并列型PA 6/PET復合扁平纖維擠出成形工藝的數值模擬

寧 寧，甘佳佳，馮 培，陳 革

(東華大學 紡織裝備教育部工程研究中心，上海 201620)

?

并列型PA 6/PET復合扁平纖維擠出成形工藝的數值模擬

寧 寧，甘佳佳，馮 培，陳 革

(東華大學 紡織裝備教育部工程研究中心，上海 201620)

以聚酰胺6(PA 6)和聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)兩種聚合物為原料，利用Polyflow軟件建立并列型PA 6/PET復合扁平纖維擠出成形的模型，模擬在不同流量、不同紡絲溫度下纖維擠出成形的過程，分析在此過程中纖維橫截面形狀系數及絲條溫度的變化情況。結果表明：在復合扁平纖維紡絲中，兩種流體入口流量比的變化會引起共擠出界面位置和形狀的變化；PA 6/PET復合扁平纖維形狀系數隨著PA 6:PET流量比的增大而減小，隨著總流量的增加而增大，而絲條溫度降低的趨勢變緩；復合扁平纖維的形狀系數隨著紡絲溫度升高而降低。

聚己內酰胺纖維 聚對苯二甲酸乙二酯纖維 復合紡絲 扁平纖維 形狀系數 數值模擬

在合成纖維成形過程中，采用非圓形孔的噴絲板，制取各種不同截面形狀的纖維或中空纖維以改善纖維的手感、光澤等性能，這種纖維稱為異形纖維[1]。進入20世紀80年代以來，異形纖維生產向異形復合化、中空化和多功能化方向發(fā)展。其中，復合異形纖維是將兩種具有不同物理性質的高聚物熔體從同一個噴絲孔中噴出而形成在斷面上由兩種組分結合形成的纖維[2]。

作者選取并列型聚己內酰胺/聚對苯二甲酸乙二醇酯(PA 6/PET)復合扁平纖維作為模擬計算的研究對象，運用Polyflow專用軟件研究其在熔融紡絲過程中的擠出成形過程。界面不穩(wěn)定性和異形度是影響異形共擠出成形制品性能的重要因素[3]，研究紡絲參數的變化對異形度的影響具有重要的理論參考價值。

1 理論模型和幾何模型

1.1 理論模型的建立

(1)非等溫流動的控制方程有[4]：

連續(xù)性方程：

▽V=0

(1)

動量方程：

-▽p+▽τ=0

(2)

能量方程：

ρCPV▽T=Kd▽2+τ▽V

(3)

式中： V為速度矢量；P為靜壓力； τ為應力張量； ρ為密度；CP為比熱容； Kd為導熱系數；T為溫度。

(2)本構方程采用非等溫Plan-Thien-Tanner模型，是由時間-溫度等溫疊加算法轉化而來：

(4)

式中：T1，T2為上、下隨流時間導數；ε，ξ分別為控制材料拉伸性能和剪切性能的材料參數；λ為形變速率張量；η1為模型的黏度系數。

(3)熱流邊界條件：

Q=qc+α(T-Tα)+σ[(T+T0)4-(Tσ+T0)4]

(5)

式中：Q是總熱流量；qc是與溫度無關的熱通量；α是熱對流系數；T是在邊界的溫度；Tα是參考溫度的對流熱交換；σ[(T+T0)4-(Tσ-T0)4]是史蒂芬-波茲曼定律表示輻射換熱。

(4)表面張力(fn)：

(6)

式中： σ為表面張力系數；R為曲率半徑。

(5)多組分分界面條件：邊界條件確定了不同子任務區(qū)域連續(xù)處兩邊的連續(xù)性。分界面需要滿足以下條件，運動學條件：在界面上速度場是連續(xù)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：界面兩側的切向應力和法向應力是連續(xù)的，即兩側的應力相等。

1.2 幾何模型的建立

采用兩組分復合扁平實體模型，扁平微孔的尺寸寬為0.000 3 m，長為0.004 m，復合熔體從噴絲微孔中擠出過程分2個區(qū)域：噴絲微孔內流動區(qū)(0.001 5 m)和擠出噴絲孔后的擠出成形區(qū)(0.6 m)如圖1所示。

圖1 復合扁平模型Fig.1 Composite flat modelSD1—計算區(qū)域1；SD2— 計算區(qū)域2

采用正六面體小單元對三維幾何模型劃分網格，由于噴絲孔出口附近熔體細流直徑和運動速度變化較大，所以把網格加密，有利于計算收斂和獲取更多的速度分布調整信息[4]，其有限元網格劃分模型如圖2所示。

圖2 有限元網格劃分模型Fig.2 Finite element mesh modelBS1—PET入口；BS2—PA 6入口；BS3—噴絲孔壁面； BS4—自由面(纖維表面)；BS5—PET與PA 6的交界面

2 數值模擬

模擬環(huán)境設置包括材料特性參數設置和邊界條件設置，在設置兩個邊界條件時均需要對自由面的邊進行網格重劃分。

2.1 材料參數設置

模擬計算參數包括材料流變特性參數和熔融紡絲工藝條件參數[5-8]，具體參數見表1，表2。其中，n為非牛頓指數，η0為零剪切黏度，t為松弛時間，k為熱傳導率，D為扁平噴絲孔長度，W為扁平噴絲孔寬度，Ta為噴絲孔入口溫度，Tb為冷卻空氣溫度，L0為微孔長度，L1為計算區(qū)域2長度。

表1 材料流變性參數

Tab.1 Rheological parameters of raw material

項目參 數PA6PETn0．750．66t/s0．020．012η0/Pa·s75210ρ/(kg·m-3)9731268k/(W·m-1·k-1)0．200．21Cp/(J·kg·k-1)3332．53453．0

表2 熔融紡絲工藝參數

Tab.2 Melt spinning process parameters

項 目 參 數D/m4×10-3W/m0．3×10-3Ta/℃285Tb/℃20L0/m1．5×10-3L1/m0．6

2．2 模擬邊界條件

模擬計算邊界條件包括流動邊界條件和熱邊界條件[8-9]。由于模型適用非等溫黏彈性的流變過程，由很多非線性變量組合而成，所以必須對網格重置以保證計算的收斂性。

2.2.1 流動邊界條件

各個物理邊界設置如圖 2 所示。其中，進口(BS1，BS2):設定入口流量；壁面(BS3):噴絲孔壁面，設定Vn等于Vs為0(Vn，Vs分別為法向速度和切向速度)；自由面(BS4):設定表面張力系數，由于自由面變形，需要進行網格重置；分界面(BS5):設定表面張力系數；出口:設定fn為0，fs為0(fn，fs分別為法向力、切向力)。

2.2.2 熱邊界條件

進口(BS1、BS2) :設定入口溫度；壁面(BS3):認為溫度恒定，即不傳熱；自由面(BS4):表面溫度需要設定熱通量(即對流傳熱)；分界面(BS5)：設定熱通量(即對流傳熱)。

3 模擬結果分析

選取不同流量、不同紡絲溫度熔體紡絲工藝條件作為模擬方案，采用纖維橫截面的形狀系數(L2/S)(L為纖維橫截面的周長，S為纖維橫截面的面積)來評定扁平纖維的異形度。

3.1 流量變化

為了研究流量對復合異形纖維L2/S的影響，采取兩種方案，方案一：流量不變，改變兩種組分之間的流量比；方案二：復合組分中的一種組分流量不變，另一種組分流量增加。

方案一：多組分纖維成形中兩組分入口流量比對纖維成形有直接的影響，所以通過改變熔體的入口流量比來研究熔體之間互相的影響情況，在總流量不變時，選取PA 6:PET流量比分別為2:1，1:1，1:2。從圖3可以看出，兩種聚合物熔體入口流量比的變化對于界面偏移影響較大。當PA 6:PET流量比為2:1時，PA 6組分與PET組分的半徑變化分布很勻稱。當PA 6:PET流量比為1:2時，PET組分對PA 6組分擠壓非常嚴重。兩種流體入口流量比的變化會引起共擠出界面位置和形狀的變化。隨著兩種熔體流量差異的增大，界面位置偏移量增大。當總流量不變，隨著PA 6:PET流量比的增大，纖維的L2/S減小。當PA 6:PET為1:2時，纖維的L2/S為30.2，當PA 6:PET為2:1時，纖維的L2/S為25.1，纖維的L2/S減小了16.9%。另外，復合扁平纖維的絲條溫度沿紡程逐漸降低，改變流量比時，絲條溫度變化不是很明顯。

圖3 不同流量比下纖維L2/S沿紡程方向的變化Fig.3 Change of L2/S of fibers along with spinning path at differnet flow ratio1—PA 6:PET流量比為2:1；2—PA 6:PET流量比為1:1；3—PA 6:PET流量比為1:2

方案二：選擇PA 6流量增加(分別為1.5×10-7，2.0×10-7，2.5×10-7m3/s),PET流量不變?yōu)?.5×10-7m3/s進行模擬。由圖4可知：復合扁平纖維的L2/S隨著PA 6流量的增加而增大；當PA 6流量為1.5×10-7m3/s時，纖維的L2/S為28.8；當PA 6流量為2.5×10-7m3/s時，纖維的L2/S為33.6，纖維的L2/S增大了12.4%；另外，隨著總流量的增加，復合纖維的絲條溫度沿紡程方向降低的趨勢變緩，結晶固化點的位置下移，纖維變形區(qū)間變寬。

圖4 不同PA 6流量下纖維L2/S沿紡程方向的變化Fig.4 Change of L2/S of fibers along with spinning path at different PA 6 flow1—PA 6流量為1.5×10-7m3/s；2—PA 6流量為2.0×10-7m3/s；3—PA 6流量為2.5×10-7m3/s

3.2 紡絲溫度

復合異形纖維的L2/S對成形過程中的溫度變化較為敏感，當熔體擠出速度較快時，熔體細流較快進入纖維的成形區(qū)，使絲條的黏度迅速增加，松弛時間延長，有利于L2/S的提高。由圖5可看出，纖維的L2/S隨著紡絲溫度升高而降低，紡絲溫度從282 ℃升高到287 ℃時，L2/S下降11.4%，從287 ℃升高到292 ℃時，L2/S下降4.8%。

圖5 不同紡絲溫度下纖維L2/S沿紡程方向的變化Fig.5 Change of L2/S of fibers along with spinning path at different spinning temperature1—292 ℃；2—287 ℃；3—282 ℃

雖然熔體的松弛時間隨溫度的升高而下降，使熔體擠出噴絲孔后的膨化現(xiàn)象減少，熔體的表面張力減小；但是紡絲溫度對熔體的黏度也有很大的影響，隨紡絲溫度的升高，熔體的黏度逐漸下降，擠出物偏離噴絲孔形狀的阻力減小，研究表明紡絲溫度對后者的影響要大于前者[10]。因此，纖維的L2/S隨紡絲溫度的升高而下降。

3.3 單組分與復合組分扁平纖維的模擬對比

由圖6可以看出，PA 6/ PET復合扁平纖維的橫截面形狀介于單組分PA 6纖維和單組分PET纖維之間，其形狀類似“鑰匙”形。

圖6 扁平纖維截面形狀Fig.6 Cross section shape of flat fiber

從圖7可以看出，熔體在剛擠出噴絲板時，由于擠出脹大的原因，纖維的L2/S急劇減小，隨著熔體的恢復，L2/S慢慢有所增大，但沿紡程方向纖維的L2/S的趨勢是逐漸減小。相比單組分扁平纖維，PA 6/ PET復合扁平纖維截面更不規(guī)則，PA 6/PET復合扁平纖維的L2/S大于單組分纖維的L2/S。熔體的膨化程度主要是由于兩者的黏度不同起作用，若是兩種不同的熔體，膨脹的程度顯然會不同，則扁平纖維的“鑰匙”形狀也會不一樣，兩種組分的黏度對復合異形纖維的形狀起決定性作用。

圖7 不同組分纖維的L2/S沿紡程方向的變化Fig.7 Change of L2/S of fibers with different components along with spinning path1—PA 6；2—PET；3—PA 6/PET

4 結論

a. 在并列型PA 6/PET復合扁平纖維紡絲中，兩種流體入口流量比的變化會引起共擠出界面位置和形狀的變化。

b. 當總流量不變，隨著PA 6:PET流量比值的增大，纖維的L2/S減小。當PA 6:PET流量比為1:2時，纖維的L2/S為30.2，當PA 6:PET流量比為2:1時，纖維的L2/S為25.1，纖維的L2/S減小了16.9%。

c. 復合扁平纖維的L2/S隨著總流量的增加而增大，隨著總流量的增加，復合纖維的絲條溫度降低的趨勢變緩。

d. 纖維的L2/S對成形過程中的紡絲溫度變化較為敏感，復合扁平纖維的L2/S隨著紡絲溫度的升高而降低，紡絲溫度從282 ℃升高到287 ℃時，L2/S下降11.4%，紡絲溫度從287 ℃升高到292 ℃時，L2/S下降4.8%。

e. 復合纖維中兩種組分的黏度對復合異形纖維的形狀起決定性作用。

[1] 董紀震，羅鴻烈，王慶瑞，等．合成纖維生產工藝學[M]．2版．北京:中國紡織出版社，1991:13，168．

Dong Jizhen, Luo Honglei, Wang Qingrui, et al. Synthetic fiber production process[M]. 2nd edit. Beijing: China Textile Industry Press, 1991:13,168.

[2] 楊崇倡. 異形纖維噴絲板的設計加工及其應用研究[D]. 上海：東華大學，2008.

Yang Congchang. Study on design processing and application of spinneret for profiled fiber[D]. Shanghai: Donghua University, 2008.

[3] 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.

Ji Zhanguo. Numerical simulation research of the effect of interfacial slipping on polymer co-extrusion formation process[D]. Nanchang: Nanchang University, 2008.

[4] Aloku G O , Yuan Xuefeng. Numerical simulation of polymer foaming process in extrusion flow[ J] . Chem Eng Sci, 2010 ,65(12 ):3 749-3 761.

[5] 柳和生，涂志剛，熊洪槐．聚合物熔體在直線型異型材擠出口模內三維粘彈流動分析[J]．應用基礎與工程，2004，12(1):73-79．

Liu Hesheng, Tu Zhigang, Xiong Honghuai. Numerical simulation of three dimensional viscoelastic polymer melt flow through the extrusion die with an irregular cross section composed of lined up components[J]. J Basic Sci Eng, 2004，12(1):73-79.

[6] 郭燕沖，崔毅華，王新厚．熔噴非織造衣架型模頭中聚合物流動數值模擬[J]．紡織學報，2006，27(10):18-21．

Guo Yanchong, Cui Yihua, Wang Xinhou. Numerical simulation of polymer flow in the coat-hanger die of melt blown process[J]. J Text Res, 2006，27(10):18-21．

[7] 劉玉軍，王鈞效．衣架式紡絲模頭設計理論研究[J]．紡織學報，2008，29(3):97-100．

Liu Yujun, Wang Junxiao. Theoretical study on design of coat-hanger die[J]. J Text Res, 2008，29(3) :97-100．

[8] 劉斌，馬駿．Polyflow逆向擠出功能在異型材口模設計中的應用[J]．計算機輔助技術，2008，36(1) :66-70．

Liu Bin,Ma Jun.Application of polyflow inverse extrusion in the design of profile die[J].Plast Sci Tech,2008，36(1):66-70．

[9] 劉麗研，黃故，王瑞．熱塑性復合材料薄板拉伸過程有限元模擬[J]．紡織學報，2007,28(11):45-47.

Liu Liyan, Huang Gu, Wang Rui. Finite elemental simulation on tensile process of thermoplastic laminates[J]. J Text Res, 2007，28(11):45-47.

[10] 周兆云，王華平，王朝生,等. 扁平纖維熔融紡絲動力學模型[J],聚酯工業(yè),2006,19(5):1-4.

Zhou Zhaoyun, Wang Huaping, Wang Chaosheng, et al. Dynamic model of flat fiber in melt-spinning[J]. Polyest Ind, 2006,19(5):1-4.

Numerical simulation of extrusion-forming process of side-by-side PA 6/PET composite flat fiber

Ning Ning, Gan Jiajia, Feng Pei, Chen Ge

(EngineeringResearchCenterofAdvancedTextileMachineryofMinistryofEducation,DonghuaUniversity,Shanghai201620)

A model for simulating the extrusion-forming process of side-by-side polycaprolactam (PA 6)/polyethylene terephthalate (PET) composite flat fiber was established by using PA 6 and PET as raw material under different flow and spinning temperature with a Polyflow software. The change of the cross section shape coefficient and tow temperature was analyzed during the process of extrusion formation. The results showed that the variation of the flow ratio of PA 6 and PET at the inlet would result in the change of extrusion interface position and shape during composite spinning process; the shape coefficient of PA 6/PET composite flat fiber was decreased with the increase of the flow ratio of PA 6 and PET and was increased with the increase of the total flow, but the fiber temperature was decreased more and more slowly with the increase of the total flow; and the shape coefficient of the composite flat fiber was also decreased with the increase of spinning temperature.

polycaprolactam fiber; polyethylene terephthalate fiber; composite spinning; flat fiber; shape coefficient; numerical simulation

2016- 06-20； 修改稿收到日期：2016-10- 09。

寧寧(1988—)，女，碩士研究生，主要研究方向為滌錦復合異形纖維的成形工藝與裝備的研發(fā)。E-mail：15026561831@163.com。

TQ342+.94

A

1001- 0041(2016)06- 0060- 05