闪蒸纺纳微纤维成形机理研究

The contradiction between the superior performance and the lower production yield has become the bottlenecks of the product promotion and the development of industrialization, the flash spinning technology which based on the dry spinning provide a new method of preparing the micro-nano fiber. This project based on preparing the ultra-high molecular weight polyethylene micro-nano fiber, aimed on revealing the heat and mass transfer mechanisms of the high pressure solution during the phase transition and the formation mechanism of the ultra-fine stretch of the fiber in the flow field. Get a clear understanding of the heat and mass transfer behavior of the solution jet in the phase transition. Exploring the numerical simulation of the high-pressure jet and establishing the mathematical model of the spinning flow field. Expounding how the structure changed from the solution to the micro-nano fiber. The implementation of this project can optimize the flash spinning process, adjust and control the morphology of the micro-nano fiber, and lay the theoretical foundation for the flash spinning engineering.

纳微纤维优异的性能和较低生产产率之间的矛盾是限制其产品推广和产业化生产的瓶颈问题，基于干法纺丝发展起来的闪蒸纺丝技术为纳微纤维的制备提供了一种新的方法。本项目在制备UHMWPE纳微纤维的基础上，以揭示高压溶液射流在相转变过程中的传质传热机制以及纤维在气流场中的超细拉伸成形机理为目标，明确溶液射流在相转变过程中的传质传热行为，探索高压射流形成气流场的数值模拟，建立纺丝喷射流场的数学模型，阐述聚合物从纺丝溶液到形成纳微纤维过程的结构演变及成形机理，探讨纳微纤维成形过程中的拉伸理论模型。本项目的实施可优化闪蒸纺丝工艺、调控纳米纤维形态、进而为闪蒸纺丝技术的工程化奠定理论基础。

纳微纤维及其非织造产品由于具有比表面积大、质轻、手感好等优点，在吸附过滤、医学、工农业等各种领域中应用广泛。制备纳微纤维的方法主要有复合纺丝法、熔喷纺丝法、模板法、静电纺丝法、闪蒸纺丝法等，其中研究比较多的是熔喷法和静电纺丝法。而熔喷法所制备的纳微纤维强度一般较低，静电纺丝法所生产的纤维规模较小，不能满足使用要求。因此，开发一种规模化制备高强、质轻纳微纤维的方法势在必行。.闪蒸纺丝是利用聚合物在有机溶剂中的溶解度随温度和压强的变化而变化的特性，常温常压时，聚合物溶解度较低，升高温度和压强，溶解度逐渐增大，直至完全溶解，然后溶液瞬间从高压釜内喷出到外界大气中，由于压强急速降低，高温的有机溶剂迅速蒸发，脱离出去，使聚合物析出，同时蒸发的溶剂形成高速气流，对聚合物进行牵伸，使聚合物变长变细，形成连续的超细长丝。闪蒸纺丝所用的聚合物一般为结构比较规整的聚烯烃，所用溶剂一般为烷烃、环烷烃、氯代烃等。.本项目主要研究闪蒸纺丝体系的构建以及对成纤聚合物的选择，以及闪蒸纺丝工艺的确定和优化，并对纺丝过程中的流场进行了模拟。通过实验首先确定了以“聚合物-1,2-二氯乙烷-二氧化碳-抗氧化剂-白油”的纺丝体系，并首先以高密度聚乙烯为成纤聚合物进行纺丝，确定出最佳工艺条件为：聚合物浓度8.5wt.%，温度175℃，压强8.5MPa。通过力学性能的测试分析得出闪蒸纺高密度聚乙烯纤维力学强度虽然纤维较细，但其力学强度仍有待提高。又采用超高分子量聚乙烯为成纤聚合物，确定出最佳工艺条件为：聚合物浓度3.5wt.%，温度185℃，压强8.0MPa。所制备的纳微纤维强度较大，直径较细，但由于超高分子量聚乙烯分子量较高，在有机溶剂中较难溶解，产率相对较低，限制了其产业化生产。将高密度聚乙烯/超高分子量聚乙烯以一定比例复合后进行纺丝，得出最佳工艺条件为：物料比例为2.5:1，物料浓度为7.0wt.%，温度为180℃，压强为8.5MPa。所制备的纳微纤维产率较高，强度高、直径细，是一种大规模制备高强纳微纤维新方法。对闪蒸纺丝喷射流场进行了数值模拟，得到了甬道内气体速度和温度的分布并进行了实验验证，为建立闪蒸聚合物拉伸三维模型奠定了重要基础。.本项目的研究为纳微纤维提供了一种新的制备方法，丰富了非织造布的制备方法，为我国产业用纺织品行业的结构调整和技术提升起到了重要意义。