一步法POY／FDY涤纶异收缩混纤丝熔融纺丝过程数学模拟

王宝健，黄莉茜，王学利，俞建勇b，

（东华大学a.纺织学院；b.纺织面料技术教育部重点实验室；c.现代纺织研究院，上海 201620）

一步法POY／FDY涤纶异收缩混纤丝熔融纺丝过程数学模拟

王宝健a，b，黄莉茜a，b，王学利c，俞建勇b，c

（东华大学a.纺织学院；b.纺织面料技术教育部重点实验室；c.现代纺织研究院，上海 201620）

根据聚合物熔融纺丝的基本原理，建立了一步法POY（预取向丝）／FDY（全拉伸丝）涤纶异收缩混纤丝熔融纺丝的数学模型，分别对POY和FDY的直径、张力、速度、温度、双折射率、结晶度在纺程上的变化进行了数学模拟.结果发现，在纺程上POY的直径、张力、温度、速度变化比FDY大；POY在纺程上可以形成良好的结晶和取向，其中结晶度可达到16%，双折射率可达到0.085，而FDY在纺程上的结晶和取向可以忽略不计.研究结果可为一步法POY／FDY涤纶异收缩混纤丝的实际生产提供理论指导.

一步法；异收缩混纤丝；熔融纺丝；模拟

由于涤纶预取向丝（POY）和涤纶全拉伸丝（FDY）的热收缩率不同，使得POY／FDY涤纶混纤丝面料具有独特的手感和风格，被广泛应用于仿毛、仿真丝和高档针织面料［1］.一步法POY／FDY涤纶异收缩混纤丝采用纺丝＋混纤一步法工艺（如图1所示），使POY和FDY在同一设备上实现同步纺丝、同步卷绕.与传统的两步法（即分别纺出POY和FDY长丝，然后在加弹机或合股机将POY和FDY长丝复合）加工异收缩混纤丝相比，一步法工艺具有产量高、流程短、产品质量稳定等特点，这是异收缩混纤丝加工技术的发展方向.

图1 一步法POY／FDY涤纶异收缩混纤丝加工示意图Fig.1 The process diagram of one－step process POY／FDY polyester combined yarn

在一步法POY／FDY涤纶异收缩混纤丝加工过程中，为实现POY与FDY同步纺丝、同步卷绕，同时达到良好的异收缩效果，必须对POY和FDY的加工参数及丝条成形过程进行调控.在实际生产中，通常根据经验对主要工艺参数进行调整，来实现一步法POY／FDY涤纶异收缩混纤丝的加工.但这种基于经验的方法很难建立各参数与纤维结构之间的定量关系，且耗费大量的时间和物料.运用数学模型对纤维成形过程进行模拟，可定量描述纤维结构沿纺程变化规律，并建立加工参数与纤维结构之间的相互联系，为加深认识一步法POY／FDY涤纶异收缩混纤丝的加工过程及新品种开发提供指导.

对单组分纤维熔融纺丝过程的模拟已有很多研究.文献［2］系统探讨了纤维的成形机理，并从成纤材料的流变特性、流变行为、流体动力学，纺丝时的传热、传质、流体的固化，纺丝时纤维结构的形成，一直到拉伸、热处理时纤维结构的变化和机理做了详细的阐述，形成了系统的理论.文献［3－5］对多束丝的熔融纺动力学模型进行研究，尤其是在冷却过程中丝条温度的不均匀性以及这种不均匀性对纺丝丝条质量的影响，从而完善了熔融纺丝动力学模型.虽然这些理论都有各自的侧重点，但都是基于最基本的纺丝动力学基本原理.

到目前为止，对一步法POY／FDY异收缩混纤丝的纺丝过程模拟尚未见报道.本文在涤纶熔融纺丝动力学基本原理基础上，引入纤维结晶度和取向度的变化，对一步法POY／FDY涤纶异收缩混纤丝中POY和FDY单丝的纺丝过程及纤维结构的变化进行同步数学模拟.

1 一步法POY／FDY涤纶异收缩混纤丝纺丝过程的数学模型

对于一步法POY／FDY涤纶异收缩混纤丝而言，其中POY为熔融纺丝过程，即喷丝板下方的卷绕装置对喷丝孔吐出的熔融聚合物进行卷绕的过程；FDY在喷丝孔与牵伸热辊（GR1）之间为熔融纺丝过程，在牵伸热辊（GR1）和定形热辊（GR2）之间为牵伸过程；最后POY和FDY合并卷绕形成混纤丝，以上加工原理如图2所示.本文首先对一步法POY／FDY涤纶异收缩混纤丝的熔融纺丝过程进行模拟.

图2 一步法POY／FDY涤纶异收缩混纤丝熔融纺丝、牵伸过程Fig.2 The melt spinning and drawing process of one－step process POY／FDY polyester combined yarn

聚合物熔融纺丝过程模拟的基本方程包括：连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程和本构方程［2］.根据 KASE等［6］的研究结果，当 PET（聚对苯二甲酸乙二酯）纺丝速度≤1 000m／min，采用基本方程得到的模拟结果和试验结果基本吻合，但当PET采用高速纺丝时，纤维的取向、结晶现象对纺丝过程影响增加.因此，本文在传统熔融纺丝动力学基础上，考虑纺丝过程中纤维结晶度和取向度的影响，对一步法POY／FDY涤纶异收缩混纤丝中POY和FDY的熔融纺丝过程进行模拟.采用的基本方程［7］见表1所示.

表1 POY和FDY熔融纺丝模拟的基本数学模型Table 1 The mathematical model of POY and FDY meltspinning simulation

表1中，W为聚合物的泵供量（挤出）；ρ为聚合物的密度；ρa为聚合物无定形区的密度 ；ρc为聚合物结晶区的密度 ；θ为聚合物的结晶度；v为轴向纺丝速度；vy为侧吹风速度；D为纤维直径；F为纺丝张力；g为重力加速度；τf为单位面积的空气摩擦阻力；Cf为空气的摩擦因数；ReD为基于纤维直径的雷诺数；h为丝条表面传热系数；ΔH为熔融热；cp为比热容；ts为侧吹风风温；x为纤维距喷丝孔的距离；t为距喷丝孔距离为x时的丝条平均温度；η为拉伸黏度；IV为特性黏度；ρ＊和k＊分别为空气的密度和导热系数；Nu为努赛尔数；τ为松弛时间；Δn为双折射率；E为模量；Cop为应力光学系数；θ′为相对结晶度；k为结晶速率常数；n为Avrami指数；Kmax为最大结晶速率常数；D10为结晶动力学半高宽；tmax为最大结晶速率温度；f为聚合物无定形区部分的取向因子；A为一常数.

2 模拟结果和讨论

以徐州斯维克差别化纤维科技有限公司生产的72dtex／50f一步法异收缩混纤丝为例进行模拟，其中，POY规格为48dtex／37f，FDY 规格为24dtex／13f，模拟所用的初始条件和工艺参数如表2所示.

表2 模拟用POY和FDY的初始条件和工艺参数Table 2 The initial conditions and process parameters for POY and FDY simulations

利用Matlab进行PET熔融纺动力学模拟系统编程，采用四阶龙格－库塔格式.计算中选用适当的步长，再相应地带入初值，t（x＝0）＝t0；v（x＝0）＝v0；F（x＝0）＝F0（玻璃化温度时的速度为纺丝速度时，喷丝口的纺丝张力），根据上述所建的模型即可求纺程上各点温度、速度、张力、结晶和取向等的变化.其中有关PET的物理参数［7］见表3所示.

表3 PET的物理参数Table 3 The physical parameters of PET

续 表

对于PET纤维熔融纺丝动力学方程中未知的参数（方程（9）中的A），采用逆向拟合的方法获取.具体思路：在一定的纺丝条件下，将假设参数代入熔融纺丝动力学模型中，模拟PET的纺丝动力学，得到PET的结构及性能参数与实测的参数进行比较，模拟所得和实测的结果相差最小时所对应的参数，就是需要的优化参数［8］.

本文在一定的工艺条件下测得POY集束点在线张力为9.2cN、结晶度为14.5%、双折射率为0.08.逆向拟合时优化的计算准则是使模拟的POY集束点在线张力、结晶度、双折射率的数值和实测的数值相差最小.计算方程为

其中：i表示POY集束点处的张力、结晶度或双折射率；Xexper（i）表示i的试验值；Xthero（i）表示i的理论值；A为逆向拟合常数.通过逆向拟合得到A＝7 000.

模拟得到涤纶POY和FDY在一步法异收缩混纤丝纺程x上的直径、速度、张力、温度、双折射率、结晶度的变化分别如图3所示.

（1）由图3（a）可知，在纺程为0～10cm范围内，POY和FDY的直径剧烈地减小，纺程到达15 cm以后，POY和FDY的直径基本保持不变，纤维发生固化.由于POY和FDY的泵供量和纺丝速度不同，在0～15cm范围内，POY直径下降更剧烈，达到最终值的位置离喷丝板更近.因此，在一步法混纤丝加工过程中，POY和FDY的集束点位置控制在10～15cm范围内较适宜.

（2）由图3（b）可知，在纺程上POY的纺丝速度大于FDY的纺丝速度，POY和FDY纺丝速度的变化主要集中在0～15cm纺程范围内，且在此范围内POY的速度变化梯度大于FDY的速度梯度，这与图3（a）直径沿纺程的变化规律相一致.

（3）由图3（c）可知，在固化点（纺程x＝10～15 cm位置处）出现之前，POY和FDY的纺丝张力变化较大，这是因为在固化点出现之前，丝条受到拉伸流变力、重力和空气摩擦阻力的作用，而在固化点出现之后，丝条在纺程上只受到重力和空气摩擦阻力的作用，因此纺丝张力变化较小.此外，在整个纺程上POY的纺丝张力远比FDY的纺丝张力大，为使加工过程稳定，POY和FDY在合并处张力应平衡，需采用导丝盘适当调节POY纺丝张力.

（4）由图3（d）可知，POY在纺程上的温度变化比FDY更加剧烈，因为POY的直径在纺程上变化较为剧烈，从而使POY的比表面积变化较大，且POY的侧吹风速度较大，与周围环境热量交换更剧烈，使得在距离喷丝板相同位置处其温度比FDY更低.因此，在实际纺丝过程中，应更注意POY侧吹风的控制.

（5）由图3（e）与3（f）可知，POY在纺程上可形成较高的结晶和取向，结晶度达到16%左右，双折射率达到0.085左右，这是因为POY在高速纺丝下，熔体的伸长流动更易引起大分子的取向，因此POY更容易形成较高的取向度，而较高的纤维大分子取向度可显著提高纤维的结晶速率［9－10］.FDY在本文模拟的纺程上基本没有产生结晶和取向结构，这有利于后面的热辊牵伸过程，并且该模拟结果与文献［6］报道一致.

3 结 语

本文对一步法POY／FDY涤纶异收缩混纤丝熔融纺程上的纤维直径、张力、速度、温度、结晶度、取向度进行了数学模拟，结果发现在纺程上POY的直径、张力、温度、速度变化比FDY大，POY在纺程上可以形成良好的结晶和取向，而FDY在纺程上的结晶和取向可以忽略不计.本文的模拟研究可为一步法POY／FDY涤纶异收缩混纤丝的纺丝加工过程提供指导.

参 考 文 献

［1］王妮.新型涤纶仿毛长丝纱成形原理及应用研究［D］.上海：东华大学纺织学院，2005：5－7.

［2］齐亚别斯基.高速纺丝：科学与工程［M］.北京：中国石化出版社，1990：1－280.

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Mathematical Simulation on Melt－Spinning of One－Step Process POY／FDY Polyester Combined Yarn

WANGBao－jiana，b，HUANGLi－qiana，b，WANGXue－lic，YUJian－yongb，c，
（a.College of Textiles；b.Key Laboratory of Textile Science ＆Technology，Ministry of Education；c.Modern Textile Institute，Donghua University，Shanghai 201620，China）

According to the basic principle of polymer melt－spinning，the mathematical model of meltspinning of one－step process POY （pre－oriented yarn）／FDY （fully draw yarn）polyester combined yarn was established and the evolutions of the diameter，tension，velocity，temperature，birefringence and crystallinity of POY and FDY on the spinning process were simulated.It was founded that the diameter，tension，temperature and velocity of POY changed more violently than those of FDY.POY can form a good degree of crystallinity and orientation which can be up to 16%and0.085 separately，while those of FDY can be neglected.The studies can provide theoretical guidance to the practical production of onestep process POY／FDY polyester combined yarn.

one－step process；differential shrinkage combined yarn；melt－spinning；simulation

TQ 342.21

A

1671－0444（2012）06－0660－05

2011－09－30

江苏省科技成果转化专项资金资助项目（BA2009046）

王宝健（1986—），男，山东聊城人，硕士，研究方向为一步法POY／FDY涤纶异收缩混纤丝纺丝牵伸理论及工艺.E－mail：wangbaojian＠mail.dhu.edu.cn

黄莉茜（联系人），女，副教授，E－mail：hlqian＠dhu.edu.cn