[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

说明书

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。

技术领域

本发明涉及涂层材料固化过程的模拟方法，尤其是一种基材为多孔介质的涂层材料固化过程中溶剂扩散过程的数值模拟方法，具体是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。

背景技术

涂层织物是指通过在织物基材上涂覆聚合物或其它材料，形成织物与聚合物的复合织物。涂层液一般由高聚物和相应的溶剂组成，常用的高聚物种类很多，如有机硅树脂、丙烯酸树脂和聚氨酯等，其中丙烯酸树脂的薄膜透明、不易泛黄，具有良好的化学稳定性、耐候性和阻燃性，对玻璃纤维具有较好的粘合力，且价格低廉，在建筑、装饰、交通及军事领域得到了广泛应用。在涂层织物固化过程中，干燥是关键的工艺步骤，溶剂扩散是控制干燥速率的关键因素，不仅决定了涂层薄膜中残留溶剂的含量，还影响了薄膜的性能。溶剂扩散过快，会使涂层薄膜内部产生较大的浓度梯度，从而导致涂层表面结皮、相分离、涂层薄膜不均匀和表面裂纹等缺陷；扩散太慢，不仅会延长干燥时间，还会因残留溶剂过多导致膜内气泡的产生。因此，研究涂层薄膜干燥固化过程中溶剂扩散机理，提高涂层薄膜质量是非常重要的。

目前国内外学者主要研究了涂覆在不可渗透基材上涂层液固化过程中溶剂的扩散过程，如Raj Kumar Arya等人将聚甲基丙烯酸甲酯-四氢呋喃系统与聚苯乙烯-对二甲苯系统配制的涂层液涂覆在不可渗透的钢板上，基于自由体积理论建立了聚合物薄膜干燥模型，预测了不同溶剂体系的浓度分布。夏正斌等人将丙烯酸聚氨酯涂料涂覆在马口铁板上，建立了溶剂扩散系数的预测模型，并得出溶剂扩散系数是成膜时间和溶剂浓度的强函数。白贵平将感光乳剂涂覆在相机胶片上，研究干燥过程中，环境空气的温度、湿度以及胶片的移动速度对干燥速率的影响。何苏闽将丙烯酸酯胶黏剂涂覆在玻璃板上，模拟热风条件下，不同干燥温度对胶粘剂干燥过程的影响。这些扩散模型均是建立在非渗透的基材上，只研究了涂层薄膜-空气界面处溶剂的扩散，而对于涂层在纺织材料这样的多孔渗透基材上溶剂的扩散机制尚未解析。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供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，定量描述在烘干过程中涂层织物中各位置处溶剂溶度随时间的变化情况，为涂层纺织材料固化干燥条件的优化、涂层薄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。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：设计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，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。