十六中空纤维喷丝板的设计

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1、http://www.paper.edu.cn十六中空纤维喷丝板的设计张鹏上海东华大学机械工程学院，200051email:zhangpeng@mail.dhu.edu.cn摘要：本文介绍了十六中空纤维喷丝板的设计加工方法，并在设计基础上确定纺丝工艺条件进行了试纺，经实验证明该纤维可纺性较好，异形度保持良好。关键词：十六中空纤维异形喷丝板法孔间隙巴拉斯效应1.前言中空纤维具有蓬松性高、弹性好、保暖性强、手感柔软滑爽、回弹性好、覆盖性好等特点，广泛应用于喷胶棉、纺羽棉、床上用品、防寒服、玩具、装饰

2、布等领域。中空纤维的市场被越来越多的化纤生产企业所看好。[1]仿制中空纤维一般常采用以下几种方法：（1）发泡剂法；（2）定位吹气法；（3）再处理法；（4）插入柱式喷头；（5）插入管式喷头；（6）异形喷丝板法。异形喷丝板法生产中空纤维的必要条件是需要设计和加工喷丝板，因为从喷丝孔吐出的高聚物熔体，经冷却后成型的纤维，不仅要求内含1个或数个连续不间断的中空腔还要求纤维具有非圆异形外观轮廓的截面。设计和制造特殊形状的喷丝板是关键技术，设计的原理是利用巴拉斯效应，即具有粘弹性的高聚物熔体，在流出孔口时，

3、因熔体细流释放入口时贮存的变形弹性能而发生流体胀大效应。具体实施就是将具有数个不连续的直线或曲线狭缝设计组合在一起，形成一个特殊形状的喷丝孔，使得从这些组合狭缝计出的高聚物熔体在固化前因发生巴拉斯胀大效应而正常地粘连在一起，由此熔体经冷却固化便获得了内部包有1个或数个连续空腔的中空纤维。目前根据有关专利报道，由于其设计方法及加工手段的限制，国内多中空纤维最多为9孔，中空度不高，为获得优良的性能，我们用基于单元的异形喷丝板设计加工方法进行多中空纤维的设计，成功纺制出孔数16孔的中空纤维，且正在进行

4、60中空纤维的试纺，喷丝板的设计既涉及高聚物流变学，又涉及机械加工领域。本文将从异形喷丝板的设计理论入手，基于单元的异形喷丝板设计方法，设计16中空纤维喷丝板。2.设计理论[2][3][4][5][6]流变学基本方程（1）连续性方程∂V∂V∂Vxyz++=0（1）∂X∂Y∂Z（2）运动方程X分量：1http://www.paper.edu.cn∂VX∂VX∂VX∂VX∂P∂τXX∂τYX∂τZXρ(+V+V+V)=−+(++)+ρg（2）XYZX∂t∂X∂Y∂Z∂X∂X∂Y∂ZY分量：∂VY∂V

5、Y∂VY∂VY∂P∂τXY∂τYY∂τZYρ(+V+V+V)=−+(++)+ρg（3）XYZY∂t∂X∂Y∂Z∂Y∂X∂Y∂ZZ分量：∂VZ∂VZ∂VZ∂VZ∂P∂τXZ∂τYZ∂τZZρ(+V+V+V)=−+(++)+ρg（4）XYZZ∂t∂X∂Y∂Z∂Z∂X∂Y∂Z∂VZ∂VZVθ∂VZ∂VZ∂P以上方程，等式左端ρ(+V++V)为惯性力项；等式右端第一项rZ∂t∂rr∂θ∂Z∂Z1∂1∂τθZ∂τZZ为静压项；第二项(rτrZ)++为粘性力项；第三项ρgZ为体积力（重力）r∂rr∂θ∂Z项

6、。（3）能量方程222∂T∂T∂T∂T∂T∂T∂T∂VX∂VYρC(+V+V+V)=K(++)+[τ+τVxYZ222xxYY∂t∂X∂Y∂Z∂X∂Y∂Z∂X∂Y∂V∂V∂V∂V∂V∂V∂VZXYYZZX+τ+τ(+)+τ(+)+τ(+)]ZZXYYZZX∂Z∂Y∂X∂Z∂Y∂X∂Z∂p∂VX∂VY∂VZ−T()(++)V∂T∂X∂Y∂Z（5）式中：CV为定容热容；K为导热系数；T为温度（4）本构方程对于不可压缩的牛顿流体，其本构方程（即牛顿粘性定律）σ可表示为：ijσ=2ηD（6）ijij1∂

7、vi∂vj式中：σ为应力张量σ的分量；D是形变速率张量D的分量，D=(+)，ijijij2∂x∂xji形变率张量是对称的，即：D=D；η为粘度。ijji3.十六中空纤维喷丝板设计主要是中空孔型的设计，至于喷丝板的加工在此不予叙述。根据巴拉斯效应喷丝板微孔设计如图1所示：2http://www.paper.edu.cn图1喷丝孔结构φφ21hδ图2中空喷丝板微孔采用单元拼装的方法进行设计，其基本单元为圆环形单元，其排列方式为两层组成，其最外面的一圈由12个圆环组成，形成12个中空孔，中间一层由两个

8、半圆环组成，其h值略小于外层圆环，形成4个中空孔。其孔型尺寸如表1所示：表1圆环形基本单元尺寸W（mm）H（mm）δ（mm）φ（mm）L(mm)0.80.20.25.00.54.实验4.1实验原料上海石油化工股份有限公司纤维级聚酯切片；标准号：GB/T14189-93；牌号：BRN-204表2主要特性指标项目单位指标特性粘度dlg0.675色度L值78.6色度a-0.8色度b0羧基含量≤mol/t29二甘醇含量≤%1.13http://www.paper.edu.cn软化点≥℃2604.2纺丝设