2熔喷工艺理论与进展

§9-5熔喷工艺理论与进展一、工艺进展熔喷工艺技术的诞生比纺粘工艺要早，但其商业化却比纺粘法工艺迟，其原因主要是熔喷法非织造布的强度差、生产成本高。因此纺粘法非织造布超前于熔喷法非织造布推广应用是可以理解的。但在产品特性方面，熔喷法非织造布的超细纤维结构是纺粘法非织造布所难以相比的，这也使熔喷法非织造布始终受人关注的原因。熔喷工艺近期进展主要有工艺自身的拓展及与其他非织造工艺的组合交叉应用。熔喷工艺与设备已有很大的进展，从单一聚合物原料、圆截面纺丝发展为多种原料复合熔喷、异形截面纤维纺丝等，出现了利用高压静电场中的静电力来生产超细纤维的静电熔融纺丝工艺(EMS工艺)。熔喷工艺与其它非织造工艺的结合可扩大熔喷法非织造布的产品品种、拓展其应用领域，如干法梳理工艺引入熔喷工艺，可得到弹性良好的保暖材料。此外，熔喷工艺可与水刺、针刺以及缝编等非织造工艺交叉组合应用，熔喷法非织造布可与其它材料叠层复合。从德国Reicofil双组分熔喷生产线上制成的双组分聚合物原料熔喷法非织造布的电镜照片中可观察到，双组分熔喷纤维呈卷曲或扭曲的形状，这是因为在纤维成形过程中，双组分中的每一种聚合物熔体的热性能和流变性能是不同的，同时在冷却过程中具有不同的收缩率。研究表明，与单组分熔喷法非织造布相比，双组分熔喷法非织造布具有更好的蓬松性、弹性以及较好的抗渗性，而且，通过纤维分裂的方式可以得到更细的纤维。双组分聚合物原料熔喷非织造布的纤网结构双组分聚合物原料熔喷非织造布的纤网结构双组分聚合物原料熔喷非织造布的纤网结构二、理论研究的进展在所有的非织造工艺技术中，熔喷技术比较复杂，理论研究对熔喷新的工艺技术和设备起了积极的支持作用。以下主要介绍聚合物熔体分配、牵伸气流流场数值模拟及熔喷纤维牵伸时振动等方面的理论研究进展。1、熔喷组合模头衣架型熔体分配系统的有限元分析熔喷组合模头衣架型熔体分配系统具有线形渐细并倾斜的歧管，可采用有限元方法对整个分配系统中的聚合物熔体流动进行三维分析。采用有限元方法对聚合物加工过程进行数值模拟是今后理论研究发展的趋势，这是因为有限元方法特别适合求解具有复杂几何边界条件的非牛顿流体的流动问题。熔喷组合模头衣架型熔体分配系统示意图研究表明，歧管倾斜角度对分配系统出口处的流率分布情况有显著影响。随着歧管倾斜角度的增加，聚合物熔体在分配系统中央处的流率趋于减小，而两边的流率明显增加，其流率分布曲线由典型的中间凸、两边凹转变为中间凹、两边凸的形状。歧管倾斜角度对分配系统出口处熔体流率分布的影响系统高度对聚合物熔体分配有较明显的影响，系统高度增加，聚合物熔体在分配系统出口处的流率分布更加趋于均匀，特别是对中央熔体输送管道处小范围内较大的流率波动有较好的均匀作用。分配系统高度对分配系统出口处熔体流率分布的影响幂律指数显著影响分配系统出口处的流率均匀性。当幂律指数变化时，原本均匀的分配效果均趋于恶化，特别是幂律指数降低时。不同幂律指数下的出口流率分布由此，聚合物熔体分配系统的几何形状一旦确定，必定对聚合物原料的性能指标有相应的要求，这是熔喷工艺为何要开发专用原料的原因之一。2、熔喷牵伸气流流场的数值模拟熔喷工艺中，高温高速的牵伸热空气从熔喷组合模头的空气通道中喷射出来，两股气流发生碰撞，形成了复杂的流场。对此流场的数值模拟，首先是建立理论模型，然后采用有限差分方法对模型进行数值求解。计算结果与实验结果相当吻合，显示了对熔喷关键设备进行计算机模拟设计的应用前景。研究表明，牵伸气流与喷丝孔轴线夹角为30°时，在喷丝孔附近的气流比较紊乱，在喷丝孔轴线上和邻近区域，气流速度相当高，而且是沿喷丝孔轴线方向平行分布，从而形成了对聚合物熔体细流牵伸的有利条件。气流逐渐远离喷丝孔时，其速度逐渐减小，且逐渐偏离喷丝孔轴线方向。气流与喷丝孔轴线不同夹角时的气流速度场气流与喷丝孔轴线不同夹角时的气流速度场气流与喷丝孔轴线不同夹角时的气流速度场改变气流与喷丝孔轴线的夹角，其它条件保持不变，数值模拟表明，夹角越小，喷丝孔附近的气流紊乱减弱，气流在喷丝孔轴线方向的分量越大，在模头中心线两侧的分布梯度也越大，有利于对聚合物熔体细流进行牵伸。但是，10°夹角和30°夹角流场产生的效果相差不大，同时，10°夹角在机械结构上较难实现。改变牵伸气流通道的宽度，其它条件保持不变，数值模拟表明，宽度越大，气流在喷丝孔轴线方向的分量越大，在模头中心线两侧的分布梯度也越大，有利于对聚合物熔体细流进行牵伸，但气流流量增加引起能耗增加。不同气流通道宽度的气流速度场不同气流通道宽度的气流速度场不同气流通道宽度的气流速度场3、熔喷纤维牵伸时振动的研究熔喷工艺中对聚合物熔体细流的牵伸过程通常在50微秒的时间内完成，研究熔喷数学模型虽然十分困难，但对指导熔喷工艺和熔喷设备的改进有较积极的意义。1990年，shambaugh等人建立了“非等温性、非牛顿性流体”熔喷数学模型，但该熔喷数学模型局限于较低的熔喷牵伸速度，即熔喷纤维不会发生严重的振动情况。熔喷模头下2cm处纺丝线25次曝光的频闪照片，显示熔喷纤维垂直于纺丝线的运动是非常明显的。美国奥克荷马大学的研究小组研究了新的熔喷数学模型，该熔喷数学模型基于shambaugh等人建立的“非等温性、非牛顿性流体”熔喷数学模型，但在纤维牵伸、振动和非等温喷丝时的连续性、动量和能量方程方面的研究取得了各种进展。该熔喷数学模型可以算出沿纺丝线任何位置的纤维直径、纤维应力和纤维温度，还可算出纤维振动的幅度和频率。熔喷模头下2cm处纺丝线多次曝光的频闪照片纤维振动显著时的熔喷工艺熔喷数学模型模拟的纤维横向运动位置预示了二十五次频闪(间隔时间为0.01秒)的纤维位置，拟合结果较精确。根据该熔喷数学模型，可计算出熔喷纺丝线上纤维振动的特性频率。实验表明，熔喷工艺中采用振动的气流牵伸方式，有利于得到更细的纤维。不同气流流量下牵伸气流振动频率对熔喷纤维细度有一定的影响。结果表明，进入熔喷组合模头的牵伸空气如果是振动的，则可获得较细的纤维，或者说，用较少的牵伸空气可得到预期的纤维细度，因此可有效地降低生产能耗。气流流量为54l/min时气流振动频率对纤维直径的影响气流流量为100l/min时气流振动频率对纤维直径的影响气流流量为144l/min时气流振动频率对纤维直径的影响