[发明专利]一种熔融纺丝工艺优化方法

摘要

本发明涉及一种熔融纺丝工艺优化方法，根据纤维的目标直径、目标结晶度和目标取向度模拟计算纺丝工艺参数后按模拟计算得到的纺丝工艺参数进行熔融纺丝，模拟计算步骤如下：(1)赋予材料参数、纺丝组件参数、纺丝工艺参数、喷丝孔处的应力F(0)和步长H初始值；(2)建立熔纺成形动力学模型；(3)将材料参数、纺丝组件参数、纺丝工艺参数、喷丝孔处的应力F(0)和步长H代入熔纺成形动力学模型；(4)判断是否满足终止条件，满足则获得模拟计算得到的纺丝工艺参数，结束程序，不满足则进入下一步；(5)调整纺丝工艺参数；(6)返回步骤(3)。本发明的一种熔融纺丝工艺优化方法，节省了实验的人力、时间以及资金成本，生产效率高。

主权项

1.一种熔融纺丝工艺优化方法，其特征是，根据纤维的目标直径、目标结晶度和目标取向度模拟计算纺丝工艺参数后按模拟计算得到的纺丝工艺参数进行熔融纺丝，所述模拟计算的步骤如下：(1)赋予材料参数、纺丝组件参数、纺丝工艺参数、喷丝孔处的应力F(0)和步长H初始值；所述材料参数包括：应力光学系数C_op，单位为cm²/dyn，最高纺丝温度T_max，单位为K，最大结晶速率K_max，单位为s^‑1，结晶半高宽U，单位为K，零切黏度η₀，单位为Pa·s，Avrami指数n，熔融温度T，单位为K，应力诱导系数C，Phan Thien‑Tanner模型参数ε；所述纺丝组件参数包括：喷丝板微孔半径d₀、喷丝板微孔长度L₀、喷丝板导孔半径d_m和喷丝板导孔长度L_m，单位都为mm；所述纺丝工艺参数包括：单孔泵供量W、纺丝温度T₀、缓冷区加热温度T₁、缓冷区长度L₁、吹风区温度T₂、吹风区吹风速度V₂、吹风区长度L₂、自然冷却区环境温度T₃、自然冷却区长度L₃和纺丝速度V_d，单位分别为g/s、K、K、m、K、m/s、m、K、m和m/min；所述喷丝孔处的应力F(0)的单位为N；所述步长H＝L/N，L为纺程总长度，单位为m，N为纺程上的区间个数，纺程上共N+1个节点，以喷丝孔出口处为第0节点，节点沿纺丝进行方向顺序编号；(2)建立熔纺成形动力学模型，熔纺成形动力学模型为多个方程，多个方程具体如下：连续性方程：式中，为矢量微分算子，ν为速度矢量；动量方程：F为纤维轴向力，单位N，z代表纺程上任意一点，ρ_a为空气密度，单位kg/m³，C_d为空气阻力系数，V为纤维横截面瞬时速度，单位m/s，D为纤维直径，单位m，g是重力加速度，取值为9.8m/s²；能量方程：s≡τ_p‑2η₀M；式中，Pe为Peclet数，H_f为传热系数，Gn为生热系数，θ为结晶度，单位为％，s为弹性应力张量，τ_p为聚合物应力，单位Pa，M为形变速率张量；本构方程：式中，De为狄波拉数，△X为聚合物应力张量的变化量，△t为时间t的变化量，Tr为线性代数中对角线元素之和；结晶方程：式中，K(T)与等温结晶速率有关，K(T,f_a)为结晶速率，单位s^‑1，f_a为非晶区取向因子；取向方程：Δn_a＝C_opσ；式中，△n为取向度，△n_a为非晶区的取向度，f_c为晶区取向因子，为晶区本征折射率，σ为轴向纺丝线应力，单位Pa，F_rheo为纤维流变力，单位N；(3)将材料参数、纺丝组件参数、纺丝工艺参数、喷丝孔处的应力F(0)和步长H代入熔纺成形动力学模型，采用有限元法求解得到纺程上不同节点x处的纤维直径分布D[z(x)]、结晶度分布Xc[z(x)]和取向度分布△n[z(x)]，x＝0,1,2...N，z(x)＝x·L/N；(4)判断是否满足终止条件，所述终止条件为：当前直径D_当前即D[z(N)]与目标直径D_目标的偏差值小于等于阈值β₁、当前结晶度θ_当前即Xc[z(N)]与目标结晶度θ_目标的偏差值小于等于阈值β₂且当前取向度△n_当前即△n[z(N)]与目标取向度△n_目标的偏差值小于等于阈值β₃，如果满足终止条件，则输出当前纺丝工艺参数，即为模拟计算得到的纺丝工艺参数，结束程序，反之，则进入下一步；(5)调整纺丝工艺参数，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为常数；(6)返回步骤(3)。