熔喷纤网形态及均匀性的预测研究

发布时间：2018-04-29 13:47

本文选题：熔喷流场 + 纤网均匀性　；参考：《东华大学》2017年博士论文

【摘要】：熔喷纤网的形态及其均匀性直接影响最终产品的质量和性能,也是衡量熔喷设备技术水平的一个重要标志。纤网均匀性越高,产品的外观质量越好,纵、横向机械性能越均匀,性能越好,产品的质量和档次自然就越高。对熔喷纤网形态及其均匀性的预测可以揭示熔喷非织造纤网成型机理,有助于熔喷工艺条件的调整,优化产品质量,并对实际生产具有一定的指导意义。本文的主要研究工作包括如下四个方面:(1)对熔喷气流场(包括模头附近的熔喷牵伸气流场和成网帘附近的熔喷接收气流场)的速度和温度分布进行了数值模拟与实验研究。(2)对现有熔喷纤维三维拉伸模型进行了改进,预测纤维的直径、温度、速度、结晶等物理参数以及纤维在气流场中的运动路径。(3)基于改进的熔喷纤维三维拉伸模型,模拟纤网的成型过程,并根据模拟的纤网形态,分析了纤网的克重分布及均匀性。(4)模拟并实验验证了不同熔喷工艺条件对纤网均匀性的影响及其显著性。全文共分六章:第1章对国内外与本文研究领域相关的理论研究和实验方面的文献进行了综述,主要涉及到熔喷牵伸气流场,熔喷纤维拉伸模型以及熔喷纤网结构。并阐明了本文的研究意义、研究目的,以及相关创新点。第2章模拟了包括模头附近的牵伸气流场和成网帘附近的接收气流场的整个狭槽形熔喷气流场的速度和温度分布。采用热线风速仪对模拟结果进行实验验证,并根据实验和模拟结果,结合成网帘结构对熔喷气流场的速度和温度分布进行了深入分析。研究发现,模头附近的熔喷牵伸气流场的速度和温度随x增大(即cd方向偏离模头区域)而出现剧烈下降,随后下降程度逐渐缓和。流场的速度和温度随z的增大(垂直距离远离模头区域)而近似线性下降。由于网下吸风的加速效应和成网帘铁网结构的阻挡共同作用,成网帘内部的接收气流场气流速度随着垂直距离z的增大而波动起伏不定。流场温度则随着z的增大而逐渐下降至近室温。在成网帘表面,接收气流场的速度和温度在成网帘上喷丝孔的对应位置处为最大,随着x的增大,接收气流场的速度和温度逐渐下降。第3章主要着重讨论了熔喷纤维三维拉伸模型的改进:采用giesekus本构方程描述纤维的流变行为;采用了动态结晶动力学模型描述熔体变化成纤过程中结晶度的变化;在能量方程中,考虑了纤维的结晶热和热辐射效应。以上一章模拟获得的熔喷牵伸气流场速度和温度分布为基础,预测了纤维的温度、速度、结晶等物理量以及纤维在气流场中的三维运动路径,为下一章纤网的成型预测和均匀性分析奠定了基础。改进后的模型预测了纤维自喷丝孔喷出后结晶度的变化,预测结果表明,纤维结晶度在距离喷丝孔约cm5~0范围内急剧上升,待纤维运动出该区域后,纤维结晶度也停止变化。模型还预测了纤维的温度变化,结果显示,纤维在刚喷出喷丝孔时由于周遭气流温度大于纤维温度导致纤维温度上升,随后由于气流温度衰减,纤维温度超过气流温度导致纤维热量向周遭气流扩散,随着距离喷丝孔越来越远,纤维温度逐渐下降至室温。由于考虑了热辐射效应,改进后的模型与实验值吻合得更好。在模型对纤维速度的预测方面,刚挤出喷丝孔时,纤维的速度慢于气流速度,受到气流的加速作用,由于气流速度的衰减,这种加速效果逐渐微弱,当纤维速度达到一个峰值后,纤维速度逐渐开始下降。在纤维直径预测方面,预测结果显示,纤维直径在距离喷丝孔较近区域出现剧烈下降,随后随着纤维远离喷丝孔而逐渐缓慢下降至约10微米左右,这与已有文献的观察相一致。第4章提出了纤网形态和克重均匀性的预测方法。采用图像处理技术计算了不同接收距离下接收的纤网的二维正态分布参数(包括方差和相关系数),并将参数与接收距离进行线性拟合,以获得在喷丝孔附近1mm处的纤网二维正态分布参数。根据该参数,采用蒙特卡洛抽样方法生成了纤维初始扰动的振幅。最终,根据生成的扰动振幅结合第3章三维拉伸模型与第2章计算的接收气流场,模拟了单孔和多孔熔喷纤网的成型过程,并对模拟的纤网进行了克重分布计算和均匀性分析。模拟结果与实验结果具有高度的一致性。由研究结果可知,不论是单孔还是多孔纤网,相较于cd方向,md方向的均匀性更好。本章的研究内容揭示了熔喷非织造纤网成型过程机理,并对实际生产具有一定的指导意义。第5章预测了在不同工艺条件下接收的纤网的均匀性,分析了诸如牵伸气流场压强、牵伸气流场温度、聚合物体积流率、接收距离、网下吸风速度、铺网速度等工艺条件对纤网均匀性的影响及其显著性,并进行了实验验证。研究表明,随着接收距离的增大,纤网的均匀性逐渐变差。随着气流温度的增大,纤网的均匀性呈现出先改善后恶化的趋势,在310℃时的纤网均匀性最好。当牵伸气流压强或铺网速度逐渐增大时,纤网的均匀性逐渐得到改善。当聚合物体积流率逐渐增大时,纤网的均匀性逐渐恶化。当网下吸风速度逐渐增大时,当铺网速度逐渐增大时,纤网CD和MD方向的均匀性得到了一定改善。纤网的均匀性虽逐渐得到改善,但是其改善效果逐渐微弱。此外,本章还研究了这六种工艺条件对纤网均匀性影响的显著性,发现接收距离和牵伸流场(包括温度和压强)对纤网均匀性的影响是极显著的,聚合物体积流率和网下吸风速度则对纤网均匀性影响显著,铺网速度对纤网均匀性的影响则较为微弱。第6章是全文的结论与展望。主要阐述了本文的主要研究成果,本文研究工作的不足以及所涉及的相关领域的进一步研究方向。
[Abstract]:The shape and uniformity of the meltblown webs directly influence the quality and performance of the final product , and it is also an important symbol to measure the technical level of the melt - blown fiber . The better the homogeneity of the melt - blown fiber , the better the quality and the grade of the product . The effects of different melt - jet flow fields on the homogeneity of the web are simulated and experimentally verified . The results of this paper are divided into six chapters : Chapter 1 is a review of the theoretical and experimental literatures related to the field of flow field , melt - blown fibre drawing and the structure of the melt - blown fibre network . The results show that the velocity and temperature of the flow field are gradually decreased with the increase of the vertical distance z . The results show that the uniformity of the fiber net is improved when the flow rate of the polymer increases gradually . The results show that the homogeneity of the web is improved . The results show that the uniformity of the web is improved . The results show that the uniformity of the web is improved . The results show that the uniformity of the web is improved .

【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TS171

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