微納米纖維紡絲拉伸機理的研究.pdf

1、本文對超細纖維生產(chǎn)所采用的兩種常用的紡絲方法，即熔噴紡絲法和靜電紡絲法進行了研究。通過數(shù)值計算和實驗的方法得到了熔噴噴射氣流場和單針頭靜電紡絲的靜電場;基于對纖維處于特定物理場中的受力分析和傳熱規(guī)律的研究，建立了適用于熔噴紡絲法和靜電紡絲法纖維拉伸的統(tǒng)一模型;論文還探討了狹槽形熔噴模頭幾何參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計。本文的主要工作涉及以下四個方面:
　　 (1)以狹槽形熔噴模頭為研究對象，對高溫高壓氣體射流從熔噴模頭噴射出來后的流動進行了三

2、維數(shù)值模擬，并對數(shù)值模擬方法的有效性進行了實驗驗證;
　　 (2)運用所建立的熔噴流場模型，研究了狹槽形熔噴模頭的幾何參數(shù)對熔噴流場速度分布以及溫度分布的影響，分別采用正交設(shè)計方法，單目標(biāo)遺傳算法以及多目標(biāo)遺傳算法來對狹槽形熔噴模頭的幾何參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。
　　 (3)從熔噴紡絲過程中纖維在拉伸變細時的不穩(wěn)定性入手，分析其不穩(wěn)定性產(chǎn)生的原因，并建立合適的纖維模型來表征這種不穩(wěn)定性，通過對建立和求解纖維在氣流場中運動的力學(xué)

3、模型，得到了熔噴紡絲過程中纖維的運動規(guī)律;
　　 (4)熔噴紡絲和靜電紡絲在纖維拉伸方面存在一定的相似性，從這兩種紡絲過程中聚合物熔體或溶液在特定的物理場中所受到的力入手，建立了微納米纖維紡絲的統(tǒng)一力學(xué)模型，得到了纖維在特定的氣流場力或電場力作用下的運動規(guī)律，揭示了影響熔噴紡絲纖維進一步細化的制約因素;
　　 全文共分七章
　　 第一章對國內(nèi)外與本文研究領(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

4、噴射氣流場，熔噴纖維拉伸模型以及靜電紡絲的纖維拉伸模型。
　　 第二章主要介紹了狹槽形熔噴模頭噴射氣流場的三維數(shù)值模擬。建立的狹槽形熔噴噴射氣流場的數(shù)學(xué)模型包括連續(xù)方程、運動方程、能量方程以及流體的本構(gòu)方程;采用標(biāo)準(zhǔn)的兩方程κ-ε模型來描述熔噴流場的湍流現(xiàn)象;運用有限體積法對狹槽形熔噴模頭噴射流場的三維模型進行離散化，采用一階迎風(fēng)格式來作為離散方程的插值格式，最終得到了湍流狀態(tài)下熔噴流場的離散方程組。通過給定幾何模型和邊界條件，

5、求得熔噴流場的數(shù)值結(jié)果。為了便于對模擬結(jié)果進行實驗驗證，所建立的狹槽形模頭的幾何參數(shù)采用第三章所描述的熔噴實驗機的模頭幾何參數(shù)。通過對熔噴流場的模擬結(jié)果進行分析，總結(jié)出了熔噴噴射流場基本可以通過設(shè)定“接觸點”和“合并點”將整個流場分成三個區(qū)域，即“射流單獨流動區(qū)域”、“射流接觸融合區(qū)域”和“射流合并區(qū)域”?！敖佑|點”之前，氣流射流是單獨流動的，并且在兩股射流之間的區(qū)域形成了兩個回旋區(qū)域;“接觸點”之后到“合并點”之前的區(qū)域，是氣體射流從

6、開始接觸直至完全合并成單股射流的過渡區(qū)域;“合并點”之后射流以單股射流的形式流動，并逐步向周圍擴散直至沉沒于周圍環(huán)境中。
　　 第三章采用恒溫式熱線風(fēng)速儀對狹槽形熔噴噴射氣流場的氣流速度分布和溫度分布進行了測量，測量點分布廣而密，保證了實驗數(shù)據(jù)的完整性。通過將實驗數(shù)據(jù)與第二章的模擬結(jié)果在整個測量空間進行對比，發(fā)現(xiàn)二者吻合較好，從而證明了第二章所建立狹槽形熔噴噴射氣流場的三維模型是有效的，可以用來對熔噴氣流場進行預(yù)測以及纖維拉伸模

7、型的求解，還可以采用該模型對熔噴模頭的幾何參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。
　　 第四章以狹槽形熔噴模頭的幾何參數(shù)為研究對象，以熔噴噴射流場的邊界上的速度分布和溫度分布為目標(biāo)函數(shù)，對狹槽形熔噴模頭進行了優(yōu)化設(shè)計。介紹了正交設(shè)計、單目標(biāo)遺傳算法和多目標(biāo)遺傳算法優(yōu)化算法的基本原理，并提出了采用計算流體動力學(xué)與上述優(yōu)化算法相結(jié)合的方法來優(yōu)化熔噴氣流場，得出了優(yōu)化結(jié)果。在采用正交設(shè)計和單目標(biāo)遺傳算法對狹槽形熔噴模頭的優(yōu)化過程中，提出了采用滯止溫度這一

8、指標(biāo)作為目標(biāo)函數(shù)，因為它綜合了氣體射流的速度和溫度，更適合用來描述流場的性能。各種優(yōu)化方法都有其自身的特點，通過對熔噴氣流場的優(yōu)化，得到的氣流場的速度分布和溫度分布都有顯著的提高。相比較而言，正交設(shè)計由于計算量受到限制，所得到的結(jié)果并不能保證是全局內(nèi)的最優(yōu)解，而遺傳算法雖然計算量稍有提高，但是由于該算法搜索效率高，并且是在連續(xù)空間的求解域中進行優(yōu)化計算，因而其算法較為先進，所得到的優(yōu)化結(jié)果也優(yōu)于正交設(shè)計所得到的結(jié)果。
　　 第五

9、章著重討論了熔噴紡絲的三維纖維拉伸模型的建立和求解。首先分析了熔噴纖維拉伸過程的基本規(guī)律，討論了熔噴氣流拉伸過程中紡絲線上的力學(xué)構(gòu)成和傳熱過程，深入地研究了紡絲線上的受力情況以及各種力的作用機理。與以往模型不同的是，本模型是“混合格式的歐拉-拉格朗日”熔噴紡絲模型，即熔噴氣流場的描述采用歐拉格式，而對纖維的研究則采用拉格朗日格式，這是因為拉格朗日格式的模型關(guān)注于纖維在不同時刻的運動軌跡，從而能夠得到纖維在各種力作用下產(chǎn)生的不穩(wěn)定現(xiàn)象。通

10、過對模型結(jié)果進行分析得出，在不同的擾動影響下，纖維運動會呈現(xiàn)出劇烈的變化，其具體的運動規(guī)律對所施加的氣流場非常敏感?；诒菊滤⒌哪Ｐ瓦€可以得到纖維的直徑、溫度、內(nèi)應(yīng)力以及振幅等參數(shù)，對進一步研究熔噴紡絲規(guī)律提供了理論基礎(chǔ)。
　　 第六章建立了微納米紡絲纖維拉伸的統(tǒng)一模型。通過對比和分析熔噴紡絲和靜電紡絲過程中纖維受力情況，發(fā)現(xiàn)這兩種紡絲條件下纖維都是處于某一特定的物理場中（氣流場和靜電場）。正是由于這些特定的物理場的存在，產(chǎn)

11、生了使聚合物拉伸變細的牽伸力。為了求解纖維處于靜電場中的運動狀態(tài)，首先建立了單針頭靜電紡絲的靜電場理論模型，結(jié)合第二章所建立的狹槽形熔噴噴射氣流場模型，即可將纖維在特定物理場中所受到的牽伸力計算出來。該統(tǒng)一模型仍然屬于“混合格式的歐拉-拉格朗日”模型，纖維的運動采用拉格朗日格式進行描述。纖維在流場中所受到氣流力（或靜電場中所受到的電場力）、粘彈力、庫侖力、重力和表面張力都包括在模型中以用來纖維在流場中的運動。通過對模型的求解，得到了不同