[发明专利]涂层纺织材料固化过程中溶剂扩散过程的数值模拟方法

权利要求书

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D_i，并设置扩散模型的初始条件，包括涂层液中溶剂质量分数w_s、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)；

其中，c为溶剂扩散时的瞬时浓度，kg/m³；t为时间，s；D_i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)：

其中，ρ是织物密度，kg/m³；c_p是织物的恒压热容，J/(kg·K)，(ρc_p)_eff是有效体积热容，J/(m³·K)；k_eff为有效导热系数，W/(m·K)；T为温度，K；c为溶剂扩散时的瞬时浓度，kg/m³；θ_p为织物的孔隙率；

(2)涂层液的能量守恒方程见公式(3)：

其中，ρ_l是涂层液的密度，kg/m³；c_pl是涂层液的恒压热容，J/(kg·K)；k_l为涂层液的导热系数，W/(m·K)；D_i是溶剂的扩散系数，m²/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，k_g是传质系数，s/m，通过Chilton-Colburn类比法得到；V_S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；

涂层液与空气界面处的边界方程为：

织物与空气界面处的边界方程为：

其中，h为表面自然对流的换热系数，W/(m²·K)；T_air为空气温度；T为涂层织物温度；h_fg为蒸发潜热，kJ/kg；θ_p为织物的孔隙率；q_resin-rad和q_fabric-rad分别为涂层液和织物辐射散失的热量，W；m_top和m_bottom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的边界通量方程为：

织物与空气界面处的边界通量方程为：

式中，D_i为涂层液体系中溶剂的互扩散系数，m²/s；c为溶剂扩散时的瞬时浓度，kg/m³；V_S为溶剂的比容，m³/kg；θ_p为织物孔隙率；

步骤七：根据待求解的目标工艺参数，设定初始条件的取值，结合涂层液和织物的物理化学性能，将方程式(1)-(9)进行耦合求解，利用有限元软件进行计算，采用瞬态研究方法设置计算的时间和步长，得到目标工艺参数的取值。