上以海岛 的形式分布，溶解“海”，将可得到集束状的超细纤维；溶解掉“岛”成分，则 可得到多孔中空纤维。产品特性：产品特性柔软的手感，极好的蓬松性、覆盖性 和保暖性；用途：茄克衫、风衣、女式裙装。三组分海岛型纤维的主要用处之一 是用来生产微细纤维或复合超细纤维。三组分海岛型纤维一般有两种结构：一种 为外皮层组分、海组分和岛组分；另一种为一个海组分和两个岛组分。图2 3 为 多组分海岛型纤维截面图。 日本东丽工业公司在发明了【5 0 】一种具有良好可染性和质地感的复丝微细纤 维前驱体的三组分海岛型纤维。这种纤维的组成：芯组分a 为可高度收缩的聚