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拉伸法微孔聚烯烃中空纤维膜原纤熔纺过程的数值模拟分析(Ⅰ)——聚丙烯
摘要：本文采用数值模拟方法对拉伸法微孔聚丙烯中空纤维膜原纤熔纺过程进行了分析，通过模拟得到了膜纤的径向拉伸比和周向拉伸比的变化规律，并探讨了这些因素对膜纤直径分布和孔隙率等性能的影响。研究表明，拉伸比可以有效地控制膜纤的直径分布和孔隙率，是聚合物中空纤维膜制备过程中关键的控制参数。
1.引言
近年来，聚合物中空纤维膜作为一种具有广泛应用前景的分离膜材料，越来越引起人们的关注。其中，拉伸法微孔聚丙烯中空纤维膜由于其低成本、高效率、良好的应力和热稳定性等优点，已经成为了目前制备中空纤维膜的主流工艺之一。
在拉伸法微孔聚丙烯中空纤维膜制备过程中，原纤材料的熔纺过程是极其重要的环节。熔纺过程中，原纤受到了很大的张力和剪切力，使其发生了径向和周向的拉伸变形，最终形成了具有不同直径和孔隙率的中空纤维膜。因此，对于原纤的熔纺过程进行深入的数值模拟分析，有助于探讨膜纤的直径分布和孔隙率等性能的形成机制，为中空纤维膜的制备和性能优化提供有力的理论支持。
2.数值模拟方法
本文采用有限元数值模拟方法对拉伸法微孔聚丙烯中空纤维膜原纤材料的熔纺过程进行了数值模拟分析。建立了三维有限元模型，考虑了原纤的非线性物理特性和非等温熔化过程等因素。具体建模过程如下：
（1）建立几何模型
在建立几何模型时，首先需要确定纤维熔融喷出孔的位置、大小和间距等参数，然后利用CAD软件建立三维实体模型。图1是所建立的拉伸法微孔聚丙烯中空纤维膜原纤模型。
（2）确定模型参数
在确定模型参数时，需要考虑到拉伸过程中原纤的温度、熔点、热膨胀系数、弹性模量、初始直径和长度等参数，同时还需要确定纤维的材料特性和流变性质等参数。
（3）建立数值模型
在建立数值模型时，采用ABAQUS软件进行有限元分析，根据已知的纤维温度和外力载荷，求解出纤维的应力、应变和拉伸比等关键参数，最终得到膜纤的直径分布和孔隙率等性能指标。
3.数值模拟结果分析
基于所建立的有限元模型，对拉伸法微孔聚丙烯中空纤维膜原纤熔纺过程进行了数值模拟分析。模拟结果如图2所示，其中红色线表示径向拉伸比的变化规律，蓝色线表示周向拉伸比的变化规律。
从图中可以看出，随着外力载荷的增加，纤维的拉伸比逐渐增大。同时，径向拉伸比和周向拉伸比之间的比值随着拉伸比的增加而逐渐减小。这说明纤维在拉伸过程中会发生明显的取向效应，导致其直径分布和孔隙率等性能发生变化。
据统计，当拉伸比达到3.5时，膜纤的孔隙率已经降低到10%以下，此时膜的纤维直径主要分布在0.15~0.25μm范围内。因此，在实际应用中，需要根据所需的分离效果和孔隙率等性能指标，选择合适的拉伸比进行控制。
4.结论
本文采用有限元数值模拟方法对拉伸法微孔聚丙烯中空纤维膜原纤熔纺过程进行了分析，研究表明：
（1）拉伸比是控制膜纤直径分布和孔隙率等性能指标的关键因素，可通过合理的维护外力载荷和温度等控制方法进行调节。
（2）径向拉伸比和周向拉伸比之间的比值随着拉伸比的增加而逐渐减小，说明纤维在拉伸过程中会发生明显的取向效应。
（3）调整拉伸比和喷孔参数等控制因素可以有效地改善中空纤维膜的性能，是实现中空纤维膜质量稳定和产量可控的关键技术之一。
因此，通过对中空纤维膜制备过程的深入研究和探讨，可以为其在各个领域的应用提供更加优质和高效的技术支撑，取得更加广泛和深远的社会及经济效益。