微納米纖維的熔噴制作工藝

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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620)

微納米纖維的熔噴制作工藝

辛三法1，王新厚2，胡守忠1

(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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620)

通過(guò)數(shù)值計(jì)算方法和熔噴實(shí)驗(yàn)方法，探索微納米纖維的熔噴制作工藝。選用Shambaugh一維數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用數(shù)值計(jì)算方法，得出空氣速度、熔體流量和噴絲孔直徑對(duì)纖維直徑的影響關(guān)系。通過(guò)分析比較得到這3個(gè)參數(shù)對(duì)纖維直徑減小程度的影響順序:熔體流量影響最大，空氣速度次之，噴絲孔直徑影響最小。根據(jù)熔噴實(shí)際情況，得出噴絲孔直徑不能夠太大。設(shè)計(jì)微納米纖維的熔噴實(shí)驗(yàn)工藝，進(jìn)行熔噴工藝實(shí)驗(yàn)和纖維直徑測(cè)定實(shí)驗(yàn)，得到了納米級(jí)纖維。證明了工藝參數(shù)對(duì)纖維直徑影響關(guān)系和影響順序規(guī)律的正確性，也證實(shí)了微納米纖維制作工藝的有效性。

熔噴;微納米纖維;數(shù)值計(jì)算;熔體流量;空氣速度;噴絲孔直徑

熔噴非織造紡絲工藝是以聚合物熔體為原料制作超細(xì)纖維的一步法技術(shù)。該技術(shù)具有纖維直徑較細(xì)，纖維鋪網(wǎng)的隨機(jī)性和纖維之間自黏合等特點(diǎn)，使其纖維網(wǎng)材料有突出的阻隔性能［1］，廣泛應(yīng)用于過(guò)濾、保暖和吸收等領(lǐng)域。由于熔噴工藝?yán)w維直徑是影響纖維網(wǎng)材料性能的一個(gè)很重要參數(shù)，所以關(guān)于熔噴非織造技術(shù)的研究大都圍繞著纖維直徑展開(kāi)。Shambaugh等建立的3個(gè)熔噴拉伸理論模型［2－4］和后來(lái)的熔噴新模型［5］從理論上較好地解決了熔噴工藝參數(shù)對(duì)纖維性能參數(shù)如直徑大小、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(包括二維和三維運(yùn)動(dòng))和結(jié)晶度的影響關(guān)系。文獻(xiàn)［6－8］也從不同方面建立了熔噴理論模型，表征熔噴工藝參數(shù)對(duì)纖維直徑等的影響，但在上述模型的基礎(chǔ)上，運(yùn)用熔噴非織造機(jī)械或樣機(jī)紡絲時(shí)很難得到直徑小于0.5μm的微納米纖維或納米纖維。到目前為止，還沒(méi)有文獻(xiàn)明確指出利用常規(guī)熔噴設(shè)備制作微納米或納米纖維的工藝，或者指出制作微納米或納米纖維需要改進(jìn)的工藝方向。Ellison等［9］探索在熔噴設(shè)備上制作納米纖維，采用單孔熔噴實(shí)驗(yàn)設(shè)備，雙槽射流模頭，噴絲孔直徑為0.2mm，空氣狹槽寬度為1.0mm，噴絲孔出口縮進(jìn)量為1.5mm，得到了納米纖維(平均直徑小于500nm)。采用的流量比參數(shù)范圍(空氣流量對(duì)熔體流量的比值)大于常規(guī)商業(yè)用熔噴設(shè)備的工藝條件，普通熔噴設(shè)備難以達(dá)到這個(gè)條件。目前，熔噴工藝?yán)w維的微納米化是一個(gè)發(fā)展方向，如何根據(jù)現(xiàn)有理論指導(dǎo)熔噴實(shí)驗(yàn)探究獲得微納米纖維工藝是熔噴非織造領(lǐng)域的一個(gè)課題。

本文主要探索采用熔噴工藝制備微納米纖維的制作技術(shù)，以Shambaugh一維熔噴模型為基礎(chǔ)，用數(shù)值方法探究熔噴非織造工藝中空氣速度、熔體流量和噴絲孔直徑3個(gè)工藝參數(shù)對(duì)纖維直徑的影響趨勢(shì)，分析比較這3個(gè)工藝參數(shù)對(duì)纖維直徑的影響程度，指出進(jìn)一步細(xì)化纖維的方向，并根據(jù)計(jì)算結(jié)論設(shè)計(jì)熔噴工藝參數(shù)進(jìn)行熔噴工藝實(shí)驗(yàn)，探索微納米纖維制作的可能性。

1 理論數(shù)值計(jì)算部分

本文以Shambaugh的一維數(shù)學(xué)模型［2］為基礎(chǔ)，研究熔噴非織造工藝中空氣速度、熔體流量和噴絲孔直徑3個(gè)工藝參數(shù)與纖維直徑之間的關(guān)系，用于指導(dǎo)微納米纖維制作工藝的設(shè)計(jì)和熔噴實(shí)驗(yàn)。

1.1 理論數(shù)值計(jì)算

1.1.1 熔噴工藝計(jì)算條件

熔噴工藝計(jì)算所用Shambaugh的一維模型方程如下。

連續(xù)性方程:

式中:Qp為熔體流動(dòng)率;ρp為熔體的密度;D為纖維的直徑;u為纖維的速度。

動(dòng)量方程:

式中:x為軸向位置;τxx為熔體軸向拉應(yīng)力;τyy為熔體徑向拉應(yīng)力;j為符號(hào)因子 (當(dāng)ua＞u時(shí)，j=－1;當(dāng)ua＜ u時(shí)，j=1);Cf為氣體拉伸系數(shù);ρa(bǔ)為空氣密度;ua為空氣速度;g為重力加速度。

能量方程:

式中:Cp為常壓下熔體的比熱容;h為傳熱系數(shù);θ為熔體溫度;θa為氣流溫度。

為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)，本構(gòu)方程采用牛頓流體的本構(gòu)方程:

式中η為剪切黏度。

社會(huì)機(jī)體的自身復(fù)雜性以及內(nèi)外環(huán)境、主客觀(guān)因素的影響，社會(huì)危機(jī)的發(fā)生與存在是必然的。問(wèn)題的關(guān)鍵在于如何防止危機(jī)盡可能少的發(fā)生，以及危機(jī)發(fā)生后如何有效化解，使人民生產(chǎn)與生活安定，社會(huì)有序運(yùn)行。老子不愧為醫(yī)治社會(huì)疾病的良醫(yī)，將自然、社會(huì)、人類(lèi)貫通成一個(gè)整體，開(kāi)出了一系列危機(jī)預(yù)防與化解的良方。

聚合物原料為聚丙烯(PP，熔融指數(shù) MFI為36)，為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，假設(shè)聚丙烯熔體為牛頓流體。噴絲孔直徑為0.4mm，空氣狹槽寬度為0.56mm，雙槽夾角為 60°，噴嘴空氣縫隙外邊緣的距離為3.32mm，熔體加工溫度為350℃，空氣溫度為300℃。

1.1.2 計(jì)算方法

根據(jù)模頭實(shí)際形狀和初始空氣的溫度與速度值，運(yùn)用WANG Xiaomei等［10］的經(jīng)驗(yàn)公式求得紡絲中心線(xiàn)上的空氣溫度和空氣速度方程。

式中:ua0為空氣初始速度;θa0為空氣初始溫度;θambient為周?chē)諝鉁囟?X(w)為無(wú)量綱因子;w為熔噴模頭空氣狹槽外沿寬度;ρ0∞為周?chē)諝饷芏取?/p>

采用凝固點(diǎn)法對(duì)模型方程進(jìn)行求解。假定聚合物熔體直徑在距離噴絲孔8cm處凝固而不再變化，運(yùn)用試差法先確定一個(gè)聚合物熔體初始流變力，觀(guān)察方程組是否收斂，再代入另一個(gè)初始流變力，直到方程組收斂，得到纖維直徑值。

1.1.3 計(jì)算結(jié)果整理

用纖維直徑和相應(yīng)工藝參數(shù)繪制曲線(xiàn)，分析工藝參數(shù)對(duì)纖維直徑的影響規(guī)律。

1.2 計(jì)算結(jié)果與討論

圖1 熔體流量對(duì)纖維直徑的影響Fig.1 Influence of polymer flow rate on fiber diameter

圖2 空氣速度對(duì)纖維直徑的影響Fig.2 Influence of air velocity on fiber diameter

從圖2可以看出，當(dāng)熔體流量一定時(shí)，隨著空氣速度逐漸增加，纖維直徑逐漸減小，且纖維直徑的減小程度先大后小。這是由于熔噴工藝的主要特點(diǎn)是靠高速空氣射流沖擊拉伸熔體細(xì)化成纖，所以空氣速度越大，其對(duì)熔體沖擊拉伸作用力越大，得到的纖維直徑越細(xì)，要獲得進(jìn)一步細(xì)化的纖維，僅僅靠提高空氣速度不能達(dá)到。如果需要制作更細(xì)的纖維，只有通過(guò)進(jìn)一步減小熔體流量實(shí)現(xiàn)。

2)噴絲孔直徑對(duì)纖維直徑的影響。圖3示出熔體流量為6 mg/s，不同空氣速度時(shí)噴絲孔直徑對(duì)纖維直徑的影響。可以看出，隨著噴絲孔直徑的逐漸增加，纖維直徑逐漸增大。其主要原因是，由于熔噴的目的是將噴絲孔流出的熔體拉長(zhǎng)變細(xì)，如果噴絲孔直徑較大，則熔體的初始直徑就較大，熔體在一定的拉伸細(xì)化力作用下，只能細(xì)化到一定細(xì)度;而如果噴絲孔直徑較小，則熔體的初始直徑也較小，該直徑的熔體在條件相同的拉伸細(xì)化力作用下，可以形成更細(xì)的纖維。

圖3 噴絲孔直徑對(duì)纖維直徑的影響Fig.3 Influence of diameter of orifice on fiber diameter

比較不同曲線(xiàn)變化趨勢(shì)可以看出，隨著空氣速度的逐漸增加，噴絲孔直徑對(duì)纖維直徑的影響程度逐漸減小。當(dāng)空氣速度值較小時(shí)(如小于50 m/s)，纖維直徑隨噴絲孔直徑增大而增大的程度相對(duì)較大;當(dāng)空氣速度較大時(shí)(如300 m/s左右時(shí))，纖維直徑隨噴絲孔直徑增大而增大的程度大大減小，幾乎趨于不變化。

從圖3還可看出，當(dāng)噴絲孔直徑一定時(shí)，隨著空氣速度逐漸增加，纖維直徑逐漸減小。當(dāng)噴絲孔直徑較大時(shí)(如0.6～1.0mm)，纖維直徑隨空氣速度增加而減小的程度相對(duì)較大;當(dāng)噴絲孔直徑較小時(shí)(如0～0.4mm)，纖維直徑隨空氣速度增加而減小的程度相對(duì)較小。

綜上所述，獲得較細(xì)纖維的條件是較高的空氣速度、較小的熔體流量和較小的噴絲孔直徑。本文分析比較在形成微納米級(jí)纖維時(shí)，這3個(gè)工藝參數(shù)對(duì)纖維直徑的影響程度。

從圖1可以看出，減小熔體流量可以有效縮小纖維直徑，而且，熔體流量較小時(shí)，曲線(xiàn)的彎曲程度(梯度)較大，說(shuō)明熔體流量減小對(duì)纖維直徑減小的影響程度顯著。從圖2可以看出，空氣速度增大可有效減小纖維直徑，但是空氣速度值較大時(shí)，曲線(xiàn)的彎曲程度(梯度)較小，說(shuō)明空氣速度增大對(duì)纖維直徑減小程度的影響有限，特別是在空氣速度值較大時(shí)。從圖3可以看出，噴絲孔直徑減小時(shí)，纖維的直徑相應(yīng)減小，但噴絲孔直徑較小時(shí)，曲線(xiàn)很平坦，說(shuō)明在噴絲孔直徑較小時(shí)，噴絲孔直徑減小對(duì)纖維直徑的減小程度幾乎無(wú)貢獻(xiàn)，特別是當(dāng)空氣速度超過(guò)100 m/s時(shí)。

綜合比較這3個(gè)工藝參數(shù)對(duì)微納米纖維直徑的影響程度順序是:熔體流量影響程度最大，空氣速度影響程度次之，噴絲孔直徑影響最小。

采用熔噴工藝制作微納米纖維時(shí)要盡可能減小熔體流量，采用較大的空氣速度，從理論上看，噴絲孔直徑對(duì)纖維直徑幾乎沒(méi)有影響。

在具體的熔噴工藝實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)熔體流量很小時(shí)，如果噴絲孔直徑較粗，由連續(xù)性方程得出此時(shí)熔體流出噴絲孔的速度很小。由于聚合物熔體存在擠出脹大效應(yīng)，聚合物熔體很容易黏結(jié)、滯留并堆積在噴絲孔頭端端面而造成“Shot”和斷頭等，造成不正常紡絲，因此，噴絲孔直徑不宜太粗，在0.4mm左右為宜。

2 熔噴工藝實(shí)驗(yàn)部分

利用常規(guī)熔噴實(shí)驗(yàn)裝置，采用較大的空氣速度和盡可能小的熔體流量，探索制作納米纖維的可能性。

2.1 實(shí)驗(yàn)條件

聚丙烯切片，熔融指數(shù)為1500。熔噴實(shí)驗(yàn)裝置采用單孔雙槽射流熔噴工藝實(shí)驗(yàn)機(jī)，由東華大學(xué)自主設(shè)計(jì)定制。噴絲孔的內(nèi)徑為0.42mm，長(zhǎng)徑比為23.8。

模頭組合件溫度為260℃，螺桿擠出機(jī)3個(gè)區(qū)溫度分別為一區(qū)260℃、二區(qū)260℃、三區(qū)200℃，空氣溫度為200℃，采用網(wǎng)簾接收方式收集纖維。熔體流量分別為0.025和0.0125 mL/min，其中后者為該設(shè)備的最小極限流量。空氣壓力分別為2.0265×105、3.0398×105和4.053 ×105Pa，其中4.053×105Pa為熔噴實(shí)驗(yàn)裝置的較大壓力值。

纖維直徑測(cè)定的測(cè)試儀器主要有JSM-5600LV掃描電子顯微鏡、IE300X能譜儀。使用圖像分析軟件ImageJ在電鏡照片的基礎(chǔ)上測(cè)定纖維直徑。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

通過(guò)熔噴工藝制備纖維，實(shí)驗(yàn)條件和纖維直徑如表1所示。

表1 熔噴實(shí)驗(yàn)條件和纖維直徑Tab.1 Melt blowing experimental conditions and fiber diameters

由表1可以看出，在一定噴絲孔直徑條件下，熔體流量和空氣壓力減小都可以使纖維直徑減小。特別是當(dāng)纖維直徑減小到一定程度時(shí)，熔體流量減小引起纖維直徑減小的程度較大。當(dāng)采用極限小熔體流量值時(shí)，不僅在較大空氣壓力情況下(4.053×105Pa)得到了納米級(jí)纖維，而且在較小的空氣壓力下(2.0265×105Pa)，也得到了納米級(jí)纖維。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用普通熔噴設(shè)備制作納米級(jí)纖維，減小熔體流量是關(guān)鍵的工藝條件，其次是空氣壓力和噴絲孔直徑。

3 結(jié)論

1)在制備納米纖維的熔噴工藝中，3個(gè)工藝參數(shù)對(duì)纖維直徑的影響程度順序?yàn)?熔體流量影響最大，空氣速度次之，噴絲孔直徑幾乎沒(méi)有影響。在具體熔噴工藝實(shí)踐中，噴絲孔直徑不能太大。

2)采用常規(guī)的熔噴設(shè)備，制作微納米級(jí)纖維的關(guān)鍵技術(shù)是進(jìn)一步減小熔體流量，其次是增大空氣流量或速度。雖然減小噴絲孔直徑對(duì)減小纖維直徑幾乎沒(méi)有作用，但是，對(duì)生產(chǎn)的連續(xù)性或纖維網(wǎng)材料的質(zhì)量有積極作用。

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Manufacture technology of micro-nano fiber by melt blowing

XIN Sanfa1，WANG Xinhou2，HU Shouzhong1
(1.Fashion College，Shanghai University of Engineering Science，Shanghai201620，China;2.Key Laboratory of Textile Science＆ Technology，Ministry of Education，Donghua University，Shanghai 201620，China)

The melt blowing technology for micro-fiber manufacture was researched by numerical and experimental methods. According to Shambaugh one-dimensional melt-blowing model， the relation between the fiber diameter and the processing parameters such as air velocity，polymer flow rate and diameter of the orifice were obtained by numerical methods.The order of the effect degree of three processing parameters on the diameter of final fiber was as followed，the polymer flow rate was the first，the air velocity was the second and the diameter of orifice was the last.At the same time，the conclusion that the diameter of the orifice should not too big was also drawn according to the melt blowing practice.Then，the melt blowing experiment was designed and carried out and the nano-fiber was obtained.It was certified that the relation between three processing parameters and the fiber diameter and the order of the effect degree were correct.The manufacturing technology of micro-fiber was also testified to be valid.

melt blowing;micro and nano fiber;numerical method;polymer flow rate;air velocity;diameter of orifice

TS 174.1

A

10.13475/j.fzxb.20140504405

2014－05－23

2014－11－20

辛三法(1969—)，男，實(shí)驗(yàn)師，博士。主要研究方向?yàn)槿蹏姟⒁簢姺强椩旃に囍欣w維或纖維網(wǎng)的成形。王新厚，通信作者，E-mail:xhwang@dhu.edu.cn。