聚丙烯腈溶液干噴濕紡擠出動(dòng)力學(xué)模型優(yōu)化與計(jì)算.pdf

1、離子液體作為聚丙烯腈（PAN）的新溶劑，近年來(lái)在研究領(lǐng)域取得了一定進(jìn)展，雖然其工程化推廣還受到離子液體成本、回收利用等方面的限制，但作為一種新溶劑體系所表現(xiàn)出的不同于常規(guī)溶劑體系的聚合物溶液特性和紡絲工藝特征，說(shuō)明聚丙烯腈/離子液體的溶液紡絲不能照搬傳統(tǒng)溶劑體系的紡絲工藝，啟示我們有必要細(xì)致研究其紡絲成形動(dòng)力學(xué)，為以離子液體為溶劑制備 PAN纖維的工程化提供基礎(chǔ)依據(jù)。
　　首先，為獲取動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，分別通過(guò)體積膨脹測(cè)

2、量法和差示掃描量熱法（DSC）測(cè)定了不同濃度聚丙烯腈/1-丁基-3-甲基咪唑氯鹽（[BMIM]Cl）溶液的密度和熱容隨溫度的變化，建立了溶液密度、比熱容與溫度的定量關(guān)系式。在線測(cè)量了絲條直徑、溫度在空氣段的變化，通過(guò)逆向擬合的方法建立了傳熱系數(shù)與絲條速度、截面面積的關(guān)系式。
　　通過(guò)實(shí)驗(yàn)與計(jì)算相結(jié)合的方法，建立了PAN/[BMIM]Cl溶液干噴濕紡的擠出拉伸動(dòng)力學(xué)模型。假定溶液為不可壓縮流體，建立了連續(xù)方程。基于溶液的流變特性，選

3、取 Phan-Thien-Tanner（PTT）流變模型，建立了剪切流動(dòng)和拉伸流動(dòng)的本構(gòu)方程，通過(guò)溶液粘彈性對(duì)溫度的依賴性，建立了流變參數(shù)與溫度的關(guān)系式。忽略表面張力和空氣摩擦力，建立了動(dòng)量方程。忽略相變生熱，建立了能量方程?；谠诰€檢測(cè)的溶液干噴濕紡過(guò)程中絲條溫度、直徑沿紡程的變化，對(duì)所建立的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，廣義牛頓模型不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)擠出脹大現(xiàn)象，難以準(zhǔn)確反映紡絲流體強(qiáng)烈的彈性行為；初始邊界條件設(shè)置在噴絲孔出口處時(shí)，由于

4、沒(méi)有考慮溶液在噴絲孔內(nèi)的剪切和拉伸流動(dòng)行為，完全不能預(yù)測(cè)擠出脹大現(xiàn)象；采用 PTT粘彈模型并將初始邊界條件設(shè)置在噴絲孔入口處則能較好的預(yù)測(cè)聚合物溶液的擠出脹大現(xiàn)象，并且絲條直徑和溫度的模擬計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值相吻合，采用該模型，不僅能夠模擬紡程上絲條沿軸向的各個(gè)物理場(chǎng)的變化，而且能模擬其徑向變化，從二維空間說(shuō)明引起絲條形態(tài)結(jié)構(gòu)變化的動(dòng)力學(xué)因素。
　　在動(dòng)力學(xué)模型優(yōu)化的基礎(chǔ)上，改變噴絲板參數(shù)（長(zhǎng)徑比、入口角）與紡絲工藝（凝固浴拉伸速度、空

5、氣段長(zhǎng)度）進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，噴絲板參數(shù)主要影響溶液在噴絲孔內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)和擠出脹大，而紡絲工藝主要影響擠出脹大和空氣段絲條的拉伸流動(dòng)。噴絲孔長(zhǎng)徑比越大，紡絲液流經(jīng)噴絲孔的總壓力降越大，能量損失越高，擠出脹大現(xiàn)象減弱；噴絲孔入口導(dǎo)角減小，可以有效消除收縮流動(dòng)處的渦流，同時(shí)可以減弱擠出脹大比，但是會(huì)增大壓力降。沿紡程的徑向模擬結(jié)果顯示，溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)都存在皮芯差異，但這種差異隨紡程距離增大而慢慢減小。隨著凝固浴拉伸速度的增大，擠