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熔喷工艺气流对纤维运动及热熔纤网质量影响的研究 摘要 熔喷生产技术依靠气流的作用将熔融的聚合物拉伸细化成纤维，然后纤 维又在气流的作用下随机铺放到接收装置上形成纤网熔喷技术以能生产超 细纤维而倍受关注，引起了科研人员的极大兴趣。他们针对纤维进行了聚合 物拉伸机理的理论研究和相应的实验研究，而针对纤网只进行了有关的实验 研究但是由于熔喷属于一步法生产技术，最终产品是纤网而不是单根的纤 维，因此纤网的性质，尤其是纤网的结构性质( 如孔隙特征) 显得更为重要， 其在很大程度上影响了产品的过滤等性能。但对纤网结构这方面所作的研究 缺乏理论指导。为此，本文以熔喷工艺中影响纤网结构的根本原因一一气流 对纤维运动的影响为主要内容进行了一系列的研究。该研究不仅使得熔喷工 艺的理论更趋于完整，而且对如何提高纤网的质量具有更好的理论指导意 义。 本课题的研究内容可分为三大部分： 第一部分主要是建立聚合物气流拉伸的一维理论模型并对模型的求解 方法进行探讨考虑到求解拉伸理论模型需知气流速度和温度沿模头中心线 ( 纺丝线) 分布的规律，故首先建立了更为完善和准确的熔喷喷射流场气流 速度和温度沿纺丝线变化的经验方程，其包含了更多的模头结构参数。在此 基础上，以众多熔喷实验数据为例，对拉伸理论模型的求解方法( 也即流变 力初值的确定方法) 进行了探讨，即改进了现用的方法并提出了新的方法。 通过对各种方法的综合比较指出了最为稳定和客观的求解方法。该部分研究 是第二部分研究工作的基础，因通过求解聚合物拉伸理论模型才能获得模拟 纤维运动所必需的纤维直径和速度。 第二部分通过数值模拟的方法研究了纤维在熔喷空气流场中运动，以此 来分析气流对纤维运动的影响，进而分析成网的结构性质。纤维运动模拟的 过程包括，喷射流场的数值计算、纤维模型的建立以及纤维的受力分析和运 动计算在该部分的研究中。为了简化问题的分析没有考虑温度的影响，纤 维模型采用了“球一弹簧”链模型，并将纤维在流场中的运动视作单向耦合 问题，即不考虑纤维对流场的反作用。分别利用高速摄影技术实际得到的实 验结果和文献提供的实验结果对纤维运动模拟的结果迸行了验证，计算结果 和实验结果吻合较好。同时，通过数值模拟研究了初始气流速度，气流入射 角度这两个重要参数对纤维运动的影响，并分析了这两个参数以及接收距离 对纤网性质的影响，所得结论与文献所报导的实验结果相一致。 第三部分基于纤维运动的分析结果实验研究了辅助气流对热熔纤网质 量的影响利用图像测量软件对获取的纤网显微图象中的纤网结构特征参 数，如孔隙面积、孔隙周长进行了测试及分析。结果表明，增加了辅助气流 和辅助风道后，纤网的质量得到了明显提高。另外，还初步研究了在辅助气 流存在的情况下熔体的挤出量、主喷气流速度、辅助气流速度、接收距离四 个主要工艺参数对纤维直径大小和直径均匀度的影响。 关键词：熔喷工艺熔喷空气流场 纤维运动纤网结构纤网质量熔喷 理论模型 s t u d yo f t h ee f f e c t so f a i r f l o wo nf i b e rm o t i o na n dt h e a d h e s i v ew e bq u a l i t yi nm e rb l o w i n gp r o c e s s a b s t r a c t i nm e l tb l o w i n g ，t h em o l t e np o l y m e ri sa t t e n u a t e di n t of i n ef i b e r sb yt h e a c t i o no ft h eh i g h * v e l o c i t ya i r , a n dw i t ht h ea i rf l o w i n gt h ef i b e r sa r er a n d o m l y g a t h e r e d o nt h ec o l l e c t o rt of o r mn o n w o v e nw e b s d u et oi t sa b i l i t yo f p r o d u c i n gs u p e r f i n ef i b e r s ，t h em e l tb l o w i n gt e c h n o l o g y a t t r a c t st h er e s e a r c h e r s m u c ha t t e n t i o n f o rf i b e r , r e s e a r c h e sb o t ht h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a l ，h a v e b e e nd o n eo np o l y m e ra i rd r a w i n gm e c h a n i s m ，a n df o rw e bo n l ye x p e r i m e n t a l r e s e a r c h e sh a v eb e e nd o n e b u tt h em e l tb l o w i n gi sao n e s t e pt e c h n o l o g y ，a n d t h ep r o d u c e dp r o d u c ti st h ef i b e ra g g r e g a t i o n ，i e ，t h ew e b ，n o tas i n g l ef i b e r t h e r e f o r e ，t h ew e b ，e s p e c i a l l yt h ew e bs t r u c t u r e ( p o r es i z e ，p o r es h a p e ) t h a t g r e a t l yi n f l u e n c e st h ep r o d u c tf i l t r a t i o np r o p e r t i e si sm o r ei m p o r t a n t h o w e v e r ， s t u d yo nt h ew e bs t r u c t u r ei sl a c ko ft h e o r e t i c a lf o u n d a t i o n f o rt h i sr e a s o n ，a s e r i e so fi t o m sa r es t u d i e dw i t ht h ea c t i o no fa i r f l o wo nt h e 丘b e rm o t i o ni nt h e f l o wf i e l do ft h em e l tb l o w i n g ，w h i c he s s e n t i a l l yd e t e r m i n e st h ew e b s t r u c t u r e ， b e i n gt a k e na st h em a i ns u b j e c t t h i ss t u d yi sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h e t h e o r yo fm e l tb l o w i n gp r o c e s s ，a n di sag u i d eo fh o wt oi m p r o v et h ew e b q u a l i t y t h ew o r ko ft h et h e s i sc o v e r st h r e ep a r t s t h ef i r s t p a r tm a i n l yd e a l sw i t ht h ef o u n d a t i o na n ds o l u t i o no ft h e o n e - d i m e n s i o n a la i rd r a w i n gm o d e lo fp o l y m e r c o n s i d e r i n gi ti sn e e d e dt o k n o wd i s t r i b u t i o n so ft h ea i r v e l o c i t ya n da i rt e m p e r a t u r ea l o n gt h e d i e c e n t e r l i n e ( o rs p i n l i n e ) w h e nt h et h e o r e t i c a lm o d e lo fp o l y m e rd r a w i n g i ss o l v e d ， t h em o r ea c c u r a t ee m p i r i c a lf o r m u l a si n c l u d i n gm o r ed i eg e o m e t r yp a r a m e t e r s a r ef i r s t l yd e v e l o p e di nt h i sp a r tt oo b t a i ns u c hd i s t r i b u t i o n s b a s e do nt h i s ，t h e c u r r e n t l yu s e ds o l u t i o n so ft h et h e o r e t i c a lm o d e l ( o rd e t e r m i n a t i o n so ft h ei n i t i a l r h e o l o g i c a lf o r c e ) a r ei m p r o v e d ，a n dan e ws o l u t i o ni sp r e s e n t e d am o r es t a b l e a n do b j e c t i v em e t h o di sf o u n db yc o m p a r i s o nb e t w e e na l lt h em e t h o d s t h i sp a r t i st h eb a s i so ft h es e c o n dp a r ti nw h i c ht h ef i b e rm o t i o ni nt h ea i rf l o wf i e l di s s i m u l a t e db e c a u s et h en e e d e df i b e rd i a m e t e ra n dt h ei n i t i a lf i b e rv e l o c i t yf o rt h i s s i m u l a t i o ni so b t a i n e dt h r o u g hs o l v i n gt h ed r a w i n gm o d e l i nt h es e c o n dp a r t ，f i b e rm o v e m e n ti nt h ea i rf i e l do ft h em e l tb l o w i n gi s n u m e r i c a l l ys i m u l a t e d ，a n dt h ea n a l y s i so fa i r f l o wa c t i o no nf i b e rm o t i o ni s c a r r i e do u t ，a n df u r t h e rt h ew e bs t r u c t u r e t h es i m u l a t i o np r o c e d u r eo ff i b e r m o v e m e n ti n c l u d e st h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h ea i rf l o w f i e l d ，t h e p r o p o s i t i o no ft h ef i b e rm o d e l ，t h ed e v e l o p m e n to ft h ef o r c eb a l a n c ee q u a t i o n f o rf i b e rm o v e m e n ta n dt h ec a l c u l a t i o no ff i b e rm o v e m e n t i nt h ew o r k ，t h e t e m p e r a t u r ei sn o tc o n c e r n e df o rs i m p l i f i c a t i o n t h ef i b e ri sm o d e l e da s 。a “s p h e r e - s p r i n g ”c h a i n ，a n d i t sm o v e m e n ti nt h ea i rf i e l di s r e g a r d e da sa o n e w a yc o u p l i n gp r o b l e m t h es i m u l a t i o nr e s u l t so ff i b e rm o t i o na c c o r dw e l l w i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sb o r r o w e df r o ml i t e r a t u r e sa n dc o n d u c t e d 、琉t 】1 h i g h - s p e e dp h o t o g r a p h yi nt h i sp a p e r m e a n w h i l e ，t h ee f f e c t so ft h ei n i t i a la i r v e l o c i t y , t h ea i rj e ta n g l eo nt h ef i b e rm o v e m e n ta r es t u d i e d ，a n dt h ei n f l u e n c eo f t h e s et w op a r a m e t e r sa sw e l la st h ed c d ( d i e - t o c o l l e c t o rd i s t a n c e ) o nt h ew e b s t r u c t u r ei sa n a l y z e d t h ea n a l y s i sr e s u l t sa g r e ew e l lw i t ht h ee x p e r i m e n t a lw o r k r e p o r t e db yt h ep u b l i s h e dl i t e r a t u r e i nt h et h i r dp a r t ，t h ee f f e c t so ft h ea d d e da c c e s s o r ya i ro ha d h e s i v e m e l t b l o w nw e ba r ee x p e r i m e n t a l l ye x a m i n e db a s e do nt h ea n a l y s i sr e s u l t so ft h e f i b e rm o t i o n t h ew e bs t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha s p o r ea r e a ，p o r e p e r i m e t e ra r em e a s u r e dw i t hi m a g em e a s u r i n gs o f t w a r e ，a n dt h e np o r es i z ea n d p o r es h a p e ( p o r ea s p e c tr a t i oa n dp o r er o u n d n e s s ) a r ea n a l y z e d i ti ss h o w nt h a t t h e a c c e s s o r ya i r ，w h i c hc a nc o n t r o lt h e f i b e rm o v e m e n t ，h e l p si m p r o v et h e j v p r o d u c e dw e bq u a l i ty i na d d i t i o n ，f o u rm a i nm e l tb l o w i n gp a r a m e t e r s ，t h em e l t t h r o u g h p u t ，t h ep r i m a r ya i rv e l o c i t y , t h ea c c e s s o r ya i rv e l o c i t ya n dt h ed c d a r e d i s c u s s e di nt e r m so ft h e i ri n f l u e n c eo l lf i b e rd i a m e t e ra n df i h e rd i a m e t e r d i s t r i b u t i o n ，w h i c hs e t t l e sb a s ef o rt h ef u t u r eo p t i m i z a t i o no ft h em e l tb l o w i n g p r o c e s s k e yw o r d s ： m e l tb l o w i n gp r o c e s s ，m e l tb l o w i n ga i rf i e l d ，f i b e rm o v e m e n t ， n o n w o v e nw e bs t r u c t u r e ，n o n w o v e nw e bq u a l i t y , t h e o r e t i c a l m o d e lo f m e l tb l o w i n g v 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的 学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的 成果。除文中己明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本 人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名：王晓梅 王j 吃稗 日期：2 0 0 5 年9 月2 9 日 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本版权书。 不保密囹。 学位论文作者签名：王晓梅 王吃榴 指导教师签名：柯勤飞 超勃弋 日期：2 0 0 5 年9 月2 9 日日期：2 0 0 5 年9 月2 9 日 东华大学博士学位论文2 0 0 5引言 引言 避三雪连 热空气一兰型f 厂 商气流 x 冷却气流 、 i i 言东华大学博士学往论文2 0 0 5 个，8 0 年代增加到6 4 个，而到9 0 年代时则突升到了2 3 6 个【2 j 。这足以说明 熔喷非织造技术发展之快。由此可见，研究人员对此付出的努力。他们不仅 进行了实验研究还进行了有关的理论研究，以更好地挖掘熔喷技术的潜力。 关于熔喷技术的理论研究主要有如下三个方面：聚合物熔体在分配流道 中的流动【5 1 ，熔体从喷丝孔中挤出后的拉伸细化 6 8 j ，纤维在喷射流场中的 运动，进行熔体在模头分配流道中流动的理论研究有助于更加合理地进行熔 体流道的设计，以使流出各喷丝孔的熔体更为均匀一致，从而提高纤网中纤 维直径分布的均匀性；纤维拉伸细化机理是关于气流对熔体细流拉伸作用的 理论研究，可借以预测纤维直径、应力等变化的历程，以期实现通过优化熔 喷工艺和设备来生产较细的纤维对于这两部分，国内外都已进行了较多的 研究。 纤维在喷射流场中的运动通常是指纤维拉伸断裂后在流场中的自由运 动，对其进行研究的主要目的是探讨气流对纤维运动的影响。纤维在流场中 的运动状态直接影响了其达到接收装置后在纤网中的形态，进而影响到纤网 的结构。对于熔喷工艺来说，我们不仅关心纤网中纤维的直径，而更应关心 纤网的质量，即纤网孔隙结构( 因为熔喷的最终产品是纤网丽不是单根的纤 维) 。从国内外公开发表的文献来看，目前对于熔喷纤网质量的研究还仅仅 局限于对纤网性质的实验研究，如对纤网的孔径或纤网的过滤性能进行测 试，而缺少基本的分析和相应的理论研究。对于纤维在流场中的具体运动情 况，所报导的也只是纤维运动的照片1 9 “1 1 】，同样没有进行有关的理论分析。 通过研究纤维在流场中的运动来探讨气流对纤维的作用，可为提高纤网质量 而进行的熔喷工艺和设备优化提供必要的理论基础。为此，本文将对纤维在 流场中的运动以及气流对纤维的作用进行较为系统的研究，其包括纤维运动 的数值模拟、数值模拟所需纤维直径和初始速度的计算( 第三章内容) 、通 过增加能更好地控制纤维运动的辅助气流来改善纤网质量的实验研究。 东华大学博士学位论文2 0 0 5 引言 参考文献 【1 】s h a m b a u g h ，r l am a c r o s c o p i cv i e wo ft h em e l t b l o w i n gp r o c e s sf o rp r o d u c i n g m i c r o f i b e r s n d e n g c h e m r e s 1 9 8 8 ，2 7 ( 1 2 ) ：2 3 6 3 - 2 3 7 2 【2 】z h a o ，r 高性能熔喷技术的进展产毖两纷密碾2 0 0 4 ，2 2 圆：6 - 1 1 【3 1i s a r a s i m h a n ，k ，m a n ds h a m b a u g h ，r l t h ep r o c e s so fm e l tb l o w i n g i i 忆d a - t e c 1 9 8 7 , b o o ko p a p e r s ，1 9 8 7 ：1 8 9 2 0 5 4 1v a r g a s ，e a e ta i m e l t b l o w nt e c h n o l o g yt o d a y m i l l e rf r e e m a np u b l c a t i o n ，s a n f r a n c i s c o ，1 9 8 9 【5 】王新厚熔喷非织造衣架型模头的有限元分析【博士学位论文1 上海：中国纺织大学，1 9 9 7 【6 】陈廷熔喷非织造气流拉伸工艺研究f 博士学位论文j 上海：东华大学纺织学院，2 0 0 3 阴u y t t e n d a e l e ，m a j a n ds h a m b a u g h ，r l m e l tb l o w i n g ：g e n e r a le q u a t i o n d e v e l o p m e n ta n de x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o n a i c h ez1 9 9 0 ，3 6 ( 2 ) ：1 7 5 - 1 8 6 ( 8 jd o r s e y , k d e f o r m a t i o na n dd e v e l o p m e n to fm o r p h o l o g yi nm e l t b l o w i n g i l a m e n t a d o c t o rd i s s e r t a t i o n ，g e o r g i ai n s t i t u t eo ft e c h n o l o g y , a t l a n t a ，u s a ，2 0 0 1 【9 】r a o ，r s a n ds h a m b a u g h ，r ，l v i b r a t i o na n ds t a b i l i t yi nt h em e l tb l o w i n g , p r o c e s s r i d e n g c h e m r e s 1 9 9 3 3 2 ( 1 2 ) ：3 1 0 0 - 3 1 1 l 【1 0 c h h a b r a ，r a n ds h a m b a n g h ，r l e x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n t so ff i b e rt h r e a d l i n e v i b r a t i o ni nt h em e l t - b l o w i n gp r o c e s s r i d e n g c h e m r e s 1 9 9 6 ，3 5 ( 11 ) ：4 3 6 6 - 2 3 7 4 【1 1 】s h a m b a a g h ，r l a n dc h h a b r a ，r f i b e rv i b r a t i o na n dd i s t r i b u t i o n si nr e e l ：! , l o w i n g t a p p i ，1 9 9 8 ，8 l ( 3 ) ：1 9 9 2 0 1 3 东华大擘博士学位论文2 0 0 5 第一幸文献综述 第一章文献综述 在熔喷工艺生产中，气流将从喷丝孔中挤出的高聚物熔体拉伸细化成微 细纤维，然后使这些纤维随机铺放到接收装置上形成纤网。在纺织生产的其 它领域，气流也得到了广泛应用，如纺纱准备过程中的除杂、开松，纺纱工 艺的喷气纺技术等。为了在生产中更加合理有效地利用气流的作用，国内外 许多研究人员从理论或实验方面进行了相关的研究，为科学技术的发展作出 了很大贡献 1 1 聚合物熔体气流拉伸的理论研究 由于熔喷过程中气体射流复杂的流动行为，直到8 0 年代中期才开始有 学者对熔喷的理论进行研究。c h u n g 和a b d a u a i l 】是熔喷工艺气流拉伸理论研 究的先驱者。他们在假定熔喷过程是一个等温过程，并忽略了惯性力、重力 和表面张力等影响因素的前提下，建立了包括连续方程和动量方程的数学模 型。他们依据所建立的模型，以五个圆形气流孔包围一个纺丝孔的单孔模头 为例，就熔体温度、气流速度和熔体挤出量对纤维拉伸比的影响进行了预测， 预测结果和实验结果定性地吻合。 u y t t e n d a e l e 和s h a m b a u g h l 2 1 建立了包括连续方程、动量方程和能量方程 的数学模型，并在模型中考虑了惯性力、重力和热传导等因素的影响，模型 中的气流速度和温度采用了实际测试结果。为了使模型方程组封闭，他们引 入了本构方程，并分别采用牛顿流体本构方程和粘弹性流体( p h a n t h i e na n d t a n n e r ) 本构方程预测了纤维直径、纤维温度、纤维应力等在熔喷过程中的 变化历程。u y t t e n d a e l e 和s h a m b a u g h 通过假定“在距离喷丝孔某位置处，熔 体丝条丌始凝固，并且累积作用在凝固丝条上的气流作用力和重力之和 等于凝固点处的流变力”，对所建模型进行了数值求解。他们用环形单 孔模头进行了实验验证。其结果表明，在熔体刚挤出喷丝孔的初始区域，纤 第一幸文献综速东华大学博士擘位论文2 0 0 5 维直径快速细化，模型预测的直径和实测值吻合较好；但在离开初始区域之 后，纤维细化程度减弱，模型预测值和实测值间出现较大的偏差，纤维最终 直径的预测值是实测值的3 4 倍。他们的研究结果还表明，本构方程的类型 对预测结果影响不大，而熔体粘度随温度变化的关系才是较为重要的影响因 素。这为以后研究熔喷理论模型时可以选择较为简单的牛顿流体的本构方程 提供了依据。 c h u n g a b d a l l a 模型f 1 1 与u y t t e n d a e l e s h a m b a u g h 模型【2 1 都是基于熔体丝 条轴线平行于纺丝线这一假设而建立的一维理论模型，但后者比前者考虑的 影响因素更多，尤其是考虑了热传导的影响，因此有了更大的迸步。在这两 个模型中，为获得气流对纤维的拉伸力，都使用了m a t s u i 经验公式( g = 风”) 来确定气流的拉伸系数。m a j u m d a r 和s h a m b a u g h l 3 对m a t s u i 公式中的两个 经验常数口和口的取值问题进行了专门的实验研究m a t s u i 经验公式的前提 条件是气流平行作用于纤维，这与实际的熔喷过程不尽相符。为此，j u 和 s h a m b a u g h 【4 j 建立了当气流倾斜或垂直作用于纤维时拉伸系数的表达式。 在u y t t e n d a e l e s h a m b a u g h 模型中，聚合物熔体的密度和比热这两个参 量假定为常数，但在实际熔喷过程中，聚合物熔体的密度和比热都随聚合物 温度的变化而变化的。陈廷1 5 】考虑了这种变化因素，并用幂律模型作为熔体 的本构方程对u y t t e n d a e l e s h a m b a u g h 模型进行了改进，取得了较好的模型 预测效果。 r a o 和s h a m b a u g h f 6 1 对u y t t e n d a e l e s h a m b a u g h 一维模型进行了扩展，即 同时考虑了纤维的横向摆动，建立了二维模型。该模型不仅能够预测纤维直 径、温度和应力的变化历程，而且还能预测纤维摆动的幅度和频率。c h u n g 和a b d a l l a l lj 在建模时解释了纤维摆动的原因。他们认为在熔喷过程中，当纤 维的速度大予气流的速度时，气流对纤维的拉伸力变为阻力。使得纤维发生 摆动和弯曲。r a o 和s h a m b a u g h 也用环形单孔模头进行了实验验证，拍摄了 纤维运动的多重图像( 2 5 幅图像重叠) 照片。就纤维横向运动的幅度来讲， 模型的预结果和实验结果定性地吻合对于纤维直径、温度和应力，二维模 型和一维模型预测的结果几乎没有差别，但是求解二维模型所花费的时间远 6 东华大学博士学位论文2 0 0 5 第一幸文献综迷 比一维模型所花费的时间多 m a r i a 和s h a m b a u g h l 7 l 又在二维熔喷理论模型的基础上，建立了三维熔 喷理论模型，即同时考虑了纤维的前后、左右摆动。他们分别应用了牛顿流 体和粘弹性流体的本构方程，预测了纤维的直径、振动频率、振幅、温度以 及应力三维模型真正体现了熔喷过程中纤维的实际拉伸情况，但其比二维 模型更为复杂、求解时问更长。 d o r s e y 8 j 对u y t t e n d a e | e s h a m b a u g h 一维熔喷理论模型进行了扩充，即在 能量方程中考虑了结晶热这一影响因素。她将求解模型所得到的纤维温度和 应力，应用到改进的橡胶弹性模型中预测了熔喷过程中纤维结构( 取向和结 晶) 的发展变化并用扫描电镜、r a m a n 光谱、d s c 以及x 一射线测量了纤 维的直径、取向、结晶等。模型预测的结果和实测结果定性吻合。 上述熔喷聚合物拉伸的一维、二维和三维模型都是基于熔喷过程中纤雌 是连续的( 即从喷丝孔挤出后的熔体细丝没有断裂) 这一前提而建立的。丽 实际上，由于熔喷工艺的不稳定性以及原料性质的不均匀性，熔喷过程中微 细纤维细丝常常会发生断裂。d o s e r y 9 l 指出熔喷过程中纤维断裂是因为连续 纤维的破裂、熔体的冲击以及空气的扰动所致。 1 2 熔喷工艺空气流场的研究 熔喷技术类似于熔融纺丝的技术，它们之| h j 的主要区别是：静者采用气 流来拉伸聚合物熔体，而后者采用卷绕辊来进行拉伸。因气流在熔喷工艺中 起着至关重要的作用，所以众多学者对空气流场进行了广泛，深入的研究。 最早对熔喷喷射流场进行研究的是u y t t e n d a e l e 和s h a m b a u g h p i ，他们 在等温条件下对单个环形喷嘴产生的速度场用比托管进行了测量。他们发 现，环形喷嘴的速度场的径向分布沿喷嘴中心线方向可分为三个明显的区 域：第一区域长度大约为5 倍水力直径，在这一区域速度场的径向分匆曲线 由双峰曲线发展成钟形曲线：第二区域为5 一l o 倍水力直径，此区域速度场 的径向分布曲线形状仅稍有变化；第三区域在1 0 倍水力直径以上，此区域 7 第一幸文献综速东华大学博士擘住论文2 0 0 5 速度场的径向分布曲线不再依赖于轴向位置( 称为完全发展区) 他们还给 出了在完全发展区沿径向和轴向速度衰减的无量纲经验表达式，同时对射流 扩散和卷吸的特征，也进行了一定的分析。 m a j u m d a r 和s h a m b a u g h l l 0 j 对环形喷嘴在非等温条件下的速度场和温度 场进行了实验研究。他们的研究结果表明，温度和速度在径向和中心线方向 的变化和喷嘴出口处气流的温度、雷诺数以及喷嘴的长径比无关：在完全发 展区，环形喷嘴的空气流场可以视作圆形喷嘴所形成的流场。另外，他们给 出了速度和温度沿径向和轴向衰减的无量纲经验表达式。 m o h a m m e d 和s h a m b a u g h ( 1 1 地i 研究了具有三排喷嘴的s c h w a r z 型模头 ( 每个熔体孔周围有三个类似于三角形的气流孔) 在常温条件下所形成的流 场的三维速度场的分布，给出了速度场分布的经验公式。接着他们又对此类 喷嘴进行了温度场的研究，给出了温度变化的经验公式。 h a r p b a m 和s h a m b a u g h ”，1 4 】研究了气流入射角度为6 0 。( 气缝与模头端 面的夹角) 的双缝形喷嘴形成的流场在等温条件下的速度衰减情况、在非等 温条件下的速度衰减和温度衰减情况，给出了模头中心线上和垂直于模头中 心线方向的速度和温度衰减变化的经验公式但是他们给出的速度和温度沿 纺丝线分布的经验公式所涉及的模头结构参数仅仅有一个一一两气缝外边 缘的距离，因此由这样的经验公式所描述的流场还不够准确。t a t e 和 s h a m b a u g h ”l 对多种类型的双缝形喷嘴形成的速度场进行了实验研究，给出 了各种喷嘴所形成的流场的速度衰减交化的经验表达式。对于双缝形模头形 成的流场，速度在径向的衰减曲线由双峰曲线逐渐发展为钟形曲线，而温度 衰减曲线始终为钟形曲线；速度和温度在径向的变化规律可分别用b r a d b u r y 方程和改进的b r a d b u r y 方程来描述；速度和温度在中心线上的变化规律可以 用幂率方程束描述。 ，k r u t k a 等1 16 】应用f l u e n t 计算流体力学软件模拟计算了平端面模头 ( b l u n td i e ) 和尖头模头( s h a r pd i e ) 形成的二维速度场。在模拟计算中他们 分别采用了标准k 一占湍流模型、可实现k 一占湍流模型和r s m ( 雷诺应力模型) 湍流模型。采用计算流体力学软件对流场进行模拟，可以较为方便地再现在 东华太学博士擘住论文2 0 0 5第一辛文献综速 实验室所观测到的流场，更为重要的是它还能给出距离模头很近而难以用仪 器测量的区域的流场信息。他们发现，不改变模型默认的参数值，所有这些 湍流模型模拟计算的结果均不能和实测结果较好的吻合；在改变默认参数的 条件下，r s m 模型预测的结果较为准确他们的模拟结果还表明气流入射角 小时，气流在中心线上的相对速度较大，但是湍流强度也大。在此基础上， k r u t k a 等【 l 采用改变了默认参数值的r s m 湍流模型研究了各种尖头模头的 速度场他们的模拟结果表明。在向样的空气流量下，模头的尖端相对于气 板( a i rk n i f e ) 的缩进量大时，模头中心线上的速度大，湍流强度也大。此 后，k r u t k a 等【l l l 又对各种气流入射角的平端模头在非等温条件下产生的流场 进行了模拟。结果表明，当气流的入射角小时，气流在中心线上的相对速度 较大，湍流强度也大，这与等温时的情况类似。 陈廷1 5 l 还用p h o e n i c s 计算流体力学软件对双缝形平端面模头产努的 流场进行了数值计算。他采用7 激光多普勒测速仪和熟线风速仪代瞀毕托管 和热电偶分别对速度和温度进行了较为准确的测量。模拟计算的结果和实溺 结果吻合较好同时，他还分析了气流入射角度、气缝宽度和模头的端齑宽 度对流场的影响对这类模头形成的流场他还用经典的解析方法进行了求 解，但所得解析解只能给出气流速度沿纺丝线方向的分布，而不能给出温度 沿纺丝线的分布。 1 3 熔喷工艺与产品的研究 熔喷的工艺条件决定了纤维的最终直径和熔喷纤网的性质，对此已存很 多学者进行了相关的研究。c h o i l l 9 l 等实验研究了工艺参数，如模义的温度、 空气的压力、接收距离，对纤网性质以及纤维性质的影响。l e e 和w a d s w o p t h l 2 0 研究了模头温度、接收距离，气流速度和气流温度对纤维直径和纤网的孔径 大小、过滤效率的影响b r e s c e l 2 1 】通过实验研究了接收距离对纤网结构的影 响m i l l i g a n 等【2 2 t 2 3 1 还将横吹气流作为二级气流应用到熔喷工艺中进行实验 研究，结果生成的纤维平均直径和直径不匀率都减小，纤网更加均匀，纤网 9 第一章文献综述东华大学博士学位论文2 0 0 5 的过滤性能、顶破强度和强力也都有所提高t y a g i 和s h a m b a u g h l 2 4 1 将脉动 气流作为拉伸气流进行了熔喷实验研究，发现脉动气流可以制得更细的纤 维。s h a m b a u g h t ”】的发明专利中介绍，当空气流速相同时，使用脉动气流比 使用连续气流，可使纤维直径减少5 4 0 。 近年来科研人员对用于熔喷生产的特殊聚合物原料也进行了相关研究， 如研究了可生物降解的聚乳酸原料【2 6 ”1 ，k u r a r y 公司【2 8 1 发明了可热水溶解 的熔喷用e v a l ( 已烯一已烯醇共聚物) 原料。除了上述结晶型聚合物外， 一些无定形高聚物也开始用作熔喷生产原料来制造叠层和粘合剂用产品 2 9 1 。 1 4 纤维在空气流场中运动的理论研究 进行纤维在流场中运动的理论研究时，一般先建立纤维的模型，然后建 立并求解纤维在气流场中的运动方程，来获得纤维运动的轨迹f e l d m a n p 叫 将颗粒视作纤维模型研究了纤维在二维流场中的运动，b a n g e r t 和s a g d e o 【j u 将刚性圆柱体视作纤维模型研究了流场作用下纤维的运动和取向。上面这两 个纤维模型较为简单，没能反映出纤维的柔性和弹性特征。y a m a m o t o 和 m a t s u o k a l 3 2 1 将纤维模拟为一系列相互粘连在一起的直径等于纤维直径的球， 球问的距离和连接角度等都可以变化，这样就能体现纤维的伸长、弯曲特性。 用这种模型，他们研究了简单剪切流中纤维的转动情况。但在他们的这种纤 维模型中，纤维完全由球组成，因此一根实际长度的纤维需要很多球( 纤维 的长径比较大) 来 龅，这将导致模拟纤维运动时的计算量过于庞大s m i t h 和r o b e r t s | 3 3 j 将纤维看成是多个球和柱状单元的组合体，列出了包含六个方 程的纤维运动的控制方程，并用牛顿方法和线性系统解算器对离散后的非线 性方程进行求解，研究了在加速层流流场中纤维的运动情况 k o n g 和p l a t f o o t ! ”】的纤维模型是由节点和无质量的链组成。计算纤维 段上的气流阻力时，他们用节点问的直线距离来代表纤维段的实际长度，这 在纤维段发生较大弯曲时常常得出不合实际的计算结果，例如，纤维段对折 时两端节点间的直线距离为零，由此计算出的气流阻力为零，这显然是不正 o 东毕太学博士学位论文2 0 0 5 第一幸文献综逑 确的。但是，与前面研究人员相比，他们的最大进步就是，纤维运动所在流 场的速度分布是通过数值模拟计算出来的，而不是采用速度分布的公式或假 定流场呈某种分布来进行研究的。曾永春【3 5 1 对纤维在喷嘴高速气流场中的运 动进行了研究，所用的纤维模型是由珠和不计质量的弹性杆组成的链。改变 相邻两璩之间的距离可以产生弹性伸长，改变杆的挠度产生弯曲，因此该模 型也能反映纤维的弹性和柔性。其对纤维运动的计算也是在流场数值计算的 基础上进行的。 对于纤维在空气流场中运动的理论研究，主要涉及到与纺纱相关的工 艺，如喷气纺技术，关于熔喷喷射流场中非连续纤维运动的研究还未见有公 开的文献报导。 1 5 本文的研究内容和章节安排 由前面的文献综述可见，目前国际上对熔喷工艺中的纤维拉伸和喷射流 场已经进行了较多的理论和实验研究，这对于生产更细的纤维具有指导僵前 意义但纤网作为熔喷工艺的最终产品，我们不仅希望其拥有较细直径的纤 维，更希望纤网的质量在孔的结构特征方面表现良好但正如前面所述落对 于纤网结构的研究目前尚停留在实验研究阶段，即仅仅通过改变熔喷工艺参 数来研究纤网的结构，而没有深入探究影响纤网结构的根本原因一一气流对 纤维运动的影响基于此