鄒守寶, 袁建波

(浙江大銘新材料股份有限公司， 浙江 杭州 311402)

離心紡絲技術(shù)是指溶液或者熔體在慣性離心力作用下，從高速旋轉(zhuǎn)體邊沿的噴針或噴孔射出，形成射流；射流離開噴針或噴孔后，在氣流剪切力作用下，在空氣中拉伸從而獲得微納米級超細纖維(膜)。

楊斌等[1-2]將有噴嘴(針)離心紡絲技術(shù)結(jié)構(gòu)歸納為窄縫式、篩網(wǎng)式、三板復(fù)合式和針管式；并嘗試了一種無嘴離心紡絲方法，與水平盤式紡絲方法[3]相似。楊為民等[4]采用了窄縫式輔助氣流離心紡絲方法，對聚丙烯(PP)料進行熔體紡絲。蘇州大學(xué)也采用過氣流輔助拉伸射流進行離心紡絲[5]。美國FiBeRio公司和德克薩斯大學(xué)在2013年就推出了商業(yè)化的L1000系列離心紡絲實驗用裝置[6]，并且已有離心紡絲量產(chǎn)設(shè)備在運行[7]，可以查到包括美國在內(nèi)的多個大學(xué)和實驗機構(gòu)[8-9]利用L1000D型M系列設(shè)備進行離心紡絲實驗。

目前國內(nèi)外離心紡絲技術(shù)存在的共同問題有：1)要依賴降低噴孔直徑才能獲得直徑較細的纖維，或者說射流在進入到空氣中進行螺旋拉伸時，纖維的直徑受到噴孔直徑的限制，而噴孔的最小直徑受到加工條件的限制，且紡絲過程中還會出現(xiàn)細孔堵塞及熔體黏度過大而不能紡絲的問題；2)要獲得細的纖維，必須要求噴孔內(nèi)徑盡可能小。噴孔內(nèi)徑小必然導(dǎo)致細孔的流量小，而細孔流量小必然導(dǎo)致單孔紡絲效率低的問題。

較常用的離心紡絲過程為：慣性離心力形成細的射流→在空氣中螺旋線式地弧線拉伸射流。本文提出一種新的離心紡絲過程為：慣性離心力形成細的射流→在慣性離心力場中徑向無摩擦地直線拉伸射流致其直徑減小至微米級→在空氣中螺旋線式地弧線拉伸射流。相比較常用的紡絲過程，該紡絲過程增加了直線拉伸射流過程，使得進入到空氣中被螺旋拉伸的射流的直徑只有噴孔直徑的1%～10%，擺脫了紡出的纖維直徑細度高度依賴于噴孔直徑的困局，使得在較大噴孔內(nèi)徑條件下，可以得到直徑更小的纖維(膜)；使得本方法獲得的纖維(膜)直徑接近靜電紡絲的水平，同時其單孔紡絲效率又能接近熔噴紡絲工藝的水平。本文就該紡絲方法建立了數(shù)學(xué)模型，依據(jù)模型設(shè)計制造了實驗設(shè)備。通過實驗數(shù)據(jù)驗證了模型的工程指導(dǎo)價值。還將實驗設(shè)備升級為批量連續(xù)制備超細纖維膜的設(shè)備,并進行了聚丙烯(PP)熔體紡絲實驗。

1 基本原理

本文方法的技術(shù)思路是在篩網(wǎng)式[1]離心紡絲結(jié)構(gòu)上做如下改變：在篩網(wǎng)的網(wǎng)孔外周與網(wǎng)孔的中心對接1根與旋轉(zhuǎn)軸線垂直的管子，該管子的直徑遠大于篩網(wǎng)的網(wǎng)孔內(nèi)徑，長度尺寸遠大于篩網(wǎng)壁厚，且篩網(wǎng)孔的中心線與管子的中心線重合，并通過旋轉(zhuǎn)中心，該管子隨著篩網(wǎng)一起勻速地旋轉(zhuǎn)。

篩網(wǎng)網(wǎng)孔的作用是篩網(wǎng)內(nèi)的溶液或熔體在慣性離心力的作用下，通過篩網(wǎng)上的細孔形成細的射流。對接管子的目的是射流離開篩網(wǎng)孔后，在慣性離心力的作用下徑向地直線拉伸，并使射流的中心線與管子的中心線重合。實現(xiàn)長距離徑向直線拉伸射流的離心紡絲方法的基本結(jié)構(gòu)見圖1。射流在管子內(nèi)被直線地拉伸過程中，不與管子內(nèi)壁發(fā)生摩擦，沒有空氣剪切力的干擾，只受到慣性離心力、科氏慣性力[5]的拉伸作用和射流黏滯力的阻力作用。當對接上去的管子長度和旋轉(zhuǎn)速度足夠大時，射流在管子中被拉伸到其直徑為微米級后，再離開慣性離心力場進入到周圍的空氣中進行螺旋線式地拉伸。由圖1(b)可看出管子的橫截面是矩形的，當然也可以是其他能夠?qū)崿F(xiàn)的形狀。

圖1 長距離徑向直線拉伸射流的離心紡絲方法的基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of spinning method of straightly and radially drawing jet using centrifugal force.(a)Basic structure of welding tubes around perforated cage;(b) Sectional view of jet in pipeline

2 拉伸射流過程理論分析

將坐標xyz建立在旋轉(zhuǎn)盤上，其中x軸與旋轉(zhuǎn)軸中心重合，選擇管子中心線與x軸重合(如圖1所示)。熔體射流在管子內(nèi)的拉伸過程中，受到xyz3個方向的力：Fx、Fy、Fz。其中，F(xiàn)z是軸向力，等于射流重力Fg與軸向加速度產(chǎn)生的力Faz的向量和，即

Fz=Faz+Fg

(1)

電動機端蓋軸承的軸向間隙小于0.2 mm，當轉(zhuǎn)動慣量很大的旋轉(zhuǎn)盤高速旋轉(zhuǎn)時，旋轉(zhuǎn)盤的軸向加速度幾乎為零，所以質(zhì)量為m的射流小段Δx因旋轉(zhuǎn)盤的軸向加速度產(chǎn)生的力Faz≈0。

本文設(shè)計的旋轉(zhuǎn)盤直徑(d0)為0.4 m，額定轉(zhuǎn)速為10 000 r/min，在x=r0至r處，質(zhì)量為m的射流小段Δx獲得的x方向的加速度是重力加速度的4 472～22 360倍，所以，相對x軸方向的慣性離心力Fc而言，

|Fz|<<|Fc|

(2)

對y軸方向進行受力分析，可得:

Fy=Fay+Fairy

(3)

式中：Fay為因角加速度對射流小段產(chǎn)生的切向力；Fairy為空氣對射流產(chǎn)生的切向力。

y軸方向是旋轉(zhuǎn)盤的切線方向。實際設(shè)備運轉(zhuǎn)時，旋轉(zhuǎn)速度的變化量是小于21 r/min，是額定轉(zhuǎn)速的0.21%。假定每分鐘轉(zhuǎn)速的變化量是均勻的，在直徑80 mm處切線方向的加速度為0.088 0 m/s2，在直徑400 mm處切線方向加速度為0.439 8 m/s2。相比重力加速度的比值分別是0.009 0和0.0448 3，而只有x軸方向因慣性離心力產(chǎn)生的加速度是重力加速度的2×10-6和2×10-5倍。說明因角加速度對射流小段Δx產(chǎn)生的切向力，相比x軸的慣性離心力要小得多，可以忽略不計。

因直線拉伸射流的管子是封閉的，旋轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的環(huán)流空氣不會進入管子里。在拉伸管道靠近旋轉(zhuǎn)中心一側(cè)，有溶液或熔體將篩網(wǎng)孔充滿，空氣不能進入到拉伸管道中。在管道內(nèi)原有的空氣因慣性離心力的作用被甩出，所以在正常工作時，拉伸管道里幾乎成真空狀態(tài)。因此，射流不會受到空氣剪切力的作用。檢驗射流在y軸方向是否受到足以使射流發(fā)生向y軸方向彎曲的方法是，觀測拉伸管道的內(nèi)壁上是否有溶液或者熔體殘留。實驗中未出現(xiàn)溶液/熔體附著在管子內(nèi)壁的情況，據(jù)此認為y軸方向的力相對慣性離心力Fc而言，可以忽略不計。即

|Fy|

(4)

在y軸方向和z軸方向，射流受力遠小于x軸方向受力的條件下，那么射流的拉伸軸線只能與x軸重合，即x軸與慣性離心力方向相同，且慣性離心力方向的延長線通過旋轉(zhuǎn)軸中心。

當選轉(zhuǎn)盤在高速旋轉(zhuǎn)時，產(chǎn)生的慣性離心力為：

Fc=mω2r

式中：m為射流小段Δxi的質(zhì)量，g；ω為旋轉(zhuǎn)盤角速度,rad/s；r為射流小段相距旋轉(zhuǎn)中心的位置,m。

x軸方向射流受力為：

Fx=Fc-Fη+Fp

(5)

式中：Fη為射流的軸向黏滯阻力,N。該力與材料的黏度呈正相關(guān)。對于溶液而言，因溶劑的揮發(fā)，在拉伸過程中黏度是變化的。對于熔體而言，與射流小段所處的管道內(nèi)的溫度、材料本身的流動性相關(guān)；Fp為靠軸一側(cè)的射流小段Δxi-1因其動能所產(chǎn)生的對Δxi的推力。

為獲得圖1中射流從離開篩網(wǎng)時的初速度v0到與射流離開旋轉(zhuǎn)盤的瞬時速度v2之間關(guān)于半徑和轉(zhuǎn)速的解析函數(shù)關(guān)系，假定

|Fc|?|Fp-Fη|

(6)

即x軸方向的合力Fx是：

Fx≈Fc

(7)

由圖1(a)中可看出，射流小段Δx可視為直線運動力學(xué)分析時的質(zhì)點，質(zhì)量為m，有無窮多個這樣的射流小段相互黏結(jié)構(gòu)成連續(xù)的射流。盡管射流小段的長徑比會變化，但質(zhì)量不變，依然視為一個質(zhì)點，并且在x軸上有無窮多個這樣的質(zhì)點在慣性離心力的作用下，沿著x軸做直線運動。作如此假設(shè)后，就可利用質(zhì)點作直線變加速度運動的分析方法。

由圖1(a)可知：Δx質(zhì)點從x=r0處在慣性離心力的作用下，沿著x軸運動至x=r處。在x處慣性離心力為：

Fx=mω2xr0≤x≤r

(8)

對質(zhì)點m所做的功∑w可用積分來表示，即：

(9)

由圖1可知，Δx質(zhì)點從x=r0處運動至x=r處，速度由v0變?yōu)関2，射流小段Δx的動能變化量為：

(10)

根據(jù)功與能轉(zhuǎn)化關(guān)系，在無其他外力做功情況下可得：

(11)

(12)

式中：k=ω2是常數(shù)，僅與轉(zhuǎn)速n相關(guān)；r0是噴孔出口所在的半徑位置，即上述篩網(wǎng)的外半徑,m。

式(12)雖然是在忽略了管道內(nèi)拉伸過程中射流的軸向黏滯阻力后得到的解析式，但仍具有探討價值。

3 重要參數(shù)的討論

3.1 本文紡絲方法與原有方法的區(qū)別

原有的各種離心紡絲技術(shù)中，射流離開噴孔(嘴)后，就進入到空氣中進行螺旋線式拉伸，都可歸結(jié)為r=r0，v2=v0。通常v0只有幾十至幾百毫米每秒。本文方法在r0至r這一段直線拉伸射流過程中，既沒有射流與管(槽)壁摩擦產(chǎn)生的黏滯阻力，也沒有空氣的剪切力，與之前的離心紡絲技術(shù)不同。

對于水平盤式紡絲[5]或者無針離心紡絲[3]而言，盡管射流形成后可在紡絲盤上拉伸，但射流在紡絲盤上的摩擦可產(chǎn)生很大的黏滯阻力并受空氣剪切力作用，與針管式紡絲沒有本質(zhì)的不同。在針管式紡絲技術(shù)中針管中流動的射流的四周會受到管內(nèi)壁上摩擦黏滯力的阻力作用，只是沒有空氣剪切力的作用。

就熔體離心微分紡絲技術(shù)而言[4]，射流在微分槽[4]里流動，會受到槽的兩側(cè)壁和底部的摩擦黏滯阻力作用，還有空氣的剪切力作用。

水平盤式旋轉(zhuǎn)盤的半徑、無針離心紡絲的旋轉(zhuǎn)盤半徑、針管式針頭距中心的半徑，三板式離心盤的半徑、微分離心紡絲中微分盤的半徑在式(12)中都是r0。從r0向旋轉(zhuǎn)中心靠近的這一段結(jié)構(gòu)和方式均沒有本質(zhì)的區(qū)別，只是改變了射流初速度v0和速度下的射流直徑d0。

3.2 射流速度與射流直徑的關(guān)系

根據(jù)物料流量的連續(xù)性原理，可得：

(13)

式中：d2為被空氣剪切力拉伸之前的射流直徑，m，并不是所獲得的纖維直徑，m；v2為射流的最大徑向速度，或是離開旋轉(zhuǎn)盤時的徑向速度m/s。

由式(13)可知，在其他條件相同的情況下，要提高單孔產(chǎn)出率，必須增加篩網(wǎng)網(wǎng)孔的直徑d0，同時還要保證最終獲得的纖維直徑足夠小，在v0相同的條件下就需要提高v2。

從式(13)還可看出，在轉(zhuǎn)速相同的條件下，獲得較細纖維的途徑不再只是降低噴孔直徑d0，還可通過提高v2來獲得。

經(jīng)過以上分析可知，提高v0可提高單孔產(chǎn)出率。通常提高物料流量，必然會使纖維直徑變大。若通過增加轉(zhuǎn)速和增加直線拉伸通道的長度(即增加旋轉(zhuǎn)盤的直徑)的方法，可使纖維直徑在提高流量的條件下保持不變。

3.3 射流速度與旋轉(zhuǎn)盤線速度的關(guān)系

根據(jù)實驗得知，v2與v0之比是數(shù)百至數(shù)千倍，故可認為：

式中：旋轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)盤半徑與v2的正相關(guān)度是相同的，即v2幾乎與旋轉(zhuǎn)盤邊沿的線速度相等，也是徑向直線射流的最大速度。通過測量d2、d0和熔體流量，可計算出v2。已經(jīng)獲得的2組實驗數(shù)據(jù)表明，其計算值與旋轉(zhuǎn)盤線速度的最大偏差18%[10]。

很多文獻表明要降低纖維直徑，就需要降低噴孔直徑和提高轉(zhuǎn)速。而本文提出要降低纖維直徑，可提高旋轉(zhuǎn)盤邊沿的線速度來實現(xiàn)，但是這與以前提高轉(zhuǎn)速的結(jié)論有不同的意義。

盡管轉(zhuǎn)速n和旋轉(zhuǎn)半徑r對v2的貢獻率相同，但是增加r可在旋轉(zhuǎn)離心盤的平面上設(shè)置更多的用于拉伸射流的管子，從而提高生產(chǎn)效率，所以優(yōu)先考慮增加旋轉(zhuǎn)盤半徑r。

3.4 噴孔口半徑與旋轉(zhuǎn)盤半徑的關(guān)系

r0為噴孔口處的旋轉(zhuǎn)半徑，r為旋轉(zhuǎn)盤的半徑或旋轉(zhuǎn)體的總半徑。為最大限度地發(fā)揮旋轉(zhuǎn)體線速度的作用，需使r0盡可能的??；但r0的大小關(guān)系到初始射流是否能夠形成，需要依據(jù)材料的黏度、旋轉(zhuǎn)速度和噴孔的直徑來確定，而r值要根據(jù)旋轉(zhuǎn)盤材料線速度的限制和噪聲水平要求來確定。本文在裝置設(shè)計時確定的r與r0的比值是5。那么式(14)中根號項的值約為0.98，所以v2幾乎等于旋轉(zhuǎn)盤邊沿的線速度。

4 設(shè)備的主要參數(shù)和部分實驗驗證

4.1 設(shè)備的實際參數(shù)

設(shè)置式(12)中的r=0.2 m，r0=0.04 m；額定旋轉(zhuǎn)盤角速度ω=20 000π/60。篩網(wǎng)外徑為 80 mm，篩網(wǎng)網(wǎng)孔內(nèi)徑標稱值為0.42 mm，實際值為0.36 mm(對應(yīng)圖1中的d0=0.36 mm)；篩網(wǎng)孔個數(shù)為40。通過阻塞和開通的方法可調(diào)節(jié)工作時的孔數(shù)。加料方式可采用間歇式人工加料，也可通過擠出機連續(xù)加料。

4.2 2個噴孔的間歇式紡絲實驗

選擇工作的篩網(wǎng)網(wǎng)孔(即噴孔)個數(shù)為2，采用人工間歇式加料方式。首先設(shè)置圖1中的篩網(wǎng)溫度為230 ℃，然后加注聚丙烯切片17.5 g，10 min后啟動電動機轉(zhuǎn)速至6 000 r/min并開始計時，紡絲 9 min后(因相同條件下計時10 min后，篩網(wǎng)底部殘余料很少)停機。網(wǎng)孔底部的殘余料在冷卻后，形成的薄膜稱量為0.6 g。2個噴孔在9 min內(nèi)的流量是16.9 g，單個噴孔的流量是0.845 g/min。

4.3 8個噴孔的連續(xù)紡絲實驗

采用擠出機連續(xù)加料方式，工作網(wǎng)孔個數(shù)為8。采用張家港市樂余惠平機械廠的SJ20型微型桌面教學(xué)實驗用單螺桿擠出機，設(shè)定擠出流量為300 g/h。將擠出機立式安裝，使擠出料注入到篩網(wǎng)底部。設(shè)定擠出機加熱溫度為250 ℃。同時啟動擠出機和旋轉(zhuǎn)盤的加熱裝置。約1 h后，檢測到篩網(wǎng)內(nèi)的溫度為225 ℃。向擠出機喂入聚丙烯(PP)切片 6 min后，啟動電動機至6 000 r/min后開始計時。連續(xù)喂料46 min，共喂料248 g后停止。停止喂料后繼續(xù)紡絲6 min；共紡絲46 min后停機。待篩網(wǎng)內(nèi)的殘留料冷卻成膜后，取出稱量為0.9 g。從8個噴孔中，6 000 r/min條件下流出的熔體PP的質(zhì)量是247.1 g，單個噴孔的流量是0.671 g/min。當轉(zhuǎn)速升高至8 000 r/min，在其他條件不變的情況下，記錄到的數(shù)據(jù)是單孔流量為0.820 g/min。2孔和8孔紡出纖維膜的纖維直徑均在0.79～0.9 μm之間。

4.4 射流離開旋轉(zhuǎn)盤時速度測試

在2噴孔進行10 min紡絲實驗時，用直徑為0.5 mm鐵絲端頭靠近旋轉(zhuǎn)盤邊沿約2 s，鐵絲端頭上可觀察到附著有纖維。在光學(xué)顯微鏡100倍率下尋找最粗纖維，并認為該纖維是剛離開旋轉(zhuǎn)盤并沒有被螺旋拉伸的纖維。獲得這樣的纖維樣本3個(3個樣本的最粗直徑不同)，測得最粗纖維的直徑在6.5～10.5 μm之間。根據(jù)單孔流量為0.5 g/min，計算出體積流量，并計算出v0=0.09 m/s，代入式(13)可得射流徑向速度v2=105.8 m/s。而根據(jù)式(14)計算得到旋轉(zhuǎn)盤邊沿的線速度v2為 125.6 m/s，可知，二者相差不大。

5 結(jié) 論

本文提出了用離心力徑向無摩擦阻力地直線拉伸射流的結(jié)構(gòu)和具有工程指導(dǎo)價值的數(shù)學(xué)模型。采用該設(shè)備進行聚丙烯熔體紡絲小規(guī)模連續(xù)試生產(chǎn)時，當電動機轉(zhuǎn)速為6 000 r/min時，單孔流量是0.671 g/min；電動機轉(zhuǎn)速為8 000 r/min時，單孔流量是0.820 g/min，紡制出的平均纖維直徑均在 0.8 μm左右，電動機轉(zhuǎn)速對纖維直徑影響較小。

本文提出離心旋轉(zhuǎn)盤外沿的線速度與射流離開旋轉(zhuǎn)盤時的徑向速度相近的結(jié)論，并通過實驗得到驗證[10]。在進行熔體離心紡絲時，在線速度相同的條件下，增加離心旋轉(zhuǎn)盤的直徑比提高轉(zhuǎn)速有利于提高生產(chǎn)效率。

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