本發(fā)明涉及高性能聚合物材料加工，尤其涉及一種用于高強(qiáng)高模聚乙烯纖維噴絲板成型系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、聚乙烯纖維因其密度低、斷裂強(qiáng)度高和耐化學(xué)腐蝕性能優(yōu)良，廣泛應(yīng)用于防彈材料、高性能織物及工業(yè)增強(qiáng)材料等領(lǐng)域；其中，高強(qiáng)高模聚乙烯纖維的性能直接依賴于其分子鏈的取向度和結(jié)晶度，而噴絲板成型過程是決定分子鏈結(jié)構(gòu)演化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)；在實(shí)際生產(chǎn)中，熔體在流經(jīng)噴絲板通道過程中常常受到剪切擾動、壓力波動及湍流干擾等多種不穩(wěn)定因素影響，導(dǎo)致流場結(jié)構(gòu)紊亂，從而影響分子鏈的有序排列，進(jìn)而造成纖維強(qiáng)度不均、模量波動大等質(zhì)量問題。

2、現(xiàn)有噴絲板成型技術(shù)大多依賴固定結(jié)構(gòu)流道和靜態(tài)工藝參數(shù)，難以根據(jù)熔體狀態(tài)的實(shí)時變化動態(tài)調(diào)整剪切與壓力控制策略，亦無法在擠出過程內(nèi)有效約束湍流發(fā)展和分子鏈定向失穩(wěn)，限制了高取向聚乙烯熔體的穩(wěn)定輸出能力。因此，亟需一種用于高強(qiáng)高模聚乙烯纖維噴絲板成型系統(tǒng)及方法，來解決高強(qiáng)高模聚乙烯纖維在成型過程中的取向控制與流動穩(wěn)定性難題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、基于上述目的，本發(fā)明提供了一種用于高強(qiáng)高模聚乙烯纖維噴絲板成型系統(tǒng)及方法。

2、一種用于高強(qiáng)高模聚乙烯纖維噴絲板成型系統(tǒng)，包括熔體狀態(tài)監(jiān)測模塊、動態(tài)流變協(xié)調(diào)模塊、微流場重構(gòu)模塊、分子鏈定向模塊以及擠出穩(wěn)定模塊；其中：

3、熔體狀態(tài)監(jiān)測模塊：用于實(shí)時獲取噴絲板入口熔體的取向度實(shí)時值和壓力波動值；

4、動態(tài)流變協(xié)調(diào)模塊：基于取向度實(shí)時值與預(yù)設(shè)目標(biāo)取向度的差值生成剪切速率調(diào)節(jié)指令，同時基于壓力波動值生成壓力補(bǔ)償指令；

5、微流場重構(gòu)模塊：用于響應(yīng)剪切速率調(diào)節(jié)指令與壓力補(bǔ)償指令，通過可調(diào)幾何流道輸出滿足預(yù)設(shè)剪切分布條件的熔體；

6、分子鏈定向模塊：用于接收滿足預(yù)設(shè)剪切分布條件的熔體，在收斂流道中生成軸向拉伸流場，輸出滿足預(yù)設(shè)取向條件的熔體；

7、擠出穩(wěn)定模塊：用于接收滿足預(yù)設(shè)取向條件的熔體，通過湍流抑制結(jié)構(gòu)輸出滿足預(yù)設(shè)速度分布條件的擠出細(xì)流至噴絲孔。

8、可選的，所述熔體狀態(tài)監(jiān)測模塊包括取向度檢測單元與壓力波動采集單元，其中：

9、取向度檢測單元：部署于噴絲板入口前的熔體通道，通過雙折射檢測原理獲取熔體的光學(xué)各向異性指標(biāo)，并據(jù)此計(jì)算取向度實(shí)時值，按固定時間間隔輸出至動態(tài)流變協(xié)調(diào)模塊；

10、壓力波動采集單元：設(shè)置于噴絲板入口處的壓電式傳感器，用于采樣入口壓力數(shù)據(jù)，并計(jì)算滑動時間窗口內(nèi)的壓力變化范圍，形成壓力波動值。

11、可選的，所述取向度檢測單元包括：

12、光源發(fā)射子單元：用于發(fā)出線偏振激光束，激光束沿垂直于熔體主流方向穿透熔體通道，使熔體中鏈段的取向狀態(tài)引起偏振態(tài)變化；

13、偏振信號接收子單元：設(shè)置于激光束出射側(cè)，用于測量激光通過不同方向偏振器后的光強(qiáng)變化值，并計(jì)算雙折射強(qiáng)度差值；

14、取向度計(jì)算子單元：基于雙折射強(qiáng)度差值，計(jì)算熔體的取向度實(shí)時值，公式為：，其中，為激光波長，為光程厚度，為圓周率常數(shù)。

15、可選的，所述動態(tài)流變協(xié)調(diào)模塊包括取向差值分析單元和剪切速率調(diào)控單元；其中：

16、取向差值分析單元：用于接收熔體狀態(tài)監(jiān)測模塊提供的取向度實(shí)時值，并與預(yù)設(shè)目標(biāo)取向度進(jìn)行差值計(jì)算，生成取向偏差值，并將其傳遞至剪切速率調(diào)控單元；

17、剪切速率調(diào)控單元：基于取向偏差值，計(jì)算目標(biāo)剪切速率調(diào)整量，并通過比例控制方式生成剪切速率調(diào)節(jié)指令，其表達(dá)式為：，其中，為剪切靈敏度系數(shù)。

18、可選的，所述動態(tài)流變協(xié)調(diào)模塊還包括壓力波動分析單元和壓力補(bǔ)償計(jì)算單元；其中：

19、壓力波動分析單元：接收壓力波動值，記為，并與設(shè)定的壓力波動閾值進(jìn)行比較，判斷是否觸發(fā)壓力補(bǔ)償；

20、壓力補(bǔ)償計(jì)算單元：當(dāng)時，計(jì)算目標(biāo)壓力補(bǔ)償量，進(jìn)而生成壓力補(bǔ)償指令，公式為：，其中；為壓力調(diào)整系數(shù)。

21、可選的，所述微流場重構(gòu)模塊包括剪切調(diào)節(jié)單元、壓力補(bǔ)償單元與可調(diào)幾何流道結(jié)構(gòu)單元，其中：

22、剪切調(diào)節(jié)單元：基于剪切速率調(diào)節(jié)指令，控制可調(diào)幾何流道結(jié)構(gòu)單元內(nèi)壁中部區(qū)域的動態(tài)變形機(jī)構(gòu)，實(shí)時調(diào)節(jié)局部流道寬度，以形成與調(diào)整指令對應(yīng)的速度梯度場；

23、壓力補(bǔ)償單元：基于壓力補(bǔ)償指令，調(diào)整可調(diào)幾何流道結(jié)構(gòu)單元前端壓控節(jié)流部位的開口角度，動態(tài)調(diào)節(jié)局部流阻，以維持沿程壓降平衡；

24、可調(diào)幾何流道結(jié)構(gòu)單元：由柔性變形流道壁和分區(qū)驅(qū)動組件構(gòu)成，支持對流道中部寬度和前端節(jié)流角度的雙向控制。

25、可選的，所述分子鏈定向模塊包括收斂流道結(jié)構(gòu)單元、拉伸速率控制單元與取向穩(wěn)定評估單元；其中：

26、收斂流道結(jié)構(gòu)單元：用于接收滿足預(yù)設(shè)剪切分布條件的熔體，其通道截面沿軸向逐漸收縮，形成流速加快的幾何通道，從而在無外力干預(yù)的條件下自然誘導(dǎo)熔體發(fā)生軸向拉伸變形，建立初始拉伸流場；

27、拉伸速率控制單元：通過調(diào)節(jié)收斂流道的錐度角與通道長度，控制熔體在收斂段內(nèi)的軸向拉伸速率；

28、取向穩(wěn)定評估單元：用于監(jiān)測收斂流道出口處的軸向拉伸速率與分子鏈應(yīng)力分布特征，并與預(yù)設(shè)取向參數(shù)進(jìn)行比對，確認(rèn)輸出熔體是否達(dá)到目標(biāo)取向度要求。

29、可選的，所述取向穩(wěn)定評估單元包括：

30、流速監(jiān)測子單元：用于對收斂流道出口處的軸向拉伸速率進(jìn)行在線測量，并實(shí)時輸出對應(yīng)監(jiān)測值；

31、應(yīng)力張量分析子單元：測量流道出口橫截面上各點(diǎn)的主應(yīng)力差值，并結(jié)合材料應(yīng)力－雙折射響應(yīng)關(guān)系，計(jì)算局部應(yīng)力張量幅值；

32、取向度判定子單元：將出口處的拉伸速率監(jiān)測值與應(yīng)力張量幅值同時與預(yù)設(shè)取向參數(shù)區(qū)間進(jìn)行比對，若兩者均滿足閾值條件，則判定當(dāng)前輸出熔體達(dá)到目標(biāo)取向度要求。

33、可選的，所述擠出穩(wěn)定模塊包括速度整流單元、湍流抑制單元與細(xì)流分配單元，其中：

34、速度整流單元：設(shè)置于分子鏈定向模塊下游入口，用于接收滿足預(yù)設(shè)取向條件的熔體，并通過內(nèi)置階梯過渡通道對軸向流速進(jìn)行梯度緩釋，使不同徑向位置的流速差減小，形成均勻的軸向速度分布；

35、湍流抑制單元：位于整流結(jié)構(gòu)之后，內(nèi)部設(shè)有陣列式微通道網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，用于在保持總體通量不變的條件下，通過增加局部雷諾數(shù)臨界值來削弱熔體中出現(xiàn)的擾動旋渦；

36、細(xì)流分配單元：將經(jīng)整流與抑制后的穩(wěn)定軸向熔體流導(dǎo)入與噴絲孔對接的均壓腔中，并通過腔體體積配比與噴絲孔排布結(jié)構(gòu)共同實(shí)現(xiàn)對各噴絲孔的流量等量分配，最終輸出滿足預(yù)設(shè)速度分布條件的多路擠出細(xì)流。

37、一種用于高強(qiáng)高模聚乙烯纖維噴絲板成型方法，由上述的一種用于高強(qiáng)高模聚乙烯纖維噴絲板成型系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，包括以下步驟：

38、s1：獲取噴絲板入口處聚乙烯熔體的取向度實(shí)時值與壓力波動值；

39、s2：基于s1中獲取的取向度實(shí)時值與目標(biāo)取向度之間的差值生成剪切速率調(diào)節(jié)指令，同時根據(jù)壓力波動值生成壓力補(bǔ)償指令；

40、s3：響應(yīng)s2中生成的剪切速率調(diào)節(jié)指令與壓力補(bǔ)償指令，調(diào)節(jié)可變流道結(jié)構(gòu)，輸出滿足預(yù)設(shè)剪切分布條件的熔體；

41、s4：將s3中輸出的熔體引入收斂流道，在軸向形成拉伸流場，通過結(jié)構(gòu)參數(shù)控制拉伸速率，實(shí)現(xiàn)分子鏈沿流動方向的定向；

42、s5：在s4處理后的熔體出口處監(jiān)測軸向拉伸速率與應(yīng)力張量分布特征，并與預(yù)設(shè)取向參數(shù)進(jìn)行比對，判定是否滿足成型條件；

43、s6：將經(jīng)s5判定滿足取向要求的熔體引入湍流抑制結(jié)構(gòu)，并經(jīng)過速度整流與細(xì)流分配處理，最終以均勻速度分布的細(xì)流形式輸送至噴絲孔進(jìn)行成型。

44、本發(fā)明的有益效果：

45、本發(fā)明，通過構(gòu)建包含熔體狀態(tài)監(jiān)測、動態(tài)流變協(xié)調(diào)、微流場重構(gòu)、分子鏈定向與擠出穩(wěn)定等多個有機(jī)聯(lián)動模塊的噴絲板成型系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對聚乙烯熔體在流動過程中的取向度與壓力波動的實(shí)時監(jiān)測，并據(jù)此動態(tài)調(diào)整剪切速率與壓力補(bǔ)償策略，確保熔體在進(jìn)入成型段前具備穩(wěn)定的流場條件與預(yù)設(shè)的結(jié)構(gòu)演化基礎(chǔ)。

46、本發(fā)明，通過在收斂流道中精確控制拉伸速率并結(jié)合應(yīng)力張量監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行取向評估，配合湍流抑制與速度整流結(jié)構(gòu)對輸出細(xì)流進(jìn)行穩(wěn)定化處理，實(shí)現(xiàn)了分子鏈空間定向與流動穩(wěn)定性的全過程調(diào)控，有效提高了高強(qiáng)高模聚乙烯纖維的成型一致性與力學(xué)性能控制精度。