（材料加工工程专业论文）玄武岩纤维成形过程模拟.pdf

连续玄武岩纤维成型过程模拟 摘要 玄武岩纤维以其耐酸、耐碱、耐高温、高增强等优异性能被应 用于冶金、化工、航天航空、建筑等行业领域。其理论指导尚不成 熟，大多是靠经验来设计漏嘴等。本文借助于玻璃纤维工艺，分析 了玄武岩连续纤维成形过程中的影响因素，对其成形过程进行了数 值模拟，确定了参数的变化对玄武岩连续纤维成形过程的影响，为 玄武岩连续纤维的进一步研究打下了基础。 首先从微孔中液体的流动过程进行分析，通过模拟计算，证明 玄武岩熔体在漏孔中的流动为粘性液体在毛细管中的层流流动，并 得出体积流量与漏嘴结构的关系式，此为漏嘴几何尺寸的设计具有 重要的指导意义。 用流变学软件a n s y s 对漏孔中玄武岩熔体的温度场进行数值 模拟，结果显示在漏嘴入口温度为13 0 0 ，漏孔直径为4 毫米，漏 嘴长度分别为10 、15 、2 0 、2 5 毫米时，其出口温度分别为1 2 6 5 、1115 、 10 8 0 、10 0 0 ，结果表明随着漏嘴长度的增加，出口液体的温度下 降明显，用此确定漏孔中玄武岩液体粘度、拉丝速度、纤维直径等 都具有重大的意义。 利用漏嘴参数、液体粘度和拉丝速度等对纤维的理论直径进行 模拟计算，结果显示漏孔长度为13 毫米，拉丝速度为2 51 2 c m s ，漏 嘴直径分别为3 、4 、4 5 、5 毫米时，纤维的理论直经对应为12 、21 5 、 3 2 、3 9 1um 。结果表明可以分别通过调节漏嘴的尺寸和拉丝速度来 改变纤维的直径。 通过对丝根建立能量方程、动量方程、确定边界条件等建立数 学模型，并对丝根形状进行求解，计算结果显示纤维丝根的长度很 短一般约6 、7m m 。而且纤维直径越大，丝根直径越大。此结果对 于确定拉丝速度、丝根温度场的计算、丝根周围介质温度场等都有 重要的作用。 通过对玄武岩丝根的温度场数值模拟结果可知，周围介质温度 较高约8 0 0 。c 时，丝根在离开其底部1 5m m 时，其横截面上所有各 点上的温度实际已接近于周围介质的温度。而在更冷的条件下，有 可能在表面形成脆性层而内层仍是粘性的状态，从而会使丝根中玄 武岩液体的运动有很大的速度梯度，就有可能使丝变细和断掉。这 种冷却条件下的丝根约为2 5 m m 。结果表明：要想得到高质量的玄 武岩纤维并消除断头，条件之一就是必须要使纤维成形区建立一个 稳定的温度场。 玄武岩连续纤维的研发，使玄武岩的价值剧增，经济、社会效 益显著；且因其优异的耐热、耐磨、耐酸、增强与吸附过滤性好等 性能特点，若应用于生产，可满足多种工业领域的许多应用需求， 市场需求潜力巨大，开发应用前景良好。 关键词；玄武岩纤维，模拟，丝根，漏嘴，温度场 i i t h es i m u l a t i o no fc o n t i n u o u sb a s a l t f i b e rf o r m a t i o np r o c e s s a bs t r a c t a sb a s a l tf i b e rh a st h e a c i d r e s i s t a n t ，a b r a s i o n - r e s i s t a n t ，g o o d f i l t r a t i o np e r f o r m a n c e ，i tc a nb ew i d e l yu s e di nm e t a l l u r g y ，c h e m i c a l i n d u s t r y ，n a v i g a t i o na n ds p a c e f l i g h t ，b u i l d i n gc o n s t r u c t i o n t h i sp a p e r s m a i n l ys t u d i e dt h es i m u l a t i o no fc o n t i o n o u sb a s a l tf i b e rf o r m a t i o n p r o c e s sa n da n a l y z e dt h ei n f l u e n c ef a c t o ri nt h ec o n t i n u o u sb a s a l tf i b e r f o r m i n gt e c h n i q u e ，w h i c h c a no f f e rt h e t h e o r yg u i d a n c e t ot h e i n d u s t r i a l i z a t i o n f i r s t ，w ea n a l y z e da n dc a l c u l a t e dt h ep r o c e s so fl i q u i df l o wi nt h e m i l l i p o r eo fn o z z l e ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a ti tb e l o n g st h el a m i n a rf l o w o fv i s c i d i t y l i q u i d i n c a p i l l a r y e l s e ，w eg o t t h er e l a t i o no ft h e v o l u m e t r i cf l o wr a t ea n dn o z z l es t r u c t u r e ，w h i c hi si m p o r t a n tt ot h e d e s i g no fn o z z l e b ya n s y ss o f t w a r e ，w es i m u l a t e dt h eb a s a l tl i q u i dt e m p e r a t u r eo f t h el e a k ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h en o z z l ee n t r a n c e t e m p e r a t u r e b e i n g 130 0 ，n o z z l ed i a m e t e rb e i n g4 m i l l i m e t e r s ，t h el e n g t ho f m i l l i p o r eo fn o z z l es e p a r a t e l yb e i n g10 ，15 ，2 0 ，2 5 r a m ，t h et e m p e r a t u r e s o fi t se x p o r t sw e r ea c c o r d i n g l y1 2 6 5 ，1115 ，l0 8 0 ，10 0 0 o 。a c c o r d i n gt o t h en u m b e ro fn o z z l e ，l i q u i d v i s c o s i t y ，d r a w i n g s p e e d ，w ec a l c u l a t e dt h ef i b e rd i a m e t e ra n df o u n dt h a t t h e t h e o r y d i a m e t e ri s1 2 、21 5 、3 2 、3 9 1i tmw h e nt h el e n g t ho fm i l l i p o r eo f n o z z l eb e i n g13 m m ，d r a w i n gs p e e db e i n g2 51 6 c m s ，n o z z l ed i a m e t e r b e i n g3 、4 、4 5 、5 r a m t h a tt o l du st h a tw ec o u l da l t e rt h ef i b e rd i a m e t e r b yd r a w i n gs p e e da n dn o z z l es t r u c t u r e t h r o u g ht h ee s t a b l i s h m e n to ft h ee n e r g ye q u a t i o n ，t h em o m e n t u m i i i e q u a t i o na b o u tb a s a l tf i b e rr o o ta n dt h eb o u n d a r yc o n d i t i o n s ，b vu s eo f s o f t w a r e ，w es o l v e dt h ee q u a t i o n s ，t h er e s u l t sp r o v e dt h a tt h el e n g t ho f b a s a l tf i b e rr o o ti sv e r ys h o r t ，g e n e r a l l ya b o u t6 , 7m m a n dt h eg r e a t e r t h ef i b r ed i a m e t e r ，t h el a r g e rt h ew i r er o o td i a m e t e r t h i sr e s u l t sw e r e g r e a ti m p o r t a n ti nd e t e r m i n i n gd r a w i n gs p e e d ，c a l c u l a t i n gt h ew i r e r o o t t e m p e r a t u r e ，d e t e r m i n i n gw i r er o o tm e d i u mt e m p e r a t u r ea r o u n dt h e r o o t f r o mt h es i m u l a t i o no ft h eb a s a l tw i r er o o tt e m p e r a t u r e ，w h e nt h e m e d i u mt e m p e r a t u r ea r o u n dw i r er o o ti sa b o u t8 0 0 ，t h ec r o s ss e c t i o n t e m p e r a t u r eo fw i r er o o ta w a yf r o mn o z z l eo u t l e th a sn e a r b yb e e ns a m e w i t ht h em e d i u mt e m p e r a t u r e i ft h em e d i u mt e m p e r a t u r ei sc o l d ，w i r e r o o ts u r f a c ep e r h a p sb e c o m eb r i t t l e n e s ss u r f a c ea n di n t e r i o ri sv i s c i d i t y i nf a c t ，s ot h a tt h eb a s a l tl i q u i df l o wh a sm u c hh i g h e rv e l o c i t yg r a d i e n t a n dm a k ef i b e rs l i m m e ro rb r o k e i nt h i sc o n d i t i o n ，t h el e n g t ho fw i r e r o o ti sa b o u t2 5 m m f r o ma b o v e ，w ec o n c l u d e dt h a ti fw ew a n tt og e t h i g hq u a l i t yb a s a l tf i b e r ，w em u s te s t a b l i s has t a b l et e m p e r a t u r ef i e l d a r o u n dw i r er o o t t h ee x p l o i t a t i o no fc o n t i n u o u sb a s a l tf i b e rc a ne n h a n c et h eb a s a l t v a l u e ，b r i n g r e m a r k a b l ee c o n o m i c a la n ds o c i a l b e n e f i t ， a si t s o u t s t a n d i n gh e a tp r o o f , a b r a s i o np r o o f , a c i dp r o o fb e h a b i o u r ，i fa p p l i e d t op r o d u c t i o n ，i tc a ns a t i s f ym a n yi n d u s t i a la p p l i c a t i o nd e m a n d ，t h e m a r k e td e m a n d p o t e n t i a l i s v e r yt r e m e n d o u s ，t h ep r o s p e c t o f d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o na l lr i g h t k e yw o r d s ：b a s a l tf i b e r ，s i m u l a t i o n ，m e l t s s p i n n i n g ，n o z z l e ， t e m p e r a t u r e i v 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行 研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任 由本人承担。 论文作者签名：溜静e t 期：垒q q 琏墨旦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或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 阅和借阅；苯人授权陕西科技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、缩印或其他复制手段保存论文和 汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：氲师签名： 论文作者签名：星! 盟导师签名： 奎酋量丝丝盛垄墼笪蕉丝堡蜜 1 综述 1 1 课题研究的背景 1 1 1 纤维的发展历史 纤维是指其形状细而长的物质，其长径比至少在1 0 0 倍以上并且具有一定柔性的纤 细物质，具有手感柔软、比表面积大、覆盖面大、反应能力强等特点。主要包括天然纤 维和合成纤维，以及人造纤维。纤维的成形包括纺丝液的制备、纤维纺丝及初生纤维的 后加工等过程。 纤维纺丝是将聚合物制成具有纤维基本结构及其综合性能的的纺织纤维过程。一 般是将成纤维高聚物溶解或熔融成粘稠的液体( 称纺丝液) ，然后将这种液体用纺丝泵连 续、定量而均匀地从喷丝头小孔压出，形成的粘液细流径凝固或冷凝而成纤维。根据不 同的要求进行后加工，纺丝成形的方法很多，目前工业上常采用的有三种：( 1 ) 熔融纺 丝法：将高聚物加热熔融制成熔体，并经喷丝头配成细流，在空气中或水中冷却而凝固 成纤维的方法。( 2 ) 干纺丝法：首先将聚合物配制成纺丝溶液，用纺丝泵喂养，经由喷 丝头喷出液体细流，进入热空气套筒，使细流中的溶剂遇热蒸发，而高聚物则随之凝固 成纤维。( 3 ) 湿法纺丝：将纺丝原液经喷丝孔压出而成细流，并在一定介质中凝固成细 条。 而玻璃纤维是人类认识最早的一种纤维之一。人类认识玻璃纤维历史久远，古埃及 人、古哥特人已经知道从半熔石英石和碳酸钠的熔浆中快速拉出粗细不均、长度仅为几 个厘米的玻璃纤维，作为豪华器皿上的一种装饰。直到2 0 世纪，随着材料革命的兴起、 窑炉、冶炼、机械、化工技术的发展，玻璃纤维才进入工业生产时期。 中国玻璃纤维工业的历史，可以追溯到2 0 世纪4 0 年代后期。但直到进入2 0 0 0 年后， 随着玻璃纤维池窑纺丝技术为基础的先进技术推广应用，我国玻璃纤维工业才真正进入 了一个龙腾虎跃，高速发展时期，自1 9 9 7 2 0 0 3 年短短7 年时间，我国玻璃纤维年产量 ( 不含我国台湾地区) 一路攀高，由1 8 万吨急剧增加到4 5 万吨，其中池窑产品产量已超 过总产量的5 6 ，已经基本实现了由落后的坩埚球法纺丝工艺向现代大规模池窑工艺的 战略转移【lj 。 1 1 2 玄武岩纤维概况 目前，世界上各国都比较重视抗碱玻璃纤维的研究和应用，玄武岩纤维就是其中的 一种。玄武岩纤维以单组分玄武岩、辉绿岩、角闪岩等为原料，破碎后加入熔窑中，在 1 4 5 m 1 5 0 0 熔融，其熔化和纺丝过程与玻璃纤维相比，省去了多种原料配料过程，熔化 池窑与玻纤池窑类似，由于玄武岩含f e o 和f e 2 0 3 达1 0 以上，黑度系数接近0 9 ，透 热性差，又属于块状堆积熔化工艺，所以池炉比较浅，熔池面积比玻纤的小。同时玄武 岩熔化过程中没有硼和其他碱金属氧化物析出，池墙受侵蚀较小，在池炉排放的烟尘中 基本无有害物质。通过纺丝成形设备制成具有广泛用途的连续纤维，可替代价格昂贵的 多组分原料生产的高性能玻璃纤维。其生产工艺简单、成本低廉、无污染。可作为增强 体，制成新型的复合材料。 从表1 1 中看出玄武岩属于难熔矿物原料【2 】，熔化温度在1 5 0 0 。c 之上。因含铁量高， 使纤维呈古铜色，其中含有m g o 、n a 2 0 、k 2 0 和t i 0 2 等成分，对提高纤维防水，耐腐 蚀性能起了重要的作用。玄武岩是火成岩中的细粒岩，密度大。火山衍生物结构的玄武 岩比沉积岩中的页岩、砂岩和变质岩中的石英岩的杨氏模量都要高，这使玄武岩纤维具 有耐高温、抗拉强度好、弹性模量高等性能。 表卜1 玄武岩纤维与c 玻璃纤维、e 玻璃纤维、s 玻璃纤维成份比较 化学成分 玄武岩纤维( w玄武岩纤维( 乌 c 玻璃纤维e 玻璃纤 s 玻璃纤维( w t ) 克兰) ( wt ) 维 t ) ( wt 、( wt 1 s i 0 2 5 1 65 2 4 36 5 7 6 7 75 0 0 5 3 46 5 0 a 1 2 0 3 1 4 6 一1 8 _ 31 8 3 31 3 5 1 4 52 5 0 f e 2 0 3 + f e o 9 0 1 4 01 0 5 30 0 6 痕量 c a o5 9 9 47 6 83 5 - 4 51 8 5 1 9 5 m g o 3 o 5 34 0 4 3 6 4 43 6 4 41 0 o n a 2 0 + k 2 0 3 6 5 23 9 51 3 1 40 1 t i 0 2 0 8 2 2 51 1 90 0 6 f 2 0 0 5 其他 o 0 9 o 1 3 1 1 3 玄武岩纤维特性与用途 无放射性的玄武玻璃纤维与常用玻璃纤维相比，具有以下优点【3 叫： a 弹性模量与昂贵的s 玻璃纤维相近，强度相当；用于织造织物重量在1 5 0 , 、- 2 1 0 9 m 2 的产品时，织造性能良好；可用以代替s 等玻璃纤维制造绝热制品和复合材料，制造硬 质装甲和各种g f r p 产品。例如，利用e 玻璃纤维生产玻璃钢管，只能耐2 5 个大气压， 管径最大为2 米，而用玄武岩纤维做玻璃钢管，则可耐6 0 个大气压，管径可达3 米。在 某些场合，玄武岩纤维甚至可以部分代替每吨售价在2 0 余万元的碳纤维或芳纶纤维。 b 由于耐水性能好，甚至超过耐水性已达i 级的e 玻璃纤维，用直径1 7 - - 2 5pm 的 玄武纤维制成的棉板用作农业培养基时，具有足够的透水性与柔性。经多次冻结与解冻， 浸湿与干燥循环，玄武棉板表现出足够的稳定性。由于它耐大气作用，可用以加固挡水 坡土坝、防护堤与沟渠等临水建筑。 c 耐热性优于矿棉和e 等玻璃纤维，接近产量小而价格高的耐高温的石英玻璃纤维。 在4 0 0 。c 温度下工作时，其断裂强度仍能够保持8 5 ；在6 0 0 温度下工作时，其断裂 2 窒蓝塞丝丝邕鬓堑笪蕉丝鲤窒 强度仍能够保持8 0 的原始强度，而即使是优良的矿棉此时也只能保持5 0 - - - 6 0 的强 度，玻璃棉则完全破坏。如果玄武岩纤维预先在7 8 0 - - 8 2 0 c 下进行处理，纤维还能在8 6 0 下工作而不会出现收缩。如果用钠一蒙托石一膨润土浆把玄武岩纤维短切纱粘合成毡， 在4 5 0 下处理5 分钟，可提高其耐水性，并可把工作温度提高到石英玻璃纤维的1 0 0 0 高水平。有时纤维除了经受热作用外，还要经受振动。玄武纤维直到5 0 0 温度下的 热振稳定性仍然不变，原始重量损失不到2 ；9 0 0 时，仅3 。低容重、低导热率、 低吸湿率和高化学稳定性的玄武纤维除了可用于高温绝热材料，还可用作液氮( 一1 9 6 ) 等容器或设备的最有效的超低温绝热材料，e 玻璃纤维只能耐一6 0 。这种纤维用作保 温材料时，不存在用石棉作保温材料时可能引起的制癌问题。 d 由于吸声系数比e 玻璃纤维高，玄武岩纤维也是高效隔音材料，而且防火，能以 吸声毡或板的形式用于电影院和其他公共大厅。 e 由于过滤系数高，玄武岩纤维还成功地在净化空气或烟气的设备中，用作高温过 滤材料。 f 玄武岩纤维在1 0 0 2 5 0 温度下的拉伸强度将提高3 0 ，而一般玻璃纤维却下降 2 3 陆1 。玄武岩纤维在热水作用小也能保持较高强度。例如，在7 0 水作用下玄武岩纤 维的强度可保持1 2 0 0 小时，而一般玻璃纤维不到2 0 0 小时便失去强度。玄武岩纤维在 4 0 强烈日光暴晒2 4 0 0 小时仍能保持强度。 g 玄武岩含有不到2 0 的导电氧化物，含导电氧化物的玻璃纤维一般不能用于制备 绝缘材料，但玄武岩纤维的介电损耗角正切与e 玻璃纤维相近，应用专门浸润剂处理过的 玄武岩纤维，其介电损耗角正切比一般玻璃纤维还低5 0 ，因而可以用来耐热绝缘材料，可 广泛应用于电子工业的印刷线路板制造等领域。 h 玄武岩纤维具有良好的增强效应。单纤维拔丝试验表明，玄武岩纤维与环氧聚合 物的粘合能力高于e 玻璃纤维，而且在采用硅烷偶联剂处理后还会进一步提高。因此， 玄武岩纤维可以代替即将禁用的石棉作为耐高温结构复合材料、橡胶技术制品等的增强 材料，也可用于制作制动器、离合器等的磨擦片的增强材料。 i 玄武岩纤维的耐酸性比经常用作耐酸玻璃钢增强材料的价高的e c r 玻璃纤维还 好；它的耐碱性与目前市场上常用的a r 耐碱玻璃纤维相当，可以代替a r 玻璃纤维， 应用于需求量很大的纤维增强混凝土构件( g r c ) 或路面土工格栅等领域。 总之，玄武岩纤维几乎能代替目前常用的玻璃纤维或特种玻璃纤维，是一种廉价纤 维增强材料，尽管售价较高，仍然在国际上极受青睐。随着对玄武玻璃纤维制品的不断 研究开发，势将会以更大的广度和深度日益广泛应用于各行各业： 汽车制造发动机和车身绝热隔音制品，磨擦材料，汽车零部件： 航空制造发动机、气动设备废气系统的绝热隔音材料； 3 船舶制造绝热隔音材料； 电子工业增强部件与印刷板基材； 化学工业压机缓冲垫，冷藏或气体液体槽罐的隔热材料，净化过滤材料； 建筑工业玄武岩纤维增强混凝土，玄武岩纤维增强塑料筋代替钢筋，代替钢筋 做路面土工格栅； 农业温室中栽培蔬菜和花卉的培养基； 医学空气超净化过滤器。 玄武玻璃纤维在以下几方面将可以大有用武之地【6 】：1 ) 玻璃钢市场，我国玻璃钢的 产量还不足世界总产量的1 2 0 ，在今后玻璃钢的大发展中，本产品将可能部分取代高强 度的e 、c 和e c r 等玻璃纤维用作玻璃钢的增强材料。2 ) 国内大规模新建和改建的桥 梁、高速公路、港口、机场、地铁、铁路等基建设施，需要大量的耐碱的a r 玻璃纤维 增强的混凝土构件，本产品将可以应用于这一领域。3 ) 利用玻璃纤维代替有毒的石棉， 是当前职业卫生标准要求严格贯彻的重要内容，以确保工人的健康，本产品将是一个最 佳的选择。4 ) 电子电力器件需要大量的低电介的d 玻璃纤维作增强剂，本产品将以其 低成本而独具竞争力。总之，质优价廉的玄武玻璃纤维有着广阔的市场。 1 1 。4 玄武岩纤维的制备方法 根据熔融原料所使用的容器不同【7 】，生产方法分为坩埚法和池窑法两种。前者是将 玄武岩混合料加入坩埚内，经过高温熔融、澄清均化，融化后的原料融体经漏嘴流出， 被拉成纤维。该方法的能源利用率很低，坩埚的有效利用率只有1 0 1 8 。池窑纺丝法又 称直接法，它是把原料制成配合料直接加入到窑内，经过高温熔融、澄清均化，熔体直 接流入成形通路，经漏嘴流出后拉成纤维【7 1 。与坩埚法相比，该法生产纤维的过程简单， 直接且节能。纤维因为其类型不同，所以其制备方法略有差异【8 】，所以下面略述玄武岩 短纤维、连续玄武岩纤维、超细玄武岩纤维的制造方法。 a 玄武岩短纤维 玄武岩短纤维常采用空气立吹法工艺【9 1 。其工艺过程一般为：将原料粉碎成直径为 5 0 m m 的块料，加入熔窑中，在1 4 5 0 1 5 0 0 c 下溶化，均质化的玄武岩熔体通过铂铹漏板 形成为一定直径的的连续流体，流体进入喷头，在纤维喷头中将以压缩空气或过热气体 为能量载体对玄武岩熔融物的射束流所施加喷吹压力( o 6 - - - - 0 9 m p a ) ，在纤维喷吹区的 能量载体所要达到的速度接近声速。在能量载体流的作用下，将玄武岩熔融物的散滴变 成玄武岩短纤维。 b 连续玄武岩纤维 目前，在连续玄武岩纤维的制各中【1 0 1 ，除过乌克兰和俄罗斯外，都需通过添加辅助 原料来制备。因为玄武岩熔体的透热性比玻璃熔体低，容易结晶，纺丝区域的粘度高， 4 窒酋蚩堡丝虐蹩丝值缝丝鲤耋 一 必须构建特殊的熔炉和装置。通过在熔化区与作业区设分隔墙、上升通道、热屏、薄层、 熔融体溢流带和溜槽等部分，保证工业参数的稳定。 其纺丝过程为：清洗玄武岩块料( 5 0 - - 6 0 r n m ) ，在池窑中熔化后通过铂铹漏板纺丝， 绕道机头筒子上。与玻璃熔制相比，玄武岩熔化池较小，无需配料工序，生产过程更加 清洁。 c 超细玄武岩纤维 超细玄武岩纤维采用火焰喷吹法制备工艺。工艺为：经磨碎、清洗后的玄武岩碎料 由加料机械送入池窑。在垂直方向燃气和空气混合物作用下玄武岩熔化。熔体经过料道 进入漏板，在漏板下方形成一次纤维，一次纤维通过纺丝胶辊的引导到达喷吹喷嘴，从 喷嘴中喷出的高温燃气流，将一次纤维吹散成长度为2 0 , - 2 0 0 m m 的定长超细纤维【1 1 1 。 燃气流吹成的定长超细纤维，燃气流吹成的棉经集棉筒传送至成形设备，沉降于缓慢旋 转的打孔滚筒表面，再经辊压后在另一收棉辊上形成毡。当棉毡达到要求厚度，沿母线 方向将毡切开并将其取出，每次取毡后再把毡引上滚筒，继续上述过程。 ， 此种工艺，所用铂铹漏板质量达2 5 k g ，且稳定性不高，使用超过3 个月就需替换， 维修和补充贵重材料的消耗。 1 1 5 玄武岩纤维国内外研究现状 国际上，俄罗斯与乌克兰在玄武岩纤维研究、生产及制品的开发上代表了世界的最 高水平【1 2 1 ，其采用铂金管分流器，加热式管状流液洞，同时采用了中心取液法，配合较小的 漏板，很短的漏嘴和热风式丝根冷却器等一系列专有技术和技术诀窍，使玄武岩纤维产品 稳定，且已达到了年产7 0 0 吨的规模，开发了上百种玄武岩纤维产品。美国虽然对其研究 相对较晚，但使用8 0 0 孑l 漏板纺丝技术，已经达到了年产4 0 0 0 吨的规模，且基本用于军工 方面，民用方面鲜有报道。近几年来，日本、德国等一些科技发达国家都加强了对玄武 岩纤维这一新型非金属无机纤维的研究开发，并取得了一系列新的应用研究成果。 在我国，从上世纪9 0 年代中期，南京玻璃纤维研究设计院在中国就开始了玄武岩纤 维的研究，随后逐渐成为研究的热点。其中，刘柏森、斯维特兰娜、何建生等【1 1 1 针对玄 武岩熔体透热性低，易结晶、纺丝黏度高等特性，研究了一种生产连续玄武岩纤维的池 窑，此种池窑是在玻璃纤维池窑的基础上，通过在熔化池与作业区之间增加分隔墙，上 升通道，热屏、薄层熔融体溢流带和溜槽等部分，保证了流入纺丝作业漏板的熔融体的 质量和参数的稳定；王岚和李振伟【1 3 】针对玄武岩熔点高，熔融体易结晶、漫流等问题， 对普通玻璃纤维用铂金漏板中漏嘴进行改进，制成了玄武岩纤维用的铂金漏板，此种漏 板中漏嘴出口与入口的直径比为1 ：1 0 5 1 3 ，高度为2 - - 7 m m ，壁厚0 2 - - - , 0 7 m m ，这样的 漏板有效地解决了料液在漏板上的析晶、漫流等问题，减少了纺丝工作的劳动强度和提 高产品成品率；奥斯诺斯- 谢尔盖彼得洛维奇、李中郢通过研究玄武岩矿石的熔融体制取 短纤维的工艺和设备，给出了矿石的熔融温度范围、纺丝的温度范围、喷吹短纤维的喷 吹压力值和喷吹气流速度的范围、明确了玄武岩短纤维生产设备的构成【1 3 】；闫全英、 胡琳娜、谈和平等也对玄武岩成形工艺中粘流性、高温粘度、析晶性能等在理论上做了 大量的研究【1 4 1 5 1 。2 0 0 2 年，连续玄武岩纤维被列为我国8 6 3 高科技项目( 2 0 0 2 a a 3 3 4 11 0 ) ， 2 0 0 3 年该8 6 3 计划成果与浙江民营企业对接克服了氧化还原不好等技术难题，现已掌 握了玄武岩纤维生产所有工艺技术【1 2 】。并于2 0 0 4 年开始在上海实现产业化，目前技术己 经达到国内领先水平，部分技术达到国际先进水平和领先水平。但玄武岩的需求量很大， 现在的产出和需求相比还差很远。 1 1 6 熔融纺丝成形理论 a 熔融纺丝成形理论的发展、 早在6 0 年代初，研究人员d e n n 1 6 1 ，z i a b i c k i t l 7 1 ，p e t r i e t l8 1 ，w h i t e 1 9 1 和h a r t t 2 0 】提出了近 似的熔融纺丝动力学模型，称为“细特长丝理论”，利用计算机解此理论方程，只要很 短时间就能够得到稳态数值解、瞬时解，甚至于解析解。随着计算机及纺丝理论的深入 发展，。细特长丝理论能够在合理的计算时间内求出任何条件下的数值解，即对材料的任 何一种结构模型，只要给定冷却条件、惯性力、空气阻力、表面张力、重力等条件，就 可以用此理论求出熔融纺丝过程和连续拉伸过程中的稳态解和瞬时解。z i a b i c k i l 2 m 2 】对纺 丝过程中力的关系式进行了详细分析，并测定了丝条细化过程，求出了某些材料的拉伸 粘度。a n d r e w s 2 3 】计算了丝条变细过程中的温度变化，研究了细化与冷却的相互关系。 加懒【2 4 乃】等推导了沿纺程的熔纺纺丝动力学理论计算式用该计算式结合高分子特性( 如 拉伸粘度和温度的关系、比热和温度的关系等) 以及纺丝条件就可算出细化曲线、纺丝张 力和冷却曲线。此外，为了使力场、速度场、温度场的理论计算尽可能与实际条件相符， 许多研究者还研究了冷却时的热传导系数【2 6 1 、丝条对空气的阻力、丝条的拉伸粘度【2 7 1 ， 所有这些研究都为纺丝动力学研究打下了良好的基础。在7 0 年代中后期，c 。d 。h a r t 和r 。l a m o n t o 2 6 1 2 7 】及h i l l 和c o l o c o a 等人对加懒、松尾的工作进行了进一步分析，认为 加懒等工作未考虑速度梯度对拉伸粘度的影响。因此提出了测定p e t 拉伸粘度的一些实 验方法。还将实验的温度、线密度、力的数据归结为相应的实验公式，直接来进行计算 拉伸粘度，从而开创了实验与理论计算相结合的方法； 随着化纤工业技术的迅速发展，在8 0 年代前后对高速纺丝动力学的研究又成为热 点，有关高速纺丝的研究报导【2 8 3 3 】也陆续出现。主要研究方向是研究纺速的提高对惯性 力【3 4 1 、纺丝参数 3 5 】、取向等的影响，用计算机来求单丝的三场分布以及对纺丝成形的研 究，并建立了一系列更有效、更精确的直径、速度、温度等在线测量方法p 机盯j 。 b 熔融纺丝理论模型 随着纤维原材料及加工技术的不断发展，纤维生产和产品的开发的空间越来越大， 例如，稳定均匀的聚合技术，高效的干燥技术，以及高效高均匀度的熔体制备技术及高 效高均匀性的纤维冷却、加热、卷绕技术，这些都为纤维技术及工业的发展奠定了更扎 6 童酋蚩丝缍盛鬓墼焦蕉垫堡塞 实的基础。目前，因为卷绕速度的不断提高【2 2 2 4 1 以实现高产；喷丝板孔径、孔形的改变5 8 石1 】 以实现纤维品种的多样化，采用改性剂以提高p o y 的卷绕速度；纺程上张力和温度的改 变以改变纤维的结构与性能，以及种种新纺丝工艺，如热管纺丝t c s 6 2 击7 1 、吸管纺丝 2 8 , 5 6 6 引、复合纺丝【5 8 缶3 1 等，都在工业化方面取得了很大成功，这也为纺丝理论提出了新 的课题，然而在理论方面尤其是纺丝动力学和纤维的结构与性能的关系方面，还远远没 有跟上纺丝工艺的发展。虽然，国内外纺丝模拟方面的专家已把目光投到新型纺丝工艺 上【】钞7 5 1 如日本东京工业大学的t a k e s h ik i k u t a r t i 4 8 ，4 明在复合纤维纺丝模拟方面作了初步 尝试，韩国的t a eh w a n o h m ，4 5 1 等对中空纤维的动力学进行了研究。虞鑫海等对b a r m a g 公司的热管纺丝( t c s ) 进行了模拟研究【3 每3 8 1 。但这些工作都限于局部，各有所长，而从整 体性、普适性而言，仍未达到建立纺丝模拟系统的要求。 熔体的本构关系是指动力学变量( 应力) 与运动学变量( 形变或形变速率) 之间的关系， 只有用本构方程较完善地描述这种关系，并且足够精确地确定方程中的物性参数，才可 能建立描述成形过程较完善的数学模型，获得可靠的模拟结果。根据所关心问题的不同， 熔体的本构关系可分为粘性和粘弹性两大类。 1 ) 粘性模型 粘性流体任一时刻的应力由该时刻的剪切变形速率d 来决定，即f f 【d ) 。 牛顿流体 牛顿流体具有不变的粘度，1 1 与剪切变形速率d 无关，仅取决于温度和压力，其本 构方程可写为： l r = 2 , 7 1 7 ( 1 1 ) 牛顿本构方程不能反映熔体的真实流动行为( 剪切变稀) ，但其本构方程形式是建立非 牛顿流体本构关系的基础。 广义牛顿流体 ，广义牛顿流体的粘度是剪切变形率张量或偏应力张量的函数，其本构方程的形式如 下： r = 2 r l ( i i o ) d ( 1 - 2 ) 广义牛顿流体模型中应力是速度梯度的显函数，将其代入动量方程可以得熔体成形 中最重要的非牛顿性质就是剪切变稀，即粘度随变形速率的增加而减小，为了描述这一 特性，出现了不同的粘度模型2 7 1 。 1 ) 幂律粘度模型： r = m l i 暑- 1( 1 3 ) 式中，m 、n 为材料常数，n i 。该模型形式简单，所需的材料常数较少，使用方便， 能较好表征高剪切变形速率下材料的粘度，但在低剪切速率下所预测的粘度与实际粘度 7 相差较大，且无法预测零剪切粘度t 1 0 。 2 ) c r o s s 粘度模型 驴i + ( r 。r ) 卜n ( 1 - 4 ) 式中，p ，n 为材料常数，p 表征了粘度从牛顿粘度到幂律粘度过渡时的剪切力水平。 c r o s s 粘度模型可以描述更宽剪切速率范围内粘度的变化，当剪切速率很低时，其退化 为零剪切粘度；当剪切速率较高时，转化为幂律模型。 d 粘弹性模型 广义牛顿流体模型描述了粘度随剪切速率变化这一非牛顿特性，但无法描述剪切流 动中产生的法向应力及应力的增长和松弛现象，这类现象的描述需用粘弹性本构模型。 粘弹性流体任意时刻的应力，不仅与该时刻的运动和变形有关，而且还取决于运动和变 形历史。建立粘弹性本构模型的方法有以连续介质力学为基础的唯象方法、分子动力学 法和热力学法 ( z s 。唯象法是直接针对熔体的力学响应特性建立起来的，与分子的具体 微观结构无关。分子动力学则侧重建立描述聚合物大分子链流动的模型，并用统计的方 法将宏观流变性质与分子结构参数联系起来【4 9 1 。用上述方法构造的本构模型是否符合热 力学规律，未曾得到验证。热力学法是基于局部平衡假设，通过引入内变量，利用不可 逆非平衡热力学来建立本构模型，如l e o n o v 模型，关于粘弹性本构模型的理论和发展 可参阅有关文献。 根据本构模型的数学表达形式，可将其分为微分模型和积分模型两类。 微分模型 微分模型本构方程中含有应力张量或形变速率张量的微商，或同时包含这两个微商。 1 ) m a x w e l l 模型 微分模型中最简单的是m a x w e l l 模型，它是将一个弹簧串联一个粘壶组成一个力学 模型，其数学表示为： f + o a - ，e = 2 归 a 。 ( 1 5 ) 式中，0 为松弛时间，e = r l g ，1 为粘度，g 为弹性模量。m a x w e l l 模型是一个线性 粘弹性模型，它能定性解释应力松弛和弹性恢复，但只适用于无穷小变形，既不能预测 非牛顿粘度，也不能预测法向应力效应。因此如果要用它描述非线性粘弹现象( 即非牛顿 粘度和法向应力效应) 【2 9 1 ，必须将其推广。 2 ) 广义m a x w e l l 模型 o l d r o y d 作为粘弹性流体非线性本构理论研究的先驱，首先引入了随体坐标和随体时 间导数的概念，建立了流变学的本构理论【4 7 4 8 1 。按照o l d r o y d 的观点，在固定坐标系中 窒酋鲞丝丝邕蹩堑值蕉丝堡窑 建立的时间导数，不符合物质客观性原理，确切地说，该时间导数以及由此而建立的线 性粘弹理论，只有在小变形下才成立。而在大变形下，上述线性理论己不成立。根据 o l d r o y d 发展的理论，在大变形或有限变形下，应当在随体坐标( 嵌入物质的坐标系，与 物质一起运动、变形) 中考察时间导数。 在此基础上，可将m a x w e l l 推广到非线性情况，其一般表达式为【3 0 1 。 a ( f ) f + 旯窑= 2 r i d ( 1 - 6 ) 式中，a 为与模型有关的张量函数，别a 为客观时f q 导数。 鲁= 口孙口君。兰心 m 7 ， t 上和t 下分别为上随体和下随体导数。 ；= 警+ ；v r - ( v 访一0 ( v - ) f ；= 警而v 州v 访+ r 0 州v - ) 7 ( 1 - 8 ) ( 1 ) w h i t e m e t z n e r 模型【3 i 】 当a = i ，a = 1 时有： f + 见f = 2 r d( 1 9 ) 该模型称为w h i t e m e t z n e r 模型，在稳态简单剪切流中可预测牛顿粘度和第一法向 应力差。该模型数学形式简单，同时模型中的对流项也反映了微分型本构模型的固有特 征，现在该模型主要用来考察数值算法的优劣1 2 5 1 。 ( 2 ) d e w i t 模型 当a = i ，a = o 时有： f + 名f = 2 r d( 1 1 0 ) 其中t 为应力张量的共旋微商，该模型称为d e w i t 模型，可预测非牛顿粘度和法向 应力。 ( 3 ) p h a nt h i e n t a n n e ；模型 3 2 - 3 3 】 当a ：e x p 【丝仃p ) 】i 时， e x “翌仃( r ) + 口；+ ( 1 一口) 垒：2 , 7 d ( 1 - 1 1 ) 式中。为无量纲材料参数，q 2 0 ：1 ) ，从而可以忽液体梳人时的入口效应( 此 称端头效应) 和流出时的出口效应( 或称膨化效应) 。 但实际情况都不这么理想，近代一些研究【6 8 1 认为硅酸盐熔体在剪切应力相当小时， 具有明显的非牛顿性质，其流变性能很像塑性流体；而常用作测定硅酸盐粘度的落球法 或圆轴圆筒法，其剪切应力都相当大，以致看不出这种性质。而现在的连续玻璃纤维生 产方法中，剪切应力很小，很可能处于非牛顿区间。 显然，化学纤维和硅酸盐纤维拉丝时，熔体在漏嘴中的流动也绝不是等温的。为了 防止熔体在流经漏嘴时温度降得太大。不能把漏嘴做得太长，对于这种短毛细管，端头 效应( 入口效应) 就不可忽略。 粘性液体在毛细管入口处会形成一种渐渐收缩的流动。渐缩流中的速度梯度也耗用 了总静压头的一部分。这部分压头损失，可以视为相当于有一段看不见的漏嘴长度在起 作用，或称为当量长度。这样，有效漏嘴长度等于实际漏嘴长度和当量长度之和： l 。仟= l + n r ( 3 1 5 ) 式中l e f t - 有效漏嘴长度； l 广实际漏嘴长度； r - 漏嘴内半径； n 库爱特( e o u t t e ) 校正系数。 库爱特( c o u t t e ) 校正系数n 主要取决于流体的流变性能，但也与液体在毛细管中剪 切速率和毛细管的尺寸有关，可以通过实验确定【6 8 1 。也有用耗掉总压头百分数来表示入 口效应的方法。如果按照这种方法进行实验，入口效应耗用的总压头百分数，对于无碱 玻璃纤维等，在漏嘴直径为4 毫米时，能达到3 0 左右，充分说明在短漏嘴下入口效应不 能忽略。 而玄武岩与玻璃纤维同为硅酸盐熔体，在漏嘴直径为4 毫米时，入口效应耗用的总 压头应当也接近于3 0 ，这对于我们设计漏嘴时具有重大的参考价值。 塞酋差丝丝盛丝墼堡蕉型堡窒 3 2 漏孔中玄武岩液体的温度分布 3 2 1 基本假设 纺丝过程中熔体在基本单元孔道内流动可视为稳态、不