组合气体流场中的熔喷聚合物拉伸模型

摘要

熔喷是一种依靠聚合物挤压成网来生产非织造布的技术，也是制备超细纤维的主要方法之一。熔喷法是通过高速高温气流的作用将聚合物熔体拉伸成超细纤维的，因此气体流场中的气体速度分布和温度分布对最终纤维直径有着至关重要的影响。为了使气体流场更有利于聚合物熔体的拉伸，本课题组在熔喷双槽形喷嘴下方安装了一个先缩后扩的辅助喷嘴，这样就由主喷嘴（双槽形喷嘴）气体流场和辅助喷嘴气体流场构成了一个组合气体流场。
　　本文对组合气体流场和单一气体流场进行了数值模拟，对其中的组合气体流场进行了实验测量；构建了熔喷聚合物拉伸二维模型和一维模型；对聚合物拉伸模型进行了数值求解；对二维模型和一维模型的求解结果进行了比较。
　　论文研究内容分为以下三个部分：
　　（1）构建了组合气体流场和单一气体流场模型，并进行了数值模拟，得到了流场的气体速度分布和温度分布，并将两个流场的模拟结果进行了比较。结果表明，组合流场的几何结构会通过延缓气体速度和温度的衰减而延长聚合物熔体拉伸的过程。利用IFA300型热线风速仪对改装后熔喷设备的气体流场进行了实验测量，将实测结果与模拟结果进行了比较。结果表明，模拟结果与实测结果吻合较好，证明了组合流场模型的正确性。
　　（2）采用拉格朗日法分析了熔喷聚合物熔体的拉伸过程，对聚合物丝条的受力情况和传热情况进行了分析，在此基础上建立了熔喷聚合物拉伸连续方程、动量方程和能量方程，从而构建了熔喷聚合物拉伸二维模型和一维模型。
　　（3）将气体流场的数值模拟结果应用到了所建立的聚合物拉伸模型中，对聚合物拉伸模型进行了数值求解，得到了组合流场和单一流场条件下的纤维直径，并进行了比较。结果表明，组合流场对聚合物丝条的拉伸效果优于单一流场。此外，还得到了聚合物丝条的运动轨迹。通过分析聚合物丝条的运动轨迹发现，聚合物熔体在熔喷纺丝过程中会不断地沿着喷丝孔轴线左右摆动，正是这种摆动使得聚合物丝条被迅速拉伸。对二维模型和一维模型的求解结果进行了比较，结果表明，聚合物拉伸二维模型的求解结果与实测结果更加接近。
　　综上所述，本文建立了组合气体流场和单一气体流场模型，并进行了数值模拟，对组合流场进行了实验测量，构建了熔喷聚合物拉伸二维模型和一维模型，对聚合物拉伸模型进行了数值求解并分析了求解结果，对二维模型和一维模型的求解结果进行了比较，从而为深入研究组合流场熔喷聚合物拉伸过程奠定了基础。