本项目主要用于支撑高分子材料与工程专业得《高分子材料加工实验》这门课程，同时应用于材料科学与工程等几个专业的《毕业实习》课程。根据《高分子材料加工实验》教学大纲要求，学生学完本门课程需要达到以下4个课程目标，即：

课程目标1、巩固聚合物加工原理，加工工艺及设备等课程的基本原理和概念的理解，能够熟练掌握高分子材料配方、混合、制备、成型加工工艺过程，掌握高分子材料合成与成型加工工艺原理；掌握高分子材料的分子量、流动行为、力学性能、热性能等分析测试方法；熟练操作高分子材料成型设备及分析测试仪器，能够规范地完成实验操作。

课程目标2、能应用工程数学方法处理实验数据，获得实验参数；采用图、表的形式规范地表达实验结果；能够有条理、有逻辑地表达和完成实验报告。

课程目标3、能运用高分子材料工程的思维方法，根据实验目的，选用合适的研究方法，设计实验方案并实施，通过分析实验结果研究材料与加工工艺及其参数对性能的影响等高分子材料工程问题，取得有效实验数据并进行分析。

课程目标4、能够团队合作完成实验任务；能够主动承担或积极配合解决实验过程中出现的情况，顺利完成实验。

学生在完成本项目后需要达到以下教学目标以支撑课程目标1-3的达成。

(1) 通过纺丝工艺模块，培养学生对纺丝关键工艺参数设计（包括纺丝温度、冷却温度和纺丝速度）及熟悉聚酯超高速纺丝原理、工艺流程和特点。通过该模块的学习，培养学生的观察、发现问题和思维创新能力。

(2) 通过实验探究模块，以平行分组的方式，探究纺丝温度、冷却温度和纺丝速度等主要工艺参数对聚酯超高速纺丝多因素影响规律，通过多因素筛选确定超高速纺丝最佳工艺参数。通过该模块的学习，培养学生设计/开发解决方案的能力。

(3) 拓展实验模块，选择聚酯切片的特性黏数、分子量分布系数、含水率；基于由探究模块得到的最佳纺丝工艺参数，设定纺丝温度、冷却温度、纺丝速度，同时，根据最佳纺丝温度测算并设定螺杆各区温度，并根据专业常识设定其它工艺参数，模拟生产现场，制备出合格的纤维。通过该模块的学习，培养学生研究、设计/开发解决方案以解决实际问题的能力

（4）能够根据实验结果进行分析并提出工艺优化方案。通过该模块的学习，培养学生表达能力和归纳处理、分析实验数据及撰写科学报告的能力。

聚酯熔融纺丝高速化是纤维成型技术进步的重要标志，随着科学技术的发展，纤维成型已经从各自独立的高速纺丝和拉伸工艺发展到纺丝和拉伸的一体化工艺。一步完成成型的超高速纺丝设备技术先进，将引领未来纤维制造产业朝更高层次发展，图1所示为几种聚酯熔体纺丝工艺路线示意图。

图1 熔体纺丝工艺路线图

如图2所示，当纺丝速度在1000 m/min（常规纺丝）左右的时候，纤维几乎没有取向，必须要进一步进行3~5倍的拉伸，纤维才具有实用价值；当纺丝速度在3000m/min（高速纺丝）左右的时候，纤维具有一定的取向度，但还需要进一步进行约1.5倍的拉伸，或者进行拉伸变形，才具有实用价值；而当纤维纺丝速度达到8000 m/min左右超高速纺丝的时候，利用极高的纺丝速度，在将从喷丝板挤出的熔体冷却、固化的同时，完成高取向并结晶化，从而直接得到具有实用价值的纤维。超高速纺丝过程中，熔体细流在喷丝板孔附近因流动变形而不能取向，但当熔体细流进入细化变形区时，一旦冷却，则在超高速条件下产生细颈状急剧细化变形并使细颈在纺程上得以延伸，便可以快速使分子链取向，即在产生细颈状变形的同时，取向结晶化急剧进行，从而在极短时间内完成高取向的纤维结构。

图2 不同纺丝速度对应的纤维分子链取向状态

超高速纺丝的主要工艺流程如图3所示，精选的聚酯切片经单螺杆挤出机塑化熔融后，进行精密过滤，去除杂质和凝聚粒子，得到较均匀纯净的纺丝熔体，然后进入纺丝箱体，经计量泵精密计量，纺丝熔体经熔体分配管道进入喷丝组件，经过喷丝组件的二次过滤并增压之后，熔体细流从喷丝孔挤出，经吹风骤冷，纺丝熔体细流冷却成丝条，最后以超高速度卷绕成丝筒。熔体细流在冷却的同时因受到超高速牵引而使分子链高度取向，从而制备出高取向纤维。超高速纺丝是一种极限加工技术，不但对设备的精度和稳定性要求极高，而且对纺丝工艺的要求同样也极高。与一般的高速纺丝相比，要求切片黏度更稳定，杂质更少，端羧基和凝聚粒子含量更低，相对分子质量分布更窄，含水率更低，纺丝工艺参数波动更小，设备运行的稳定性更好，所以纺丝过程中必须仔细控制相关参数才能顺利纺丝并得到高质量的纤维。

图3 超高速纺丝工艺流程示意图

知识点：共13个

1.超高速纺丝原理

2.纤度

3.力学性能

4.染色性能

5.沸水收缩率

6.黏度的选择

7.纺丝温度对纤维取向的影响

8.冷却温度对纤维取向的影响

9.纺丝速度对纤维取向的影响

10.纺丝温度对纤维染色性的影响

11.冷却温度对纤维染色性的影响

12.纺丝速度对纤维染色性的影响

13.多因素对纤维综合性能的影响

（2）核心要素仿真设计（对系统或对象的仿真模型体现的客观结构、功能及其运动规律的实验场景进行如实描述，限500字以内）

1.本实验是在参考纤维高速纺丝企业的实测数据，以及查阅大量超高速纺丝的文献基础上开发出来的，通过还原高速纺丝的关键设备，系统录入了各种操作条件下对应的纤维的性能，建立了详尽的工艺参数-纤维性能数据库。

2．本实验虚拟实验场景与真实聚酯纤维制备场景高度一致。

3．纺丝工艺参数设置高度模拟超高速纺丝。

（1）纺丝温度设定与真实聚酯纤维制备情况一致。

（2）冷却温度设定与真实聚酯纤维制备情况一致。

（3）纺丝速度设定与真实聚酯纤维制备情况一致。

4．纺丝流程完整，与真实聚酯超高速纺丝流程高度一致。

5．学生在虚拟实验室学习过程与学生企业实习过程基本一致，并优于在企业实习的效果。

6．教师在虚拟仿真实验中的教学过程，与在企业带学生实习过程一致，并具有明显的优势。

本虚拟仿真实验项目中，由熟悉纺丝流程与设备-单因素探究模式-多因素探究模式-全流程工艺模拟与纺丝-实验分析，构成一个聚酯纤维超高速纺丝成型及性能优化的实验体系。该体系涵盖了《高分子物理》、《高分子材料加工原理》、《高分子材料加工工艺及设备》等课程的相关知识，梳理出实验预习、纺丝工艺、实验探究、拓展实验和实验分析五个交互环节，从而使学生系统地掌握超高速纺丝技术原理、工艺设计方法、实验分析方法。

（1）学生交互性操作步骤，共16步

（2）交互性步骤详细说明

系统登陆：

首先打开电脑浏览器（火狐、360极速、谷歌Chrome），在地址栏输入网址（http://petshs.chemistry.suda.edu.cn），然后点击开始实验跳出登陆界面，既可以通过评审账号直接登陆，也可以通过先注册再进行登陆。如图4所示：

图4 系统登陆界面

登陆后，进入本虚拟仿真实验项目主页面，软件共分成六个环结，分别是实验简介、实验预习、纺丝工艺、实验探究、拓展实验和实验分析，为了更好的体验效果，需要点击全屏模式（图5）。

图5 软件操作主界面

步骤1、观看实验简介和实验预习部分视频，学习相关知识并正确回答问题

学生通过观看实验简介部分，了解本实验的实验目的、实验原理等知识。进入实验预习环结之后，根据物料走向介绍各设备，并且将主要设备进行剖解或者透明化，便于学生理解设备的运行原理，如图6为螺杆挤出机的工作原理。

图6实验预习-单螺杆挤出机工作原理

当工艺流程演示完毕后，系统会给出在线考核题目，需要按照顺序答题，选择认定得选项后，点击确定后系统会根据标准答案给分并进入下一题，正确得分，错误不得分。对于一次没有能够完全掌握各知识点的同学，可以通过返回上一层回到主界面，然后重新进入实验预习环节学习，如图7所示。

图7 在线考核

步骤2、纺丝温度对纤维取向因子与染色性的影响

学生进入纺丝工艺环结之后，首先学习的是纺丝温度对纤维取向因子与染色性的影响。对于纺丝温度，设定了260℃~320℃的初始范围，学生通过调节纺丝温度的滑块（图8），得到对应的取向因子和染色性。随着从低温向高温方向滑动，取向度逐渐增加，染色性的灰度值也逐步增加，但是超过一定值之后，取向度和灰度值都出现了变化（图9，10）。通过取向度的变化与染色性的变化，可以得到纺丝温度范围。

图8纺丝温度调节

图9 某个纺丝温度对应的取向度和染色性

图10 超过取向度临界值的纺丝温度及其对应的染色性

步骤3、冷却温度对纤维取向因子与染色性的影响

聚酯超高速纺丝的核心工艺之一是冷却温度，与纺丝温度的调节类似，通过调节滑块，学生可以直观了解冷却温度对取向因子和染色性的影响。对于冷却温度，设定了10℃~40℃的初始范围，学生通过调节冷却温度的滑块，得到对应的取向因子和染色性。随着从低温向高温方向滑动，取向度逐渐增加，染色性的灰度值也逐步增加，但是超过一定值之后，取向度和灰度值都出现了降低，图11是冷却温度为22℃时相应的取向度和染色性。通过取向度的变化与染色性的变化，可以得到冷却温度范围。

图11 冷却温度试验

步骤4、纺丝速度对纤维取向因子与染色性的影响

在超高速下，纺丝速度需要达到8000m/min左右，与纺丝温度的调节类似，通过调节滑块，学生可以直观了解纺丝对取向因子和染色性的影响。对于速度，设定了0~13 km/min的初始范围，学生通过调节纺丝速度的滑块，得到对应的取向因子和染色性。随着从低速向高速方向滑动，取向度逐渐增加，染色性的灰度值也逐步增加，但是超过一定值之后，取向度和灰度值都出现了降低，图12是纺丝速度为8000 m/min时相应的取向度和染色性。通过取向度的变化与染色性的变化，可以得到纺丝范围。

图12纺丝速度试验

步骤5、纺丝温度平行实验

同时设定6组平行实验，即在根据单因素探究的基础上给定的温度范围内学生可以任意设定纺丝温度（图13），点击开始探究后，系统一方面会给出在相应纺丝温度下的取向因子，另一方面给出相应的灰度值（图14）。综合取向度和灰度，可以得到最佳纺丝温度。

图13 分组对比法设定纺丝温度

图14 多组平行纺丝温度探究结果

步骤6、冷却温度平行实验

在纺丝温度探究完成后，点击下一步进行冷却温度进行平行探究，同时设定6组实验，即在根据单因素探究的基础上给定的温度范围内学生可以任意设定冷却温度，点击开始探究后，系统一方面会给出在相应冷却温度下的取向因子，另一方面给出相应的灰度值（图15）。综合取向度和灰度，可以得到最佳冷却温度。

图15分组对比法探究冷却温度

步骤7、纺丝速度平行实验

在冷却温度探究完成后，点击下一步进行纺丝速度行平行探究，同时设定6组实验，即在根据单因素探究的基础上给定的温度范围内学生可以任意设定冷却温度，点击开始探究后，系统一方面会给出在相应冷却温度下的取向因子，另一方面给出相应的灰度值（图16）。综合取向度和灰度，可以得到最佳冷却温度。

图16分组对比法探究纺丝速度

根据以上3步的协同探究结果，给出同时满足取向度最高、染色性能最佳的纺丝温度、冷却温度和纺丝速度。

步骤8、切片特性黏数选择

在探究实验的基础上，进入拓展实验，首先是要选择适宜的特性黏数的聚酯切片。合适的特性黏数是纺丝的前提，选项中设置了偏差项，即使选用的非最佳的特性黏数，本实验依然可以继续进行下去（图17），点击确定后会进入到下一步，而当选择了错误的特性黏数，怎会提示答案错误，实验结束（图18）点击提示的确定，可以重新选择，知道选择了可以继续实验的特性黏数为止。

图17 特性黏数的选择

图18 错误提示

步骤9、切片分子量分布系数选择

完成切片特性黏数的选择后，进入切片分子量分布系数选择， 分子量分布系数直接关系到熔体质量，合适的分布系数才不会导致切片在熔融过程中出现较大的黏度降，从而导致纤维性能下降。只有选择了正确的或略有偏差的分子量分布系数，点击确定实验才能继续下去（图19）。

图19分子量分布系数选择

步骤10、切片含水率选择

完成切片分子量分布系数选择后，开始切片含水率的选择。含水率的高低直接关系到熔体自喷丝板口喷出及成型效果，切片含水率越高，则纺丝越容易断头。只有选择了正确的或略有偏差的分子量分布系数，点击确定实验才能继续下去（图20）

图20切片含水率选择

步骤11、螺杆挤出机温度

学生需要根据实验探究得到的纺丝温度测算单螺杆挤出机各区的温度，即机头温度与纺丝温度一致，向前各区的温度依次低3~10℃（图21），如果螺杆挤出机各区的温度设定的太低或太高，则系统会提示异常，并需要重新设定。完成螺杆挤出机各区温度设定后，点击确认，则开始螺杆挤出机的预热（图22）。

图21 螺杆挤出机温度设定

图22 预热螺杆挤出机

步骤12、纺丝箱体温度

完成螺杆挤出机各区预热之后，开始纺丝箱体温度的设定，该处温度即为实验探究得到的最佳纺丝温度（图23）。点击确定后，箱体开始预热（图24）。箱体预热完成后，开启主机电源（图25），确定后，系统提示前往纺丝二楼并需要查看计量泵及纺丝管道等（图26）。

图23 箱体温度设定

图24 预热纺丝箱体

图25 主机电源开启

图26 主机电源启动前往纺丝车间

步骤13、泵供量

纺前各种参数检查完毕后，启动计量泵，学生需要根据专业常识设定。为了帮助专业知识薄弱的学生，针对计量泵的转速，设计了提示功能（图27）。

图27 计量泵转速设定

步骤14、吹风工艺

继上油之后，打开风阀，设定吹风工艺，吹风温度即为实验探究得到的冷却温度，其余吹风工艺参数可由系统自动生成（图28）。

图28 吹风工艺设定

步骤15、卷绕速度

进入卷绕车间，设定卷绕参数，此处的卷绕速度即为实验探究得到的纺丝速度（图29）。卷绕参数设定完毕，系统进行卷绕，达到设定卷装重量后，落筒，然后对样品进行测试分析。

图29 卷绕工艺设定

5、实验分析模块

该部分是根据学生设定的工艺参数纺制出来的纤维进行性能测试，然后跳出性能报告，如果有提示纤维某个性能不合格，学生先自行分析可能的原因，指导教师在学生报告的基础上进一步给予提示，以便启发学生调整工艺参数，重新制备合格的纤维（图30）。

图30 实验结果分析