基于POLYFLOW模擬不同微孔形狀及拉伸速率的共擠出流動

劉娜娜，甘學(xué)輝，陳 淮，王 磊，劉 冰

(東華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海201620)

基于POLYFLOW模擬不同微孔形狀及拉伸速率的共擠出流動

劉娜娜，甘學(xué)輝，陳 淮，王 磊，劉 冰

(東華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海201620)

以聚酰胺6(PA6)和聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)兩種聚合物為原料，應(yīng)用POLYFLOW軟件模擬并列型PA6/PET熔體共擠出過程的現(xiàn)象，討論了2種熔體在不同入口角、不同長徑比的微孔結(jié)構(gòu)下的擠出脹大比的變化規(guī)律。結(jié)果表明:長徑比較小時，入口角對擠出脹大比有一定的影響;長徑比較大時，入口角對擠出脹大比幾乎沒有影響;隨著長徑比的增加，擠出脹大比逐漸減小。隨著拉伸速率的增加，擠出脹大比減少;拉伸速率過大時，容易產(chǎn)生熔體破裂，因此，適當(dāng)?shù)睦焖俾士梢詼p小擠出脹大比。

聚己內(nèi)酰胺 聚對苯二甲酸乙二醇酯 擠出脹大比 數(shù)值模擬 拉伸速率

共擠出成型是通過組合兩種或多種不同的熔體流共同擠出得到的，產(chǎn)品充分發(fā)揮各組分材料的特性的成型加工方法。目前針對共擠出的研究很多，主要集中在兩熔體界面的形狀和穩(wěn)定性方面，共擠出聚合物的脹大問題，除包含自由脹大表面外還包含兩種流體之間的界面的變化，使求解更為復(fù)雜［1］。

由于聚己內(nèi)酰胺(PA6)纖維具有斷裂強(qiáng)度高，耐腐蝕性好等特點(diǎn)，其應(yīng)用廣泛，但PA6纖維模量低、易伸長尺寸穩(wěn)定性較差，而滌綸模量比PA6纖維高2～3倍［2］，尺寸穩(wěn)定性也高于 PA6纖維。因此通常在PA6切片中加入一定量的聚酯(PET)切片進(jìn)行熔融紡絲改性。

研究者發(fā)現(xiàn)具有并列型復(fù)合結(jié)構(gòu)的纖維在獲得永久卷曲性效果的同時，賦予纖維良好的彈性［3］。作者基于POLYFLOW軟件對圓形微孔的共擠出進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了并列型PA6/PET熔體從圓形微孔中擠出時的流動狀態(tài)。界面不穩(wěn)定性和離模膨脹是影響共擠出成型制品性能的重要因素，研究過程中參數(shù)的變化對擠出脹大的影響具有重要的研究價值［4］。其中主要研究了噴絲微孔的結(jié)構(gòu)對擠出脹大比的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 理論模型的建立

1.1.1 控制方程

為了簡少計算量，對高聚物熔體的穩(wěn)定流動做以下假設(shè):1)熔體為不可壓縮的非等溫穩(wěn)態(tài)層流;2)熔體在流道壁上為無滑移流動，即其各個速度分量為零;3)由于聚合物的高粘性，忽略慣性力和質(zhì)量力對流動的影響;4)流體在口模內(nèi)流動為完全發(fā)展流?；谝陨霞僭O(shè)，聚合物流動的控制方程形式如下。

式中:V為速度矢量;ρ為密度;τ為應(yīng)力張量;p為壓力;T為流體溫度;Cp為定容比熱;q為導(dǎo)熱通量向量;▽為微分算子。

聚合物熔體流動本構(gòu)方程采用Phan-Thien-Tanner(PTT)粘彈性本構(gòu)模型［5］:

式中:τ1，τ2分別為上、下隨流時間導(dǎo)數(shù);ε，ξ分別控制材料的拉伸性能和剪切性能;η為黏度;λ為松弛時間;D為形變速率張量。

在該模擬中PA6，PET所需模擬參數(shù)如表1所示。

表1 模擬參數(shù)Tab.1 Simulated parameters

1.2 幾何模型的建立

采用圓形微孔口模實(shí)體模型如下圖1a所示，共擠出口模分為口模內(nèi)流動區(qū)域(長度0.6 mm)和離模膨脹區(qū)域(長度10 mm)，圓形截面的直徑為0.3 mm。采用正六面體最小單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其網(wǎng)格模型如圖1b所示。

圖1 數(shù)值模擬模型的建立Fig.1 Numerical simulation model

1.3 邊界條件

1)BS1:入口流量(Q)為 20 mm3/s;BS2:Q為20 mm3/s。

2)BS3，BS7:法向速度(Vn)等于切向速度(Vs)，均為0，絕熱力界。

3)兩熔體的界面:Interface運(yùn)動學(xué)條件為在界面上速度場是連續(xù)的，即熔體流動沒有穿透界面，界面上兩種熔體的切向速度相等;動力學(xué)條件為界面兩側(cè)的切向應(yīng)力和法向應(yīng)力是連續(xù)的，即兩側(cè)的應(yīng)力張量相等。

4)BS4，BS6:脹大表面上必須同時滿足速度邊界條件和應(yīng)力邊界條件，即Vn為0，法向應(yīng)力(fn)為0，切向應(yīng)力(fs)為0。

5)BS5:不考慮牽引速度的影響，即fn等于fs，為0。

6)迭代方法［6］:為了減少計算量，壓力和應(yīng)力采用線性迭代，黏度采用Picard迭代，速度采用Mini-element迭代。

2 結(jié)果與討論

2.1 熔體出入口處的速度等值線圖分布

從圖2可以看出，在出口處的速度最大值出現(xiàn)在熔體黏度較小的PET一側(cè)，符合黏度小的熔體逐漸包裹黏度高的熔體的趨勢這一規(guī)律，界面向黏度較高的熔體一側(cè)偏移。

圖2 熔體出入口處的速度等值線圖分布Fig.2 Melt inlet and outlet velocity equivalent value line map

2.2 微孔結(jié)構(gòu)對擠出脹大比(B)的影響

熔體在收斂流道中流動時會受到拉伸流動，會導(dǎo)致強(qiáng)烈的入口彈性效應(yīng)，在不同的微孔長徑比(L/D)和不同的入口角(α)的情況下對B的影響也不同。

從圖3可以看出，B隨著L/D的增加而下降，當(dāng)L/D較小時，α的大小對B有一定的影響，α小于45°時，B較小;α大于60°時，B較大，但是在這一范圍內(nèi)α的變化對擠出脹大的影響很小;隨著微孔的L/D的增加，α的大小對B的影響變得很不明顯，即α對擠出脹大的影響隨著L/D的增大而逐漸消失。

圖3 在不同L/D下的α對B影響Fig.3 Effect of α on B at different L/D

2.3 拉伸速率(v)對B的影響

從圖4可以看出:隨著v的增加，B減小，并且由擠出脹大變?yōu)閿D出收縮;但是隨v的增加，熔體沿擠出方向的速度梯度也會增加，當(dāng)v過大時，會使擠出流動變得不穩(wěn)定，很容易產(chǎn)生熔體破裂等現(xiàn)象，會影響產(chǎn)品的質(zhì)量。因此要將v控制在適合的范圍內(nèi)，以滿足產(chǎn)品的性能要求。

圖4 不同v對B的影響Fig.4 Effect of v on B

3 結(jié)論

a.B隨著L/D的增加而減小，當(dāng)L/D較小時，微孔α對B有一定的影響，當(dāng)L/D較大時，微孔α對B幾乎沒有影響。

b.隨著v的增加，B減小;但是當(dāng)v過大時，會使擠出流動變得不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生熔體破裂等現(xiàn)象，因此要適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)v的大小。

［1］張敏，孫勝，賈玉璽，等.聚合物共擠出過程的擠出脹大有限元分析［J］.高分子材料科學(xué)與工程，2006，22(5):36 －39.

［2］薛芳峰，胡永笑，付洪波，等.PA6/PET切片熔融共混紡絲工藝介紹［J］.合成纖維，2009，38(11):44 －46.

［3］張大省，王銳.超細(xì)纖維生產(chǎn)技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京:中國紡織出版社.2007:93－95.

［4］紀(jì)占國.分層界面滑移對聚合物共擠成型過程影響的數(shù)值模擬研究［D］.南昌:南昌大學(xué)，2008.

［5］Simhambhatla M，Leonov A I.On the rheological modeling of viscoelastic polymer liquids with stable constitutive equations［J］.Rheol Acta，1995，34(3):259 －273.

［6］黃樹新，魯傳敬.基于Cross方程的IUPAC-LDPE熔體擠出脹大的數(shù)值模擬［J］.水動力學(xué)研究與進(jìn)展，2007，6(22):677－681.

POLYFLOW simulation of co-extrusion flow under different micropore shape and stretching rate

Liu Nana，Gan Xuehui，Chen Huai，Wang Lei，Liu Bing
(College of Mechanical Engineering，Donghua University，Shanghai201620)

The co-extrusion process of side-by-side polyamide 6(PA6)/polyethylene terephthalate(PET)melt was simulated with POLYFLOW software.The change law of the die swell ratio of these two melts was discussed under the microhole structure with different inlet angle and length-diameter ratio.The results showed that the inlet angle had a certain effect on the die swell ratio at lower length-diameter ratio，but had little effect on the die swell ratio at higher length-diameter ratio;the die swell ratio gradually decreased with the increase of length-diameter ratio or tstretching rate;and melt fracture easily occured at extremely high stretching rate，so a rational stretching rate should be controlled to decrease the die swell ratio.

polycaprolactam;polyethylene terephthalate;die swell ratio;numerical simulation;stretching rate

TQ340.642

A

1001-0041(2012)05-0062-04

2011-11-01;修改稿收到日期:2012-06-13。

劉娜娜(1986—)，女，碩士研究生，從事新型紡織機(jī)械研究。E-mail:liunana19861006@163.com。

上海市教育委員會科研創(chuàng)新重點(diǎn)項(xiàng)目(12ZZ066);高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(20100075120011);中國紡織工業(yè)協(xié)會指導(dǎo)性計劃項(xiàng)目(2011149);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助。