王寶健，黃莉茜，王學(xué)利，俞建勇b，

（東華大學(xué)a.紡織學(xué)院；b.紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；c.現(xiàn)代紡織研究院，上海 201620）

一步法POY／FDY滌綸異收縮混纖絲熔融紡絲過程數(shù)學(xué)模擬

王寶健a，b，黃莉茜a，b，王學(xué)利c，俞建勇b，c

（東華大學(xué)a.紡織學(xué)院；b.紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；c.現(xiàn)代紡織研究院，上海 201620）

根據(jù)聚合物熔融紡絲的基本原理，建立了一步法POY（預(yù)取向絲）／FDY（全拉伸絲）滌綸異收縮混纖絲熔融紡絲的數(shù)學(xué)模型，分別對(duì)POY和FDY的直徑、張力、速度、溫度、雙折射率、結(jié)晶度在紡程上的變化進(jìn)行了數(shù)學(xué)模擬.結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在紡程上POY的直徑、張力、溫度、速度變化比FDY大；POY在紡程上可以形成良好的結(jié)晶和取向，其中結(jié)晶度可達(dá)到16%，雙折射率可達(dá)到0.085，而FDY在紡程上的結(jié)晶和取向可以忽略不計(jì).研究結(jié)果可為一步法POY／FDY滌綸異收縮混纖絲的實(shí)際生產(chǎn)提供理論指導(dǎo).

一步法；異收縮混纖絲；熔融紡絲；模擬

由于滌綸預(yù)取向絲（POY）和滌綸全拉伸絲（FDY）的熱收縮率不同，使得POY／FDY滌綸混纖絲面料具有獨(dú)特的手感和風(fēng)格，被廣泛應(yīng)用于仿毛、仿真絲和高檔針織面料［1］.一步法POY／FDY滌綸異收縮混纖絲采用紡絲＋混纖一步法工藝（如圖1所示），使POY和FDY在同一設(shè)備上實(shí)現(xiàn)同步紡絲、同步卷繞.與傳統(tǒng)的兩步法（即分別紡出POY和FDY長(zhǎng)絲，然后在加彈機(jī)或合股機(jī)將POY和FDY長(zhǎng)絲復(fù)合）加工異收縮混纖絲相比，一步法工藝具有產(chǎn)量高、流程短、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定等特點(diǎn)，這是異收縮混纖絲加工技術(shù)的發(fā)展方向.

圖1 一步法POY／FDY滌綸異收縮混纖絲加工示意圖Fig.1 The process diagram of one－step process POY／FDY polyester combined yarn

在一步法POY／FDY滌綸異收縮混纖絲加工過程中，為實(shí)現(xiàn)POY與FDY同步紡絲、同步卷繞，同時(shí)達(dá)到良好的異收縮效果，必須對(duì)POY和FDY的加工參數(shù)及絲條成形過程進(jìn)行調(diào)控.在實(shí)際生產(chǎn)中，通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)主要工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，來實(shí)現(xiàn)一步法POY／FDY滌綸異收縮混纖絲的加工.但這種基于經(jīng)驗(yàn)的方法很難建立各參數(shù)與纖維結(jié)構(gòu)之間的定量關(guān)系，且耗費(fèi)大量的時(shí)間和物料.運(yùn)用數(shù)學(xué)模型對(duì)纖維成形過程進(jìn)行模擬，可定量描述纖維結(jié)構(gòu)沿紡程變化規(guī)律，并建立加工參數(shù)與纖維結(jié)構(gòu)之間的相互聯(lián)系，為加深認(rèn)識(shí)一步法POY／FDY滌綸異收縮混纖絲的加工過程及新品種開發(fā)提供指導(dǎo).

對(duì)單組分纖維熔融紡絲過程的模擬已有很多研究.文獻(xiàn)［2］系統(tǒng)探討了纖維的成形機(jī)理，并從成纖材料的流變特性、流變行為、流體動(dòng)力學(xué)，紡絲時(shí)的傳熱、傳質(zhì)、流體的固化，紡絲時(shí)纖維結(jié)構(gòu)的形成，一直到拉伸、熱處理時(shí)纖維結(jié)構(gòu)的變化和機(jī)理做了詳細(xì)的闡述，形成了系統(tǒng)的理論.文獻(xiàn)［3－5］對(duì)多束絲的熔融紡動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行研究，尤其是在冷卻過程中絲條溫度的不均勻性以及這種不均勻性對(duì)紡絲絲條質(zhì)量的影響，從而完善了熔融紡絲動(dòng)力學(xué)模型.雖然這些理論都有各自的側(cè)重點(diǎn)，但都是基于最基本的紡絲動(dòng)力學(xué)基本原理.

到目前為止，對(duì)一步法POY／FDY異收縮混纖絲的紡絲過程模擬尚未見報(bào)道.本文在滌綸熔融紡絲動(dòng)力學(xué)基本原理基礎(chǔ)上，引入纖維結(jié)晶度和取向度的變化，對(duì)一步法POY／FDY滌綸異收縮混纖絲中POY和FDY單絲的紡絲過程及纖維結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行同步數(shù)學(xué)模擬.

1 一步法POY／FDY滌綸異收縮混纖絲紡絲過程的數(shù)學(xué)模型

對(duì)于一步法POY／FDY滌綸異收縮混纖絲而言，其中POY為熔融紡絲過程，即噴絲板下方的卷繞裝置對(duì)噴絲孔吐出的熔融聚合物進(jìn)行卷繞的過程；FDY在噴絲孔與牽伸熱輥（GR1）之間為熔融紡絲過程，在牽伸熱輥（GR1）和定形熱輥（GR2）之間為牽伸過程；最后POY和FDY合并卷繞形成混纖絲，以上加工原理如圖2所示.本文首先對(duì)一步法POY／FDY滌綸異收縮混纖絲的熔融紡絲過程進(jìn)行模擬.

圖2 一步法POY／FDY滌綸異收縮混纖絲熔融紡絲、牽伸過程Fig.2 The melt spinning and drawing process of one－step process POY／FDY polyester combined yarn

聚合物熔融紡絲過程模擬的基本方程包括：連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程和本構(gòu)方程［2］.根據(jù) KASE等［6］的研究結(jié)果，當(dāng) PET（聚對(duì)苯二甲酸乙二酯）紡絲速度≤1 000m／min，采用基本方程得到的模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，但當(dāng)PET采用高速紡絲時(shí)，纖維的取向、結(jié)晶現(xiàn)象對(duì)紡絲過程影響增加.因此，本文在傳統(tǒng)熔融紡絲動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)上，考慮紡絲過程中纖維結(jié)晶度和取向度的影響，對(duì)一步法POY／FDY滌綸異收縮混纖絲中POY和FDY的熔融紡絲過程進(jìn)行模擬.采用的基本方程［7］見表1所示.

表1 POY和FDY熔融紡絲模擬的基本數(shù)學(xué)模型Table 1 The mathematical model of POY and FDY meltspinning simulation

表1中，W為聚合物的泵供量（擠出）；ρ為聚合物的密度；ρa(bǔ)為聚合物無定形區(qū)的密度 ；ρc為聚合物結(jié)晶區(qū)的密度 ；θ為聚合物的結(jié)晶度；v為軸向紡絲速度；vy為側(cè)吹風(fēng)速度；D為纖維直徑；F為紡絲張力；g為重力加速度；τf為單位面積的空氣摩擦阻力；Cf為空氣的摩擦因數(shù)；ReD為基于纖維直徑的雷諾數(shù)；h為絲條表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；ΔH為熔融熱；cp為比熱容；ts為側(cè)吹風(fēng)風(fēng)溫；x為纖維距噴絲孔的距離；t為距噴絲孔距離為x時(shí)的絲條平均溫度；η為拉伸黏度；IV為特性黏度；ρ＊和k＊分別為空氣的密度和導(dǎo)熱系數(shù)；Nu為努賽爾數(shù)；τ為松弛時(shí)間；Δn為雙折射率；E為模量；Cop為應(yīng)力光學(xué)系數(shù)；θ′為相對(duì)結(jié)晶度；k為結(jié)晶速率常數(shù)；n為Avrami指數(shù)；Kmax為最大結(jié)晶速率常數(shù)；D10為結(jié)晶動(dòng)力學(xué)半高寬；tmax為最大結(jié)晶速率溫度；f為聚合物無定形區(qū)部分的取向因子；A為一常數(shù).

2 模擬結(jié)果和討論

以徐州斯維克差別化纖維科技有限公司生產(chǎn)的72dtex／50f一步法異收縮混纖絲為例進(jìn)行模擬，其中，POY規(guī)格為48dtex／37f，F(xiàn)DY 規(guī)格為24dtex／13f，模擬所用的初始條件和工藝參數(shù)如表2所示.

表2 模擬用POY和FDY的初始條件和工藝參數(shù)Table 2 The initial conditions and process parameters for POY and FDY simulations

利用Matlab進(jìn)行PET熔融紡動(dòng)力學(xué)模擬系統(tǒng)編程，采用四階龍格－庫塔格式.計(jì)算中選用適當(dāng)?shù)牟介L(zhǎng)，再相應(yīng)地帶入初值，t（x＝0）＝t0；v（x＝0）＝v0；F（x＝0）＝F0（玻璃化溫度時(shí)的速度為紡絲速度時(shí)，噴絲口的紡絲張力），根據(jù)上述所建的模型即可求紡程上各點(diǎn)溫度、速度、張力、結(jié)晶和取向等的變化.其中有關(guān)PET的物理參數(shù)［7］見表3所示.

表3 PET的物理參數(shù)Table 3 The physical parameters of PET

續(xù) 表

對(duì)于PET纖維熔融紡絲動(dòng)力學(xué)方程中未知的參數(shù)（方程（9）中的A），采用逆向擬合的方法獲取.具體思路：在一定的紡絲條件下，將假設(shè)參數(shù)代入熔融紡絲動(dòng)力學(xué)模型中，模擬PET的紡絲動(dòng)力學(xué)，得到PET的結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)與實(shí)測(cè)的參數(shù)進(jìn)行比較，模擬所得和實(shí)測(cè)的結(jié)果相差最小時(shí)所對(duì)應(yīng)的參數(shù)，就是需要的優(yōu)化參數(shù)［8］.

本文在一定的工藝條件下測(cè)得POY集束點(diǎn)在線張力為9.2cN、結(jié)晶度為14.5%、雙折射率為0.08.逆向擬合時(shí)優(yōu)化的計(jì)算準(zhǔn)則是使模擬的POY集束點(diǎn)在線張力、結(jié)晶度、雙折射率的數(shù)值和實(shí)測(cè)的數(shù)值相差最小.計(jì)算方程為

其中：i表示POY集束點(diǎn)處的張力、結(jié)晶度或雙折射率；Xexper（i）表示i的試驗(yàn)值；Xthero（i）表示i的理論值；A為逆向擬合常數(shù).通過逆向擬合得到A＝7 000.

模擬得到滌綸POY和FDY在一步法異收縮混纖絲紡程x上的直徑、速度、張力、溫度、雙折射率、結(jié)晶度的變化分別如圖3所示.

（1）由圖3（a）可知，在紡程為0～10cm范圍內(nèi)，POY和FDY的直徑劇烈地減小，紡程到達(dá)15 cm以后，POY和FDY的直徑基本保持不變，纖維發(fā)生固化.由于POY和FDY的泵供量和紡絲速度不同，在0～15cm范圍內(nèi)，POY直徑下降更劇烈，達(dá)到最終值的位置離噴絲板更近.因此，在一步法混纖絲加工過程中，POY和FDY的集束點(diǎn)位置控制在10～15cm范圍內(nèi)較適宜.

（2）由圖3（b）可知，在紡程上POY的紡絲速度大于FDY的紡絲速度，POY和FDY紡絲速度的變化主要集中在0～15cm紡程范圍內(nèi)，且在此范圍內(nèi)POY的速度變化梯度大于FDY的速度梯度，這與圖3（a）直徑沿紡程的變化規(guī)律相一致.

（3）由圖3（c）可知，在固化點(diǎn)（紡程x＝10～15 cm位置處）出現(xiàn)之前，POY和FDY的紡絲張力變化較大，這是因?yàn)樵诠袒c(diǎn)出現(xiàn)之前，絲條受到拉伸流變力、重力和空氣摩擦阻力的作用，而在固化點(diǎn)出現(xiàn)之后，絲條在紡程上只受到重力和空氣摩擦阻力的作用，因此紡絲張力變化較小.此外，在整個(gè)紡程上POY的紡絲張力遠(yuǎn)比FDY的紡絲張力大，為使加工過程穩(wěn)定，POY和FDY在合并處張力應(yīng)平衡，需采用導(dǎo)絲盤適當(dāng)調(diào)節(jié)POY紡絲張力.

（4）由圖3（d）可知，POY在紡程上的溫度變化比FDY更加劇烈，因?yàn)镻OY的直徑在紡程上變化較為劇烈，從而使POY的比表面積變化較大，且POY的側(cè)吹風(fēng)速度較大，與周圍環(huán)境熱量交換更劇烈，使得在距離噴絲板相同位置處其溫度比FDY更低.因此，在實(shí)際紡絲過程中，應(yīng)更注意POY側(cè)吹風(fēng)的控制.

（5）由圖3（e）與3（f）可知，POY在紡程上可形成較高的結(jié)晶和取向，結(jié)晶度達(dá)到16%左右，雙折射率達(dá)到0.085左右，這是因?yàn)镻OY在高速紡絲下，熔體的伸長(zhǎng)流動(dòng)更易引起大分子的取向，因此POY更容易形成較高的取向度，而較高的纖維大分子取向度可顯著提高纖維的結(jié)晶速率［9－10］.FDY在本文模擬的紡程上基本沒有產(chǎn)生結(jié)晶和取向結(jié)構(gòu)，這有利于后面的熱輥牽伸過程，并且該模擬結(jié)果與文獻(xiàn)［6］報(bào)道一致.

3 結(jié) 語

本文對(duì)一步法POY／FDY滌綸異收縮混纖絲熔融紡程上的纖維直徑、張力、速度、溫度、結(jié)晶度、取向度進(jìn)行了數(shù)學(xué)模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在紡程上POY的直徑、張力、溫度、速度變化比FDY大，POY在紡程上可以形成良好的結(jié)晶和取向，而FDY在紡程上的結(jié)晶和取向可以忽略不計(jì).本文的模擬研究可為一步法POY／FDY滌綸異收縮混纖絲的紡絲加工過程提供指導(dǎo).

參 考 文 獻(xiàn)

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Mathematical Simulation on Melt－Spinning of One－Step Process POY／FDY Polyester Combined Yarn

WANGBao－jiana，b，HUANGLi－qiana，b，WANGXue－lic，YUJian－yongb，c，
（a.College of Textiles；b.Key Laboratory of Textile Science ＆Technology，Ministry of Education；c.Modern Textile Institute，Donghua University，Shanghai 201620，China）

According to the basic principle of polymer melt－spinning，the mathematical model of meltspinning of one－step process POY （pre－oriented yarn）／FDY （fully draw yarn）polyester combined yarn was established and the evolutions of the diameter，tension，velocity，temperature，birefringence and crystallinity of POY and FDY on the spinning process were simulated.It was founded that the diameter，tension，temperature and velocity of POY changed more violently than those of FDY.POY can form a good degree of crystallinity and orientation which can be up to 16%and0.085 separately，while those of FDY can be neglected.The studies can provide theoretical guidance to the practical production of onestep process POY／FDY polyester combined yarn.

one－step process；differential shrinkage combined yarn；melt－spinning；simulation

TQ 342.21

A

1671－0444（2012）06－0660－05

2011－09－30

江蘇省科技成果轉(zhuǎn)化專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（BA2009046）

王寶?。?986—），男，山東聊城人，碩士，研究方向?yàn)橐徊椒≒OY／FDY滌綸異收縮混纖絲紡絲牽伸理論及工藝.E－mail：wangbaojian＠m(xù)ail.dhu.edu.cn

黃莉茜（聯(lián)系人），女，副教授，E－mail：hlqian＠dhu.edu.cn