POLYFLOW在设计氨纶高黏干法纺喷丝板中的运用

2018-02-26陈斌，陈桃，梁燕

纺织报告 2018年12期

陈斌，陈桃，梁燕

（1. 江苏奥神新材料股份有限公司，江苏连云港 222023;2. 江苏省高性能纤维产品质量监督中心，江苏连云港 222047）

氨纶纤维的高黏度纺是新兴的纺丝方式。目前，氨纶的纺丝原液的黏度相对较低，而干法纺的喷丝板对于纤维截面成型，以及是否具备可纺性起到决定性的作用。因此，设计出氨纶纤维的高粘度纺喷丝板至关重要。传统的设计方法一般采用理论计算法和实验法[1-3]。其中，理论计算法往往需要进行抽象和简化计算对象，得出理论解，对于高黏性聚合物很难使用解析法。而实验法往往受到多种因素限制，如流场扰动、加工粗糙度、人身安全等，存在资金投入大、研究周期长等缺点。采用POLYFLOW商业软件进行数值模拟能够解决前面两种方法的问题，在计算机上进行一次特定的模拟计算，与做实验没有什么区别。此外，数值模拟可以形象地使用流线图、云图等再现流动情景。POLYFLOW软件特别适合模拟高黏聚合物流动问题，在模拟黏性流动方面始终处于领先地位，本课题将采用理论计算法及POLYFLOW软件数值模拟法进行氨纶纤维的高粘度干法纺喷丝板的设计。

1 材质选型

氨纶纤维的原液中含有大量的DMAC，而DMAC有一定的腐蚀性，喷丝板的材质必须具备耐腐蚀性及耐磨性，常用的材质为SUS304及SUS316，SUS316耐磨蚀性优于SUS304。因此，材质选为SUS316。

2 导孔的形状设计

喷丝板的导孔与微孔的连接处是否流畅，将决定溶液是否出现滞留现象，所以圆锥角θ角（图1）即微孔的入口角，决定溶液的流动状态是否平稳，合理的θ角可使溶液的流动收敛性更加缓和，喷丝板的导孔直径选为2.5mm，圆锥角θ角初步设计为60°、90°、120°、180°，依据POLYFLOW进行流场分析。

氨纶纤维原液的黏度约为600Pa.s，属于假塑性非牛顿流体，高黏性聚合物,其流动特性为非线性，根据流动特性选用黏性流动方程Bird-carreau law。

2.1 三维建模及网格化

首先，我们用CAD对θ角为60°、90°、120°、180°的喷丝板进行三维建模，然后进行以下操作：把保存好的模型导入到Ansys polyflow软件中，进行网格(mesh)划分（图1），并设定边界为入口、出口、壁面。

图1 θ角为60°喷丝板模型网格

2.2 polydata中参数设置

三维模型网格划分后，上传到Polydata中，首先创建一个新任务，选择稳态流动类型，在新任务下创建一个子任务，选择广义牛顿等温流动类型，子任务流体区域设置为整体导孔模型，材料数据设置为依赖剪切速率的黏度模型，根据聚合物特性，选取本结构方程（Bird-carreau law）。其中，剪切黏度（Modify fac）为600Pa.s，松弛时间（Modify tnat）为0.01s，剪切速率（Modify expom）为7 500（1/s）。边界条件设置：入口（inflow)设定体积流量0.01mL/s；出口（outlet)设定流向fn=fs=0；壁面（wall)设定受力方向vn=vs=0，把单位设置好，保存后导入到模块Solution中进行计算。

2.3 计算结果

图2为圆锥角θ角为60°、90°、120°、180°的喷丝板进行数值模拟的流场图。

图2 导孔的θ角为不同角度的流场

在以上流场图中可以看出，随着θ角的角度增大，导孔内的死角区域就越来越大。导孔的θ角为60°时流场基本无死角。实验得出，θ角为60°较为合理。

3 孔径的设计

3.1 微孔直径的理论计算

微孔直径的计算公式为：

式中：do为微孔的直径(cm)；Q为单孔流量(cm3/s)，取值为：0.02，γ为理想孔的剪切速率(1/s)，剪切速率为6 000。

经过初步计算，do为0.32mm。经过理论计算，确定了孔径后，使用POLYFLOW软件分别对0.3mm、0.35mm、0.4mm的圆孔孔径进行数值模拟，确认氨纶溶液通过微孔的流场及剪切速率，进一步对比不同孔径的流场状态，最终确定微孔尺寸。

3.2 微孔数值模拟在POLYFLOW中设置

由以上的数值模拟可知，θ角取值为60°时流场非常顺畅，基本无死角，因此，导孔的θ角取为60°。分别对0.3mm、0.35mm、0.4mm的孔径的喷丝板进行建模并网格化。由于喷丝板的尺寸较小，一般工作站可以承担计算能力，完全可以使用三维建模及网格化，网格的最小尺寸为0.01mm。为保证模拟计算的准确性，在模型的出口处增设膨胀层，设定参数为过渡比率为0.1，层数为5，增长率为1.2，把保存好的模型分别导入到Ansys polyflow软件中，Polydata中的设置步骤同导孔模拟，如图3。

图3 孔径为0.3mm的微孔网格

3.3 不同孔径的模拟结果

图4 为不同孔径进行数值模拟流速等值线图，图5为不同孔径的剪切速率云图。

图4 不同孔径喷丝板微孔流速等值线图

根据图4模拟出来的不同孔径的喷丝板的流速等值线图可以看出：壁面的流速非常小，越靠近微孔中间，流速就越来越大，流速过快，聚合物在微孔中的松弛时间得不到保证，造成出口处的应力较集中，模拟得到的数值见表1。

图5 不同孔径喷丝板微孔剪切速率图

根据图5显示，孔径为0.3mm和0.35mm喷丝板的出口处剪切速率较高，分别达到18 270、9 500，过高的剪切速率使溶液通过微孔后产生破裂，纺丝时容易产生结点及滴原液现象，而孔径为0.4mm的喷丝板压力分布较均匀，微孔出口处剪切速率为6 700，聚合物通过微孔的流速较平稳，有利于提高纺丝的操作性能，所以，孔径可选为0.4mm。

表1 不同孔径的流速及压力值

3.3 微孔的长径比的设计

根据聚合物在微孔中的流动特性，临界剪切速率随着长径比增加而增大，有利于减少出口的膨大效应，在纺丝时有较好的操作性能。依据长径比的选择原则，聚合物在微孔的停留时间必须小于聚合物的松弛时间。现依据孔径为0.4mm的流场图可知[4,5]，溶液通过微孔的最大流速约为0.12m/s，氨纶溶液的松弛时间约为0.01s，通过计算可得出微孔长度L=1.2mm，微孔的长径比约为3，这样的长径比在加工及清洗中都不存在困难，经过取整可以得出微孔的长径比为3。