基于POLYFLOW模擬不同微孔形狀及拉伸速率的共擠出流動

劉娜娜，甘學輝，陳 淮，王 磊，劉 冰

(東華大學機械工程學院，上海201620)

基于POLYFLOW模擬不同微孔形狀及拉伸速率的共擠出流動

劉娜娜，甘學輝，陳 淮，王 磊，劉 冰

(東華大學機械工程學院，上海201620)

以聚酰胺6(PA6)和聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)兩種聚合物為原料，應用POLYFLOW軟件模擬并列型PA6/PET熔體共擠出過程的現象，討論了2種熔體在不同入口角、不同長徑比的微孔結構下的擠出脹大比的變化規律。結果表明:長徑比較小時，入口角對擠出脹大比有一定的影響;長徑比較大時，入口角對擠出脹大比幾乎沒有影響;隨著長徑比的增加，擠出脹大比逐漸減小。隨著拉伸速率的增加，擠出脹大比減少;拉伸速率過大時，容易產生熔體破裂，因此，適當的拉伸速率可以減小擠出脹大比。

聚己內酰胺 聚對苯二甲酸乙二醇酯 擠出脹大比 數值模擬 拉伸速率

共擠出成型是通過組合兩種或多種不同的熔體流共同擠出得到的，產品充分發揮各組分材料的特性的成型加工方法。目前針對共擠出的研究很多，主要集中在兩熔體界面的形狀和穩定性方面，共擠出聚合物的脹大問題，除包含自由脹大表面外還包含兩種流體之間的界面的變化，使求解更為復雜［1］。

由于聚己內酰胺(PA6)纖維具有斷裂強度高，耐腐蝕性好等特點，其應用廣泛，但PA6纖維模量低、易伸長尺寸穩定性較差，而滌綸模量比PA6纖維高2～3倍［2］，尺寸穩定性也高于 PA6纖維。因此通常在PA6切片中加入一定量的聚酯(PET)切片進行熔融紡絲改性。

研究者發現具有并列型復合結構的纖維在獲得永久卷曲性效果的同時，賦予纖維良好的彈性［3］。作者基于POLYFLOW軟件對圓形微孔的共擠出進行數值模擬，研究了并列型PA6/PET熔體從圓形微孔中擠出時的流動狀態。界面不穩定性和離模膨脹是影響共擠出成型制品性能的重要因素，研究過程中參數的變化對擠出脹大的影響具有重要的研究價值［4］。其中主要研究了噴絲微孔的結構對擠出脹大比的影響。

1 實驗

1.1 理論模型的建立

1.1.1 控制方程

為了簡少計算量，對高聚物熔體的穩定流動做以下假設:1)熔體為不可壓縮的非等溫穩態層流;2)熔體在流道壁上為無滑移流動，即其各個速度分量為零;3)由于聚合物的高粘性，忽略慣性力和質量力對流動的影響;4)流體在口模內流動為完全發展流。基于以上假設，聚合物流動的控制方程形式如下。

式中:V為速度矢量;ρ為密度;τ為應力張量;p為壓力;T為流體溫度;Cp為定容比熱;q為導熱通量向量;▽為微分算子。

聚合物熔體流動本構方程采用Phan-Thien-Tanner(PTT)粘彈性本構模型［5］:

式中:τ1，τ2分別為上、下隨流時間導數;ε，ξ分別控制材料的拉伸性能和剪切性能;η為黏度;λ為松弛時間;D為形變速率張量。

在該模擬中PA6，PET所需模擬參數如表1所示。

表1 模擬參數Tab.1 Simulated parameters

1.2 幾何模型的建立

采用圓形微孔口模實體模型如下圖1a所示，共擠出口模分為口模內流動區域(長度0.6 mm)和離模膨脹區域(長度10 mm)，圓形截面的直徑為0.3 mm。采用正六面體最小單元進行網格劃分，其網格模型如圖1b所示。

圖1 數值模擬模型的建立Fig.1 Numerical simulation model

1.3 邊界條件

1)BS1:入口流量(Q)為 20 mm3/s;BS2:Q為20 mm3/s。

2)BS3，BS7:法向速度(Vn)等于切向速度(Vs)，均為0，絕熱力界。

3)兩熔體的界面:Interface運動學條件為在界面上速度場是連續的，即熔體流動沒有穿透界面，界面上兩種熔體的切向速度相等;動力學條件為界面兩側的切向應力和法向應力是連續的，即兩側的應力張量相等。

4)BS4，BS6:脹大表面上必須同時滿足速度邊界條件和應力邊界條件，即Vn為0，法向應力(fn)為0，切向應力(fs)為0。

5)BS5:不考慮牽引速度的影響，即fn等于fs，為0。

6)迭代方法［6］:為了減少計算量，壓力和應力采用線性迭代，黏度采用Picard迭代，速度采用Mini-element迭代。

2 結果與討論

2.1 熔體出入口處的速度等值線圖分布

從圖2可以看出，在出口處的速度最大值出現在熔體黏度較小的PET一側，符合黏度小的熔體逐漸包裹黏度高的熔體的趨勢這一規律，界面向黏度較高的熔體一側偏移。

圖2 熔體出入口處的速度等值線圖分布Fig.2 Melt inlet and outlet velocity equivalent value line map

2.2 微孔結構對擠出脹大比(B)的影響

熔體在收斂流道中流動時會受到拉伸流動，會導致強烈的入口彈性效應，在不同的微孔長徑比(L/D)和不同的入口角(α)的情況下對B的影響也不同。

從圖3可以看出，B隨著L/D的增加而下降，當L/D較小時，α的大小對B有一定的影響，α小于45°時，B較小;α大于60°時，B較大，但是在這一范圍內α的變化對擠出脹大的影響很小;隨著微孔的L/D的增加，α的大小對B的影響變得很不明顯，即α對擠出脹大的影響隨著L/D的增大而逐漸消失。

圖3 在不同L/D下的α對B影響Fig.3 Effect of α on B at different L/D

2.3 拉伸速率(v)對B的影響

從圖4可以看出:隨著v的增加，B減小，并且由擠出脹大變為擠出收縮;但是隨v的增加，熔體沿擠出方向的速度梯度也會增加，當v過大時，會使擠出流動變得不穩定，很容易產生熔體破裂等現象，會影響產品的質量。因此要將v控制在適合的范圍內，以滿足產品的性能要求。

圖4 不同v對B的影響Fig.4 Effect of v on B

3 結論

a.B隨著L/D的增加而減小，當L/D較小時，微孔α對B有一定的影響，當L/D較大時，微孔α對B幾乎沒有影響。

b.隨著v的增加，B減小;但是當v過大時，會使擠出流動變得不穩定，容易產生熔體破裂等現象，因此要適當的調節v的大小。

［1］張敏，孫勝，賈玉璽，等.聚合物共擠出過程的擠出脹大有限元分析［J］.高分子材料科學與工程，2006，22(5):36 －39.

［2］薛芳峰，胡永笑，付洪波，等.PA6/PET切片熔融共混紡絲工藝介紹［J］.合成纖維，2009，38(11):44 －46.

［3］張大省，王銳.超細纖維生產技術及應用［M］.北京:中國紡織出版社.2007:93－95.

［4］紀占國.分層界面滑移對聚合物共擠成型過程影響的數值模擬研究［D］.南昌:南昌大學，2008.

［5］Simhambhatla M，Leonov A I.On the rheological modeling of viscoelastic polymer liquids with stable constitutive equations［J］.Rheol Acta，1995，34(3):259 －273.

［6］黃樹新，魯傳敬.基于Cross方程的IUPAC-LDPE熔體擠出脹大的數值模擬［J］.水動力學研究與進展，2007，6(22):677－681.

POLYFLOW simulation of co-extrusion flow under different micropore shape and stretching rate

Liu Nana，Gan Xuehui，Chen Huai，Wang Lei，Liu Bing
(College of Mechanical Engineering，Donghua University，Shanghai201620)

The co-extrusion process of side-by-side polyamide 6(PA6)/polyethylene terephthalate(PET)melt was simulated with POLYFLOW software.The change law of the die swell ratio of these two melts was discussed under the microhole structure with different inlet angle and length-diameter ratio.The results showed that the inlet angle had a certain effect on the die swell ratio at lower length-diameter ratio，but had little effect on the die swell ratio at higher length-diameter ratio;the die swell ratio gradually decreased with the increase of length-diameter ratio or tstretching rate;and melt fracture easily occured at extremely high stretching rate，so a rational stretching rate should be controlled to decrease the die swell ratio.

polycaprolactam;polyethylene terephthalate;die swell ratio;numerical simulation;stretching rate

TQ340.642

A

1001-0041(2012)05-0062-04

2011-11-01;修改稿收到日期:2012-06-13。

劉娜娜(1986—)，女，碩士研究生，從事新型紡織機械研究。E-mail:liunana19861006@163.com。

上海市教育委員會科研創新重點項目(12ZZ066);高等學校博士學科點專項科研基金(20100075120011);中國紡織工業協會指導性計劃項目(2011149);中央高校基本科研業務費專項資金資助。