基于聚合物熔體高效動(dòng)態(tài)混合器的冷態(tài)模型系統(tǒng)研究.pdf

1、熔體直紡在線添加功能母粒制備功能纖維已經(jīng)成為化學(xué)纖維中的熱點(diǎn)課題，它具有流程短、產(chǎn)能大、成本低、效率高、改變品種靈活、中間過(guò)渡料較少等突出優(yōu)點(diǎn)，可以根據(jù)市場(chǎng)需求，生產(chǎn)抗紫外、抗靜電、抗菌、阻燃等單一或者多重性能的功能性纖維。由于功能母粒中的無(wú)機(jī)納米粒子具有粒徑小、比表面積大、表面能高等特點(diǎn)，容易出現(xiàn)無(wú)機(jī)納米粒子在聚合物熔體中團(tuán)聚、難以分散等問(wèn)題，為此課題組自主設(shè)計(jì)研發(fā)了一種新型高效動(dòng)態(tài)混合器，有效解決了這一難題。
　　本文主要基于

2、自主設(shè)計(jì)的3-DD動(dòng)態(tài)混合器，建立冷態(tài)模型，選擇糖漿溶液為連續(xù)相，含有示蹤劑的糖漿溶液為分散相，系統(tǒng)的研究了轉(zhuǎn)速、流量、粘彈性等因素下的混合與分散性能及影響規(guī)律;同時(shí)對(duì)工業(yè)化生產(chǎn)的功能纖維中的無(wú)機(jī)納米粒子分散性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，為新一代新型高效動(dòng)態(tài)混合器的研發(fā)提供了理論依據(jù)。
　　首先選擇糖漿溶液作為冷態(tài)模型系統(tǒng)的模擬介質(zhì)，對(duì)糖漿溶液的粘彈性進(jìn)行了分析與討論，結(jié)果表明:糖漿溶液可通過(guò)去除部分水分、添加一定量的PAM來(lái)實(shí)現(xiàn)粘彈性的調(diào)

3、節(jié)，通過(guò)擬合得出不同除水量下零剪切粘度的預(yù)測(cè)公式:η0=68.5183×e0.5672x;在剪切速率低于400 s-1時(shí)，粘度基本保持不變，表現(xiàn)為牛頓流體行為，剪切速率高于1000 s-1時(shí)，出現(xiàn)明顯的切力變稀，表現(xiàn)為假塑性行為;Cross模型適用于整個(gè)剪切速率范圍內(nèi)，擬合效果最好，標(biāo)準(zhǔn)誤差較小，牛頓流體模型適用于剪切速率低于400 s-1且擬合效果優(yōu)于Cross模型;不同PAM添加量對(duì)糖漿溶液的儲(chǔ)能模型G'和損耗模量G"影響較大。隨著

4、PAM含量的增加，松弛時(shí)間越來(lái)越大;糖漿溶液的擠出脹大比(B)，隨著PAM的添加量和擠出速率的增加而增大;其他條件相同，零剪切粘度越大，糖漿溶液的彈性效應(yīng)越明顯;通過(guò)對(duì)PET熔體和糖漿溶液在線性粘彈區(qū)、本構(gòu)方程、Wi數(shù)、擠出脹大等方面的系統(tǒng)分析，得出可通過(guò)除去不同水分、添加一定量的PAM使糖漿溶液的粘度和彈性在一定的剪切速率范圍內(nèi)與PET熔體具備一致或者相似的變化規(guī)律，證實(shí)了糖漿溶液作為冷態(tài)模型系統(tǒng)模擬介質(zhì)的可行性。
　　構(gòu)建了動(dòng)

5、態(tài)冷模系統(tǒng)，采用比例為1∶1的加工尺寸、選定3-DD動(dòng)態(tài)混合器的球窩結(jié)構(gòu)為動(dòng)態(tài)冷模設(shè)計(jì)的依據(jù)，以透明介質(zhì)有機(jī)玻璃為加工原料，設(shè)計(jì)并成功加工冷態(tài)模型系統(tǒng)的核心部件——冷態(tài)3-DD動(dòng)態(tài)混合器，依據(jù)模擬介質(zhì)——糖漿溶液的性質(zhì)，選定齒輪式計(jì)量泵作為計(jì)量系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，主料選用型號(hào)JRG-2.4型計(jì)量泵，輔料選用型號(hào)JR-0.3型計(jì)量泵。通過(guò)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的分析，選定減速比35∶1的擺線針輪減速機(jī)及1.5KW的三相異步電動(dòng)機(jī)為冷態(tài)模型系統(tǒng)的動(dòng)力系統(tǒng)，

6、選定180W的三相永磁同步電動(dòng)機(jī)和減速比為35∶1的擺線針輪減速機(jī)作為計(jì)量泵的動(dòng)力系統(tǒng)。
　　運(yùn)用Photoshop結(jié)合灰度分析技術(shù)對(duì)不同轉(zhuǎn)速、不同流量和不同粘彈性條件下的動(dòng)態(tài)冷模實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了系統(tǒng)分析，結(jié)果表明:不同轉(zhuǎn)速對(duì)紫色糖漿溶液的第一入口位置影響較大，在轉(zhuǎn)速為2～8 r/min的范圍內(nèi)，入口覆蓋球窩個(gè)數(shù)從5個(gè)升高到8個(gè)，紫色流線相隔距離從9 cm降低到0.5 cm，覆蓋球窩個(gè)數(shù)增加，混合與分散效率越高，且高轉(zhuǎn)速下，紫色流線容易

7、出現(xiàn)“回流”現(xiàn)象;不同流量條件下紫色流線一般呈現(xiàn)從無(wú)到有、從細(xì)到粗、顏色從淺到深的基本規(guī)律，且流量對(duì)入口位置影響較小;不同粘彈性的糖漿溶液由于分子間作用力的影響，入口位置容易改變，且相同粘度不同彈性的條件下，球窩內(nèi)部分布情況各不相同;各個(gè)不同因素下雖入口位置、第一排球窩內(nèi)部糖漿溶液的分布各自不同，但動(dòng)態(tài)冷模排出物料顏色均一穩(wěn)定，基本無(wú)差別，說(shuō)明球窩結(jié)構(gòu)具有較好的混合與分散性能，且對(duì)物料具有較強(qiáng)的剪切、分流、剝離配位以及擠壓嚙合的綜合作用

8、。
　　運(yùn)用Image J軟件對(duì)OM圖像進(jìn)行分析，結(jié)果表明:不同工藝條件下的TiO2粒子分布明顯不同，在其他條件相同時(shí)，隨著混合器轉(zhuǎn)速的提升，灰度圖像中的粒子分布越來(lái)越均勻，粒徑越來(lái)越小;在混合器轉(zhuǎn)速為70 rpm，TiO2粒子添加量為7wt％，卷繞速度為2950 m/min時(shí)TiO2粒子的分散指數(shù)D為85.2％，表明TiO2粒子在PET熔體中分散良好、分布均勻。粒子面積符合指數(shù)分布，可用擬合方程y=A1e-x/l1+A2e-x/

9、t2+K來(lái)表示，其中A1、A2、t1、t2、K為常數(shù)。對(duì)SEM圖片進(jìn)行分析，結(jié)果表明TiO2粒子在纖維中呈現(xiàn)出“島嶼”分布，“島嶼”大小不一、形狀各異，且基本無(wú)連接，視野中所有粒子的直徑均小于1μm，Morisita分散指數(shù)I=0.9958，綜上所述POY纖維中TiO2粒子分布均勻。運(yùn)用色彩色差法對(duì)POY纖維的色差值進(jìn)行分析，結(jié)果表明:標(biāo)準(zhǔn)色差條件下，不同工藝條件下、不同測(cè)試位置的POY纖維的色差值△E*＜0.65;skewness-k