熔噴非織造工藝中纖維成形機理的研究.pdf

1、本文主要對雙槽形熔噴非織造工藝中的空氣流場、熔體流場特點及纖維成形機理進行研究。首先，對雙槽形熔噴工藝的空氣流場進行了三維數(shù)值模擬和研究，揭示了空氣壓力場的分布特點和在紡絲中心線上壓力差異分布特點;根據(jù)雙槽形熔噴工藝中壓力場特點，分析得出了熔體在拉伸細(xì)化過程中存在形變現(xiàn)象，通過理論推導(dǎo)方式得到了熔體應(yīng)變和應(yīng)變回復(fù)的關(guān)系式。在此基礎(chǔ)上，通過引入形變因子對Shambaugh熔噴一維數(shù)學(xué)拉伸模型進行改進，改進后的模型不僅能夠表征熔體拉伸細(xì)化過

2、程中的形變歷程，而且對纖維直徑有更高的預(yù)測精度;然后，通過對熔噴工藝過程進行分析，在假定熔體內(nèi)部流場是一種剪切流場的基礎(chǔ)上，建立了熔體流場方程并進行了解析求解和分析。進行了相關(guān)熔噴實驗驗證，揭示了剪切流場假說的正確性;最后以熔體剪切流場理論為基礎(chǔ)，提出了熔噴工藝中熔體細(xì)化成纖的微觀成形機理理論，并進行了相關(guān)熔噴實驗驗證，闡明了該理論的正確性。
　　 全文共分六章。
　　 第1章主要對國內(nèi)外關(guān)于熔噴技術(shù)領(lǐng)域的相關(guān)理論和實驗

3、方面研究的文獻進行了綜述。
　　 第2章主要用數(shù)值模擬方法對雙槽射流熔噴的空氣壓力場特點進行了研究與分析。
　　 通過分析比較兩種裝置（雙槽射流熔噴裝置和環(huán)形射流熔噴裝置）的工藝過程，發(fā)現(xiàn)了兩種工藝的空氣流場存在較大差別，特別是空氣壓力場。對雙槽熔噴工藝的空氣流場進行三維數(shù)值模擬，得到了空氣流場的三維分布結(jié)果。通過對空氣壓力場分布規(guī)律的全面分析，總結(jié)出了關(guān)于雙槽射流熔噴工藝的空氣壓力場特點:雙槽射流熔噴工藝中空氣壓力場呈

4、對稱分布;在紡絲中心線上，空氣壓力場分布特征是:在距離噴絲孔很近的區(qū)域，正交方向上壓力差值不為零，稱為壓力差異區(qū);在距離噴絲孔較遠(yuǎn)的區(qū)域，正交方向上壓力差值為零，稱為零壓力差異區(qū);在壓力差異區(qū)內(nèi)，存在三個壓力差異分區(qū)。每個分區(qū)有正負(fù)交替變化的壓力差值。在第二壓力差異分區(qū)內(nèi)，壓力差異值的峰值最大;在第三壓力差異分區(qū)內(nèi)，區(qū)域的長度最長;在壓力差異區(qū)內(nèi)，壓力差異值的絕對值均隨著距離纖維軸線距離增大而增大。
　　 第3章主要研究了在雙槽

5、射流熔噴工藝中熔體的形變現(xiàn)象，改進了常規(guī)的一維熔噴拉伸數(shù)學(xué)模型。
　　 根據(jù)第2章的研究結(jié)論可推理得到，在雙槽射流熔噴工藝中，熔體在細(xì)化過程中除了直徑逐漸變細(xì)之外，還存在橫截面形狀的改變現(xiàn)象。首先，用理論方法分別推演出了熔體在徑向受到某一方向射流沖擊力（即熔體在橫截面上受到的非均衡壓力）時應(yīng)變關(guān)系式和該射流沖擊力消失后的應(yīng)變回復(fù)關(guān)系式。然后，根據(jù)應(yīng)變和應(yīng)變回復(fù)關(guān)系式，描述了熔體在細(xì)化過程中橫截面的形變歷程，并根據(jù)熔體形變程度大小

6、，將整個紡絲中心線分為三個形變區(qū)域:形變一區(qū)、二區(qū)和三區(qū)。形變一區(qū)，在熔體軸線上距離噴絲孔最近的部分，熔體受到非均衡壓力最大。形變二區(qū)，沒有壓力差異，熔體細(xì)流處于較緩慢的應(yīng)變回復(fù)過程中，形變程度較小（即應(yīng)變值較?。Ｐ巫?nèi)齾^(qū)，也沒有壓力差異，熔體的應(yīng)變值幾乎為零，熔體的橫截面幾乎變成圓形。從長度上看，形變一區(qū)最短，形變二區(qū)稍長，形變?nèi)齾^(qū)最長。另外，將熔體形變現(xiàn)象規(guī)律引入熔噴模型，對Shambaugh的一維熔噴拉伸模型進行改進。主要通過引

7、入一個新參數(shù)形變因子對熔體形變現(xiàn)象進行定量表征。將形變因子引入一維熔噴拉伸模型的氣流拉伸力項中，改進氣流對熔體的拉伸力作用。改進后的模型不僅能夠?qū)h(huán)形射流熔噴工藝和雙槽射流熔噴工藝有效區(qū)別開來，而且能夠表征在雙槽熔噴工藝中的熔體形變現(xiàn)象，更加接近于熔噴工藝的實際。通過對比改進前后熔噴模型對熔噴纖維直徑預(yù)測結(jié)果和實測結(jié)果比較，發(fā)現(xiàn)改進模型的預(yù)測精度更高。最后，運用理論計算方式探討了形變因子對纖維細(xì)化過程的影響關(guān)系。
　　 第4章主

8、要對熔噴工藝中熔體剪切流場進行了理論和實驗研究。
　　 通過對比熔融紡絲原理，分析了熔噴工藝原理中熔體細(xì)化成纖過程，提出了熔體剪切流場理論。該理論主要內(nèi)容包括:熔體內(nèi)部流場是一種剪切流場，剪切流場方程由動量方程和連續(xù)性方程構(gòu)成。進行了快速冷卻條件下的熔噴實驗、常規(guī)熔噴實驗和相關(guān)實驗，證實了剪切流場理論的正確性。同時，本章還闡明了熔體內(nèi)部流場速度分布規(guī)律和熔噴纖維橫截面上微觀結(jié)構(gòu)分布規(guī)律。即熔體內(nèi)部流動速度輪廓線呈一系列近似反拋物

9、線形，熔噴纖維在橫截面上存在環(huán)形微觀結(jié)構(gòu)分布以及環(huán)形微觀結(jié)構(gòu)沿徑向的梯度分布。本章結(jié)論為進一步研究熔噴工藝?yán)w維成形過程和內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)規(guī)律提供理論基礎(chǔ)。
　　 第5章主要對熔噴工藝中纖維成形機理進行了研究。
　　 以第4章的研究結(jié)果為基礎(chǔ)，進一步分析推演，得出了熔噴工藝中熔體內(nèi)部流動規(guī)律，在此基礎(chǔ)上總結(jié)得出熔噴纖維的成形機理。即熔體內(nèi)部流動規(guī)律是:整個熔體剪切流場可描述成瞬間由大量層狀的流動組成;相鄰微層之間存在滑移現(xiàn)象。

10、熔噴纖維成形機理主要是大量微層單元沿著熔體軸向排列在更長的片段上。進行了快速冷卻條件下的熔噴實驗和傳統(tǒng)條件下的熔噴實驗以及纖維性能測定實驗，證實了熔體內(nèi)部流動規(guī)律和熔噴纖維成形機理的正確性。同時，本章還揭示了熔噴纖維在縱截面上存在“反V字型”條紋的微觀結(jié)構(gòu)形式規(guī)律。本章結(jié)論為進一步研究熔噴工藝?yán)w維內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的形成過程規(guī)律提供理論上的支撐。
　　 第6章是全文結(jié)論和展望。
　　 綜合總結(jié)了全文的主要研究成果和結(jié)論，對本文