基于熔喷气流场的纳米纤维成型机理研究

Nanofibers can be used in a wide range of potential applications, such as medical applications, filtration, nano-electronics and so on. However, one of the limitations of nanofiber technology is that it is very difficult to increase the production rate. Melt blowing, which involves applying a jet of high-velocity hot air to an extruding polymer melt and drawing the polymer stream into microfibers. If melt blowing technology could be extended to nano-scale fiber sizes, it would penetrate new markets and enhance current product offerings. To reach this goal, a fundamental understanding of air flow field, drawing process and fiber formation in melt blowing process is important. In this study, the simulation of air flow field, the optimization of die, the model of fiber trajectory and the Rayleigh instability are researched in order to obatin nanofiber with melt blowing. This research provides a general understanding of a fundamental understanding of the limits of the melt blowing process and supplies a much easier, faster,and cheaper method to produce the nanofiber.

纳米纤维在医用材料、精细过滤材料和微电子材料等众多领域应用前景广阔，但目前制约其发展的瓶颈是纳米纤维的制备效率较低。熔喷是生产超细纤维非织造布的最重要方法，其纤维的纳米化是熔喷技术发展的一个最重要趋势。熔喷喷射气流场是作用于聚合物细流的外场，聚合物细流形成纳米纤维依赖于该外场的拉伸作用，因此熔喷纳米纤维制备技术的研究有赖于对熔喷气流场、纺丝拉伸力学机理和纤维成型机理的掌握。本项目将对熔喷工艺中的喷射气流场、纤维拉伸力学模型和成型机理进行深入研究，内容主要包括熔喷喷射气流场的模拟，喷丝板模头的优化设计，纤维在气流场中的运动轨模拟迹及力学模型的分析，纳米纤维成型中的Rayleigh不稳定现象的探索，以获得纤维更细的纳米纤维非织造布为主要目标。通过项目的实施，将建立熔喷纺制纳米纤维的过程理论，改良制备纳米纤维非织造布的熔喷装置，促进纳米纤维规模生产技术的发展，具有重要的理论和工程实践意义。

熔喷技术是工业化生产超细纤维非织造布的最重要方法，熔喷纤维的纳米化是该技术发展的一个最重要趋势。本项目对熔喷工艺中的喷射气流场、纤维拉伸模型和熔喷纳米纤维成型机理进行深入研究。首先对狭槽形熔喷模头气流场进行了仿真模拟，对其气流速度分布规律进行了分析，指出熔喷气流场中存在“射流单独流动区域”、“射流接触融合区域”和“射流合并区域”三种气流流动区域。基于该研究结果，设计了带有辅助牵伸的新型熔喷模头，该新型模头可以减小头端附近的涡流区域以及提高纺丝线上的速度和温度，这有利于熔喷微纳米纤维的牵伸细化。再次建立了适用于熔喷气流场中的纤维牵伸模型，重点研究了Maxwell 模型，两种三元件模型（SLS模型），分析了不同本构方程的纤维模型在同一气流场中的纤维直径、速度、内应力等变化。并利用高速摄影技术捕捉到了熔喷纤维的实际运动轨迹，使其与理论模型的运动轨迹作为对比。结果发现，相对比Maxwell模型，SLS模型能更好的反映出实验的熔喷非织造纤维运动轨迹，SLS模型中的纤维直径、速度和内应力更切合实际实验结果，这为进一步研究熔喷纺丝规律提供了理论基础。最后，在熔喷工业生产条件下采用不同聚丙烯聚合物制备了熔喷纳米纤维，其纤维平均直径可达700 nm - 800 nm。在此基础上，对熔喷纤维细化到纳米级后出现的Rayleigh 不稳定现象进行了建模和理论分析及实验研究。理论和实验结果表明聚合物粘度、表面张力、纤维直径和纺丝工艺参数对不稳定现象影响显著。该项目研究为熔喷纳米纤维成型机理提供了一定帮助，为实现熔喷纳米纤维的产业化奠定了基础。