熔噴非織造模頭寬幅化和纖維納米化的研究.pdf

1、近年來，隨著工業(yè)的飛速發(fā)展及對環(huán)境保護(hù)的加強(qiáng)，熔噴非織造布市場需求不斷增長，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個微米，在醫(yī)用材料、精細(xì)過濾材料、吸油材料、保暖材料、電池隔板等各個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
　　目前熔噴技術(shù)發(fā)展的兩個最重要趨勢是熔噴設(shè)備的寬幅化和熔噴纖維的納米化。本文針對這兩方面進(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、熔噴納米纖維的制備、非織造布性能的測試、納米纖維成

2、形機(jī)理的研究等。
　　本論文首先對熔噴衣架型模頭內(nèi)的聚合物熔體流動進(jìn)行三維數(shù)值模擬，通過分析出口速度和滯留時間的分布特點，指出兩者將會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值和最短滯留時間為目標(biāo)，對單衣架型模頭的幾何參數(shù)進(jìn)行了正交設(shè)計優(yōu)化，找出影響出口速度CV值和滯留時間的顯著性因素，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)一步對衣架型模頭進(jìn)行了多目

3、標(biāo)優(yōu)化。為實現(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)計了幅寬為4m的多歧管模頭，同時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，對多種聚合物適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點。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，測試了微、納米非織造纖網(wǎng)性能并對兩者進(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特優(yōu)點;最后，本文對熔噴納米纖維制備過程中存在的Rayleigh不穩(wěn)定現(xiàn)象建立了數(shù)學(xué)建模，并設(shè)計熔噴實驗對其進(jìn)行了驗證，闡明了該模型的正確性。最后通過對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，初步探究了熔噴纖維納米化存在的障礙和極限問題。
　　全文共分六章。
　　第1章對國內(nèi)外關(guān)于熔噴

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

6、顯著，而只有歧管角度和狹縫區(qū)寬度兩因子對滯留時間有影響，但影響作用較小;同時只有歧管角度和成型面高度之間的交互作用對出口速度有一定的影響，其顯著性也較小。通過正交設(shè)計實驗，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)化過程中的制約關(guān)系。通過并

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％，滯留時間下降為169s。
　　第3章設(shè)計了寬幅模頭，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，通過插入第二歧管和多歧管模頭設(shè)計等方法，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)化過程中發(fā)現(xiàn)，歧管對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。本章通過對歧管內(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)計基礎(chǔ)，在成型面里引入第二橢圓歧管，使其對聚合物進(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)計方法。通過多級歧管對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;同時該模頭避免了雙衣架型模頭在生產(chǎn)過程中需要兩個計量泵為其供料的弊端，而且對多種物料流體具有較好的適應(yīng)性，實現(xiàn)了熔噴非織造分配流道的寬幅化設(shè)計。
　　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，并對其纖維直徑及其分布，纖網(wǎng)性能特征進(jìn)行了測試和比較。
　　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，不同于實驗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，采用不同的實驗儀器，對纖網(wǎng)的密度、孔徑分布、空氣透氣率、靜水壓和斷裂伸長率等性能進(jìn)行了測試和比較。通過對比微米熔噴纖網(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章主要是對在工業(yè)生產(chǎn)條件下，采用多孔噴絲板制備納米熔噴過程中出現(xiàn)的Rayleigh不穩(wěn)定現(xiàn)象進(jìn)行了理論分析和實驗驗證，同時比較了熔噴納米纖維和靜電納米纖維制備過程中的異同現(xiàn)象，初步探討了熔噴纖維牽伸細(xì)化過程中存在的障礙和極限問題。
　　本章對熔噴紡絲過程中纖

12、維細(xì)度牽伸到納米級后出現(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此現(xiàn)象影響顯著。當(dāng)纖維直徑牽伸至納米級后，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;通過熔噴實驗，通過不同粘度的聚合物，不同生產(chǎn)工藝條件制備了納米纖維，結(jié)果驗證了理論模型的正確性。另外通過高速攝影儀抓拍纖維在熔噴和靜電生產(chǎn)過程中的運(yùn)動軌跡，指出熔噴纖維運(yùn)動路徑遠(yuǎn)小于靜電纖維的運(yùn)動路徑，同時熔