Instytut Podstawowych Problemów Techniki

Streszczenie:

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.

Słowa kluczowe:

air-drawing, Laval nozzle, pneumatic melt spinning, superthin fibers

Afiliacje autorów:

Streszczenie:

Computer simulation of the pneumatic processes of fiber formation from the polymer melts is discussed. The dynamics of air-drawing of thin polymer streams in supersonic air jets formed in the Laval nozzle is presented versus the melt blowing process. In the Laval nozzle process, the air flow takes place with high Reynolds number and the k–omega model is used which considers kinetic energy of the air flow and the specific dissipation rate of the kinetic energy. For melt blowing, the air fields are simulated with the use of the k–epsilon turbulent model. The air velocity, temperature, and pressure distributions along the centerline of the air jets are considered in the modeling of both pneumatic processes. The air fields are predetermined at the absence of the polymer streams for several air compression values in the Laval nozzle inlet and several initial air velocities in the melt blowing process. Each polymer stream in a usual configuration of a single row of the filaments in the process is considered as non-interacting aerodynamically with other streams, and the air jet is assumed to be undisturbed by the polymer streams. Airdrawing of the polymer filaments is simulated as controlled by the distribution of air velocity, temperature, and pressure on the air jet centerline with the use of a stationary model of melt spinning in a single-, thin-filament approximation. Effects of non-linear viscoelasticity of the polymer melt subjected to fast uniaxial elongation are accounted for in the modeling. Strong influence of the air jet velocity, the melt viscosity which controls response of the polymer melt on the air-drawing forces, and the dieto-collector distance has been predicted. Influence of initial air temperature, geometry of the air die, initial velocity and temperature of the melt, extrusion orifice diameter can be also predicted from the model. The example computations concern air-drawing of isotactic polypropylene with the use of the Laval nozzle are compared with the predictions for the melt blowing process.

Słowa kluczowe:

computer modeling, fibers, melt blowing, supersonic melt spinning, polypropylene

Afiliacje autorów:

Streszczenie:

The dynamics of stationary air drawing in the melt blowing of nonwovens were determined on the basis of a single-filament model in a thin-filament approximation that accounts for polymer viscoelasticity, heat of viscous friction in the polymer bulk, and surface energy. Predetermined distributions of the air velocity and temperature along the melt blowing axis were assumed. Axial profiles of the polymer velocity, temperature, elongation rate, filament diameter, tensile stress, and extra-pressure were computed for the melt blowing of isotactic polypropylene. The effects of the air-jet velocity, die-to-collector distance, and polymer molecular weight are discussed. We predicted that the filament attenuation and velocity at the collector located in the air-drawing zone would increase with increasing die-to-collector distance. The air-drawing zone was shorter for higher air velocities and lower molecular weights. No online crystallization was predicted before the achievement of the collector, and melt bonding of the filament in the web should have occurred during cooling on the collector, accompanied by spherulitic crystallization. Significant online extrapressure in the filament was predicted in the case of supersonic air jets as resulting from polymer viscoelasticity, which could have led to longitudinal splitting of the polymer into sub-filaments.

Słowa kluczowe:

fibers, polymer melt, modeling of melt spinning, polypropylene

Afiliacje autorów:

Streszczenie:

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-w 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 undisturbed 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 form 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 dynamic profiles of air drawing and discussion concern isotactic polypropylene (iPP) subjected to the Laval nozzle process.

Słowa kluczowe:

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

Afiliacje autorów:

Streszczenie:

Badania dynamicznych charakterystyk formowania włókien PET ze stopu z zastosowaniem grzania strefowego przeprowadzono z zastosowaniem matematycznego modelu stacjonarnego procesu przędzenia w przybliżeniu pojedynczego cienkiego włókna z cieczy polimerowej krystalizującej pod naprężeniem rozciągającym. Układ równañ modelu rozwiązywano przy użyciu standardowych procedur numerycznych. Obliczono osiowe profile prędkości i gradientu prędkości, temperatury, naprężenia rozciągającego i stopnia krystaliczności strugi polimeru. Obliczenia przewidują wystąpienie maksymalnej prędkości odbioru wskutek silnego wzrostu lepkości polimeru w wyniku szybkiej krystalizacji orientowanej w akresie większych prędkości przędzenia. Prędkość maksymalna i związany z tym zakres niedostępnych prędkości odbioru włókien zależą od temperatury w strefie grzania. Osiowe profile prędkości ulegają silnej zmianie wskutek grzania strefowego, a zakres rozciągania strugi, z maksimum szybkości rozciagania, ulega znacznemu przesunięciu do strefy grzania. W konsekwencji następuje znaczne zmniejszenie przewidywanego naprężenia odbioru włókien wskutek skrócenia zestalonego odcinka włókna. Wnioskuje się, że grzanie strefowe przekraczające 30—40 oC temperaturę zeszklenia (Tg) prowadzi do krystalizacji na osi przędzenia już przy małych prędkościach odbioru, podobnej do krystalizacji w szybkim przędzeniu bez strefy grzejnej. Przewidywane zmniejszenie prędkości odbioru odpowiadające krystalizacji następuje w wyniku powtórnego przechodzenia polimeru przez zakres temperatury krystalizacji. Krystalizacja wywołana szybką krystalizacją orientowaną pod wpływem dużego naprężenia rozciągającego jest przewidywana na stosunkowo krótkim odcinku osi procesu i skorelowana z silnym wzrostem naprężenia i zestaleniem polimeru na osi przędzenia. Korelacja orientacji amorficznej obliczonej przed punktem zestalenia się strugi z doświadczalnymi wartościami czynnika orientacji amorficznej włókien PET świadczy o kształtowaniu się orientacji amorficznej odbieranych włókien przez naprężenie rozciągające w punkcie zestalenia. Porównanie doświadczalnych danych orientacji amorficznej i stopnia krystaliczności z przewidywaniami modelowymi wskazuję, że parametr kinetyczny krystalizacji orientowanej A zależy od temperatury. W badanym zakresie temperatury strefy grzania pomiędzy temperaturą zeszklenia i temperaturą maksymalnej szybkości krystalizacji powinien on wzrastać ze wzrostem temperatury.

Słowa kluczowe:

przedzenie włókien, model matematyczny przędzenia, grzanie strefowe, bifurkacja, krystalizacja orientowana, poli(tereftalan etylenu)

Afiliacje autorów:

Streszczenie:

Hot-tube effects in melt spinning from crystallizing polymer melts are dicussed by mathematical modeling of the process dynamics. The model accounts for oriented crystallization, melt viscosity influenced by crystallinity and the crystallization heat. The range of admissible spinning speeds and bifurcation of the model solution for amorphous and crystalline fibers is influenced by crystallinity-dependent viscosity and the crystallization heat. Example solutions of the model are presented for melt spinning of PET fibers.

Słowa kluczowe:

mathematical modeling, melt spinning, zone-heating, structure development, PET fibers

Afiliacje autorów:

Streszczenie:

Badano wpływ temperatury komory grzejnej i szybkości przędzenia na stopień krystaliczności, dwójłomność optyczną, orientację amorficzną i krystaliczną włókien PET otrzymanych jednostopniową metodą przędzenia ze stopu z zastosowaniem komory grzejnej w zakresie temperatury termostatowanej komory z gorącym powietrzem w zakresie 100—210oC. Szybkość przędzenia dotyczyła zakresu konwencjonalnego i szybkiego przędzenia z prędkością odbioru włókna powyżej 4000 m/min. Wykazano, że włókna PET o wysokim stopniu krystaliczności można otrzymać w zakresie konwencjonalnych prędkości przędzenia przy temperaturze komory powyżej 135oC, podczas gdy w szybkim przędzeniu wzrost krystaliczności włókien otrzymywanych następuje przy wyższych temperaturach komory bliskich 190oC. Orientacja molekularna charakteryzuje się wysokim czynnikiem orientacji krystalicznej bliskim 0.9, niezależnie od warunków przędzenia. Grzanie strefowe z zastosowaniem komory powietrznej umożliwia krystalizację polimeru na osi przędzenia z małymi szybkościami odbioru, podczas gdy w szybkim przędzeniu czynnikiem wywołującym krystalizację jest wysoka orientacja amorficzna. Wysoka temperatura komory prowadzi do obniżenia orientacji fazy amorficznej wskutek relaksacji. Jednakże włókna o najwyższej dwójłomności otrzymywane były z zastosowaniem wysokiej temperatury komory.

Słowa kluczowe:

przędzenie włókien PET, szybkie przędzenia, grzanie strefowe, orientacja amorficzna, orientacja krystaliczna, dwójłomność, krystalizacja orientowana

Afiliacje autorów:

Streszczenie:

Pneumatic melt spinning of the fibers by supersonic air jet is an efficient, energy saving method of super-thin fibers formation. In the process with the use of Laval nozzle, the polymer extruded from a raw of orifices in the spinning beam undergoes fast drawn by the pneumatic friction forces. Air velocity, temperature and pressure distributions are computed using k-omega aerodynamic model. Air-drawing dynamics of the polymer bases on the melt spinning model in a single-, thin-filament approximation with the assumption of Phan-Thien/Tanner non-linear viscoelasticity of the melt. Axial velocity, temperature, tensile stress and rheological extra-pressure profiles are computed along the spinning line. Influence of the nozzle geometry, initial air compression, melt extrusion temperature, polymer mass output and the extrusion die diameter is discussed. Influence of the weight average molecular weight, viscosity and relaxation time of the melt is accounted for. Example computations present the role of processing and material characteristics. High cavitating internal extra-pressure is predicted in the melt at high melt elongation rates which may lead to longitudinal burst splitting of the filament. The number of sub-filaments produced by the splitting is estimated reaching nano-fibers thickness range.

Słowa kluczowe:

superthin fibers, air drawing, pneumatic melt spinning, Laval nozzle

Afiliacje autorów:

Streszczenie:

Computer modeling of pneumatic melt spinning of super-thin fibers from crystallizing polymers is presented. Air drawing dynamics of thin polymer streams in melt blowing technology as well as under supersonic air jet in the Laval nozzle is discussed. Hot air jet is used in melt blowing while in the Laval nozzle process cold air is compressed in the nozzle inlet and accelarated to supersonic velocity. Predetermined air fields are simulated using the k-epsilon turbulence model for melt blowing and the k-omega model for the supersonic Laval nozzle processes, with an assumption that the thin polymer filaments do not disturb the air fields substantially. A single-, thin-filament mathematical model of stationary melt spinning is modified for the pneumatic processes and dynamics of the processes is controlled by the axial distributions of the air velocity, temperature and pressure. Effects of non-linear viscoelasticity important for fast flow elongation of polymer melts are accounted for in the model, as well as non-linear stress-orientation relationship and on-line stress induced crystallization of the filament. Example computations are performed for pneumatic formation of polypropylene nonwovens.

Słowa kluczowe:

pneumatic melt spinning, melt blowing, supersonic air jet, super-thin fibers, oriented crystallization

Afiliacje autorów: