论文摘要
根据纤维具体纺丝成形机理及纺丝成形基本数学模型,结合纺丝实验结果,唯象研究高聚物在快速形变过程中的流动特征及取向、结晶机理,拟合优化模型参数,建立更广义的纤维纺丝成形数学模型。设计不同工艺路线,研究工艺参数对纤维成形机理的影响,进一步验证模型及其参数的合理性,从而将模型用于指导新材料、新工艺、新产品的研制与开发。除此之外,将传统的熔融纺丝方法引入到聚合物光学材料的生产,探讨光学材料熔融纺丝最优工艺,并初步加工了几种简单的聚合光学材料,为工业化低成本生产聚合光子晶体纤维提供指导。首先,针对目前的模型依据的试验数据重复性差,缺少系统性,用于模拟的研究体系少,模型参数也不完整的实际,提炼了可用于一般熔融纺丝加工的含有未知模型参数的基本模式模型,并依据较易得到的产品最终性能的试验数值,利用逆向拟合方法得到未知的模型参数,完善模型,并利用所建立的完整的模型,指导实际生产。以模型参数较完整的聚对苯二甲酸乙醇酯（PET）为例,采用四阶龙格一库塔（Runge-Kutta）法模拟PET的熔融纺丝动力学过程,求取纺线上各点盈度、速度、张力、结晶、取向变化以及径向温度、取向的分布,为基本唯象动力学模型的具体应用奠定基础。其次,将基本的熔融纺丝唯象动力学模型拓展应用到聚对苯二甲酸丙二醇酯（PTT）及各种异形纤维的熔融纺丝加工中。基于前人对PTT的研究,得到PTT已知的物性参数,并利用逆向拟合的方法取得未知的PTT物性参数如应力光学系故,结晶诱导取向系数。模拟PTT的熔融纺丝过程,探讨纺丝工艺条件对圆形PTT的结构性能的影响,推导PTT凝固点位置的计算公式,改变了由于某些PTT物性参数的未知性而无法对PTT熔融纺丝进行模拟的现状。工业化生产圆形截面3.30dex的PTT短纤维,缓和的控制纺丝计量泵泵供量、纺丝温度、环吹风温蔓、牵伸比等工艺条件,以利于PTT原丝的取向度和结晶度缓慢增长。最佳的加工工艺为:计量泵泵供量770g/min,纺丝温度250-253℃,环吹风温度25℃,卷绕速度1100-1130m/min,牵伸比1.02。开发生产的PTT短纤维,质量指标优良、稳定,纤维断裂强度高、断裂伸长率大、纤维弹性回复性优良,是国内目前日口质较好的棉型PTT短纤维。与此同时,利用单位时间内由于表面积的减少所引起的能量差与系统内伴随流动过程而散逸的能量相等的关系,引进由喷丝孔形状所决定的形状系数C及考虑到膨化效应的补正系数G,建立异形纤维纺丝动力学模型,模拟异形度在纺程上的变化,探讨并验证了各纺丝条件对于异形度的影响,首次分析了不同空间位置的丝条的异形度以及凝固点的差异。工业化生产了三叶形、三角形、十字形、双十字形、U字形、王字形聚酯短纤及长丝,并以U字形涤纶长丝为例,介绍新产品开发的具体方案及产品性能分析及应用情况。所加工的U形长丝截面外观轮廓呈不规则状,使织物有蓬松感,改善了光泽效应和手感,提高了织物吸湿性、透气性及抗起毛起球性。设计生产的棉盖涤织物,经检测具有显著的抗起毛起球性,良好的坚牢性,优越的耐洗色牢度、耐汗渍色牢度及耐摩擦色牢度及优良的舒适性和卫生性。再次,结合熔融纺丝基本唯象动力学模型,逆向拟和方法,仪征化纤厂的设备及工艺状态以及试验测试数据,得到涤纶短纤维纺丝工程计算机仿真系统。针对熔体从交接点到喷丝孔的实际输送流程及各单元的结构特性,将熔体输送的仿真模拟分解为管道输送模型、增压泵模型、过滤器模型、静态混合器模型、计量泵模型、纺丝组件模型等。在每个单元模型中,根据稳态流体流动的原理,建立了熔体输送过程中熔体停留时间、压力降、温升和熔体热降解（粘度降）模型,并通过计算分析了交接点的熔体流量、特性粘度、压强、温度、大小循环热媒的温度对熔体停留时间、压力降、温升和熔体粘度降的影响,并获得相应的权重因子。熔体输送过程模拟显示温度升高主要集中在增压泵、熔体过滤器及纺丝箱体内的计量泵、纺丝组件、喷丝孔处,这些地方流动阻力大,压强下降明显;熔体压强增加主要由增压泵和计量泵提供,压强降主要集中在纺丝箱体内;粘度降主要集中在管道及熔体过滤器等停留时间长、温度高处.在保证产品强度的基础上,采用较低特性粘度,较低熔体温度,较高的压力,增加产能对粘度降下降有利;熔体停留时间主要受熔体输送能力的影响,其它变量对熔体停留时间影响较小,可以忽略不计。熔体输送能力增加,熔体在管道内的停留时间呈一阶指数形式下降。在纺丝过程中,基于丝条周围冷却环吹风微单元区域的物料衡算与热量衡算,建立了冷却吹风的风速、风温分布模型,并将其与单丝模型进行耦合,首次建立适合工程模拟的涤纶短纤维复丝模型。并通过复丝模型的模拟研究了不同层丝条的纺丝速度、丝条温度、丝条周围风速、丝条周围风温等随着纺程的变化规律。探讨了工艺过程条件、结构和材料性能的基本关系,取样测试了丝束的取向度与原丝倍半伸长率,通过数据拟合得到两者的指数关系。并通过两者的关系建立起了计算机模拟与工程进行比较的桥梁。结合仪征化纤60吨/日半敞开式外坏吹和165吨/日密闭式外环吹的纺丝装置的设备参数及生产棉型短纤维的实际纺丝条件,利用计算机进行模拟计算,形成涤纶短纤维纺丝工程计算机仿真系统。所编制的系统仿真软件可以动态仿真显示熔体在输送管道中的流动状态,全流程预测及显示熔体在经过主要设备前后的熔体温度、压力及熔体特性黏度等参数;计算正常生产过程中,不同负荷下熔体主要质量指标的变化,得到各运行参数对主要质量指标影响的关系,确定最佳工艺组合;模拟不同条件下原丝的质量指标,指导工艺优化和品种开发,预测装置最大产能。计算机仿真系统模拟计算值与生产工艺实际值误差精度控制在10%以内。最后,利用自制的多孔喷丝板及纺海岛纤维并溶去“岛”组分加工生产多孔中空,且引入不同折射率的光学材料纺制海岛纤维。多孔喷丝板纺制多孔中空光学纤维,此方法需要精密的喷丝板加工技术,可加工性及光学性能好的材料及合理的纺丝初始条件特别是吹风条件的良好结合。纺制多孔聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）光学材料,最佳纺丝温度为210-215℃,最佳的纺丝速度200-300m/min,最多可纺的孔数为15孔。并引入日本Kuraray公司开发的Exceval作为可水溶移除的岛（芯）组分,改性的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PETG）作为海（皮）组分,在225℃最优纺丝温度下,纺制皮芯及海岛长丝。Exceval的水解温度应不低于95℃以保证相对低的残余率。皮芯长丝在95℃的热水中6小时,芯层基本溶解,存在的主要问题是溶解温度超过皮层PETG的玻璃转变化温度,皮层发生了较大的变形,部分没有溶解的PVA,仍然留在孔内,而且在同一根纤维的不同部分,溶解程度也存在很大的差别。Exeeval的高流动系数及喷丝微孔的分布,使得海岛纤维的岛组分几乎接近于海的边缘,致使溶解后的纤维的无法保持基本原型,外围结构塌陷。解决的方法主要是选用低温可溶解且能从光学材料的侧面透出的水溶性材料,降低皮层变形,改善纤维的性能,对于海岛长丝还需设计合理的海岛喷丝板,增大外围海组分的厚度,保持溶解后的海岛纤维的基本骨架结构。ESTAMAN的改性聚酯AQ55S单丝在较低的温度下（一般是60-80℃）,短时间内就能很好的分散在水中并具有较宽的加工范围及熔融可纺性能,是Exeeval极佳的替代品,在低于玻璃化转变温度下（70℃）,PETG/AQ55S皮芯长丝只能部分溶解,而在90℃的热水中,除了少量杂质及异常丝条外,绝大部分已溶解。在同样的加工条件下纺制了PETG/AQ55S海岛长丝外层岛部分溶解,而内层的AQ55S在短时间内仍然无法透出,因而聚合加工极佳的集水溶性及熔融纺丝性能为一体的新型材料,是溶解法加工多孔光学长丝的唯一出路。同时,以折射率为1.57的PETG为岛（芯）,折射率为1.49的L40（PMMA）为海（皮）,在220℃的纺丝温度下,加工不同比例的L40/PETG皮芯及海岛纤维。利用Infrared Thermometer测得皮芯纤维最长的光传输距离为55cm,短于25cm的样品,光大部分可以通过,而海岛纤维光大部分仅可以通过短于10cm的样品。利用不同折射率的材料熔融纺制光学纤维,所得的光的传输距离较短,主要原因是选用的单组分材料经过熔融纺丝所得的丝条本身的光传输距离的限制。要提高光传输距离,最有效的方法是设计直径较粗的喷丝板及强冷装置,快速冷却丝条,并经多级低温缓慢牵伸,得到所需的直径的光学纤维。
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