熔喷气流场中的纤维运动模拟与分析

为探究纤维在熔喷气流场中的牵伸运动过程,对熔喷气流场和纤维牵伸过程进行数值模拟。分析了熔喷气流场的分布特点,采用欧拉-拉格朗日法建立了熔喷纤维牵伸力学模型,获得熔喷纤维在气流场中的运动轨迹、牵伸倍数等信息;利用高速摄影机捕获了纤维在熔喷气流场中的运动轨迹并验证了模拟结果。结果表明：熔喷喷嘴下方存在气流回旋区,气流场分为射流单独流动区、射流汇合融合区和射流合并区;熔喷纤维的牵伸倍数先增加后减小,纤维运动在射流单独流动区出现鞭动,在射流合并区中存在纤维折叠成圈现象;射流汇合融合区是纤维细化的主要区域,该区域内纤维鞭动增加,牵伸倍数最大;验证实验中纤维运动中的鞭动、折叠成圈和运动轨迹与模拟结果一致。     

熔喷气流场与纤维运动及纤维直径的数学计算

对狭槽模头下熔喷气流场进行了数值模拟,得到气流的流线以及速度矢量分布,采用高速摄像技术捕捉狭槽喷嘴下的纤维运动轨迹,并对纤维运动的特征及其与气流场特征之间关系进行探讨,结果显示纤维的二维运动特征是由气流场的二维特征决定的。因为熔喷过程中纤维运动速度很高,测量设备很难在线测量熔喷过程中的纤维直径的变化规律,本文建立了一种可以计算纤维直径的数学方法,该方法只凭借纤维轨迹信息就能在线计算纤维直径的变化规律。首先对这种数学方法做统一的理论推导,之后在理论推导基础上对纤维模型进行离散处理,经过离散处理后可得到更精确的数学解,将数学预测的结论与实验获得的纤维直径进行对比,结果表明数学预测与实验结论较为吻合。     

基于非牛顿流体本构方程的熔喷纤维直径预测

为从理论上精确预测熔喷纤维的直径并揭示其成纤机制,立足于拉格朗日方法的熔喷珠链模型,引入PTT、UCM、Giesekus和Rouse-Zimm这4种非牛顿流体本构方程,分别预测了纤维在气流场中的受力与直径变化。结果表明:采用不同的非牛顿流体本构方程计算获得的纤维黏弹力不同,由此导致模拟结果具有明显差异;纤维的最终直径受到内外应力差和凝固点位置的影响,内外应力差越大,纤维细化速度越快,凝固点距离喷丝孔越远,纤维具有更加充分的空间拉伸,更容易产生较细的纤维;采用UCM非牛顿流体本构方程模拟获得的纤维最粗,而采用Giesekus非牛顿流体本构方程模拟获得的纤维最细;采用Giesekus非牛顿流体本构方程的珠链模型获得的预测结果与实验结果更相符。     

气流场和聚合物射流运动对液喷纺纤维形貌的影响

为研究液喷纺丝过程中气流场分布和聚合物溶液射流运动对纤维形貌的影响,通过数值模拟分析变压力条件下液喷环形喷嘴下方的气流场分布,采用高速摄影技术捕捉聚丙烯腈（PAN）溶液射流在湍流场中的运动并分析其运动规律。结果表明：随气流压力的增加,气流中心线速度和湍流强度增加;液喷纺PAN微纳米纤维直径逐渐降低并变得均匀,但是压力过大会恶化纤维形貌,并伴随着纤维束的出现。液喷纺丝过程中纤维的细化与气流的拉伸作用、聚合物射流的弯曲不稳定性和摆动作用等因素有关。     

熔喷工艺中纤维运动的研究

利用“球—弹簧”纤维模型,模拟计算了熔喷过程中纤维断裂后的运动情况,模拟计算的结果与实验拍摄到的纤维运动状况定性地符合;研究了空气的初始速度和气流的角度对纤维运动的影响。     

微纳米纤维的熔喷制作工艺

通过数值计算方法和熔喷实验方法,探索微纳米纤维的熔喷制作工艺。选用 Shambaugh 一维数学模型,运用数值计算方法,得出空气速度、熔体流量和喷丝孔直径对纤维直径的影响关系。通过分析比较得到这 3 个参数对纤维直径减小程度的影响顺序：熔体流量影响最大,空气速度次之,喷丝孔直径影响最小。根据熔喷实际情况,得出喷丝孔直径不能够太大。设计微纳米纤维的熔喷实验工艺,进行熔喷工艺实验和纤维直径测定实验,得到了纳米级纤维。证明了工艺参数对纤维直径影响关系和影响顺序规律的正确性,也证实了微纳米纤维制作工艺的有效性。     

纺粘非织造聚合物拉伸模型初探

为探究纺粘非织造工艺中工艺参数对纤维最终直径的影响,文章基于纺粘非织造聚合物拉伸过程,构建了纺粘非织造聚合物拉伸理论模型,并应用MATLAB对模型进行数值计算。同时,选取纺粘工艺参数中的气流初始速度、聚合物初始温度、聚合物质量流量3个因素,通过控制变量法比较观察不同方案下经过数值求解后得到的纤维直径,得出3个因素分别对纤维最终直径的影响。结果表明,气流初始速度越大,聚合物初始温度越高,聚合物质量流量越小,最终形成的纤维直径越细。     

熔喷三维气流场的数值计算与分析

为探究双槽形熔喷模头喷气孔端面对空气流场特征和纤维拉伸工艺的影响,对熔喷三维流场进行数值分析。采用Gambit建立了双槽形熔喷模头的结构模型,应用Fluent软件对熔喷三维气流场进行数值计算,分析流场中的速度、温度和压强分布规律及喷气孔端面对纤维制备的影响。结果表明:喷气孔端面对流场分布有一定影响,若远离流场中心,纺丝线上的速度和温度开始下降,而静压值变化较小;流场中心附近处纺丝线上的速度、温度和压强分布差别很小,靠近喷气孔端面的纺丝线上的温度、速度和静压最低;双槽形模头流场不同位置纺丝线上速度、温度和压强的不同导致制备的熔喷纤维在性能等方面存在差异。     

聚丙烯PP纺粘法非织造布工艺参数对纤维直径的影响

通过建立聚丙烯PP纺粘聚合物的气流牵伸数学模型,讨论了纺粘工艺参数对纤维直径的影响,对不同的工艺参数进行了实验,发现聚合物挤出量越小,聚合物熔体温度越大,气流初始温度越高,吸风速度越大,越有利于聚合物熔体的气流牵伸,纤维直径越小;纤维直径随着文丘里间隙的增加而先减小,然后再增加,文丘里间隙大小对纤维直径有很大的影响。     

硬脂酸及辅助气流对熔体微分静电纺的影响

为得到细化的纳米纤维,利用自制的熔体微分静电纺丝装置,在聚丙烯（PP）中添加硬脂酸进行熔体微分静电纺丝,讨论硬脂酸含量对纤维的细化作用,同时探究在纤维下落时,气动抽风装置中的气流速度对纤维牵伸细化作用。实验结果表明：在纺丝温度为260 ℃,添加质量分数为2%~10% 的硬脂酸有助于降低PP熔体的黏度和细化纤维直径;当硬脂酸质量分数为4%时纤维细化效果最好。当通入的气流速度从13m/s 增加到29m/s时纤维直径明显细化（气流最大速度为29m/s）。当硬脂酸质量分数为4%,气流速度为29m/s时,纤维直径大都小于500nm,平均直径可达420nm。     

双槽熔喷工艺中外沿长度对空气流场的影响

用数值方法研究了双槽熔喷工艺中外沿长度对空气流场特征的影响。首先,在双槽熔喷工艺模头的气槽外沿添加2片一定长度的附件,然后用数值方法对添有附件的双槽熔喷工艺的空气流场进行模拟计算;最后,分析了外沿长度对纺丝中心线上的空气速度、压力和温度分布的影响。结果表明,随着外沿长度的增加,空气速度和压力最大值都减小,而空气温度最大值基本不变,速度和压力的衰减程度增加,而温度的衰减程度减小。     

Numerical simulation and experimental investigations of air drawing model and air jet flow field model in wide slot positive pressure spunbonding process

An air drawing model of polymers and a model of the air jet flow field model in wide slot positive pressure spunbonding process are established. The air jet flow field model is solved by means of the finite difference method. The numerical simulation computation results of distributions of the air velocity match quite well with the experimental data. We find that the variation of the density and the specific heat capacity of polymer melt at constant pressure with polymer temperature have much effects on fiber diameter. The newly developed formulas were incorporated into a spunbonding theoretical model to predict the fiber diameter of nonwoven web. The air drawing model of polymer is solved with the help of the distributions of the air velocity measured by a Particle Image Velocimetry (PIV). The predicted fiber diameters agree with the experimental data well. It can be concluded that the higher air pressure, higher air velocity and air temperature can yield the finer fibers diameter. The higher inlet pressure and smaller jet angle will all cause higher x-axis position of air velocity and air pressure, which are beneficial to the air drawing of the polymer melt and thus to reducing the fiber diameter.     

影响熔融静电纺聚丙烯纤维直径的工艺因素

针对聚丙烯熔融静电纺纤维直径难以细化问题,以熔体流量、聚合物熔体温度、施加电压、喷丝头与接收台的接收距离、电场力等为影响因素进行研究。结果表明：流量为0.05 mL ∕h 时可以纺出连续的纤维且纤维直径也随流量的增大而增加;当聚合物熔体 ∕ 喷丝头温度超过260 ℃∕280 ℃时,继续升高温度纤维直径不会继续降低;电场力恒定时,随着接收距离增加,纤维直径减小的趋势逐渐变缓,到30 mm 之后,纤维直径基本不变。考虑综合因素,最终选取的工艺参数：熔体流量为0.05mL ∕ h,聚合物熔体 ∕ 喷丝头温度为260 ℃ ∕ 280 ℃,电压为-24.6 kV,距离为30mm,在此条件下纺得纤维的平均直径为6.23μm,标准差为1.42。     

Dynamic modeling and simulation of bottom outlet air flow field in wide slot positive pressure spunbonding drawing process

The air jet flow has an important influence in wide slot positive pressure spunbonding process that not only includes the filament fiber diameter, crystallinity, and birefringence, but also the fiber web evenness. In this work, the air drawing model and the air jet flow field model of bottom outlet in spunbonding process are established and studied. The characteristics and regularities of the plane air jet flow in wide slot positive pressure spunbonding process are also demonstrated. It is simulated by means of the finite difference method. The numerical simulation computation results of distribution of the air velocity match quite well with the experimental data. The air drawing model of polymer is solved with the help of the distribution of the air velocity. The predicted filament fiber diameter, crystallinity, and birefringence agree well with the experimental data. It was found that higher initial velocity and initial temperature of air can yield finer fibers, and its effect was very significant. The results also reveal the great potential for this research in the computer-assisted design of spunbonding technology and equipment.     

Optimal geometry design of the melt‐blowing slot die with high stagnation temperature via the orthogonal array method and numerical simulation

In this paper, a method combining the orthogonal array design and the numerical simulation is proposed to optimize the geometry parameters of the melt‐blowing slot die. An index, the stagnation temperature, is used to evaluate the performance of the slot die. The stagnation temperature is obtained by simulating the subsonic compressible air jet from the melt‐blowing slot die, whereas the optimization is accomplished by the orthogonal array method. Three geometry parameters of the slot die: slot width, nose piece width, and slot angle are investigated. The results show that smaller slot angle and larger slot width will result in a higher stagnation temperature, which is beneficial to the air drawing of the polymer melt and thus to reducing fiber diameter, whereas the effect of nose piece width is insignificant. The optimal geometry parameters of the melt‐blowing slot die achieved in this study are: slot width of 1.5 mm, slot angle of 30°, and nose piece width of 2 mm.     

熔体微分离心纺丝技术

熔体离心纺丝技术具有纺丝效率高,制备纤维的取向度的优势,但目前仍处于发展初期,所制备纤维直径较粗,相关工艺和纤维细化方法研究较少。对此通过自主研制的熔体微分离心纺丝装置,选用流动性能较好的聚丙烯材料进行熔体离心纺丝研究,在不同条件下进行离心纺丝实验,并引入气流辅助纺丝,大大细化了纤维直径,成功制备了超细纤维;设计了正交实验以探究不同工艺参数对其成纤效果的影响权重,为熔体离心纺丝进一步发展提供一定理论和实验基础。     

液喷工艺参数对纤维直径的影响及优化

以聚氧化乙烯(PEO)/水体系为纺丝溶液,采用溶液喷射法进行纺丝,制备PEO纤维。探讨了溶液浓度、风压和挤出速率等工艺参数对纤维直径的影响,并用正交试验优化纺丝工艺和对结果进行了方差分析。结果表明,纺丝溶液浓度和风压对纤维直径影响显著,在纺丝溶液质量分数4%,风压0.3 MPa和挤出速率0.6 m L/h的条件下,可获得直径分布为0.9~1.6μm的PEO微纳米纤维。     

二种渗透式纤维空气分布系统的布风管送风特征

为设计适合室内舒适送风的布风管,采用FLUENT数值模拟软件,模拟尾部封闭不透风与尾部渗透通风2种模式下的布风管,研究对比内部流场的速度与压力变化。结果表明:尾部封闭式布风管中心速度变化从4 m/s降到0,尾部形成涡流;尾部渗透式布风管中心速度变化从4 m/s降到2.5 m/s,尾部中心风速较大;沿着布风管轴向前进,尾部封闭式布风管的纤维壁面出风速度逐渐减小,出风速度范围为0.15~0.4 m/s;尾部渗透式布风管的纤维壁面出风速度比较均匀,出风速度范围为0.28~0.4 m/s。纤维壁面出风方面,尾部渗透式布风管比尾部封闭式布风管更均匀,二者均无吹风感,满足室内人体舒适性要求。