熔喷非织造工艺中纤维成形机理的研究

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本文主要对双槽形熔喷非织造工艺中的空气流场、熔体流场特点及纤维成形机理进行研究。首先,对双槽形熔喷工艺的空气流场进行了三维数值模拟和研究,揭示了空气压力场的分布特点和在纺丝中心线上压力差异分布特点;根据双槽形熔喷工艺中压力场特点,分析得出了熔体在拉伸细化过程中存在形变现象,通过理论推导方式得到了熔体应变和应变回复的关系式。在此基础上,通过引入形变因子对Shambaugh熔喷一维数学拉伸模型进行改进,改进后的模型不仅能够表征熔体拉伸细化过程中的形变历程,而且对纤维直径有更高的预测精度;然后,通过对熔喷工艺过程进行分析,在假定熔体内部流场是一种剪切流场的基础上,建立了熔体流场方程并进行了解析求解和分析。进行了相关熔喷实验验证,揭示了剪切流场假说的正确性;最后以熔体剪切流场理论为基础,提出了熔喷工艺中熔体细化成纤的微观成形机理理论,并进行了相关熔喷实验验证,阐明了该理论的正确性。全文共分六章。第1章主要对国内外关于熔喷技术领域的相关理论和实验方面研究的文献进行了综述。第2章主要用数值模拟方法对双槽射流熔喷的空气压力场特点进行了研究与分析。通过分析比较两种装置(双槽射流熔喷装置和环形射流熔喷装置)的工艺过程,发现了两种工艺的空气流场存在较大差别,特别是空气压力场。对双槽熔喷工艺的空气流场进行三维数值模拟,得到了空气流场的三维分布结果。通过对空气压力场分布规律的全面分析,总结出了关于双槽射流熔喷工艺的空气压力场特点:双槽射流熔喷工艺中空气压力场呈对称分布;在纺丝中心线上,空气压力场分布特征是:在距离喷丝孔很近的区域,正交方向上压力差值不为零,称为压力差异区;在距离喷丝孔较远的区域,正交方向上压力差值为零,称为零压力差异区;在压力差异区内,存在三个压力差异分区。每个分区有正负交替变化的压力差值。在第二压力差异分区内,压力差异值的峰值最大;在第三压力差异分区内,区域的长度最长;在压力差异区内,压力差异值的绝对值均随着距离纤维轴线距离增大而增大。第3章主要研究了在双槽射流熔喷工艺中熔体的形变现象,改进了常规的一维熔喷拉伸数学模型。根据第2章的研究结论可推理得到,在双槽射流熔喷工艺中,熔体在细化过程中除了直径逐渐变细之外,还存在横截面形状的改变现象。首先,用理论方法分别推演出了熔体在径向受到某一方向射流冲击力(即熔体在横截面上受到的非均衡压力)时应变关系式和该射流冲击力消失后的应变回复关系式。然后,根据应变和应变回复关系式,描述了熔体在细化过程中横截面的形变历程,并根据熔体形变程度大小,将整个纺丝中心线分为三个形变区域:形变一区、二区和三区。形变一区,在熔体轴线上距离喷丝孔最近的部分,熔体受到非均衡压力最大。形变二区,没有压力差异,熔体细流处于较缓慢的应变回复过程中,形变程度较小(即应变值较小)。形变三区,也没有压力差异,熔体的应变值几乎为零,熔体的横截面几乎变成圆形。从长度上看,形变一区最短,形变二区稍长,形变三区最长。另外,将熔体形变现象规律引入熔喷模型,对Shambaugh的一维熔喷拉伸模型进行改进。主要通过引入一个新参数形变因子对熔体形变现象进行定量表征。将形变因子引入一维熔喷拉伸模型的气流拉伸力项中,改进气流对熔体的拉伸力作用。改进后的模型不仅能够将环形射流熔喷工艺和双槽射流熔喷工艺有效区别开来,而且能够表征在双槽熔喷工艺中的熔体形变现象,更加接近于熔喷工艺的实际。通过对比改进前后熔喷模型对熔喷纤维直径预测结果和实测结果比较,发现改进模型的预测精度更高。最后,运用理论计算方式探讨了形变因子对纤维细化过程的影响关系。第4章主要对熔喷工艺中熔体剪切流场进行了理论和实验研究。通过对比熔融纺丝原理,分析了熔喷工艺原理中熔体细化成纤过程,提出了熔体剪切流场理论。该理论主要内容包括:熔体内部流场是一种剪切流场,剪切流场方程由动量方程和连续性方程构成。进行了快速冷却条件下的熔喷实验、常规熔喷实验和相关实验,证实了剪切流场理论的正确性。同时,本章还阐明了熔体内部流场速度分布规律和熔喷纤维横截面上微观结构分布规律。即熔体内部流动速度轮廓线呈一系列近似反抛物线形,熔喷纤维在横截面上存在环形微观结构分布以及环形微观结构沿径向的梯度分布。本章结论为进一步研究熔喷工艺纤维成形过程和内部微观结构规律提供理论基础。第5章主要对熔喷工艺中纤维成形机理进行了研究。以第4章的研究结果为基础,进一步分析推演,得出了熔喷工艺中熔体内部流动规律,在此基础上总结得出熔喷纤维的成形机理。即熔体内部流动规律是:整个熔体剪切流场可描述成瞬间由大量层状的流动组成;相邻微层之间存在滑移现象。熔喷纤维成形机理主要是大量微层单元沿着熔体轴向排列在更长的片段上。进行了快速冷却条件下的熔喷实验和传统条件下的熔喷实验以及纤维性能测定实验,证实了熔体内部流动规律和熔喷纤维成形机理的正确性。同时,本章还揭示了熔喷纤维在纵截面上存在“反V字型”条纹的微观结构形式规律。本章结论为进一步研究熔喷工艺纤维内部微观结构的形成过程规律提供理论上的支撑。第6章是全文结论和展望。综合总结了全文的主要研究成果和结论,对本文研究工作中存在的不足进行了叙述,也建设性地指出了以后的研究方向。
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