熔喷非织造材料的研究与应用

熔喷非织造材料的研究与应用

用于过滤、抗菌、吸附和防水的非织造材料具有优异的性能。sms（微纺织机械）可由无织造成的材料（图1）组成。广泛应用于口罩、服装、过滤材料等。它是新冠疫情时期国家的储备物。熔喷布相当于口罩的“心脏”。在疫情期间，N99熔喷布的价格甚至达到过70万人民币1t。虽然价格目前已经回落至疫情前水平，但其重要地位不言而喻。模头组合件是熔喷布生产线的核心设备，而喷丝板是模头组合件的核心部件（图2）。黏流态聚合物从喷丝板上的喷丝孔中喷出，形成具有指定界面形状的熔喷纤维聚丙烯非织造布的熔喷工艺流程如图3所示。首先将固态的聚丙烯切片放入到螺杆挤压机之中。聚丙烯在此过程中会被加热至熔融状态，并在进行挤压、搅拌后，被送至计量泵。经过计量后，熔融状态下的聚丙烯进入模头。熔喷布目前所采用模头多数为衣架型模头（图4a）。熔融状态下的聚丙烯经模头流道分配后，进入喷丝板，并在过滤后从喷嘴中喷出。喷嘴目前多采用双槽形喷嘴（图4b）。当黏流态聚丙烯从喷嘴中喷出时会发生膨大现象，即喷丝孔处的融体直径远大于喷丝孔内径。此时喷嘴两侧的空气流道会随即喷出高速高温气流将其拉伸。高温高速气体既延缓了聚丙烯的凝固使其保持在低粘度状态又将其在此过程中迅速细化。聚丙烯细化后形成了极细的短纤维，最终被吸附在托网板上并利用其余温连接成为熔喷非织造布，最后经运输、冷却后，进行成卷打包由于聚丙烯熔喷过程中的聚合物拉伸过程复杂而且时间极为短暂（~1*101转为民用，熔喷膜组件熔喷技术最早可追溯至1950s，当时被美国海军应用于研发防护服。后于1960s，被美国埃克松(Exxon)公司转为民用，其熔喷膜组件如图5所示。美国俄克拉荷马大学的RobertL.Shambaugh自1980s至今，在非织造布熔喷工艺的研究上取得了一系列具有开创性的研究成果，涵盖了熔喷流场的测量与数值模拟、预测模型建立、以及熔喷纤维拉伸模型建立等方向，为熔喷技术的发展提供了理论依据与数据支撑，并对我国相关领域的发展与探索产生了一定的影响。1.1实验的性能1.1.1熔喷过程纤维运动方向在Shambaugh等可以采用激光多普勒测速仪(LaserDopplervelocimetry,LDV)对熔喷过程中纤维运动方向进行了观测。实验结果文献研究表明1.1.2单环喷流场速度和温度分布在单环喷射流场实验中1.1.3双槽喷流场速度的测量可以采用多图像闪光摄影法和激光多普勒测速法对双槽型喷丝板下的流场速度进行测量（图9）。实验结果在上述基础上，Shambaugh等1.1.4纤维流场模拟结果在对熔喷技术生产中空纤维的模拟研究通过探究聚合物纤维对熔喷流场的影响，能够建立预测纤维速度、温度、直径的流变力模型。模拟结果Shambaugh等在此基础上，Shambaugh等通过改变隔板形状，可以对喷射流场进行进一步的优化。实验表明本节所综述内容主要结论汇总如表1。1.2经验模型综述采用LDV可以对熔喷过程中纤维数量和质量通量进行测量。 [1]式中，在能量守恒的基础上，给出了Schwarz喷丝板（图14a）温度场预测模型。该模型能够实现预测喷丝板下任何位置的温度（图14b）。结果表明，距离喷丝板较远的地方，其温度场近似于二维射流场。Kayser与Shambaugh式中，Uyttendaele与ShambaughRao与ShambaughMarla与Shambaugh本节所综述经验模型及其简述汇总如表2。Shambaugh及其团队在熔喷过程中的流场测量与模拟、温度场测量与模拟、模头组合件设计与优化、熔喷过程模型建立、熔喷气流场优化等方向上做了一系列的开创性工作。由于黏流态聚合物在熔喷过程中是很难进行模拟的，因此在其熔喷气流场模拟是建立在熔融态聚合物纤维流对气流场影响很小的前提下的。但实际上聚合物在熔喷过程中对流场的作用是不应被忽视的。而且由于涉及到了离散相问题，且缺少相应的计算模型，熔喷过程中的聚合物流场模拟也是很难实现的。2模头几何参数对熔喷流量分析的影响熔喷模组件由模头、喷丝板和两个气板组成。模头中流道类型的选择会直接影响到黏流态聚合物是否能够均匀分配到喷丝板上。模头几何参数中，歧管倾角和成型面高度是影响流体分配均匀性的最主要因素文献研究表明出口速度和滞留时间会显著影响最终熔喷布质量及性能。在熔喷过程中，衣架型模头处于高温密封工作环境，并且其成型面出口处直接与喷丝板对接，无法加装微调装置，导致了出口速度和滞留时间无法实现在线检测，从而无法实现有效的闭环控制。研究表明3纤维气体两相流问题熔喷过程的CFD模拟主要应用于喷丝板下方的喷射流场研究。喷射流场中涉及到了纤维气体两相流问题，中包括了高速高温气体和聚合物纤维流，而黏流态聚合物纤维流又属于离散相问题。早期，学术界普遍认为聚合物熔体主要分布在纺丝中心线上，而且其方向很难确定，长径比高，弹性柔性度高3.1聚合物熔喷流场的模拟研究在双槽型喷射流场的研究中，Shambaugh等Shambaugh等结合实验数据验证表明，①非等温平头喷嘴流场可划分成3个发展阶段。在第一个阶段内，每个射流产生的流场是单独且可分辨的；在第二个阶段内，两股射流开始合并，得到最大平均速度。气场速度达到最大值的点距离模头之间的长度称之为合并距离；在第三个阶段内，是自相似区，流场与原点无关；②在非等温尖头喷嘴流场中，可划分成2个发展阶段，与平头喷嘴流场前两个阶段相对应。减小射流与模面夹角能够提高平均速度和湍流波动。较高的平均速度会提高聚合物熔喷过程中纤维流速，能够降低其最终直径大小。但同时较高的湍流强度亦会造成过聚合物熔喷过程中较大的震动，降低成品质量。因此，作者指出，平头喷嘴有利于减少聚合物熔喷过程中的波动，提高产品质量；尖头喷嘴有利于降低空气消耗，从而降低生产成本。由于实际工业应用中，喷丝板的喷丝孔是略高于气缝的。因此，需要在模拟中进行改进，调整模头风道口宽度、以及模头喷嘴高度，从而更加真实地模拟了熔喷工艺。相关研究表明利用数值模拟和遗传算法能够对熔喷流场中气槽宽度、气槽角度、气槽间距和喷嘴深度进行优化。气流场对纤维的拉伸作用主要发生在中心线附近，中心面的流场分布情况可以近似代替该区域内的其他平面，而在熔喷模头结构参数优化过程中，可以采用对弦中心面的二维模拟来近似代替三维模拟。相关研究表明在模头近端加装导流板，可以有效抑制气流场的扩散在喷射流场中加入辅助喷嘴，有利于延长气流拉伸过程时间。陈廷等Pourdeyhimi等相关研究表明通过对喷射流场中速度、温度和压强分布规律进行CFD模拟分析，模拟结果表明3.20年前后在我国，熔喷工艺的相关研究起步于2000年前后。黄秀宝、陈廷相关研究表明关于接收距离对熔喷布纤维最终直径影响的问题，经研究发现曾泳春等4聚合物纤维最终直径cfd模型仿真结果CFD在聚丙烯非织造布熔喷过程中的模头流道分配、喷丝板结构优化、喷射流场模拟等方向得到了广泛的应用，尤其是对喷射流场的优化起到了关键的作用。在模头流道CFD模拟研究中，主要结论包括：①衣架型模头的整体性能优于“T”型模头；②黏流态聚合物流动性随衣架型模头成型面高度增高而增高；③当串联型双衣架型模头的拼接位置离模头端部的距离为单个模头宽度的0.625%时，能基本消除拼接处的速度不匀现象。在双槽型喷射流场CFD模拟研究中，主要结论包括：①平头喷嘴有利于减少聚合物受射流影响而导致的波动，提高产品质量；②尖头喷嘴有利于增加射流速度，降低生产成本；③降低喷射角度可以增加流速，但同时也增加了湍流强度；④在两条射流汇合处产生了两个以纺丝中心线对称的雷诺应力最大值区域；⑤湍流强度最大值与喷嘴类型无关，位于两条射流汇合点的中心线上；⑥通常条件下，模头风道口宽度设计为1.5mm，喷丝孔直径设计为0.2mm、0.3mm较适宜；⑦在模头近端加装导流板、辅助喷嘴、导流件等设备可以有效抑制气流场的扩散，延长气流拉伸过程时间，但需注意辅助喷嘴区堵塞等问题；⑧宽度为20～30mm、长度为10～20mm的垂直辅助喷嘴不仅可以提高中心线最大风速，而且可以提高中心线最高温度，并延长拉伸距离至辅助喷嘴下方10～15mm。在纤维最终直径CFD模拟研究中，主要结论包括：①熔喷纤维最终直径随聚合物体积流量增大而增粗，随聚合物初始温度增高而降低，随气流初始速度增高而降低；②熔喷过程中，纤维有向外扩散的趋势，其外端逐渐远离纺丝中心线，形态更加弯曲；③离模头越近的纤维，其倾角越小，纤维运动速度越快；④在接收距离为10cm左右时，纤维最终直径最小；⑤空气流速的增加会导致聚合物射流速度平均下降，纤维垂直离开纺丝中心线的距离增加；⑥聚合物流速和粘度的增加会导致聚合物射流平均速度增加。综上所述，熔喷流场中要解决的关键问题降低聚合物纤维最终直径，提高熔喷布产品质量。在目前的研究中，熔喷过程的CFD模拟普遍是建立在忽略