纺粘非织造气流牵伸工艺理论研究

摘要

纺粘法生产技术是依靠气流的作用将聚合物牵伸细化成长丝纤维，然后长丝纤维又在气流的作用下随机铺放到接收装置上形成纤网。由于纺粘法非织造布技术属于一步法生产技术。目前，纺粘法主要采用气流拉伸工艺，它依靠拉伸装置提供的高速气流对丝条进行拉伸，由于纺丝、拉伸、铺网和加固是连续进行的，所以要求拉伸在极短的时间中完成，因此，它采用的拉伸方法与普通化学纤维纺丝的牵伸方法有很大的不同。影响聚合物气流拉伸性能的因素很多，且各因素间的关系较复杂，因此，该技术的进一步研究在非织造布领域中具有很高的现实意义。为此，本文就以纺粘工艺中影响纤网结构的根本原因--聚合物气流拉伸模型和气流拉伸机理研究的影响等为主要内容进行一系列的研究。该研究不仅使得纺粘工艺的理论更趋于完整，而且对如何提高纤网的质量有较好的指导意义，以便于认识它们的特点和影响因素，掌握规律，为提高非织造布产品质量奠定一定的理论基础。
　　 本文的研究工作包括三大部分：一是纺粘法喷射流场理论的建模和数值模拟；二是在对前人纺粘聚合物牵伸模型进行改进的基础上，给出了基于纺粘法喷射流场理论模型完整的聚合物牵伸模型；三是在前面的理论基础上，就有关工艺参数对纤维直径等影响进行了仿真实验和讨论。
　　 论文第一章论述了选题背景，首先就纺粘非织造牵伸器喷射流场理论研究和纺粘非织造牵伸器几何外形研究等做了一简单的综述，然后从国外和国内的两个方面，综述了聚合物纺粘非织造布气流拉伸机理研究的特点、研究动态和研究进展等情况。介绍了国外的研究情况，对其研究情况进行了归纳，比较了这些研究方法的优缺点，分析了在研究中存在的问题，指出了他们研究中存在较大的差异。介绍了我国在纺粘气流拉伸方面的研究情况，分析和评价了聚合物纺粘气流拉伸的数学模型，展望了纺粘气流拉伸研究的发展方向和应用前景，指出重点在于开发纺粘新技术，并对今后的研究方向提出了建议，最后介绍了纺粘法非织造布技术的工艺类型、原料、新技术、几种典型的新型纺粘设备、发展方向和特性等等。
　　 论文第二章介绍了有限差分方法，论述了建立有限差分的两种基本方法，即采用的Taylor级数展开法和采用的控制体积积分法。介绍了控制微分方程离散化成代数方程后，求解代数方程组的常用方法。建立了纺粘牵伸器喷射流场的理论模型。根据纺粘非织造布气流拉伸的机理和特点，纺粘喷射流场理论模型由连续方程、动量方程和边界条件等等组成。湍流模型采用к-ε方程模型，采用有限差分方法中的控制体积法对纺粘喷射流场理论模型进行离散化，从而建立了相应的有限差分方程。
　　 论文第三章讨论了纺粘牵伸器喷射流场理论模型的数值模拟求解方法，并对几种纺粘牵伸器的喷射流场进行了数值模拟，给出了相应的流场矢量图等。通过流场矢量图的分析，发现：适当设计牵伸器的收缩比，能使气流速度得到提高，从而有利于对纺粘聚合物熔体进行气流牵伸，使纤维直径变细。
　　 论文第四章介绍了粒子图像测速仪的性能和特点，利用粒子图像测速仪对五种设计参数的纺粘牵伸器喷射流场的气流速度分布进行了数值模拟和试验测试，并给出了测试结果和数值模拟求解结果，所得的试验测试结果和数值模拟结果相吻合，从而显示了本文所建立的数值模拟算法能够预测纺粘牵伸器的喷射流场。
　　 论文第五章讨论了纺粘聚合物牵伸理论模型的建立和求解以及有关工艺参数对最终纤维直径等的影响，首先分析了纺粘气流牵伸过程中的基本规律，然后，在此基础上，对前人的聚合物牵伸理论模型进行了改进，从而给出了完整的纺粘聚合物牵伸理论模型。采用五阶Runge-Kutta法求解该理论模型，数值求解结果和试验测定结果相吻合。
　　 给出了纺粘聚合物气流牵伸模型，它包括五个方程，即连续方程、动量方程、能量方程、本构方程和结晶动力方程，采用计算机数值模拟方法求解牵伸器的喷射流场，预测的直径和结晶度与实测的十分吻合，分析了纺粘工艺参数对纤维直径等的影响，得出：聚合物流量越小，聚合物熔体初始温度越大，气流初始温度越大，气流初始速度越大时，可以使纤维直径减小，并能提高纺粘成网的质量。同时，该方法也显示了本研究在对纺粘设备进行计算机辅助设计方面的应用前景。
　　 综上所述，本文给出了基于纺粘喷射流场数值模拟结果完整的纺粘聚合物牵伸理论模型，采用数值模拟的方法对纺粘牵伸器的喷射流场进行了研究，从而能准确预测纺粘非织造布纤维直径等，它对非织造布加工中利用牵伸气流的技术有一定的理论指导意义。

目录

文摘

英文文摘

引言

参考文献

第一章 文献综述

1.1 纺粘非织造工艺理论及相关模型的国内外研究现状

1.2 纺粘非织造牵伸器几何外形设计的国内外研究现状

1.3 纺粘法非织造设备和原料的新进展

1.3.1 设备方面新进展

1.3.2 原料方面新进展

1.4 本文的研究内容和章节安排

参考文献

第二章 纺粘非织造牵伸器喷射流场的理论模型及其有限差分离散

2.1 纺粘非织造牵伸器喷射流场的理论模型

2.1.1 湍流模型的选择

2.1.2 纺粘非织造牵伸器喷射流场理论模型的控制方程和边界条件

2.2 纺粘非织造牵伸器喷射流场控制方程的通用形式

2.3 纺粘非织造牵伸器喷射流场控制方程的有限差分方程

2.3.1 控制体积法简介

2.3.2 纺粘非织造牵伸器喷射流场控制方程的二维有限差分方程

2.4 有限差分方程的求解

2.4.1 逐线迭代法和三对角阵(TDMA)法

2.4.2 松弛方法

2.5 本章小结

参考文献

第三章 纺粘非织造牵伸器喷射流场的数值模拟

3.1 差分格式的选择

3.2 纺粘牵伸器喷射流场有限差分方程的数值求解

3.2.1 基本变量法求解的困难与交错网格的引入

3.2.2 动量方程的离散

3.2.3 SIMPLE算法

3.2.4 贴体坐标的应用

3.2.5 商用软件的选择及参数设定

3.3 纺粘非织造牵伸器喷射流场理论模型的数值求解结果

3.3.1 数值模拟结果

3.4 本章小结

参考文献

第四章 纺粘非织造牵伸器喷射流场的实验测试

4.1 粒子图像测速仪工作原理与系统结构

4.1.1 工作原理

4.1.2 PIV粒子图像测速仪的系统结构

4.1.3 示踪粒子

4.2 流场测试实验装置

4.3 纺粘牵伸器喷射流场粒子图像测速仪测试结果与数值模拟结果的比较

4.4 本章小结

参考文献

第五章 聚合物熔体在纺粘非织造牵伸器中的气流牵伸模型与数值模拟研究

5.1 聚合物熔体在纺粘非织造牵伸器中的气流牵伸模型

5.2 纺粘非织造气流牵伸模型数值求解

5.2.1 实际工业应用纺粘非织造宽狭缝牵伸器喷射流场的数值模拟结果

5.2.2 实际纺粘非织造宽狭缝牵伸器气流牵伸模型的数值求解与结果

5.2.3 纤维直径和结晶度实测结果及其数值求解结果的比较

5.3 纺粘非织造布工艺参数对纤维直径影响的仿真试验

5.3.1 聚合物流量对纤维直径的影响

5.3.2 聚合物熔体初始温度对纤维直径的影响

5.3.3 气流温度对纤维直径的影响

5.3.4 气流速度对纤维直径的影响

5.4 本章小结

参考文献

第六章 总结与展望

致谢

攻读博士学位期间发表论文情况和获奖情况