雙槽熔噴工藝中外沿長度對空氣流場的影響

辛三法，王新厚，胡守忠

(1.上海工程技術(shù)大學(xué)服裝學(xué)院，上海 201620;2.東華大學(xué)紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室，上海 201620)

熔噴非織造技術(shù)是將聚合物熔體制成超細(xì)纖維及其纖網(wǎng)的一步法技術(shù)。由于熔噴工藝?yán)w維平均直徑小于0.5 μm［1］，其纖網(wǎng)材料具有突出的阻隔性能，使得熔噴非織造纖網(wǎng)產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域非常廣闊。從應(yīng)用角度來看，如果熔噴工藝?yán)w維的平均直徑能夠再細(xì)0.5個數(shù)量級，其纖維網(wǎng)材料產(chǎn)品無論從深度還是廣度都會大大提高，因此許多學(xué)者都展開對熔噴工藝中纖維進(jìn)一步細(xì)化的研究。1992年，Milligan等［2］研究采用橫吹氣流方法來減小熔噴工藝最終纖維的直徑。結(jié)果表明，橫吹氣流能夠減小纖維平均直徑，但是這種減小程度很有限。1996 年，Shambaugh［3］采用脈動氣流來研究減小熔噴工藝最終纖維直徑。研究結(jié)果表明，這種方法制得的纖維直徑比傳統(tǒng)連續(xù)氣流所制得的纖維直徑減少5% ～40%。1998年，Shambaugh等［4］指出，在熔噴工藝中，從噴絲孔出來的熔體被空氣射流拉伸細(xì)化形成最終微納米直徑的纖維時，空氣射流對熔體的細(xì)化作用程度沿著紡絲中心線方向上的分布并不相同，其中96%的細(xì)化作用發(fā)生在距離噴絲孔0～15 mm長度范圍內(nèi)。從研究結(jié)果可看到，在距離噴絲孔0～15 mm范圍內(nèi)改進(jìn)空氣流場或熔體性能狀況將可有效地細(xì)化最終纖維。2007年，Ellison等［5］通過“V型”槽射流(即雙槽射流)熔噴工藝實驗研究進(jìn)一步細(xì)化纖維，得到平均直徑低于500 nm的纖維。該文獻(xiàn)總結(jié)得出熔噴工藝可制得任意直徑的纖維，沒有所謂最小直徑的限制。其采用的參數(shù)超過普通熔噴設(shè)備的參數(shù)范圍，結(jié)論對熔噴工藝研究有一定的指導(dǎo)作用。Yao等［6－8］采用德國技術(shù)——超音速冷空氣流技術(shù)研究制作超細(xì)纖維，雖然在研制過程中沒有觀察到熔體分裂現(xiàn)象，但其研究成果對進(jìn)一步細(xì)化纖維具有借鑒意義。2012年，Shambaugh等［9］從理論上研究了熔噴工藝中空氣射流速度的“平臺現(xiàn)象”，有利于最終纖維的細(xì)化。2013年，辛三法等［10］研究發(fā)現(xiàn)，雙槽熔噴工藝中熔體細(xì)流存在形變現(xiàn)象，利用形變現(xiàn)象可進(jìn)一步減小最終纖維直徑。2014年，王玉棟等［11］考慮到熔噴空氣射流的雙回流區(qū)使得射流速度能量分散較大，不利于形成更細(xì)的纖維，從理論角度考慮，先在熔噴工藝模頭上空氣射流槽內(nèi)外沿添加2個穩(wěn)定片附件，減小或消除射流速度雙回流區(qū)，然后用數(shù)值模擬方法研究了空氣流場的特征規(guī)律，結(jié)果表明添加附件能夠有效減小射流能量分散。上述關(guān)于熔噴工藝中纖維進(jìn)一步細(xì)化的理論或?qū)嶒炑芯繌牟煌嵌蓉S富了熔噴非織造工藝原理和實踐。

本文從理論上探究減小空氣射流能量分散的可能性。減小射流能量分散的具體方法是在熔噴工藝模頭的雙槽外沿添加2個擋片附件，以減小空氣射流能量的分散，以便能夠制得更細(xì)直徑的纖維。采用數(shù)值模擬方法，研究不添加附件、添加外沿附件后和外沿長度變化時空氣流場分布規(guī)律。最后，分析外沿添附件方法對最終纖維進(jìn)一步細(xì)化的影響。

1 空氣流場的幾何模型

1.1 雙槽熔噴模頭

雙槽熔噴工藝模頭有多種，本文以常見的HS型［12］模頭的尺寸為依據(jù)，如圖1所示。雙槽外沿寬度為3.32 mm，氣槽在水平方向上寬度為0.65 mm，氣槽高度為5.00 mm。在該模頭的氣槽外延添加2個擋片附件，附件長度L分別選用0、2、5和10 mm 4個長度值。

1.2 空氣流場的幾何模型

圖1 雙槽熔噴模頭和外沿附件Fig.1 Die of melt blowing with dual slots and accessories

選擇帶附件雙槽模頭的下方為模擬計算區(qū)間。由于雙槽射流熔噴工藝中空氣流場對稱分布，所以，選用1/2流場作為實際模擬計算區(qū)域(如圖2所示)，建立相應(yīng)的坐標(biāo)系。1/2的流場區(qū)域由2部分組成，氣流狹縫部分(如圖2中四邊形ABCD部分)和下方的主體部分OCEFHI(如圖2中四邊形OGHI中除去CEFG部分后剩下部分)。計算區(qū)域的尺寸如圖所示，氣槽高度為5 mm，模擬計算區(qū)域?qū)挾葹?5 mm，長度為100 mm。

圖2 1/2主要數(shù)值模擬區(qū)示意圖Fig.2 Schematic of half of main computational domain

2 網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)定

本文研究中計算區(qū)域比較規(guī)整，故采用四邊形映射網(wǎng)格來劃分網(wǎng)格，再對噴絲孔附近區(qū)域進(jìn)行局部加密。

邊界條件設(shè)定，計算入口為AD，設(shè)置為壓力入口，壓力為1.418 55×102kPa，溫度為543 K。計算出口為FH和HI，設(shè)置為壓力出口，條件為大氣條件，即壓力為1.013 25×102kPa，溫度為300 K。將OI設(shè)置為對稱線。AB、OB、DC、CE和EF設(shè)置為無滑移壁面。選擇k-ε湍流模型，其他參數(shù)設(shè)置如文獻(xiàn)［12］。

用FLUENT 6.3進(jìn)行模擬計算，終止計算條件的殘差值設(shè)定為1×10－3。分別對外沿長度L為0、2、5和10 mm的空氣流場區(qū)域進(jìn)行模擬計算。

3 結(jié)果與討論

3.1 紡絲中心線上的速度分布狀況

圖3示出紡絲中心線上不同外沿長度模頭的空氣射流速度分布曲線。圖3(a)為速度總分布曲線圖，圖3(b)為速度曲線起始部分的局部放大圖。從總體來看，速度曲線分為2個部分:開始階段的速度負(fù)值部分和大部分的速度正值部分。從圖3(a)可知，速度正值部分(即速度主體部分)的變化規(guī)律是:隨著距離噴絲孔長度的逐漸增大，紡絲中心線上的空氣速度先快速增大，達(dá)到最大值;然后迅速減小，減小的趨勢先快后慢，最后基本趨于穩(wěn)定。這個速度分布趨勢規(guī)律與文獻(xiàn)［12］結(jié)果完全相符，說明在雙槽熔噴模頭增加外沿附件基本上不改變速度總體分布規(guī)律。速度總體曲線開始負(fù)值部分的具體狀況如圖3(b)所示，其變化規(guī)律是隨著距離噴絲孔長度的逐漸增大，紡絲中心線上的空氣速度先減小，達(dá)到最小值，然后又逐漸增大。結(jié)合雙槽射流熔噴模頭的形狀分析可知，距離噴絲孔附近的速度負(fù)值部分即空氣射流雙回流區(qū)的表現(xiàn)，這個趨勢規(guī)律也與文獻(xiàn)［12］結(jié)果完全相符。這說明在雙槽熔噴模頭增加外沿附件會稍微增加回流速度峰值大小，但不會改變速度雙回流區(qū)規(guī)律。

由圖3(a)可看出，在速度正值部分，隨著外沿長度L的逐漸增加，在紡絲中心線上空氣射流速度最大值減小，而且速度衰減程度也增加。從熔噴非織造紡絲規(guī)律可知，較低的空氣射流速度或衰減趨勢較快的射流速度難以制得較小直徑的最終纖維，因此，從這一點看來，在雙槽模頭添加外沿附件不利于紡制更細(xì)最終纖維。

在初始速度負(fù)值部分(如圖3(b))，隨著外沿長度L的逐漸增加，在紡絲中心線上空氣射流速度負(fù)值的最大值增大，而且射流雙回流區(qū)沿紡絲中心線方向長度也增長。從熔噴非織造紡絲常識可知，較大的反向空氣速度和較長雙回流區(qū)長度不僅阻礙聚合物熔體細(xì)流的伸長細(xì)化，而且使空氣射流能量散失較多，因此，從這個意義上看，在雙槽模頭添加外沿附件也不利于紡制更細(xì)最終纖維。

圖3 紡絲中心線上不同外沿長度的空氣射流速度分布曲線Fig.3 Velocity distribution curves of different outer length in spinline.(a)Total distribution curves of velocity;(b)Distribution curves of velocity near die(0－10 mm)

3.2 紡絲中心線上的壓力分布狀況

圖4示出紡絲中心線上不同外沿長度的空氣射流總壓力分布曲線，其中圖4(a)為壓力總分布曲線圖，圖4(b)為初始部分的局部放大圖。從總壓力分布曲線來看，隨著距離噴絲孔長度的逐漸增加，紡絲中心線上的空氣壓力先急劇增大，快速達(dá)到最大值，然后迅速減小，減小的趨勢先快后慢，最后基本趨向穩(wěn)定。這說明在雙槽熔噴模頭增加外沿附件基本上不改變壓力總體分布規(guī)律。

圖4 紡絲中心線上不同外沿長度的空氣射流壓力分布曲線Fig.4 Pressure distribution curves of different outer length in spinline.(a)Total distribution curves of pressure;(b)Distribution curves of pressure near die(0－10 mm)

由圖4可看出，隨著外沿長度的變化，在紡絲中心線上空氣射流壓力分布也呈現(xiàn)一定的變化規(guī)律，其變化趨勢與上述空氣射流正值速度的變化趨勢非常相似。即隨著外沿長度L的逐漸增加，在紡絲中心線上空氣射流壓力最大值減小，而且壓力衰減程度也增加。前期研究結(jié)果表明［10］，正在伸長細(xì)化的聚合物熔體細(xì)流，如果其徑向受到的壓力差異值越大，則越有利于形成較小直徑的纖維，因此，壓力最大值的減小和壓力衰減程度的增加都不利于紡制更細(xì)最終纖維。

3.3 紡絲中心線上的溫度分布狀況

圖5示出紡絲中心線上不同外沿長度的空氣射流溫度分布曲線，其中圖5(a)為溫度總分布曲線圖，圖5(b)為初始部分的局部放大圖。從整個溫度分布曲線來看，隨著距離噴絲孔長度的逐漸增大，紡絲中心線上的空氣溫度先達(dá)到最大值，然后迅速減小，減小的趨勢先快后慢，最后基本趨于穩(wěn)定。這說明在雙槽熔噴模頭增加外沿附件基本上不改變溫度總體分布規(guī)律。

由圖5可看出，隨著外沿長度的變化，在紡絲中心線上空氣溫度分布也呈現(xiàn)一定的變化規(guī)律，其變化趨勢與上述空氣速度和壓力的變化趨勢完全不同。

圖5 紡絲中心線上不同外沿長度的空氣射流溫度分布曲線Fig.5 Temperature distribution curves of different outer length in spinline.(a)Total distribution curves of temperature;(b)Distribution curves of temperature near die(0－10 mm)

隨著外沿長度L的增大，溫度最大值基本不變，而且溫度最大值的位置點也基本不變(如圖5(b)所示)，在靠近噴絲孔很近的位置。隨著外沿長度L的增大，空氣溫度衰減程度減小，即外沿長度越長，其溫度衰減過程慢，保持高溫的距離長。從熔噴非織造紡絲原理可知，空氣射流高溫的主要目的是維持聚合物熔體細(xì)流的較高溫度，防止熔體溫度下降過快，所以，空氣射流溫度越高，熔體細(xì)流在伸長細(xì)化時的溫度也越高，越有利于形成較細(xì)的最終纖維，即外沿長度越長，越有利于最終纖維直徑的細(xì)化。

綜合上述分析可知，在熔噴模頭氣槽外側(cè)添加擋片附件，能夠有效減緩紡絲中心線上空氣溫度衰減趨勢，而不能減緩空氣速度和壓力的下降趨勢狀況。

4 結(jié)論

本文用數(shù)值模擬方法研究了在雙槽射流熔噴工藝模頭的氣槽外沿添加1個附件后，熔噴工藝的空氣流場變化，得到如下結(jié)論。

1)在空氣射流速度方面，在雙回流區(qū)內(nèi)(即速度負(fù)值區(qū)內(nèi))，隨著附件外沿長度的增大，紡絲中心線上回流區(qū)長度增加，速度最大值增大;在非回流區(qū)的大部分范圍內(nèi)(即速度正值區(qū)內(nèi))，隨著附件外沿長度的增大，紡絲中心線上速度最大值減小，速度衰減程度增大。

2)在空氣射流壓力方面，隨著外沿長度增大，紡絲中心線上空氣壓力最大值減小，壓力衰減程度增大。

3)在空氣射流溫度方面，隨著外沿長度增大，紡絲中心線上空氣溫度最大值基本不變，溫度衰減程度減小。

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