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PE-UHMW/PE-HD熔融擠出初生絲擠出脹大現(xiàn)象模擬分析
  瀏覽次數(shù):7647  發(fā)布時(shí)間:2020年03月23日 18:00:08
[導(dǎo)讀] 以熔融紡絲過(guò)程為研究對(duì)象,采用PTT本構(gòu)模型瓢对,運(yùn)用有限元分析方法寿酌,對(duì)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(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬,對(duì)比分析了口模溫度和熔體泵轉(zhuǎn)速的變化對(duì)擠出過(guò)程速度場(chǎng)和剪切速率場(chǎng)分布的影響硕蛹,探究了影響初生絲擠出脹大現(xiàn)象的因素醇疼。研究表明,隨著擠出口模溫度的升高妓美,初生絲擠出脹大現(xiàn)象明顯減弱僵腺,擠出脹大比從280℃的1.318降低到310℃的1.264。然而壶栋,隨著熔體泵轉(zhuǎn)速的增大辰如,初生絲擠出脹大現(xiàn)象顯著增強(qiáng),擠出脹大比由轉(zhuǎn)速為1r/min的1.258增
付麗贵试,薛平琉兜,劉麗超,賈明印
(北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院毙玻,北京100029)

摘要:以熔融紡絲過(guò)程為研究對(duì)象豌蟋,采用PTT本構(gòu)模型,運(yùn)用有限元分析方法桑滩,對(duì)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(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬梧疲,對(duì)比分析了口模溫度和熔體泵轉(zhuǎn)速的變化對(duì)擠出過(guò)程速度場(chǎng)和剪切速率場(chǎng)分布的影響,探究了影響初生絲擠出脹大現(xiàn)象的因素。研究表明幌氮,隨著擠出口模溫度的升高缭受,初生絲擠出脹大現(xiàn)象明顯減弱,擠出脹大比從280℃的1.318降低到310℃的1.264该互。然而米者,隨著熔體泵轉(zhuǎn)速的增大,初生絲擠出脹大現(xiàn)象顯著增強(qiáng)宇智,擠出脹大比由轉(zhuǎn)速為1r/min的1.258增大到5r/min的1.318蔓搞。

關(guān)鍵詞:超高分子量聚乙烯纖維;共混改性随橘;熔融紡絲喂分;擠出脹大;數(shù)值模擬
中圖分類(lèi)號(hào):TS155.6  文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A  文章編號(hào):1001-3539(2019)04-0053-06

超高分子量聚乙烯(PE-UHMW)纖維與碳纖維太防、芳綸纖維并稱(chēng)為世界三大高性能纖維妻顶,其優(yōu)越的物理性能已使PE-UHMW纖維成為目前世界上比強(qiáng)度和比模量最高的纖維[1]酸员。目前工業(yè)上主要采用凝膠紡絲法進(jìn)行PE-UHMW纖維的生產(chǎn)蜒车,但是凝膠紡絲法工藝復(fù)雜,需要使用溶劑幔嗦,成本高酿愧,易造成環(huán)境污染[2],而熔融紡絲法無(wú)需溶劑[3]邀泉,工藝路線簡(jiǎn)單嬉挡,成本低[4],具有很好的發(fā)展前景汇恤。

近年來(lái)庞钢,利用熔融法生產(chǎn)PE-UHMW纖維的研究越來(lái)越受到人們的關(guān)注。甄萬(wàn)清等[2]研究了納米蒙脫土(MMT)對(duì)PE-UHMW纖維性能的影響因谎,并從晶格變化的角度分析了纖維性能發(fā)生變化的原因基括;鄭艷超等[5]則分析了不同聚烯烴改性材料對(duì)PE-UHMW纖維熱性能、力學(xué)性能及纖維取向度等性能的影響财岔,王非[6]风皿、A.K.Doufas等[7]也分別做了相關(guān)研究。聚合物在熔融紡絲過(guò)程中不可避免的會(huì)出現(xiàn)擠出脹大以及熔體破裂現(xiàn)象匠璧,許多文獻(xiàn)[8–12]利用Polyflow軟件探究了工藝參數(shù)對(duì)擠出加工過(guò)程中聚合物擠出脹大現(xiàn)象的影響桐款,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(duì)熔融紡絲過(guò)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夷恍,二次拉伸之后制得的纖維尺寸也無(wú)法得到保障魔眨,這為加工生產(chǎn)帶來(lái)不可避免的困難。然而,目前針對(duì)紡絲過(guò)程中擠出脹大現(xiàn)象的模擬研究[13]比較少見(jiàn)遏暴,尤其是PE-UHMW熔融紡絲的過(guò)程侨艾;因此筆者利用Polyflow軟件進(jìn)行數(shù)值模擬,對(duì)高密度聚乙烯(PE-HD)改性PE-UHMW共混物熔融紡絲過(guò)程中初生絲的擠出脹大現(xiàn)象進(jìn)行分析研究拓挥。

1模型建立
1.1數(shù)學(xué)模型
根據(jù)PE-UHMW/PE-HD熔融紡絲過(guò)程中熔體在口模中的流動(dòng)現(xiàn)象和特點(diǎn)唠梨,做出如下假設(shè):
熔體不可壓縮;流動(dòng)方式為穩(wěn)定的層流侥啤;忽略重力和慣性力的影響洲炊;熔體為黏彈性流體且等溫流動(dòng)沧烈。
連續(xù)性方程:

(1)
式中:
——速度矢量;
ρ——密度;
V——哈密爾頓算子缘琅。
動(dòng)量方程:

(2)
式中:
——應(yīng)力矢量;
g——重力加速度擎场。

1.2材料模型
材料模型主要反映的是共混物料流動(dòng)過(guò)程中應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系意系。模擬過(guò)程中只有真實(shí)的反應(yīng)這兩者之間的關(guān)系,才能得到相對(duì)準(zhǔn)確的模擬結(jié)果徙垫。此處采用PTT微分黏彈模型讥裤,因?yàn)樵撃P湍軌蚨康孛枋鼍酆衔锏募羟叙ざ群头ㄏ驊?yīng)力差,對(duì)于粘彈性流體的流動(dòng)來(lái)說(shuō)姻报,額外應(yīng)力張量分為黏彈性張量T1和牛頓分量T2己英,即T=T1+T2,其中牛頓分量T2=2η0D吴旋,其粘彈性分量T1計(jì)算方法如式(3)所示:

(3)
式中:η0——零切黏度损肛;
η1——模型指定黏度系數(shù);
λ——松弛時(shí)間荣瑟;
tr——張量微量治拿;
η2——牛頓分量黏度系數(shù);
D——變形速率張量笆焰;
ξ——與剪切有關(guān)的材料參數(shù)劫谅;
ε——與拉伸黏度有關(guān)的材料參數(shù);
V——下隨體時(shí)間導(dǎo)數(shù)仙辟;
Δ——上隨體時(shí)間導(dǎo)數(shù)同波。

1.3幾何模型
根據(jù)課題組之前的研究表明[7],PE-UHMW/PE-HD共混物熔融紡絲過(guò)程中圓柱形擠出口模長(zhǎng)徑比L/D為5叠国,口模直徑D為0.6mm未檩,口模收斂角為70°時(shí),初生絲具有較好的擠出穩(wěn)定性粟焊,同時(shí)模具也容易被清理冤狡,因此選用該結(jié)構(gòu)的噴絲板孙蒙,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悲雳,利用SolidWorks軟件建立三維模型挎峦,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(duì)稱(chēng)性合瓢,為減減少計(jì)算時(shí)間坦胶,方便分析,只對(duì)擠出口模的四分之一進(jìn)行數(shù)值模擬晴楔。


圖2擠出口模三維模型

2.2網(wǎng)格劃分
將三維模型導(dǎo)入GAMBIT軟件顿苇,利用GAMBIT軟件對(duì)流道中的物料進(jìn)行網(wǎng)格劃分,擠出物網(wǎng)格劃分的結(jié)果如圖3所示税弃。


圖3擠出物網(wǎng)格劃分

圖3a顯示是初始網(wǎng)格劃分纪岁,共劃分單元3096個(gè),節(jié)點(diǎn)4420個(gè)则果,邊界6個(gè)幔翰,鄰域2個(gè)。擠出過(guò)程中西壮,物料在擠出口模后遗增,會(huì)發(fā)生擠出脹大現(xiàn)象,因此模擬過(guò)程中會(huì)發(fā)生網(wǎng)格重置現(xiàn)象茸时,如圖3b所示贡定。

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(duì)PE-UHMW/PE-HD共混物熔融紡絲擠出脹大現(xiàn)象的影響,而實(shí)驗(yàn)過(guò)程中擠出口模的溫度一般設(shè)定在280~310℃[15]可都,熔體泵轉(zhuǎn)速設(shè)定在1~5r/min,因此模擬過(guò)程中溫度和轉(zhuǎn)速的變化也分別設(shè)定在這個(gè)范圍內(nèi)蚓耽。

利用哈克旋轉(zhuǎn)流變儀測(cè)定不同溫度下PE-UHMW/PE-HD共混物的各項(xiàng)性能渠牲,發(fā)現(xiàn)其零切黏
度、穩(wěn)定剪切黏性流動(dòng)的無(wú)量綱材料參數(shù)步悠、穩(wěn)態(tài)拉伸黏性流動(dòng)的無(wú)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)生變化签杈,分別為9000Pa·s,0.75鼎兽,0.63答姥,1/9;松弛時(shí)間隨著溫度的升高而減小谚咬,在不同溫度下鹦付,分別為0.0155,0.0112择卦,0.0091敲长,0.0062郎嫁,0.0059,0.0055祈噪,0.0034s(280~310℃泽铛,每5℃測(cè)一次)。

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)辑鲤,1.0×10–7m3/s(2r/min)盔腔,1.5×10–7m3/s(3r/min),2.0×10–7m3/s(4r/min)月褥,2.5×10–7m3/s(5r/min)铲觉。
自由表面末端處:fn=fs=0;
口模內(nèi)壁面:vn=vs=0吓坚;
初生絲表面:自由表面撵幽;
XY面和YZ面:對(duì)稱(chēng)面。
vn表示法向速度礁击,vs表示切向速度盐杂;
fn表示法向力,fs表示切向力哆窿。

2.5結(jié)果處理
綜合上述的物料參數(shù)链烈、本構(gòu)模型及邊界條件的設(shè)置,運(yùn)用Polyflow進(jìn)行數(shù)值計(jì)算挚躯,并利用該軟件的CFD-post功能進(jìn)行結(jié)果處理强衡,輸出擠出口模處的速度分布云圖和剪切速率分布云圖,分析擠出口模處的速度和剪切速率的變化趨勢(shì)码荔,計(jì)算擠出脹大比等數(shù)據(jù)漩勤。

3結(jié)果分析
3.1速度場(chǎng)分析
共混物擠出口模的過(guò)程中,受到壁面無(wú)滑移條件的影響缩搅,口模中熔體流動(dòng)速率的梯度分布是發(fā)生擠出脹大的重要因素越败,尤其是擠出口模徑向方向上的速度梯度。

圖4是初生絲速度分布圖硼瓣【糠桑口模內(nèi)物料的軸向流動(dòng)在失去壁面的束縛后,在口模外表現(xiàn)為軸向流動(dòng)和徑向流動(dòng)的疊加堂鲤,從而產(chǎn)生明顯的擠出脹大現(xiàn)象(如圖4a所示)亿傅。不同加工溫度、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所示瘟栖。由圖4b和圖4d可以看出葵擎,不同溫度和轉(zhuǎn)速下,物料在流出擠出口模的瞬間慢宗,軸向方向的速度急劇降低坪蚁,根據(jù)公式(2)中的動(dòng)量方程可以分析得出奔穿,此時(shí)物料的流動(dòng)由口模內(nèi)的軸向流動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閺较蛄鲃?dòng)和軸向流動(dòng)的疊加,如圖4c和圖4e所示敏晤,而且擠出口模溫度和計(jì)量泵轉(zhuǎn)速越高徑向速度越大贱田,這主要是因?yàn)槲锪显诳谀V辛鲃?dòng)發(fā)生較高程度的取向,但是在離開(kāi)口模后嘴脾,失去口模的束縛男摧,分子鏈發(fā)生解取向?qū)е碌膹椥曰謴?fù)現(xiàn)象;在離開(kāi)口模一段時(shí)間后译打,分子鏈的解取向過(guò)程逐漸結(jié)束耗拓,徑向速度逐漸減小,幾乎變?yōu)?奏司,此時(shí)物料的流動(dòng)主要表現(xiàn)為軸向流動(dòng)乔询,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)象韵洋,相應(yīng)地竿刁,當(dāng)徑向流動(dòng)停止后擠出物的直徑就不再發(fā)生變化。


4-2
a—初生絲擠出口模過(guò)程中速度分布流線圖搪缨;
b—熔體泵轉(zhuǎn)速為2r/min時(shí)食拜,不同口模溫度下初生絲中心處的軸向
速度分布;c—熔體泵轉(zhuǎn)速為2r/min時(shí)副编,不同口模溫度下出口處初
生絲徑向速度分布负甸;d—口模溫度為300℃時(shí),不同熔體泵轉(zhuǎn)速下初生
絲中心處的軸向速度分布痹届;e—口模溫度為300℃時(shí)呻待,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(chǎng)分析
剪切速率的分布對(duì)分子鏈的取向和解取向過(guò)程有很大的影響。圖5為初生絲剪切速率分布圖短纵。由圖5a可見(jiàn)带污,受到口模壁面的作用,徑向方向上的速度梯度較大香到,因此近壁面處物料受到的剪切速率最大,而在口模中心處报破,徑向方向上速度梯度小悠就,口模中心處的剪切速率也減小。共混物料流出擠出口模后充易,物料的流動(dòng)由口模內(nèi)的軸向流動(dòng)變?yōu)榭谀M獾妮S向流動(dòng)和徑向流動(dòng)的疊加梗脾,因此在擠出口模后,由于沒(méi)有了壁面的作用盹靴,初生絲外壁面處的剪切速率最小炸茧,但是受到徑向流動(dòng)的影響瑞妇,剪切速率由中心沿徑向方向逐漸減小,直至徑向方向上的速度變?yōu)?梭冠,剪切速率變成均勻分布辕狰。由圖5b和圖5c可看出,熔體泵的轉(zhuǎn)速不變時(shí)控漠,隨著溫度的升高蔓倍,最大剪切速率值沿徑向方向幾乎沒(méi)有發(fā)生變化,而在溫度不變時(shí)盐捷,隨著熔體泵轉(zhuǎn)速的增大偶翅,剪切速率在徑向方向上的分布成比例的增大,說(shuō)明物料擠出口模的過(guò)程中速度梯度是影響剪切速率的主要因素碉渡。圖5c可以看出聚谁,熔體泵轉(zhuǎn)速越大,口模內(nèi)最大剪切速率和最小剪切速率的差值越大滞诺,說(shuō)明在離開(kāi)口模后形导,沒(méi)有了壁面的約束,初生絲外壁面處剪切速率發(fā)生突變铭段,但是中心處的剪切速率受到熔體的黏性作用骤宣,無(wú)法發(fā)生突變,因此剪切速率由梯度分布變?yōu)榫鶆蚍植嫉臅r(shí)間更長(zhǎng)序愚,擠出脹大現(xiàn)象更明顯憔披。



a—初生絲擠出口模過(guò)程中剪切速率分布云圖;b—2r/min時(shí)爸吮,不同
口模溫度下出口處初生絲徑向剪切速率分布芬膝;c—300℃時(shí),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(lái)表征形娇,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锰霜,其計(jì)算方法如式(4)所示。

(4)
式中:B——擠出脹大比桐早;
D——初生絲截面直徑癣缅;
D0——擠出口模截面直徑。
紡絲過(guò)程中的擠出脹大現(xiàn)象哄酝,直觀地表現(xiàn)為初生絲的直徑大于擠出口模的直徑友存,但是受到口模溫度、熔體泵轉(zhuǎn)速等工藝參數(shù)的影響陶衅,擠出脹大率會(huì)發(fā)生較大的變化屡立。圖6為常見(jiàn)擠出脹大現(xiàn)象示意圖(1/4部分),其中內(nèi)圈表示擠出口模搀军,外圈表示初生絲膨俐。


圖6紡絲過(guò)程中擠出脹大現(xiàn)象示意圖

(1)口模溫度對(duì)擠出脹大比的影響勇皇。
紡絲過(guò)程中,擠出口模的溫度是重要的工藝參數(shù)焚刺,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敛摘。圖7為初生絲擠出脹大比隨溫度變化。由圖7可見(jiàn)檩坚,隨著溫度的升高着撩,初生絲的擠出脹大比呈下降趨勢(shì),由280℃時(shí)的1.318降低到310℃的1.264匾委,而且其減小趨勢(shì)與物料松弛時(shí)間的減小趨勢(shì)幾乎相當(dāng)拖叙。這主要是因?yàn)樵诠潭ㄈ垠w泵轉(zhuǎn)速的情況下,物料流經(jīng)擠出口模的時(shí)間是相同的赂乐,而松弛時(shí)間的減小會(huì)使口模中取向的分子鏈更快地解取向薯鳍,即在口模內(nèi)已經(jīng)發(fā)生解取向;此時(shí)挨措,聚合物分子鏈的運(yùn)動(dòng)能力明顯增大挖滤,熔體在流動(dòng)過(guò)程中儲(chǔ)存的形變能明顯減小,彈性特性減弱浅役,因此溫度越高斩松,離開(kāi)擠出口模的初生絲取向度越低,初生絲因解取向而發(fā)生彈性恢復(fù)的可能性越小觉既,擠出脹大現(xiàn)象越不明顯惧盹,擠出脹大比越小。


圖7初生絲擠出脹大比隨溫度變化

(2)熔體泵轉(zhuǎn)速對(duì)擠出脹大比的影響瞪讼。
熔體泵轉(zhuǎn)速對(duì)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钧椰,從而增大了分子鏈的取向度;熔體泵轉(zhuǎn)速的增大使物料在擠出口模中的停留時(shí)間減小符欠,使分子鏈在擠出口模內(nèi)部發(fā)生解取向的可能性減小嫡霞。

圖8為初生絲擠出脹大比隨熔體泵轉(zhuǎn)速變化。由圖8可見(jiàn)希柿,隨著熔體泵轉(zhuǎn)速的增加诊沪,擠出脹大比逐漸增大,由轉(zhuǎn)速為1r/min的1.258增大到5r/min的1.318曾撤。擠出脹大比隨熔體泵轉(zhuǎn)速的增大而增大娄徊,這是因?yàn)椋阂环矫妫垠w泵轉(zhuǎn)速的增大使擠出口模徑向方向的速度梯度增大盾戴,如圖4e所示,微觀上兵多,徑向速度梯度的分布增大了大分子鏈之間的內(nèi)摩擦尖啡,內(nèi)摩擦力使聚合物大分子鏈沿軸向方向取向橄仆,而且一定程度上速度梯度越大,內(nèi)摩擦越大衅斩,分子鏈取向越明顯盆顾,離開(kāi)口模后的回彈現(xiàn)象越嚴(yán)重,擠出脹大現(xiàn)象越明顯畏梆;宏觀上您宪,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,導(dǎo)致物料內(nèi)部的法向應(yīng)力差增大奠涌,擠出脹大比也增大宪巨。另一方面,熔體泵轉(zhuǎn)速的增大使物料在口模的停留時(shí)間減小溜畅,但是相同時(shí)間聚合物熔體的松弛時(shí)間是不變的捏卓,因此停留時(shí)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,也就是說(shuō)慈格,在一定范圍內(nèi)怠晴,熔體泵轉(zhuǎn)速越大,聚合物熔體在口模內(nèi)的停留時(shí)間越短浴捆,聚合物大分子鏈在口模內(nèi)的解取向程度越小蒜田,擠出口模后初生絲的回彈能力越強(qiáng),擠出脹大現(xiàn)象越明顯选泻,擠出脹大比越高冲粤。可以看出滔金,速度梯度分布和停留時(shí)間對(duì)于PE-UHMW/PE-HD共混物熔融紡絲過(guò)程中的擠出脹大現(xiàn)象具有雙重作用色解。


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(guò)數(shù)值模擬分析PE-UHMW/PE-HD共混物紡絲過(guò)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(dòng)狀況,可得到以下結(jié)論:
(1)在一定的溫度范圍內(nèi)餐茵,初生絲的擠出脹大比隨擠出口模溫度的升高而降低科阎,由1.318(280℃)減小到1.264(310℃);
(2)在一定的熔體泵轉(zhuǎn)速內(nèi)忿族,初生絲的擠出脹大比隨熔體泵轉(zhuǎn)速的增加而增大锣笨,由1.258(1r/min)增大到1.318(5r/min)。

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