熔噴非織造材料的研究與應(yīng)用

用于過濾、抗菌、吸附和防水的非織造材料具有優(yōu)異的性能。sms（微紡織機(jī)械）可由無織造成的材料（圖1）組成。廣泛應(yīng)用于口罩、服裝、過濾材料等。它是新冠疫情時(shí)期國家的儲備物。熔噴布相當(dāng)于口罩的“心臟”。在疫情期間，N99熔噴布的價(jià)格甚至達(dá)到過70萬人民幣1t。雖然價(jià)格目前已經(jīng)回落至疫情前水平，但其重要地位不言而喻。模頭組合件是熔噴布生產(chǎn)線的核心設(shè)備，而噴絲板是模頭組合件的核心部件（圖2）。黏流態(tài)聚合物從噴絲板上的噴絲孔中噴出，形成具有指定界面形狀的熔噴纖維聚丙烯非織造布的熔噴工藝流程如圖3所示。首先將固態(tài)的聚丙烯切片放入到螺桿擠壓機(jī)之中。聚丙烯在此過程中會被加熱至熔融狀態(tài)，并在進(jìn)行擠壓、攪拌后，被送至計(jì)量泵。經(jīng)過計(jì)量后，熔融狀態(tài)下的聚丙烯進(jìn)入模頭。熔噴布目前所采用模頭多數(shù)為衣架型模頭（圖4a）。熔融狀態(tài)下的聚丙烯經(jīng)模頭流道分配后，進(jìn)入噴絲板，并在過濾后從噴嘴中噴出。噴嘴目前多采用雙槽形噴嘴（圖4b）。當(dāng)黏流態(tài)聚丙烯從噴嘴中噴出時(shí)會發(fā)生膨大現(xiàn)象，即噴絲孔處的融體直徑遠(yuǎn)大于噴絲孔內(nèi)徑。此時(shí)噴嘴兩側(cè)的空氣流道會隨即噴出高速高溫氣流將其拉伸。高溫高速氣體既延緩了聚丙烯的凝固使其保持在低粘度狀態(tài)又將其在此過程中迅速細(xì)化。聚丙烯細(xì)化后形成了極細(xì)的短纖維，最終被吸附在托網(wǎng)板上并利用其余溫連接成為熔噴非織造布，最后經(jīng)運(yùn)輸、冷卻后，進(jìn)行成卷打包由于聚丙烯熔噴過程中的聚合物拉伸過程復(fù)雜而且時(shí)間極為短暫（~1*101轉(zhuǎn)為民用，熔噴膜組件熔噴技術(shù)最早可追溯至1950s，當(dāng)時(shí)被美國海軍應(yīng)用于研發(fā)防護(hù)服。后于1960s，被美國埃克松(Exxon)公司轉(zhuǎn)為民用，其熔噴膜組件如圖5所示。美國俄克拉荷馬大學(xué)的RobertL.Shambaugh自1980s至今，在非織造布熔噴工藝的研究上取得了一系列具有開創(chuàng)性的研究成果，涵蓋了熔噴流場的測量與數(shù)值模擬、預(yù)測模型建立、以及熔噴纖維拉伸模型建立等方向，為熔噴技術(shù)的發(fā)展提供了理論依據(jù)與數(shù)據(jù)支撐，并對我國相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展與探索產(chǎn)生了一定的影響。1.1實(shí)驗(yàn)的性能1.1.1熔噴過程纖維運(yùn)動方向在Shambaugh等可以采用激光多普勒測速儀(LaserDopplervelocimetry,LDV)對熔噴過程中纖維運(yùn)動方向進(jìn)行了觀測。實(shí)驗(yàn)結(jié)果文獻(xiàn)研究表明1.1.2單環(huán)噴流場速度和溫度分布在單環(huán)噴射流場實(shí)驗(yàn)中1.1.3雙槽噴流場速度的測量可以采用多圖像閃光攝影法和激光多普勒測速法對雙槽型噴絲板下的流場速度進(jìn)行測量（圖9）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果在上述基礎(chǔ)上，Shambaugh等1.1.4纖維流場模擬結(jié)果在對熔噴技術(shù)生產(chǎn)中空纖維的模擬研究通過探究聚合物纖維對熔噴流場的影響，能夠建立預(yù)測纖維速度、溫度、直徑的流變力模型。模擬結(jié)果Shambaugh等在此基礎(chǔ)上，Shambaugh等通過改變隔板形狀，可以對噴射流場進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)表明本節(jié)所綜述內(nèi)容主要結(jié)論匯總?cè)绫?。1.2經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ途C述采用LDV可以對熔噴過程中纖維數(shù)量和質(zhì)量通量進(jìn)行測量。 [1]式中，在能量守恒的基礎(chǔ)上，給出了Schwarz噴絲板（圖14a）溫度場預(yù)測模型。該模型能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)測噴絲板下任何位置的溫度（圖14b）。結(jié)果表明，距離噴絲板較遠(yuǎn)的地方，其溫度場近似于二維射流場。Kayser與Shambaugh式中，Uyttendaele與ShambaughRao與ShambaughMarla與Shambaugh本節(jié)所綜述經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ图捌浜喪鰠R總?cè)绫?。Shambaugh及其團(tuán)隊(duì)在熔噴過程中的流場測量與模擬、溫度場測量與模擬、模頭組合件設(shè)計(jì)與優(yōu)化、熔噴過程模型建立、熔噴氣流場優(yōu)化等方向上做了一系列的開創(chuàng)性工作。由于黏流態(tài)聚合物在熔噴過程中是很難進(jìn)行模擬的，因此在其熔噴氣流場模擬是建立在熔融態(tài)聚合物纖維流對氣流場影響很小的前提下的。但實(shí)際上聚合物在熔噴過程中對流場的作用是不應(yīng)被忽視的。而且由于涉及到了離散相問題，且缺少相應(yīng)的計(jì)算模型，熔噴過程中的聚合物流場模擬也是很難實(shí)現(xiàn)的。2模頭幾何參數(shù)對熔噴流量分析的影響熔噴模組件由模頭、噴絲板和兩個(gè)氣板組成。模頭中流道類型的選擇會直接影響到黏流態(tài)聚合物是否能夠均勻分配到噴絲板上。模頭幾何參數(shù)中，歧管傾角和成型面高度是影響流體分配均勻性的最主要因素文獻(xiàn)研究表明出口速度和滯留時(shí)間會顯著影響最終熔噴布質(zhì)量及性能。在熔噴過程中，衣架型模頭處于高溫密封工作環(huán)境，并且其成型面出口處直接與噴絲板對接，無法加裝微調(diào)裝置，導(dǎo)致了出口速度和滯留時(shí)間無法實(shí)現(xiàn)在線檢測，從而無法實(shí)現(xiàn)有效的閉環(huán)控制。研究表明3纖維氣體兩相流問題熔噴過程的CFD模擬主要應(yīng)用于噴絲板下方的噴射流場研究。噴射流場中涉及到了纖維氣體兩相流問題，中包括了高速高溫氣體和聚合物纖維流，而黏流態(tài)聚合物纖維流又屬于離散相問題。早期，學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為聚合物熔體主要分布在紡絲中心線上，而且其方向很難確定，長徑比高，彈性柔性度高3.1聚合物熔噴流場的模擬研究在雙槽型噴射流場的研究中，Shambaugh等Shambaugh等結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證表明，①非等溫平頭噴嘴流場可劃分成3個(gè)發(fā)展階段。在第一個(gè)階段內(nèi)，每個(gè)射流產(chǎn)生的流場是單獨(dú)且可分辨的；在第二個(gè)階段內(nèi)，兩股射流開始合并，得到最大平均速度。氣場速度達(dá)到最大值的點(diǎn)距離模頭之間的長度稱之為合并距離；在第三個(gè)階段內(nèi)，是自相似區(qū)，流場與原點(diǎn)無關(guān)；②在非等溫尖頭噴嘴流場中，可劃分成2個(gè)發(fā)展階段，與平頭噴嘴流場前兩個(gè)階段相對應(yīng)。減小射流與模面夾角能夠提高平均速度和湍流波動。較高的平均速度會提高聚合物熔噴過程中纖維流速，能夠降低其最終直徑大小。但同時(shí)較高的湍流強(qiáng)度亦會造成過聚合物熔噴過程中較大的震動，降低成品質(zhì)量。因此，作者指出，平頭噴嘴有利于減少聚合物熔噴過程中的波動，提高產(chǎn)品質(zhì)量；尖頭噴嘴有利于降低空氣消耗，從而降低生產(chǎn)成本。由于實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中，噴絲板的噴絲孔是略高于氣縫的。因此，需要在模擬中進(jìn)行改進(jìn)，調(diào)整模頭風(fēng)道口寬度、以及模頭噴嘴高度，從而更加真實(shí)地模擬了熔噴工藝。相關(guān)研究表明利用數(shù)值模擬和遺傳算法能夠?qū)θ蹏娏鲌鲋袣獠蹖挾?、氣槽角度、氣槽間距和噴嘴深度進(jìn)行優(yōu)化。氣流場對纖維的拉伸作用主要發(fā)生在中心線附近，中心面的流場分布情況可以近似代替該區(qū)域內(nèi)的其他平面，而在熔噴模頭結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化過程中，可以采用對弦中心面的二維模擬來近似代替三維模擬。相關(guān)研究表明在模頭近端加裝導(dǎo)流板，可以有效抑制氣流場的擴(kuò)散在噴射流場中加入輔助噴嘴，有利于延長氣流拉伸過程時(shí)間。陳廷等Pourdeyhimi等相關(guān)研究表明通過對噴射流場中速度、溫度和壓強(qiáng)分布規(guī)律進(jìn)行CFD模擬分析，模擬結(jié)果表明3.20年前后在我國，熔噴工藝的相關(guān)研究起步于2000年前后。黃秀寶、陳廷相關(guān)研究表明關(guān)于接收距離對熔噴布纖維最終直徑影響的問題，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)曾泳春等4聚合物纖維最終直徑cfd模型仿真結(jié)果CFD在聚丙烯非織造布熔噴過程中的模頭流道分配、噴絲板結(jié)構(gòu)優(yōu)化、噴射流場模擬等方向得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是對噴射流場的優(yōu)化起到了關(guān)鍵的作用。在模頭流道CFD模擬研究中，主要結(jié)論包括：①衣架型模頭的整體性能優(yōu)于“T”型模頭；②黏流態(tài)聚合物流動性隨衣架型模頭成型面高度增高而增高；③當(dāng)串聯(lián)型雙衣架型模頭的拼接位置離模頭端部的距離為單個(gè)模頭寬度的0.625%時(shí)，能基本消除拼接處的速度不勻現(xiàn)象。在雙槽型噴射流場CFD模擬研究中，主要結(jié)論包括：①平頭噴嘴有利于減少聚合物受射流影響而導(dǎo)致的波動，提高產(chǎn)品質(zhì)量；②尖頭噴嘴有利于增加射流速度，降低生產(chǎn)成本；③降低噴射角度可以增加流速，但同時(shí)也增加了湍流強(qiáng)度；④在兩條射流匯合處產(chǎn)生了兩個(gè)以紡絲中心線對稱的雷諾應(yīng)力最大值區(qū)域；⑤湍流強(qiáng)度最大值與噴嘴類型無關(guān)，位于兩條射流匯合點(diǎn)的中心線上；⑥通常條件下，模頭風(fēng)道口寬度設(shè)計(jì)為1.5mm，噴絲孔直徑設(shè)計(jì)為0.2mm、0.3mm較適宜；⑦在模頭近端加裝導(dǎo)流板、輔助噴嘴、導(dǎo)流件等設(shè)備可以有效抑制氣流場的擴(kuò)散，延長氣流拉伸過程時(shí)間，但需注意輔助噴嘴區(qū)堵塞等問題；⑧寬度為20～30mm、長度為10～20mm的垂直輔助噴嘴不僅可以提高中心線最大風(fēng)速，而且可以提高中心線最高溫度，并延長拉伸距離至輔助噴嘴下方10～15mm。在纖維最終直徑CFD模擬研究中，主要結(jié)論包括：①熔噴纖維最終直徑隨聚合物體積流量增大而增粗，隨聚合物初始溫度增高而降低，隨氣流初始速度增高而降低；②熔噴過程中，纖維有向外擴(kuò)散的趨勢，其外端逐漸遠(yuǎn)離紡絲中心線，形態(tài)更加彎曲；③離模頭越近的纖維，其傾角越小，纖維運(yùn)動速度越快；④在接收距離為10cm左右時(shí)，纖維最終直徑最??；⑤空氣流速的增加會導(dǎo)致聚合物射流速度平均下降，纖維垂直離開紡絲中心線的距離增加；⑥聚合物流速和粘度的增加會導(dǎo)致聚合物射流平均速度增加。綜上所述，熔噴流場中要解決的關(guān)鍵問題降低聚合物纖維最終直徑，提高熔噴布產(chǎn)品質(zhì)量。在目前的研究中，熔噴過程的CFD模擬普遍是建立在忽略