摘要
Lyocell纤维生产所用的最基本的原材料为自然界中大量存在且可再生的纤维素，在生产过程中无有害物质排放，Lyocell纤维也被称为本世纪最有研究和投资价值的绿色纤维，特别是自从2015年《中华人民共和国环境保护法》实施以来，在国家和社会越来越重视环境的保护和绿色发展的背景下，Lyocell纤维产业规模有望超越传统的粘胶纤维。近几十年来Lyocell纤维的生产突破了溶剂回收、高效溶解等大批量生产的关键技术，其生产规模和效率都具备了大规模推广的条件。为进一步降低装备的投资成本、提高纺丝效率和质量，本文使用数值模拟的方法对Lyocell纺丝吹风和组件设计进行了研究。 本文首先通过对Lyocell溶液流变特性的测试，得到溶液的流变参数，并通过干喷湿纺试验验证了Lyocell纺丝溶液的可纺性；以此为基础，建立了纤维素/N-甲基吗啉-N-氧化物(NMMO)溶液干喷湿纺二维非等温动力学模型，模拟计算并分析了喷丝板微孔结构参数（入口直径、长径比）对纤维素/NMMO溶液在喷丝孔内流动、压力降、挤出胀大的影响，综合考虑各种影响因素，优选入口直径和长径比分别为0.24mm和3时较合适。 根据Lyocell纺丝所用工艺为干喷湿纺，在喷丝板与凝固浴之间有一段气隙，一般在此处施加吹风，减少纤维并丝等瑕疵。为预测合理的吹风条件，本文通过建立空气段中空气与纤维的几何模型，使用双相流固耦合的模拟方法，研究了在中心环吹风条件下喷丝板微孔排布、出风口位置、吹风风速等对纤维吹风均匀性、稳定性的影响，得出优选的吹风条件为：孔排布相位差0.075°，出风口高度4~6mm，出风口至孔排布区的径向距离10mm左右，吹风风速在30m/s左右，这种条件下纺丝吹风的均匀性和稳定性都较好。 考虑喷丝板的结构设计和优化有变形、受载应力等几个关键指标，研究了喷丝板的挠度和最大剪切应力。采用结构静力学仿真分析的方法，结合纺丝液挤出模拟研究得到的压力数据，分析了Lyocell纺丝环形喷丝板侧壁倾角、高度、微孔圈数等重要结构参数对喷丝板工作时挠度与最大剪切应力的影响规律，得到在计算工艺条件下Lyocell环形喷丝板的微孔圈数不宜超过32圈，壁面倾角宜取60°左右，高度不宜超过8mm的结论。
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