熔噴非織造模頭寬幅化和纖維納米化的研究.pdf

1、近年來(lái)，隨著工業(yè)的飛速發(fā)展及對(duì)環(huán)境保護(hù)的加強(qiáng)，熔噴非織造布市場(chǎng)需求不斷增長(zhǎng)，熔噴非織造技術(shù)得到了迅速發(fā)展。熔噴纖維細(xì)度一般為2-5個(gè)微米，在醫(yī)用材料、精細(xì)過(guò)濾材料、吸油材料、保暖材料、電池隔板等各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
　　目前熔噴技術(shù)發(fā)展的兩個(gè)最重要趨勢(shì)是熔噴設(shè)備的寬幅化和熔噴纖維的納米化。本文針對(duì)這兩方面進(jìn)行了相關(guān)研究，其主要內(nèi)容包括熔噴衣架型模頭的多目標(biāo)優(yōu)化、寬幅模頭的設(shè)計(jì)、熔噴納米纖維的制備、非織造布性能的測(cè)試、納米纖維成

2、形機(jī)理的研究等。
　　本論文首先對(duì)熔噴衣架型模頭內(nèi)的聚合物熔體流動(dòng)進(jìn)行三維數(shù)值模擬，通過(guò)分析出口速度和滯留時(shí)間的分布特點(diǎn)，指出兩者將會(huì)顯著影響熔噴非織造最終產(chǎn)品的性能。在此基礎(chǔ)上，以獲得最小出口速度CV值和最短滯留時(shí)間為目標(biāo)，對(duì)單衣架型模頭的幾何參數(shù)進(jìn)行了正交設(shè)計(jì)優(yōu)化，找出影響出口速度CV值和滯留時(shí)間的顯著性因素，得到了優(yōu)化的衣架型模頭;基于此結(jié)果，采用遺傳算法，在參數(shù)變量的全局定義域內(nèi)進(jìn)行了優(yōu)化搜素，進(jìn)一步對(duì)衣架型模頭進(jìn)行了多目

3、標(biāo)優(yōu)化。為實(shí)現(xiàn)模頭的寬幅化，我們提出了兩種寬幅衣架型模頭設(shè)計(jì)方法，第一種方法是雙衣架型模頭的拼接方法，采用解析法求出雙衣架型模頭歧管的拼接形狀方程，并在成型面區(qū)內(nèi)引入第二橢圓歧管，獲得了幅寬為3.4m，出口速度CV值小于1％的雙衣架型模頭。第二種方法是設(shè)計(jì)了幅寬為4m的多歧管模頭，同時(shí)分析和比較了多種聚合物在該寬幅模頭內(nèi)的分配狀況，結(jié)果顯示該模頭具有耗能小，對(duì)多種聚合物適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。另外，本文在熔噴工業(yè)生產(chǎn)條件下，采用多種工藝成功制備

4、了微米纖維和納米纖維，測(cè)試了微、納米非織造纖網(wǎng)性能并對(duì)兩者進(jìn)行了比較，指出納米熔噴纖網(wǎng)在孔徑大小，透氣率和靜水壓力等性能方面具有獨(dú)特優(yōu)點(diǎn);最后，本文對(duì)熔噴納米纖維制備過(guò)程中存在的Rayleigh不穩(wěn)定現(xiàn)象建立了數(shù)學(xué)建模，并設(shè)計(jì)熔噴實(shí)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證，闡明了該模型的正確性。最后通過(guò)對(duì)比熔噴納米纖維工藝和靜電納米纖維工藝的相同和不同點(diǎn)，初步探究了熔噴纖維納米化存在的障礙和極限問(wèn)題。
　　全文共分六章。
　　第1章對(duì)國(guó)內(nèi)外關(guān)于熔噴

5、技術(shù)領(lǐng)域的相關(guān)理論和實(shí)驗(yàn)研究方面的文獻(xiàn)進(jìn)行了綜述，主要涉及衣架型模頭優(yōu)化和設(shè)計(jì)、熔噴氣流場(chǎng)、纖維拉伸模型以及纖維制備工藝的研究。
　　第2章對(duì)衣架型模頭內(nèi)聚合物流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模，以聚合物熔體出口速度CV值和滯留時(shí)間為目標(biāo)函數(shù)，采用數(shù)值模擬方法對(duì)工業(yè)用衣架型模頭的幾何參數(shù)進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化。
　　通過(guò)正交設(shè)計(jì)方法，選取歧管角度、成型面高度和狹縫區(qū)寬度三個(gè)因子對(duì)目標(biāo)函數(shù)的影響進(jìn)行了研究。結(jié)果顯示選取的三個(gè)因子對(duì)流體的出口速度影響

6、顯著，而只有歧管角度和狹縫區(qū)寬度兩因子對(duì)滯留時(shí)間有影響，但影響作用較小;同時(shí)只有歧管角度和成型面高度之間的交互作用對(duì)出口速度有一定的影響，其顯著性也較小。通過(guò)正交設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，確定了影響目標(biāo)函數(shù)的顯著性因子，得到了優(yōu)化的衣架型模頭幾何參數(shù)，該優(yōu)化模頭的最終出口速度CV值為7.7％，滯留時(shí)間為292s。隨后采用多目標(biāo)遺傳算法在變量參數(shù)全局定義域內(nèi)進(jìn)行優(yōu)化搜索，進(jìn)一步改善了模頭中成型面高度和狹縫區(qū)寬度兩因子在目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化過(guò)程中的制約關(guān)系。通過(guò)并

7、列遺傳算法和目標(biāo)規(guī)劃統(tǒng)一函數(shù)法求得了目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解，獲得了衣架型模頭的最優(yōu)幾何參數(shù)，使衣架型模頭的出口速度CV值降低為5.1％，滯留時(shí)間下降為169s。
　　第3章設(shè)計(jì)了寬幅模頭，根據(jù)解析方程求得雙衣架型模頭拼接位置處的歧管形狀曲線，通過(guò)插入第二歧管和多歧管模頭設(shè)計(jì)等方法，獲得了出口速度均勻的寬幅模頭。
　　在第2章單衣架型模頭優(yōu)化過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，歧管對(duì)聚合物流體在出口橫向均勻分配方面起著至關(guān)重要的作用。本章通過(guò)對(duì)歧管內(nèi)聚合物

8、流體進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，求解出雙衣架型模頭拼接處歧管的形狀解析方程。模擬結(jié)果顯示該拼接方法有效的解決了簡(jiǎn)單拼接模頭中間位置處存在的凸?fàn)罡咚賲^(qū)域，獲得了更均勻的出口速度，使幅寬為3.4m的雙衣架型模頭出口速度CV值降至10％以下?；陔p衣架設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，在成型面里引入第二橢圓歧管，使其對(duì)聚合物進(jìn)行了第二次微調(diào)分配，進(jìn)一步降低了出口速度的CV值。另外經(jīng)過(guò)第二歧管的調(diào)節(jié)，模頭內(nèi)的流體壓力降減小，可以降低能耗。另外根據(jù)歧管的分配作用，提出了一種多歧管寬幅

9、模頭的設(shè)計(jì)方法。通過(guò)多級(jí)歧管對(duì)聚合物流體層層分配，有效地減小了出口處速度CV值和模頭內(nèi)的壓力降;同時(shí)該模頭避免了雙衣架型模頭在生產(chǎn)過(guò)程中需要兩個(gè)計(jì)量泵為其供料的弊端，而且對(duì)多種物料流體具有較好的適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)了熔噴非織造分配流道的寬幅化設(shè)計(jì)。
　　第4章主要是在工業(yè)生產(chǎn)條件下，制備了微米和納米熔噴纖維，并對(duì)其纖維直徑及其分布，纖網(wǎng)性能特征進(jìn)行了測(cè)試和比較。
　　首先在熔噴工業(yè)生產(chǎn)條件下，采用多種工藝參數(shù)和不同噴絲板制備了微米和

10、納米熔噴非織造布，詳細(xì)討論了工藝參數(shù)對(duì)熔噴纖維直徑及其分布的影響。結(jié)果顯示熱空氣壓力、熱空氣溫度的增加有利于纖維牽伸細(xì)化;工業(yè)生產(chǎn)條件下采用多孔噴絲板制備的熔噴纖維直徑分布為正態(tài)分布，不同于實(shí)驗(yàn)室條件下采用單孔制備的熔噴纖維直徑的指數(shù)正態(tài)分布。納米噴絲板制備的熔噴纖維平均直徑可達(dá)600nm-800nm。其次，采用不同的實(shí)驗(yàn)儀器，對(duì)纖網(wǎng)的密度、孔徑分布、空氣透氣率、靜水壓和斷裂伸長(zhǎng)率等性能進(jìn)行了測(cè)試和比較。通過(guò)對(duì)比微米熔噴纖網(wǎng)和納米熔噴纖

11、網(wǎng)，發(fā)現(xiàn)納米纖網(wǎng)密度較小，但其透氣率和斷裂伸長(zhǎng)率與微米纖網(wǎng)相近。另外，兩種熔噴纖網(wǎng)的平均孔徑都隨著纖維直徑的減小而顯著降低，分布也更均勻，但納米纖維表現(xiàn)更突出。
　　第5章主要是對(duì)在工業(yè)生產(chǎn)條件下，采用多孔噴絲板制備納米熔噴過(guò)程中出現(xiàn)的Rayleigh不穩(wěn)定現(xiàn)象進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，同時(shí)比較了熔噴納米纖維和靜電納米纖維制備過(guò)程中的異同現(xiàn)象，初步探討了熔噴纖維牽伸細(xì)化過(guò)程中存在的障礙和極限問(wèn)題。
　　本章對(duì)熔噴紡絲過(guò)程中纖

12、維細(xì)度牽伸到納米級(jí)后出現(xiàn)的Rayleigh不穩(wěn)定現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模和分析，指出纖維直徑，空氣溫度和聚合物粘度對(duì)此現(xiàn)象影響顯著。當(dāng)纖維直徑牽伸至納米級(jí)后，其表面張力激增，Rayleigh不穩(wěn)定現(xiàn)象加劇而導(dǎo)致纖維斷裂，從而形成圓形顆粒;通過(guò)熔噴實(shí)驗(yàn)，通過(guò)不同粘度的聚合物，不同生產(chǎn)工藝條件制備了納米纖維，結(jié)果驗(yàn)證了理論模型的正確性。另外通過(guò)高速攝影儀抓拍纖維在熔噴和靜電生產(chǎn)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)軌跡，指出熔噴纖維運(yùn)動(dòng)路徑遠(yuǎn)小于靜電纖維的運(yùn)動(dòng)路徑，同時(shí)熔