熔噴纖網(wǎng)形態(tài)及均勻性的預(yù)測研究.pdf

1、熔噴纖網(wǎng)的形態(tài)及其均勻性直接影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量和性能，也是衡量熔噴設(shè)備技術(shù)水平的一個重要標(biāo)志。纖網(wǎng)均勻性越高，產(chǎn)品的外觀質(zhì)量越好，縱、橫向機械性能越均勻，性能越好，產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次自然就越高。對熔噴纖網(wǎng)形態(tài)及其均勻性的預(yù)測可以揭示熔噴非織造纖網(wǎng)成型機理，有助于熔噴工藝條件的調(diào)整，優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量，并對實際生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。本文的主要研究工作包括如下四個方面：
　?。?）對熔噴氣流場（包括模頭附近的熔噴牽伸氣流場和成網(wǎng)簾附近的熔噴

2、接收氣流場）的速度和溫度分布進行了數(shù)值模擬與實驗研究。
　?。?）對現(xiàn)有熔噴纖維三維拉伸模型進行了改進，預(yù)測纖維的直徑、溫度、速度、結(jié)晶等物理參數(shù)以及纖維在氣流場中的運動路徑。
　　（3）基于改進的熔噴纖維三維拉伸模型，模擬纖網(wǎng)的成型過程，并根據(jù)模擬的纖網(wǎng)形態(tài)，分析了纖網(wǎng)的克重分布及均勻性。
　?。?）模擬并實驗驗證了不同熔噴工藝條件對纖網(wǎng)均勻性的影響及其顯著性。
　　全文共分六章：
　　第1章對國內(nèi)外與本

3、文研究領(lǐng)域相關(guān)的理論研究和實驗方面的文獻進行了綜述，主要涉及到熔噴牽伸氣流場，熔噴纖維拉伸模型以及熔噴纖網(wǎng)結(jié)構(gòu)。并闡明了本文的研究意義、研究目的，以及相關(guān)創(chuàng)新點。
　　第2章模擬了包括模頭附近的牽伸氣流場和成網(wǎng)簾附近的接收氣流場的整個狹槽形熔噴氣流場的速度和溫度分布。采用熱線風(fēng)速儀對模擬結(jié)果進行實驗驗證，并根據(jù)實驗和模擬結(jié)果，結(jié)合成網(wǎng)簾結(jié)構(gòu)對熔噴氣流場的速度和溫度分布進行了深入分析。研究發(fā)現(xiàn)，模頭附近的熔噴牽伸氣流場的速度和溫度隨

4、x增大（即CD方向偏離模頭區(qū)域）而出現(xiàn)劇烈下降，隨后下降程度逐漸緩和。流場的速度和溫度隨z的增大（垂直距離遠離模頭區(qū)域）而近似線性下降。由于網(wǎng)下吸風(fēng)的加速效應(yīng)和成網(wǎng)簾鐵網(wǎng)結(jié)構(gòu)的阻擋共同作用，成網(wǎng)簾內(nèi)部的接收氣流場氣流速度隨著垂直距離z的增大而波動起伏不定。流場溫度則隨著z的增大而逐漸下降至近室溫。在成網(wǎng)簾表面，接收氣流場的速度和溫度在成網(wǎng)簾上噴絲孔的對應(yīng)位置處為最大，隨著x的增大，接收氣流場的速度和溫度逐漸下降。
　　第3章主要著

5、重討論了熔噴纖維三維拉伸模型的改進：采用Giesekus本構(gòu)方程描述纖維的流變行為；采用了動態(tài)結(jié)晶動力學(xué)模型描述熔體變化成纖過程中結(jié)晶度的變化；在能量方程中，考慮了纖維的結(jié)晶熱和熱輻射效應(yīng)。以上一章模擬獲得的熔噴牽伸氣流場速度和溫度分布為基礎(chǔ)，預(yù)測了纖維的溫度、速度、結(jié)晶等物理量以及纖維在氣流場中的三維運動路徑，為下一章纖網(wǎng)的成型預(yù)測和均勻性分析奠定了基礎(chǔ)。改進后的模型預(yù)測了纖維自噴絲孔噴出后結(jié)晶度的變化，預(yù)測結(jié)果表明，纖維結(jié)晶度在距離

6、噴絲孔約0~5cm范圍內(nèi)急劇上升，待纖維運動出該區(qū)域后，纖維結(jié)晶度也停止變化。模型還預(yù)測了纖維的溫度變化，結(jié)果顯示，纖維在剛噴出噴絲孔時由于周遭氣流溫度大于纖維溫度導(dǎo)致纖維溫度上升，隨后由于氣流溫度衰減，纖維溫度超過氣流溫度導(dǎo)致纖維熱量向周遭氣流擴散，隨著距離噴絲孔越來越遠，纖維溫度逐漸下降至室溫。由于考慮了熱輻射效應(yīng)，改進后的模型與實驗值吻合得更好。在模型對纖維速度的預(yù)測方面，剛擠出噴絲孔時，纖維的速度慢于氣流速度，受到氣流的加速作用

7、，由于氣流速度的衰減，這種加速效果逐漸微弱，當(dāng)纖維速度達到一個峰值后，纖維速度逐漸開始下降。在纖維直徑預(yù)測方面，預(yù)測結(jié)果顯示，纖維直徑在距離噴絲孔較近區(qū)域出現(xiàn)劇烈下降，隨后隨著纖維遠離噴絲孔而逐漸緩慢下降至約10微米左右，這與已有文獻的觀察相一致。
　　第4章提出了纖網(wǎng)形態(tài)和克重均勻性的預(yù)測方法。采用圖像處理技術(shù)計算了不同接收距離下接收的纖網(wǎng)的二維正態(tài)分布參數(shù)（包括方差和相關(guān)系數(shù)），并將參數(shù)與接收距離進行線性擬合，以獲得在噴絲孔附

8、近1mm處的纖網(wǎng)二維正態(tài)分布參數(shù)。根據(jù)該參數(shù)，采用蒙特卡洛抽樣方法生成了纖維初始擾動的振幅。最終，根據(jù)生成的擾動振幅結(jié)合第3章三維拉伸模型與第2章計算的接收氣流場，模擬了單孔和多孔熔噴纖網(wǎng)的成型過程，并對模擬的纖網(wǎng)進行了克重分布計算和均勻性分析。模擬結(jié)果與實驗結(jié)果具有高度的一致性。由研究結(jié)果可知，不論是單孔還是多孔纖網(wǎng)，相較于CD方向，MD方向的均勻性更好。本章的研究內(nèi)容揭示了熔噴非織造纖網(wǎng)成型過程機理，并對實際生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。

9、
　　第5章預(yù)測了在不同工藝條件下接收的纖網(wǎng)的均勻性，分析了諸如牽伸氣流場壓強、牽伸氣流場溫度、聚合物體積流率、接收距離、網(wǎng)下吸風(fēng)速度、鋪網(wǎng)速度等工藝條件對纖網(wǎng)均勻性的影響及其顯著性，并進行了實驗驗證。研究表明，隨著接收距離的增大，纖網(wǎng)的均勻性逐漸變差。隨著氣流溫度的增大，纖網(wǎng)的均勻性呈現(xiàn)出先改善后惡化的趨勢，在310℃時的纖網(wǎng)均勻性最好。當(dāng)牽伸氣流壓強或鋪網(wǎng)速度逐漸增大時，纖網(wǎng)的均勻性逐漸得到改善。當(dāng)聚合物體積流率逐漸增大時，纖

10、網(wǎng)的均勻性逐漸惡化。當(dāng)網(wǎng)下吸風(fēng)速度逐漸增大時，當(dāng)鋪網(wǎng)速度逐漸增大時，纖網(wǎng)CD和MD方向的均勻性得到了一定改善。纖網(wǎng)的均勻性雖逐漸得到改善，但是其改善效果逐漸微弱。
　　此外，本章還研究了這六種工藝條件對纖網(wǎng)均勻性影響的顯著性，發(fā)現(xiàn)接收距離和牽伸流場（包括溫度和壓強）對纖網(wǎng)均勻性的影響是極顯著的，聚合物體積流率和網(wǎng)下吸風(fēng)速度則對纖網(wǎng)均勻性影響顯著，鋪網(wǎng)速度對纖網(wǎng)均勻性的影響則較為微弱。
　　第6章是全文的結(jié)論與展望。主要闡述了