本发明涉及一种熔融纺丝工艺优化方法，根据纤维的目标直径、目标结晶度和目标取向度模拟计算纺丝工艺参数后按模拟计算得到的纺丝工艺参数进行熔融纺丝，模拟计算步骤如下：(1)赋予材料参数、纺丝组件参数、纺丝工艺参数、喷丝孔处的应力F(0)和步长H初始值；(2)建立熔纺成形动力学模型；(3)将材料参数、纺丝组件参数、纺丝工艺参数、喷丝孔处的应力F(0)和步长H代入熔纺成形动力学模型；(4)判断是否满足终止条件，满足则获得模拟计算得到的纺丝工艺参数，结束程序，不满足则进入下一步；(5)调整纺丝工艺参数；(6)返回步骤(3)。本发明的一种熔融纺丝工艺优化方法，节省了实验的人力、时间以及资金成本，生产效率高。
1.一种熔融纺丝工艺优化方法，其特征是，根据纤维的目标直径、目标结晶度和目标取向度模拟计算纺丝工艺参数后按模拟计算得到的纺丝工艺参数进行熔融纺丝，所述模拟计算的步骤如下：
(1)赋予材料参数、纺丝组件参数、纺丝工艺参数、喷丝孔处的应力F(0)和步长H初始值；
所述材料参数包括：应力光学系数Cop，单位为cm2/dyn，最高纺丝温度Tmax，单位为K，最大结晶速率Kmax，单位为s-1，结晶半高宽U，单位为K，零切黏度η0，单位为Pa·s，Avrami指数n，熔融温度T，单位为K，应力诱导系数C，Phan Thien-Tanner模型参数ε；
所述纺丝组件参数包括：喷丝板微孔半径d0、喷丝板微孔长度L0、喷丝板导孔半径dm和喷丝板导孔长度Lm，单位都为mm；
所述纺丝工艺参数包括：单孔泵供量W、纺丝温度T0、缓冷区加热温度T1、缓冷区长度L1、吹风区温度T2、吹风区吹风速度V2、吹风区长度L2、自然冷却区环境温度T3、自然冷却区长度L3和纺丝速度Vd，单位分别为g/s、K、K、m、K、m/s、m、K、m和m/min；
所述步长H＝L/N，L为纺程总长度，单位为m，N为纺程上的区间个数，纺程上共N+1个节点，以喷丝孔出口处为第0节点，节点沿纺丝进行方向顺序编号；
(2)建立熔纺成形动力学模型，熔纺成形动力学模型为多个方程，多个方程具体如下：连续性方程：
F为纤维轴向力，单位N，z代表纺程上任意一点，ρa为空气密度，单位kg/m3，Cd为空气阻力系数，V为纤维横截面瞬时速度，单位m/s，D为纤维直径，单位m，g是重力加速度，取值为
式中，Pe为Peclet数，Hf为传热系数，Gn为生热系数，θ为结晶度，单位为％，s为弹性应力张量，τp为聚合物应力，单位Pa，M为形变速率张量；
式中，De为狄波拉数，△X为聚合物应力张量的变化量，△t为时间t的变化量，Tr为线性代数中对角线元素之和；
式中，K(T)与等温结晶速率有关，K(T,fa)为结晶速率，单位s ，fa为非晶区取向因子；
式中，△n为取向度，△na为非晶区的取向度，fc为晶区取向因子， 为晶区本征折射率，σ为轴向纺丝线应力，单位Pa，Frheo为纤维流变力，单位N；
(3)将材料参数、纺丝组件参数、纺丝工艺参数、喷丝孔处的应力F(0)和步长H代入熔纺成形动力学模型，采用有限元法求解得到纺程上不同节点x处的纤维直径分布D[z(x)]、结晶度分布Xc[z(x)]和取向度分布△n[z(x)]，x＝0,1,2...N，z(x)＝x·L/N；
(4)判断是否满足终止条件，所述终止条件为：当前直径D当前即D[z(N)]与目标直径D目标的偏差值小于等于阈值β1、当前结晶度θ当前即Xc[z(N)]与目标结晶度θ目标的偏差值小于等于阈值β2且当前取向度△n当前即△n[z(N)]与目标取向度△n目标的偏差值小于等于阈值β3，如果满足终止条件，则输出当前纺丝工艺参数，即为模拟计算得到的纺丝工艺参数，结束程序，反之，则进入下一步；
(5)调整纺丝工艺参数，令W＝W+Hw，T0＝T0+HT0，T1＝T1+HT1，L1＝L1+HL1，T2＝T2+HT2，V2＝V2+HV2，L2＝L2+HL2，T3＝T3+HT3，L3＝L3+HL3，Vd＝Vd+HVd，其中，Hw、HT0、HT1、HL1、HT2、HV2、HL2、HT3、HL3和Hvd为常数；
2.根据权利要求1所述的一种熔融纺丝工艺优化方法，其特征在于，β1＝0.001，β2＝
3.根据权利要求1所述的一种熔融纺丝工艺优化方法，其特征在于，所述步长H的取值范围为0～50。
一种熔融纺丝工艺优化方法
技术领域
[0001] 本发明属于纤维制备领域，具体涉及一种熔融纺丝工艺优化方法。
背景技术
[0002] 熔融纺丝又称熔体纺丝，简称熔纺，是将聚合物加热熔融后通过喷丝孔挤出，在空气中冷却固化形成纤维的化学纤维纺丝方法。聚酯纤维、聚酰胺纤维和聚丙烯纤维都可采用熔融纺丝法生产。熔融纺丝法的工艺流程主要为：成纤聚合物在螺杆挤出机中加热熔融
后形成熔体，熔体通过计量泵从喷丝孔挤出形成熔体细流，熔体细流冷却固化形成丝条，丝条经上油和卷绕，最后被拉伸变细从而制得纤维。
[0003] 熔纺的主要工艺参数为聚合物通过喷丝板各孔的流量(泵供量)、喷丝板规格(孔径、孔数和孔分布)、纺丝速度(卷绕速度)、熔体挤出温度、纺程上的冷却条件(吹风温度、吹风速度、吹风区高度和无风区高度)和纺程长度等。在熔融纺丝过程中，如图1所示，纺丝熔体挤出时，恒定的纺丝温度T0、恒定的泵供量W、喷丝孔的直径D0、特性粘度[η]及材料的密度ρ一起决定了纺丝速度Vd，卷绕装置距喷丝头的距离为L，在这个L中有缓冷区L1，吹风区L2和自然冷却区L3，熔体沿纺程即从喷丝孔入口到卷绕之间，流体经剪切流动、挤出胀大、冷却、固化成具有一定性能的纤维。在实际生产中主要是通过调节熔融纺丝的相关工艺条件来对
纺丝过程进行改善，期以得到质量更好的丝条。这些参数之间通常情况都是存在相互影响，例如纺程长常常受纺丝线上冷却效率的控制，高效的冷却可以缩短纺程，冷却空气的速度
和温度分布对纺丝线的冷却有很大的影响。
[0004] 纤维的结晶和取向很大程度上决定了纤维的力学性能，所以这两大指标是工厂最为关注的。通常为了使纤维达到目标结晶度或者取向度需要通过在生产线上进行大量实
验，不断调整纺丝工艺参数从而得到一组适应于目标结晶度或者取向度的工艺参数。显而
易见，此种方法异常繁琐，需要耗费大量的时间、人力以及资金，对于工厂而言效率非常低，不利于工业生产。
[0005] 因此，研究一种生产效率高的熔融纺丝工艺优化方法具有十分重要的意义。
发明内容
[0006] 本发明的目的是为了解决上述现有技术中存在的问题，提供一种生产效率高的熔融纺丝工艺优化方法。本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的缺点通过计算
机模拟计算而非实验的方法获取纤维在纺程上的直径、取向以及结晶分布，再将模拟结果
反馈回来，然后优化工艺参数直至模拟的纤维的直径、取向以及结晶度与目标纤维的直径、取向以及结晶度的偏差值满足程序终止条件，即可得到实现目标纤维的直径、取向度以及
结晶度时的纺丝工艺参数，利用本发明方法来获取实现目标纤维的直径、取向度以及结晶
度时的纺丝工艺参数可以大大节省实验人力、时间以及资金成本，并且不受外界条件的影
响，提高了生产效率。
[0007] 为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0008] 一种熔融纺丝工艺优化方法，根据纤维的目标直径、目标结晶度和目标取向度模拟计算纺丝工艺参数后按模拟计算得到的纺丝工艺参数进行熔融纺丝，所述模拟计算的步
骤如下：
[0009] (1)赋予材料参数、纺丝组件参数、纺丝工艺参数、喷丝孔处的应力F(0)和步长H初始值；
[0010] 所述材料参数包括：应力光学系数Cop，单位为cm2/dyn，最高纺丝温度Tmax，单位为K，最大结晶速率Kmax，单位为s-1，结晶半高宽U，单位为K，零切黏度η0，单位为Pa·s，Avrami指数n，熔融温度T，单位为K，应力诱导系数C，Phan Thien-Tanner模型参数ε；
[0011] 所述纺丝组件参数包括：喷丝板微孔半径d0、喷丝板微孔长度L0、喷丝板导孔半径dm和喷丝板导孔长度Lm，单位都为mm；
[0012] 所述纺丝工艺参数包括：单孔泵供量W、纺丝温度T0、缓冷区加热温度T1、缓冷区长度L1、吹风区温度T2、吹风区吹风速度V2、吹风区长度L2、自然冷却区环境温度T3、自然冷却区长度L3和纺丝速度Vd，单位分别为g/s、K、K、m、K、m/s、m、K、m和m/min；
[0013] 所述喷丝孔处的应力F(0)的单位为N；
[0014] 所述步长H＝L/N，L为纺程总长度，单位为m，N为纺程上的区间个数，纺程上共N+1个节点，以喷丝孔出口处为第0节点，节点沿纺丝进行方向顺序编号；
[0015] (2)建立熔纺成形动力学模型，熔纺成形动力学模型为多个方程，多个方程具体如下：
[0016] 连续性方程：
[0017]
[0018] 式中，为矢量微分算子，ν为速度矢量；
[0019] 动量方程：
[0020]
[0021] F为纤维轴向力，单位N，z代表纺程上任意一点，ρa为空气密度，单位kg/m3，Cd为空气阻力系数，V为纤维横截面瞬时速度，单位m/s，D为纤维直径，单位m，g是重力加速度，取值2
为9.8m/s；
[0022] 能量方程：
[0023]
[0024] s≡τp-2η0M；
[0025] 式中，Pe为Peclet数，Hf为传热系数，Gn为生热系数，θ为结晶度，单位为％，s为弹性应力张量，τp为聚合物应力，单位Pa，M为形变速率张量；
[0026] 本构方程：
[0027]
[0028] 式中，De为狄波拉数，△X为聚合物应力张量的变化量，△t为时间t的变化量，Tr为线性代数中对角线元素之和；
[0029] 结晶方程：
[0030]
[0031]
[0032] 式中，K(T)与等温结晶速率有关，K(T,fa)为结晶速率，单位s-1，fa为非晶区取向因子；
[0033] 取向方程：
[0034]
[0035] Δna＝Copσ:
[0036]
[0037] 式中，△n为取向度，△na为非晶区的取向度，fc为晶区取向因子， 为晶区本征折射率，σ为轴向纺丝线应力，单位Pa，Frheo为纤维流变力，单位N；
[0038] (3)将材料参数、纺丝组件参数、纺丝工艺参数、喷丝孔处的应力F(0)和步长H代入熔纺成形动力学模型，采用有限元法求解得到纺程上不同节点x处的纤维直径分布D[z(x)]、结晶度分布Xc[z(x)]和取向度分布△n[z(x)]，x＝0,1,2...N，z(x)＝x·L/N；
[0039] (4)判断是否满足终止条件，所述终止条件为：当前直径D当前即D[z(N)]与目标直径D目标的偏差值小于等于阈值β1、当前结晶度θ当前即Xc[z(N)]与目标结晶度θ目标的偏差值小于等于阈值β2且当前取向度△n当前即△n[z(N)]与目标取向度△n目标的偏差值小于等于阈值β3，如果满足终止条件，则输出当前纺丝工艺参数，即为模拟计算得到的纺丝工艺参数，结束程序，反之，则进入下一步；
[0040] (5)调整纺丝工艺参数，令W＝W+Hw，T0＝T0+HT0，T1＝T1+HT1，L1＝L1+HL1，T2＝T2+HT2，V2＝V2+HV2，L2＝L2+HL2，T3＝T3+HT3，L3＝L3+HL3，Vd＝Vd+HVd，其中，Hw、HT0、HT1、HL1、HT2、HV2、HL2、HT3、HL3和Hvd为常数；
[0041] (6)返回步骤(3)。
[0042] 作为优选的技术方案：
[0043] 如上所述的一种熔融纺丝工艺优化方法，β1＝0.001，β2＝0.001，β3＝0.001。
[0044] 如上所述的一种熔融纺丝工艺优化方法，所述步长H的取值范围为0～50。
[0045] 有益效果：
[0046] (1)本发明的一种熔融纺丝工艺优化方法，可以大大节省实验的人力、时间以及资金成本，不受外界条件的影响，生产效率高，具有极好的推广应用价值。
[0047] (2)本发明的一种熔融纺丝工艺优化方法，适用于PTT、PBT和PET等所有可以进行熔融纺丝的纤维，应用范围广。
附图说明
[0048] 图1为现有技术熔融纺丝过程示意图；
[0049] 图2为本发明优化纺丝工艺参数的流程图。
具体实施方式
[0050] 下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
[0051] 一种熔融纺丝工艺优化方法，步骤如下：
[0052] (1)优化纺丝工艺参数，其具体优化流程如图2所示；
[0053] (1.1)赋予材料参数、纺丝组件参数、纺丝工艺参数、喷丝孔处的应力F(0)和步长H初始值；
[0054] 材料参数包括：应力光学系数Cop，单位为cm2/dyn，最高纺丝温度Tmax，单位为K，最大结晶速率Kmax，单位为s-1，结晶半高宽U，单位为K，零切黏度η0，单位为Pa·s，Avrami指数n，熔融温度T，单位为K，应力诱导系数C，Phan Thien-Tanner模型参数ε，其中部分材料参数可取如下表所示数值：
[0055]
[0056]
[0057] 纺丝组件参数包括：喷丝板微孔半径d0、喷丝板微孔长度L0、喷丝板导孔半径dm和喷丝板导孔长度Lm，单位都为mm；
[0058] 纺丝工艺参数包括：单孔泵供量W、纺丝温度T0、缓冷区加热温度T1、缓冷区长度L1、吹风区温度T2、吹风区吹风速度V2、吹风区长度L2、自然冷却区环境温度T3、自然冷却区长度L3和纺丝速度Vd，单位分别为g/s、K、K、m、K、m/s、m、K、m和m/min；
[0059] 喷丝孔处的应力F(0)的单位为N；
[0060] 步长H＝L/N，L为纺程总长度，单位为m，N为纺程上的区间个数，纺程上共N+1个节点，以喷丝孔出口处为第0节点，节点沿纺丝进行方向顺序编号，其中步长H的取值范围为0～50；
[0061] (1.2)建立熔纺成形动力学模型，熔纺成形动力学模型为多个方程，多个方程具体如下：
[0062] 连续性方程：
[0063]
[0064] 式中， 为矢量微分算子，ν为速度矢量；
[0065] 动量方程：
[0066]
[0067] F为纤维轴向力，单位N，z代表纺程上任意一点，ρa为空气密度，单位kg/m3，Cd为空气阻力系数，V为纤维横截面瞬时速度，单位m/s，D为纤维直径，单位m，g是重力加速度，取值为9.8m/s2；
[0068] 能量方程：
[0069]
[0070] S≡τp-2η0M；
[0071] 式中，Pe为Peclet数，Hf为传热系数，Gn为生热系数，θ为结晶度，单位为％，s为弹性应力张量，τp为聚合物应力，单位Pa，M为形变速率张量；
[0072] 本构方程：
[0073]
[0074]
[0075] 式中，De为狄波拉数，△X为聚合物应力张量的变化量，△t为时间t的变化量，Tr为线性代数中对角线元素之和；
[0076] 结晶方程：
[0077]
[0078]
[0079] 式中，K(T)与等温结晶速率有关，K(T,fa)为结晶速率，单位s-1，fa为非晶区取向因子；
[0080] 取向方程：
[0081]
[0082] Δna＝Copσ；
[0083]
[0084] 式中，△n为取向度，△na为非晶区的取向度，fc为晶区取向因子， 为晶区本征折射率，σ为轴向纺丝线应力，单位Pa，Frheo为纤维流变力，单位N；
[0085] (1.3)将材料参数、纺丝组件参数、纺丝工艺参数、喷丝孔处的应力F(0)和步长H代入熔纺成形动力学模型，采用有限元法求解得到纺程上不同节点x处的纤维直径分布D[z(x)]、结晶度分布Xc[z(x)]和取向度分布△n[z(x)]，x＝0,1,2...N，z(x)＝x·L/N；
[0086] (1.4)判断是否满足终止条件，所述终止条件为：当前直径D当前即D[z(N)]与目标直径D目标的偏差值小于等于阈值0.001、当前结晶度θ当前即Xc[z(N)]与目标结晶度θ目标的偏差值小于等于阈值0.001且当前取向度△n当前即△n[z(N)]与目标取向度△n目标的偏差值小于等于阈值0.001，如果满足终止条件，则输出当前纺丝工艺参数，即为模拟计算得到的纺丝工艺参数，结束程序，反之，则进入下一步；
[0087] (1.5)调整纺丝工艺参数，令W＝W+Hw，T0＝T0+HT0，T1＝T1+HT1，L1＝L1+HL1，T2＝T2+HT2，V2＝V2+HV2，L2＝L2+HL2，T3＝T3+HT3，L3＝L3+HL3，Vd＝Vd+HVd，其中，Hw、HT0、HT1、HL1、HT2、HV2、HL2、HT3、HL3和Hvd为常数；
[0088] (1.6)返回步骤(1.3)；
[0089] (2)按模拟计算得到的纺丝工艺参数进行熔融纺丝。
[0090] 利用上述的熔融纺丝工艺优化方法优化纺丝工艺参数从而获取目标纤维，不仅可以大大节省实验的人力、时间以及资金成本，而且还不受外界条件的影响，生产效率高，具有极好的推广应用价值。
