大容量_多孔细旦熔纺喷丝板微孔间距的设计.pdf

1、专题合成纤维 望年 月 大容量 、 多孔细旦熔纺喷丝板微孔间距的设计 秦 伟明杭州蓝孔雀化学纤维股份有限公司 摘要 运用化工传递理论剖析了丝条固化 成形中同板单纤间冷却条件差异形成的原 因 , 提出保证丝条冷却成形均 匀德定的 必要条件 , 从理论上推导出熔纺喷丝板合理孔 排列间距的数学模型 , 并就涤纶 、饰纶、 丙纶纺丝 用喷丝板合理孔排列间距提出了设 计依据 。 关健词喷丝板孔间距设计 前言 在熔融纺丝中 , 喷丝板结构设计的合理 性与熔体纺丝稳定性 、成 品丝质量密切相关 。 喷丝微孔排布及微孔结构均直接影响纺丝质 量 。 在已公开的专利以及文献资料 中 , 喷丝 孔结构以及孔排列形式研究占了绝 大多数 , 而关于喷丝微孔的间距设计研究未见有专门 的文献报导 。 至今 , 对喷丝孔的分布排列 尺 寸通常还用试验实测确定 。 喷丝微孔间距设计是喷丝板结构设计的 重要参数之一 , 尤其在大容量 、多孔短纤 以及 多孔细旦复丝纺中 , 喷丝孔数比常规高 一 倍 , 合理紧凑排布显得格外重要 。 本文试 图 用化工传递中普兰德边界层 理论 , 结合熔融纺丝成形传热基本方程建立数学模 型

2、 , 确立起相互参变量间的定量关系 , 对多纤 细旦复丝 、大 容量多孔短纤 用高密度排列喷 丝板的孔间距设计 , 从理论依据上作一探讨 。 理论分析与算式推导 理论分析 熔体丝条成形中的边界层 高聚物熔体从喷丝微孔中喷出 , 在卷绕 牵引及冷却气流作用下 , 直径变细 , 速度逐渐 一一 增大 , 最终凝固成固体丝条 。 在熔体成形过 程中 , 高聚物熔体与空气间发 生动量及热量 传递 。 根据流体边界层学说 , 当实际流体沿 固体壁面流动时 , 只要流体能够润湿壁面 , 则 紧贴固体壁面附着一层极薄的永不滑脱壁面 流体 , 此层流体流速为零 。 该层流体在粘滞 力作用下 , 使相邻层 流体在与流动相垂直的 方向上流速逐渐地加大 , 而接近一个定值 , 构 成了边界层 。 若固体壁面与流体间存在温度 差 , 在壁面附近同时存在着动量传递和热量 传递 , 在固体壁 面附近同样存在着热边界层 或称温度边界层 。 在边界层之外 , 流体在 与流向相垂直方向上速度梯度及温度梯度极 小 , 不存在速度分布与温度分布 , 此区域完全 可作理想流体处理 。 熔体丝条从喷丝孔流出 时 , 有与上述类

3、似的情况 , 在熔体壁面附近形 成一层边界薄层 , 并随熔体向前移动 , 边界层 厚度增加 , 运动中的熔体丝条完全处于边 界 层包围之中 。 丝条在边界层气流中完成热量 传递和动量传递 , 冷却固化 。 边界层气流直 接影响丝条固化及形态结构形成 。 同喷丝板中各丝条冷却 均匀的必要 条件 上述边界层气流伴随丝条向下运动 , 速 度逐渐加大 。 冷却气流垂直于丝条运行方向 流向边界层 , 部分冷却气流在边界气流牵引 第卷第期合成纤维专题 下改变运行方 向而融人边界层 , 在新鲜冷却 气流的不断补充下 , 保证了熔体始终处在稳 定 的冷却气氛中另一部分冷却气流穿 过丝 层进人下一层丝条边界层流 。 由于冷却气流 不断地补充 , 使不同丝层的全部丝条都得到 基本相同的冷却条件 , 这从四氛化碳烟雾观 察成形丝条侧吹风行踪实验 中能清楚地看 到 , 见图 。 喷丝板 因退翅困混爬 图冷却气流穿透丝层流动情况 边界层在动量传递作用下 , 在熔体流动 方向上逐渐加厚 , 最终在熔体纺丝线某处 , 相 临的丝条边界层必然互相汇合 。 边界层汇合 前 , 单根丝条周围的边界层气流互相独立 , 冷

4、却空气在风量与风压的保证下能穿透丝层 , 使各层丝束均能得到新鲜气流的补充然而 , 边界层汇合后 , 熔体丝条完全被边界层气流 包围 , 汇合的边界层气流形成一道屏障 , 阻碍 了新鲜的冷却气流进人内层 , 造成外层熔体 能接受到新鲜气流补充 , 而其它层熔体因汇 合气流的屏蔽作用而无法得到新鲜气流的补 充 , 从而造成各层 丝束冷却条件差异加大 。 为了使处于前后层丝条均能得到原始状态新 鲜空气补充 , 保证各丝条间尽可能有一致的 、 稳定的 、充分均匀的冷却 固化条件 , 熔体丝条 的凝固应先于边界层气流的汇合 。 算式推导 熔体从喷丝孔流出至 固化成形 , 流速逐 渐加大 , 从雷诺数判断 , 熔体在固化前呈稳定 的层流状边界层气流流速可近似只随径向 变化 , 圆周方向上不变 , 这与无限宽大平板表 面作稳定层流运动气流的简单流动方式相类 似 , 因此我们可借用大平板稳态平行层流简 化的卡门 五 边界层 动量方程来研 究丝条在空气中的运动 。 ,、 , 日尸 孟 。 “一 占渝 式中一边界层外的气流流速 、一边界层 中轴方 向上的气流流速 厂气流密度 一一气流压强 一平板壁面处流

5、体的剪切应 力 了八 、一 一 、 一 拼 常 ,二。,卜速度边界层厚度。 式表示 了在边 界层 内 , 流体沿方 向流动时 , 流体流速 , 随边界层厚度创方 向上的变化关系 。 边界条件为在处 、 二 在时 二 , 假设 在方向上分布 , 速度侧形近似于 抛物线形状 边界层内压强在边界层 内部无变化 , 只决定于边界层外的流体压强 流体为理想流体 , 可不考虑粘滞力 流体位置距平板壁面前缘足够远 。 经积分求解得川 。 唇 呜 式中冷却空气运动粘度耐 一离喷 丝板的距离 。 由于公式推导中假设条件的限制 , 及熔 体丝条成形固化途 中各参数的变化 , 将此公 式直接应用于纤维成形 , 实验结果与计算值 会有较大偏差 。 经勃拉修斯月 修 正后 的计算值与实测值较为一致川 。 抨 一 式中一丝条线速度 而 。 热边界层与动量边界层有如下关系 , 一一 合成纤维 臾年 月 二 , 牛裕 。 了 派 二 一 为与 式中武一温度边 界层 厚度一普兰德 常 数 。 当热边界层汇合时 , 相邻的喷丝 孔间距 二 氏 , 则 一, 刀, 。一 熔体固化冷却长度叹计算式 、 告 卜 冷却空气性质有

6、关的常数 。 几种常见高聚物 熔体的几值见表 裹高物熔体的冷却空气物性傲及值 坑 一 双 山 告 , 一 鱼旦 王 护护 气 。 萨 , 以以 麟麟 肠肠 义义 一 印 “ 式中一喷丝孔直径熔体温 度 一冷却空气温度 几一高聚物玻 璃化温度 一熔体单孔吐出量 留 一熔体定压 比热 一传热系数 时 。 假设熔体近似按牛顿流体处理 , 苦 山相 一 几 一 几 一 , 为物性温度 则 式中 、 二 矗 , 武 、 少一熔体在 喷 丝孔道 内流 动剪切速率 肠一熔体密度 岁耐 。 式代入式后得 玖 二 一 告 爪 一 戈 少 , 根据同板单纤冷却条件处在基本相 同的 条件叭 , 将式 、 式代入后得 , 二 。二、 、 孺 式中 , 、 尾乒而万 , 为与熔体物性有关 的常数 。 常见高聚物熔体的值见表 。 表高班物熔体的物性参数与值 内内 , , 二 目, 好 , 犷荆 护护 旧旧 粼 护护 护护护护 , 按临界改计算 一 , 为双折射率稳定时沮度 为传热系数 , 二 一一。 , , 。 式中 , 一冷却风速 。 常规纺平均值取 , 阳 纺平均 值取 。 代入式得 常规纺 一 拜 。 。

7、纺 二 。 。一 存 式中为与高聚物物性 、 冷却空气条件 有关的常数 二 , 结果与讨论 喷丝孔间距对丝质均匀性的影响 成品丝质量均匀状况可用强度不匀率 、 伸度不匀率及纤度不匀率等指标反映 。 表 为不同孔间距下成品丝不匀率实测指标 。 试验 设备 粼拓 纺丝机 、 以拉伸 机 。 试验工艺条件纺丝速度 仪刃 一 米 分 纺丝温度 一 冷却风 温 冷却风 速 一 米分 拉伸倍数 一 热盘拉伸温度 一 热板温度 。 第绍卷第期合成纤维 专题 衰吸丝孔间距与丝不匀率栩标 成成品丝规格对对明明肠肠 孔孔间距 二 卷卷绕丝直径不匀率弘弘 卯卯 成成品丝条干不匀率肠肠 成成品丝强度不匀率伪伪 成成品丝伸长不匀率 少 。 它们间近似为倒次幂反 比关系 , 即 从表可见 , 孔间距缩小 , 丝条不匀率总 体呈缓步增长趋势孔间距按前述计算结果 设计 , 孔间距尺寸处于合理范围内 , 不匀率指 标基本上稳定 , 增大幅度并不大 。 喷丝徽孔直径与孔间距的关系 熔体纺丝中 , 喷丝微孔直径的确定是根 据高聚物性质 、成 品单丝纤度 、纺丝 成形加工 条件等决定 , 并受熔体单孔吐出量大小限制 。 微孔

8、直径增加 , 意味着熔体单孔流出量增大 , 从而导致丝条冷却固化长度增加 , 单从冷却 固化长度与孔径 间关系看 , 两者呈次幂函 数关系 , 即蛛 , 。 为了保证各丝条均匀稳 定冷却 , 根据前述 , 固化长度增加必定要以边 界层汇合距离增大来保证 。 式所示 , 增 大 , 孔间距增大 , 而两者间呈倒次幂函数关 系 , 即 几 。 上述情况综合结果 , 如图所 示 , 喷丝微孔直径与孔间距间呈线性函数关 系 , 孔间距随喷丝孔径增大单调增加 。 丝枯连区域 孔径 二 、, 喷丝孔直径 。 图喷丝孔直径与孔间距的关系 一以常规纺一纺 纺丝速度与孔 间距的关系 纺丝速度也是孔间距设计中主要影响因 素之一 。 图表示 了纺丝速度与喷丝孔 间距的关系 。 喷丝孔 间距随 纺速 增加而减 图纺丝速度与喷丝孔间距的关系 纺速对孔间距的影响可从两方面进行考 察 , 一方面纺丝直接影响边界层的发展 , 速度 越高 , 边界层发展越慢 , 边界层厚度越小 , 导 致边界层汇合点远离喷丝板 喷丝孔间距可 缩小 另一方面纺速也同时影响值 , 从而间 接地影响熔体冷却固化长度 , 纺速增加 , 值 增

9、加 , 固化长度甄缩短 , 也给喷丝孔间距缩 小创造了条件 。 由此可见 , 纺速对孔 间距影 响较为直接 , 在喷丝板设计中 , 必须根据不同 的纺丝类型合理地确定喷丝孔间距 。 冷却空气条件对孔间距的影响 冷却风温对值影响不太大 , 这主要是 因为风温对冷却固化长度的影响与对温度边 界层发展有相反效果的结果 , 风温增加 , 冷却 固化长度增加 , 但随风温增加 , 温度边界层厚 度趋小 , 热边界层汇合距 离也增加风温降 低 , 则反之 。 冷却风速对值有一定影响 , 其原 因是 风速影响值 , 从而对冷却固化 长度产生影 响 , 在接近喷丝板的范围内 , 当 , 时 , 冷却过程主要受冷却风速度 , 控制 , 风 速对 。 值有一定影响但在纺丝窗下部 , , 时 , 值主要决定于丝条本身运动速 度 , 与冷却空气速度关系较弱 。 不同商聚物对孔间距的影响 不同高聚物间物性有较大 的 差异 , 对 一一 赎 民 三 丫一召通粼 专题合成纤维 望刃年 月 值影响较大的物性参数有 , 、汤、, 因而造成 不同高聚物纺丝时 , 其熔体冷却固化长 度会 有较大差别 , 因此对喷丝微孔间距的要求也 不相同 , 设计时必须考虑此因素 , 图为不同 高聚物情况下 , 孔径与合理孔间距关系 。 纺丝速度阴 、 汇合 , 才能创造 出各丝条间较为稳定的均匀 的冷却固化条件 。 喷丝微孔合理 最小间距的确定与微 孔直径 、纺丝 速度及高聚物种类有关 。 微孔 直径越大 , 孔间距越大 纺丝速度越高 , 孔间 距越小高聚物 种类不同 , 孔间距要求有 差 异 , 在设计时必须综合考虑 。 对单丝纤度在 一 的聚醋 细旦丝纺丝时 , 常规纺喷丝板孔间距不 宜小 于 , 高速 纺喷丝板孔 间距不宜小于 。 丝粘连区域 ,考 文献 三三 一 一 、工, ,、 尸, 。, 图高聚物种类与孔间距关系 许漪合成纤维的 , 天月大学化 传递过程化学 业 出版社 , 彼列 彼尔金化学纤维成形 过 程的物理化学苹 础叨 吴

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