聚丙烯腈溶液干喷湿纺挤出动力学模型优化与计算

摘要

离子液体作为聚丙烯腈（PAN）的新溶剂，近年来在研究领域取得了一定进展，虽然其工程化推广还受到离子液体成本、回收利用等方面的限制，但作为一种新溶剂体系所表现出的不同于常规溶剂体系的聚合物溶液特性和纺丝工艺特征，说明聚丙烯腈/离子液体的溶液纺丝不能照搬传统溶剂体系的纺丝工艺，启示我们有必要细致研究其纺丝成形动力学，为以离子液体为溶剂制备 PAN纤维的工程化提供基础依据。
　　首先，为获取动力学模拟计算的动力学参数，分别通过体积膨胀测量法和差示扫描量热法（DSC）测定了不同浓度聚丙烯腈/1-丁基-3-甲基咪唑氯盐（[BMIM]Cl）溶液的密度和热容随温度的变化，建立了溶液密度、比热容与温度的定量关系式。在线测量了丝条直径、温度在空气段的变化，通过逆向拟合的方法建立了传热系数与丝条速度、截面面积的关系式。
　　通过实验与计算相结合的方法，建立了PAN/[BMIM]Cl溶液干喷湿纺的挤出拉伸动力学模型。假定溶液为不可压缩流体，建立了连续方程。基于溶液的流变特性，选取 Phan-Thien-Tanner（PTT）流变模型，建立了剪切流动和拉伸流动的本构方程，通过溶液粘弹性对温度的依赖性，建立了流变参数与温度的关系式。忽略表面张力和空气摩擦力，建立了动量方程。忽略相变生热，建立了能量方程。基于在线检测的溶液干喷湿纺过程中丝条温度、直径沿纺程的变化，对所建立的动力学模型进行了验证。结果发现，广义牛顿模型不能准确预测挤出胀大现象，难以准确反映纺丝流体强烈的弹性行为；初始边界条件设置在喷丝孔出口处时，由于没有考虑溶液在喷丝孔内的剪切和拉伸流动行为，完全不能预测挤出胀大现象；采用 PTT粘弹模型并将初始边界条件设置在喷丝孔入口处则能较好的预测聚合物溶液的挤出胀大现象，并且丝条直径和温度的模拟计算值与实验值相吻合，采用该模型，不仅能够模拟纺程上丝条沿轴向的各个物理场的变化，而且能模拟其径向变化，从二维空间说明引起丝条形态结构变化的动力学因素。
　　在动力学模型优化的基础上，改变喷丝板参数（长径比、入口角）与纺丝工艺（凝固浴拉伸速度、空气段长度）进行模拟计算，结果发现，喷丝板参数主要影响溶液在喷丝孔内的流动状态和挤出胀大，而纺丝工艺主要影响挤出胀大和空气段丝条的拉伸流动。喷丝孔长径比越大，纺丝液流经喷丝孔的总压力降越大，能量损失越高，挤出胀大现象减弱；喷丝孔入口导角减小，可以有效消除收缩流动处的涡流，同时可以减弱挤出胀大比，但是会增大压力降。沿纺程的径向模拟结果显示，温度场、速度场、应力场都存在皮芯差异，但这种差异随纺程距离增大而慢慢减小。随着凝固浴拉伸速度的增大，挤出胀大现象减弱，速度梯度分布变宽并且速度梯度最大值沿纺程下移，丝条上的应力与拉伸粘度都增大，丝条表面温度略有减小；空气段长度对丝条温度分布影响不明显，随着空气段长度增大，挤出胀大现象更加明显，丝条沿纺程的直径不断减小，纺程上应力减小，速度梯度的最大值减小，说明增大空气段长度可以有效增加丝条进入凝固浴之前的形变。

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1绪论

1.1引言

1.2以离子液体为溶剂的聚丙烯腈溶液特性研究进展

1.3以离子液体为溶剂的聚丙烯腈溶液的干喷湿纺研究进展

1.4聚合物溶液干喷湿纺成形动力学模拟研究进展

1.5研究目的及研究内容

2 PAN/[BMIM]Cl溶液材料参数的测定与计算

2.1引言

2.2实验

2.3结果与讨论

2.4小结

3 PAN/[BMIM]Cl溶液干喷湿纺挤出拉伸动力学模型的建立

3.1引言

3.2实验方法

3.3几何模型与网格划分

3.4控制方程

3.5边界条件

3.6计算方法

3.7模型的验证与优化

3.8小结

4 PAN/[BMIM]Cl溶液干喷湿纺挤出拉伸动力学模拟结果分析

4.1引言

4.2模拟所采用的模型方程与参数

4.3模拟计算结果分析

4.4小结

5结论

参考文献

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致谢