Wyniki wyszukiwania - Biblioteka Nauki

1

Wpływ grzania strefowego na strukturę włókien PET i na dynamikę procesu przędzenia ze stanu stopionego. Cz. II, Model matematyczny

100%

Blim A. , Jarecki L.

Polimery

|

2007

|

tom T. 52, nr 9

686-700

PL

Badania dynamicznej charakterystyki procesu formowania włókien PET ze stanu stopionego z grzaniem strefowym przeprowadzono metodą modelowania komputerowego z zastosowaniem matematycznego modelu stacjonarnego procesu przędzenia pojedynczego włókna z cieczy polimerowej, krystalizującej pod wpływem naprężenia rozciągającego. Układ czterech równań różniczkowych zwyczajnych pierwszego rzędu modelu rozwiązywano metodą Runge-Kutta przy użyciu standardowych procedur numerycznych. Obliczono osiowe profile lokalnych prędkości [V(z)], gradientu prędkości (dV/dz), temperatury [T(z)], naprężenia rozciągającego [?p(z)] i stopnia krystaliczności [X(z)] formowanej strugi polimeru w odniesieniu do procesów z takimi samymi przedziałami temperatury strefy grzania, prędkości odbioru oraz z ustaloną grubością odbieranych włókien i graniczną liczbą lepkościową polimeru, jak w przypadku badanych uprzednio włókien PET opisanych w części I [9]. Obliczenia modelowe przewidują wystąpienie maksymalnej prędkości odbioru wynikającej z silnego wzrostu lepkości polimeru wskutek szybkiej krystalizacji orientowanej w warunkach większych prędkości odbioru. Prędkość maksymalna i związany z tym zakres niedostępnych dla procesu prędkości odbioru włókien zależą od temperatury strefy grzania (Tk). Obliczane osiowe profile prędkości ulegają silnej zmianie wskutek zastosowania grzania strefowego, a zakres rozciągania strugi, z maksimum osiowego gradientu prędkości, ulega znacznemu przesunięciu od filiery do zakresu wewnątrz strefy grzejnej. Konsekwencją tego jest znaczne zmniejszenie przewidywanego przez model naprężenia odbioru włókien wskutek skrócenia odcinka włókna poruszającego się z prędkością odbioru. Z obliczeń wnioskuje się, że wprowadzenie grzania strefowego o temperaturze przekraczającej o 30-40°C temperaturę zeszklenia (Tg) prowadzi do wystąpienia rozwiązania z krystalizacją na linii formowania w warunkach małych prędkości odbioru, podobnej do krystalizacji w szybkim przędzeniu bez stosowania strefy grzejnej. Zmniejszenie prędkości odbioru włókna, odpowiadające przewidywanej krystalizacji następuje w wyniku powtórnego przechodzenia polimeru przez zakres temperatury krystalizacji. Krystalizacja strugi, wywołana szybką krystalizacją orientowaną pod wpływem teraz już dużego naprężenia rozciągającego jest przewidywana przez model na bardzo krótkim odcinku osi procesu i skorelowana z silnym wzrostem naprężenia rozciągającego oraz osiągnięciem poziomu prędkości odbioru. Korelacja orientacji amorficznej obliczonej tuż przed punktem zestalenia się strugi z doświadczalnymi wartościami czynnika orientacji amorficznej badanych włókien PET świadczy o tym, że orientacja amorficzna odbieranych włókien jest ukształtowana przez naprężenie rozciągające w punkcie zestalenia. Porównanie określonej doświadczalnie orientacji amorficznej i stopnia krystaliczności badanych włókien z przewidywaniami modelowymi wskazują, że parametr krystalizacji orientowanej A zależy od temperatury polimeru. W badanym zakresie temperatury strefy grzania umiejscowionej pomiędzy Tg i temperaturą maksymalnej szybkości krystalizacji polimeru powinien on wzrastać ze wzrostem temperatury.

EN

Dynamic characteristics of PET fibers melt spinning with online zone heating was studied by computer simulation using mathematical model of the process of stationary spinning of a single filament from polymer melt, with stress-induced crystallization. The system of four differential equations (first-order ones) of the model were solved applying Runge - Kutta method using standard numerical procedures (see Eqs. 1-4). The axial local velocity profiles [V(z)], velocity gradient (dV/dz), temperature [T(z)], tensile stress [?p(z)] and crystallinity degree [X(z)] of molten polymer were calculated for the processes with the same heating zone temperature ranges, take-up velocities, fixed fibers’ diameters and limited viscosity number values as in case of PET fibers described in Part I [9] (Table 1, Fig. 5-14). Model calculations predict an occurring of maximum take-up velocity resulting from strong increase in polymer viscosity due to fast oriented crystallization at higher take-up velocities. The maximum velocity and, connected with it, the range of take-up velocity not available for the process depend on the heating zone temperature (TK). Calculated axial velocity profiles strongly change because of zone heating and the range of melt stretching with the maximum velocity gradient undergoes considerable shift from the spinneret to the heating zone. It results in considerable decrease in the fiber take-up stress, predicted by model, due to shortening of the filament section moving with the final take-up velocity. On the basis of calculations we conclude that the introduction of zone heating of temperature higher 30-40°C than glass transition temperature (Tg) leads to online crystallization of the melt at lower take-up velocities, similar to crystallization at high-speed spinning without heating zone. The decrease in take-up velocity, related to crystallization predicted, is a consequence of repeated polymer transition through crystallization temperature range. Melt stream crystallization, caused by fast oriented crystallization affected by high tensile stress is predicted in the model at very short section of the process line and is correlated with strong increase in tensile stress and reaching the take-up velocity level. The correlation of the calculated amorphous orientation just before the solidification point (Fig. 19) with experimental values of amorphous orientation factor for PET fibers investigated indicate that amorphous orientations of taken-up fibers is formed by tensile stress at solidification point. The comparison of experimentally determined amorphous orientation and crystallinity degree of the fibers tested with the model predictions (Fig. 17-19) shows that the oriented crystallization parameter A depends on the polymer temperature. In the investigated range of heating zone temperature between Tg and temperature of maximum crystallization rate parameter A should increase with increasing temperature.

2

Modeling of pneumatic melt drawing of polypropylene super-thin fibers in the Laval nozzle

80%

Blim A. , Jarecki L. , Blonski S.

Bulletin of the Polish Academy of Sciences. Technical Sciences

|

2014

|

tom Vol. 62, nr 1

43--54

EN

Melt spinning of the fibers by supersonic air jet in the Laval nozzle is a novel, efficient and energy saving method of formation of super-thin fibers. In the process, polymer melt is extruded from a row of orifices and fast drawn by the pneumatic forces. In the modelling, air velocity, temperature and pressure distributions are computed from the k-! aerodynamic model. Computations of the polymer air-drawing dynamics are based on the mathematical model of melt spinning in a single-, thin-filament approximation and Phan-Thien/Tanner non-linear viscoelasticity of the polymer melt. Axial profiles of the polymer velocity, temperature, tensile stress and rheological extra-pressure are computed. Influence of the Laval nozzle geometry, initial air compression, an initial melt temperature, a polymer mass output and the diameter of the melt extrusion die is discussed. The role of the polymer molecular weight, melt viscosity and relaxation time is considered. Example computations show the influence of important processing and material parameters. In the supersonic process, a high negative internal extra-pressure is predicted in the polymer melt under high elongation rates which may lead to cavitation and longitudinal burst splitting of the filament into a high number of sub-filaments. A hypothetical number of sub-filaments at the splitting is estimated from an energetic criterion. The diameter of the sub-filaments may reach the range of nano-fibers. A substantial influence of the Laval nozzle geometry is also predicted.

3

Computer modeling of pneumatic formation of superthin fibres

80%

Jarecki L. , Blonski S. , Zachara A. , Blim A.

Computer Methods in Materials Science

|

2011

|

tom Vol. 11, No. 1

74-80

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).

4

Wpływ grzania strefowego na strukturę włókien PET i dynamikę procesu przędzenia ze stanu stopionego. Cz. I. krystaliczność i orientacja molekularna

80%

Blim A. , Ołdak E. , Wasiak A. , Jarecki L.

Polimery

|

2005

|

tom T. 50, nr 1

48-59

PL

Badano wpływ temperatury komory grzejnej (TK) i prędkości odbioru (VL) na stopień krystaliczności (XV), dwójłomność optyczną (Dn), orientację krystaliczną (fc) i orientację amorficzną (fa) surowych włókien PET otrzymanych w procesie przędzenia ze stanu stopionego z zastosowaniem grzania strefowego. Grzanie takie zapewniała termostatowana komora z gorącym powietrzem o temp. 100-210 stopni C. Włókna odbierano z niej z różnymi prędkościami w zakresie wolnego (konwencjonalnego) i szybkiego (>4000 m/min) przędzenia w warunkach ustalonej grubości masowej włókien. Stopień krystaliczności określano z pomiaru gęstości w kolumnie gradientowej, a czynnik orientacji krystalicznej - z zastosowaniem azymutalnych profili równikowych linii dyfrakcyjnych na rentgenogramach WAXS. Czynnik orientacji amorficznej wyznaczano z pomiarów dwójłomności, czynnika orientacji krystalicznej i stopnia krystaliczności. Pomiary prowadzono z małą i dużą wartością VL, odpowiednio 2600 m/min i 4800 m/min, w niskiej (135 stopni C) bądź w wysokiej (195 stopni C) temperaturze komory. Niższa wartość TK mieści się w połowie zakresu pomiędzy temperaturą zeszklenia (Tg) i temperaturą maksymalnej szybkości krystalizacji (Tmax). Stwierdzono, że włókna PET o dużej wartości XV można otrzymywać z konwencjonalnymi prędkościami VL stosując temperaturę TK >135 stopni C. W przypadku szybkiego przędzenia, wzrost XV wymaga zastosowania wysokiej TK, w pobliżu Tmax ≈ 190 stopni C. Orientacja molekularna charakteryzuje się znacznymi wartościami czynnika fc ≈ 0,9 (niezależnie od warunków przędzenia) i świadczy o stałości krytycznej orientacji fa potrzebnej do wystąpienia krystalizacji orientowanej. Dużą orientację amorficzną przędzionych włókien uzyskuje się w procesach z krystalizacją indukowaną w linii technologicznej przędzenia. W przypadku małych prędkości odbioru czynnikiem indukującym jest grzanie strefowe, a w przypadku szybkiego przędzenia - duża wartość fa. Orientacja amorficzna jest większa, gdy stosuje się niższą temperaturę TK. Wysoka TK prowadzi do zmniejszenia wartości fa wskutek relaksacji. Włókna o największych wartościach dwójłomności otrzymano w wysokiej temperaturze komory.

EN

Effects of heating chamber temperature (TK) and take-up speed (VL) on crystallinity degree (XV), optical birefringence (Dn), crystalline orientation (fc), and amorphous orientation (fa) of PET fibers obtained in melt spinning with zone heating were investigated. Zone heating has been provided by thermostatic chamber with hot air in the temperature range 100-210 degrees C. Take-up speed of fibers varied dependently on the type of spinning: conventional or high speed one (>4000 m/min). Crystallinity degree has been determined from density measured using gradient column, crystalline orientation factor was determined from WAXS diffraction patterns while amorphous orientation factor was determined on the basis of birefringence measurements as well as of crystalline orientation factor and crystallinity degree. Measurements have been carried out for small and big VL values, 2600 or 4800 m/min respectively, at low (135 degrees C) or high (195 degrees C) chamber temperature. Lower TK value is in the middle of the range between glass transition temperature (Tg) and the temperature of maximal crystallization rate (Tmax). It has been found PET fibers showing high XV value can be obtained using conventional VL speed at temp. TK >135 degrees C (Figs. 1 and 2) while in case of high speed spinning XV increase requires high TK temperature close to Tmax ≈ 190 degrees C (Fig. 2). Molecular orientation is characterized by high values of crystalline orientation factor fc ≈ 0.9, independently on spinning conditions. It proves the constant critical level of fa orientation needed to oriented crystallization occurring. High amorphous orientation of the fibers is obtained during melt spinning with online crystallization induced in technological line (Fig. 1, 8). Zone heating is a factor inducing the crystallization in case of low take-up speeds while at high speed spinning high value of fa is this factor. Amorphous orientation is higher for low TK (Fig. 7). High TK leads to decrease in fa value because of relaxation. The fibers showing the highest values of birefringence were obtained at high chamber temperature (Fig. 6).