熔喷过程中纤维运动轨迹的数值模拟

熔喷过程中纤维运动轨迹的数值模拟

在熔喷技术中，制备具有纳米纤维非织布材料的过程中，聚合物的熔渣在高温下被熔融，并在高速空气中得到延伸，形成了纳米纤维。目前对于熔喷技术的研究集中在两大方面，一是关于熔喷气流场的研究，二是熔喷过程中纤维运动的研究。Shambaugh团队对熔喷气流场进行了系统的数值模拟研究熔喷过程中，纤维的直径变化信息非常重要，因为纤维直径的变化直接反映了气流对纤维的拉伸作用，而气流对纤维的拉伸作用正是熔喷技术制备微米级非织造材料的核心内容。聚合物熔体纤维从模头的喷丝孔挤出后继续保持熔融状态，熔体纤维在高速湍流场的吹喷作用下运动十分剧烈，使得在线测量纤维直径也变得异常困难针对以上问题，笔者提出了一种仅凭借已知纤维轨迹信息即可实现对纤维直径在线求解的数学方法。这种数学方法不受实验测量的限制，是从纤维轨迹形貌为基础来计算纤维直径。首先对这种数学方法做一系列推导，之后对数学模型中的纤维模型施加离散处理，施加离散处理的原因是第一步推导出的数学方法具有一定的弊端，而经过离散处理后能消除以上弊端且能得到较为精确的数学解，数学预测得到的纤维直径与利用熔喷和静电两种纺丝实验获得的纤维直径进行验证，结果表明此数学方法在计算纤维直径变化规律方面具有一定的可行性和适用性。1熔喷技术与实验条件1.1熔喷技术熔喷是一步法生产微米级纤维非织造布的方法之一。熔喷工艺如图1(a）1.2实验材料和温度实验用到的模头类型为工业用单孔狭槽型模头，如图1(b）所示，具体尺寸为：鼻尖宽度（f）为1.28mm；狭槽夹角（α）为30°；狭槽宽度（e）为0.65mm；狭槽长度为6mm；聚合物喷孔孔径为0.42mm。图1(c）是实验用到的实际模头外观图。熔喷实验中用的聚合物原料为聚丙烯（韩国SK公司），熔融指数为650g/10min。实验过程中，聚合物流量为7.8cc/min；聚合物温度为260℃；气流温度为260℃；空压机施加的气流压力范围为5.1×10在纤维轨迹的实验研究中，采用了HG-100K型高速摄像机（Inc.,SanDiego,USA），最大拍摄帧数为100000帧/s。图像采集用到的是Nikon镜头，焦距24～85mm。2气流场值的模拟和纤维运动2.1流场模拟区域设定熔喷气流场的数值模拟模型是在GAMBIT2.4下建立，数值模拟计算是在FLUENT6.3下完成。将模拟狭槽喷嘴下的区域定为：x[-6mm,6mm]，y[-10mm,10mm]，z[0,50mm]。如图2(a）所示，可以看出模型关于x-z平面以及y-z平面都是对称的，这里只需要模拟1/4个流场区域并运用FLUENT自带的对称面设定功能即可实现对整个流场的模拟。图2(b）就是实际模拟的1/4流场区域，即模拟计算区域为：x[0mm,6mm]，y[-10mm,0]，z[0,50mm]。FLUENT6.3模拟过程中，用到了雷诺应力湍流模型，湍流系数C2.2分析风速场的结果图3显示了数值模拟得到的狭槽喷嘴气流场流线图以及速度矢量图，两股气流从狭槽喷出后，经历了单独运行、相互接触以及融合过程2.3纤维运动规律图4展示的是在模头下方，不同压力的空气吹喷条件下的熔体纤维轨迹。可以看出，在低气压下纤维几乎是垂直向下运动的。随着气压的逐步提高，纤维的运动规律逐渐明晰。在相同的气压条件下，纤维的运动轨迹在y-z平面上的运动振幅（图4(a）-（d）所示）明显大于在x-z平面上的运动振幅（图4(e）-（h）所示），说明在狭槽型模头熔喷过程中，纤维的运动轨迹从截面上来看不是圆形结构，而是近似于椭圆的结构，这个现象与气流场的二维特征相符。3纤维直径的数学预测3.1纤维轨迹的转化在熔喷过程中，原料出现裂解、气化等状况的几率几乎为零，因此若不考虑以上因素，那么纺丝前的原料体积等于纺丝后纤维的体积，可得：式中：Q将式（1）整理得：从式（2）可以得到：因为Q式中：A、B和C为已知系数；z为纺丝距离，mm。通过纤维轨迹，还可以获得纤维的速度与纺丝距离z之间的关系，假设有如下关系：式中：a、c为已知系数。又因为：所以式（4）可以转化为微分方程：解式（6）微分方程，并有初始条件；z(0）=0，即：当t=0，纤维位于喷丝孔位置。将会解得：然后将式（7）代入式（3）得：最后将式（8）代入式（2），便可求解出纤维的直径：3.2．纤维直径公式式（9）推导出了纤维直径变化规律的数学表达式，但是通过式（9）得出的结果有如下弊端：当随着t的增加（纤维运动一段距离后），纤维的直径d3.3结果与实验评估3.3.1纤维直径与速度的关系及纤维直径与纤维速度的关系根据图4中获得的熔喷过程中的纤维轨迹，利用PhotoshopCs4软件测量维轨迹，得到的纤维长度随纺丝距离z的变化规律：纤维速度与z的关系为：按照式（3）—式（9）的推导方法，可以得出纺丝距离z与时间t的关系、纤维直径d将式（13）代入式（14），得到的纤维直径与z有如下关系：在离散计算时候，设离散时间Δt=103.3.2纺丝过程验证静电纺丝过程中，纤维的直线部分、螺旋部分以及无序部分构成了整个的纤维轨迹验证用到的静电纺丝纤维直线轨迹数据信息来源于Reneker等求解上述方程，并有初始条件z(0）=1mm，解得：同样的，设离散时间Δt=104．纤维直径数学方法采用数值模拟方法模拟了狭槽型模头熔喷的气流场，并对熔喷过程中的纤维运动进行了高速摄像技术的捕捉，针对纺丝过程中，尤其在模头附近纤维直径的变化规律在线测量尤为困难的情况，本文建立了一个在线计算纤维直径的数学方法，得到如下结果：a）数值模拟结果显示，狭槽型模头熔喷气流场中，气流经历了单独运行、接触和融合过程，并且气流场具有二维分布特征。b）在狭槽型模头熔喷过程中，纤维的运动轨迹截面不是圆形而是椭圆形结构，也具有一定的二维特征，这与熔喷气流场特征一致。说