[發明專利]一種熔融紡絲工藝優化方法

有效

• 申請號: 201711007230.0
• 申請日: 2017-10-25
• 公開（公告）號: CN107557885B
• 公開（公告）日: 2019-10-29
• 發明（設計）人: 張帆;張玉梅;陳康;王建寧;崔世強;王彪;李征
• 申請（專利權）人: 東華大學
• 主分類號: D01D5/08
• 分類號: D01D5/08
• 代理公司: 上海統攝知識產權代理事務所(普通合伙) 31303
• 代理人: 金利琴

1.一種熔融紡絲工藝優化方法，其特征是，根據纖維的目標直徑、目標結晶度和目標取向度模擬計算紡絲工藝參數后按模擬計算得到的紡絲工藝參數進行熔融紡絲，所述模擬計算的步驟如下：

(1)賦予材料參數、紡絲組件參數、紡絲工藝參數、噴絲孔處的應力F(0)和步長H初始值；

所述材料參數包括：應力光學系數C_op，單位為cm²/dyn，最高紡絲溫度T_max，單位為K，最大結晶速率K_max，單位為s^-1，結晶半高寬U，單位為K，零切黏度η₀，單位為Pa·s，Avrami指數n，熔融溫度T，單位為K，應力誘導系數C，Phan Thien-Tanner模型參數ε；

所述紡絲組件參數包括：噴絲板微孔半徑d₀、噴絲板微孔長度L₀、噴絲板導孔半徑d_m和噴絲板導孔長度L_m，單位都為mm；

所述紡絲工藝參數包括：單孔泵供量W、紡絲溫度T₀、緩冷區加熱溫度T₁、緩冷區長度L₁、吹風區溫度T₂、吹風區吹風速度V₂、吹風區長度L₂、自然冷卻區環境溫度T₃、自然冷卻區長度L₃和紡絲速度V_d，單位分別為g/s、K、K、m、K、m/s、m、K、m和m/min；

所述噴絲孔處的應力F(0)的單位為N；

所述步長H＝L/N，L為紡程總長度，單位為m，N為紡程上的區間個數，紡程上共N+1個節點，以噴絲孔出口處為第0節點，節點沿紡絲進行方向順序編號；

(2)建立熔紡成形動力學模型，熔紡成形動力學模型為多個方程，多個方程具體如下：

連續性方程：

式中，為矢量微分算子，ν為速度矢量；

動量方程：

F為纖維軸向力，單位N，z代表紡程上任意一點，ρ_a為空氣密度，單位kg/m³，C_d為空氣阻力系數，V為纖維橫截面瞬時速度，單位m/s，D為纖維直徑，單位m，g是重力加速度，取值為9.8m/s²；

能量方程：

s≡τ_p-2η₀M；

式中，Pe為Peclet數，H_f為傳熱系數，Gn為生熱系數，θ為結晶度，單位為％，s為彈性應力張量，τ_p為聚合物應力，單位Pa，M為形變速率張量；

本構方程：

式中，De為狄波拉數，△X為聚合物應力張量的變化量，△t為時間t的變化量，Tr為線性代數中對角線元素之和；

結晶方程：

式中，K(T)與等溫結晶速率有關，K(T,f_a)為結晶速率，單位s^-1，f_a為非晶區取向因子；

取向方程：

Δn_a＝C_opσ；

式中，△n為取向度，△n_a為非晶區的取向度，f_c為晶區取向因子，為晶區本征折射率，σ為軸向紡絲線應力，單位Pa，F_rheo為纖維流變力，單位N；

(3)將材料參數、紡絲組件參數、紡絲工藝參數、噴絲孔處的應力F(0)和步長H代入熔紡成形動力學模型，采用有限元法求解得到紡程上不同節點x處的纖維直徑分布D[z(x)]、結晶度分布Xc[z(x)]和取向度分布△n[z(x)]，x＝0,1,2...N，z(x)＝x·L/N；

(4)判斷是否滿足終止條件，所述終止條件為：當前直徑D_當前即D[z(N)]與目標直徑D_目標的偏差值小于等于閾值β₁、當前結晶度θ_當前即Xc[z(N)]與目標結晶度θ_目標的偏差值小于等于閾值β₂且當前取向度△n_當前即△n[z(N)]與目標取向度△n_目標的偏差值小于等于閾值β₃，如果滿足終止條件，則輸出當前紡絲工藝參數，即為模擬計算得到的紡絲工藝參數，結束程序，反之，則進入下一步；

(5)調整紡絲工藝參數，令W＝W+H_w，T₀＝T₀+H_T0，T₁＝T₁+H_T1，L₁＝L₁+H_L1，T₂＝T₂+H_T2，V₂＝V₂+H_V2，L₂＝L₂+H_L2，T₃＝T₃+H_T3，L₃＝L₃+H_L3，V_d＝V_d+H_Vd，其中，H_w、H_T0、H_T1、H_L1、H_T2、H_V2、H_L2、H_T3、H_L3和Hv_d為常數；

(6)返回步驟(3)。