聚乙烯醇水溶纖維干法紡絲成形模擬

王建銓， 吳津田， 劉鵬清， 葉光斗， 徐建軍

(四川大學 高分子材料工程國家重點實驗室， 四川 成都 610065)

聚乙烯醇水溶纖維干法紡絲成形模擬

王建銓， 吳津田， 劉鵬清， 葉光斗， 徐建軍

(四川大學 高分子材料工程國家重點實驗室， 四川 成都 610065)

通過建立順流式干法紡絲一維模型，加入甬道溶劑平衡方程，結合順流干燥的工藝特點修正動量平衡方程，對聚乙烯醇(PVA)紡絲線的溶劑含量、溫度、速度、張力分布進行計算機模擬，預測了不同紡絲工藝對紡絲過程的影響。結果表明：絲條在閃蒸后處于濕球溫度的平衡階段較長，絲條溶劑含量是控制絲條溫度變化的主要因素；在紡絲速度較低的情況下，噴絲頭處張力最大；增加甬道風速不利于紡絲速度的提高；增加卷繞速度有利于纖維干燥成形。

聚乙烯醇纖維; 干法紡絲; 紡絲動力學; 計算機模擬

聚乙烯醇(PVA)纖維是合成纖維主要品種之一，早在1924年德國Hermann和Haehnel就將聚醋酸乙烯醇解制得聚乙烯醇，隨后又以其水溶液干法紡絲制得纖維。目前聚乙烯醇纖維主要有濕法、干法、凝膠法3種紡絲方法，干法紡絲以其工藝流程短、環保等優異特點而被用來生產聚乙烯醇水溶長絲和其他多功能性或差別化聚乙烯醇纖維[1]。干法紡絲過程較復雜，紡絲原液經噴絲孔擠出后在紡絲甬道中有拉伸流動, 絲條在干燥凝固成形的過程中伴隨著傳熱和傳質。Ohzawa等[2-3]曾對聚乙烯醇等幾種干紡體系進行模擬，Sano Y[4]基于紡絲工藝對聚乙烯醇干紡體系進行了較準確的數學模擬，并對絲條徑向濃度分布進行了研究。但已報道的干法紡絲文獻都采用逆流式進行模擬，而順流式干法紡絲纖維成形較緩和，更有利于生產聚乙烯醇水溶長絲[1]。本文通過建立一維順流式干法紡絲模型， 從理論上研究了絲條凝固成形過程中速度、濃度、溫度、張力的分布規律。

1 干法紡絲動力學模型的建立

1.1 牛頓流體本構方程

(1)

式中，A為紡絲線上絲條截面積，cm2。聚乙烯醇溶液的零切黏度[4]為

(2)

式中：ηw為水的剪切黏度；T為絲條平均溫度，K；Pn為聚乙烯醇聚合度；ws為絲條溶劑質量分數。

1.2 質量平衡方程

式(3)表示絲條和氣相界面的傳輸守恒，式(4)表示絲條束與甬道空氣的溶劑傳輸守恒[2]。

(3)

(4)

式中：Wp為聚合物質量流率，g/s；Wa為紡絲甬道內空氣質量流率，g/s；n為噴絲頭孔數；Ns為絲條表面的溶劑流量，mol/(cm2·s)。

(5)

式中：Ks為溶劑傳質系數，mol/(cm2·s)；xss為絲條表面溶劑分壓，atm (1 atm=101.325 kPa);xsc為甬道空氣中溶劑分壓，atm。

(6)

式中P為純溶劑在空氣中的分壓，atm。

(7)

活度as可由Flory-Huggins理論[8]得出：

(8)

式中：φs、φp分別為溶劑、聚合物體積分數;Vs、Vp分別為溶劑和聚合物摩爾體積,cm3/mol;χsp為水和聚乙烯醇的相互作用參數,可由下式[9-10]估算:

(9)

1.3 能量平衡方程

(10)

式中：h為傳熱系數，J/(cm2·s·K)，由努賽爾數Nu=2Rh/ka[2]得出

(11)

式中Rep和Rew分別是基于甬道風速度和絲條速度的雷諾數。

(12)

(13)

式中：Ls為溶劑蒸發潛熱，J/mol；Cpp、Cps分別為聚乙烯醇和水的熱容，J/g。

1.4 動量平衡方程

(14)

定義體系密度

(15)

式中Cf為阻力系數，N/cm2。

(16)

熱風空氣的密度ρa、黏度ηa、導熱系數ka由下式[6]估算：

ρa=0.351 /Tf

(17)

ηa=1.446×10-6Tf1.5/ (Tf+113.9)

(18)

ka=1.878×10-6Tf0.866

(19)

式中，Tf為薄膜溫度，定義為絲條溫度和甬道風溫度的算術平均數。

干紡動力學的計算機模擬過程如下：使用MatLab數學軟件，采用表1、2的紡絲工藝和體系物性參數，代入各個關系式，以方程(1)、(3)、(4)、(10)、(14)建立常微分方程組，編寫函數文件，調用MatLab中的非剛性ode45階函數(Runge-Kutta四五階函數)求得數值解，計算機模擬過程參數見表1、2。

表1 聚乙烯醇/水體系特性參數

表2 紡絲模擬工藝參數

2 結果與討論

2.1 絲條在紡絲線上的變化

2.1.1 絲條溫度和溶劑含量的變化

圖1示出絲條溫度和溶劑沿紡程的變化。可以看出，隨著溶劑的揮發，絲條溫度在距離噴絲30 cm左右處就下降到了濕球溫度，在這個階段絲條溶劑的擴散主要靠自身的潛熱而使溶劑蒸發，從而使絲條溫度迅速下降到濕球溫度。由于溶劑水的蒸發潛熱大，熱風的傳熱與絲條溶劑的蒸發吸熱處于一個較長的平衡階段，在這個階段內甬道內水氣含量增加，絲條溫度緩慢上升。隨著絲條溶劑含量的進一步減少，溶劑蒸發速率減慢，絲條溫度開始上升，最后升至熱風溫度。

圖1 絲條溫度和溶劑沿紡程的變化Fig.1 Change of filament temperature and solvent fraction along spinline

2.1.2 絲條速度和張力的變化

圖2示出絲條速度和張力隨紡程的變化。可見，絲條在拉伸作用下，速度迅速上升到一個平臺區間后開始緩慢增加，最后達到卷繞速度。絲條在噴絲頭處張力最大。隨著絲條速度的增加，絲條與空氣的摩擦力也變大，張力隨紡程增大而減小，只在紡絲速度較大的情況下，張力才會隨紡程增加而變大。由于噴絲頭處的絲條黏度最小，因此能承受的張力也最小。初始的張力包括絲條的部分重力和額外的牽伸拉力，所以原液的黏度要在合理的范圍內，既能保證原液具有一定的流動性，又能使絲條在噴絲頭位置處能承受住較大的張力。

圖2 絲條速度和張力隨紡程的變化Fig.2 Change of filament velocity and tension along spinline

2.2 紡絲工藝對紡絲過程的影響

2.2.1 泵供量對絲條溫度和溶劑含量的影響

圖3示出泵供量對溶劑含量分布的影響。可見，隨著泵供量的增加，絲條溶劑含量減小趨勢變緩。絲條單位時間內吸收熱量相同的情況下，溶劑蒸發量也一定，而泵供量增大使絲條的干燥時間增長，從而使絲條在紡程較遠處固化。

圖3 泵供量對溶劑含量分布的影響Fig.3 Effect of mass throughput on solvent content distribution

圖4示出泵供量對絲條溫度的影響。可見，泵供量的增加對絲條紡程前半部分溫度沒有太大的影響，都從起始溫度降至濕球溫度，但保持在濕球溫度的紡程變長。對照圖3，在絲條溶劑含量減小至平臺值時，絲條溫度才開始上升至熱風溫度，由此可見，在絲條降溫至濕球溫度后，絲條內溶劑的含量是控制其溫度變化的關鍵因素。

圖4 泵供量對絲條溫度的影響Fig.4 Effect of mass throughput on filament temperature

2.2.2 不同熱風風速和溫度對紡絲速度的影響

圖5示出不同甬道風速對紡絲速度的影響。可見，在相同的初始張力下，在風速較小的情況下紡絲速度大。甬道風速增加使傳熱增加，絲條周圍的溶劑含量降低，使纖維溶劑蒸發速率加快，并導致絲條的濕球溫度略有下降，絲條拉伸黏度增加較快；并且風速的增加使得拉伸區絲條與空氣的相對速度減小，使空氣阻力項減小，絲條張力下降快，這些因素均使紡絲速度降低。因此在相同的紡絲速度下，甬道風的增加會使噴絲頭處絲條張力增大，造成斷絲現象，嚴重影響紡絲過程。對于高倍拉伸紡絲，噴絲頭附近的風速不易過快。

圖5 不同甬道風速對紡絲速度的影響Fig.5 Effect of wind speed on spinning speed

圖6示出不同甬道風溫度對比紡絲速度的影響。可以看出，甬道風溫度對紡絲速度的影響很小，甬道風溫度的增加可以加強傳熱和傳質，使絲條溶劑蒸發更快，絲條溫度升高，在溫度和溶劑含量的綜合影響下使得絲條的拉伸黏度基本一致，紡絲速度沒有太大變化。

圖6 不同甬道風溫度對紡絲速度的影響Fig.6 Effect of wind temperature on spinning speed

2.2.3 不同原液濃度對絲條濃度的影響

圖7示出原液濃度對絲條溶劑的影響。可見，原液溶劑含量增加，在原液泵供量和紡絲速度相同的情況下，所需要蒸發的溶劑增多，甬道內溶劑含量也相應增加，絲條達到同等固含量的時間變長，因此要想在較高的紡絲速度下絲條能較好地干燥，需將原液濃度控制在一定范圍內。

圖7 原液濃度對絲條溶劑含量的影響Fig.7 Effect of solvent mass fraction on filament solvent content

2.2.4 不同紡絲速度對絲條溶劑含量的影響

圖8示出紡絲速度對絲條溶劑含量的影響。可以看出，在相同的紡絲工藝下提高紡絲速度，絲條的溶劑含量下降較快，隨著紡絲速度進一步提高，絲條中溶劑的蒸發速率增加趨勢減緩。紡絲速度的提高可以使絲條變細，絲條與熱空氣的相對速度增大，傳熱和傳質加強，更有利于溶劑從纖維內部擴散到表面，絲條干燥效果更好，但在較高紡絲速度時，紡絲速度的提高對溶劑蒸發速率的影響減小。由此可見，一定范圍內提高紡絲速度不會降低甬道風對絲條的干燥效果。

圖8 紡絲速度對絲條溶劑含量的影響Fig.8 Effect of spinning velocity on filament solvent content

3 結 論

1)在聚乙烯醇順流式干法成形過程中，溫度的降低使絲條凝固，在紡絲速度較低的情況下，噴絲頭處的張力最大。

2)泵供量的增加使甬道風對絲條的干燥時間增長，使絲條在紡程更遠處凝固，絲條內溶劑含量是控制絲條溫度變化的關鍵因素。

3)提高甬道風風速不利于紡絲速度的提高，而提高甬道風溫度對紡絲速度的提高影響很小。

4)在相同泵供量和紡絲速度下，增加溶劑溶度會使溶劑的蒸發速率減慢，絲條不易干燥固化。

5)增加卷繞速度可以加強傳熱傳質過程，使溶劑更快地從絲條中揮發出來，但在較高的紡絲速度范圍內，絲條溶劑含量變化不大。

FZXB

[1] 李盛林, 秦峰. 水溶性聚乙烯醇纖維和聚乙烯醇干

法紡絲[J]. 維綸通訊, 2004, 24(4)：7-11. LI Shenglin, QIN Feng.Water-soluble polyvinyl alcohol fiber and dry spinning of polyvinyl alcohol[J]. Vinylon Communication, 2004, 24(4)：7-11.

[2] OHZAWA Y, NAGANO Y, MATSUO T. Studies on dry spinning： I: fundamental equations[J]. Journal of Applied Polymer Science, 1969, 13:257-283.

[3] OHZAWA Y, NAGANO Y. Studies on dry spinning: II: numerical solutions for some polymer-solvent systems based on the assumption that drying is controlled by boundary-layer mass transfer[J]. Journal of Applied Polymer Science, 1970, 14:1879-1899.

[4] SANO Y. Dry spinning of PVA filament[J]. Drying Technol, 1984, 2 (1):61-95.

[5] SANO Y. Drying behavior of acetate filament in dry spinning[J]. Drying Technol, 2001,19 (7): 1335-1359.

[6] GOU Z, MCHUGH A J. A comparison of Newtonian and viscoelastic constitutive models for dry spinning of polymer fibers[J]. Journal of Applied Polymer Science, 2003, 87:2136-2145.

[7] GOU Z, MCHUGH A J. Two-dimensional modeling of dry spinning of polymer fibers[J]. Journal of Applied Polymer Science, 2003,118 :121-136.

[8] YILMAZ L, MCHUGH A J. Analysis of nonsolvent-solvent-polymer phase diagrams and their relevance to membrane formation modeling[J]. Journal of Applied Polymer Science, 1986, 31:997-1018.

[9] SAKURADA I, NAKAJIMA A, FUJIWARA H. Vapor pressures of polymer solutions: II: vapor pressure of the poly(vinyl alcohol)-water[J]. Journal of Polymer Science, 1959,35:497-505.

[10] NIKOLAOS A, PEPPAS, EDWARD W, et al. Determination of interaction parameter χ1, for poly(vinyl alcohol) and water in gels crosslinked from solutions[J]. Journal of Polymer Science: Polymer Chemistry Edition, 1976,14 :459-464.

Simulation of dry spinning of PVA soluble fiber

WANG Jianquan, WU Jintian, LIU Pengqing, YE Guangdou, XU Jianjun

(StateKeyLaboratoryofPolymerMaterialsEngineering,SichuanUniversity，Chengdu,Sichuan610065,China)

A one-dimensional model of the downstream dry spinning was established. Using the corridor solvent balance equation combined with the momentum balance equation corrected by downstream drying process characteristics, the solvent content of the polyvinyl alcohol, temperature, speed,and the tension distribution in spinning line were simulated to predict the influence of the spinning parameters on spinning process. The results show that the filament experiences a longer equilibrium period in wet-bulb temperature after flash evaporation. The control of the filament temperature mainly depends on the solvent content of the filament. The filament has the largest tension in spinneret at the lower spinning speed. The increase of corridor wind is not conducive to improving the spinning speed. A larger winding speed is beneficial to the dry formation of the fibers.

polyvinyl alcohol fiber; dry spinning; spinning dynamics; computer simulation

0253- 9721(2013)02- 0023- 05

2012-08-31

2012-10-19

王建銓(1986—)，男， 碩士生。研究方向為聚乙烯醇水溶纖維。徐建軍， 通信作者，E-mail: xujj@scu.edu.cn。

TQ 342.41

A