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        熔噴氣流場中的纖維運動模擬與分析

        2023-02-16 06:35:14韓萬里王新厚王玉棟
        紡織學報 2023年1期
        關鍵詞:區(qū)域模型

        韓萬里,謝 勝,王新厚,王玉棟

        (1.浙江省紗線材料成形與復合加工技術研究重點實驗室,浙江 嘉興 314000;2.嘉興學院 材料與紡織工程學院,浙江 嘉興 314000;3.東華大學 機械工程學院,上海 201620;4.廣西科技大學,廣西 柳州 545026)

        熔噴技術是一種采用高溫高速氣流拉伸聚合物熔體制備微納米纖維材料的工業(yè)化方法。高分子聚合物原料經過螺桿擠壓機加熱熔融成為熔體后,由噴絲模頭前端噴絲孔擠出,并受到兩側高速高溫氣體拉伸細化成微納米纖維,沉積于收集裝置形成非織造材料。熔噴非織造材料具有纖網結構蓬松、纖維直徑小、比表面積大、孔徑小、孔隙率大的特點,其過濾、吸音、保暖和吸油等性能優(yōu)良,主要應用于醫(yī)用防護[1-2]、工業(yè)[3]、家居生活[4]、污水處理[5]等領域。熔噴紡絲方法不涉及溶劑回收,是一種綠色環(huán)保的工業(yè)化超細纖維制備方法。

        熔噴纖維成形過程中,聚合物熔體在氣流力的牽伸細化下,其溫度、速度和應力等參數在極短的時間內發(fā)生變化,該過程涉及到熔噴纖維的流動和形變,以及牽伸細化過程中的氣流擴散傳熱等問題。國內外研究主要集中在熔噴氣流場優(yōu)化[6-8]、聚合物熔體牽伸力學模型[9-11]及纖維成形理論[12-14]等方面。在熔噴纖維成形過程中,熔體射流處于發(fā)散的高速高溫氣流場中,聚合物熔體在細化過程中不受羅拉握持牽伸,呈現自由運動狀態(tài),因此,纖維的運動過程非常復雜。

        目前,相對于熔噴氣流場、熔噴纖維拉伸力學模型與纖維成形理論的研究,針對熔噴纖維在氣流場中的運動過程及氣流場對纖維牽伸細化的影響研究較少。本文對熔噴氣流場進行了數值模擬,分析了熔噴氣流場的分布特點,采用歐拉-拉格朗日法建立了熔噴牽伸力學模型,揭示了纖維運動軌跡對熔噴纖維牽伸細化的作用機制;最后通過高速攝影捕獲了纖維的運動軌跡,驗證了模型中纖維的牽伸運動過程。本文研究可為熔噴工藝關鍵部件設計和微納米纖維紡絲成形技術提供一定的理論依據。

        1 熔噴氣流場模擬

        1.1 雙槽型熔噴模頭模型

        圖1示出雙槽型熔噴模頭結構示意圖和模型計算區(qū)域。壓縮空氣從熔噴模頭兩側的狹縫中進入形成2股收斂的高速高溫氣流,對中間噴絲孔中擠出的聚合物熔體進行夾持牽伸,因此,雙槽型熔噴模頭氣流場主要包括氣流雙槽區(qū)域和模頭正下方的氣流發(fā)散區(qū)域。圖1(a)中雙槽型熔噴模頭的狹縫區(qū)寬度a為 0.75 mm,狹縫傾斜角α為30°,噴鼻外端寬度f為 2 mm。雙槽高度為5 mm,模頭正下方的計算區(qū)域長度為80 mm,寬度為20 mm。由于雙槽型熔噴模頭的氣流場呈軸對稱分布,為減少模擬時間和提高模擬效率,本文中的模擬區(qū)域為實際熔噴模頭模型的一半(見圖1(b))。

        圖1 雙槽型熔噴模頭結構示意圖及模型計算區(qū)域

        1.2 數值計算與參數設定

        熔噴氣流場中的氣流為非等溫、黏性和可壓縮的湍流氣體。研究表明,標準的k-ε湍流模型能夠較好地反映出熔噴氣流場中的氣流湍流運動[15-16],因此,本文采用k-ε湍流模型對熔噴氣流場進行分析計算,方程為:

        ρε-YM-Sk

        (1)

        (2)

        式中:ρ為氣體密度,kg/m3;k為湍動能,J;μt為湍動黏度,N·s/m2;ui為氣流速度矢量μ分別在不同方向的分量;σk、σε分別為湍動能k和湍動耗散率ε所對應的Prandtl數;Gk為由于平均速度梯度而引起的湍動能k的產生項;Gb為由于浮力而引起的湍動能的產生項;YM代表可壓湍流中脈動擴張的貢獻;Sk和Sε為自定義的源項;C1ε、C2ε和C3ε均為經驗常數。Krutka等[17-18]通過雙槽型熔噴模頭氣流場模擬結果和實驗測量數據修正了湍流模型的中的C1ε和C2ε值,指出C1ε和C2ε值分別為1.24和2.05。模型中的其余參數設置保持默認值。

        在Gambit中對熔噴模頭計算區(qū)域進行網格劃分并對邊界條件進行指定,在Fluent中進行數值模擬。網格采用四邊形映射網格,網格間距約為0.1 mm,計算區(qū)域的網格數為130萬個。計算區(qū)域模型中線段F設定為壓力入口邊界,入口氣壓為131 722.5 Pa,溫度為383 K,速度入口方向與雙槽傾斜角度一致。邊AB和BC為出口壓力邊界,計算區(qū)域出口邊界為大氣環(huán)境,設定出口壓力為101 325 Pa,溫度為300 K。邊OA為對稱邊界。邊CD、DE、FG和GO為無滑移壁面邊界,溫度為400 K。

        2 熔噴纖維牽伸模型

        2.1 熔噴纖維模型

        纖維具有黏彈性特點,在紡絲過程中可采用黏彈性珠鏈模型來模擬纖維,即將纖維離散成相互串聯的珠子,通過連接胡克彈簧和牛頓黏壺表征聚合物黏彈性[10]。圖2示出熔噴纖維在氣流場中的黏彈性珠鏈模型,其中方框內為纖維的基本單元。

        圖2 熔噴纖維黏彈性珠鏈模型

        纖維的基本單元是由相鄰的珠子i和珠子i-1組成,設珠子i和i-1的坐標分別為(xi,yi,zi)和(xi-1,yi-1,zi-1),則該纖維基本單元的長度可表示為

        li-1,i=[(xi-xi-1)2+(yi-yi-1)2+(zi-zi-1)2]1/2

        (3)

        纖維基本單位質量賦值在相鄰的2個珠子上,定義相鄰的2段單元纖維(i-1,i)和(i+1,i)的質量為

        (4)

        式中:ρf為聚合物纖維的密度,kg/m3;Ai-1,i和Ai,i+1分別為單元纖維(i-1,i)和(i,i+1)的截面面積,m2。設單元纖維(i-1,i)和(i,i+1)的直徑分別為di-1,i和di,i+1,則Ai-1,i和Ai,i+1分別為:

        (5)

        為較全面表達纖維黏彈性特征,本文珠子之間通過2個胡克彈簧和1個牛頓黏壺構成的三元件進行連接。該模型既能描述熔噴纖維在拉伸過程中的應力松弛現象,也可描述纖維蠕變變形,其本構方程為

        (6)

        式中:E1、E2為彈簧的彈性模量,其值為2.8×104Pa;l為纖維的變形長度即應變,m;η為牛頓黏滯系數,其值為 38.38 Pa·s[19];σ為應力,Pa;t為時間,s。

        2.2 熔噴纖維牽伸動力學

        熔噴纖維在氣流場中受力牽伸細化,所有作用在絲條上的力處于動態(tài)平衡狀態(tài)。根據牛頓第二定律,第i個珠子的動量方程為

        (7)

        式中:m為珠子質量,g;G為珠子的重力,N;ri為第i個珠子的位置向量,ri=xii+yij+zik(i,j,k分別為x,y,z方向的單位向量);Fve、Fa、Fst分別為黏彈力、氣流力和表面張力,N。

        作用在第i個珠子上的黏彈力Fve來自其上下2個珠子i+1和i-1,其合力為

        (8)

        式中,σi+1、σi-1分別為(i+1,i)和(i,i-1)纖維的應力,Pa。

        作用在第i個珠子上的氣流力Fa為

        (va,z-vi,z)2k]

        (9)

        cf=βRe-n

        (10)

        式中:ρa為空氣密度,其值為1.29 kg/m3;β和n為Matsui系數,分別等于0.78和0.61[20];Re為雷諾數;va,x,va,y,va,z分別為x,y,z方向的氣流速度,m/s;vi,x,vi,y,vi,z分別為x,y,z方向的珠子速度,m/s。

        作用在第i個珠子上的表面張力為

        (11)

        式中:θ為表面張力系數,其值為0.7 kg/s2[10];ki為(i-1)~i~(i+1)段的曲率,m-1。

        另外,熔噴纖維在傳熱過程中,熔體(纖維)和環(huán)境介質(氣流場)之間的熱交換為

        (12)

        式中:Ci為聚合物射流的比熱容,其值為1 777.8 J/(kg·K);φ為聚合物熔體和氣流場之間的傳熱系數,其值為 0.026 W/(m2·K)[10];Ti為珠子i的溫度,K;Tai為珠子i所處位置的流場溫度,K。

        熔噴纖維模型初始條件是在t=0的時刻,纖維含有2個相同的珠子,直徑為4×10-4m,二者距離l0為0.5×10-3m,初始速度為0.05 m/s。賦予珠子的材料參數值,如黏度、密度、熱傳遞系數等。計算時給定時間步長Δt=1×10-3s,結合式(7)及其相關方程,得到更新后珠子1和珠子2在t=t+Δt不同時刻時的新位置。由于質量守恒,珠子1和珠子2質量不變,但珠子的運動軌跡發(fā)生了改變,并根據珠子位置、運動速度及直徑的變化,更新材料屬性。由此循環(huán)可以獲得珠子纖維在任一時刻時的運動軌跡。

        3 模擬結果與實驗驗證

        3.1 熔噴氣流分布特點

        圖3為雙槽型熔噴模頭氣流速度分布圖??梢钥闯觯蹏姎饬鲌鼍哂邪l(fā)散式沉沒的特性。圖3(a)中氣流射出后在熔噴模頭下方具有較高的速度,隨后氣流向周圍擴散,速度減小,最終沉沒于周圍的環(huán)境中。

        圖3 雙槽型熔噴模頭氣流速度分布圖

        圖3(b)示出出口位置氣流分布情況,是圖3(a)中長方形區(qū)域的放大圖,可以看出熔噴氣流場中存在氣流接觸點和氣流合并點。根據熔噴氣流速度分布特點可分成3個區(qū)域,分別為射流單獨流動區(qū)域、射流匯合融合區(qū)域和射流合并區(qū)域。氣流在匯合點前,氣體是單獨流動的,2股射流之間會存在2個回旋區(qū)域;氣流接觸點后到氣流匯合點前的區(qū)域,是熱空氣射流從單股狀態(tài)到完全匯合并形成1股射流的過渡匯合區(qū)域;氣流匯合點后射流以合并后的射流進行流動,并迅速衰減擴散到周圍環(huán)境中。由圖3(c)可知,接觸點前的2個回旋區(qū)域,其氣流速度方向時刻變化,會造成聚合物熔體運動軌跡出現波動。另外,該區(qū)域離熔噴噴絲板距離較近,當氣流方向朝向噴絲板時,會產生聚合物熔體黏附噴絲板表面或并絲現象。

        氣流狹縫兩側方向,即x=0、0.25、0.75和1.25 mm位置處,氣流速度沿z軸的分布情況如圖4所示。在x=0 mm位置處:當z<1 mm時氣流速度出現波動,這是因為熔噴噴絲板下方氣流存在回旋區(qū)域;當z>1 mm時,氣流速度呈先增加后減小的趨勢;當z=5 mm時中心線位置處存在最大速度165.88 m/s,表明2股氣流在此處合并成1股氣流。在x=0.25 mm位置處,氣流速度呈先減小后增加趨勢,在z=2 mm處氣流達到最小速度25.23 m/s。而在x=0.75 mm位置處,氣流速度迅速增加,在z=1.94 mm位置處可達179.83 m/s,隨后呈下降趨勢。纖維經過回旋區(qū)域,在x軸方向上發(fā)生很小位移時,就會受到差異很大的氣流速度影響?;匦齾^(qū)域和氣流速度的變化都能導致纖維運動發(fā)生波動,因此,纖維在氣流匯合點前出現鞭動運動。x=1.25 mm位置處為狹縫區(qū)出口,氣流速度迅速達到最大值210.12 m/s,之后呈先下降再增加趨勢,在z=2.37 mm處氣流最小速度為75.76 m/s。

        圖4 氣流在距熔噴模頭不同位置處的速度分布圖

        氣流速度在x=0.25、0.75和 1.25 mm時分布不同,表明在氣流匯聚點前(z<5 mm)表現為射流單獨流動特征。在5 mm25 mm時,氣流進入到射流合并區(qū)域,不同x位置處的氣流速度趨于一致,該區(qū)域氣流速度逐漸衰減,對纖維的牽伸作用也逐漸減弱。

        3.2 熔噴纖維牽伸特點

        圖5示出氣流場中熔噴纖維(珠子)在分別為t=0.048、0.066和 0.086 s時的纖維運動軌跡圖。

        由圖5可知,纖維模型中擠出后的第1個珠子對應z方向上纖維離噴絲板的距離分別為1.79、4.28和7.88 cm。在t=0.048 s時,纖維運動軌跡由17個珠子組成,此時珠子在中心線上只受到氣流的摩擦力,運動過程中沒有出現鞭動運動。t=0.066和 0.086 s時,纖維運動軌跡分別由27和38個珠子組成,纖維在x方向上出現位移移動,引起纖維的鞭動運動。鞭動運動對氣流場中熔噴纖維的拉伸變細發(fā)揮著關鍵作用,因為鞭動可增加纖維運動路徑,延長纖維受力牽伸時間,有利于纖維的牽伸細化。圖5顯示熔噴纖維牽伸過程分為3個階段。在靠近噴絲板位置處,該區(qū)域氣流速度小,相鄰2個珠子之間距離較小,即纖維存在較小的牽伸,牽伸倍數較小。纖維進入氣流回旋區(qū)域后,氣流速度的變化導致纖維產生鞭動。隨著遠離噴絲板,相鄰珠子之間距離增加,珠子的橫向運動也進一步變大,表明纖維運動軌跡變長,纖維牽伸倍數增大。但距離噴絲板位置更遠時,氣流與纖維之間的速度差減小,纖維牽伸減弱,表現為相鄰珠子間的距離減小。t=0.086 s時,纖維牽伸細化后下方存在向上移動的纖維,使纖維曲線呈現折疊圈狀分布。這是由于纖維前段偏離噴射中心線后,因遠離中心線的氣流速度小,纖維向下移動變慢,如果纖維后段仍靠近中心線,其將比前段移動得快,并會超過前面的纖維段[21]。

        圖5 模擬過程中熔噴纖維不同時刻的運動軌跡

        圖6示出熔噴纖維模型中熔噴纖維在氣流場中的牽伸倍數??梢钥闯?,纖維在t=0.048、0.066和0.086 s時的牽伸細化趨勢一致。在初始階段,由于氣流場中的氣流速度較小,纖維牽伸倍數較小。隨著紡絲距離和珠子個數的增加,纖維牽伸倍數明顯增加,t=0.048 s時的最大牽伸倍數為14.3,t=0.066 s時的最大牽伸倍數為21.07,t=0.086 s時的最大牽伸倍數為27.49,纖維被迅速拉長變細。最后階段,熔噴氣流場中的氣流速度減小,纖維的牽伸倍數也隨著下降。該模型中的纖維牽伸倍數與熔噴氣流速度分布規(guī)律相符。

        圖6 熔噴纖維模型的牽伸倍數

        3.3 實驗驗證

        圖7為熔噴纖維紡絲時的高速攝影圖,拍攝速度為3 000 幀/s,原料聚丙烯切片熔融指數為650 g/(10 min),聚合物擠出流量為7.1 g/min,拍攝過程中由2個2 000 W探照燈進行補光,便于捕捉到纖維。可以看出,在初始階段,纖維從噴絲孔中擠出后保持一小段直線運動,之后進入氣流回旋區(qū)域出現鞭動。纖維通過氣流回旋區(qū)后,出現連續(xù)的半環(huán)型結構牽伸圈,這是因為該區(qū)域為射流匯合融合區(qū)域。氣流方向在x軸和z軸上產生變化,纖維在該區(qū)域內產生左右運動,沿著±x軸方向移動,從而使熔噴纖維的鞭動路徑增加,產生左右交替的半環(huán)型纖維牽伸圈。熔噴纖維在射流匯合融合區(qū)域內仍處于較高的溫度環(huán)境中,聚合物射流具有較好的流動性,在鞭動作用下快速彎曲變形而導致纖維牽伸倍數增加,這對熔噴纖維直徑變細起到關鍵作用。由圖7(b)、(c)可以看出,熔噴纖維進入到射流匯合融合區(qū)域后,纖維前段部分向下運動速度減小,出現纖維交叉和折疊成圈現象,這與模擬結果一致。

        4 結 論

        1)雙槽型熔噴模頭氣流場數值模擬結果表明,熔噴氣流場存在射流單獨流動區(qū)域、射流匯合融合區(qū)域和射流合并區(qū)域3種氣流分布形態(tài),其中在射流單獨流動區(qū)域內含有2個回旋氣流。熔噴氣流場的分布對纖維運動有重要的影響。

        2)采用歐拉-拉格朗日法,結合纖維三元件本構方程,對纖維在熔噴氣流場中的運動過程進行模擬和分析,指出熔噴纖維在牽伸細化過程中分為3個階段:聚合物射流在射流單獨流動區(qū)域出現鞭動;在射流匯合融合區(qū)域內,纖維鞭動運動增加,為纖維牽伸細化主要區(qū)域;射流合并區(qū)域內纖維細化減弱,會出現纖維交叉和折疊成圈現象。

        3)通過高速攝影實驗捕獲了熔噴纖維運動軌跡,發(fā)現纖維成形過程中出現連續(xù)的半環(huán)形牽伸圈,鞭動運動對纖維細化有重要影響,驗證實驗中的纖維運動軌跡與模擬結果一致。

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