氣流場和聚合物射流運動對液噴紡纖維形貌的影響

婁輝清， 辛長征， 許志忠， 盛杰偵

(河南工程學院 材料與化學工程系， 河南 鄭州 450007)

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氣流場和聚合物射流運動對液噴紡纖維形貌的影響

婁輝清， 辛長征， 許志忠， 盛杰偵

(河南工程學院 材料與化學工程系， 河南 鄭州 450007)

為研究液噴紡絲過程中氣流場分布和聚合物溶液射流運動對纖維形貌的影響，通過數值模擬分析變壓力條件下液噴環形噴嘴下方的氣流場分布，采用高速攝影技術捕捉聚丙烯腈(PAN)溶液射流在湍流場中的運動并分析其運動規律。結果表明：隨氣流壓力的增加，氣流中心線速度和湍流強度增加；液噴紡PAN微納米纖維直徑逐漸降低并變得均勻，但壓力過大會惡化纖維形貌，并伴隨著纖維束的出現。液噴紡絲過程中纖維的細化與氣流的拉伸作用、聚合物射流的彎曲不穩定性和擺動作用等因素有關。

液噴； 數值模擬； 聚合物射流擺動； 纖維直徑； 纖維形貌

目前，在靜電紡絲及其他制備納米纖維技術方法的研究中，納米纖維制備技術已展現出跨學科技術融合的趨勢，如將納米技術引入到傳統紡絲過程中，以期在改善納米纖維的質量、提高性能、增加產率以及降低生產成本等方面有所突破[1]。液噴紡絲技術正是組合了傳統熔噴技術產業化生產微米纖維及當代靜電紡絲可制備納米纖維的優勢而產生的一種制備微納米纖維的新型技術，它是采用高壓高速氣流拉伸聚合物溶液直接制備微納米纖維的一種方法。與靜電紡絲技術相比，液噴紡絲技術對設備的要求低，不需要高壓靜電裝置或是導電收集裝置，可用于噴涂任何材料，不局限于高介電常數的溶劑，且對熱和電壓敏感的聚合物如蛋白質也不會造成影響[2]。與熔噴技術相比，液噴紡絲技術的原料適用性強，特別適合熔噴技術無法使用但又可溶解于無毒揮發性溶劑的聚合物原料；此外，該技術采用室溫壓縮空氣，可有效避免聚合物的熱降解[3]。基于這些優勢，液噴紡絲可節約能量，降低成本，擴大非織造產品的種類和應用等。

作為一種近幾年新興的紡絲技術，液噴紡絲技術正引起越來越多的關注，在液噴紡絲的可行性及其工藝[4-6]、纖維性能與應用[7-9]等方面已有深入的研究，但是由于液噴紡絲過程中氣體噴射湍流場的動力學行為相當復雜，關于其湍流場的信息在理論和實驗上的研究相對較少。氣流場中沿氣流運動方向的中心線速度和湍流強度可用于預測液噴紡絲過程；并且對氣流場的了解也有助于模擬纖維成型過程。因此，研究液噴紡絲過程中的氣流場分布對液噴紡絲技術的發展具有重要的意義。本文擬對液噴環形氣體射流流場分布、聚合物溶液射流在氣流場中的運動規律及其對最終纖維形貌的影響進行研究。

1 實驗部分

1.1 材料與方法

試劑：聚丙烯腈(PAN，平均相對分子質量約為70 000，丙烯腈(91.4 %)，丙烯酸甲酯(8.6 %)的共聚體)購自浙江杭州灣腈綸纖維有限公司；N,N-二甲基乙酰胺(DMAc，分析級)購自國藥化學試劑有限公司，使用前未經進一步純化。

儀器：BZY-1型表面張力儀(上海衡平儀器儀表廠)、AL204電子天平(梅特勒托利多儀器有限公司)、TM-3000型掃描電鏡(日立日本昌立公司)、HG-100K型高速攝影儀(美國Redlake公司)。

本研究采用Fluent軟件對液噴環形氣體射流流場進行數值模擬，采用高速攝影儀捕捉液噴紡絲過程中聚合物射流(纖維)的運動過程，模擬和實驗分析過程中所用到的軟件主要有ImageJ v2.1.4.7、Fluent 6.3、Adobe Photoshop 7.0、Corel Video Studio Pro X5、QuickTime、Video Point等。

1.2 液噴紡PAN微納米纖維的制備

液噴紡PAN微納米纖維的制備采用自制實驗裝置(見圖1)，該裝置主要由注射泵(LSP01-1A，保定蘭格恒流泵有限公司)、自制環形同軸噴嘴、精密壓力表(LRP-1/4-4，FESTO，費斯托(中國)有限公司，德國)和無油空壓機(DA7002，江蘇岱洛醫療科技有限公司)組成。

圖1 液噴紡絲裝置示意圖Fig.1 Schematic of solution blowing apparatus

本實驗采用的環形噴嘴的縱截面示意圖如圖2所示。圖中內噴嘴伸出外噴嘴4 mm，Di和Do分別是內外噴嘴直徑為0.91和2.5 mm。本實驗中PAN溶液質量分數為15%、注射速率為1.5 mL/h、接收距離為60 cm，通過注射泵將PAN溶液從注射器中擠出到同軸氣體射流中，經氣流拉伸并伴隨著溶劑揮發和溶液射流的擺動作用，聚合物射流被拉伸變細。與此同時，拉伸變細的聚合物沉積在銅網接收裝置上，形成液噴紡PAN微納米纖維膜。

圖2 液噴環形噴嘴的縱截面示意圖Fig.2 Longitudinal view of annular nozzle in solution blowing

2 結果與討論

2.1 液噴環形氣體射流速度場分析

環形噴嘴氣流入口下方的速度分布整體輪廓如圖3(a)所示。高速氣流從環形噴嘴噴出后，先分別單獨運動一定距離，而后開始相互融合，并在到達噴嘴下方某一位置后合并成一股射流，最終以相同的速度向下運動。此外，氣體射流速度沿噴嘴軸向方向逐漸降低，并且其衰減程度隨著離噴嘴距離的增大(x和y距離都變大)而增加。圖3(b)示出噴嘴出口附近的速度矢量局部放大圖，可看出，在噴嘴平面下方2股收斂氣流的三角形區域有2個回流區出現。這是由于從環形噴嘴噴出的2股射流的相互夾帶和單股射流到勢核區湍動量的抽吸作用，從而在噴嘴下方形成負壓區，進而導致單股射流軸向對稱中心線彎曲[10-11]。

圖3 環形噴嘴下方的速度場分布圖Fig.3 Contours of velocity field below annular nozzle.(a) Whole velocity field; (b) Locally amplified velocity vector field

2.2 氣流壓力對氣流場分布的影響

實驗過程中發現，液噴紡絲過程中氣流壓力對纖維形貌尤其是纖維直徑有重要影響。圖4示出在不同入口壓力條件下環形噴嘴下方氣流的中心線平均速度和湍流強度的變化曲線。從圖中可看出，氣流中心線平均速度和湍流強度都隨著氣流壓力的增加而增大。由于在液噴紡絲過程中希望有較大的氣流速度和較小的湍流強度，因此根據不同氣流壓力條件下的氣流場分布情況并不能確定液噴紡絲過程中的最佳氣流壓力。為進一步明確氣流壓力對紡絲過程的影響，還需要進一步從理論和實驗方面分析氣流場分布對聚合物射流運動的影響。

圖4 不同入口壓力對氣流場的影響Fig.4 Effect of inlet air pressure on airflow field. (a) Centerline velocity; (b) Turbulent intensity

2.3 氣流場分布對聚合物射流運動的影響

已有研究表明[12]，在采用氣流力作為拉伸力的紡絲過程中，氣流速度增大的同時會導致氣體射流與聚合物射流的相對速度增加，作用在聚合物溶液射流或纖維上的氣流力隨著相對速度的增加而變大，且氣流力與相對速度之間的關系符合式(1)。

(1)

式中：F為氣流力；x表示纖維軸；C為常數；ρa為氣流密度；μ為氣體動力黏度；Q為聚合物體積流量；U為氣流速率；VL為纖維最終速度。

從式(1)可推斷出，作用在聚合物射流或纖維上的氣流力與氣體射流和聚合物射流之間的相對速度(U-VL)呈正相關。由于較大的氣流作用力有利于聚合物纖維的快速拉伸和細化，這就解釋了紡絲線上較大的平均氣流速度有利于紡絲進行的原因。

在流體力學中，韋伯數(We)和雷諾數(Re)是表征與氣體射流和液體射流相對速度有關的物理量，其定義式分別為：

(2)

(3)

式中：ur為氣體射流與液體射流之間的相對速度；σ為表面張力；d為中心管(即本文中內噴嘴)的內徑；ρl、ul和μl分別為液體的密度、速度和黏度。

We和Re同時也是與高速氣流場中液體射流直線段部分的長度有關的物理量。Eroglu等[13]研究發現，環形氣體射流包圍的圓形液體射流的直線段部分的長度L隨We的增大而變短，隨Re的增大而變長。L與We和Re之間具有如下關系：

(4)

根據上述理論可推斷出，高速氣流場中氣體射流與液體射流之間相對速度的增大，會使液體射流直線段部分變短且不穩定，從而更易導致射流的彎曲不穩定和擺動現象，這一結論也與高速攝影實驗觀察到的現象一致。圖5示出不同氣流入口壓力(對應于氣體與聚合物射流之間的相對速度大小不同)條件下的高速攝影照片?？煽闯觯酆衔锷淞髦本€段長度隨著氣流入口壓力(即相對速度)的增大而逐漸減小。

圖5 不同氣流壓力條件下聚合物射流直線段長度比較Fig.5 Length comparison of straight segment of polymer solution jet under different air pressures

根據液體射流在氣體射流中運動的動力學理論[14]可知，當氣流射流速度(U0)超過某一臨界值(U*)時，液體射流將會有小的彎曲擾動出現并增長，逐漸形成彎曲不穩定現象。該臨界值對應于液體射流的彎曲不穩定現象起始點的速度值，該值可根據下式計算得到：

(5)

式中：α為液體表面張力系數；a0為未擾動液體射流的半徑，即本實驗中的內噴嘴內半徑。在本實驗中，α=0.034 kg/s2，ρa=1.293 kg/m3，a0=d/2=0.3 mm，根據式(5)計算得到本實驗中的臨界值U*=9.37 m/s。將計算結果與圖4(a)中不同壓力條件下沿x軸方向的速度模擬值相比較可發現，除距離噴嘴很小一段距離(x<2 mm)外，沿x軸方向的其他氣流速度都遠大于該臨界值，這意味著在聚合物射流被擠出噴嘴后很短的時間內就發生了彎曲不穩定現象(見圖6)。通過對實驗過程的高速攝影觀察和對射流運動照片的分析發現，聚合物射流從噴嘴中擠出后首先保持一定長度的直線段運動，然后開始連續擺動即沿紡絲線上下振動。

圖6 液噴紡絲過程中聚合物射流的彎曲不穩定和擺動現象的高速攝影照片Fig.6 High-speed photographic image of bending instability and flapping motion in solution blowing

由上面的分析可知，聚合物射流在液噴環形氣流場中存在擺動現象，為更進一步探究其運動情況，通過分析本實驗中聚合物射流在不同氣流壓力條件下的高速攝影照片，獲得了聚合物射流在x-y平面內沿x軸擺動的平均幅度和頻率如表1所示。

從表可看出：在不同氣流壓力條件下，聚合物射流的擺動頻率則隨氣流壓力的變大而增加，而擺動幅度隨壓力的增大呈現先稍微增加后減小的趨勢；在氣流壓力相同的條件下，聚合物射流的擺動幅度在x-y平面隨離開噴嘴距離的增大而增加。

表1 不同壓力條件下聚合物射流擺動的平均幅度和頻率

注：頻率為聚合物射流在x=2.0 cm處的擺動頻率。

2.4 氣流場和射流運動對纖維形貌的影響

由上述分析可知：液噴紡絲過程中聚合物射流的拉伸細化不僅來自于氣流力的直接作用，還與聚合物射流自身彎曲擾動的增加有關；與熔噴紡絲過程相似，該彎曲擾動是由湍流漩渦激發，并且彎曲擾動的程度隨氣流橫向分布力作用變大而增加[15-16]。此外，由于液噴紡絲過程中采用的是聚合物-溶劑作用體系，溶劑揮發可能是另外一個不可忽略的因素。為證實這些因素對紡絲過程的影響，對不同壓力條件下液噴紡PAN纖維的形貌進行了比較，結果如表2和圖7所示。

圖7 不同氣流壓力條件下液噴紡PAN纖維的掃描電鏡照片(×3 000)Fig.7 Scanning electron micrographs of solution-blown PAN fibers under different air pressures (×3 000)

壓力/MPa直徑分布占片/%<500nm500～700nm700～900nm>900nm011250018305460221001251670634019900000138200054002600000

當氣流壓力為0.112 MPa時，纖維平均直徑約為801 nm，主體纖維直徑主要分布在700～900 nm之間，直徑大于1 000 nm的纖維約占9%。當氣流壓力增加到0.125 MPa時，平均纖維直徑降低至634 nm，主體纖維直徑分布在500～700 nm之間，并且纖維直徑也變得比較均勻一致。PAN纖維的均勻化和細化作用主要歸因于氣體射流與聚合物射流之間相對速度的增大，從而產生較大的拉伸力作用于聚合物射流上；此外，較高的氣流壓力使聚合物射流在初始階段形成相對較短且不穩定的直線段部分，彎曲不穩定現象和擺動行為加劇，從而產生明顯的拉伸和細化作用。但是，隨氣流壓力繼續增加到0.138 MPa，從外觀上看PAN纖維的直徑不均勻程度增加，雖然平均纖維直徑降低至606 nm，但進一步分析結果表明，與氣流壓力為0.125 MPa時相比，直徑小于650 nm的纖維數量由原來的65%降低至62%，而纖維直徑范圍在700～900 nm的比例則由原來的20%增加到26%。這是由于隨著氣流壓力的增加，氣流速度和湍流強度也同時增大(見圖4)，當氣流壓力增加到0.138 MPa時，由于湍流強度太大從而造成了纖維形貌的不一致性；并且較高的氣流速度會加速聚合物射流表面溶劑的揮發，進而加快聚合物射流的固化速率。因此，當氣流壓力太大時，纖維細化的程度也有所減弱。綜上所述，氣流壓力的變化不僅影響液噴紡PAN纖維的平均直徑，而且對其直徑分布也有明顯的影響。

對高速攝影儀捕捉到不同氣流壓力條件下的液噴紡絲過程中聚合物射流(纖維)運動軌跡的分析結果表明，制備PAN纖維的實驗過程中只有一股聚合物射流，但是當氣流壓力增加到0.138 MPa時，所制備的纖維中出現了一些纖維束，如圖8所示。這可能是由于在氣流壓力較高的條件下，當聚合物射流運動至某一區域時，周圍氣體射流已經嚴重衰減，運動著的聚合物射流有足夠的時間追隨其打圈成環的自然本性，即連續聚合物射流的片段之間會產生自交叉和重疊現象。另一方面，湍流擾動的強度隨著氣流壓力的增加而變大，從而導致聚合物纖維在到達接收裝置時出現自纏繞和黏連現象。此外，導致出現纖維束的另外一個可能原因是接收裝置正面(纖維沉積的一面)和背面的氣流量不平衡，當氣流從噴嘴中噴出后，由于接收裝置的阻隔作用，在接收裝置正面的氣流量要比背面大得多，多余或未穿過接收網的氣流會夾帶著浮游纖維(未收集在接收裝置上而漂浮在空中的纖維)反彈回來，氣流壓力越大，則被反彈的氣流量越多；與此同時，反彈氣流中夾帶的浮游纖維又會被從噴嘴噴出的氣體射流吹向接收裝置，并與氣體射流中新產生的纖維纏繞在一起，導致纏結纖維束的出現。

圖8 液噴紡PAN纖維在壓力為0.138 MPa時纖維束掃描電鏡照片(×3 000)Fig.8 Scanning electron micrographs of solution-blown PAN fiber strands under an air pressure of 0.138 MPa (×3 000)

3 結 論

1)不同氣流壓力條件下液噴紡PAN微納米纖維形貌與環形氣流場分布情況有關，氣體射流與聚合物溶液射流之間的相對速度、速度波動、聚合物溶液射流的擺動以及溶劑揮發等因素均對液噴紡絲過程中的纖維形貌有較大的影響。

2)隨著氣流壓力的增加，氣流中心線速度和湍流強度隨之增加；聚合物射流在紡絲線上擺動頻率逐漸變大，而某一特定位置的擺動振幅則呈現先增加后減小的趨勢；當氣流壓力一定時，射流的擺動振幅隨離開噴嘴距離的增大而增加。

3)液噴紡PAN微納米纖維的形貌隨氣流壓力的增加發生明顯的變化。隨氣流壓力增加，平均纖維直徑明顯降低且纖維形貌也變得比較均勻；繼續增加氣流壓力，纖維平均直徑的降低幅度變小且不均勻程度增加，并伴隨著纖維束的出現。

FZXB

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2016年《紡織導報》征訂啟事

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Influence of airflow field distribution and polymer solution jet motion on morphology of solution-blown fibers

LOU Huiqing， XIN Changzheng， XU Zhizhong， SHENG Jiezhen

(DepartmentofMaterialandChemicalEngineering,HenanInstituteofEngineering,Zhengzhou,Henan450007,China)

To investigate the influence of airflow field distribution and polymer solution jet motion on the morphology solution-blown fiber, the airflow field distribution below a solution-blowing annular nozzle was numerically simulated using the computational fluid dynamic approach, polyacrylonitrile (PAN) solution motion in the turbulent field was captured with a high-speed camera and the motion law was analyzed. The results show that with the increase of the airflow pressure, the airflow centerline velocity and turbulent intensity increases with the increase of air pressure, the diameters of solution-blown PAN fibers decrease and become more uniform. However, the fiber morphology become worse, with the emergence of some fiber strands under overhigh air pressure. The fiber thinning is correlated with factors such as stretching effects of airflow, bending instability and flapping motion of polymer solution jet, and the like.

solution blowing; numerical simulation; polymer solution jet flapping motion; fiber diameter; fiber morphology

10.13475/j.fzxb.20140902407

2014-09-17

2015-03-31

河南工程學院輕化工程技術研究中心項目(GCZX2013003)

婁輝清(1985—)，女，講師，博士。主要研究方向為新型微納米纖維非織造材料的成型機制及應用。E-mail：huiqinglou@126.com。

TS 102.5；TS 101.1；TS 101.2

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