陳龍，李霞霞，李偉祥，戚銳，鄧鑫，吳斌鑫

（浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 310058）

熔噴非織造材料在過濾、阻菌、吸附、防水等方面性能優(yōu)異，與紡絲成網(wǎng)（紡黏）非織造材料可組成SMS（spound-mmeltblown-spound）復(fù)合材料（圖1），大量應(yīng)用于口罩、防護(hù)服、過濾材料等，并在新冠疫情期間成為國家儲備物資。熔噴布相當(dāng)于口罩的“心臟”。在新冠病毒疫情期間，N99 熔噴布的價格甚至達(dá)到過1 噸70 萬人民幣。雖然價格目前已經(jīng)回落至疫情前水平，但其重要地位不言而喻。

圖1 SMS結(jié)構(gòu)口罩

模頭組合件是熔噴布生產(chǎn)線的核心設(shè)備，而噴絲板是模頭組合件的核心部件（圖2）。黏流態(tài)聚合物從噴絲板上的噴絲孔中噴出，形成具有指定界面形狀的熔噴纖維。由于是在高溫高壓環(huán)境下工作，噴絲板需要具有耐高溫、高壓、腐蝕等特性。噴絲孔直徑、噴絲孔密度、噴絲孔長徑比以及導(dǎo)入角是噴絲板結(jié)構(gòu)中的重要參數(shù)，直接關(guān)系到噴絲板的使用壽命與制造成本、黏流態(tài)聚合物的流動特性與熔噴布成品質(zhì)量?？梢姡瑖娊z板結(jié)構(gòu)設(shè)計與工藝參數(shù)的設(shè)定將直接影響到熔噴布質(zhì)量的優(yōu)劣。噴絲板的制造難點在于噴絲孔的加工，應(yīng)用難點在于工藝參數(shù)的優(yōu)化。由于對熔噴布生產(chǎn)精度要求很高，因此噴絲孔加工難度非常大。目前市場上傳統(tǒng)的噴絲孔加工方式主要有機械鉆孔、沖絲機線切割、電弧深孔放電以及毛細(xì)管焊接加工等。全球生產(chǎn)高端熔噴模頭的企業(yè)全部集中在日本和德國，如日本卡森、日本噴絲板、德國恩卡等。加工一臺噴絲板的工期需要幾個月的時間，在疫情期間一機難求。因此，研發(fā)出符合當(dāng)前形勢需求，具有自主知識產(chǎn)權(quán)的熔噴模頭組合件是非常有必要的。

圖2 模頭與噴絲板

聚丙烯非織造布的熔噴工藝流程如圖3 所示。首先將固態(tài)的聚丙烯切片放入到螺桿擠出機中。聚丙烯在此過程中會被加熱至熔融狀態(tài)，并在進(jìn)行擠壓、攪拌后，被送至計量泵。經(jīng)過計量后，熔融狀態(tài)下的聚丙烯進(jìn)入模頭。熔噴布目前所采用模頭多數(shù)為衣架型模頭[圖4(a)]。熔融狀態(tài)下的聚丙烯經(jīng)模頭流道分配后，進(jìn)入噴絲板，并在過濾后從噴嘴中噴出。噴嘴目前多采用雙槽形噴嘴[圖4(b)]。當(dāng)黏流態(tài)聚丙烯從噴嘴中噴出時會發(fā)生膨大現(xiàn)象，即噴絲孔處的熔體直徑遠(yuǎn)大于噴絲孔內(nèi)徑。此時噴嘴兩側(cè)的空氣流道會隨即噴出高速高溫氣流將其拉伸。高溫高速氣體既延緩了聚丙烯的凝固，使其保持在低黏度狀態(tài)，又將其在此過程中迅速細(xì)化。聚丙烯細(xì)化后形成了極細(xì)的短纖維，最終被吸附在托網(wǎng)板上并利用其余溫連接成為熔噴非織造布，最后經(jīng)運輸、冷卻后，進(jìn)行成卷打包，即高聚物原料切片由固態(tài)經(jīng)過熔融、擠壓、攪拌、流動、分配、擠出、拉伸變細(xì)、結(jié)晶固化后成為最終產(chǎn)品。

圖3 聚丙烯非織造布的熔噴工藝流程簡圖

圖4 衣架型模頭與雙槽形噴嘴示意圖

聚丙烯熔噴過程中的聚合物拉伸過程復(fù)雜而且時間極為短暫（約10s），整個拉伸過程難以用實驗觀察。因此計算流體力學(xué)（computational fluid dynamics, CFD）方法被廣泛地應(yīng)用于熔噴過程分析之中，主要包括模頭中的流道分析、噴射流場分析，其中噴射流場分析是主要應(yīng)用方向。本文將重點介紹CFD 方法在熔噴技術(shù)研究領(lǐng)域應(yīng)用的最新進(jìn)展和存在問題，并提出CFD 方法在熔噴流場分析及工藝參數(shù)優(yōu)化等應(yīng)用的展望。

1 實驗表征與理論基礎(chǔ)

熔噴技術(shù)最早可追溯至20 世紀(jì)50 年代，當(dāng)時被美國海軍應(yīng)用于研發(fā)防護(hù)服，后于20 世紀(jì)60 年代，被美國?？怂桑‥xxon）公司轉(zhuǎn)為民用，其熔噴膜組件如圖5 所示。美國俄克拉荷馬大學(xué)的Robert L. Shambaugh 自20 世紀(jì)80 年代至今，在非織造布熔噴工藝的研究上取得了一系列具有開創(chuàng)性的研究成果，涵蓋了熔噴流場的測量與數(shù)值模擬、預(yù)測模型建立以及熔噴纖維拉伸模型建立等方面，為熔噴技術(shù)的發(fā)展提供了理論依據(jù)與數(shù)據(jù)支撐，并對我國相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展與探索產(chǎn)生了一定的影響。

圖5 Exxon生產(chǎn)熔噴模具[9]

1.1 實驗表征

1.1.1 熔噴過程纖維運動軌跡

在Shambaugh對Exxon 公司的模頭（圖5）、Schwarz設(shè)計的方形和三角形氣孔模（圖6）進(jìn)行檢驗實驗中，將熔噴過程分出了3 個區(qū)域。I 區(qū)是低速區(qū)，此區(qū)域內(nèi)與熔融紡絲相似，纖維是連續(xù)的，其最終直徑通常大于10μm。隨著氣體速度上升，熔噴纖維進(jìn)入了不穩(wěn)定的Ⅱ區(qū)。在此區(qū)域中，纖維被拉伸打破成纖維段，以及產(chǎn)生會導(dǎo)致成品粗糙的、纖維直徑大于0.3mm 的纖維腫塊和纖維斷點。Ⅱ區(qū)最終纖維直徑通常在0.5～10μm。隨著氣體速度的繼續(xù)升高，熔噴纖維進(jìn)入Ⅲ區(qū)。此區(qū)域中仍然存在纖維腫塊，但其被高速氣流拉伸后，直徑將小于0.3mm，不會影響到最終產(chǎn)品的質(zhì)量。并且，此區(qū)內(nèi)的最終纖維直徑最終被減小至0.1μm。

圖6 Schwarz[10]描述的方形和三角形空氣孔

可以采用激光多普勒測速儀（laser Doppler velocimetry，LDV）對熔噴過程中纖維運動方向進(jìn)行觀測。實驗結(jié)果如圖7所示，熔噴過程中的纖維運動方向在空間上被分成了3 個區(qū)域，即A 區(qū)、B 區(qū)、C 區(qū)。A 區(qū)位于熔噴模頭出口附近，該區(qū)域內(nèi)纖維方向及其運動方向均沿軸正向；C 區(qū)內(nèi)的纖維方向及其運動方向都是任意的；B區(qū)是A區(qū)和C 區(qū)的過渡。需要注意的是，此處提到的3個區(qū)域與文獻(xiàn)[9]中的3個區(qū)域不同。

圖7 熔噴模具下方纖維運動的分區(qū)[13]

文獻(xiàn)研究表明，聚合物流量、聚合物溫度、空氣流量（或氣體速度）和空氣溫度是熔噴過程中的4個主要工藝參數(shù)，而在熔噴過程中加入震蕩氣體可與熔噴進(jìn)氣系統(tǒng)產(chǎn)生“共振”，能夠促使熔噴過程產(chǎn)出比使用連續(xù)氣體拉伸更細(xì)的纖維，同時降低生產(chǎn)成本。Bansal與Shambaugh通過在線測量熔噴過程中纖維直徑的方法得出，超過96%的纖維拉伸過程是發(fā)生在距離模頭1.5cm內(nèi)的，而當(dāng)纖維的溫度趨于穩(wěn)定時，則表明聚合物已經(jīng)結(jié)晶。在該實驗中聚合物結(jié)晶位置在距離模頭4cm處附近。由此可見，延緩纖維冷卻過程有利于降低纖維最終直徑。

1.1.2 單環(huán)型噴射流場速度與溫度分布

在單環(huán)噴射流場實驗中，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)單環(huán)噴射流場模式與雷諾數(shù)和噴絲板長徑比（圖8）的選擇無關(guān)，其速度和溫度分布的方式可以用一組與雷諾數(shù)、噴絲板長徑比、工作溫度和環(huán)空內(nèi)徑無關(guān)的關(guān)系式來描述。

圖8 增壓室和孔板[11]

1.1.3 雙槽型噴射流場速度測量

可以采用多圖像閃光攝影法和激光多普勒測速法對雙槽型噴絲板下的流場速度進(jìn)行測量（圖9）。實驗結(jié)果表明：①距離噴絲板較遠(yuǎn)的地方，其氣流場近似于二維射流場；②熔噴纖維的振幅和頻率與聚合物流量、聚合物溫度、空氣流量和空氣溫度等工藝條件呈函數(shù)關(guān)系，纖維在拉伸過程中，纖維錐截面略呈以軸為主軸的橢圓形，遠(yuǎn)離模組件后逐漸變成圓形；③矩形噴嘴（圖10）下方的溫度場與速度場相似，由于氣體在噴射前已經(jīng)過預(yù)加熱，因此溫度場變化比速度場慢，溫度場的整體輪廓也比速度場寬。

圖9 Vj0=17.3m/s，h=3.32mm時模具下方速度場[16]

圖10 熔噴模具視圖[18]

在上述基礎(chǔ)上，Shambaugh 等測量了5 種矩形噴嘴下的速度場，分別為①射流角60°、平頭噴嘴[圖10(a)]；②射流角60°、尖頭噴嘴[圖11(a)]；③射流角70°、尖頭噴嘴[圖11(b)]；④射流角60°、內(nèi)嵌式噴嘴，尖頭、噴絲孔位置高于射流場[inset die，圖11(c)]；⑤射流角60°、外凸式噴嘴、尖頭、噴絲孔位置低于射流場[outset die，圖11(d)]。由于模頭具有較大的長寬比，因此該速度場近似于二維射流。實驗結(jié)果表明，②號噴嘴流場具有較高的最大速度，兩股射流融合得更快，優(yōu)于①號噴嘴和③號噴嘴。④號噴嘴流場具有更高的速度，但是噴嘴內(nèi)嵌距離過大會導(dǎo)致聚合物熔噴纖維粘連。模頭的速度場可以用Bradbury方程、中心線速度衰減的冪律方程和射流半寬增長的線性方程來預(yù)測。最后指出，在對新材料進(jìn)行熔噴時，建議選用平頭噴嘴、射流角60°的熔噴模具。

圖11 不同幾何結(jié)構(gòu)模具視圖[19]

1.1.4 聚合物纖維對熔噴流場的影響模擬

對熔噴技術(shù)生產(chǎn)中空纖維的模擬研究發(fā)現(xiàn)（圖12），生產(chǎn)中空纖維的熔噴過程與普通熔噴過程有明顯區(qū)別。生產(chǎn)中空纖維所需的聚合物較少，能夠有效節(jié)約成本。在該熔噴過程中，中空纖維受氣流場拉伸而纖維直徑降低，其受到的應(yīng)力更大，進(jìn)而導(dǎo)致了中空纖維具有更好的韌性。而且，中空纖維具有更高的纖維振幅與頻率。

圖12 用環(huán)形模生產(chǎn)中空纖維的熔噴工藝[20]

通過探究聚合物纖維對熔噴流場的影響，能夠建立預(yù)測纖維速度、溫度、直徑的流變力模型。模擬結(jié)果表明，聚合物熔噴纖維的存在抑制了氣流場湍流強度，增加了湍流的耗散，進(jìn)而減小了氣流速度波動，可以增大氣流流速。因此，有聚合物情況下紡絲中心線處最大氣流速度要比無聚合物情況下略大。氣流場中空氣剖面是不均勻的，其阻力大小取決于纖維邊緣的徑向位置。還指出氣流溫度與聚合物空氣流量比有關(guān)，即空氣的冷卻速率隨著聚合物空氣流量比值的增加而降低。

Shambaugh 等提出了將定型點（freeze point）作為底部的邊界條件，建立了一種用于預(yù)測纖維在熔噴過程中形成行為的模型（Shambaugh-Shambaugh 模型）。其預(yù)測參數(shù)包括纖維直徑、速度、溫度、應(yīng)力和結(jié)晶度。其中，停止點是纖維應(yīng)力為零、流場氣體速度和纖維速度相等的點。預(yù)測結(jié)果表明，在典型的熔噴過程中聚合物纖維結(jié)晶幾乎很少發(fā)生。在上述基礎(chǔ)上，Shambaugh 等通過利用Shambaugh-Shambaugh 模型預(yù)測結(jié)果修正氣流場來實現(xiàn)調(diào)整熔噴纖維生成質(zhì)量，并對兩類調(diào)整后的流場進(jìn)行了模擬：第一類是氣流場中有一個恒定的速度和溫度平臺；第二類是在流場中加入了淬火過程，促使黏流態(tài)下的聚合物纖維結(jié)晶。模擬結(jié)果表明：①在氣流場中加入該平臺會減小纖維最終直徑，甚至可以達(dá)到同情況下無平臺纖維最終直徑的二分之一；②在氣流場中加入淬火過程會導(dǎo)致熔噴纖維在線結(jié)晶，但整個過程所需的淬火溫差較大，在該情況下，聚合物纖維最終直徑較大。

在此基礎(chǔ)上，Shambaugh 等又提出了在熔噴模頭的氣流場中安裝一對隔板（圖13）的設(shè)想，分別在有隔板和無隔板的情況下對氣流速度進(jìn)行了測量，并對隔板與氣流平行、隔板與氣流呈6°角進(jìn)行了實驗。實驗結(jié)果表明：①可以通過在氣流場中放置隔板來改變噴絲板下面的空氣流場；②相較于普通情況，氣流場中具有隔板可以使中心線空氣速度保持在更高數(shù)值，對于該實驗，隔板后緣的中心線空氣速度比沒有隔板時高出60%；③較高的中心線速度意味著可以使用相對正常條件下少量的氣體而生成同樣數(shù)量的無紡布；④熔噴過程中需要應(yīng)用到大量的空氣，而壓縮、加熱和回收氣體都需要很高的成本，因此在流場中加入隔板會有顯著的經(jīng)濟(jì)價值。

圖13 安裝導(dǎo)流隔板的熔噴噴射流場[24]

通過改變隔板形狀，可以對噴射流場進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。實驗表明：①當(dāng)在噴絲板下放置翼型擋板時，熔噴獲得纖維直徑可以減少30%，甚至更多；②翼型擋板與噴絲板之間的距離約為5mm 或10mm 時效果良好；③兩個翼型擋板的前緣應(yīng)具有約610mm 的距離；④長度較大的翼型擋板平行對置效果更好；長度較小的翼型擋板傾斜對置效果更好；⑤翼型擋板的優(yōu)選長度為20mm或30mm左右。

本節(jié)綜述內(nèi)容主要結(jié)論匯總?cè)绫?所示。

表1 熔噴過程實驗研究及現(xiàn)象與主要結(jié)論

1.2 理論基礎(chǔ)與經(jīng)驗?zāi)Ｐ?/h3>

采用LDV 可以對熔噴過程中纖維數(shù)量和質(zhì)量通量進(jìn)行測量。文獻(xiàn)[13]給出了可以確定纖維通過噴絲板下面指定區(qū)域質(zhì)量通量函數(shù)模型[式(1)]。

式中，為纖維質(zhì)量通量；為纖維在測量體積（指定區(qū)域）區(qū)域內(nèi)的通過速率；為纖維密度，kg/m；m為在平面上投影的面積；為纖維直徑，μm；為有效纖維長度，m。

文獻(xiàn)[26]在能量守恒的基礎(chǔ)上，給出了Schwarz噴絲板[圖14(a)]溫度場預(yù)測模型。該模型能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)測噴絲板下任何位置的溫度[圖14(b)]。結(jié)果表明，距離噴絲板較遠(yuǎn)的地方，其溫度場近似于二維射流場。

圖14 Schwarz噴絲板與其溫度場預(yù)測模型[26]

Kayser與Shambaugh將模頭尺寸、模頭溫度、聚合物進(jìn)料樹脂以及空氣和聚合物質(zhì)量流量等作為參數(shù)，建立了一個能夠預(yù)測最終纖維直徑的經(jīng)驗?zāi)Ｐ蚚式(2)]。并對導(dǎo)致纖維從連續(xù)狀態(tài)過渡到不連續(xù)狀態(tài)的條件進(jìn)行了量化處理，從而實現(xiàn)利用該模型方程和狀態(tài)過渡信息來預(yù)測熔噴過程。

式中，為最終纖維直徑，μm；為微管直徑，mm；為環(huán)內(nèi)徑，mm；M為聚合物質(zhì)量流量，g/min；為質(zhì)量通量比；和是待定的正常數(shù)；和M是參考值（其對應(yīng)項的平均值）。

Uyttendaele 與Shambaugh建立了包括噴氣對熔噴過程的主導(dǎo)效應(yīng)以及慣性、引力和傳熱效應(yīng)的一維穩(wěn)定聚合物熔噴模型（Uyttendaele-Shambaugh模型），并用牛頓和黏彈性本構(gòu)方程對該模型方程進(jìn)行了數(shù)值求解，預(yù)測結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)相符。但該模型預(yù)測纖維最終直徑偏高，原因是沒有考慮到纖維在遠(yuǎn)離噴絲板后會有輕微的搖擺與振動，從而增加了纖維的拉伸力，降低了纖維直徑。模型計算結(jié)果表明，應(yīng)力誘導(dǎo)結(jié)晶（或類似現(xiàn)象）會導(dǎo)致有效定型溫度（freeze temperature）的大幅度升高。

Rao 與Shambaugh在文獻(xiàn)[28]建立的一維穩(wěn)定聚合物熔噴模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，建立了二維模型（Rao-Shambaugh 模型），將纖維在熔噴過程中顯著的震動影響納入到考慮之中，做出了如下假設(shè)：①纖維對彎曲沒有任何抵抗力；②作用在纖維每個單元上的流體作用力與作用在直徑和傾角相同的長直圓柱體單元上的流體作用力相同；③纖維張力僅取決于聚合物沿纖維軸的速度梯度；④只考慮二維條件。該模型能夠用于預(yù)測導(dǎo)致纖維斷裂的條件。從熔噴過程的實驗觀察來看，隨著氣體速度的增加，橫向纖維運動變得非常明顯（圖15）。大振幅振動可能與Ⅰ區(qū)向Ⅱ區(qū)的轉(zhuǎn)變有關(guān)。Shambaugh指出纖維中存在定型點，即過此點后纖維直徑不再衰減，纖維的流變應(yīng)力與重力、空氣阻力相平衡。纖維的停止點定義為空氣速度和纖維速度相等的點。停止點的流變應(yīng)力等于0，不會向其以上的纖維段傳送任何力。

圖15 熔噴過程中的纖維震動示意圖[29]

Marla 與Shambaugh在 一 維Uyttendaele-Shambaugh 模 型、二 維Rao-Shambaugh 模 型的基礎(chǔ)上，建立了三維纖維運動預(yù)測模型（Marla-Shambaugh 模型），并用牛頓和黏彈性本構(gòu)方程對模型方程進(jìn)行數(shù)值求解。該模型能夠預(yù)測纖維直徑、衰減率、纖維振動頻率和纖維振動振幅。但該模型沒有考慮湍流，因此在纖維震動振幅的預(yù)測效果上不及上述其他兩個模型。

本節(jié)所綜述經(jīng)驗?zāi)Ｐ图捌浜喪鰠R總?cè)绫?所示。

表2 Shambaugh等建立的熔噴過程主要經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃喪?/p>

Shambaugh及其團(tuán)隊在熔噴過程中的流場測量與模擬、溫度場測量與模擬、模頭組合件設(shè)計與優(yōu)化、熔噴過程模型建立、熔噴氣流場優(yōu)化等方面做了一系列的開創(chuàng)性工作。由于黏流態(tài)聚合物在熔噴過程中很難進(jìn)行模擬，因此其熔噴氣流場模擬是建立在熔融態(tài)聚合物纖維流對氣流場影響很小的前提下。但實際上聚合物在熔噴過程中對流場的作用是不應(yīng)被忽視的。而且由于涉及了離散相問題，且缺少相應(yīng)的計算模型，熔噴過程中的聚合物流場模擬也很難實現(xiàn)。

2 CFD在熔噴過程模頭流道分析中的應(yīng)用

熔噴模組件由模頭、噴絲板和兩個氣板組成。模頭中流道類型的選擇會直接影響?zhàn)ち鲬B(tài)聚合物是否能夠均勻分配到噴絲板上。模頭幾何參數(shù)中，歧管傾角和成型面高度是影響流體分配均勻性的最主要因素，熔噴模頭寬幅化是模頭流道分析的重點研究方向。因此，需要對模頭流道進(jìn)行合理的優(yōu)化設(shè)計。本節(jié)主要對目前CFD 在熔噴模頭流道分析中的優(yōu)化工作進(jìn)行綜述。

文獻(xiàn)研究表明，在相同高度和寬度條件下，衣架型模頭的整體性能較“T”型模頭優(yōu)，當(dāng)料筒直徑為0.008m、歧管傾角為40°、成型面高度為0.152m 時，均勻指數(shù)最優(yōu)。目前，商用熔噴模組件所用流道普遍采用衣架型流道（圖4）。黏流態(tài)聚合物流動性隨衣架型模頭成型面高度增高而增高。但過高的模頭成型面會導(dǎo)致壓降增高，從而增加能耗，亦會導(dǎo)致模頭內(nèi)各部分的黏流態(tài)聚合物體流經(jīng)路徑差異增大、模頭寬度方向的分布不均勻性增加。因此，在該研究方向上需要尋找黏流態(tài)聚合物流動性與衣架型模頭成型面高度的最優(yōu)參數(shù)設(shè)置，以達(dá)到在保證流動性良好的前提下盡可能地降低能耗。

出口速度和滯留時間會顯著影響最終熔噴布質(zhì)量及性能。在熔噴過程中，衣架型模頭處于高溫密封工作環(huán)境，并且其成型面出口處直接與噴絲板對接，無法加裝微調(diào)裝置，導(dǎo)致出口速度和滯留時間無法實現(xiàn)在線檢測，從而無法實現(xiàn)有效的閉環(huán)控制。研究表明，當(dāng)模頭寬度為200mm時，流率分布的CV%值約為2.95%，但當(dāng)模頭寬度增至1600mm 時，其流率分布CV%值竟高達(dá)9.56%?？梢酝ㄟ^設(shè)計串聯(lián)型寬幅組合模頭的方法來解決上述問題。文獻(xiàn)研究指出，可以利用CFD 技術(shù)對熔噴工藝中黏流態(tài)聚合物從衣架型模頭入口到噴絲板出口整個流程中的流動進(jìn)行仿真，然后在對單個衣架型模頭優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)上，設(shè)計串聯(lián)型寬幅組合模頭，并以組合模頭出口流率分布均勻為目標(biāo)，得出最佳拼接位置。相關(guān)研究表明，當(dāng)拼接位置離模頭端部的距離為單個模頭寬度的0.625%時，能基本消除拼接處的速度不均勻現(xiàn)象。如圖16所示，該雙衣架型模頭幅寬3.4m，由兩個幅寬1.7m 模頭拼接而成。若兩個衣架型模頭僅進(jìn)行簡單拼接，將導(dǎo)致拼接位置出口速度CV%值較大，因此需采用雙曲線歧管拼接。

圖16 雙衣架型模頭示意圖及其拼接位置處速度云圖[34]

3 CFD在熔噴過程噴射流場分析中的應(yīng)用

熔噴過程的CFD模擬主要應(yīng)用于噴絲板下方的噴射流場研究。噴射流場中涉及了纖維氣體兩相流問題，包括了高速高溫氣體和聚合物纖維流，而黏流態(tài)聚合物纖維流又屬于離散相問題。早期，學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為聚合物熔體主要分布在紡絲中心線上，而且其方向很難確定，長徑比高，彈性柔性度高。鑒于其對于噴射氣流場影響較小，所以眾多流場研究中都對其進(jìn)行了簡化，即忽略了纖維對氣流場的作用，主要討論氣流場的速度分布、湍流強度分布以及溫度分布。高溫高速氣流在氣流場中可以實現(xiàn)成紗的四個基本過程，即分離、牽伸、凝聚、加捻，并且在此過程中延緩黏流態(tài)聚合物向玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化的速度。目前的熔噴設(shè)備主要分為兩種：一種是雙槽射流熔噴設(shè)備；另一種是環(huán)形噴嘴射流熔噴設(shè)備（圖17）。兩種熔噴設(shè)備的主要差別在于模頭組合件上，空氣射流狹槽和噴絲孔的位置配置不同。熔噴工藝參數(shù)主要包括工藝參數(shù)、噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)和纖維參數(shù)。對熔噴布結(jié)構(gòu)和性能影響顯著的因素包括噴嘴壓力、噴孔傾角、噴孔位置、噴孔直徑、噴嘴長度以及噴嘴入口和出口形狀等。本節(jié)主要以熔噴過程噴射氣流場為主進(jìn)行綜述。

圖17 兩種熔噴工藝形式及其射流對熔體的作用示意圖[6]

3.1 噴射流場CFD模擬

在雙槽型噴射流場的研究中，Shambaugh 等采用CFD 方法，對平頭噴嘴和尖頭噴嘴產(chǎn)生的流場進(jìn)行了研究，并通過實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗證。在該模擬中，忽略了聚合物的存在，為節(jié)省計算時間成本，將計算域分成軸對稱兩部分，僅計算其中一部分。該策略在后續(xù)國內(nèi)研究中被紛紛效仿。通過CFD模擬，指出該噴射流場一共可分為三個區(qū)：第一區(qū)是在噴頭下方，兩條射流從兩個單獨的氣槽中噴射出來；第二區(qū)距離噴頭要更遠(yuǎn)一些，兩股射流開始融合；第三區(qū)是兩股射流完全合并成一股射流。在圖18 中可以觀察到在模頭以下約3mm 的位置上，兩個獨立的射流是如何相互作用并最終形成一條射流的。模擬結(jié)果得出以下結(jié)論：①平頭噴嘴有利于減少聚合物受射流影響而導(dǎo)致的波動，尖頭噴嘴有利于增加射流速度；②降低噴射角度可以增加流速，但同時也增加了湍流強度；③雷諾應(yīng)力的最大值并不在紡絲中心線上，而是在兩條射流匯合處產(chǎn)生了兩個以中心線對稱的最大值區(qū)域，在此處下游，兩股射流已匯合成一股射流的兩側(cè)也產(chǎn)生了雷諾應(yīng)力的最大值區(qū)域（圖19）；④無論平頭噴嘴還是尖頭噴嘴，湍流強度的最大值位于兩條射流匯合點的中心線上。在該點之外，湍流產(chǎn)生的波動開始衰減（圖20）。

圖18 模擬得到的流場的典型總速度云圖和速度矢量場云圖[45]

圖19 靠近模具表面的流場中雷諾應(yīng)力云圖[45]

圖20 模具表面附近流場中湍流強度的云圖[45]

Shambaugh 等采用CFD 方 法對文獻(xiàn)[19]中④號噴嘴、⑤號噴嘴產(chǎn)生的流場進(jìn)行研究，并通過實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗證。如圖21 所示，湍流動能中的局部最大值發(fā)生在收斂射流的合并位置（點），這是雷諾應(yīng)力中兩個最大值位置之間的區(qū)域。湍流能量中的最大值由圖中的點表示，它們對應(yīng)于高雷諾應(yīng)力的區(qū)域。他們指出，對于內(nèi)嵌式噴嘴（inset，④號噴嘴），隨著嵌入距離的增加，對于相同的空氣流量，聚合物在中心線上的平均速度要高得多。雖然這種做法會提高聚合物纖維的速度，但也會導(dǎo)致湍流強度提高，導(dǎo)致聚合物纖維在噴嘴附近產(chǎn)生強烈震動，從而影響纖維拉伸效果；對于外凸式噴嘴（outset，⑤號噴嘴），即可有效降低聚合物在噴嘴處由于湍流而產(chǎn)生的波動。因此，在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)需要來選擇噴嘴形式。

圖21 模面下方湍流動能等值線圖[46]

結(jié)合實驗數(shù)據(jù)驗證表明，非等溫平頭噴嘴流場可劃分成三個發(fā)展階段：在第一個階段內(nèi)，每個射流產(chǎn)生的流場是單獨且可分辨的；在第二個階段內(nèi)，兩股射流開始合并，得到最大平均速度，氣場速度達(dá)到最大值的點距離模頭之間的長度稱為合并距離；在第三個階段內(nèi)，是自相似區(qū)，流場與原點無關(guān)。在非等溫尖頭噴嘴流場中，可劃分成兩個發(fā)展階段，與平頭噴嘴流場前兩個階段相對應(yīng)。減小射流與模面夾角能夠提高平均速度和湍流波動。較高的平均速度會提高聚合物熔噴過程中纖維流速，能夠降低其最終直徑大小。但同時較高的湍流強度亦會造成聚合物熔噴過程中較大的震動，降低成品質(zhì)量。因此，本文作者指出，平頭噴嘴有利于減少聚合物熔噴過程中的波動，提高產(chǎn)品質(zhì)量；尖頭噴嘴有利于降低空氣消耗，從而降低生產(chǎn)成本。

實際工業(yè)應(yīng)用中，噴絲板的噴絲孔是略高于氣縫的。因此需要在模擬中進(jìn)行改進(jìn)，調(diào)整模頭風(fēng)道口寬度以及模頭噴嘴高度，從而更加真實地模擬熔噴工藝。相關(guān)研究表明，在結(jié)合能源消耗及加工成本的前提下，模頭風(fēng)道口寬度設(shè)計為1.5mm，噴絲孔直徑設(shè)計為0.2mm、0.3mm較適宜。在噴絲孔直徑和風(fēng)道口參數(shù)不變的情況下，氣流溫度和速度均隨著氣流噴射角增大而減??；在氣流噴射角度和噴絲孔直徑不變的情況下，氣流溫度和速度均隨著風(fēng)道口增大而增大；在氣流噴射角度和風(fēng)道口參數(shù)不變的情況下，氣流溫度和速度均隨著噴絲孔直徑增大而減小。

利用數(shù)值模擬和遺傳算法能夠?qū)θ蹏娏鲌鲋袣獠蹖挾取獠劢嵌?、氣槽間距和噴嘴深度進(jìn)行優(yōu)化。氣流場對纖維的拉伸作用主要發(fā)生在中心線附近，中心面的流場分布情況可以近似代替該區(qū)域內(nèi)的其他平面，而在熔噴模頭結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化過程中，可以采用對弦中心面的二維模擬來近似代替三維模擬。相關(guān)研究表明，越小的氣槽角度及越大的氣槽寬度越有利于減緩氣流速度和溫度的衰減；氣槽間距和噴嘴深度對速度和溫度的影響不顯著。

在模頭近端加裝導(dǎo)流板，可以有效抑制氣流場的擴(kuò)散。相關(guān)實驗及CFD 模擬結(jié)果顯示，通過在流場加裝導(dǎo)流板可以有效地延緩氣流的擴(kuò)散及中心軸線上的溫度及速度的衰減，流場中心線速度能夠明顯提高，并可以有效實現(xiàn)對噴射流場擴(kuò)散的抑制作用。需要注意的是，雖然放置導(dǎo)流板的方法是可行的，但是如何調(diào)整最佳工藝，如導(dǎo)流板的長度、間距、距離噴絲孔長度、角度等，仍需在后續(xù)的工作中進(jìn)行展開。

在噴射流場中加入輔助噴嘴，有利于延長氣流拉伸過程時間。陳廷課題組在熔噴流場中加入了輔助噴嘴（圖22），建立了加裝輔助噴嘴的雙槽型噴嘴的氣體流場的數(shù)學(xué)模型，聚合物拉伸一維、二維模型等，對組合氣體流場和單一氣體流場進(jìn)行了對比（圖23），得到了熔噴聚合物拉伸過程中的纖維直徑、纖維溫度、纖維速度等參數(shù)變化情況。并對噴嘴的入口寬度、出口寬度進(jìn)行了持續(xù)的優(yōu)化，以改善在高速氣流作用下，因聚合物纖維進(jìn)入輔助噴嘴時發(fā)生橫向運動撞到輔助噴嘴內(nèi)壁，從而造成的輔助噴嘴區(qū)域迅速堵塞的現(xiàn)象。

圖22 加入輔助噴嘴的流場速度云圖[51]

圖23 單一流場示與組合流場的氣體速度分布云圖[54]

Pourdeyhimi等利用CFD數(shù)值模擬研究了不同熔噴輔助噴嘴對熔噴工藝空氣流場的影響，如圖24 所示，研究了不同寬度、長度和角度的輔助噴嘴對噴射流場的影響。模擬結(jié)果表明（圖25），寬度為20～30mm、長度為10～20mm 的垂直輔助噴嘴不僅可以提高中心線最大風(fēng)速，而且可以提高中心線最高溫度，從而延長拉伸距離至輔助噴嘴下方10～15mm，以達(dá)到獲得更小的纖維最終直徑的目的。模擬結(jié)果也顯示出較高的湍流動能，當(dāng)選用寬度小于10mm、長度大于20mm 的輔助噴嘴時，可能會在纖維網(wǎng)形成過程中造成纖維纏繞。

圖24 被模擬的模頭幾何結(jié)構(gòu)[56]

圖25 不同幾何結(jié)構(gòu)模頭氣流場云圖[56]

相關(guān)研究表明，平頭噴嘴噴射流場中會形成一個三角回流區(qū)[圖26(a)]。該區(qū)內(nèi)的分離渦是典型的流動損失，且其氣流速度矢量方向與黏流態(tài)聚合物拉伸方向相反，對聚合物拉伸細(xì)化其反作用。通過CFD 模擬發(fā)現(xiàn)，在雙槽熔噴模頭噴嘴上同時加裝內(nèi)穩(wěn)流件和外穩(wěn)流件時[圖26(b)]，可以得到最優(yōu)速度場，即紡絲中心線上速度最大，可在相同條件下，既降低了聚合物纖維最終直徑，又可以節(jié)省壓縮空氣用量，從而降低成本。

圖26 不同模頭熔噴氣流場速度矢量云圖[57]

對噴射流場中速度、溫度和壓強分布規(guī)律進(jìn)行CFD模擬分析，模擬結(jié)果如圖27所示。噴氣孔端面對流場分布有一定影響，若遠(yuǎn)離流場中心，紡絲線上的速度和溫度開始下降，而靜壓值變化較?。涣鲌鲋行母浇幖徑z線上的速度、溫度和壓強分布差別很小，靠近噴氣孔端面的紡絲線上的溫度、速度和靜壓最低；雙槽形模頭流場不同位置紡絲線上速度、溫度和壓強的不同導(dǎo)致制備的熔噴纖維在性能等方面存在差異。噴氣孔寬度、噴氣孔傾斜角度和噴氣孔外端寬度等結(jié)構(gòu)參數(shù)對紡絲中心線上速度和溫度的影響較大。

圖27 xy面上的速度、溫度和壓強分布[58]（z=50mm）

3.2 纖維最終直徑CFD模擬

在我國，熔噴工藝的相關(guān)研究起步于2000 年前后。黃秀寶、陳廷考慮了聚合物密度和定壓比熱容隨溫度變化時的情況，引入了冪律流體本構(gòu)方程，對Uyttendaele-Shambaugh 一維模型進(jìn)行了改進(jìn)。研究表明，熔噴纖維最終直徑隨聚合物體積流量增大而增粗，隨聚合物初始溫度增高而降低，隨氣流初始速度增高而降低。在文獻(xiàn)[8]、[29]、[44]的基礎(chǔ)上，王曉梅等利用球-彈簧型分析成網(wǎng)的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，模擬了纖維在拉伸過程中的狀態(tài)，建立了氣流入射角度為60°的平頭模頭的氣流速度和溫度沿紡絲中心線分布的經(jīng)驗公式，結(jié)合拉伸一維模型可以對纖維的拉伸過程和最后直徑進(jìn)行預(yù)測。

相關(guān)研究表明，熔噴纖維在流場中的規(guī)律如下：①纖維有向外擴(kuò)散的趨勢，其外端逐漸遠(yuǎn)離紡絲中心線，形態(tài)更加彎曲；②隨著初始?xì)饬魉俣鹊脑黾?，纖維垂直離開紡絲線的距離增加，即纖維流所形成楔形的寬度增加；③離模頭越近的纖維，其傾角越小，由于此時纖維運動速度較快，故當(dāng)接收距離較小時，纖維與接收裝置表面的垂直程度較大；④聚合物提高氣流初始速度會降低聚合物纖維最終直徑，但同時會提高聚合物纖維振幅；⑤氣體初始溫度的變化對聚合物纖維最終直徑和聚合物纖維振動頻率影響較小。

關(guān)于接收距離對熔噴布纖維最終直徑影響的問題，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，纖維最終直徑隨接收距離變化如圖28所示，尤其在30～20cm之間，纖維最終直徑受接收距離影響很大。當(dāng)接收距離小于20cm時，纖維最終直徑減小趨勢受接收距離影響較平緩；在接收距離為10cm 時，纖維最終直徑最小；在接收距離降到8cm時，纖維最終直徑又呈增大趨勢。

圖28 不同接收距離下所紡纖維的SEM圖[65]

曾泳春等采用包括氣流和聚合物耦合的數(shù)值模擬方法，研究了熔體吹制過程中的射流運動。模擬結(jié)果給出了模具下20mm×50mm范圍內(nèi)的聚合物射流速度場和射流路徑（圖29），并采用高速攝影來驗證仿真結(jié)果（圖30）。模型表明，縱向的射流速度遠(yuǎn)高于橫向的射流速度。通過數(shù)值分析空氣流速、聚合物流速、聚合物黏度對射流速度的影響，發(fā)現(xiàn)空氣流速的增加會導(dǎo)致聚合物射流平均速度下降，而聚合物流速和聚合物黏度的增加會導(dǎo)致聚合物射流平均速度增加。因此，建議使用較高的空氣流量和較低的聚合物流量，并選擇黏度較小的聚合物來生產(chǎn)更細(xì)的熔噴纖維。

圖29 速度場云圖[66]

圖30 熔噴纖維的掃描電子顯微鏡圖以及實驗值和模擬值之間的比較[66]

4 結(jié)語

CFD在聚丙烯非織造布熔噴過程中的模頭流道分配、噴絲板結(jié)構(gòu)優(yōu)化、噴射流場模擬等方向得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是對噴射流場的優(yōu)化起到了關(guān)鍵的作用。

在模頭流道CFD 模擬研究中，主要結(jié)論包括：①衣架型模頭的整體性能優(yōu)于“T”型模頭；②黏流態(tài)聚合物流動性隨衣架型模頭成型面高度增高而增高；③當(dāng)串聯(lián)型雙衣架型模頭的拼接位置離模頭端部的距離為單個模頭寬度的0.625%時，能基本消除拼接處的速度不均勻現(xiàn)象。

在雙槽型噴射流場CFD 模擬研究中，主要結(jié)論包括：①平頭噴嘴有利于減少聚合物受射流影響而導(dǎo)致的波動，提高產(chǎn)品質(zhì)量；②尖頭噴嘴有利于增加射流速度，降低生產(chǎn)成本；③降低噴射角度可以增加流速，但同時也增加了湍流強度；④在兩條射流匯合處產(chǎn)生了兩個以紡絲中心線對稱的雷諾應(yīng)力最大值區(qū)域；⑤湍流強度最大值與噴嘴類型無關(guān)，位于兩條射流匯合點的中心線上；⑥通常條件下，模頭風(fēng)道口寬度設(shè)計為1.5mm，噴絲孔直徑設(shè)計為0.2mm、0.3mm較適宜；⑦在模頭近端加裝導(dǎo)流板、輔助噴嘴、導(dǎo)流件等設(shè)備可以有效抑制氣流場的擴(kuò)散，延長氣流拉伸過程時間，但需注意輔助噴嘴區(qū)堵塞等問題；⑧寬度為20～30mm、長度為10～20mm 的垂直輔助噴嘴不僅可以提高中心線最大風(fēng)速，而且可以提高中心線最高溫度，并延長拉伸距離至輔助噴嘴下方10～15mm。

在纖維最終直徑CFD 模擬研究中，主要結(jié)論包括：①熔噴纖維最終直徑隨聚合物體積流量增大而增粗，隨聚合物初始溫度增高而降低，隨氣流初始速度增高而降低；②熔噴過程中，纖維有向外擴(kuò)散的趨勢，其外端逐漸遠(yuǎn)離紡絲中心線，形態(tài)更加彎曲；③離模頭越近的纖維，其傾角越小，纖維運動速度越快；④在接收距離為10cm 左右時，纖維最終直徑最??；⑤空氣流速的增加會導(dǎo)致聚合物射流平均速度下降，纖維垂直離開紡絲中心線的距離增加；⑥聚合物流速和黏度的增加會導(dǎo)致聚合物射流平均速度增加。

綜上所述，熔噴流場中要解決的關(guān)鍵問題是降低聚合物纖維最終直徑，提高熔噴布產(chǎn)品質(zhì)量。在目前的研究中，熔噴過程的CFD 模擬普遍是建立在忽略黏流態(tài)聚合物纖維對噴射氣流影響的基礎(chǔ)上。黏流態(tài)聚合物纖維在噴射流場中受高溫高速氣流影響會產(chǎn)生振動，并由黏流態(tài)向玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化，其對流場的作用是不應(yīng)被忽視的。因此，應(yīng)該將研究的注意力由氣流向纖維流轉(zhuǎn)變。綜上所述，雖然利用CFD 模擬對聚丙烯非織造布熔噴過程建模已得到了廣泛的應(yīng)用，但熔融狀態(tài)下的聚合物纖維流場模擬仍需要進(jìn)一步展開研究。因此該領(lǐng)域中仍存在一些關(guān)鍵問題需要在未來的工作中進(jìn)行攻關(guān)。