王华平[1]2001年在《熔融纺丝成形理论及HMLS涤纶纤维的研制》文中提出熔融纺丝是纤维成形最主要的加工工艺，对其理论研究尚处于发展阶段。本文对熔融纺丝工艺进行了较系统的理论研究，归纳并推导了熔融纺丝的本构方程、热传递方程、力平衡方程、取向方程、结晶方程及相应的参量表达式，并用反向模拟法对有关的方程及参数进行了修正和优化。在此基础上，建立了熔融纺丝的数学模型，并用Matlab语言建立了熔融纺丝的模拟系统。通过该系统可进行高速纺丝、低速纺丝、皮芯复合纺丝、中空纤维等工艺及产品的纺丝动力学计算机模拟，并可对皮芯结构、不对称冷却结构的理论进行研究。结合新工艺和新产品的开发，本文推导了高速纺丝、热管纺丝、热辊纺丝等工艺的特征单元方程及中空、异形、复合纺丝等新品种的特征单元方程，着重推导了圆形纤维、中空纤维、叁叶异形纤维、皮芯复合纺丝的分层结构模型(皮芯结构)及分块模型(不对称冷却结构)，并对高速纺丝及中空纤维的不对称冷却结构进行了系统的数学模拟。与此同时，在数学模拟的基础上，利用高速纺丝、高温高倍牵伸工艺制备了高粘度、低粘度的HMLS涤纶纤维，并利用声速—收缩联合测试仪，及WAXS、SAXS、DDV、DSC、S-S等测试方法较系统的研究了HMLS涤纶纤维的工艺、结构和性能。对熔融纺丝理论的基础研究表明：对结晶性聚合物纺丝数学模型，可以依据基本原理确定方程形式，由实验数据拟合方程参数，从而确定成形机理、取向机理和取向诱导结晶机理等。 对高速纺丝的动力学模拟结果表明：高速纺丝过程中具有明显的取向与结晶，且其存在明显的应力诱导取向及取向诱导结晶效应。所得的模拟结果与方程实测数据基本吻合。这也表明所选模型及参数的合理性。对高速纺丝的不对称冷却工艺过程的数学模拟表明：高速纺丝过程中存在明显的结构不对称性，其原因在于纤维截面上温度分布。截面上温度最高点偏离纤维中心，倾向于背风面一侧，最低温度位于迎风面一侧，最大温差达到IOOC左右。泵供量是影响不对称结构的主要因素之一，而卷绕速度对不对称结构的形成影响很小，却对纺丝动力学结构的形成起决定作用。 以热管纺丝模拟理论为基础，建立了花色纺丝(冷管.热管、双热管纺丝)模型，并对其纺丝工艺过程进行了数学模拟。结果表明:花色纺丝中冷管与热管由于温度的不同，纤维成形过程存在明显差异。这也是纤维产生异收缩的原因。调节冷管的位置与直径对成形影响较小，而调节热管的位置与直径可使卷绕张力差异减少。这使得冷管位置安装与热管同步，使花色纺丝装置的调节与安装简化，这为实际花色纺丝装置的设计提供了理论依据。 对中空纤维可建立中空度随纺程变化的数学模型，也可建立研究中空纤维不对称冷却的皮芯及不对称模型。经过计算机模拟计算表明:中空纤维的中空度变化区域主要存在孔口膨化区，而从吹风冷却区开始则主要是皮芯及不对称结构形成区域。其最大温差△Tnla、可达20 OC左右，且皮芯温差随泵供量增加而减少，而卷绕速度则对其影响不大。在其它工艺条件不变下，冷却条件决定了纤维的皮芯结构。不对称模型的模拟结果表明:中空纤维的成形受泵供量影响最大，而冷却条件次之，卷绕速度对不对称结构影响较小，但对纺丝动力学及其结构形成影响较大。 此外，本文也探讨热辊纺丝工艺及H4s的数学模型，利用不对称冷却模型及粘弹性本构方程建立了皮芯复合纺丝的数学模型。利用叁维坐标体系，探讨了叁角异形丝的数学模型: 将高速纺丝、高温高倍牵伸工艺制备的一步法及两步法的涤纶HMLS纤维与LS、H人项型工业用丝作了比较，结果表明:HMLS纤维需要较高的纺丝速度，以获得高度预取向的原丝，其声速取向因子在0.25~0.35之间。而对高粘度样品，纺丝速度降低，但牵伸温度增加，牵伸倍数降低，其主要取决于结晶与松驰的竞争结果。随着纺丝速度的提高，纤维的尺寸稳定性明显提高。对月玉让S进行认叭XS、SAxS、声速、DSC等测试研究其超分子结构、结果表明HMLS纤维具有高结晶度、高取向度、较低的晶粒尺寸、高结构规整性、其力学性能则表现为高模量、较高强度、低伸长、低收缩、高中间模量、高应力放大比。另外，利用橡胶弹性理论研究其收缩过程，其网络交联度高。内应力大，其缚结分子不仅高且随拉伸形变保持率也高。利用收缩一声速联合测试以研究其收缩特征为：高起始收缩温度、低收缩率。
张传雄[2]2008年在《熔融纺丝成形理论应用及聚合物光学纤维开发》文中研究说明根据纤维具体纺丝成形机理及纺丝成形基本数学模型,结合纺丝实验结果,唯象研究高聚物在快速形变过程中的流动特征及取向、结晶机理,拟合优化模型参数,建立更广义的纤维纺丝成形数学模型。设计不同工艺路线,研究工艺参数对纤维成形机理的影响,进一步验证模型及其参数的合理性,从而将模型用于指导新材料、新工艺、新产品的研制与开发。除此之外,将传统的熔融纺丝方法引入到聚合物光学材料的生产,探讨光学材料熔融纺丝最优工艺,并初步加工了几种简单的聚合光学材料,为工业化低成本生产聚合光子晶体纤维提供指导。首先,针对目前的模型依据的试验数据重复性差,缺少系统性,用于模拟的研究体系少,模型参数也不完整的实际,提炼了可用于一般熔融纺丝加工的含有未知模型参数的基本模式模型,并依据较易得到的产品最终性能的试验数值,利用逆向拟合方法得到未知的模型参数,完善模型,并利用所建立的完整的模型,指导实际生产。以模型参数较完整的聚对苯二甲酸乙醇酯(PET)为例,采用四阶龙格一库塔(Runge-Kutta)法模拟PET的熔融纺丝动力学过程,求取纺线上各点盈度、速度、张力、结晶、取向变化以及径向温度、取向的分布,为基本唯象动力学模型的具体应用奠定基础。其次,将基本的熔融纺丝唯象动力学模型拓展应用到聚对苯二甲酸丙二醇酯(PTT)及各种异形纤维的熔融纺丝加工中。基于前人对PTT的研究,得到PTT已知的物性参数,并利用逆向拟合的方法取得未知的PTT物性参数如应力光学系故,结晶诱导取向系数。模拟PTT的熔融纺丝过程,探讨纺丝工艺条件对圆形PTT的结构性能的影响,推导PTT凝固点位置的计算公式,改变了由于某些PTT物性参数的未知性而无法对PTT熔融纺丝进行模拟的现状。工业化生产圆形截面3.30dex的PTT短纤维,缓和的控制纺丝计量泵泵供量、纺丝温度、环吹风温蔓、牵伸比等工艺条件,以利于PTT原丝的取向度和结晶度缓慢增长。最佳的加工工艺为:计量泵泵供量770g/min,纺丝温度250-253℃,环吹风温度25℃,卷绕速度1100-1130m/min,牵伸比1.02。开发生产的PTT短纤维,质量指标优良、稳定,纤维断裂强度高、断裂伸长率大、纤维弹性回复性优良,是国内目前日口质较好的棉型PTT短纤维。与此同时,利用单位时间内由于表面积的减少所引起的能量差与系统内伴随流动过程而散逸的能量相等的关系,引进由喷丝孔形状所决定的形状系数C及考虑到膨化效应的补正系数G,建立异形纤维纺丝动力学模型,模拟异形度在纺程上的变化,探讨并验证了各纺丝条件对于异形度的影响,首次分析了不同空间位置的丝条的异形度以及凝固点的差异。工业化生产了叁叶形、叁角形、十字形、双十字形、U字形、王字形聚酯短纤及长丝,并以U字形涤纶长丝为例,介绍新产品开发的具体方案及产品性能分析及应用情况。所加工的U形长丝截面外观轮廓呈不规则状,使织物有蓬松感,改善了光泽效应和手感,提高了织物吸湿性、透气性及抗起毛起球性。设计生产的棉盖涤织物,经检测具有显着的抗起毛起球性,良好的坚牢性,优越的耐洗色牢度、耐汗渍色牢度及耐摩擦色牢度及优良的舒适性和卫生性。再次,结合熔融纺丝基本唯象动力学模型,逆向拟和方法,仪征化纤厂的设备及工艺状态以及试验测试数据,得到涤纶短纤维纺丝工程计算机仿真系统。针对熔体从交接点到喷丝孔的实际输送流程及各单元的结构特性,将熔体输送的仿真模拟分解为管道输送模型、增压泵模型、过滤器模型、静态混合器模型、计量泵模型、纺丝组件模型等。在每个单元模型中,根据稳态流体流动的原理,建立了熔体输送过程中熔体停留时间、压力降、温升和熔体热降解(粘度降)模型,并通过计算分析了交接点的熔体流量、特性粘度、压强、温度、大小循环热媒的温度对熔体停留时间、压力降、温升和熔体粘度降的影响,并获得相应的权重因子。熔体输送过程模拟显示温度升高主要集中在增压泵、熔体过滤器及纺丝箱体内的计量泵、纺丝组件、喷丝孔处,这些地方流动阻力大,压强下降明显;熔体压强增加主要由增压泵和计量泵提供,压强降主要集中在纺丝箱体内;粘度降主要集中在管道及熔体过滤器等停留时间长、温度高处.在保证产品强度的基础上,采用较低特性粘度,较低熔体温度,较高的压力,增加产能对粘度降下降有利;熔体停留时间主要受熔体输送能力的影响,其它变量对熔体停留时间影响较小,可以忽略不计。熔体输送能力增加,熔体在管道内的停留时间呈一阶指数形式下降。在纺丝过程中,基于丝条周围冷却环吹风微单元区域的物料衡算与热量衡算,建立了冷却吹风的风速、风温分布模型,并将其与单丝模型进行耦合,首次建立适合工程模拟的涤纶短纤维复丝模型。并通过复丝模型的模拟研究了不同层丝条的纺丝速度、丝条温度、丝条周围风速、丝条周围风温等随着纺程的变化规律。探讨了工艺过程条件、结构和材料性能的基本关系,取样测试了丝束的取向度与原丝倍半伸长率,通过数据拟合得到两者的指数关系。并通过两者的关系建立起了计算机模拟与工程进行比较的桥梁。结合仪征化纤60吨/日半敞开式外坏吹和165吨/日密闭式外环吹的纺丝装置的设备参数及生产棉型短纤维的实际纺丝条件,利用计算机进行模拟计算,形成涤纶短纤维纺丝工程计算机仿真系统。所编制的系统仿真软件可以动态仿真显示熔体在输送管道中的流动状态,全流程预测及显示熔体在经过主要设备前后的熔体温度、压力及熔体特性黏度等参数;计算正常生产过程中,不同负荷下熔体主要质量指标的变化,得到各运行参数对主要质量指标影响的关系,确定最佳工艺组合;模拟不同条件下原丝的质量指标,指导工艺优化和品种开发,预测装置最大产能。计算机仿真系统模拟计算值与生产工艺实际值误差精度控制在10%以内。最后,利用自制的多孔喷丝板及纺海岛纤维并溶去“岛”组分加工生产多孔中空,且引入不同折射率的光学材料纺制海岛纤维。多孔喷丝板纺制多孔中空光学纤维,此方法需要精密的喷丝板加工技术,可加工性及光学性能好的材料及合理的纺丝初始条件特别是吹风条件的良好结合。纺制多孔聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)光学材料,最佳纺丝温度为210-215℃,最佳的纺丝速度200-300m/min,最多可纺的孔数为15孔。并引入日本Kuraray公司开发的Exceval作为可水溶移除的岛(芯)组分,改性的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PETG)作为海(皮)组分,在225℃最优纺丝温度下,纺制皮芯及海岛长丝。Exceval的水解温度应不低于95℃以保证相对低的残余率。皮芯长丝在95℃的热水中6小时,芯层基本溶解,存在的主要问题是溶解温度超过皮层PETG的玻璃转变化温度,皮层发生了较大的变形,部分没有溶解的PVA,仍然留在孔内,而且在同一根纤维的不同部分,溶解程度也存在很大的差别。Exeeval的高流动系数及喷丝微孔的分布,使得海岛纤维的岛组分几乎接近于海的边缘,致使溶解后的纤维的无法保持基本原型,外围结构塌陷。解决的方法主要是选用低温可溶解且能从光学材料的侧面透出的水溶性材料,降低皮层变形,改善纤维的性能,对于海岛长丝还需设计合理的海岛喷丝板,增大外围海组分的厚度,保持溶解后的海岛纤维的基本骨架结构。ESTAMAN的改性聚酯AQ55S单丝在较低的温度下(一般是60-80℃),短时间内就能很好的分散在水中并具有较宽的加工范围及熔融可纺性能,是Exeeval极佳的替代品,在低于玻璃化转变温度下(70℃),PETG/AQ55S皮芯长丝只能部分溶解,而在90℃的热水中,除了少量杂质及异常丝条外,绝大部分已溶解。在同样的加工条件下纺制了PETG/AQ55S海岛长丝外层岛部分溶解,而内层的AQ55S在短时间内仍然无法透出,因而聚合加工极佳的集水溶性及熔融纺丝性能为一体的新型材料,是溶解法加工多孔光学长丝的唯一出路。同时,以折射率为1.57的PETG为岛(芯),折射率为1.49的L40(PMMA)为海(皮),在220℃的纺丝温度下,加工不同比例的L40/PETG皮芯及海岛纤维。利用Infrared Thermometer测得皮芯纤维最长的光传输距离为55cm,短于25cm的样品,光大部分可以通过,而海岛纤维光大部分仅可以通过短于10cm的样品。利用不同折射率的材料熔融纺制光学纤维,所得的光的传输距离较短,主要原因是选用的单组分材料经过熔融纺丝所得的丝条本身的光传输距离的限制。要提高光传输距离,最有效的方法是设计直径较粗的喷丝板及强冷装置,快速冷却丝条,并经多级低温缓慢牵伸,得到所需的直径的光学纤维。
吕晶[3]2005年在《帘线用涤纶工业丝低应变区结构与性能研究》文中研究说明涤纶工业丝不但具有普通涤纶良好的化学稳定性,还具有高强度,高模量,低延伸,耐冲击,耐疲劳,耐热性好等优良的物理机械性能。涤纶工业丝主要作为橡胶骨架材料,研究表明,涤纶工业丝模量随应变的增加发生非常明显的变化。在模量的最低区2%～5%应变范围内,正是轮胎帘线使用时经常持续的应变范围并且帘线在轮胎制造和使用过程中也经受了高温以及形变。因此,研究此应变区域提供抵抗形变能力的结构内容,及如何提高此应变区域的模量,研究如何抑制模量随温度升高而下降,并降低热收缩率是获得优异力学性能轮胎帘线的关键问题。 本论文首先对帘线用PET工业丝力学性能表征形式和指标进行研究。对表征帘线用纤维力学性能的指标:应力—应变曲线、初始模量、特定伸长负荷或特定负荷的伸长、模量—应变曲线等进行评价。重点研究PET工业丝模量—应变曲线的表征方法,并制定相应的指标,能够较全面的反应帘线用PET纤维的力学性能。 测定常温及轮胎使用温度下不同种类涤纶工业丝的模量—应变曲线以及其它力学性能。分析不同涤纶工业丝力学性能尤其是使用应变2%～5%区域的模量变化以及模量随测试温度的变化。 运用WAXS,DSC,DMA等现代测试方法测定不同种类涤纶工业丝的结晶度、晶胞参数、非晶取向系数、缚结分子百分数、取向度等结构参数。结合结构参数对涤纶工业丝的力学性能、热性能、动态力学性能进行分析,确定获得尺寸稳定形涤纶工业丝以及提高使用应变区(2%～5%)模量所要具备的结构内容。 重点研究HMLS涤纶工业丝的力学性能并解释模量—应变曲线变化的原因。测试获得锦纶工业丝、芳纶、高强聚乙烯长丝、碳纤维、高强粘胶长丝的模量—应变曲线,结合其各自的微细结构特征对曲线进行分析,为进一步在超分子结构基础上研究涤纶工业丝的模量—应变曲线奠定基础。纤维微细结构分析在这些条件下纤维模量变化的原因。通过红外光谱测试并结合HMLS涤纶工业丝结构参数分析拉伸过程中使用应变区域模量下降的原因。 在结构研究的基础上,采用高粘度聚酯切片在国产纺丝机和牵伸机上进行熔融纺丝(通过对机器进行适当的改进),通过调整纺丝速度、牵伸倍数、冷却过程等来控制聚酯长丝的结构、性能,获得性能稳定良好的轮胎用聚酯长丝。
尹宝[4]2007年在《高模低缩涤纶工业丝结构、性能特点的研究》文中研究说明高模低缩涤纶工业丝可用于汽车轮胎的帘子线、橡胶增强材料、高速缝纫线等用途，是具有良好应用前景的工业纤维之一。因此对于高模低缩涤纶工业丝结构、性能特点的研究具有重要的意义。论文首先通过X射线衍射法、声速法、DSC、拉伸实验、热收缩实验对高模低缩涤纶工业丝的结构、模量-应变曲线及热收缩性能进行表征，并和普通型涤纶工业丝进行对比分析了高模低缩涤纶工业丝的结构、性能特点。结果表明：高模低缩涤纶工业丝具有较高的结晶度、较大的晶粒尺寸和较高的取向度；高模低缩涤纶工业丝模量-应变曲线在2.5％-5.5％应变范围内出现出一模量低平台，而普通涤纶长丝的模量低谷区区间长，在4％-13％的应变范围内模量都处于一个较低值；高模低缩涤纶工业丝的热收缩率比普通涤纶长丝要小得多。其次，论文研究了加捻作用和热处理对高模低缩涤纶工业丝力学性能的影响，并与高强型涤纶工业丝和锦纶工业丝进行了对比。结果发现捻度对高模低缩涤纶工业丝力学性能影响较大，对高强型涤纶工业丝及锦纶工业丝力学性能影响相对较小。当捻度大于300T／m时，高模低缩涤纶工业丝的力学性能下降明显。在实验条件范围内，热处理对叁种工业丝力学性能影响不大，且影响规律相似。最后，论文采用国产高粘聚酯切片为原料，分别采用UDY-DY、POY-DY二步法以及FDY一步法进行纺丝，并对得到的纤维样品的结构、力学性能和热收缩进行测试分析，为国产化高模低缩涤纶工业丝的生产提供实验依据。结果表明：用UDY-DY工艺得到的纤维的各项性能指标值与高模低缩工业丝有较大差距；POY-DY工艺得到的纤维的结构、性能有较大提高，力学性能更加接近于高模低缩涤纶工业丝，但其热收缩率值很大；在与合作机械制造厂家自行设计、改进的纺丝-牵伸一步法设备上得到的FDY纤维其力学性能比POY-DY工艺得到的纤维更进一步，但热收缩率仍不能满足要求，但比POY-DY工艺下得到的样品要小得多。论文在以上实验结果基础上提出了改善一步法FDY纤维各项性能的思路。
刘亚涛[5]2015年在《基于同步辐射技术研究涤纶工业丝的凝聚态结构与性能》文中研究表明涤纶工业丝具有强度高、模量大、伸长小、耐热性好、耐冲击和耐疲劳性好等优点，在线绳、索具、汽车安全带、灯箱广告布和轮胎橡胶等领域具有非常广泛的应用。然而，随着全球工业体系的快速变革，传统的涤纶工业丝品种已经无法满足生产发展的需要。差别化、创新化且具有高附加值的涤纶工业丝品种，如重旦、细旦、高模量低收缩、高强超低收缩、抗菌、拒水以及阻燃等已成为企业重点开发的方向。研发高性能差别化的涤纶工业丝新品种，关键是掌握生产工艺、纤维结构以及性能之间的对应关系。本文利同步辐射广角X射线衍射（WAXD）和小角X射线散射（SAXS）技术系统研究了不同种类涤纶工业丝的凝聚态结构，不同公司生产的高模低缩涤纶工业丝的结构与性能的差异，热场拉伸状态下HMLS涤纶工业丝的结构演变以及剪切作用下聚酯切片的结晶行为，提出了涤纶工业丝的叁维结构模型，并分析了生产工艺、纤维结构以及纤维力学性能和干热收缩之间的对应关系。通过对高模低缩（HMLS）、高强（HT）、低缩（LS）和超低缩（SLS）四类涤纶工业丝的研究，发现高纺丝速度、低拉伸倍数和高热定型温度生产的HMLS工业丝具有结晶度高、非晶区取向高、长周期值小，片晶层与非晶层堆积紧密和片晶层表面倾斜角度小的结构特点。较高的拉伸倍数会导致HT、LS和SLS工业丝具有较大的长周期值和较大的片晶层倾斜角度。高热定型温度会导致LS和SLS工业丝具有较高的结晶度、较大的晶粒尺寸、较少的晶粒个数和较低的非晶区取向。相对于其它结构参数，非晶区取向对涤纶工业丝的断裂强度、初始模量、定负荷伸长、断裂伸长和干热收缩具有更显着的影响。研究还发现长周期值和晶粒个数会分别影响涤纶工业丝的伸长率和初始模量。除此之外，较小的片晶层表面倾斜角度可能与工业丝的尺寸稳定性有一定的关系。五种HMLS涤纶工业丝的结构与性能的研究表明，除了非晶区取向，规整的结晶相同样会影响工业丝的断裂强度和干热收缩。结晶度低意味着纤维样品内部存在更多的无定形分子链，导致断裂强度降低和干热收缩增大。因此，高结晶度和高非晶区取向是涤纶工业丝保持高强度和低干热收缩的必要因素。而且，研究还发现片晶层表面倾斜角度较小的工业丝具有较好的尺寸稳定性。热场作用下的原位拉伸实验用来模拟涤纶工业丝的拉伸和热定型工艺。研究发现，在25oC，95oC和125oC下， HMLS涤纶工业丝的结晶度和赤道方向的晶粒尺寸随着应变增加呈现下降的趋势，长周期、片晶层厚度和非晶层厚度随着应变增加而增大。在200oC拉伸时，HMLS工业丝的结晶度与（010）晶面方向的晶粒尺寸随应变下降，而（-110）和（100）晶面的晶粒尺寸随应变而增大。在不同温度下，随着拉伸进行，HMLS涤纶工业丝的内部结构变得疏松。结合前述研究可以发现，提高纺速，降低拉伸倍数，可以提高纤维结构的致密性。剪切作用下涤纶工业丝用聚酯切片的SAXS图样呈现出各向异性，表明剪切导致PET片晶沿剪切方向发生了取向作用。存在剪切作用时，PET发生结晶的时间早于无剪切作用，表明剪切促进了PET的结晶。据此可以判断，在纺丝工艺中，提高纺丝速度可以使聚酯熔体经过喷丝板时受到更大的剪切作用，有利于提高分子链的取向并促进聚酯发生结晶。
何厚康[6]2013年在《PP/PS共混体系纺程上纤维形貌演变的研究和模拟》文中提出经过亿万年进化,生物体在有限的资源和残酷的自然选择中,为生存而进化出许多超乎人类想象的结构,引起科学家的普遍兴趣。远在叁千年前梯度钢结构首次被生产出来之前,大自然就已经把梯度结构这个概念引入许多生物体组织中。自然界中大多数生命体所形成的天然复合材料中,不仅形成层次化结构,而且分散相或增强相多为非均匀分布,从而使材料具有良好的力学性能并完成复杂的生理功能。受这些启示,材料科学家们研究和开发了许多具有优异功能的材料,其中最具代表性的是梯度功能材料(Functionally graded materials)。聚合物共混是一种公认的制备满足复杂性能要求的多相聚合物材料的最通用和最经济的方法。多相聚合物材料的性能强烈地依赖于材料的形貌。具有基质-微纤形貌(Matrix-fibril morphology)的多相聚合物材料是近年来该领域研究热点之一。通过控制加工流场、聚合物组分间的界面相互作用,可以制备具有基质-微纤形貌的共混物。通过制备具有基质-微纤形貌的共混纤维,可以改善传统合成纤维的性能,如力学性能、可染色性,还可以制备超细纤维和具有其它特种性能的纤维,为基质-微纤形貌研究提供了广阔的应用舞台。前人对基质-微纤型共混纤维的研究多集中于加工条件对形貌的影响,对形貌形成和发展机理的理论研究和形貌模拟的关注较少。深入开展这方面的理论研究,一方面可以指导基质-微纤型共混纤维的制备,另一方也是聚合物共混理论和熔融纺丝动力学理论的补充和拓展。课题组前期研究发现,在聚丙烯／聚苯乙烯(PP/PS)和低密度聚乙烯／聚酰胺6(LDPE/PA6)共混纤维中发现了分散相数目和尺寸呈现径向梯度分布,并提出了解释这一现象的机理假说。本文在此基础上,以PP/PS共混纤维为研究对象,进行共混纤维成形过程中两相形貌形成和演变机理研究,提出描述这些机理的数学模型体系,并进行数值求解。本文在以下几个方面展开工作并形成结论：(1)对原材料聚合物进行了细致的表征,包括分子量和分子量分布、基本热性能、剪切流变性能和拉伸流变性能,确定了流变经验方程中的常数,以及这些常数与流场强度之间的关系。研究表明,随着PS分子量的降低,共混体系粘度比下降。PP和PS均出现表观粘度随拉伸速率增大而降低的趋势,表现为“拉伸变稀”行为。PP和PS的拉伸粘流活化能和指前因子与拉伸速率的双对数值之间呈现良好的线性关系。在相同的拉伸速率下,温度越高,表观拉伸粘度比越高。提高拉伸速率,表观拉伸粘度比对温度的敏感性增强。这些结论将指导共混纤维纺丝工艺条件设计,以及后续的纺丝动力学研究和纤维形貌模拟。(2)通过共混熔融纺丝,制备了具有梯度形貌的基质-微纤型共混纤维。通过改变原材料聚合物的粘度比、纺丝速度,研究了加工条件对分散相形貌的影响。采用纺程取样的方法,获得了不同纺丝速度下,不同纺程位置的共混纤维,通过扫描电子显微镜对共混纤维形貌进行了表征,系统研究了基质-微纤形貌的形成和在纺程上的发展演变,讨论了加工条件对梯度化程度的影响,提出了形貌形成和演变的机理。研究表明,纤维的梯度相形貌强烈地依赖于体系的粘度比和纺丝速度。低纺丝速度下,纺程上只发生分散相液滴的形变,没有聚并。当纺丝速度超过一定的临界值时,液滴开始聚并。通过纺程取样分析发现,挤出丝中已经有一定程度的梯度形貌(液滴数量径向梯度αc=一1.04×10-3m-1、液滴直径径向梯度αd=2.72×10-3),随着纺丝过程进行,这种梯度形貌得到保持并发展。提高纺丝速度,基体纤维直径细化加剧,能够加剧梯度化,但是过高的纺丝速度(如1000m/min)会带来严重的聚并,弱化由于基体纤维直径细化对梯度化的贡献。挤出丝中出现梯度形貌是喷丝孔中非均匀剪切作用的结果,而纺程上梯度化程度增加则是分散相液滴非均匀形变、聚并和迁移的结果。(3)基于熔融纺丝动力学理论研究,推导了共混熔融纺丝过程中速度、速度梯度、纺程张力、结晶度和取向度沿纺程的轴向分布,以及温度、拉伸粘度、拉伸应力沿纺程的轴向和径向二维分布,建立了共混熔纺的动力学理论模型。(4)通过共混熔融纺丝过程中的微流变分析,建立了适合共混熔融纺丝过程中分散相液滴形变、破裂和聚并的数学模型。通过建立关联元胞方法,对液滴的初始状态,以及在纺程上的形变、破裂和聚并行为进行了数值模拟,并与实验结果进行了对比。研究表明,在纺程拉伸作用下,纺程上分散相液滴发生了仿射形变(约化毛细管数Ca*>4),由球形液滴形变成椭球形,最后形成微纤形貌。纺程上液滴的聚并是由液滴间基体相薄层的粘性破坏所控制的过程。理论模拟的基质-微纤形貌基本上与实验观测的结果一致。在研究的纺丝速度下,分散相液滴在纺程上不会发生破裂(Ca*>4)。本文通过实验与理论模拟结合的方法,对不相容聚合物共混物在非等温熔融纺丝过程中的基质-微纤形貌形成和发展进行了理论和实验的深入探讨,提出了描述形貌形成和发展行为的理论模型,尤其是分散相液滴仿射形变和基于基体相薄层粘性破坏控制的聚并理论,充实和拓展了聚合物共混和熔融纺丝理论。
赵瑞辉[7]2009年在《细旦中空涤纶（PET）短纤维熔融纺丝动力学研究及应用》文中研究说明开发差别化聚酯(PET)纤维是化纤产业发展的重点方向。近年来,应市场及消费者的需求,许多化纤企业都将开发柔软、滑爽、保暖的细旦中空PET短纤维作为重要研究项目。在生产加工过程由于细旦及中空度的要求所造成的困难,仅凭往常的工作经验来解决会明显降低工作效率。目前,计算机模拟是解决工程问题的最有效方法。本文意将细旦中空PET纤维熔融纺丝动力学过程与计算机技术相结合,建立、研究纺丝工艺条件与产品性能间权重关系,并对实际生产进行理论指导。针对这一切实需求,本文围绕以下内容进行了研究与探讨:在系统研究PET熔融纺丝动力学过程的基础上,选取力平衡、能量平衡、本构方程及取向方程,拟合公式求解过程中所用的参数及PET材料结构参数。同时,结合中空纤维的几何结构及喷丝板的设计参数、喷丝孔孔数及分布情况,建立了细旦中空PET熔融纺丝动力学单丝、复丝模型。采用四阶龙格.库塔(Runge-Kutta)法对所建模型进行求解编程,求取纺程上纤维中空度、外径、速度及张力的分布。研究细旦中空PET熔融纺丝过程泵供量、熔体特性粘度、纺丝速度、纺丝温度及冷却吹风条件对中空纤维性能的影响。研究结果表明:随着冷却条件的加剧,泵供量、熔体特性粘度的增加以及纺丝温度降低,中空度有所增大;而随着纺丝速度的增加,中空度略有增加。同时,建立了纺丝加工工艺条件与中空度之间的权重关系,分析了不同空间位置丝条的中空度以及凝固点的差异。通过与实验对比,验证了模型的可靠性,并理论上指导1.56dtex×38mm细旦中空PET短纤维的开发。对初始张力F_(00)进行数学拟合,得到F_(00)与纺丝工艺参数之间的数学关系,并进行编程处理,简化程序中关于F_(00)设初值、循环赋值的运行部分,缩短程序的运行时间,提高效率。以建立的模型为理论基础,结合天津石化2000t/a的差别化纤维生产装置成功开发出1.56dtex×38mm细旦中空PET短纤维并实现产业化生产。所得成品纤维的物理性能良好,在保证中空度的前提下仍有较高强度的力学性能。纤维中空度为19.1%,平均线密度为1.61dtex,线密度偏差为3.2%,平均长度为38.7mm,长度偏差率为1.8%,断裂强度为6.14cN/dtex,断裂伸长率为22.5%。目前,从纤维的横截面测试图可以看出纤维的中空度偏差率略高,这与纺丝中采取侧吹风及单面上油有很大关系。但是,鉴于客户需求及对产品性能的要求,采用侧吹风所得产品性能目前可以满足消费需求。今后,可以根据市场需求进一步研究后纺加工工艺过程对纤维性能的影响,全面提高纤维的品质。
谢昕[8]2006年在《涤纶工业丝热收缩机理研究》文中研究表明涤纶工业丝是一种高结晶度、高取向聚合物体系，这种结构固然赋予了它所需要的高强度、高模量，但由于高取向导致熵减小，所以属于热力学不稳定体系，将自发地通过解取向趋于低自由能状态，宏观上表现为收缩。本工作将涤纶工业丝的收缩作为研究的出发点，归纳了它的收缩行为特征，利用收缩过程中微观结构参数的变化确立了二者之间的关系，在此基础上提出了涤纶工业丝织态结构模型，解释了收缩机理。通过各种类型涤纶工业丝性能和微观结构的比较，提出兼有高强度、高模量和低收缩的涤纶工业丝(HMLS)应具有的结构。1．选择具有明显收缩性的高强型涤纶工业丝SH8作为研究对象，利用自行设计的装置，采用定长和定张力的方法(等温和程序升温)表征了该材料收缩率和收缩应力，并对测试结果进行了唯象分析讨论。结果表明：a)高结晶、高取向涤纶工业丝的热收缩过程是处在内应力状态下的取向单元的松弛过程，因此各种类型的热收缩行为，不仅依赖实验温度，而且依赖观测的时间标尺长度，具有时温等效特征；b)等温和程序升温下，高结晶、高取向涤纶工业丝的热收缩率或收缩应力显示出类似的规律：随时间的增长或温度的升高，样品先经历热收缩率或收缩应力的增加，在适当条件下可观测到极值，然后开始下降；c)热收缩过程包含两种不同机理：具有熵弹性本质的局部取向单元的弛豫；在较高温度或长时间下，大尺度取向的非晶态分子链的弛豫，它的发生将伴随热收缩速率改变或收缩应力下降。2．表征了SH8收缩过程中的结构变化，并将宏观的收缩现象与微观的结构变化联系起来。简单的两相模型已不足以描述高结晶、高取向聚合物的收缩行为，因为热收缩过程涉及结晶结构、无定形结构、有序程度介于二者之间的取向结构的变化，提出了修正的Prevorsek模型；晶区结构的变化表现为：结晶度的升高、微晶平均尺寸增大以及部分重结晶；非晶区结构的变化表现为：f_(am)大致可分成两个阶段的下降，与热收缩行为的两个阶段相对应；部分解取向的链段通过有序排列沿c轴堆砌，形成具有准晶结构的边界层，它数量不多，稳定性较差，室温拉伸即可将其破坏；影响涤纶工业丝热收缩行为及结构变化的主要外界因素是：温度、外张力、时间，时温具有等效性；定长方式不同于定张力方式，定长方式下的外张力阻止沿纤维轴方向上的结构变化。3．通过10种不同企业生产、不同品种的涤纶工业丝性能与结构的比较，得到以下结论：高强型与HMLS型涤纶工业丝在性能上最大的差别表现在热收缩性上，其L_(s,177)分别约为7.5％和＜3％；二者晶区取向因子上没有差别；高强型的非晶区取向因子值高于HMLS型；HMLS型涤纶工业丝的β_v约在53—56％，高强型的β_v约在44—50％；高强型的微晶平均截面积的估算值为14—18nm~2，HMLS型的为20—25nm~2；高强型与HMLS型的熔融峰相比，主熔融峰前出现明显的小吸热峰；HMLS型具有更高的Tσ；在动态力学行为上，高强型在高温端出现损耗峰。4．考察了时间、温度等因素对涤纶工业丝的物理老化的影响，HMLS型较高强型具有更高的耐物理老化性。研究结果为HMLS型涤纶工业丝的加工工艺和生产设备的设计和改造提供了理论基础，有助于实现凝聚态结构的控制；同时对涤纶工业丝在实际应用条件下的性能评价和预测具有重要的指导意义；将修正的Prevorsek PET纤维形态模型应用于涤纶工业丝，这对深入理解部分结晶的高取向聚合物材料的凝聚态结构特别是对于理解其中晶区在非晶区中的分布、非晶区的排布以及晶区—非晶区的联结方式具有重要的价值。
蒋汉雄[9]2010年在《细旦涤纶长丝熔体直纺工程模拟研究》文中指出细旦和超细旦纤维是目前差别化纤维的一个发展主流,也是差别化纤维发展中的一类重要产品。近几年,我国相继投产的多条大容量十吨级涤纶熔体直纺生产线,能生产涤纶细旦长丝,但附加值较低,市场竞争激烈,盈利能力逐步下降。所以对熔体直纺过程的研究就十分重要。用计算机模拟来分析研究是比较可行的方法,因为有很多数据是实验所不能得到的。本文将重点对熔体直纺细旦长丝的输送过程进行模拟,给企业以完整的输送体系模拟以及调整工艺的方向。本文首先建立了熔体输送过程的管道模型、增压泵模型、计量泵模型、熔体过滤器模型以及纺丝组件模型。在每个单元模型中,根据稳态流体流动的原理,建立了熔体输送过程中熔体停留时间、压力降、温升和熔体粘度降模型。模拟了熔体温度、熔体压强和熔体粘度降随管长、停留时间的变化。发现增压泵、计量泵对温升、压强降的影响比较大,而管道和纺丝组件对特性粘度降和停留时间影响比较大。在熔体输送过程中,熔体质量主要受到初始熔体特性粘度、交接点熔体温度、熔体流量和大循环热媒温度的影响。调整模拟条件,进行权重分析,拟合得到特性粘度降、温升和停留时间的权重分析式。发现：对于特性粘度降权重影响最大的是初始特性粘度,较低的熔体温度和大循环热媒温度以及适当地提高产能均对粘度降下降有利；初始特性粘度对于温升的权重最大,采用较高的特性粘度、调低熔体温度和调高大循环热媒温度来会使得温升提高。建立了熔体直纺细旦涤纶长丝的单丝模型,从力平衡、本构方程和能量平衡叁方面进行分析,分别得到了张力、温度、速度的微分方程式。根据模型利用matlab软件进行编程,模拟了纺丝速度、温度、张力、纤维直径、速度梯度随纺程的变化,并且对比了粗旦和细旦丝的特点。在涤纶长丝生产中,产品规格和产量的调整十分频繁,本文模拟相邻管道产量调整对于熔体质量的影响,发现相邻管道适当地增加产量会提高熔体质量。此外,利用模型进行了熔体输送各控制点数值的验证,压强的模拟和实际比较吻合,温度的模拟存在一定的误差。调整熔体输送的工艺参数,对调整前后的熔体质量、最终产品的拉伸性能和声速取向进行对比分析,发现调整后的熔体质量改善,纤维的强度、强度cv、伸长、伸长cv等物理性能得到改善,取向度的降低也对后续DTY的加工和染色较为有利。
张俊午[10]2008年在《含刚性链段PET共聚酯的研究》文中进行了进一步梳理液晶聚酯的发现以及高模低缩型涤纶工业丝纤维作为一种新型的高性能纤维的成功开发,掀起了PET聚酯改性研究的新高潮。在前人研究和探索的基础上,我们提出了一个简单易行的聚酯改性新方法,期望能够获得成功。本论文从一个全新的角度去考察对PET适合于工业化生产的共聚改性方法的研究,在这一新的改性方法思想的指导下,我们做了一些初步的研究工作,希望能够用较低成本而达到较好的改性效果。本论文对含特定结构的刚性链段PET共聚酯的合成及其可纺性进行了研究,主要包括以下叁部分内容:一、PET改性小分子第叁单体的合成及表征以对苯二甲酸二甲酯(DMT)、对羟基苯甲酸(PHB)为原料,采用熔融酯交换法合成了改性PET用的第叁单体。采用FTIR、~1HNMR等方法研究了其结构,结果表明为含有2-3个苯环以酯键形式连接的刚性小分子物质,同时可能存在一定的反应副产物。二、改性PET共聚酯的制备及表征采用PTA路线合成了不同第叁单体含量(0.5%、2.0%、4.0%)的改性PET共聚酯。DSC及等温结晶分析表明,共聚酯的熔点和结晶温度均较纯PET有所下降,结晶速度稍有降低,共聚酯的结晶机理与纯PET相似,在不同结晶温度下均能观察到较为明显的小球晶。叁、共聚酯的可纺性研究在常规纺丝条件下研究了共聚酯切片的可纺性,并纺制了纤维。研究发现,共聚酯切片具有良好的可纺性能,但第叁单体含量较低的共聚酯纤维的力学性能均不及高粘纯:PET纤维,4.0%共聚酯的性能与之较为接近。刚性小分子第叁单体的加入破坏了分子链的有序度,因此声速法测得共聚酯纤维的取向度稍有下降。XRD测试表明共聚酯纤维的结晶结构与纯PET纤维稍有不同,其在17°附近的衍射峰稍有弱化的趋势。而且,第叁单体含量4.0%的共聚酯纤维的干热收缩率与高粘纯PET纤维相近。
参考文献：
[1]. 熔融纺丝成形理论及HMLS涤纶纤维的研制[D]. 王华平. 东华大学. 2001
[2]. 熔融纺丝成形理论应用及聚合物光学纤维开发[D]. 张传雄. 东华大学. 2008
[3]. 帘线用涤纶工业丝低应变区结构与性能研究[D]. 吕晶. 东华大学. 2005
[4]. 高模低缩涤纶工业丝结构、性能特点的研究[D]. 尹宝. 东华大学. 2007
[5]. 基于同步辐射技术研究涤纶工业丝的凝聚态结构与性能[D]. 刘亚涛. 东华大学. 2015
[6]. PP/PS共混体系纺程上纤维形貌演变的研究和模拟[D]. 何厚康. 东华大学. 2013
[7]. 细旦中空涤纶（PET）短纤维熔融纺丝动力学研究及应用[D]. 赵瑞辉. 东华大学. 2009
[8]. 涤纶工业丝热收缩机理研究[D]. 谢昕. 西北师范大学. 2006
[9]. 细旦涤纶长丝熔体直纺工程模拟研究[D]. 蒋汉雄. 东华大学. 2010
[10]. 含刚性链段PET共聚酯的研究[D]. 张俊午. 东华大学. 2008
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