熔噴非織造工藝中纖維成形機(jī)理的研究.pdf

1、本文主要對(duì)雙槽形熔噴非織造工藝中的空氣流場(chǎng)、熔體流場(chǎng)特點(diǎn)及纖維成形機(jī)理進(jìn)行研究。首先，對(duì)雙槽形熔噴工藝的空氣流場(chǎng)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬和研究，揭示了空氣壓力場(chǎng)的分布特點(diǎn)和在紡絲中心線上壓力差異分布特點(diǎn);根據(jù)雙槽形熔噴工藝中壓力場(chǎng)特點(diǎn)，分析得出了熔體在拉伸細(xì)化過(guò)程中存在形變現(xiàn)象，通過(guò)理論推導(dǎo)方式得到了熔體應(yīng)變和應(yīng)變回復(fù)的關(guān)系式。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)引入形變因子對(duì)Shambaugh熔噴一維數(shù)學(xué)拉伸模型進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的模型不僅能夠表征熔體拉伸細(xì)化過(guò)

2、程中的形變歷程，而且對(duì)纖維直徑有更高的預(yù)測(cè)精度;然后，通過(guò)對(duì)熔噴工藝過(guò)程進(jìn)行分析，在假定熔體內(nèi)部流場(chǎng)是一種剪切流場(chǎng)的基礎(chǔ)上，建立了熔體流場(chǎng)方程并進(jìn)行了解析求解和分析。進(jìn)行了相關(guān)熔噴實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，揭示了剪切流場(chǎng)假說(shuō)的正確性;最后以熔體剪切流場(chǎng)理論為基礎(chǔ)，提出了熔噴工藝中熔體細(xì)化成纖的微觀成形機(jī)理理論，并進(jìn)行了相關(guān)熔噴實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，闡明了該理論的正確性。
　　 全文共分六章。
　　 第1章主要對(duì)國(guó)內(nèi)外關(guān)于熔噴技術(shù)領(lǐng)域的相關(guān)理論和實(shí)驗(yàn)

3、方面研究的文獻(xiàn)進(jìn)行了綜述。
　　 第2章主要用數(shù)值模擬方法對(duì)雙槽射流熔噴的空氣壓力場(chǎng)特點(diǎn)進(jìn)行了研究與分析。
　　 通過(guò)分析比較兩種裝置（雙槽射流熔噴裝置和環(huán)形射流熔噴裝置）的工藝過(guò)程，發(fā)現(xiàn)了兩種工藝的空氣流場(chǎng)存在較大差別，特別是空氣壓力場(chǎng)。對(duì)雙槽熔噴工藝的空氣流場(chǎng)進(jìn)行三維數(shù)值模擬，得到了空氣流場(chǎng)的三維分布結(jié)果。通過(guò)對(duì)空氣壓力場(chǎng)分布規(guī)律的全面分析，總結(jié)出了關(guān)于雙槽射流熔噴工藝的空氣壓力場(chǎng)特點(diǎn):雙槽射流熔噴工藝中空氣壓力場(chǎng)呈

4、對(duì)稱分布;在紡絲中心線上，空氣壓力場(chǎng)分布特征是:在距離噴絲孔很近的區(qū)域，正交方向上壓力差值不為零，稱為壓力差異區(qū);在距離噴絲孔較遠(yuǎn)的區(qū)域，正交方向上壓力差值為零，稱為零壓力差異區(qū);在壓力差異區(qū)內(nèi)，存在三個(gè)壓力差異分區(qū)。每個(gè)分區(qū)有正負(fù)交替變化的壓力差值。在第二壓力差異分區(qū)內(nèi)，壓力差異值的峰值最大;在第三壓力差異分區(qū)內(nèi)，區(qū)域的長(zhǎng)度最長(zhǎng);在壓力差異區(qū)內(nèi)，壓力差異值的絕對(duì)值均隨著距離纖維軸線距離增大而增大。
　　 第3章主要研究了在雙槽

5、射流熔噴工藝中熔體的形變現(xiàn)象，改進(jìn)了常規(guī)的一維熔噴拉伸數(shù)學(xué)模型。
　　 根據(jù)第2章的研究結(jié)論可推理得到，在雙槽射流熔噴工藝中，熔體在細(xì)化過(guò)程中除了直徑逐漸變細(xì)之外，還存在橫截面形狀的改變現(xiàn)象。首先，用理論方法分別推演出了熔體在徑向受到某一方向射流沖擊力（即熔體在橫截面上受到的非均衡壓力）時(shí)應(yīng)變關(guān)系式和該射流沖擊力消失后的應(yīng)變回復(fù)關(guān)系式。然后，根據(jù)應(yīng)變和應(yīng)變回復(fù)關(guān)系式，描述了熔體在細(xì)化過(guò)程中橫截面的形變歷程，并根據(jù)熔體形變程度大小

6、，將整個(gè)紡絲中心線分為三個(gè)形變區(qū)域:形變一區(qū)、二區(qū)和三區(qū)。形變一區(qū)，在熔體軸線上距離噴絲孔最近的部分，熔體受到非均衡壓力最大。形變二區(qū)，沒(méi)有壓力差異，熔體細(xì)流處于較緩慢的應(yīng)變回復(fù)過(guò)程中，形變程度較?。磻?yīng)變值較小）。形變?nèi)齾^(qū)，也沒(méi)有壓力差異，熔體的應(yīng)變值幾乎為零，熔體的橫截面幾乎變成圓形。從長(zhǎng)度上看，形變一區(qū)最短，形變二區(qū)稍長(zhǎng)，形變?nèi)齾^(qū)最長(zhǎng)。另外，將熔體形變現(xiàn)象規(guī)律引入熔噴模型，對(duì)Shambaugh的一維熔噴拉伸模型進(jìn)行改進(jìn)。主要通過(guò)引

7、入一個(gè)新參數(shù)形變因子對(duì)熔體形變現(xiàn)象進(jìn)行定量表征。將形變因子引入一維熔噴拉伸模型的氣流拉伸力項(xiàng)中，改進(jìn)氣流對(duì)熔體的拉伸力作用。改進(jìn)后的模型不僅能夠?qū)h(huán)形射流熔噴工藝和雙槽射流熔噴工藝有效區(qū)別開(kāi)來(lái)，而且能夠表征在雙槽熔噴工藝中的熔體形變現(xiàn)象，更加接近于熔噴工藝的實(shí)際。通過(guò)對(duì)比改進(jìn)前后熔噴模型對(duì)熔噴纖維直徑預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果比較，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)模型的預(yù)測(cè)精度更高。最后，運(yùn)用理論計(jì)算方式探討了形變因子對(duì)纖維細(xì)化過(guò)程的影響關(guān)系。
　　 第4章主

8、要對(duì)熔噴工藝中熔體剪切流場(chǎng)進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究。
　　 通過(guò)對(duì)比熔融紡絲原理，分析了熔噴工藝原理中熔體細(xì)化成纖過(guò)程，提出了熔體剪切流場(chǎng)理論。該理論主要內(nèi)容包括:熔體內(nèi)部流場(chǎng)是一種剪切流場(chǎng)，剪切流場(chǎng)方程由動(dòng)量方程和連續(xù)性方程構(gòu)成。進(jìn)行了快速冷卻條件下的熔噴實(shí)驗(yàn)、常規(guī)熔噴實(shí)驗(yàn)和相關(guān)實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了剪切流場(chǎng)理論的正確性。同時(shí)，本章還闡明了熔體內(nèi)部流場(chǎng)速度分布規(guī)律和熔噴纖維橫截面上微觀結(jié)構(gòu)分布規(guī)律。即熔體內(nèi)部流動(dòng)速度輪廓線呈一系列近似反拋物

9、線形，熔噴纖維在橫截面上存在環(huán)形微觀結(jié)構(gòu)分布以及環(huán)形微觀結(jié)構(gòu)沿徑向的梯度分布。本章結(jié)論為進(jìn)一步研究熔噴工藝?yán)w維成形過(guò)程和內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)規(guī)律提供理論基礎(chǔ)。
　　 第5章主要對(duì)熔噴工藝中纖維成形機(jī)理進(jìn)行了研究。
　　 以第4章的研究結(jié)果為基礎(chǔ)，進(jìn)一步分析推演，得出了熔噴工藝中熔體內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律，在此基礎(chǔ)上總結(jié)得出熔噴纖維的成形機(jī)理。即熔體內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律是:整個(gè)熔體剪切流場(chǎng)可描述成瞬間由大量層狀的流動(dòng)組成;相鄰微層之間存在滑移現(xiàn)象。

10、熔噴纖維成形機(jī)理主要是大量微層單元沿著熔體軸向排列在更長(zhǎng)的片段上。進(jìn)行了快速冷卻條件下的熔噴實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)條件下的熔噴實(shí)驗(yàn)以及纖維性能測(cè)定實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了熔體內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律和熔噴纖維成形機(jī)理的正確性。同時(shí)，本章還揭示了熔噴纖維在縱截面上存在“反V字型”條紋的微觀結(jié)構(gòu)形式規(guī)律。本章結(jié)論為進(jìn)一步研究熔噴工藝?yán)w維內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程規(guī)律提供理論上的支撐。
　　 第6章是全文結(jié)論和展望。
　　 綜合總結(jié)了全文的主要研究成果和結(jié)論，對(duì)本文