紡絲組件中多孔介質(zhì)對(duì)PA6熔體流動(dòng)性能的影響

甘麗華，李 健，唐兵兵，韓 娜，李 鑫

(1.天津工業(yè)大學(xué)改性與功能纖維天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300387;2.中國(guó)紡織科學(xué)研究院生物源纖維制造技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100025)

紡絲組件是紡絲技術(shù)中的關(guān)鍵設(shè)備，組件內(nèi)的金屬砂、金屬網(wǎng)等在熔體過濾、均化、增壓等方面起著關(guān)鍵作用，對(duì)微細(xì)旦、多孔數(shù)纖維均勻性和紡絲過程穩(wěn)定性的影響尤為重要。金屬砂、金屬網(wǎng)本質(zhì)上是多孔介質(zhì)。

對(duì)多孔介質(zhì)中流體流動(dòng)的研究，多用平行管束模型表征多孔介質(zhì)中非牛頓流體的滲流問題。修正后的Darcy方程能夠較好描述非牛頓流體流動(dòng)阻力特性，但用于粘彈性流體時(shí)，出現(xiàn)較大的偏差，這主要是由于沒有考慮到流道直徑的變化，只計(jì)算了純剪切流動(dòng)，忽視了拉伸流動(dòng)和瞬態(tài)粘彈行為的作用。聚合物熔體即使在流速很低的情況下也表現(xiàn)出粘彈性，對(duì)熔體在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)性能有著重要影響，需要在流動(dòng)方程中添加慣性損耗來描述由彈性作用引起的壓力損失［1］。

作者以聚己內(nèi)酰胺(PA6)熔體為研究對(duì)象，采用增加了金屬過濾砂的毛細(xì)管流變儀，研究了多孔介質(zhì)目數(shù)和表觀流速對(duì)PA6熔體流動(dòng)阻力的影響規(guī)律，對(duì)于新型紡絲組件的開發(fā)、高品質(zhì)和超細(xì)旦PA6纖維的開發(fā)具有指導(dǎo)作用。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料及儀器

PA6切片:相對(duì)黏度為2.54，纖維級(jí)，錦江科技有限公司產(chǎn)，經(jīng)115℃真空干燥10 h用于測(cè)試;不同過濾精度金屬砂:其目數(shù)相對(duì)應(yīng)的平均粒徑(D)如表1所示，億帝化纖科技有限公司產(chǎn)。

表1 不同目數(shù)濾砂對(duì)應(yīng)的粒徑Tab.1 Particle size of filter sand with different mesh

Rheograph 25型毛細(xì)管流變儀:德國(guó)Gottfertt公司產(chǎn);模擬組件:砂腔直徑(d)為15 mm，高度(h)為35 mm，噴絲板及分配板孔徑均為1 mm，自制模擬組件見圖1。

圖1 模擬組件結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Simulation schematic diagram of spinning pack

1.2 實(shí)驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)處理

采用毛細(xì)管流變儀及配套模擬組件，實(shí)驗(yàn)流速為0.03 ～0.90 mm/s，5 種不同精度過濾砂實(shí)驗(yàn)溫度為265℃，其中選用60～80目過濾砂分別在255，265，275 ℃熔融5 min后，開始實(shí)驗(yàn)。

利用模擬組件入口處的壓力傳感器，測(cè)定熔體流動(dòng)時(shí)的壓力。未裝填金屬砂的不同流速下熔體壓力值為P1，在不同過濾精度金屬砂的實(shí)驗(yàn)中控制裝砂高度為10 mm，壓力傳感器測(cè)得不同流速下的壓力值為P2，可以通過壓力差來表示熔體在通過多孔介質(zhì)流動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的壓力增加值(△P)，即:

根據(jù) Forchheimer方程［2］有:

慣性損耗所占比例(W)定義為非Darcy項(xiàng)在總△P中所占的百分比。

2 結(jié)果與討論

2.1 △P與V的關(guān)系

從圖2可看出:熔體表觀流速為0.03～0.90 mm/s時(shí)，PA6熔體流動(dòng)△P隨V增加而增大;不論金屬砂粒徑大小，隨著V的增加，PA6熔體在多孔介質(zhì)中流動(dòng)所產(chǎn)生的△P都增大，這與牛頓流體和非牛頓流體中的一般粘性流體的流動(dòng)規(guī)律是相符的［3］。同時(shí)，PA6為粘彈性流體，除具有粘性外，還具有彈性，這是由PA6分子的多分散性決定的。在通過多孔介質(zhì)微細(xì)通道，尤其是孔徑復(fù)雜變化的微細(xì)通道時(shí)，PA6分子及其鏈段在拉伸流場(chǎng)中發(fā)生取向，此時(shí)所需能量轉(zhuǎn)化儲(chǔ)存為彈性能，從△P的角度則體現(xiàn)為彈性損耗。并且這種彈性損耗會(huì)隨著V的增加，即拉伸流場(chǎng)的增強(qiáng)而逐漸增加，最終也導(dǎo)致 △P隨V的增加而增加［4－5］。在同一V下，過濾精度高的多孔介質(zhì)比過濾精度低的介質(zhì)產(chǎn)生的△P高，這主要因?yàn)檫^濾精度高的介質(zhì)孔隙直徑相對(duì)較小，空隙彎曲，迂曲度大，熔體在其孔隙中流動(dòng)時(shí)，不但與孔道表面產(chǎn)生很強(qiáng)相互作用力，而且運(yùn)動(dòng)軌跡延長(zhǎng)，介質(zhì)對(duì)熔體流動(dòng)的阻礙作用大，相應(yīng)的△P較大。

圖2 不同過濾介質(zhì)下PA6的△P與V的關(guān)系Fig.2 Relationship between △P and V of PA6 through different filter media

圖2中實(shí)線是按照Forchheimer方程擬合的曲線。1#，2#，3#，4#，5#過濾金屬砂的擬合方程及相關(guān)系數(shù)(R)分別如下:

由擬合結(jié)果可以看出，各曲線擬合的R2均大于0.997，F(xiàn)orchheimer方程可以較好地描述PA6熔體在多孔介質(zhì)中流動(dòng)時(shí)△P與V的關(guān)系。

2.2 D對(duì)β的影響

根據(jù)實(shí)驗(yàn)所測(cè)數(shù)據(jù)△P與V關(guān)系，根據(jù)式(2)，即Forchheimer方程擬合，取ρ為970 kg/m3，△n為0.01 m，μ 為138 Pa·s，可求得1/k，β。

從圖3可以看出，隨著多孔介質(zhì)D的減小，1/k及β均增大，并且β較1/k大2個(gè)數(shù)量級(jí)，這主要因?yàn)楫?dāng)多孔介質(zhì)粒徑減小時(shí)，相互之間堆積越緊密，給熔體流動(dòng)留下的自由空隙減小，此時(shí)熔體分子通過多孔介質(zhì)時(shí)受到的拉伸收斂作用越強(qiáng)，從而使得β增加;并且金屬砂粒徑越小，比表面積越大，與熔體相互作用面積越大，由粘性產(chǎn)生阻力越大，從而使1/k隨粒徑的減小而增加，如式(2)所示。說明當(dāng)熔體通過多孔介質(zhì)的V足夠大時(shí)，△P中由彈性效應(yīng)所引起的慣性損耗比粘性所引起的粘性損耗所占比例增加幅度更為顯著，導(dǎo)致慣性損耗隨著V的增加在總的△P所占比例增加。

圖3 1/k及β與D的關(guān)系Fig.3 Relationship between 1/k or β and D

2.3 溫度對(duì)β的影響

從圖4可知，隨著溫度的升高，1/k與β都減小。并且 β的減小幅度比1/k的減小幅度大70%，說明β比1/k對(duì)溫度更為敏感。這主要因?yàn)镻A6熔體的黏度隨著溫度的升高而降低，所以1/k隨溫度的升高而減小;溫度越高，PA6分子及其鏈段越容易自由運(yùn)動(dòng)，在多孔介質(zhì)孔隙中受到拉伸作用產(chǎn)生的取向越容易發(fā)生解取向，此時(shí)所需轉(zhuǎn)化為彈性能的能量就減少，從△P的角度則體現(xiàn)為彈性損耗下降，表現(xiàn)為β減小。

圖4 1/k和β與溫度的關(guān)系Fig.4 Relationship between 1/k or β and temperature

2.4 粘性損耗與慣性損耗分析

在整個(gè)熔體滲流過程中，粘性損耗和慣性損耗在△P中所占百分比例都隨熔體流動(dòng)速度的變化而變化。從圖5可知，隨著PA6熔體V的增加，不同過濾精度的多孔介質(zhì)中由彈性引起的W都增加，增加幅度為10.7% ～22.9%;并且過濾精度越高，增加幅度越明顯。這主要由于隨著V的增加，PA6分子及鏈段在多孔介質(zhì)中流動(dòng)時(shí)受到拉伸引起的彈性效應(yīng)所儲(chǔ)存的能量來不及釋放，導(dǎo)致W逐漸增加;并且隨著多孔介質(zhì)過濾精度的增加，流道空隙減小，熔體流動(dòng)軌跡更加曲折，使熔體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生更多的拉伸收斂，從而W增加更明顯。然而，在整個(gè)流動(dòng)過程中，由彈性作用而引起的W為0.75% ～30.6%。由此可知PA6熔體在多孔介質(zhì)中流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的△P主要來自粘性損耗。

圖5 W與V的關(guān)系Fig.5 Relationship between W and V

3 結(jié)論

a.PA6熔體通過多孔介質(zhì)流動(dòng)時(shí)，△P隨著V與過濾砂精度的增大而增加。

b.PA6熔體通過多孔介質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)函數(shù)中△P與V關(guān)系能夠用Forchheimer方程較好地描述，在溫度為265℃時(shí)，β比1/k大2個(gè)數(shù)量級(jí);并且1/k與β都隨著溫度的升高而減小。

c.PA6熔體通過多孔介質(zhì)時(shí)，△P主要來自粘性損耗，但隨著V的增加，由彈性引起的慣性損耗增加，過濾精度越高，這種增加越明顯。

［1］ Venkataraman P，Rao P R M.Validation of Forchheimer's law for flow through porous media with converging boundaries［J］.J Hydraul Eng，2000，126:63 －71.

［2］ Whitaker S.The Forchheimer equation:A theoretical development［J］.Trans Porous Media，1996，25(1):27 －61.

［3］ Nided D A，Bejan A.Convection in porous media［M］.New York:Springer Velag Inc，1999:124 －145.

［4］ 許元澤.高分子結(jié)構(gòu)流變學(xué)［M］.成都:四川教育出版社，1990:187－206.

［5］ Bird R B，Dotson P J，Johnson N L.Polymer solution rheology based on a finitely extensible beads-spring chain model［J］.J Non-Newtonian Fluid Mech，1980，7(2/3):213 －235.