Computer modeling of pneumatic formation of superthin fibres

• Autorzy: Jarecki L. , Blonski S. , Zachara A. , Blim A.

Warianty tytułu

PL

Komputerowe modelowanie procesu pneumatycznego formowania supercienkich włókien

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Dynamics of a novel pneumatic process of superthin fibres formation from polymer melts in supersonic air jets in the Laval nozzle is studied using computer simulation. The approach bases on the mathematical k-omega models of air flow in the nozzle and air drawing of polymer filaments in the coaxial air jet. The aerodynamic fields can be considered as undis-turbed by presence of a single row of thin polymer filaments and predetermined air conditions are used in the modeling. The air fields are simulated for several values of the air compressions in the nozzle inlet and two nozzle geometries. Driving force of the Laval nozzle process results from the air drag forces acting onto the filament surface. Mathematical model of stationary melt spinning in single-, thin-filament approximation is applied with the effects of non-linear viscoelasticity of the polymer melt accounted for. The model allows also to discuss non-linear stress-optical relationship reflecting online molecular orientation, as well as online crystallization of the polymer filament if it occurs. Negative rheological extra-pressure in the air-drawn filament is predicted, as resulting from non-linear viscoelasticity of the polymer melt subjected to high elongation rates. The negative extra-pressure could lead to cavitation and longitudinal burst splitting of each filament into a high number of superthin sub-filaments. A hypothetical mean diameter of the sub-filaments is estimated from an energetic criterion. Example computations of the dynamie proflles of air drawing and discussion concern isotactic polypropylene (iPP) subjected to the Laval nozzle process.

PL

Prezentowana jest komputerowa symulacja dynamiki nowego pneumatycznego procesu formowania supercienkich włókien ze stopu polimeru w naddźwiękowycm strumieniu powietrza z zastosowanie dyszy Lavala. Podejście bazuje na matematycznym modelu przepływu powietrza w dyszy Lavala oraz pneumatycznego rozciągania cienkich strug polimeru we współosiowym strumieniu powietrza. W pneumatycznym przędzeniu pola aerodynamiczne można rozważać jako niezaburzone obecnością pojedynczego szeregu cienkich strug polimeru i w modelowaniu procesu stosowane są pola predeterminowane wyznaczone na gruncie aerodynamicznego modelu k-omega. Pola aerodynamiczne są wyznaczone w przypadku kilku wartości ciśnienia powietrza na wejściu dyszy oraz dwu geometrii dyszy. Siła napędowa procesu j z dyszą Lavala wynika z sił tarcia aerodynamicznego na powierzchni włókien. Zastosowano matematyczny model stacjonarnego przędzenia ze stopu polimeru w przybliżeniu pojedynczego, cienkiego włókna, z uwzględnieniem efektów nieliniowej lepkosprężystości stopu. Model pozwala również dyskutować nieliniowe właściwości elastooptyki wynikające z kształtującej się orientacji molekularnej, a także krystalizację i polimeru w przypadku jej zachodzenia podczas formowania. Przewidziano występowanie ujemnego ekstra-naprężenia reologicznego w pneumatycznie rozciąganym włóknie, wynikającego z nieliniowych właściwości lepkosprężystych stopu i poddanego szybkiemu rozciąganiu. Ujemne ekstra-naprężenie może prowadzić do kawitacji w objętości włókna i podłużnego rozpryskowego rozszczepienia się włókna na dużą liczbę supecienkich włókienek. Oszacowano z kryterium energetycznego hipotetyczną średnią wartość średnicy włókienek powstałych w wyniku rozszczepienia. Przykładowe obliczenia profili dynamicznych oraz dyskusja dotyczy procesu przędzenia w dyszy Lavala ze stopu izotaktycznego polipropylenu (iPP).

Słowa kluczowe

EN

melt spinning; polymer air drawing; Laval nozzle process; superthin fibres

• Wydawca: Wydawnictwa AGH
• Czasopismo: Computer Methods in Materials Science
• Rocznik: 2011
• Tom: Vol. 11, No. 1
• Strony: 74--80
• Opis fizyczny: Bibliogr. 16 poz., rys.

Twórcy

autor

Jarecki L.

autor

Blonski S.

autor

Zachara A.

autor

Blim A.

• Institute of Fun damental Technological Research, Polish Academy of Sciences, Pawinskiego 5B, 02-106 Warsaw, Poland,

Bibliografia

• Bansal, V., Shambaugh, R.L., 1988, On-Line Determination of Diameter and Temperature during Melt Blowing of Polypropylene, Ind. Eng. Chem. Res., 37,1799-1806 .
• Gerking, L, 2002, Nanoval Process for Spunbonded Nonwovens, Chem. Fibers Int., 52, 424-426.
• Gerking, L., 2004, Nanoval Process Unique Hydrodynamic Effect (Part 1), Chem. Fibers Int., 54, 261-262 .
• Gerking, L., 2004, Nanoval Process for Spunbonded Details, Chem. Fibers Int., 55, 52-56 .
• Gerking, L., 2006, Nanoval Process - Unique Hydrodynamic Effect (Part 2), Chem. Fibers Int., 56, 57-59.
• Jarecki, L., Ziabicki, A., 2008, Mathematical Modeling of the Pneumatic Melt Spinning of Isotactic Polypropylene, Part II. Dynamic Model of Melt Blowing. Fibres Text. Eastern Eur., 16, 17-24.
• Jarecki, L., Ziabicki, A., Lewandowski, Z., Blim, A., 2011, Dynamics of Air Drawing in the Melt Blowing of Non-wovens from Isotactic Polypropylene by Computer Modeling, J. Appl. Polymer Sci., 119, 53-65.
• Krutka, H.M., Shambaugh R.L., Papavassiliou, D.V., 2003, Effects of Die Geometry on the Flow Field of the Melt Blowing Process, Ind. Eng. Chem. Res., 42, 5541-5553 .
• Lee, J.S., Shin, D.M., Jung, H.W., Hyun, J.C., 2005, Transient Solutions of the Dynamics in Low-Speed Fiber Spinning Process Accompanied by Flow-Induced Crystallization, J. Non-Newtonian FluidMech., 130, 110-116 .
• Majundar , B., Shambaumg, R.L., 1990, Air Drag on Filaments in the Melt Blowing Process J. Rheol., 34, 591-601.
• Larson, R. G., 1988, Constitutive equations for Polymer Melts and Solution, Butterworth, Boston,
• Pope, S.B., 2000, Turbulent Flows, Cambridge University Press, Cambridge.
• Roache, P.J., 1998, Verification and Validation in Computional Science and Engineering, Hermosa Publishedrs Albuquerque, NM.
• Wilcox, D.C, 1988, Reassessment of the Scale-Determining Equation for Advanced Turbulence Models , AIAA Journal, 26, 1299-1310.
• Wilcox, D.C, 1988, Multiscale Models for Turbulent Flow, AIAA Journal, 26, 1311-1320.
• Ziabicki, A., Jarecki L., Wasiak, A., 1998, Dynamic Modeling of Melt Spinning, Comput. Theoret. Polimer Sci., 8, 143-157