PE-UHMW/PE-HD熔融擠出初生絲擠出脹大現(xiàn)象模擬分析
付麗纽匙，薛平，劉麗超拍谐，賈明印
（北京化工大學機電工程學院烛缔，北京100029）
摘要：以熔融紡絲過程為研究對象，采用PTT本構(gòu)模型轩拨，運用有限元分析方法践瓷，對高密度聚乙烯（PE-HD）改性超高分子量聚乙烯（PE-UHMW）共混物熔融法擠出初生絲的過程進行了數(shù)值模擬，對比分析了口模溫度和熔體泵轉(zhuǎn)速的變化對擠出過程速度場和剪切速率場分布的影響亡蓉，探究了影響初生絲擠出脹大現(xiàn)象的因素晕翠。研究表明，隨著擠出口模溫度的升高砍濒，初生絲擠出脹大現(xiàn)象明顯減弱淋肾，擠出脹大比從280℃的1.318降低到310℃的1.264。然而爸邢，隨著熔體泵轉(zhuǎn)速的增大樊卓，初生絲擠出脹大現(xiàn)象顯著增強，擠出脹大比由轉(zhuǎn)速為1r/min的1.258增大到5r/min的1.318杠河。
關(guān)鍵詞：超高分子量聚乙烯纖維碌尔；共混改性；熔融紡絲券敌；擠出脹大唾戚；數(shù)值模擬
中圖分類號：TS155.6 文獻標識碼：A 文章編號：1001-3539（2019）04-0053-06
超高分子量聚乙烯（PE-UHMW）纖維與碳纖維、芳綸纖維并稱為世界三大高性能纖維陪白，其優(yōu)越的物理性能已使PE-UHMW纖維成為目前世界上比強度和比模量最高的纖維[1]颈走。目前工業(yè)上主要采用凝膠紡絲法進行PE-UHMW纖維的生產(chǎn)，但是凝膠紡絲法工藝復雜咱士，需要使用溶劑立由，成本高轧钓，易造成環(huán)境污染[2]，而熔融紡絲法無需溶劑[3]锐膜，工藝路線簡單毕箍，成本低[4]，具有很好的發(fā)展前景道盏。
近年來而柑，利用熔融法生產(chǎn)PE-UHMW纖維的研究越來越受到人們的關(guān)注。甄萬清等[2]研究了納米蒙脫土（MMT）對PE-UHMW纖維性能的影響荷逞，并從晶格變化的角度分析了纖維性能發(fā)生變化的原因媒咳；鄭艷超等[5]則分析了不同聚烯烴改性材料對PE-UHMW纖維熱性能、力學性能及纖維取向度等性能的影響种远，王非[6]涩澡、A.K.Doufas等[7]也分別做了相關(guān)研究。聚合物在熔融紡絲過程中不可避免的會出現(xiàn)擠出脹大以及熔體破裂現(xiàn)象坠敷，許多文獻[8–12]利用Polyflow軟件探究了工藝參數(shù)對擠出加工過程中聚合物擠出脹大現(xiàn)象的影響妙同，發(fā)現(xiàn)利用氣輔成型的方法可以有效減小擠出脹大現(xiàn)象；相應(yīng)的擠出脹大現(xiàn)象對熔融紡絲過程的影響主要表現(xiàn)為得到的PE-UHMW初生絲的直徑大于口模直徑膝迎，二次拉伸之后制得的纖維尺寸也無法得到保障粥帚，這為加工生產(chǎn)帶來不可避免的困難。然而限次，目前針對紡絲過程中擠出脹大現(xiàn)象的模擬研究[13]比較少見芒涡，尤其是PE-UHMW熔融紡絲的過程；因此筆者利用Polyflow軟件進行數(shù)值模擬卖漫，對高密度聚乙烯（PE-HD）改性PE-UHMW共混物熔融紡絲過程中初生絲的擠出脹大現(xiàn)象進行分析研究拖陆。
1模型建立
1．1數(shù)學模型
根據(jù)PE-UHMW/PE-HD熔融紡絲過程中熔體在口模中的流動現(xiàn)象和特點，做出如下假設(shè)：
熔體不可壓縮懊亡；流動方式為穩(wěn)定的層流；忽略重力和慣性力的影響乎串；熔體為黏彈性流體且等溫流動店枣。
連續(xù)性方程：
式中：
——速度矢量；
ρ——密度叹誉；
V——哈密爾頓算子鸯两。
動量方程：
式中：
——應(yīng)力矢量；
g——重力加速度长豁。
1．2材料模型
材料模型主要反映的是共混物料流動過程中應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系钧唐。模擬過程中只有真實的反應(yīng)這兩者之間的關(guān)系，才能得到相對準確的模擬結(jié)果匠襟。此處采用PTT微分黏彈模型钝侠，因為該模型能夠定量地描述聚合物的剪切黏度和法向應(yīng)力差该园，對于粘彈性流體的流動來說，額外應(yīng)力張量分為黏彈性張量T1和牛頓分量T2帅韧，即T=T1+T2里初，其中牛頓分量T2=2η0D，其粘彈性分量T1計算方法如式（3）所示：
式中：η0——零切黏度忽舟；
η1——模型指定黏度系數(shù)双妨；
λ——松弛時間；
tr——張量微量叮阅；
η2——牛頓分量黏度系數(shù)刁品；
D——變形速率張量；
ξ——與剪切有關(guān)的材料參數(shù)浩姥；
ε——與拉伸黏度有關(guān)的材料參數(shù)挑随；
V——下隨體時間導數(shù)；
Δ——上隨體時間導數(shù)及刻。
1．3幾何模型
根據(jù)課題組之前的研究表明[7]镀裤，PE-UHMW/PE-HD共混物熔融紡絲過程中圓柱形擠出口模長徑比L/D為5，口模直徑D為0.6mm缴饭，口模收斂角為70°時暑劝，初生絲具有較好的擠出穩(wěn)定性，同時模具也容易被清理颗搂，因此選用該結(jié)構(gòu)的噴絲板担猛，其物理模型如圖1所示。
圖1擠出口模物理模型
2數(shù)值模擬
2．1三維模型建立
根據(jù)熔融紡絲擠出口模的物理模型丢氢，利用SolidWorks軟件建立三維模型傅联，擠出口模三維模型示意圖如圖2所示。由于口模具有很好的對稱性疚察，為減減少計算時間蒸走，方便分析，只對擠出口模的四分之一進行數(shù)值模擬貌嫡。
圖2擠出口模三維模型
2．2網(wǎng)格劃分
將三維模型導入GAMBIT軟件比驻，利用GAMBIT軟件對流道中的物料進行網(wǎng)格劃分，擠出物網(wǎng)格劃分的結(jié)果如圖3所示岛抄。
圖3擠出物網(wǎng)格劃分
圖3a顯示是初始網(wǎng)格劃分别惦，共劃分單元3096個，節(jié)點4420個夫椭，邊界6個掸掸，鄰域2個。擠出過程中，物料在擠出口模后扰付，會發(fā)生擠出脹大現(xiàn)象堤撵，因此模擬過程中會發(fā)生網(wǎng)格重置現(xiàn)象，如圖3b所示悯周。
2．3材料參數(shù)和工藝參數(shù)
筆者主要研究擠出口模溫度和熔體泵轉(zhuǎn)速對PE-UHMW/PE-HD共混物熔融紡絲擠出脹大現(xiàn)象的影響粒督，而實驗過程中擠出口模的溫度一般設(shè)定在280～310℃[15]，熔體泵轉(zhuǎn)速設(shè)定在1～5r/min禽翼，因此模擬過程中溫度和轉(zhuǎn)速的變化也分別設(shè)定在這個范圍內(nèi)屠橄。
利用哈克旋轉(zhuǎn)流變儀測定不同溫度下PE-UHMW/PE-HD共混物的各項性能，發(fā)現(xiàn)其零切黏
度闰挡、穩(wěn)定剪切黏性流動的無量綱材料參數(shù)锐墙、穩(wěn)態(tài)拉伸黏性流動的無量綱材料參數(shù)及純黏性部分與總黏度的比值幾乎不發(fā)生變化，分別為9000Pa·s长酗，0.75溪北，0.63，1/9夺脾；松弛時間隨著溫度的升高而減小之拨，在不同溫度下，分別為0.0155咧叭，0.0112蚀乔，0.0091，0.0062菲茬，0.0059吉挣，0.0055，0.0034s（280～310℃婉弹，每5℃測一次）睬魂。
2．4邊界條件
口模入口處：分別設(shè)定入口體積流率為5×10–8m3/s（1r/min），1.0×10–7m3/s（2r/min）镀赌，1.5×10–7m3/s（3r/min）氯哮，2.0×10–7m3/s（4r/min），2.5×10–7m3/s（5r/min）商佛。
自由表面末端處：fn=fs=0蛙粘；
口模內(nèi)壁面：vn=vs=0；
初生絲表面：自由表面威彰；
XY面和YZ面：對稱面。
vn表示法向速度穴肘，vs表示切向速度歇盼；
fn表示法向力，fs表示切向力评抚。
2．5結(jié)果處理
綜合上述的物料參數(shù)豹缀、本構(gòu)模型及邊界條件的設(shè)置伯复，運用Polyflow進行數(shù)值計算，并利用該軟件的CFD-post功能進行結(jié)果處理邢笙，輸出擠出口模處的速度分布云圖和剪切速率分布云圖啸如，分析擠出口模處的速度和剪切速率的變化趨勢，計算擠出脹大比等數(shù)據(jù)氮惯。
3結(jié)果分析
3.1速度場分析
共混物擠出口模的過程中叮雳，受到壁面無滑移條件的影響，口模中熔體流動速率的梯度分布是發(fā)生擠出脹大的重要因素妇汗，尤其是擠出口模徑向方向上的速度梯度帘不。
圖4是初生絲速度分布圖⊙罴口模內(nèi)物料的軸向流動在失去壁面的束縛后寞焙，在口模外表現(xiàn)為軸向流動和徑向流動的疊加，從而產(chǎn)生明顯的擠出脹大現(xiàn)象（如圖4a所示）互婿。不同加工溫度捣郊、不同熔體泵轉(zhuǎn)速下擠出口模的軸向速度和徑向速度分布變化情況如圖4b～圖4e所示。由圖4b和圖4d可以看出慈参，不同溫度和轉(zhuǎn)速下呛牲，物料在流出擠出口模的瞬間，軸向方向的速度急劇降低懂牧，根據(jù)公式（2）中的動量方程可以分析得出侈净，此時物料的流動由口模內(nèi)的軸向流動轉(zhuǎn)變?yōu)閺较蛄鲃雍洼S向流動的疊加，如圖4c和圖4e所示僧凤，而且擠出口模溫度和計量泵轉(zhuǎn)速越高徑向速度越大畜侦，這主要是因為物料在口模中流動發(fā)生較高程度的取向，但是在離開口模后躯保，失去口模的束縛旋膳，分子鏈發(fā)生解取向?qū)е碌膹椥曰謴同F(xiàn)象；在離開口模一段時間后途事，分子鏈的解取向過程逐漸結(jié)束验懊，徑向速度逐漸減小，幾乎變?yōu)?尸变，此時物料的流動主要表現(xiàn)為軸向流動义图，即圖4b和圖4d中距口模出口0.5mm的位置，軸向速度急劇增大的現(xiàn)象召烂，相應(yīng)地碱工，當徑向流動停止后擠出物的直徑就不再發(fā)生變化。
a—初生絲擠出口模過程中速度分布流線圖；
b—熔體泵轉(zhuǎn)速為2r/min時怕篷，不同口模溫度下初生絲中心處的軸向
速度分布历筝；c—熔體泵轉(zhuǎn)速為2r/min時，不同口模溫度下出口處初
生絲徑向速度分布廊谓；d—口模溫度為300℃時梳猪，不同熔體泵轉(zhuǎn)速下初生
絲中心處的軸向速度分布；e—口模溫度為300℃時蒸痹，不同熔體泵轉(zhuǎn)速
下出口處初生絲徑向速度分布
圖4初生絲速度分布圖
3．2剪切速率場分析
剪切速率的分布對分子鏈的取向和解取向過程有很大的影響春弥。圖5為初生絲剪切速率分布圖。由圖5a可見电抚，受到口模壁面的作用惕稻，徑向方向上的速度梯度較大，因此近壁面處物料受到的剪切速率最大蝙叛，而在口模中心處俺祠，徑向方向上速度梯度小，口模中心處的剪切速率也減小借帘。共混物料流出擠出口模后蜘渣，物料的流動由口模內(nèi)的軸向流動變?yōu)榭谀Ｍ獾妮S向流動和徑向流動的疊加，因此在擠出口模后肺然，由于沒有了壁面的作用蔫缸，初生絲外壁面處的剪切速率最小，但是受到徑向流動的影響际起，剪切速率由中心沿徑向方向逐漸減小拾碌，直至徑向方向上的速度變?yōu)?，剪切速率變成均勻分布街望。由圖5b和圖5c可看出校翔，熔體泵的轉(zhuǎn)速不變時，隨著溫度的升高灾前，最大剪切速率值沿徑向方向幾乎沒有發(fā)生變化防症，而在溫度不變時，隨著熔體泵轉(zhuǎn)速的增大哎甲，剪切速率在徑向方向上的分布成比例的增大蔫敲，說明物料擠出口模的過程中速度梯度是影響剪切速率的主要因素。圖5c可以看出炭玫，熔體泵轉(zhuǎn)速越大奈嘿，口模內(nèi)最大剪切速率和最小剪切速率的差值越大，說明在離開口模后吞加，沒有了壁面的約束裙犹，初生絲外壁面處剪切速率發(fā)生突變酝惧，但是中心處的剪切速率受到熔體的黏性作用，無法發(fā)生突變伯诬，因此剪切速率由梯度分布變?yōu)榫鶆蚍植嫉臅r間更長，擠出脹大現(xiàn)象更明顯巫财。
a—初生絲擠出口模過程中剪切速率分布云圖盗似；b—2r/min時，不同
口模溫度下出口處初生絲徑向剪切速率分布平项；c—300℃時赫舒，不同熔體
泵轉(zhuǎn)速下出口處初生絲徑向剪切速率分布
圖5初生絲剪切速率分布圖
3．3擠出脹大現(xiàn)象分析
擠出脹大現(xiàn)象一般利用擠出脹大比來表征，此處將流出擠出口模后的初生絲直徑和口模截面直徑之比定義為擠出脹大比闽瓢，其計算方法如式（4）所示接癌。
式中：B——擠出脹大比；
D——初生絲截面直徑扣讼；
D0——擠出口模截面直徑缺猛。
紡絲過程中的擠出脹大現(xiàn)象，直觀地表現(xiàn)為初生絲的直徑大于擠出口模的直徑椭符，但是受到口模溫度荔燎、熔體泵轉(zhuǎn)速等工藝參數(shù)的影響，擠出脹大率會發(fā)生較大的變化销钝。圖6為常見擠出脹大現(xiàn)象示意圖（1/4部分）有咨，其中內(nèi)圈表示擠出口模，外圈表示初生絲蒸健。
圖6紡絲過程中擠出脹大現(xiàn)象示意圖
(1)口模溫度對擠出脹大比的影響座享。
紡絲過程中，擠出口模的溫度是重要的工藝參數(shù)似忧，直接影響了物料的塑化狀況及分子鏈的取向及解取向狀況渣叛。圖7為初生絲擠出脹大比隨溫度變化。由圖7可見橡娄，隨著溫度的升高诗箍，初生絲的擠出脹大比呈下降趨勢，由280℃時的1.318降低到310℃的1.264挽唉，而且其減小趨勢與物料松弛時間的減小趨勢幾乎相當滤祖。這主要是因為在固定熔體泵轉(zhuǎn)速的情況下，物料流經(jīng)擠出口模的時間是相同的瓶籽，而松弛時間的減小會使口模中取向的分子鏈更快地解取向匠童，即在口模內(nèi)已經(jīng)發(fā)生解取向；此時塑顺，聚合物分子鏈的運動能力明顯增大汤求，熔體在流動過程中儲存的形變能明顯減小俏险，彈性特性減弱，因此溫度越高扬绪，離開擠出口模的初生絲取向度越低竖独，初生絲因解取向而發(fā)生彈性恢復的可能性越小，擠出脹大現(xiàn)象越不明顯挤牛，擠出脹大比越小莹痢。
圖7初生絲擠出脹大比隨溫度變化
（2）熔體泵轉(zhuǎn)速對擠出脹大比的影響。
熔體泵轉(zhuǎn)速對初生絲擠出脹大的影響主要表現(xiàn)為：熔體泵轉(zhuǎn)速的增加在一定程度上增大了口模徑向方向的速度梯度墓赴，從而增大了分子鏈的取向度竞膳；熔體泵轉(zhuǎn)速的增大使物料在擠出口模中的停留時間減小，使分子鏈在擠出口模內(nèi)部發(fā)生解取向的可能性減小诫硕。
圖8為初生絲擠出脹大比隨熔體泵轉(zhuǎn)速變化坦辟。由圖8可見，隨著熔體泵轉(zhuǎn)速的增加章办，擠出脹大比逐漸增大锉走，由轉(zhuǎn)速為1r/min的1.258增大到5r/min的1.318。擠出脹大比隨熔體泵轉(zhuǎn)速的增大而增大纲菌，這是因為：一方面挠日，熔體泵轉(zhuǎn)速的增大使擠出口模徑向方向的速度梯度增大，如圖4e所示翰舌，微觀上嚣潜，徑向速度梯度的分布增大了大分子鏈之間的內(nèi)摩擦，內(nèi)摩擦力使聚合物大分子鏈沿軸向方向取向椅贱，而且一定程度上速度梯度越大懂算，內(nèi)摩擦越大，分子鏈取向越明顯庇麦，離開口模后的回彈現(xiàn)象越嚴重计技，擠出脹大現(xiàn)象越明顯；宏觀上山橄，徑向速度梯度的分布使口模內(nèi)部物料受到的剪切速率增大垮媒，導致物料內(nèi)部的法向應(yīng)力差增大，擠出脹大比也增大航棱。另一方面睡雇，熔體泵轉(zhuǎn)速的增大使物料在口模的停留時間減小，但是相同時間聚合物熔體的松弛時間是不變的饮醇，因此停留時間的減小使取向的分子鏈在口模中發(fā)生解取向的可能性減小它抱，也就是說，在一定范圍內(nèi)朴艰，熔體泵轉(zhuǎn)速越大观蓄，聚合物熔體在口模內(nèi)的停留時間越短混移，聚合物大分子鏈在口模內(nèi)的解取向程度越小，擠出口模后初生絲的回彈能力越強侮穿，擠出脹大現(xiàn)象越明顯歌径，擠出脹大比越高∏酌可以看出沮脖，速度梯度分布和停留時間對于PE-UHMW/PE-HD共混物熔融紡絲過程中的擠出脹大現(xiàn)象具有雙重作用。
圖8初生絲擠出脹大比隨熔體泵轉(zhuǎn)速變化
4結(jié)論
通過數(shù)值模擬分析PE-UHMW/PE-HD共混物紡絲過程中初生絲在不同溫度和不同熔體泵轉(zhuǎn)速下的物料流動狀況芯急，可得到以下結(jié)論：
（1）在一定的溫度范圍內(nèi)，初生絲的擠出脹大比隨擠出口模溫度的升高而降低驶俊，由1.318（280℃）減小到1.264（310℃）娶耍；
（2）在一定的熔體泵轉(zhuǎn)速內(nèi)，初生絲的擠出脹大比隨熔體泵轉(zhuǎn)速的增加而增大饼酿，由1.258（1r/min）增大到1.318（5r/min）榕酒。
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