涂层纺织材料固化过程中溶剂扩散过程的数值模拟方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN112131757A(43)申请公布日2020.12.25(21)申请号202011088402.3(22)申请日2020.10.13(71)申请人天津工业大学地址300387天津市西青区宾水西道399号(72)发明人郑振荣毕月姣仝丽欢刘娅岚聂健健(51)Int.Cl.G06F30/20(2020.01)G06F111/10(2020.01)G06F113/12(2020.01)G06F119/08(2020.01)权利要求书2页说明书6页附图4页(54)发明名称涂层纺织材料固化过程中溶剂扩散过程的数值模拟方法(57)摘要本发明公开了一种涂层纺织材料固化过程中溶剂扩散过程的数值模拟方法，该方法将涂层织物的传质方程、能量守恒方程和涂层薄膜厚度随时间变化的方程三者进行耦合求解，定量计算涂膜内溶剂浓度随时间的变化情况。根据纺织材料为多孔介质，在涂层织物能量守恒方程中，涂层液符合流体传热特点，织物则用多孔介质传热方程描述：在设置传质方程求解的边界条件时，分别考虑了溶剂在涂层液与空气界面和织物与空气界面的扩散通量方程，因此可以获得更为准确的溶剂浓度分布情况。本发明可帮助确定涂层织物固化所需时间、固化后涂膜厚度和残留溶剂浓度。为涂层纺织材料固化条件的优化、涂膜缺陷的消除及新型干燥设备的开发设计提供理论指导和科学依据。CN112131757ACN112131757A权利要求书1/2页1.涂层纺织材料固化过程中溶剂扩散过程的数值模拟方法，其特征在于，该方法的具体步骤如下：步骤一：基于自由体积理论获得涂层液体系中溶剂和聚合物的自由体积参数，从而求得涂层液中溶剂的互扩散系数Di，并设置扩散模型的初始条件，包括涂层液中溶剂质量分数ws、初始涂层厚度L0、环境温度T和环境风速v；步骤二：由于涂层液中溶剂分子的扩散过程是随时间变化的非稳态扩散，符合菲克扩散的第二定律，传质方程见公式(1)；3其中，c为溶剂扩散时的瞬时浓度，kg/m；t为时间，s；Di为涂层液体系中溶剂的互扩散系数，m2/s，表征溶剂分子扩散能力的物理量；x和y代表二维空间中的水平和垂直方向；步骤三：在固化过程中，涂层织物由涂层液和织物两部分组成，涂层液符合流体传热的特点，织物为多孔介质，采用多孔材料的传热方程进行描述，二者均遵循能量守恒方程；(1)多孔织物的能量守恒方程见公式(2)：3其中，ρ是织物密度，kg/m；cp是织物的恒压热容，J/(kg·K)，(ρcp)eff是有效体积热容，33J/(m·K)；keff为有效导热系数，W/(m·K)；T为温度，K；c为溶剂的瞬时浓度，kg/m；θp为织物的孔隙率；(2)涂层液的能量守恒方程见公式(3)：3其中，ρl是涂层液的密度，kg/m；cpl是涂层液的恒压热容，J/(kg·K)；kl为涂层液的导2热系数，W/(m·K)；Di是溶剂的扩散系数，m/s；公式(3)的左边表示多孔织物与涂层液体系单位时间内增加的热量，等式右边第一项及第二项分别表示涂层织物体系内导热传递的热量、溶剂扩散传递所携带的热量；步骤四：在涂层织物干燥过程中，溶剂不断向空气中扩散，织物表面之上的涂层液逐步固化并形成涂层薄膜，且在溶剂扩散的过程中涂层薄膜厚度不断减小；根据溶剂质量平衡方程，将涂层薄膜厚度的收缩率与溶剂的蒸发率联系在一起，建立涂层薄膜厚度L随时间变化的方程，见公式(4)：其中，kg是传质系数，s/m，通过Chilton-Colburn类比法得到；vs为溶剂的比容，它和密度互为倒数，m3/kg；为周围环境中溶剂的蒸汽压，Pa，其值近似为零，因为溶剂的扩散不会使环境中溶剂浓度明显升高，为涂层织物体系中的溶剂分压，通过Flory-Huggins理论获得；步骤五：设置传热过程的边界条件；2CN112131757A权利要求书2/2页涂层液与空气界面处(在Z＝L处)的边界方程为：织物与空气界面处(在Z＝H处)的边界方程为：2其中，h为表面自然对流的换热系数，W/(m·K)；Tair为空气温度；T为涂层织物温度；hfg为蒸发潜热，kJ/kg；θp为织物的孔隙率；qresin-rad和qfabric-rad分别为涂层液和织物辐射散失的热量，W；mtop和mbottom分别为涂层液顶部和织物底部的蒸发率，计算过程如下：步骤六：设置传质过程的边界条件，涂层织物干燥过程中，溶剂的扩散通量由传质系数及扩散推动力表示；涂层液与空气界面处(在Z＝L处)的边界通量方程为：织物与空气界面处(在Z＝H处)的边界通量方程为：2式中，Di为涂层液体系中溶剂的互扩散系数，m/s；c为涂层液体系中溶剂的瞬时浓度，33kg/m；Vs为溶剂的比容，m/kg；θp为织物孔隙率；步骤7：根据待求解的目标工艺参数，设定初始条件的取值，结