聚丙烯腈溶液干噴濕紡擠出動力學模型優(yōu)化與計算.pdf

1、離子液體作為聚丙烯腈（PAN）的新溶劑，近年來在研究領域取得了一定進展，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，啟示我們有必要細致研究其紡絲成形動力學，為以離子液體為溶劑制備 PAN纖維的工程化提供基礎依據。
　　首先，為獲取動力學模擬計算的動力學參數，分別通過體積膨脹測

2、量法和差示掃描量熱法（DSC）測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系式。在線測量了絲條直徑、溫度在空氣段的變化，通過逆向擬合的方法建立了傳熱系數與絲條速度、截面面積的關系式。
　　通過實驗與計算相結合的方法，建立了PAN/[BMIM]Cl溶液干噴濕紡的擠出拉伸動力學模型。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，建立了剪切流動和拉伸流動的本構方程，通過溶液粘彈性對溫度的依賴性，建立了流變參數與溫度的關系式。忽略表面張力和空氣摩擦力，建立了動量方程。忽略相變生熱，建立了能量方程。基于在線檢測的溶液干噴濕紡過程中絲條溫度、直徑沿紡程的變化，對所建立的動力學模型進行了驗證。結果發(fā)現，廣義牛頓模型不能準確預測擠出脹大現象，難以準確反映紡絲流體強烈的彈性行為；初始邊界條件設置在噴絲孔出口處時，由于

4、沒有考慮溶液在噴絲孔內的剪切和拉伸流動行為，完全不能預測擠出脹大現象；采用 PTT粘彈模型并將初始邊界條件設置在噴絲孔入口處則能較好的預測聚合物溶液的擠出脹大現象，并且絲條直徑和溫度的模擬計算值與實驗值相吻合，采用該模型，不僅能夠模擬紡程上絲條沿軸向的各個物理場的變化，而且能模擬其徑向變化，從二維空間說明引起絲條形態(tài)結構變化的動力學因素。
　　在動力學模型優(yōu)化的基礎上，改變噴絲板參數（長徑比、入口角）與紡絲工藝（凝固浴拉伸速度、空

5、氣段長度）進行模擬計算，結果發(fā)現，噴絲板參數主要影響溶液在噴絲孔內的流動狀態(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。噴絲孔長徑比越大，紡絲液流經噴絲孔的總壓力降越大，能量損失越高，擠出脹大現象減弱；噴絲孔入口導角減小，可以有效消除收縮流動處的渦流，同時可以減弱擠出脹大比，但是會增大壓力降。沿紡程的徑向模擬結果顯示，溫度場、速度場、應力場都存在皮芯差異，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