一种适用于高粘触变性流体的纺丝装置

本发明属于纺丝设备，涉及一种适用于高粘触变性流体的纺丝装置。

背景技术：

1、纤维材料是纺织、过滤、防护、医疗卫生、航空航天、新能源以及高端装备等领域的重要基础材料。随着市场对阻燃、抗菌、导电、吸附、过滤、耐高温、耐腐蚀等功能性纤维需求的持续增长，纤维体系中往往需要引入高分子量聚合物、功能填料、纳米颗粒、无机组分或复合改性组分，以提升纤维的力学性能、热稳定性、功能响应特性及服役可靠性。上述发展趋势在提升纤维综合性能与绿色制造水平的同时，也使得纺丝原液或纺丝熔体的材料特性日益复杂，部分体系呈现出粘度升高及较强触变性（即在剪切作用下可由粘稠状态转变为流动性较大的状态，而剪切作用取消后，需滞后一段时间才恢复到原来状态）的特征。

2、对于高粘度纺丝原液或纺丝熔体而言，其在纺丝组件内部的流动与分配过程面临突出困难。首先，高粘流体具有较大的流动阻力，在分配腔、过滤层及喷丝板入口区域内流动时易产生显著的压力损失，导致流体难以在有限空间内充分铺展。其次，高粘流体在低剪切区域内容易保持较高表观粘度，周向及径向流动能力较弱，难以快速补偿不同喷丝孔入口处的压力和流量差异，从而加剧了喷丝孔之间的流量不均。

3、纺丝原液或纺丝熔体流量的分配不均会直接反映在喷丝孔出丝状态及纤维成形质量上。当不同喷丝孔的流量分配存在差异时，各孔挤出的细流直径、速度及拉伸受力状态会发生变化，进而造成纤维细度波动、截面轮廓偏差、取向与结晶差异以及力学性能不均。局部流量过大可能导致细流直径偏粗、冷却或凝固不充分、牵伸不稳定；局部流量过小则可能导致细流过细、断丝、飘丝或成形缺陷。因此，如何在高粘度纺丝体系中实现稳定、均匀的流量分配，是当前纺丝组件设计中亟需解决的关键问题。

4、针对上述问题，现有技术已提出多种改进方式。例如，中国专利申请cn210085633u通过增大分配板边缘通孔的直径来提高边缘喷丝孔的流量分配；美国专利申请us5652001a将喷丝板上的喷丝孔改为非等径分布以补偿流量分配不均的问题；中国专利申请cn2663441y则通过分配板底圆锥面与喷丝板顶锥面形成夹角空隙，促使熔体均匀分配。这些方案均属于在高粘流体进入分配区后进行的被动调节，即通过纺丝组件内部结构的被动调整来弥补流体流动性差、径向铺展能力弱所带来的喷丝流量不均的问题。然而，对于不同的纺丝原液或纺丝熔体，其稠度系数及流动指数存在差异，根据幂律流体模型（，其中η为流体表观粘度，pa·s，k为流体的稠度系数，pa·sn，n为流体的流动指数），纺丝原液的剪切稀化关系也会随之变化。这意味着，当纺丝原液或纺丝熔体的材料特性发生变化时，组件中的结构需要进行相应调整，但现有技术并未提供明确的调整方向。

5、此外，部分纺丝原液或纺丝熔体表现出的较强触变性，为采用结构对流体在流量分配前进行粘度主动调控提供了可能，从而有望降低流体粘度、提高流体流动性、增强流体在纺丝组件中的周向及径向铺展能力。

6、因此，需要一种适用于高粘触变性流体的纺丝装置，以解决上述问题，具有十分重要的意义。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决现有技术存在的问题，提供一种适用于高粘触变性流体的纺丝装置。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种适用于高粘触变性流体的纺丝装置，包括进液装置、分配板和喷丝板，进液装置内部设有通道，通道分为上下两部分，上部分为用于引导高粘触变性流体流动的流道，下部分为用于和分配板贴合的贴合部；

4、沿高粘触变性流体的流动方向，流道依次包括进口段、收缩段、喉道段和扩张段；

5、收缩段的流通水平截面积沿高粘触变性流体的流动方向逐渐减小，并在喉道段最上端处达到最小；

6、喉道段的流通水平截面积沿高粘触变性流体的流动方向保持不变；

7、扩张段的流通水平截面积由喉道段最下端起沿高粘触变性流体的流动方向逐渐增大；

8、高粘触变性流体是指在纺丝工艺温度下、剪切速率为1s-1时，表观粘度不小于2000pa·s，且具有触变性的流体；

9、高粘触变性流体流至喉道段最下端处时的近壁面表观粘度不高于50pa·s；

10、分配板为进液装置下方第一个结构件，高粘触变性流体自喉道段最下端处流至分配板各个分配孔的最长时间ta小于t/5，其中，t为高粘触变性流体自喉道段最下端处的目标表观粘度在无剪切作用下恢复至90%零切粘度所需时间。

11、作为优选的技术方案一：

12、如上所述的一种适用于高粘触变性流体的纺丝装置，喷丝板为环形喷丝板；

13、通道为由沿进液装置的径向间距排列且独立的母线a和母线b绕进液装置的中心轴旋转一周形成的回转体，母线a位于母线b的外侧；

14、分配板为环形分配板，其上表面由偏离环形分配板的中心轴的倒v形环绕环形分配板的中心轴旋转一周形成，倒v形的顶点随旋转生成顶边缘，而倒v形的两端点则分别随旋转生成内边缘与外边缘；

15、自分配板的上表面的顶边缘至内边缘以及自分配板的上表面的顶边缘至外边缘，环形分配板上分配孔的直径均逐渐增大；

16、环形分配板的下方安装有环形过滤网，环形过滤网的下方安装有环形过滤网支撑板，环形喷丝板安装在环形过滤网支撑板的下方。

17、如上所述的一种适用于高粘触变性流体的纺丝装置，母线a由第一长度段、第二长度段、第三长度段、第四长度段和第五长度段构成，第一长度段、第二长度段、第三长度段和第四长度段分别与流道的进口段、收缩段、喉道段和扩张段一一对应，第五长度段与通道的贴合部对应；

18、第四长度段的最低点与进液装置的中心轴的水平距离记为l1；

19、第四长度段与水平方向的夹角记为βa；

20、第三长度段与进液装置的中心轴的水平距离记为l2；

21、第三长度段的高度记为ha；

22、第二长度段的最高点与进液装置的中心轴的水平距离记为l3；

23、第二长度段与水平方向的夹角记为αa；

24、第三长度段的最低点与分配板各个分配孔的最远距离记为la；

25、环形喷丝板最内侧喷丝孔圆心与喷丝板圆心的距离记为r1；

26、环形喷丝板最外侧喷丝孔圆心与喷丝板圆心的距离记为r2。

27、如上所述的一种适用于高粘触变性流体的纺丝装置，第一长度段和第三长度段为竖直布置线段，第二长度段、第四长度段和第五长度段均为倾斜布置线段，90°<αa<180°，90°<βa<180°，第五长度段与环形分配板轴向截面处顶边缘与外边缘的连线平行。

28、如上所述的一种适用于高粘触变性流体的纺丝装置，r2+d≤l1≤r2+30mm，d为喷丝孔流体入口处直径。

29、如上所述的一种适用于高粘触变性流体的纺丝装置，母线a和母线b呈轴对称分布，对称轴平行于进液装置的中心轴，对称轴与进液装置的中心轴的水平距离为(r1+r2)/2。

30、如上所述的一种适用于高粘触变性流体的纺丝装置，高粘触变性流体流至喉道段最下端处时的近壁面表观粘度不高于50pa·s是通过控制多个参数满足以下公式实现的：

31、；

32、式中，k为高粘触变性流体的稠度系数，2000pa·sn

33、如上所述的一种适用于高粘触变性流体的纺丝装置，ha满足以下公式：

34、；

35、式中，q为高粘触变性流体的体积流量，单位为m3/s；t的单位为s，r1、r2、l2和ha的单位均为m。

36、如上所述的一种适用于高粘触变性流体的纺丝装置，l1≤l3≤2l1。

37、如上所述的一种适用于高粘触变性流体的纺丝装置，高粘触变性流体自喉道段最下端处流至分配板各个分配孔的最长时间ta小于t/5是通过控制多个参数满足以下公式实现的：

38、；

39、式中，q为高粘触变性流体的体积流量，单位为m3/s；t的单位为s；l1、l2、la、r1以及r2的单位均为m。

40、如上所述的一种适用于高粘触变性流体的纺丝装置，进液装置由外壳体和内壳体构成，母线a为外壳体的内表面轮廓线，母线b为内壳体的外表面轮廓线；

41、外壳体的外侧套有外部保温壳体a；内壳体的内侧套有内部保温壳体a。

42、作为优选的技术方案二：

43、如上所述的一种适用于高粘触变性流体的纺丝装置，喷丝板为圆形喷丝板；

44、通道为由母线c绕进液装置的中心轴旋转一周形成的回转体；

45、分配板为圆形分配板，其上表面为锥面且锥面的顶点经过圆形分配板的中心轴；

46、自分配板的上表面的顶点至边缘，圆形分配板上分配孔的直径逐渐增大；

47、圆形分配板的下方安装有圆形过滤网，圆形过滤网的下方安装有圆形过滤网支撑板，圆形喷丝板安装在圆形过滤网支撑板的下方。

48、如上所述的一种适用于高粘触变性流体的纺丝装置，母线c由长度段一、长度段二、长度段三、长度段四和长度段五构成，长度段一、长度段二、长度段三和长度段四分别与流道的进口段、收缩段、喉道段和扩张段一一对应，长度段五与通道的贴合部对应；

49、长度段四的最低点与进液装置的中心轴的水平距离记为l4；

50、长度段四与水平方向的夹角记为βb；

51、长度段三与进液装置的中心轴的水平距离记为l5；

52、长度段三的高度记为hb；

53、长度段二的最高点与进液装置的中心轴的水平距离记为l6；

54、长度段二与水平方向的夹角记为αb；

55、长度段三的最低点与分配板各个分配孔的最远距离记为lb；

56、圆形喷丝板最外侧喷丝孔圆心与喷丝板圆心的距离记为r3。

57、如上所述的一种适用于高粘触变性流体的纺丝装置，长度段一和长度段三为竖直布置线段，长度段二、长度段四和长度段五均为倾斜布置线段，90°<αb<180°，90°<βb<180°，长度段五与圆形分配板轴向截面处上表面顶点与边缘的连线平行。

58、如上所述的一种适用于高粘触变性流体的纺丝装置，r3+d≤l4≤r3+30mm，d为喷丝孔流体入口处直径。

59、如上所述的一种适用于高粘触变性流体的纺丝装置，高粘触变性流体流至喉道段最下端处时的近壁面表观粘度不高于50pa·s是通过控制多个参数满足以下公式实现的：

60、；

61、式中，k为高粘触变性流体的稠度系数，2000pa·sn

62、如上所述的一种适用于高粘触变性流体的纺丝装置，hb满足以下公式：

63、；

64、式中，q为高粘触变性流体的体积流量，单位为m3/s；t的单位为s，l5和hb的单位均为m。

65、如上所述的一种适用于高粘触变性流体的纺丝装置，l4≤l6≤2l4。

66、如上所述的一种适用于高粘触变性流体的纺丝装置，高粘触变性流体自喉道段最下端处流至分配板各个分配孔的最长时间ta小于t/5是通过控制多个参数满足以下公式实现的：

67、；

68、式中，q为高粘触变性流体的体积流量，单位为m3/s；t的单位为s；lb、l4、l5的单位均为m。

69、如上所述的一种适用于高粘触变性流体的纺丝装置，进液装置为管状壳体，母线c为管状壳体的内表面轮廓线；

70、管状壳体的外侧套有外部保温壳体b。

71、发明原理：

72、高粘触变性流体为非牛顿流体，具有剪切稀化特性，即流体的粘度随着剪切速率的提高而逐渐降低，针对该特性，本发明在高粘触变性流体进入分配板前安装一种适用于高粘触变性流体的进液装置，在该进液装置中沿高粘触变性流体的流动方向，流道依次包括进口段、收缩段、喉道段和扩张段。采用该结构可以使高粘触变性流体的流速和速度梯度逐渐增大，从而在喉道段形成较高剪切速率区域。对于具有剪切稀化特性的高粘触变性流体，较高的剪切速率能够降低其在喉道段及邻近下游区域内的表观粘度，减小流动阻力，增强高粘触变性流体的流动性和铺展能力，使高粘触变性流体能够更加充分地向纺丝组件的不同周向及径向位置铺展，进而减小喷丝孔入口处的压力和流量差异，提高各喷丝孔的流量分配均匀性。

73、现有纺丝工艺温度下，人们对于粘度集中在50-2000pa·s的纺丝原液或纺丝熔体开发出了多款纺丝组件设备，如专利申请cn1265035c、专利申请cn104562225a等。因此，依据现有技术如果在进液装置中设置一个喉道段使流体发生剪切稀化，从而使流体在喉道段出口处的近壁面粘度降低至50pa·s以下，同时控制流体自喉道段出口处流至分配板各个孔道的粘度恢复时间，则可以大范围的降低流体在分配板及其下游的粘度，使粘度区间落在50-2000pa·s之内，然后再利用现有纺丝组件的已有技术进行流量的均匀分配，则可以达到均匀纺丝的目的。

74、喉道段是流体发生剪切稀化从而使粘度下降的核心区域，剪切速率越高，流体的粘度越低。剪切速率是描述流体内部相邻层之间相对滑动速度变化的物理量，对于喉道段内流动的流体，当入口流量恒定时，喉道段越狭窄，则流体的流速越大，剪切速率越高，流体的粘度则越低。因此为控制高粘触变性流体从进液口喉道段流出时的粘度，需要对喉道段的宽度进行约束。下面分两种情况进行讨论：

75、（1）对于适配于环形喷丝板的进液装置

76、对于适配于环形喷丝板的进液装置，在进液装置的中心轴的轴向截面内，外壳体的内表面轮廓线（即母线a）与内壳体的外表面轮廓线（即母线b）成轴对称分布，对称轴为一条与进液装置的中心轴平行的直线，对称轴与进液装置的中心轴的水平距离为(r1+r2)/2，r1为环形喷丝板最内侧喷丝孔圆心与喷丝板圆心的距离，r2为环形喷丝板最外侧喷丝孔圆心与喷丝板圆心的距离。因此，喉道段的宽度为l7为：

77、；

78、其中，r1单位m；r2单位m；l2为母线a的第三长度段（对应喉道段）与进液装置的中心轴的水平距离，m；

79、为满足剪切稀化效果，l7须足够小，因此可将其近似等效为狭缝流道进行剪切速率估算，因高粘触变性流体在喉道段经历恒定剪切速率的时间足够的长（喉道段的高度下文给出），因此时间对喉道段最下端处高粘触变性流体粘度的影响可以忽略，喉道段最下端近壁面处高粘触变性流体的剪切速率计算可以按照普通的非牛顿流体进行计算；

80、把喉道段最下端处的流道平面沿周向展开可得一个等效矩形狭缝平面，满足以下公式：

81、；

82、其中，wa为等效矩形狭缝平面的宽度，m；ha为等效矩形狭缝平面的高度，ha=l7，m；

83、则：

84、；

85、等效矩形狭缝平面壁面附近的表观剪切速率可由下式求得：

86、；

87、其中，q为高粘触变性流体的体积流量，m3/s；

88、即：

89、；

90、对于高粘触变性流体，由于其为非牛顿流体会发生剪切稀化，因此需要采用rabinowitsch修正方法对上述表观剪切速率进行修正，修正后的剪切速率的计算公式如下：

91、；

92、其中，n为高粘触变性流体的流动指数；

93、则高粘触变性流体流至喉道段最下端处时的近壁面表观粘度为：

94、；

95、其中，k为高粘触变性流体的稠度系数，pa·sn；

96、由此可知，对于适配于环形喷丝板的进液装置，高粘触变性流体流至喉道段最下端处时的近壁面表观粘度与喉道段的宽度2l2-r1-r2成幂函数正相关关系，随着喉道段的宽度的减小，剪切速率增大，高粘触变性流体流至喉道段最下端处时的近壁面表观粘度降低；

97、为保证高粘触变性流体流至喉道段最下端处时的近壁面表观粘度不高于50pa·s，则多个参数满足以下公式：

98、。

99、（2）对于适配于圆形喷丝板的进液装置

100、对于适配于圆形喷丝板的进液装置，进液装置为管状壳体，母线c为管状壳体的内表面轮廓线，喉道段的宽度由母线c的长度段三（对应喉道段）与进液装置的中心轴的水平距离l5决定，其求解思路和适配于环形喷丝板的喉道段的宽度求解思路类似，具体求解思路如下：

101、为满足剪切稀化效果，喉道段的宽度l8=2l5须足够小，因此可将其近似等效为狭缝流道进行剪切速率估算。因高粘触变性流体在喉道段经历恒定剪切速率的时间足够的长（喉道段的高度下文给出），因此时间对喉道段最下端处高粘触变性流体粘度的影响可以忽略，喉道段最下端近壁面处高粘触变性流体的剪切速率计算可以按照普通的非牛顿流体进行计算。

102、把喉道段最下端处的流道平面沿周向展开可得一个等效矩形狭缝平面，满足以下公式：

103、；

104、其中，wb为等效矩形狭缝平面的宽度，m；hb为等效矩形狭缝平面的高度，hb=l8，m；

105、则：

106、；

107、等效矩形狭缝平面壁面附近的表观剪切速率可由下式求得：

108、；

109、即：

110、；

111、对于高粘触变性流体，由于其为非牛顿流体会发生剪切稀化，因此需要采用rabinowitsch修正方法对上述表观剪切速率进行修正，修正后的剪切速率的计算公式如下：

112、；

113、则高粘触变性流体流至喉道段最下端处时的近壁面表观粘度为：

114、；

115、为保证高粘触变性流体流至喉道段最下端处时的近壁面表观粘度不高于50pa·s，则多个参数满足以下公式：

116、。

117、对于高粘触变性流体，当高粘触变性流体由低剪切状态突然受到恒定的较高剪切作用时，其表观粘度不仅受到当前剪切速率的影响，还与剪切持续时间及高粘触变性流体内部结构状态有关。随着剪切作用持续，高粘触变性流体内部结构逐渐破坏，表观粘度随时间逐渐降低，并最终趋于该剪切速率条件下的稳定值，此时剪切速率的计算可以忽略时间效应对其的影响。为使高粘触变性流体在喉道段发生充分的剪切稀化，并在喉道段的出口处忽略高粘触变性流体时间效应对剪切速率计算的影响，需要对喉道段的高度进行约束。下面分两种情况进行讨论：

118、（1）适配于环形喷丝板的进液装置

119、适配于环形喷丝板的喉道段的流速va可由下式求得：

120、；

121、为保证高粘触变性流体在喉道段中的近壁面剪切速率不再随时间发生变化，则需控制：

122、；

123、其中，t为高粘触变性流体自喉道段最下端处的目标表观粘度在无剪切作用下恢复至90%零切粘度所需时间，s；

124、同时为避免喉道段的高度过大造成的加工不便，则需控制：

125、；

126、因此，喉道段的高度ha满足下式：

127、。

128、（2）适配于圆形喷丝板的进液装置

129、适配于圆形喷丝板的喉道段的流速vb可由下式求得：

130、；

131、为保证高粘触变性流体在喉道段中的剪切速率不再随时间发生变化，则需控制：

132、；

133、同时为避免喉道段的高度过大造成的加工不便，则需控制：

134、；

135、因此，喉道段的高度hb满足下式：

136、。

137、高粘触变性流体从喉道段最下端处流出以后，高粘触变性流体进入扩张段，剪切速率逐渐降低，高粘触变性流体内部微观结构开始逐渐重建，粘度将逐渐恢复，为使进液装置的剪切效果能够有效的作用于后续的流量分配过程，从而减小流动阻力，增强高粘触变性流体的流动性和铺展能力，因此需要对高粘触变性流体自喉道段最下端处流至分配板各个分配孔的最长时间ta进行控制。

138、在无剪切作用下高粘触变性流体从喉道段最下端的表观粘度恢复至零切粘度过程中随着时间的增长高粘触变性流体的粘度升高速率逐渐减弱。从模型角度来说，只有t趋于无穷大时才能恢复最终粘度，为便于分析，采用恢复到90%粘度阈值的时间作为恢复时间。为控制高粘触变性流体自喉道段最下端处流至分配板各个分配孔的粘度恢复时间，需要对高粘触变性流体自喉道段最下端处流至分配板各个分配孔的最长时间ta进行控制。研究发现当t/5≤ta时，高粘触变性流体的粘度恢复较高，流动性以及铺展能力较弱，不利于后续的流量分配；当ta＜t/5时，下游高粘触变性流体能够保持较好的流动性以及铺展能力，喷丝板的流量分配均匀性能够得到较大提升。

139、为控制高粘触变性流体自喉道段最下端处流至分配板各个分配孔的最长时间ta，需要对喉道段最下端处与分配板各个分配孔的最长距离进行约束。下面分两种情况进行讨论：

140、（1）适配于环形喷丝板进液装置

141、进液装置中喉道段最下端处至最远分配板分配孔的总体流速采用进液装置中喉道段平均流速与进液装置扩张段出口处平均流速的平均值，则对于适配于环形喷丝板的进液装置，喉道段最下端处与分配板各个分配孔的最长距离（即母线a第三长度段的最低点与分配板各个分配孔的最远距离）la满足下式：

142、；

143、其中，l1为母线a的第四长度段（对应扩张段）的最低点与进液装置的中心轴的水平距离，m。

144、（2）适配于圆形喷丝板进液装置

145、对于适配于圆形喷丝板的进液装置，喉道段最下端处与分配板各个分配孔的最长距离（即母线c长度段三的最低点与分配板各个分配孔的最远距离）lb满足下式：

146、；

147、其中，l4为母线c的长度段四（对应扩张段）的最低点与进液装置的中心轴的水平距离，m。

148、有益效果：

149、（1）本发明进液装置中流道的结构对于具有剪切稀化特性的高粘触变性流体可在进入分配板之前实施均匀预剪切，同时利用触变性流体在剪切作用下可由粘稠状态变为流动性较大的状态，而剪切作用取消后，要滞后一段时间才恢复到原来状态的特性，通过控制喉道段最下端处至分配板各个分配孔的最远距离来控制流体的粘度恢复时间，使喉道段的剪切稀化效果能够有效作用于后续流量分配过程，减小流动阻力，增强高粘触变性流体的流动性和铺展能力，使高粘触变性流体能够更加充分地向纺丝组件的不同周向及径向位置扩散，进而减小不同喷丝孔入口处的压力和流量差异，提高各喷丝孔的流量分配均匀性。

150、（2）本发明通过控制喉道段的高度，使高粘触变性流体可以充分的进行剪切稀化，避免剪切稀化作用持续时间过短所导致的流体在该恒定剪切速率下未充分完成剪切稀化现象的出现。

151、（3）本发明具有结构简单、运行可靠、流体剪切强度可调、便于安装维护等优点，尤其适用于高粘触变性流体的纺丝供液过程。