Viscosity effects in computer modeling of fiber spinning from crystallizing polymer melts

• Autorzy: Jarecki L. , Ziabicki A.

Warianty tytułu

PL

Zastosowanie modelowania komputerowego do określenia wpływu lepkości na dynamikę przędzenia włókien ze stopionego polimeru krystalizującego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Role of local viscosity in the dynamics of melt spinning of a polymer crystallizing under tensile stress are investigated using mathematical modeling methods. The viscosity is assumed to be dependent on local temperature and degree of crystallinity along the spinning axis. Role of the polymer viscosity is studied for PET in the range from low to high spinning speeds. Strong effects of stress-induced crystallization on local polymer viscosity, resulting in crosslinking of chain molecules by arising crystallites, lead to limitation of the spinning speed, and a maximum of the take-up speed is predicted. Effects of the spinning-speed affected viscosity are analysed using simplified models of melt spinning and compared with the complete dynamic model. One concludes that the maximum of take-up speed predicted for high spinning speeds is a consequence of strong rheological effects of online oriented crystallization leading to gelation of the spun polymer by crystallites playing a role of physical crosslinks. Temperature effects on polymer viscosity are not responsible for the limitations of the take-up velocity.

PL

Metodą modelowania komputerowego przeprowadzono analizę roli lepkości (eta) w dynamice formowania włókien ze stopionego polimeru krystalizującego. Przyjęto w tym celu zależność eta od lokalnej temperatury i stopnia krystaliczności polimeru wzdłuż drogi formowania. Rolę eta, polimeru badano na przykładzie poli(tereftalanu etylenu) (PET) w pełnym zakresie szybkości formowania - od małych do dużych prędkości odbioru włókien (V(L)). Silny wpływ wymuszonej naprężeniem krystalizacji orientowanej zachodzącej w formowanej strudze na lokalną lepkość polimeru wynika z sieciowania przez powstające krystality stanowiące fizyczne węzły tworzącej się struktury żelu. Model przewiduje ograniczenie szybkości formowania ze stanu stopionego i wystąpienie maksimum V(L). Zmiany eta, polimeru wzdłuż linii formowania bada się z zastosowaniem uproszczonych modeli analitycznych (zaniedbanie siły grawitacji i oporu powietrza) oraz pełnego modelu numerycznego. Równanie bilansu sił w modelach analitycznych w przypadku pominięcia sił inercji reprezentowane jest równaniem (34), a w przypadku jej uwzględnienia równaniem (35). Modele te prowadzą do osiowych profili prędkości Irównania (38) i (44)] oraz V(L) [równania (39) i (45)] zależnych wykładniczo od siły początkowej (F(0)) i "całki płynności" (I(L)) będącej całką z odwrotności lepkości polimeru. Wartość V(L) jest uwarunkowana przez I(L) wzdłuż całej linii formowania [równanie (41)|, I(L). zależy natomiast od F(0) (rys. 4 i 5) poprzez wpływ F(0) na osiowe profile krystaliczności (rys. 6 i 7), a także od temperatury polimeru (chłodzenie, grzanie strefowe, itd.). Występowanie maksimum na krzywej obrazującej zależność V(L) od siły początkowej, przewidziane w obu modelach analitycznych (rys. 2 i 3) oraz w pełnym modelu numerycznym procesu (rys. 8), jest konsekwencją silnych reologicznych efektów orientowanej krystalizacji związanych z żelowaniem struktury, a nie kształtowania się profilu temperatury i jej wpływu na lepkość polimeru.

Słowa kluczowe

EN

mathematical modeling of melt spinning; fiber spinning from crystallizing polymer melt; molecular orientation; oriented crystallization; viscosity of crystallizing polymer

PL

modelowanie matematyczne; przędzenie włókien; polimer stopiony; orientacja molekularna; krystalizacja orientowana; lepkość polimeru krystalizującego

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Chemii Przemysłowej
• Czasopismo: Polimery
• Rocznik: 2004
• Tom: T. 49, nr 2
• Strony: 101--109
• Opis fizyczny: Bibliogr. 28 poz., rys.

Twórcy

autor

Jarecki L.

• Institute of Fundamental Technological Research, Polish Academy of Sciences, Polymer Physics Laboratory, ul. Świętokrzyska 21, 00-049 Warszawa

autor

Ziabicki A.

• Institute of Fundamental Technological Research, Polish Academy of Sciences, Polymer Physics Laboratory, ul. Świętokrzyska 21, 00-049 Warszawa

Bibliografia

• 1. U.S. Pat. 4 134 882 (1979).
• 2. "High-Speed Melt Spinning" (Eds. Ziabicki A., Kawai H.), Wiley, ew York 1985.
• 3. Ziabicki A, Jarecki L., Wasiak A: Comput. Theoret. Polym. Sei. 1998,8,143.
• 4. Jarecki L., Ziabicki A, Blim A: Comput. Theoret. Polym. Sci. 2000, 10, 63.
• 5. Petrie C. J. S.: "Elongational Flow", Pitman, London 1979.
• 6. Ziabicki A: Kolloid Z. 1961, 175, 1961.
• 7. Kase S. J.: Appl. Polym. Sei. 1974,18,3267.
• 8. Sano Y, Orii K., Yamada .: Sen-I Gakkaishi 1968, 24, 147.
• 9. Lin L. C. T., Hauenstein J.: J. Appl. Polym. Sci. 1974, 18,3509.
• 10. Ziabicki A.: "Fundamentais of Fiber Forrnation" , Wiley, London 1976, p. 63.
• 11. Chen Z., Papanastasiou A C. Int. Polym. Proc. 1987, 2,33.
• 12. Mitsoulis E., Beaulne M.: Adv. Polym. Technol. 2000, 19,155.
• 13. Dutta A, Nadkarni V. M.: Textile Res. f. 1984,54,35.
• 14. Williams M. L., Landel R. F, Ferry J. D.: Am. Chem. Soc. 1955,77,3701.
• 15. Shimizu L Okui N., Kikutani T. in: "High Speed Fiber Spinning" (Eds. Ziabicki A, Kawai H.), Wiley, New York 1985, p. 173.
• 16. Katayama K., Yoon M. G. in: [15], p. 207.
• 17. Ziabicki A: J. Non-Newtonian Fluid Mech. 1988, 30, 157.
• 18. Ziabicki A: Colloid Polym. Sci. 1974,252,207.
• 19. Ziabicki A: Colloid Polym. Sei. 1996,274,209.
• 20. Bragato G., Gianotti G.: Europeon Polym. f. 1983, 19, 803.
• 21. Ziabicki A.: in [10], p. 113.
• 22. Wasiak A: Reports of Institute Fundamental Technol. Res., Warsaw 1973, No 39.
• 23. Alfonso G. c, Verdona M. P., Wasiak A: Polymer 1978,19,711.
• 24. Ziabicki A, Jarecki L.: Colloid Polym. Sci. 1986,264, 343.
• 25. Kase S., Matsuo T.: f. Polymer Sei. 1965, A-3, 2541.
• 26. Kase S., Matsuo T.: f. Appl. Polym. Sci. 1967,11,251.
• 27. Matsui M.: Trans. Soc. Rheol. 1976,20,465.
• 28. Gould L Smith F. S.: f. Textile Inst. 1980,71,38.