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多组分复合纺丝熔体流动及纤维成形过程的模拟研究

曹均雨  
【摘要】:多组分纤维和异形纤维是化学纤维差别化的两种主要技术,与美、日等发达国家相比,我国化纤工业存在量重质轻问题,差别化率低。目前,我国在新纤维产品的研制,主要是通过仿制国外的新产品,由于缺乏纺丝条件优化控制理论的指导,现在对纤维成形过程控制技术大都凭借实践经验及反复试验,增大了开发的成本和周期。因此,本课题将主要针对熔体在复合纺丝组件中流动及纤维成形过程理论模拟研究。 论文分析了多组分纤维和复合纺丝组件的概况,接着以流变学基本原理为理论依据,研究高聚物熔体在复合纺丝组件单元内的流动机理,基于熔体在喷丝微孔中流动的数学模型,推导出纺丝熔体在喷丝微孔单元中达到稳定流动时的速度分布和剪切速率分布数学模型。用Gambit建立多组分皮芯型喷丝微孔模型,在有限元网格划分基础上,利用模拟粘弹性流体流动的CFD软件—Polyflow对纺丝熔体在喷丝微孔中的流动情况进行了模拟;并对熔体在其中流动的速度、压力、温度三场进行了模拟仿真,分析出了流量比不同情况下对熔体复合的影响,得出熔体在喷丝微孔内的流动情况,并实现熔体的流动过程可视化。这将为实际生产中提供一定的理论依据。 论文详细分析了熔体挤出成形过程,把温度依赖粘度变化的Arrhenius模型、微分粘弹性PPT模型和流动诱导结晶模型应用于描述纺丝熔体挤出拉伸成型,使得熔体纺丝模型更符合实际。建立了单组份圆形纤维的二维数值模型,模拟流场的参数分布,如速度、温度、结晶度等。重点讨论了高速纺丝过程中挤出胀大、半径缩小、结晶三个物理现象。将数值模拟结果与熔体纺丝实验结果具有良好的一致性。建立了多组分圆形纤维共挤出的二维数值模型,重点模拟讨论了改变流场的参数如入口流量比、温度、拉伸速率对多组分皮芯纤维共挤出成形过程的影响,并得出了有用的结论。 建立了十字形纤维的三维数值模型,主要针对异形纤维成形过程中纤维的变形这一物理现象进行研究,并寻找主要原因。将计算机模拟所得的十字形纤维截面形状与纺丝实验结果对比,基本符合,验证了数值模拟的正确性。


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