[發(fā)明專利]一種熔融紡絲工藝優(yōu)化方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201711007230.0
• 申請日: 2017-10-25
• 公開（公告）號: CN107557885B
• 公開（公告）日: 2019-10-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張帆;張玉梅;陳康;王建寧;崔世強(qiáng);王彪;李征
• 申請（專利權(quán)）人: 東華大學(xué)
• 主分類號: D01D5/08
• 分類號: D01D5/08
• 代理公司: 上海統(tǒng)攝知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 31303
• 代理人: 金利琴

1.一種熔融紡絲工藝優(yōu)化方法，其特征是，根據(jù)纖維的目標(biāo)直徑、目標(biāo)結(jié)晶度和目標(biāo)取向度模擬計(jì)算紡絲工藝參數(shù)后按模擬計(jì)算得到的紡絲工藝參數(shù)進(jìn)行熔融紡絲，所述模擬計(jì)算的步驟如下：

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

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

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

所述紡絲工藝參數(shù)包括：單孔泵供量W、紡絲溫度T₀、緩冷區(qū)加熱溫度T₁、緩冷區(qū)長度L₁、吹風(fēng)區(qū)溫度T₂、吹風(fēng)區(qū)吹風(fēng)速度V₂、吹風(fēng)區(qū)長度L₂、自然冷卻區(qū)環(huán)境溫度T₃、自然冷卻區(qū)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(yīng)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(qū)間個(gè)數(shù)，紡程上共N+1個(gè)節(jié)點(diǎn)，以噴絲孔出口處為第0節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)沿紡絲進(jìn)行方向順序編號；

(2)建立熔紡成形動(dòng)力學(xué)模型，熔紡成形動(dòng)力學(xué)模型為多個(gè)方程，多個(gè)方程具體如下：

連續(xù)性方程：

式中，為矢量微分算子，ν為速度矢量；

動(dòng)量方程：

F為纖維軸向力，單位N，z代表紡程上任意一點(diǎn)，ρ_a為空氣密度，單位kg/m³，C_d為空氣阻力系數(shù)，V為纖維橫截面瞬時(shí)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(shù)，H_f為傳熱系數(shù)，Gn為生熱系數(shù)，θ為結(jié)晶度，單位為％，s為彈性應(yīng)力張量，τ_p為聚合物應(yīng)力，單位Pa，M為形變速率張量；

本構(gòu)方程：

式中，De為狄波拉數(shù)，△X為聚合物應(yīng)力張量的變化量，△t為時(shí)間t的變化量，Tr為線性代數(shù)中對角線元素之和；

結(jié)晶方程：

式中，K(T)與等溫結(jié)晶速率有關(guān)，K(T,f_a)為結(jié)晶速率，單位s^-1，f_a為非晶區(qū)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(qū)的取向度，f_c為晶區(qū)取向因子，為晶區(qū)本征折射率，σ為軸向紡絲線應(yīng)力，單位Pa，F(xiàn)_rheo為纖維流變力，單位N；

(3)將材料參數(shù)、紡絲組件參數(shù)、紡絲工藝參數(shù)、噴絲孔處的應(yīng)力F(0)和步長H代入熔紡成形動(dòng)力學(xué)模型，采用有限元法求解得到紡程上不同節(jié)點(diǎn)x處的纖維直徑分布D[z(x)]、結(jié)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(dāng)前直徑D_{當(dāng)前}即D[z(N)]與目標(biāo)直徑D_{目標(biāo)}的偏差值小于等于閾值β₁、當(dāng)前結(jié)晶度θ_{當(dāng)前}即Xc[z(N)]與目標(biāo)結(jié)晶度θ_{目標(biāo)}的偏差值小于等于閾值β₂且當(dāng)前取向度△n_{當(dāng)前}即△n[z(N)]與目標(biāo)取向度△n_{目標(biāo)}的偏差值小于等于閾值β₃，如果滿足終止條件，則輸出當(dāng)前紡絲工藝參數(shù)，即為模擬計(jì)算得到的紡絲工藝參數(shù)，結(jié)束程序，反之，則進(jìn)入下一步；

(5)調(diào)整紡絲工藝參數(shù)，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(shù)；

(6)返回步驟(3)。