（机械设计及理论专业论文）复合纺丝挤出胀大过程的力学模型及机理的研究.pdf

东华大学硕士学位论文摘要 复合纺丝挤出胀大过程的力学模型及机理的研究 摘要 我国是世界最大的纺织品生产和出口大国 纺织纤维加工量占世 界总量的3 5 以上 国家把 纺织业振兴规划 提到了关乎国计民 生的高度 然而 我国化纤行业在差别化纤维 复合纤维等方面的技 术与欧美发达国家还有一定差距 导致产品的国际竞争力不强 根本 原因还是在于相关基础研究薄弱的问题 聚合物熔体纺丝的挤出胀大 机理对纤维成型及性能具有很大影响 由于多组分纺丝过程相界的边 界条件 牵伸速率 冷却传热等因素的影响 使多组分熔体在挤出过 程中更加复杂 成为多组分熔体共挤出的研究重点 在纺丝过程中 挤出胀大对纤维截面的形状和尺寸起着重要作 用 而挤出胀大比的大小受喷丝微孔的几何尺寸 如入口角 长径比 挤出速率等 的影响 本课题以高聚物流变学为理论基础 对非牛顿 流体的共挤出流动过程的有限元模拟技术进行了研究 主要研究了在 不同的微孔入口角 不同的微孔长径比及不同的拉伸速率下 多组分 熔体从圆形喷丝微孔中共挤出时的挤出胀大现象的规律 本课题基于 p o l y f l o w 流体动力学软件模拟了不同微孔结构及不同流量比下 多 组分熔体共挤出时的界面的偏移情况 本文首先介绍了纺丝熔体在流动过程中出现的弹性行为以及产 生这些行为的理论依据 并重点介绍了这些弹性行为中的挤出胀大现 东华大学硕士学位论文摘要 象 该现象对纤维性能具有很重要的影响 利用几何分析法推导了复 合熔体共挤出时的速度分布 从而导出复合共挤出的挤出胀大比 然 后根据共挤出成型的特点 基于聚合物流变学 流体动力学的理论基 础 经过合理的假设 建立了描述粘弹性聚合物熔体传统共挤出成型 的三维粘弹性理论模型 结合流体动力学的有限元算法 用p 0 1 y f l o w 软件模拟了在不同纺丝条件下熔体共挤出时的流动情况 模拟结果表 明 各组分熔体流量的变化对共挤出物的截面有重要影响 口模的结 构变化对共挤出胀大有一定的影响 当长径比较小时 入口角的大小 对挤出胀大有一定的影响 而随着微孔的长径比的增加 入口角的大 小对挤出胀大比的影响变得很不明显 即入口角对挤出胀大的影响随 着长径比的增大而逐渐消失 随拉伸速率的增加 熔体沿挤出方向的 速度梯度也会增加 当牵引速度过大时 会使挤出流动变得不稳定 最后根据喷丝板的设计原理 自行设计一种等分并列的三组分纺丝组 件 并模拟了等分并列三组分熔体共挤出时的流动情况 模拟结果表 明了 减小粘度低的熔体的流量 增加粘度高的熔体的流量时 会使 粘度较低的熔体流速减小 粘度高的熔体流速增加 这样使三种熔体 的流速趋于均匀 使得截面变化较小 关键词 挤出胀大 流变学 微孔结构 数值模拟 界面偏移 s t u d yo nt h e m e c h a n i c a lm o d e l a n d m e c h a n i s mo ft h e c o m p o s i t es p i n n i n g e x t r u s i o n p r o c e s s a b s t r a c t c m n a1 st h el a 唱e s tc o u n n yo f t h et e x t i l ep r o d u c t i o n 柚de x p o n a n dm e t e x t i l e p r o d u c t sa r ea c c o u n t e df o rm o r et l l a n3 5 o ft h ew o r l dt o t a l n et e x t i l e i n d u s 仃yp l a i l l l i n gi s m n o n e dt 0t 1 1 ep e o p l e sl i v e l i l l 0 0 dl e v e l h o w e v e r t h e r ei ss t i uag a pi nt l l e t e c l l l l o l o g yo fm e d i t i a lf i b r ea n dc o m p o s i t ef i b r eb e 附e e nc h i n aa i l dd e v e l o p e dw e s t e mc o u n t r i 骼 w h i c h l e a d s t ot l l ei n t e n l a t l o n a lc o m p e t i t i o n a b i l i 够o ft h ep m d u c ti sn o ts 仃o n g a n dt l l ef i n a lr e a s o ni sw e a ka t 廿l er e l a t e dt l l e 0 ur e s e a r c l l t h ee x n u s i o ns w e l lm e c h a n i s m o fp o l y m e rm e l ts p i l l i l i n gh a sag r e a t e f 硫to nf i b e rf o 姗i n ga i l dp c m 珊孤c e b e c a u s eo f b o u n d a r yc o n d i t i o n d r a 谢n g r a t e c 0 0 l i i l g a n d0 t i l e rt a c t o r s t l l e s em a l en l ee x 仇l s i o n p r o c e s so fc 啪p o n e n tm e l t sm o r ec o m p l e x mm e8 p 啪m g p r o c 豁s e x 仃1 l s i o ns w e l lp l a y sa ni m p o n 觚tr o l e0 n 廿1 e 助e rc r o s ss e c t i o n s n a p e 缸ds l z e a n dt l l em i c r o h o l eg e o m e t 巧s i z e e n 仃a n c ea n g l e l e n g t l l d i a m e t e rm t i o e x n l l s i o n r a 哟a f i e c t se x 仃u s i o ns w e l lr a t i o b a s e do np o l y m e r r h e o l o g ym e o m en u m 丽c a ls i m u l a t i o no f n o n n e 叭o n i 孤n u i dn o w i l l gp r o c e s si s s n l d i e d 1 1 1 e c o 嘲 t r i l s i o np r o c e s sa r es t u d i e di i ld i 妇f 酾l te n t r a n c e 1 1 l l e so fe x n l l s i o ns w e l lp h 衄o m 锄o no f a n g l e d i 岱溯l tl e n g t l l d i a m e t e rr a t i oa n d d 1 拄蝴l te x h l l s i o nr a t e a n db a s e do np o l y n o wf l u i dd y n a m i c ss i m u l a t i o ns o r w a r e t h ei i l t e r f a c e c h a n g e sa r es l m u l a t e du n d e rt l l ed i f i 打e n tm i c r 叩o r o u ss t r u c t l l r ea n df l o wr a t i o i i lt h l sp a p e r t h ee l a s t i cb e h a v i o rd u n g t h en o w p m c e s so ft h em e l ts p i n n i n ga n dt l l e t h e o r e t i c a lb a s i so fm e s ee l a s t i cb e h a v i o r sa r ei n t r o d u c e d a n dm a i n l yd e s c m e se x m l s i o n s w e l l p n e i l o m e n o n i h l sp h e n o m e n o np l a r sa ni m p o n a n tr 0 1 eo nm e 舶e r p r o p e n i e s f i r s t l y t 1 1 i sp a p e r d e n v e so u tt h ev e l o c i t yd i s t r i b u t i o nu s i n gg e o m e t r i ca n a l y s i s s ot h e c o m p o s i t ee x t r u s i o ns w e l l r a t l oi s o b t a i n e d s e c o n d l 弘a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t s t i c so fe x t r u s i o nm o l d i n g b a s e do nt h e p o l y m e rr h e o l o g ya n dn u i dd y n a m i c st h e o 巧b a s i s l h et h r e e d i m e n s i o n a lv i s c o e l a s t i c t h e o r v m o d e lw h i c hd e s c r i b e sm en o wo f i s c o e l a s t i cp o l y m e rm e l t si s e s t a b l i s h e d c o m b i n e dw i mt h e n u i d 吐y n a m i cf i n i t ee l e m e n ta l g o r i t l l i i l c o n d i t i o n so fm e l ts p i n n i n ga r es i m u l a t e d t h ec o e x t n l s i o nf l o wc o n d i t i o n s i nt h ed i f j 衙锄t b yp o l y n o w t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e i i i c h a n 2 eo fm em e l tn o w h a sa ni m p o n a n te f r e c to nt h ee x t r u s i o ns e c t i o n a n dt h em i c mh o l e g e o m e 仃ys i z ee 髓c to ne x t m s i o ns w e l l m a ti s w h e nl e l l g t h d i a m e t e rr a t i o i ss m a l l m ee n 仃a n c e a n g l eh a sac e r t a i ne f f e c to ne x t m s i o ns w e l l a n dw i t ht h em i c r o p o r o u sl e n g t h d i 锄e t e r r a t l o i i l c r e a s e s m es i z eo fe n 廿a n c ea n g l ei sv e r yn o to b v i o u st oe x t m s i o ns w e l l t h ei n n u e n c eo f e n t f a n c ea n g l et oe x t n l s i o ns w e l lg r a d u a l l yd i s a p p e a r sw i t ht h ei n c r e a s eo fl e n g t h d i a m e 衙r a t i o w i mm ei n c r e a s eo ft h es 仃e t c h i n gm t e t h ev e l o c i t yg r a d i e n tw i l li n c r e a s ea l o n gt h ee x t n l s l o n d i r e c t i o n a n dw h e nt h es t r e t c h i n gr a t ei st o ob i g i tc a nm a k em e e x t m s i o nf l o wb e c o m eu n s t a b l e a tl a s t a c c o r d i n gt ot h es p i i l i l e r e td e s i g l l 州n c i p l e w ed e s i g n ak i n d o fp a r t so ft h et l 鹏e c 伽叩o n e i l t sf o rs p i n n i n gc o m p o n e n t s a n dt h ef l o wc o n d i t i o n s a r es i m u l a t e d b yp 0 1 r f l o w t l l e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tr e d u c em en o wr a t eo fm el o wv i s c o s i t ym e l ta n di n c r e a s em en o w r a t eo fn l eh i g h 访s c o s i 哆m e l t w i l lm a k et h el o wv i s c o s i t y m e l tn o ws p e e dd e c r e a s ea n dm eh i 曲 v i s c o s 埘m e l tn o ws p e e di n c r e a s e t h i sc a nm a k et h r e em e l tn o ws p e e d t e n dt ob ee v e n l y s ot h e e x 缸1 l s i o ns e c t i o nh a sas m a l lc h a n g e un a n a m e c h a n i c a ld e s i g i l 觚dt h e o 啪 s u p e r v i s e db yg a nx u e h u i k e yw o i t d s e x t n l s i o ns w e l l e n g i n e e rr h e o l o g y m i 咖c e l l u l a rs t n l c t u r e i l u i n 耐c a l s i i i m l a t i o n i n t e r f a c em i g r a t i v 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2 0 世纪末和2 1 世纪初我国化纤行业已进入世界化纤机械制造装备业的前 列 成为世界化纤机械制造业的主力军 但是我国的化纤机械行业主要集中在生 产一些常规化纤的纺丝设备 企业的科研开发力量少 创新能力薄弱 导致我国 在差别化纤维 复合纤维等方面的技术与欧美发达国家还有一定的距离n 3 在熔 体纺丝过程中 聚合物熔体通过喷丝板微孔时 由于高聚物的流变性 使挤出物 的截面形状和尺寸与微孔的形状产生差异 即挤出胀大现象 对纤维的性能有很 大的影响 由于复合纺丝挤出胀大过程中各组分熔体的温度不同 各组分的挤出 胀大比也不同 处理复合熔体相界边界条件 拉伸速率等因素的影响 分析挤出 胀大与各种因素的定量关系 是一般型材挤出加工没有考虑的 因此 对聚合物 熔体挤出胀大机理的研究成为纺丝工艺的重点和难点 挤出胀大是聚合物熔体经口模挤出时 挤出物的截面面积比口模出口截面面 积大的现象 1 8 9 3 年美国生物学家b a r u s 首先观察到了这一现象 所以又称b a r u s 效应 亦称出模膨胀 d i es w e l l 挤出胀大是挤出成型中常见的现象 使挤出 制品的形状和尺寸发生变化 对制品的质量和产量有着举足轻重的影响 由于 挤出胀大对模具的设计和挤出制品的形状 尺寸及质量有关 曾有许多研究者致 力于这方面的研究 其对离模膨胀的机理解释如下乜1 一是由弹性变形效应或记 忆效应引起的 当熔体进入口模时 由于流线收缩 在流动方向上产生速度梯度 即拉伸变形 如果在口模中停留时间短 来不及松弛 离模后产生收缩 导致挤 出胀大 二是由法向应力差引起的 当长径比 l d 大时 熔体在口模内流动 受到剪切变形 在垂直于剪切方向上存在正应力 引起挤出胀大 三是由取向效 应引起的 熔体在口模内的流动处于高剪切场内 大分子在流动方向进行取向 离模后发生解取向 聚合物分子链回缩引起挤出胀大 图1 1 挤出胀大过程示意图 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 在纺丝过程中 挤出胀大对纤维截面的形状和尺寸起着重要作用 而挤出胀 大比的大小受喷丝微孔的几何尺寸 如入口角 长径比 挤出速率等 的影响 在复合纺丝过程中 由于各组分相界边界条件 纺丝牵伸速率 冷却传热等因素 对挤出胀大机理有所不同 要实现对挤出产品的精确控制 就要深入对聚合物熔 体在微孔挤出过程的胀大机理研究 因此复合纺丝挤出胀大机理对高性能纤维的 开发具有重要的意义 并且有利于新型复合纤维工艺设备的开发 聚合物流变学理论和流体力学数值分析方法为探讨聚合物挤出成型机理提 供了理论基础 采用计算机辅助工程技术可以对工艺过程中材料的流变行为进行 分析预测 以寻找最佳的工艺路线与控制条件 获得最优的产品性能 聚合物复 合熔体纺丝挤出胀大的三维数值模拟采用非牛顿流体p o l y f l o w 计算软件来完 成 p o l y f l o w 是基于有限元法的专用c f d 软件 专用于粘弹性材料的流动仿真 它使用于高分子材料的挤出成型 吹塑成型 拉丝等过程中的流动 传热和传质 问题 引 1 2 国内外的研究现状 对于挤出胀大问题的基础理论研究 许多学者做了大量深入研究工作 由于 挤出胀大很大程度上决定挤出制品的尺寸和质量 随着塑料加工生产中高效率 高质量的要求 挤出胀大基础理论研究越来越成为挤出成型加工工业的研究重 点 至今国内外学者在这个领域中对挤出胀大研究一直极为活跃 挤出胀大的早期研究 主要是针时毛细管长径比较大的条件下来进行理论探 讨 当长径比大于3 0 以上时 挤出胀大的最终值是趋向于一个定值 再不受长 径比的影响 主要是由十入口弹性效应已在口径内逐渐松弛 这时挤出胀大比只 是对切变弹性的表征量有依赖关系h 1 大多数学者逐步趋向于橡胶态弹性固体模 型 m e n d e l s o n 畸1 基于弹性储能理论 导出聚合物熔体的挤出胀大方程 得出壁 面第一法向应力差与挤出胀大的关系 较为有代表性的聚合物熔体在无限长毛细 管长径比的挤出胀大方程是t a n n e r 哺3 方程 其根据l o d g e 弹性回复理论 导出聚 合物熔体在无限长毛细管长径比的挤出胀大方程 2 0 世纪8 0 年代初 郑盯1 根据 l o d g e 弹性回复理论 从唯象理论出发 应用张量的分析方法 对聚合物熔体在 无限长圆形口模的挤出胀大进行了理论推导 导出与t a n n e r 方程类似的聚合物 熔体挤出胀大方程 以上是对聚合物熔体在无限长长径比挤出胀大的一些数学解 析斛 其理论研究集中于 无限长毛细管 的理论条件 从这种理论出发 挤出 胀大与流道尺寸无关 并略去拉伸效应 只考虑剪切流动的历史 这对挤出胀大 的分析过程大大简化 得到有益的结果 为了更进一步接近生产实际 一些学者对零长径比挤出胀大进行了探时 c o g s w e l l 阻1 曾对聚合物熔体在收敛圆锥口型的流动进行受力分析 引入简单拉伸 观念 推导出一个零长径比的挤出胀大方程 h u a n g 和w h i t e 砷1 在研究零长径比 2 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 挤出胀大时 利用量纲分析方法 提出零长径比函数方程 在2 0 世纪9 0 年代初 利用张量分析的方法 引入拉伸效应 研究零长径比圆锥口模挤出胀大过程的机 理 用解析法得到了圆锥口模的零长径比挤出胀大数学模型 l 舶 指出聚合物 熔体在收敛流道中受到拉伸流变 导致强烈的入口弹性效应 表现出显著的挤出 胀大现象 得出零长径比圆锥口模的挤出胀大与可回复弹性应变 熔体收敛流动 的自然收敛半角和口模口型几何尺寸等有关 并进一步指出挤出口模收敛几何角 度不同 会产生不同的挤出胀大值 在实际生产中 挤出口模常以短长径比口型为主 而且出口之前要经过一段 收敛流道 聚合物熔体通过口模时 同时存在拉伸和剪切效应 因此 对聚合物 熔体在短口型的挤出胀大研究 实验的定性观察结果报道较多 但对数学模型的 研究所报导的文献很少 g u i l l e t 和s e r i a l n 3 1 对短口模挤出过程的挤出胀大进一 步进行研究 得到了一个短口模挤出胀大的理论方程 但他们的计算只考虑口模 入口角为1 8 0 度的情况 实际上没有考虑到入口角对挤出胀大的影响因素 与实 际的实验观察有一定差距 对短口模挤出胀大的研究 最有成效的是近年e g g e n 和h i n r i c h s e n u 4 的工作 他们基于弹性回复理论 利用张量分析 推导出一个 圆锥短口模的挤出胀大方程 并进行必要的修正 从理论上定量描述了短口型口 模的挤出胀大现象 但在理论研究分析方面 存在一些小够严谨的地方 部分学 者对于短口型挤出胀大的研究 得到了聚合物熔体在圆锥短口模的挤出胀大进行 了理论推导 得到了聚合物熔体在圆锥短口模的瞬时挤出胀大解析解 在理论上 定量分析出聚合物熔体在圆锥短口模的挤出胀大 主要由入口收敛的拉伸流动产 生 并进一步指出熔体在口模的挤出胀大过程与弹性恢复 口模几何尺寸 聚合 物熔体的松弛时间和在口模的停留时间密切相关n 5 1 3 研究目标 研究内容 研究方法 1 3 1 研究目标 考虑微孔的不同几何结构 如口模入口角 口模长径比等 牵伸速率等条 件下 得到基于微孔的多组分聚合物熔体纺丝挤出胀大的力学模型 通过理论分 析和数值模拟研究预测不同微孔几何条件下挤出加工的形状或通过修改微孔口 模几何得到所需形状的纤维 从而对多组分聚合物复合加工工艺进行优化设计提 供理论指导作用 在不同的纺丝压力条件下 基于多组分纺丝熔体的粘弹性特性 引入多组分 喷丝板入口角 流动自然收敛角 考虑纺丝生产的短口型长径比因素 在不同的纺 丝牵伸速率和相界之间的传热基础上 建立纤维纺丝的双组分挤出胀大的力学模 型 研究多组分挤出加工通过同一纺丝微孔挤出胀大的非等温粘弹性力学模型 在挤出胀大数值模拟研究中 基于c f d 方法 实现多组分挤出胀大的有限元网格 3 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 的划分 另外 还要考虑在计算机仿真中处理多组分熔体相界层边界条件 1 3 2 研究内容 本文主要研究多组分熔体从喷丝板微孔中挤出时的挤出胀大的过程 在纺丝 过程中 挤出胀大对纺丝成形的稳定性 初生纤维的结构均匀性以及纺丝速度都 有一定的影响 因此 挤出胀大机理的研究成为挤出成型加工工艺中的研究重点 该机理主要应用于对塑料 橡胶等聚合物挤出口模的设计和纺丝组件中喷丝微孔 的设计 本文主要从以下几方面进行研究 建立复合纺丝熔体基于微孔挤出胀大数学模型 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 立合理的数学模型并进行数值分析计算 应用流体动力学进行质量 动量和能量 的计算 推导出作为模型基础的微分方程组 在计算机上进行数值求解 对纺丝 过程和纤维结构的形成作定量分析 图1 2 数学模型求解过程 不同喷丝板入口角和微孔长径比对挤出胀大的影响 当口模长径比较小 熔体在口型中停留时间短 入口弹性效应是产生挤出胀 大的主要原因 挤出胀大比往往较大 当长径比增大时 熔体在口模中的松弛时 间延长 使形变在口型平直段中逐渐得到松弛 弹性复原量减少 挤出胀大变形 比较小 因此 对于口模成型长度的设计至关重要 不同角度入口角口模挤出过程中 表现出熔体在不同角度入口角口模挤出时 有不同的挤出胀大比 主要因为熔体在收敛流道受到拉伸流变 会导致强烈的入 口弹性效应 三组分熔体挤出的界面位置变化规律 研究三组分复合纺丝熔体在挤出过程中界面位置的变化 高聚物熔体从喷丝 微孔挤出后 在喷丝板与卷绕装置之间 丝条需要被拉伸到需要的细度并充分的 冷却固化 因此拉伸速度对纤维形状有重要影响 在出口处设定不同的拉伸速度 4 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 观察纤维截面的变化 在入口处设定不同的流量比 观察熔体界面位置的变化和 自由表面的变化 实验验证复合熔体挤出成型过程 通过对复合纺丝挤出胀大的实验研究 实验测得的挤出胀大比与p 0 1 y f l o w 软件的模拟结果进行对比 设计出适合复合纺丝的微孔长径比 入口角以及工艺 过程 1 3 3 研究方法 聚合物成型过程机理的研究主要方法包括理论分析 实验研究以及数值模 拟 三种方法相互结合 相互借鉴 通过理论分析来指导实验和模拟研究 使之 更有成效 通过实验来检验理论和数值计算结果的可靠性并提供建立物理模型的 依据 数值模拟技术则可以克服理论分析与实验研究的局限性 处理更为复杂而 且更接近实际的物理模型 由于聚合物弹性行为影响因素的复杂性 以及实验手段的不完备 很难对 聚合物弹性行为得到可靠的解析描述 随着电子计算机技术的飞速发展 大多数 理论工作逐渐采用了数值模拟 就纤维挤出成型而言 主要利用聚合物流变学 传热学 数值计算方法和计算机图形等基本理论 预测微孔设计和成型条件对纤 维产品的影响 目前 应用较为广泛的模拟分析软件为f l u e n t 公司的p o l y f l o w 软件 p o l y f l o w 是采用有限元法的c f d 软件 专门用于粘弹性材料的流动模拟 它对于处理非线性问题有强大的功能 可有效的用来求解高聚物熔体流动过程 中的温度场 速度场 压力场等的分布 可以很好的反映熔体的流动过程 为科 学的制定工艺条件 优化成型设备的设计提供科学依据 缩短开发周期 节约成 本 提高产品的市场竞争力 东华大学硕士学位论文 第二章复合纺丝熔体的流动性研究 第二章复合纺丝熔体的流动性研究 流变学研究的主要对象是高聚物溶液和熔体 它们会因微弱的外力变化而改 变流动或变形状态 也会因微弱的结构变化而表现出完全不同的流变性质 聚合 物的加工成型都要经过聚合物熔体的流动和形变过程 其流变行为复杂 不仅取 决于温度和剪切或拉伸速率 而且与聚合物的分子结构 分子量分布和添加剂浓 度等有关 具有非牛顿粘性 弹性回复和分子定向作用等一般简单流体不具有的 特点 聚合物流变学根据应力 应变和时间等参数探索聚合物流动和形变的发生 和发展规律 为设计加工工艺和机械 探讨工艺和设计参数提供理论依据 直到上世纪6 0 年代 聚合物加工成型还只是一种实用技术 人们还只关注 通过加工成型获得所需形状的制品 后来由于人们对挤出理论研究的不断深入 从而开始认识到通过加工成型还可以改变聚合物的内部结构 提高材料的性能 从此聚合物的加工成型从一项实用技术发展成为一门应用科学 流变学为聚合物 加工成型的研究提供了理论基础 大量的生产实践证明 聚合物的成型过程离不 开物料的流动与形变 而流变学是研究材料变形与流动的一门学问 从中了解到 加工过程中流变行为及其规律对成型工艺的合理选择 正确操作 优化控制都具 有相当重要的现实意义 2 1 纺丝熔体流变学的发展过程 流变学 1 9 是力学的一个新分支 它主要研究材料在应力 应变 温度湿 度 辐射等条件下与时间因素有关的变形和流动的规律 流变学出现在2 0 世纪初 当时研究学者们在研究塑胶 金属等工业材料以及血液 骨骼等生物材料的过程 中 发现使用古典弹性理论 塑性理论和牛顿流体理论已不能说明这些材料的复 杂特性 于是就产生了流变学的思想 经过长期探索 人们终于得知 一切材料 都具有时间效应 于是出现了流变学 并在2 0 世纪3 0 年代后得到蓬勃发展 流变 学的发展同世界经济发展和工业化进程密切相关 现代工业需要耐蠕变 耐高温 的高质量金属 合金 陶瓷和高强度的聚合物等 因此同固体蠕变 粘弹性和蠕 变断裂有关的流变学迅速发展起来 1 9 2 9 年美国在宾厄姆教授的倡议下 创建流 变学会 1 9 3 9 年荷兰皇家科学院成立了以伯格斯教授为首的流变学小组 1 9 4 0 年英国出现了流变学家学会 1 9 4 8 年在荷兰举行了国际流变学会议 此后 法国 日本 瑞典 澳大利亚 奥地利 捷克 意大利 比利时等国也先后成立了流变 肖 于z o 流变学是研究各种材料的蠕变和应力松弛的现象 屈服值以及材料的流变模 型和本构方程 流变学从一开始就是作为一门实验基础学科发展起来的 因此实 验是研究流变学的主要方法之一 例如利用材料试件的拉压剪实验 探求应力 6 东华大学硕士学位论文 第二章复合纺丝熔体的流动性研究 应变与时间的关系 研究屈服规律和材料的长期强度 通过微观实验 了解材料 的微观结构性质 如多晶体材料颗粒中的缺陷 颗粒边界的性质 以及位错状态 等基本性质 探讨材料流变的机制 随着经济和工业化的发展 流变学将有广阔 的发展领域 并己逐步渗透到许多学科而形成相应的分支 例如高分子材料流变 学 断裂流变力学 土流变学 岩石流变学以及应用流变学等等 高分子流变学 是研究聚合物流动和形变的科学 它是基于高分子科学的发展而应运产生的 1 9 0 7 年出现了第1 种合成树脂 酚醛树脂 并在随后的几十年中 又出现了大 量的合成高聚物 促成了现代高分子科学在2 0 世纪3 0 年代正式创立 伴随着材料 加工 工程和应用科学的发展 高分子材料的成型方法也日趋多样化 如模压 压延涂层 挤出 注射及二次加工等 由于在不同的加工过程中 聚合物具有不 同的流动和形变行为 并且表现出非理想行为 为对制品成型及质量进行有效控 制 需要对材料的流动行为深人研究 因此便形成了高分子流变学的研究内容 即通过研究聚合物在加工过程中 粘弹性形变等行为的发生及相互关系 并对制 品性能的优化 工艺条件的确定和设备改良提供指导 从2 0 世纪8 0 年代以来 高 分子流变学得到迅速发展 实验原理 测试技术和测试设备的发展以及电子计算 机的应用 在流变学的发展中显示了重要的地位 发挥了巨大的作用 2 0 世纪6 0 年代 z i d b i c 虹 2 眦2 开始研究熔融纺丝 提出熔融纺丝基本理论 随后加濑和松尾 2 3 2 4 总结出熔融纺丝的基本方程式 吴 2 5 用一维分析法研究了 中空纤维的熔融纺丝 金 2 6 与其同事用三维分析法研究了中空纤维的熔融纺丝 而国内关于纤维纺丝动力学的研究报道并不多 王华平 2 7 榴l 等人研究了熔纺中 空纤维的动力学模型 并模拟了不同泵供量下中空度的分布情况 尽管如此由于 熔体流动的复杂性和数学工具的有限 目前只能就一些简单的情况 如圆管 同 心环 平行板等 获得近似的解析解 2 2 纺丝熔体的流动特性 熔融纺丝熔体是非牛顿的粘弹性流体 粘弹性流体在流动过程中粘度随纺丝 温度 切变速率等因素的变化而变化 并且在流动过程中粘性变形是不可逆变形 随时间而持续发展 弹性变形则是可以恢复的形变 从聚合物温度一形变曲线来看 该曲线存在两个斜率突变区 这两个突变区 把曲线分为三个区域 分别对应于玻璃态 高弹态和粘流态三种不同的力学状态 玻璃态开始向高弹态转变的温度称为玻璃化转变温度 t g 由玻璃态向高弹态发 生突变的区域称为玻璃化转变区 高弹态开始向粘流态转变的温度称为粘流温度 t f 其间的形变突变区域称为粘弹态转变区 对于非晶态聚合物 当温度高于 t f 时 其形变不可逆 这种力学状态称为粘流态或熔融态 是聚合物的主要加 工状态 驯 7 东华大学硕士学位论文 第二章复合纺丝熔体的流动性研究 形 变 鞍 歼 j l i 雾 嵩弹态 态 转 i i 乡 桔流态 玻 璃 态 i 叩t 图2 1 聚合物的形燹状态 从宏观看 粘流态的主要特征是在外力场作用下 聚合物熔体产生不可逆的 永久变形 从微观看 处于粘流态时大分子链的运动不是分子链的整体迁移 而 是通过链段的相继迁移来实现 表现为粘度高 流动性差 另外聚合物熔体在流 动过程中常伴随高弹性形变 在外力作用下 高分子链沿着外力方向发生伸展 当外力消失后 分子链又由伸展变为卷曲 使形变部分回复并表现出弹性行为 2 2 1 聚合物的剪切粘性 聚合液体粘性的非牛顿性有两种典型表现 剪切稀化和塑性行为 当考虑两根相同的垂直管 其底覆以平板 当底板突然从管低移去 液体因 重力而下降 含聚合液体的管中液面开始时较牛顿流体管中液面下降快 但随着 液面的降低 含牛顿流体的管中液面下降 聚合液体开始流动较快 是因为在静 压力较高时 导致剪切速率较高 随着液面降低 静压力减小 剪切速率降低 粘度增加 而牛顿流体保持恒定的粘度 液体粘度随着剪切速率的增加而减小称为剪切稀化 反之液体粘度增加称为 剪切稠化 这类流体的粘度变化可达1 0 3 1 0 4 倍 常见的大多数聚合熔体和溶液 都具有稀化现象 具有稀化现象的流体称为假塑性流体 稠化现象的聚合物液体 称为胀塑性流体 对于后者 目前仅有的报导是聚氯乙烯糊 聚合物熔体的粘度很高 大约在1 0 2 1 0 7 p a s 之间 且随剪切速率变化 熔 体的粘度一剪切速率的关系称为流动曲线 如图2 2 该图表明在整个流动曲线 剪切范围内 聚合物的粘度变化很宽 规律各异 某些聚合物如聚苯乙烯几乎没 有牛顿零剪切平台 而像聚乙烯 尼龙一6 则明显存在这一区域 有些聚合物高 剪切速率下稀化行为突出 呈现出强烈的非牛顿粘性 而另一些如聚碳酸酯则近 似为牛顿行为 剪切稀化行为与聚合物在剪切场中的结构变化有关 在低剪切速率下 y o 在圆管中流动 多 一掣 o d u 多办 2 1 7 积分得到 r d u r 匆 2 1 8 得u r 毫j d r 由于幂律流体的剪切速率多 f 名 因此将f 却 2 三代入得多 害声 由于幂律流体的剪切速率厂 f i k 因此将f 却 2 三代入得厂 等 i 代入上式积分得 q r 鲁 办 2 1 9 整理得到 u i 苦 差乒 r i 一 1 2 2 上式为幂律流体在圆管中的速度分布 将流速对半径求导 等 一焘 刍 半 一 2 2 1 d l lz k l咒 则圆管中的任意一点的剪切速率为 多 盖 2 2 2 而管壁处的剪切速率为 乡 盖 二r i 2 2 3 ll 那纽孑2 耖 2 2 4 显然 圆管的壁面处的剪切速率最大 而中心线处剪切速率为零 此外圆管 中的任一点处的剪切速率呈现抛物线分布的形态 2 6 本章小结 1 首先介绍了纺幺幺熔体流蛮学的发展讨稗 官丰罂研窑材料存府力 府蛮 漏 1 7 东华大学硕士学位论文 第二章复合纺丝熔体的流动性研究 度湿度 辐射等条件下与时间因素有关的变形和流动的规律 主要是根据应 力 应变和时间等参数探索聚合物流动和形变的发生和发展规律 为设计加 工工艺和机械 探讨工艺和设计参数提供理论依据 2 其次介绍了熔体在流动过程中的弹性行为及这些弹性行为发生的理论研究 使我们更进一步的认识熔体的流动特性 3 再次介绍了流变学的基本理论 包括控制方程 本构方程等表征流体粒子的 运动学和动力学的方程 再根据具体问题的边界条件加以简化 用一定的数 值方法求解 得到聚合物流动的速度分布 温度分布 进而讨论表观粘度 剪切应力 剪切速率等的变 1 8 东华大学硕士学位论文 第三章复合纺丝挤出胀大比的推导 第三章复合纺丝挤出胀大比的推导 早期许多学者对挤出胀大问题的理论研究做了大量工作 聚合物的挤出胀大 包括牛顿型胀大 瞬时弹性恢复引起的胀大和残余松弛胀大 将牛顿胀大的导因 归结为速度流线的重新分布 瞬时弹性恢复引起胀大普遍认为有两个原因 一是 入口收敛所引起的拉伸形变的弹性恢复 二是剪切应力和法向应力差引起的剪切 形变的弹性恢复 而残余松弛胀大即延迟胀大是继瞬时快速胀大以后 继续发生 的缓慢胀大 其胀大是缓慢衰减的 其引起的胀大很小 在计算时往往被忽略 3 1 聚合物熔体挤出长大比的研究进展 基于对w e i s s e n b e r g 效应 韦森堡效应 的解释 认为聚合液体或熔体流动 时沿流线有附加张力 流体一经从口模流出 解除边界约束 这种附加张力失去 支撑 于是流体横向收缩 径向扩张 运用这种原理 t a n n e r 导出挤出胀大比 与法向应力的关系是口9 告一o 1 吉 等煳帕 式中 下标w 指壁面 等 筹 等 为可恢复应力比 式中气 一f z l 为第一法向应力差 t a n n e r 关系非常简明 可用于膨胀比的估计 但v l a c h o p o u l o u s 等指出 恢复剪切并不足以完全确定膨胀比 挤出胀大仍涉及其它一些参数 这些参数仍 需继续研究 考虑长口模 在适当的剪切速率下 速度分布充分发展 壁面附近的聚合物 受到高剪切 高取向 而在中心附件的熔体受到低剪切 聚合物口模壁面附近高 取向分子力求恢复到随机缠绕状态 因此在挤出方向收缩 而在径向膨胀 以维 持体积不变乜9 c o g s w e l1 导出长口模膨胀比与壁面可恢复剪切应变s 的关系 b 驷 妒 耖2 2 上式可用于口模的设计 若已知口模 对于给定流量 可决定挤出物半径 首先计算出壁面表观剪切 速率 y 4 q 积3 3 3 1 9 东华大学硕士学位论文 笙三童墨盒堕丝堑堂些奎堕箜丝量 一一 再从流动曲线 剪切应力与剪切速率的关系曲线 中算出壁面剪切应力万 仃 7 7 y 3 4 由剪切应力得到可恢复应变 7 r 鲁 3 5 式中g 为剪切弹性模量 将式 3 5 代入式 3 2 可得挤出胀大比 由于聚合物熔体为非牛顿流体 需要对壁面剪切速率进行修正 得到真实剪 切速率 y 翌生 3 6 2 i 九 帕7 l 幽 3 7 d l n y w 式中n 为非牛顿指数 随着对聚合物熔体挤出胀大的理论预测 b a 9 1 e g 基于弹性储能理论推导出 得聚合物熔体的挤出胀大方程 该理论认为可恢复的能量在流动中储存在熔体的 简单拉伸中 当熔体挤出后 由横截面的收缩而得到恢复 其能量w 可表示为 矽 丢g 名 丢 3 3 8 式中 元一拉伸比 卜剪切模量 从而得到挤出胀大方程 一言 啦 3 9 该理论也可以假设可恢复能量储存在熔体的简单剪切流场中 在熔挤出后 经张力收缩而恢复 其能量可表示为 去g s 从而挤出胀大方程可表示为 s r b 4 2 b 一3 i 2 3 1 0 另外 m a 根据弹性恢复理论得到以下挤出胀大方程 耻帅 器 2 1 l 胆 3 8 0 年代初 郑又根据弹性恢复理论推导出以下挤出胀大方程 肚妄 1 3 1 1 2 3 1 2 以匕是对聚合物熔体挤出胀大的一些数学模型 其挤出胀大与流道尺寸无 2 0 东华大学硕士学位论文 第三章复合纺丝挤出胀大比的推导 关 并略去了拉伸效应 只考虑了剪切流动的历史 这对挤出胀大的分析过程大 大的简化 得到了有益的结果 3 2 双组分熔体的挤出胀大的推导 当双组分流体在共挤出流道中流动时 根据流变学的基本方程 将共挤出流 动模型进行简化 流道横截面上的压力梯度不变 流道横截面上的熔体流动为全 展流 在流动方向上的速度梯度较横截面方向上的速度梯度要小的多 并且由于 两种熔体的性能差异 整个流道的速度场是不连续的 以下为共挤出流动的流动 示意图 r 一 l f 一二 图3 1 双组分烙体流动不蒽图 由于两种熔体的粘度不同 最大速度一般位于低粘度一侧 假设最大速度发 生在如上图舶处 共挤出的边界条件如下 1 f 凡 速度最大1 k 同时此处的剪切应力f o 2 f 0 界面两侧速度相等 即v 扪 v 2 且有f 1 f 2 3 r r 壁面处速度为零 即v i 0 4 f r 壁面处速度为零 即吃2 o 当一j r r 时 该区域的速度梯度为正值 即华 o 在此将动量方程 跏 v r 0 在柱坐标系下展开后z 方向的分量为 望 一塑 望d 堑凼 8 z l r8 rra era z 又由于流动方向的速度梯度较横截面方向的速度梯度小得多 流动为一维层 流 即剪切应力分量对队z 方向的导数为零 则上式简化为 劲一1a r 鹰 q p l d r z j 一一 a zra r 将上式积分得到 铲丢c 参 导 r 2 i j 一 二 么 2 1 r o 勋 皿 东华大学硕士学位论文笙三童墨鱼堕丝堑当竖奎些竺丝呈 令f 老得到应力表达式一 去争 等 3 1 3 d z 厶l 由上述边界条件r r 0 f o 代入上式求得积分常数 得应力表达式 铲丢c 华 又由幂律流体的本构方程 铲k 砖k 等广 3 1 5 由式 3 1 4 和式 3 1 5 得 丢c 华m e 对于熔体i i 来说 由上式积分得 吐 叱 删 毒去l 华 瓦办 3 1 7 由前面的边界条件f r v 0 可得到熔体i i 的速度分布如下式 c 豪吉l c 华 百咖 协 当r r 时 速度梯度为负值 即警 o 但是在这一范围内又存 在两种熔体 由式 3 1 6 分别对两种熔体进行积分 可得到两种熔体的速度分 布 对于熔体i 积分可得到 卜 舻 r 华 i 办 由前面边界条件可得 r r v o 代入上式化简得到熔体i 的速度分布 c rc 华 百办 对于熔体i i 积分可得到 弦 o 南吉j 华 石办 2 2 东华大学硕士学位论文第三章复合纺丝挤出胀大比的推导 去 去f 宰 i 批一瑚 郧倒 3 2 当r r o 时 式 3 1 8 得到的速度值与式 3 2 0 得到的速度值相等 则 南吉 华 i 蚓去去 竿 i 一圳 由上式求得 场 驴c 虽弧华 i 办 c 华 i 办 2 t 将式 3 2 1 代入式 3 2 0 可得到熔体i i 的速度分布 综上所述两种熔体的速度分布如下 对于熔体i 的速度分布 c 豪去r c 华 百咖 倒 协2 2 对于熔体i