（材料加工工程专业论文）细旦涤纶长丝熔体直纺工程模拟研究.pdf

东华大学学位论文原创性声明一瓣 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：1 ：历江雒 日期： 加汐年z ，月矽日 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r - i ，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密毗 学位论文作者签名：芬渔纠主 日期：湘乃年侩月如日 o 幽硕士学位论文熔体直纺细旦涤纶长丝工程模拟研究 细旦涤纶长丝熔体直纺工程模拟研究 摘要 细旦和超细旦纤维是目前差别化纤维的一个发展主流，也是差别化纤维发展 中的一类重要产品。近几年，我国相继投产的多条大容量十吨级涤纶熔体直纺生 产线，能生产涤纶细旦长丝，但附加值较低，市场竞争激烈，盈利能力逐步下降。 所以对熔体直纺过程的研究就十分重要。用计算机模拟来分析研究是比较可行的 方法，因为有很多数据是实验所不能得到的。本文将重点对熔体直纺细旦长丝的 输送过程进行模拟，给企业以完整的输送体系模拟以及调整工艺的方向。 本文首先建立了熔体输送过程的管道模型、增压泵模型、计量泵模型、熔体 过滤器模型以及纺丝组件模型。在每个单元模型中，根据稳态流体流动的原理， 建立了熔体输送过程中熔体停留时间、压力降、温升和熔体粘度降模型。模拟了 熔体温度、熔体压强和熔体粘度降随管长、停留时间的变化。发现增压泵、计量 泵对温升、压强降的影响比较大，而管道和纺丝组件对特性粘度降和停留时间影 响比较大。 在熔体输送过程中，熔体质量主要受到初始熔体特性粘度、交接点熔体温度、 熔体流量和大循环热媒温度的影响。调整模拟条件，进行权重分析，拟合得到特 性粘度降、温升和停留时间的权重分析式。发现：对于特性粘度降权重影响最大 的是初始特性粘度，较低的熔体温度和大循环热媒温度以及适当地提高产能均对 粘度降下降有利；初始特性粘度对于温升的权重最大，采用较高的特性粘度、调 低熔体温度和调高大循环热媒温度来会使得温升提高。 建立了熔体直纺细旦涤纶长丝的单丝模型，从力平衡、本构方程和能量平衡 三方面进行分析，分别得到了张力、温度、速度的微分方程式。根据模型利用 m a t l a b 软件进行编程，模拟了纺丝速度、温度、张力、纤维直径、速度梯度随纺 程的变化，并且对比了粗旦和细旦丝的特点。 在涤纶长丝生产中，产品规格和产量的调整十分频繁，本文模拟相邻管道产 0 差耋e 差嚣硕士学位论文熔体直纺细旦涤纶长丝工程模拟研究 量调整对于熔体质量的影响，发现相邻管道适当地增加产量会提高熔体质量。此 外，利用模型进行了熔体输送各控制点数值的验证，压强的模拟和实际比较吻合， 温度的模拟存在一定的误差。 调整熔体输送的工艺参数，对调整前后的熔体质量、最终产品的拉伸性能和 声速取向进行对比分析，发现调整后的熔体质量改善，纤维的强度、强度c v 、 伸长、伸长c v 等物理性能得到改善，取向度的降低也对后续d t y 的加工和染色 较为有利。 关键字：细旦涤纶长丝熔体输送模型工程模拟权重分析 o 熔体直纺细旦涤纶长丝工程模拟研究 e n g i n e e r i n gs i m u l a t i o no fm e l td i r e c ts p i n n i n gf i n ed e n i e r p o l y e s t e rf i l a m e n t a b s t r a c t a sa l li m p o r t a n tc l a s so fd i f f e r e n t i a lf i b e rp r o d u c t s ，f i n ed e n i e ra n ds u p e rf i n e d e n i e rf i b e ri st h em a i nd e v e l o p m e n td i r e c t i o n i nr e c e n t y e a r s ，an u m b e ro f h i 曲一c a p a c i t yp o l y e s t e rm e l ts p i n n i n gl i n e s f o rp r o d u c i n gf i n ed e n i e r p o l y e s t e r f i l a m e n th a v eb e e np u ti n t oo p e r a t i o ni nc h i n a b u tt h o s ep r o d u c t i o nl i n e sh a v el o w v a l u e - a d d e d ，p o o rm a r k e tc o m p e t i t i o na n dg r a d u a ld e c l i n e dp r o f i t a b i l i t y i ti sv e r y i m p o r t a n tt os t u d yt h em e l td i r e c ts p i n n i n gp r o c e s s f o rm a n yd a t ac a n n o tg o tb y e x p e r i m e n t s ，i ti sf e a s i b l et oa n a l y z et h ep r o c e s sb ya d o p t i n gu s ec o m p u t e rs i m u l a t i o n t h i st h e s i sf o c u s e do ns i m u l a t i o no ft h em e l tt r a n s p o r tp r o c e s so ff i n ed e n i e rf i l a m e n t ， i no r d e rt o p r o v i d ee n t e r p r i s ec o m p l e t es i m u l a t i o ns y s t e mo fm e l tt r a n s p o r ta n d a d j u s t i n gd i r e c t i o no ft e c h n i q u e s e v e r a lm e l tt r a n s p o r tp r o c e s su n i tm o d e l s ，s u c ha sp i p e l i n em o d e l ，b o o s t e ra n d m e t e r i n gp u m pm o d e l ，m e l tf i l t e rm o d e la n ds p i n n i n gc o m p o n e n tm o d e lw e r e e s t a b l i s h e di nt h i st h e s i s b a s e do nt h em e c h a n i s mo fm e l ts t e a d yf l o w , t h ec o m p u t i n g m o d e lo fm e l tf l o wt i m e ，p r e s s u r e d r o p ，t e m p e r a t u r ee l e v a t i o na n dv i s c o s i t y d e g r a d a t i o ni ne a c hu n i tw e r eo b t a i n e d t h ec h a n g e so fm e l tt e m p e r a t u r e ，p r e s s u r e a n dv i s c o s i t yw i t ht h ep i p el e n g t ha n df l o wt i m ew e r es i m u l a t e d i tw a sf o u n dt h a tt h e m e l tt e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ed r o pa tb o o s t e rp u m p ，m e t e r i n gp u m p sw a sc h a n g e d g r e a t l y , w h i l em o s to ft h ei n t r i n s i cv i s c o s i t yd r o pa n df l o wt i m eo c c u r r e da tt h e p i p e l i n ea n ds p i n n i n gc o m p o n e n t i nt h em e l tt r a n s p o r tp r o c e s s ，t h em e l tv i s c o s i t yi sm a i n l yi n f l u e n c e db yt h e i n i t i a lm e l ti n t r i n s i cv i s c o s i t y , t e m p e r a t u r e ，m a s sf l o wr a t ea n d t e m p e r a t u r eo fc y c l e d h e a tm e d i u m t h ew e i g h tf a c t o ra n a l y s i se q u a t i o n sf o rt h em e l tt r a n s p o r t a t i o np r o c e s s 0 熔体直纺细旦涤纶长丝工程模拟研究 w e r ef i t t e dw i md i f f e r e n ts i m u l a t i o nc o n d i t i o n s f o rm e l tv i s c o s i t yd r o p ，t h eg r e a t e s t i n f l u e n c ef a c t o ri st h ei n i t i a li n t r i n s i cv i s c o s i t y d e c r e a s i n gm e l ta n dc y c l e dh e a t m e d i u mt e m p e r a t u r e ，a n di n c r e a s i n gm a s sf l o wc a p a c i t ya p p r o p d a t e l ya r eb e n e f i tt o r e d u c et h ev i s c o s i t yd r o p i n i t i a li n t r i n s i cv i s c o s i t yi st h eb i g g e s tw e i g h tf a c t o rf o rt h e t e m p e r a t u r er i s e t h eh i g hi n t r i n s i cv i s c o s i t y , l o wm e l tt e m p e r a t u r ea n dt h eh i g h c y c l e dh e a tm e d i u mt e m p e r a t u r ew i l le n l a r g e ，t h et e m p e r a t u r er a i s e b a s e do nf o r c eb a l a n c e ，t h ec o n s t i t u t i v ee q u a t i o na n de n e r g yb a l a n c e ，t h es i n g l e f i l a m e n tm o d e lw a se s t a b l i s h e d t h ed i f f e r e n t i a le q u a t i o n so ft e n s i o n ，t e m p e r a t u r ea n d s p i n n i n gv e l o c i t yw a so b t m n e d a c c o r d i n gt o t h em o d e l ，t h es p i n n i n gv e l o c i t y , t e m p e r a t u r e ，t e n s i o n ，f i b e rd i a m e t e ra n dt h ev e l o c i t yg r a d i e n ta l o n gw i t ht h es p i n n i n g l i n ew e r es i m u l a t e d t h ed i f f e r e n c eo ft h i c kd e n i e ra n df i n ed e n i e rw a sc o m p a r e da t t h es a m et i m e i nt h ep o l y e s t e rf i l a m e n tp r o c e s s ，p r o d u c ts p e c i f i c a t i o n sa n dp r o d u c t i o na r e a d j u s t e df r e q u e n t l y t h ei n f l u e n c eo fa d j a c e n tb r a n c hp i p e l i n e ：m a s sf l o wa d j u s t m e n t o nm e l tq u a l i t yw a ss i m u l a t e di nt h i st h e s i s i tw a sf o u n dt h a tm e l tq u a l i t yw i l lb e i m p r o v e dw i t hi n c r e a s i n gp r o d u c t i o no fa d ja c e n tb r a n c hp i p e l i n e i na d d i t i o n ，t h em e l t t r a n s p o r tm o d e lw e r ev e r i f i e db yt h ed a t aa tt h ec o n t r o lp o i n t i tw a sf o u n dt h a tt h e s i m u l a t e dp r e s s u r ew a si ng o o da g r e e m e n tw i t ha c t u a lo n e s ，b u tt h e r ew a ss o m e d e v i a t i o nf o rt h et e m p e r a t u r es i m u l a t i o n a d j u s t i n gt h ep a r a m e t e r so fm e l tt r a n s p o r tp r o c e s s ，t h em e l tq u a l i t yb e f o r ea n d a f t e ra d j u s t m e n tw a sa n a l y z e d t h em e l tq u a l i t ys u c ha sf i b e rs t r e n g t h ，s t r e n g t hc v , e l o n g a t i o n ，d o n g a t i o nc vw a si m p r o v e da f t e ra d j u s t m e n t t h el o w e ro r i e n t a t i o no f p o yi sa l s ob e n e f i tt ot h ep r o c e s s i n go fd t ya n dd y e i n g h a n x i o n gj i a n g ( m a t e r i a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g ) k e y w o r d s ：f i n ed e n i e r ；p o l y e s t e rf i l a m e n t ；m e l tt r a n s p o r t a t i o n ；m o d d ；e n g i n e e r i n g s i m u l a t i o n ；w e i g h tf a c t o ra n a l y s i s 鬣幽硕士学位论文熔体直纺细旦涤纶长丝工程模拟研究 目录 第一章绪论1 1 1 细旦涤纶长丝的特点及国内外现状1 1 2 熔体直纺及其工程模拟3 1 3 熔体直纺输送过程的概述5 1 3 1 熔体粘度5 1 3 2 熔体温度5 1 3 3 熔体压力6 1 4 本课题的意义和研究内容7 1 5 参考文献8 第二章涤纶长丝熔体输送过程的模拟1 0 2 1 熔体输送模型的建立1 0 2 1 1 管道模型的建立1 0 2 1 2 增压泵、计量泵模型的建立1 3 2 1 3 熔体过滤器模型的建立一1 4 2 1 4 纺丝组件模型的建立1 5 2 2 熔体输送模型的初始参数1 7 2 3 模拟结果与讨论1 9 2 3 1 模拟结果1 9 2 3 2 各参数的变化过程( 模拟曲线) 一1 9 2 4 本章小结2 4 2 5 参考文献2 5 第三章涤纶长丝熔体输送工艺权重分析2 6 3 1 特性粘度降a 1 v 的权重分析2 6 3 1 1 初始熔体特性粘度1 v 0 的影响2 6 3 1 2 交接点熔体温度t 0 的影响2 7 3 1 3 熔体流量g 的影响2 7 3 1 4 大循环热媒温度t s b 的影响2 8 3 2 温升t 的权重分析一2 9 3 2 1 初始熔体特性粘度i v 0 的影响2 9 3 2 2 交接点熔体温度t o 的影响3 0 3 2 3 熔体流量g 的影响3 1 3 2 ，4 大循环热媒温度t s b 的影响3 1 3 3 停留时间t 的权重分析3 2 3 4 本章小结3 3 第四章涤纶长丝纺丝过程的单丝模型3 4 4 1 单丝模型的选取与建立3 4 q 差耋i 缝硕士学位论文熔体直纺细旦涤纶长丝工程模拟研究 4 1 1 力平衡和动量平衡。3 5 4 1 2 本构方程3 6 4 1 3 能量平衡3 7 4 2 细旦涤纶直纺的工艺参数和p e t 物性参数3 8 4 3 模拟结果与讨论一3 9 4 4 本章小结4 l 4 5 参考文献4 2 第五章涤纶长丝熔体输送模型的工程应用4 3 5 1 产量调整对相邻管道的影响4 3 5 1 13 0 v 1 0 1 的1 9 3 6 位的基本参数和初始模拟数据一4 3 5 1 23 0 v 1 0 6 的1 1 8 位的基本参数和初始模拟数据4 4 5 1 3 调整结果与讨论4 5 5 2 熔体输送管道各控制点的模型验证4 8 5 2 1 各控制点的位置4 8 5 2 2 各控制点的模拟值和现场值比较4 8 5 3 输送工艺调整前后最终产品性能对比5 0 5 3 i 工艺调整方案一5 0 5 3 2 熔体质量对比5 0 5 3 3 拉伸性能对比5 0 5 3 4 声速取向对比5 2 5 4 本章小结5 4 第六章结论5 5 攻读学位期间发表的学术论文目录5 7 致谓 5 8 o 戳硕士学位论文 熔体直纺细旦涤纶长丝工程模拟研究 第一章绪论 1 1 细旦涤纶长丝的特点及国内外现状 细旦和超细旦纤维是目前差别化纤维的一个发展主流，也是差别化纤维发展 中的一类重要产品。从发展趋势看，用细旦和超细旦纤维制成产品，必将成为新 世纪高档纺织品的流行趋势( 1 】。细旦纤维品种现已从涤纶长丝开始发展到所有的 化纤品种，故将0 5 5 1 4 4 d t e x 的涤纶长丝和丙纶长丝及0 5 5 1 8 9 d t e x 的锦纶长 丝和o 4 4 1 3 d t e x 的腈纶也都统称为细旦纤纠2 1 。 细旦、超细旦纤维所制得的织物具有常规化纤和天然纤维所无法比拟的特点 和风格，其中最突出的是柔软性好，更富于丝绸感。由于细旦丝的微细结构，在 织物中纤维根数增多，带来了“微气室”效应，提高织物的保温暖性和隔音性【3 】。 超细旦纤维比面积增加甚多，有利于提高织物的吸湿性，并有明显而特殊的 毛细管现象，输导水气性能良好，不仅改善织物染色性能，而且也改善了服用的 舒适性。 细旦及超细旦化纤的服装面料，其柔软性、尺寸稳定性和悬垂性均较一般织 物好，即使是高密组织的织物也如此。 由于细旦、超细旦涤纶织物具有的许多优良的特性，如手感柔软、悬垂性、 光泽柔和、透气传湿性、防风拒水性等，以致其产品有广阔的应用前景，作为服 装面料，其主要应用如下【4 击】： ( 1 ) 仿真丝织物 用细旦、超细旦纤维制作的仿真丝织物，既具有真丝织物轻柔舒适、华贵典 雅的优点，又克服了真丝织物易皱、粘身、牢度差等缺点，足以满足人们渴望衣 料多样化及高档化的要求。从开发的超细仿真丝织物看，所用纤维密度一般约在 o 1 o 5 d t e x 。 ( 2 ) 超高密度防水透气织物 用细旦、超细旦纤维制作的超高密织物，虽然密度很高，但质地轻盈、悬垂 性好、手感柔软而丰满、结构细密，虽不经涂层和防水处理，却同样具有很高的 耐水性，轻便易折叠、易携带，是一种高附加值的纺织产品。如市场上的超细纤 维吸水系列产品，就是针对国内市场空白从国外引进，采用高新科技纺织原料超 细纤维( d t y ) 纺织面料制成。 ( 3 ) 仿麂皮及人造皮革织物 用细旦、超细旦纤维做成针织布、机织布或非织造布后，经磨绒或拉毛， 再浸渍聚氨溶液，并经染色和整理，可制作仿麂皮或人造皮革织物。制成织物的 鬟汐差i 终硕士学位论文熔体直纺细旦涤纶长丝工程模拟研究 许多性能不亚于天然麂皮，既轻薄柔软、又光滑的表面纹理，既防水又透气、强 力好、不变形。 ( 4 ) 高性能清洁布 它是细旦、超细旦纤维制品的另一个代表产品。其织物由于具有比普通织物 多无数倍的微细毛孔，有较高的比表面积和微孔，因而具有很强的清洁能力、除 污快而彻底、不掉毛、洗涤后可重复使用。在精密机械、光学仪器、微电子、无 尘室及家庭等方面具有广阔的用途。 目前，超细旦纤维已成为影响织物加工及外观、风格、质地、手感等性能的 关键原料。但由于d p f 1 常规细旦品种为主，附加值较低，市 场竞争激烈，盈利能力逐步下降。而国外，如美国、日本、韩国等也很多企业生 产超细旦涤纶长丝及其面料，给企业带来巨大经济效益。 国外化纤公司早在2 0 世纪6 0 年代就开始了细旦和超细旦纤维的研究开发工 作【7 9 1 ，杜邦公司在1 9 6 4 年就取得了用复合纺丝法生产超细纤维的专利，并以此 作为发展超细旦纤维的起点，经过继续努力，到2 0 世纪7 0 年代，使剥离法和海 岛法两种复合纺丝法制取0 1 d t e x 左右超细旦纤维的生产工艺实现了工业化。目 前最好的超细旦纤维纤度己能达到o 0 0 1 d t e x ，并取得了较好的经济效果。三菱 人造丝公司采用直接纺丝法，制得纤度为o 0 6 0 1 d t e x 的超细旦腈纶，并用以生 产了人造麂皮“g l o r e 。这种人造麂皮具有色泽鲜艳、手感柔软、悬垂性好、易 洗涤等特点，主要用于过滤材料和洁净布。 我国的仪征化纤早在1 9 9 5 年研发出单丝线密度o 5 3 d t e x 超细旦涤纶d t y ， 填补了当时国内化纤产品的一项空白【1 0 】。目前该公司超细纤维生产技术已经非 常成熟，能生产出多种规格的超细旦涤纶长丝产品，满足了下游纺织企业生产仿 真丝绸和桃皮绒等高档衣料的需要。但是国内大多数公司仍然达不到或者不能生 产品质优异的细旦、超细旦纤维。 2 o 黝，硕士学位论文熔体直纺细旦涤纶长丝工程模拟研究 1 2 熔体直纺及其工程模拟 在涤纶长丝生产过程中，因聚酯熔体来源的不同把生产过程分熔体间接纺丝 和熔体直接纺丝两种形式。熔体直接纺丝指将聚酯装置的熔体利用管道直接输送 到纺丝装置中纺制成纤维的生产工艺。熔体间接纺丝是指将聚酯装置生产道德熔 体首先铸带切粒制成切片，切片运送到纺丝装置中，经输送、干燥、熔融挤压， 再制成熔体以纺丝的生产工艺。 熔体直纺和长丝切片间接纺相比，有以下的生产特点：减少了工序，缩短了 工艺流程，降低能耗；设备投资低，厂房建筑占地减少，生产成本大大降低；生 产规模大，对管理和技术的要求提高。 支持技术，对熔体直纺过程的研究就十分重要。用计算机模拟来分析研究是 比较可行的方法，因为有很多数据是实验所不能得到的。 熔融纺丝的研究是从上世纪六十年代，由z i a b i c k i 1 1 。3 】开始。此后，k a s e 和 m a t s u o 1 4 ，1 5 】继续研究，并总结出了熔融纺丝的基本方程式。在此过程中，z i a b i c k i 形成了熔融纺丝经典的著作：f u n d a m e n t a l so ff i b e rf o r m a t i o n 和h i 曲s p e e df i b e r s p i n n i n gs c i e n c ea n de n g i n e e r i n ga s p e c t s 。这两本著作详细阐述了成纤材料的流 变特性、流变行为、流体动力学、纺丝过程的传热传质、流体的固化、纺丝时纤 维结构的形成、纤维拉伸、热处理时纤维结构的变化和机理，形成了熔融纺丝体 系系统的理论，并较为系统地阐述了高速纺丝动力学，各种纺丝速度下熔融纺丝 的理论和实验，高速纺的纤维结构和性质的发展，高取向应力条件下纤维的结构 形成特征，各种高聚物( 包括p e t 在内) 在高速纺下的结构与性质。 有了理论，对于模型的构建就有很大的帮助。在动力学模型方面，z i a b i c k i 1 6 】 根据“细特长丝理论”建立了熔融纺丝动力学模型，这个模型可以由四个偏微分 方程联立求解，即连续方程，动量方程，本构方程和能量方程，这也为后来研究 高速纺、异形纤维以及细旦和超细旦纤维熔融纺丝提供理论基础，很多模型都是 在此基础上修正参数或者变形得到的。 随着化纤工业和科学技术的迅速发展，高速纺丝动力学的研究又成为热点， 有关高速纺丝的研究报导也陆续出现 1 。7 。2 1 。在p e t 高速熔融纺丝方面，通过对 速度、直径、温度、应力在纺程上的变化的模拟过程，研究了熔融纺丝过程中张 力的受力情况，应力和温度对于分子取向的控制关系。在尼龙6 高速熔融纺丝方 面，也形成了动力学模型。并可以通过模型模拟出纤维直径、温度、速度和双折 射随纺程的变化情况。 国内学者也对熔融纺丝工艺进行了较系统的理论研究，归纳并推导了熔融纺 丝的本构方程、能量方程、力平衡方程、取向方程、结晶方程，并且整理出了 p e t 、p p t 、尼龙6 等一些纤维的参量表达式。并在此基础上，建立了熔融纺丝 的数学模型，并用m a t l a b 语言建立了熔融纺丝的模拟程序。通过调节该程序可 嚆i 涉差i 撼硕士学位论文 熔体直纺细旦涤纶长丝工程模拟研究 进行高速纺丝、低速纺丝、中空纤维等工艺及产品的纺丝动力学计算机模拟 2 2 - 2 8 1 o 从上面可以看出，国内外许多学者已经对熔融纺丝，特别是纺丝过程动力学 开展了很多重要的研究，得到了系统的理论和相关的经验方程式。这些前人的经 验对于构建细旦涤纶长丝熔体直纺的相关模型很有帮助。 但是，从上面的整理可以发现，对于熔体直纺长丝的模拟都集中在纺丝部分， 而实际上，熔体直纺的熔体输送部分的研究也十分重要，需要建立一个完善系统 的模拟体系来更好地为企业提供参考。毕竟国内大多数的企业，在细旦涤纶长丝 制备中，熔体制备和输送与分配过程中稳定性很差，且熔体总体质量不高，使得 经济效益止步不前，他们也需要这样的系统来改善产品质量。 4 0 酗硕士学位论文熔体直纺细旦涤纶长丝工程模拟研究 1 3 熔体直纺输送过程的概述 一般来说，熔体直纺输送过程的流程为：终聚釜_ 增压泵_ 熔体过滤_ 纺丝 箱体_ 针型阀叶计量泵- 纺丝组件一喷丝板。 这其中，输送管道、增压泵、熔体过滤器、计量泵和纺丝组件都是熔体输送 的重要组成部分。熔体直接纺丝工艺中熔体的输送分配方案是保证有好产品的关 键问题。熔体分配方案设计和设备配置能否保证熔体充分混合，熔体温度和粘度 分布是否均匀，对直接纺的熔体来说至关重要。 1 3 1 熔体粘度 熔体的特性粘度是表征聚酯熔体品质的最主要的一个指标。如粘度偏低时， 喷丝板容易沾板，断头增多，切换成功率降低，影响满卷率，成品丝的强度降低， 伸长变大且不匀率增大，染色性能不佳，容易出现条斑。粘度偏高时，非牛顿指 数越低纺丝时越容易使熔体破裂，导致毛丝断头增多，伸长变小且不匀率增大， 吸色性能变差。因此，纺丝生产过程中，应严格控制粘度，并减少粘度波动，期 望特性粘度的波动能控制在土0 0 0 3 以内，以避免对纺丝和成品质量造成影响。 但是，导致熔体粘度波动的因素很爹z 引，如催化剂的活性、终聚釜液位的 波动、工艺不合理、搅拌器停止、热媒炉停止、操作平稳性差等。所以，控制熔 体粘度的波动就比较困难。而由于纺丝及后加工工艺是在正常熔体粘度范围内确 定的，当熔体粘度超出控制范围时，会给纺丝及后加工带来不利。就纺丝而言， 熔体粘度低时，熔体粘板，飘丝断头多，消耗大，p o y 强度低，伸度大，三不 匀大；熔体粘度高时，p o y 强度高，伸度小，均匀性差。由于p o y 强伸度及均 匀性差，p o y 后加工张力不稳定，d t y 毛丝僵丝多，染色均匀性差【3 0 】。 而改善熔体输送工艺，保持熔体质量，就会对熔体粘度的波动的控制起到良 好的效果。 1 3 2 熔体温度 对于长丝生产而言，由于纺丝速度的不断提高，对熔体可纺性的要求愈来愈 高。纺丝温度的选择不当，则影响纺丝效果，造成断头和毛丝增加，降低满卷率。 纺丝温度的选择依据是聚酯熔体的特性粘度和所生产p o y 的规格【3 1 1 。一般来讲， 聚酯熔体的特性粘度高，纺丝温度应相应提高，反之，则应降低。实践证明，随 温度的提高，熔体的动力粘度降低，熔体的均匀性和流变性变好，熔体的可纺性 逐步提高。虽然熔体温度的提高有利于提高熔体的可纺性，但熔体温度过高会引 起热裂解。对于聚酯熔体而言，最薄弱化学键为醚键，其热裂解温度在2 9 2o c ( 停留时间不超过3 0 m i n ) 左右 3 2 1 。由于熔体中水分促进熔体的裂解，熔体的实 时差童i 臻硕士学位论文 熔体直纺细旦涤纶长丝工程模拟研究 际裂解温度往往低于这个标定温度。 对于相同线密度的p o y ，其孔数越多，即单丝越细，纺丝温度应相应提高。 对于相同孔数的p o y ，线密度越大，纺丝温度应相应降低。纺丝的流变力与纺 丝张力成正比，而纺丝张力的变化影响到丝条的强伸度和染色。纺丝的流变力对 纺丝温度有强烈的依赖性，这主要是由于流变力的大小与熔体温度、冷却长度 和熔体粘度有关，而熔体粘度又主要受温度制约，因此，选择合适的纺丝温度可 以改善熔体细流的可纺性。 熔体在输送过程中的温度变化主要由以下几个方面构成： ( 1 ) 熔体输送中机械能转化成热能。这包括两个部分，一是压力降，熔体压 力降和熔体温升成正比：二是输送管线上的增压泵导致熔体温度升高。 ( 2 ) 熔体输送管道为夹套管，内层为熔体，外层为气或液相热媒，熔体与热 媒之间进行热交换【3 3 1 。因熔体在整个输送管道中的流动呈层流( 可不考虑对流 传热) 及p e t 熔体的导热系数很低，一般认为熔体温度受热媒温度影响不大， 即热媒温度调节熔体温度的作用较小，主要作用为保温。 ( 3 ) 熔体与熔体热交换器间的热能交换。 ( 4 ) 聚酯工段终聚釜温度变化对系统温度的变化也有非常重要的影响，一般 温度控制在2 8 2o c 左右。 熔体温度的控制包括两个方面：一是熔体温度的控制；二是熔体温度均匀性 的控制。熔体温度的控制主要在热媒得到作用和熔体换热器；熔体温度均匀性的 控制是通过齿轮泵和静态混合器来进行。 1 3 3 熔体压力 熔体压力的波动将引起熔体切变速率和粘度的变化，而这些变化将造成出丝 不良或泵供量不足或停留时间差异，从而影响熔体的均匀性，降低熔体的可纺性。 对于高速纺丝工艺而言，由于纺丝速度的提高，压力波动的影响也更加显著，因 此严格控制熔体到计量泵入口的压力和系统中的压力降异常重要。在特定的管道 情况下，降低管道中熔体停留时间必须提高流速，而流速的提高势必引起系统压 力降的增大，压力降的增大又导致对输送机械和管道等级要求的提高。在纺丝工 艺和品种一定的情况下，熔体泵前压力主要取决于熔体输送压力，同时还与此熔 体粘度有关【2 9 1 。一般要求准确计量，泵前压力在2 0 m p 以上，实际由于种种原 因，有的装置很难保证这一要求，那么在熔体粘度忽然升高时，由于管道压降增 大，泵前压力会更低。有时内部控制泵前压力较低这一般不影响计量的准确性， 但泵前压力太低时，p o y 线密度均匀性会变差。此外，分流熔体、换过滤器及 切粒机操作不当，亦会造成泵前压力波动。 6 0 黝硕士学位论文熔体直纺细旦涤纶长丝工程模拟研究 1 4 本课题的意义和研究内容 综上所述，我们可以发现，在细旦熔体直纺的熔体输送过程中，熔体粘度、 温度和压力的控制对于熔体质量而言是十分重要的，如何去控制、去调整，使得 最终熔体质量良好，纤维产品性能优异是一个重要的课题。由于在输送过程中， 不可能对于每个点的数据都测量得到，本课题将使用构建模型，程序进行编程计 算的方法，重点对熔体直纺细旦长丝的输送过程进行模拟，给企业以完整的输送 体系模拟以及调整工艺的方向。 本课题的意义在于建立完整的熔体直纺细旦长丝的熔体输送过程模型，填补 国内在这方面的空白，并且从熔体输送的角度分析给出企业调整工艺参数的方 向，从而指导企业实际生产。 本课题的研究内容如下： 1 建立熔体直纺细旦长丝的熔体输送模型，包括管道模型、增压泵模型、计量泵 模型、纺丝组件模型等，并模拟沿输送过程特性粘度降、停留时间、温升和压强 降的变化； 2 对于熔体输送过程中重要的参数，特性粘度降、温升以及停留时间进行权重分 析，给出权重方程式并分析影响最大的因素； 3 建立涤纶长丝的单丝模型，并根据模拟体现细旦纺丝的不同； 4 针对企业实际的问题，利用模型进行工程模拟，包括分析产量调整对输送的影 响、验证各个控制点的控制值、工艺调整前后产品性能的对比等。 o 黜硕士学位论文 熔体直纺细旦涤纶长丝工程模拟研究 1 5 参考文献 1 韩飞细旦超细旦纤维的制备研究【j 】广东化纤，2 0 0 2 ，1 2 ( 4 ) ：13 18 2 秦步祥细旦化纤纺纱特性及其应用发展 j 】合成纤维，2 0 0 1 ，3 0 ( 6 ) ：2 9 3 1 3 张鹏源细旦化纤及其在服装面料的应用前景【j 】纺织科技，1 9 9 9 ，( 6 ) ：1 0 1 1 4 李梅超细纤维的发展概况 j 】国外纺织技术，1 9 9 9 ，( 9 ) ：1 3 5 张吉省，鞠霞浅谈超细旦纤维的性能与应用 j 】广西轻工业，2 0 0 7 ，8 ( 1 0 5 ) ：1 0 7 6 张广传超细纤维的生产技术及发展现状 j 】山东纺织经济，2 0 0 7 ，3 ( 1 3 9 ) ：8 2 8 3 7 李喜亮，刘兆峰，胡盼盼常规纺超细旦涤纶长丝的发展 j 】聚酯：【业，2 0 0 3 ，1 0 ( 5 ) ：1 6 1 8 8 董正楼，王文武，陆宏亮涤纶细旦p o y 设备的优化改造 j 】合成纤维，19 9 7 ( 3 ) ：4 6 - 4 8 9 宋子龙从微细纤维的发展看纺丝设备的技改与调整的必要性【j 】合成纤维，1 9 9 7 ， ( 5 ) ：3 5 3 8 1 0 刘群聚酯熔体直纺多孔细旦拉伸变形丝的研究苏州大学硕士论文，2 0 0 5 1 1a z i a b i c k i s t u d i e so nt h eo r i e n t a t i o np h e n o m e n ab yf i b e rf o r m a t i o nf r o mp o l y m e r m e l t s p a r ti i t h e o r e t i c a lc o n s i d e r a t i o n s j 】ja p p l p o l y m s c i ，1 9 5 9 ，2 ( 4 ) ：2 4 - 31 l2a z i a b i c k ia n dk k e d z i e r s k a s t u d i e so nt h eo r i e n t a t i o np h e n o m t m ab yf i b e rf o r m a t i o n f r o mp o l y m e rm e l t s i i i e f f e c to fs t r u c t u r eo no r i e n t a t i o n c o n d e n s a t i o np o l y m e r s 【j 】ja p p l p o l y m s c i ，1 9 6 2 ，6 ( 1 9 ) ：111 - 11 9 13a z i a b i c k ia n dk k e d z i e r s k a s t u d i e so nt h eo r i e n t a t i o np h e n o m e n ab yf i b e rf o r m a t i o nf r o m p o l y m e rm e l t s i v e f f e c to fm o l e c u l a rs t r u c t u r eo no r i