超细纤维在湍流场中拉伸成型的力学机理研究

This study is based on the technology of nonwoven manufacturing in textile industry. Ultra-fine fiber nonwovens have an important application in areas of medical, filtration, life science and precise electronic components, etc. Until now, in consideration of the industrialization, only melt blowing can manufacture the ultra-fine fiber nonwoven, with the fiber diameter in the range of 1-3 microns, the application of melt blowing nonwoven will get a qualitative leap if the fiber diameter decreased to less than 1 micron. The melt-blowing fiber diameter decreasing is the final objectives of this study. In melt blowing, ultra-fine fiber is stretched by the turbulent flow field, unfortunately, the research on turbulent flow field of melt blowing has been not involved, therefore, this study focus on the mechanical mechanism of the stretch forming of ultra-fine fiber in turbulent flow field, this work include the study of turbulent flow field as well as the stretching mechanism. This study will be carried out with applying methods of numerical simulation, mechanical simulation and experimental verification. At last, a new melt-blowing spinneret will designed and can, to a certain degree, realize the objectives of fiber diameter decreasing in melt blowing.

本项目的研究基于纺织工业中的非织造布生产技术。超细纤维非织造布在医疗、过滤、生命科学、精密电子元件等方面有重要应用，而目前已实现产业化的超细纤维非织造布技术只有熔喷，熔喷非织造布纤维的细度在1-3微米，若将其纤维细化并突破1微米，那么熔喷产品的应用会得到飞跃。熔喷纤维细化是本研究的最终目标。熔喷超细纤维是在湍流场中拉伸成型的，而关于熔喷湍流方面的研究几乎还没有涉及，因此本项目的工作是研究超细纤维在湍流场中拉伸成型的力学机理，这部分研究包括对熔喷湍流场的研究以及对拉伸力学机理的研究两大部分。通过数值模拟和力学模拟以及实验验证的方法来实现本项目的工作。最后，设计出新型熔喷喷嘴并能一定程度上实现熔喷纤维的细化目标。

熔喷是利用高速、高温气流牵伸聚合物熔体而形成超细纤维的技术。熔喷无纺布是过滤材料的重要组成部分。新型冠状病毒疫情爆发的阶段，熔喷口罩布成为紧缺产品。本项目对熔喷过程中的气流湍流以及熔体纤维在湍流场中的拉伸运动进行了研究。本研究的开拓性工作之一是对熔喷过程中的非稳态湍流进行了研究。项目人采用了粒子成像测速技术（PIV）对不同结构喷嘴的熔喷气流场进行了测速和湍流流动演示，本研究是国内外首次将PIV技术用于熔喷气流场的研究中。PIV的结果揭示了气流场的S形湍流基本结构，也揭示了气流的湍流演变规律。PIV的研究成果基本能够解释了熔喷过程中纤维的交替环状运动规律。本研究的开拓性工作之二是利用高速摄像技术将尖喷嘴、环形喷嘴、二次喷嘴、laval喷嘴的纤维运动进行了拍摄，几乎涵盖了熔喷所有的喷嘴结构。本项目基于PIV和高速摄像技术的研究成果，基本能够覆盖熔喷的拉伸规律研究，也为纤维在湍流场中的力学拉伸结果起到验证作用。基于本项目，已发表SCI论文3篇，及接收SCI论文2篇，授权发明专利5项，得到中国博士后基金资助1项。