熔喷非织造衣架型模头中聚合物流动数值模拟.pdf

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1、第2 7 卷第1 0 期 2 0 0 6 年1 0 月 纺织学报 J o u m a lo fT e 妯l eR e a r c h V 0 1 2 7N o 1 0 0 c t 2 0 0 6 文章编号：0 2 5 3 9 7 2 1 ( 2 0 0 6 ) 1 0 0 0 1 8 0 4 熔喷非织造衣架型模头中聚合物流动数值模拟 郭燕坤1 ，崔毅华2 ，王新厚1 ( 1 东华大学纺织学院，上海2 0 1 6 2 0 ；2 嘉兴学院，浙江嘉兴3 1 加0 1 ) 摘要熔喷非织造设备中聚合物熔体分配流道主要采用衣架型模头，衣架型模头的设计对于熔体分配的均匀性 乃至最终产品的均匀性至关重要。采用

2、二维有限元方法对熔喷非织造衣架型模头中聚合物的流动进行了数值模 拟，研究了衣架型模头的几何参数和流体特性对速度场的影响。结果表明：随着歧管倾斜角度和成型面高度的增 大，模头出口处流率分布的均匀性逐渐提高；模头出口处流率分布还受流体幂律指数的影响，即针对某一幂律指数 设计的衣架型模头，无论幂律指数增大还是减小，模头出口处流率分布的均匀性都将趋于恶化。 关键词 熔喷非织造；衣架型模头；聚合物流动；数值模拟 中圈分类号：0 3 7 3文献标识码：A N 啪e r i c a ls i m l l l a t i o no fp o l y m e rn o wi nt h ec o a t - h

3、a n g e rd i eo fm e l tb l o w np r o c e 豁 G U OY a n k u n l ，C U IY i h u a 2 ，W A N Gx i n h o u l ( 1 c o Z 妇口矿z h f f e ，D o ，l 曲m 咖钟r s 妙，鼢口，l 咖i2 0 1 6 2 0 ，肌i M ；2 血啊i n g 踟觇r s 毋，妣i ，l g ，z k 洳n g3 1 4 0 0 l ，吼i M ) A b s t r a c tC o a t h a n g e rd i ei su s u a l l yu s e da st h ep 0

4、 1 y m e rm e l td i s t 曲u t o ro ft h em e l t b l o w nn o n w o v e ns y s t e m n ed e s 咖o ft h ec o a t h a n g e rd i ei so fs i g n i f i c a J l ti m p o n a n c ef o r t h ep o l y m e r 呲l td i s t 曲u t i o na c m s st h ed i e a I l dt h eq u a l i t yo ft h ef i n a lp I D d u c t T h

5、et w o d i r n e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tr n e t h o di su s e dt os i n m l a t et h en o wo f 也ep o l y I n e rn u i di nt h ec o a t h a I l g e Td i eo fm e l t - b l o w nn o n w o v e np r o e e s s T h ee f 耗c t so ft h eg e o m e t r i c a l p a m m e t e r _ so ft h ed i ea J l

6、 dt h ep I _ 0 p e r t yo ft h ep o l y m e rn u i d o nt h en o wd i s t d b u t i o na tt h eo u t l e ta I s t u d i e d T h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h en o wd i s t r i b u t i o n 砒t h eo u t l e ti si m p r o v e dw i t ht h ei n c r e a s eo ft h em 锄i f 0 1 da n d e a n dt h e1

7、a n dh e i g h t A n dt h en o wd i s t r i b u t i o na tt h eo u t l e td e p e n d so nt h ep o w e r 1 a wi n d e x W h e t h e rt h e p o w e r 1 a wi n d e xi n c r e a s e so rd e c I e a s e s ，t h en o wd i s t r i b u t i o na tt h ed i eo u t l e tt e n d st od e t e r i o I 旨t e K e y 、怖

8、r d s I n e l t - b l o w nn o n w o v e n ；c o a t - h a n g e rd i e ；p o l y m e rn o w ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 熔喷非织造布属于聚合物挤压法非织造布的一 种。聚合物切片通过螺杆挤压机加热加压成为熔融 态后，经熔体分配流道到达喷丝板前端的喷丝小孔 挤出，再经2 股收敛的高温高压气流牵伸使之形成 超细化纤维，最后冷却固化沉积于收集网之上，形成 纤度极细的纤维网，即熔喷非织造布。熔喷非织造 产品具有超细纤维结构，纤维直径一般在1 8 肚m ， 而一般纺织纤

9、维的直径大约在1 5 2 0 肚m 【l 。，所以熔 喷非织造产品具有良好的均匀致密性，不仅可用作 气固相和液固相过滤材料，还可用作环境净化和生 物洁净的高级过滤材料。另外，熔喷非织造产品还 具有柔软性、良好的绝缘性和吸油性并对湿气和细 菌具有非透过性，故可广泛用于医疗卫生、绝缘材 料、电池隔膜、保暖服装等方面心3J 。 目前，熔喷非织造设备所采用的熔体分配流道 绝大多数为衣架型模头。，目的是解决聚合物熔体 的均匀分配问题，乃至最终产品的横向均匀问题。 关于衣架型模头的分析研究，绝大多数采用的是一 维解析方法，并普遍采用了以下假设条件o ：1 ) 采用 幂律模型描述聚合物熔体的黏度；2 ) 整

10、个流场的温 度分布均匀一致；3 ) 熔体流动为层流、定常流；4 ) 歧 管与狭缝中的流动相互独立，互不干扰；5 ) 狭缝中的 收稿日期：2 0 0 6 0 l 1 6修回日期：2 0 0 6 0 3 一O l 基金项目：上海市曙光计划项目( 0 5 S G 3 7 ) 作者简介：郭燕坤( 1 9 8 1 一) ，男，硕士。主要研究方向为熔喷非织造的计算机模拟。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第1 0 期郭燕坤等：熔喷非织造衣架型模头中聚合物流动数

11、值模拟【1 9 】 流动仅沿模头的垂直方向。基于以上相同的假设， 一维解析方法的解题思路也基本相同，即分别采用 圆管中的全展流动模型和平行平板间的全展流动模 型来描述歧管和狭缝中的熔体流动，然后通过联立 其运动方程求得所有可能流径上的压力差、熔体停 留时间、应力和应变速率的表达式，最后通过施加 一个或多个设计准则来实现求解。其中，最基本的 一个设计准则就是取流径上所有的压力差相等，从 而使沿模头宽度方向的流率分布均匀b 1 。一维解析 方法简单易行，且能确切给出设计方程，但它存在局 限性。若想运用一维解析方法，首先需要采用简单 的近似模头形状的几何形状，而且需要预先设定歧 管和狭缝中的熔体流动

12、相互独立，即歧管中的流动 仅沿其轴向，而狭缝中的流动只沿模头的垂直方向。 由于没有考虑由歧管到狭缝的漏流，所以也就不能 正确反映模头中的真实流动情况。 为了认识聚合物流体在衣架型模头中的真实流 动情况以实现熔喷非织造衣架型模头的优化设计， 本文采用二维有限元方法对衣架型模头中的聚合物 流动进行数值模拟。 1 数值模拟 1 1 控制方程 假设衣架型模头中整个流场的温度分布均匀一 致，其中的熔体流动为定常、不可压缩的幂律等温 流。由于熔体流动速度非常缓慢，雷诺数非常小，从 而可以忽略动量方程中的惯性项；另外重力相对于 压力也非常小，可忽略不计，由此得其控制方程。 连续方程：婺+ 要：o ( 1 )

13、 o 石 o ) ， 动量方程中的戈分量： 一塞+ 等+ 等：o ( 2 ) a 戈。a 戈a y 一。、_ 7 y 分量：一骞+ 鲁+ 骞= 。 式中 r 。：2 7 等 铲铲7 ( 等+ 警) 铲2 叩茜 幂律方程：节= m 最。 拈( 丢骞奢y 。砾) 虿 ( 8 ) 以上各式中：p 为压力；秽为速度；z - 为应力；叩为黏 度；) ，为应变速率；，：为应变速率大小；m 为连续指 数；n 为幂律指数。 1 2 网格划分 衣架型模头如图l 所示，它由人口、歧管、成型 面和喷丝孔组成。其中，衣架型模头的总宽度肜为 0 5m ，歧管角度日为3 0 。，入口宽度d 为0 0 1m ，入 口高度口

14、为0 0 5m ，成型面高度危为O 1m ，喷丝孔 赢径和间距均为1m m 。 图1 衣架型模头示意图 图2 给出了模头有限元网格划分情况，考虑到 网格划分对几何形状的要求，对流道结构的几何形 状作了一些简化，忽略流道中小的过渡段和小的过 渡圆角。在划分网格时，考虑到出口和入口网格划 分的单元形状要求规则( 便于施加边界条件) ，应对 线进行划分。入口处纵向的切分数为2 ，横向的切 分数为4 ，流体出日处纵向的切分数为3 2 ，横向的切 分数为1 5 。 ( 3 ) 图2 模头有限元网格划分示意图 ( 4 ) 1 3求 解 ( 5 ) 对式( 1 ) ( 6 ) 进行离散化，其中速度采用二次

15、多项式插值近似，压力由线性插值。本文采用的是 ( 6 ) 矩形单元，口，口，和p 可以写成： ( 7 )叱= 纯；口，= 仇；p = 咄( 7 ) 叱2z 乙P ；口y 2 二乙P f 一；p = z 乙尹一f 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 【2 0 】 纺织学报第2 7 卷 式中，蛾，声i 分别为二次和一次形函数。通过 叫e r k i n 方法对控制方程进行离散，得到如下形式的 方程： 】：嘲 式中：；为速度向量，其x 和y 方向的分量分别为

16、勘。 和钟，p 为压力；A ( 和) 、A ，分别为关于速度和压力的 子矩阵。该方程为单元矩阵方程，把所有的单元进 行组集可以形成总刚矩阵方程，在组集过程中需对 整个系统施加边界条件：1 ) 边界无滑移，即 秽，= t ，= 0 ；2 ) 入口处只有均匀的轴向流动；初始速 度取0 5 3 5m I I l s ；3 ) 出口处的压力为大气压力。模 拟时选用流体的密度p = l0 2 8 6k g ，m 3 ，幂律指数 n = 0 4 。最后对这个系统进行求解，从而得到每个 节点的速度和压力。 1 4 结果 图3 为衣架型模头中聚合物流体流动的速度矢 量图。 图3 模头中聚合物流动的速度场 从图

17、3 可以看出，在进入狭缝区的初始阶段，聚 合物熔体具有较大的横向速度分量，而随着熔体的 流动，特别是当进入成型区以后，横向速度逐渐减 少，最后达到出口处的横向速度基本消失。采用 g g 来表征聚合物熔体分配的均匀性。其中，g 为单 位宽度上的流率，口为平均流率。理想的情况是 g ，口= l 。图4 为模头出口处的流率分布曲线。 1 2 1 1 罟1 o O 9 O 8 一O 2一O 10 O 1 0 2 0 3 X I m 图4 模头出口处的流率分布曲线 另外，还可采用均匀指数u 来定量地评价模 头性能： u = 1 一I 寺2 式中i 为标准偏差，；= ( 等) 一1 ，Q ；是通过第 i

18、段的体积流率，p 是通过模头的总流率。上述衣架 型模头的均匀指数u 为0 9 2 51 。 图5 为流体沿轴向( y 方向) 的压力分布曲线。 可以看出，在人口区域中的压力几乎呈线性下降，在 入口区域与模腔的交界处，由于截面的突变，压力有 一个明显的上升，之后则呈缓慢下降趋势。 尽 量 R 幽 蟹 暴 图5 模头轴向的压力分布 2 模头几何参数和幂律指数的影响 2 1 歧管倾斜角度对出口流率分布的影响 取歧管倾斜角度分别为1 0 。、2 0 0 、3 0 0 和4 0 0 的 4 种衣架型模头，其成型面高度均为0 1m ，由于模 头的宽度保持不变，随着歧管倾斜角度的加大，整个 模头的高度将随之

19、加大，这4 种模头的高度分别为 0 1 9 3 、0 2 3 9 、0 2 9 l 、0 3 5 6m 。图6 是不同歧管倾斜 角度对出口流率分布的影响。 1 - 2 1 1 等1 o O 9 0 8 一O 2_ o 10O 10 2O 3 X | m 1 口为1 0 0 ；2 一口为2 0 。；3 一口为3 0 。；4 一日为4 0 0 图6 歧管倾斜角度对出口流率分布的影响 从图6 可以看出，随着歧管倾斜角度的增加，流 率分布的均匀性逐渐提高，当倾斜角度口为4 0 。时， 出口处流率的变化最小。通过均匀指数U 的计算 同样可说明上述现象。当口为1 0 0 时，u 为0 8 9 4l ； 口

20、为2 0 。时，U 为0 9 1 76 ；口为3 0 。时，u 为0 9 2 5l ； 口为4 0 0 时，u 为0 9 3 9l 。 2 2 成型面高度对出口流率分布的影响 取成型面高度分别为0 0 5 、O 1 0 、0 1 5m 的3 种 衣架型模头，其歧管倾斜角度均为4 0 0 。图7 为成型 ，r、； ov小心心8H 心nnnnn： 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第1 0 期郭燕坤等：熔喷非织造衣架型模头中聚合物流动数值模拟 【2 1

21、】 面高度对出口流率分布的影响。 1 2 1 1 警1 o 0 9 0 8 - o 2加10O 1O 2 剧m l 为O 0 5m ：2 一 为O 1 0 m ：3 为O 1 5 m 图7 成型面高度对出口流率分布的影响 从图7 可以看出，随着成型面高度的增加，分布 曲线趋于平坦，即出口流率分布的均匀性逐渐提高。 从均匀指数u 的计算结果也可看出这一趋势：当成 型面高度为0 0 5m 时，均匀指数u 仅为o 8 7 62 ；当 成型面高度增加到0 1 0m 时，均匀指数u 提高到 O 9 3 91 ；成型面高度增加到0 1 5m 时，均匀指数达 到了0 9 5 77 。通过模拟发现，随着成型面

22、高度的增 加，流率分布的均匀性还可进一步得到改善，但随着 成型面高度的增加，所设计的衣架型模头的整体高 度也会增加，会造成更高的压力损失，将导致能耗的 增加。 都趋于变差。n 为0 2 时，U 为0 9 3 22 ；n 为0 6 时，u 为0 9 4 21 ；n 为0 8 时，U 为0 9 3 72 。特别是 当n 为1 时，即流体为牛顿流体时，其均匀性最差， 此时U 为0 8 9 58 。 3结论 通过对熔喷非织造衣架型模头内熔体流动的有 限元分析表明，在进入狭缝区的初始阶段，聚合物熔 体具有较大的横向速度分量，而随着熔体的流动，特 别当进入成型区以后，横向速度逐渐减少，最后到达 出口处时的

23、横向速度基本消失。研究结果还表明衣 架型模头的歧管倾斜角度和成型面高度对出口流率 分布均有较大影响：随着歧管倾斜角度和成型面高 度的增大，模头出口处流率分布的均匀性逐渐提高； 模头出口处流率分布受流体幂律指数的影响，即针 对某一幂律指数设计的衣架型模头，无论幂律指数 增大还是减小，出口处流率分布的均匀性都将趋于 恶化，这说明衣架型模头的设计对原料物性具有依 赖性。鞠 2 3 幂律指数对出口流率分布的影响 参考文献： 1 c h e nT ， w a n gx ，H u a n g x E 】日f e c t so f p I D c e s s i n g 当幂律指数为0 4 的聚合物流体流经

24、歧管倾斜 角度为4 0 0 、成型面高度为0 1 5m 的衣架型模头时， 其均匀指数可达0 9 5 77 。在其它条件不变的情况 下，取幂律指数分别为0 2 、0 6 、0 8 的3 种聚合物 流体和幂律指数为l 的牛顿流体，计算其出口流率 分布，如图8 所示。 l 2 1 1 警1 o 0 9 0 8 2 3 4 _ o 2_ o 10 0 10 20 3 X f m f、 、 1 一为1 O ，2 疗为O 8 ，3 讲为O 6 ，4 前为O 2 ，5 啊为0 4 。 图8 幂律指数对出口流率分布的影响 从图8 可以看出，幂律指数n 为0 4 时，出口流 6 率分布曲线最为平坦，相应的均匀指

25、数为0 9 5 77 。 随着幂律指数的变化，无论增大还是减小，其均匀性 p a r 踟e t e r so nt h el 访e rd i a m e t e ro fm e l tb l o w nn o n w o v e n f 如r i c s J T e x t i l eR e s e a I hJ o u m a l ，2 0 0 5 ，7 5 ( 1 ) ：7 6 8 0 C o l o m b oS F a r eo f f e r sr a n g eo fs p u n b o n d ，S M Sa n dm e l t b l o w nl i n e s J I

26、n t e m a t i o n a lF i b e rJ o u m a l ，2 0 0 4 ，1 9 ( 1 ) ： 4 4 4 6 R o t hM ，L e u k e lJ ，M u l l e rD ，e ta 1 An o v e lp o l y m e r m o d i n e rf o ri m p m v e dm e l tb l o w nf a b r i cp m p e r t i e s J N o n w o v e n sW o r l d ，2 0 0 5 ，1 4 ( 1 ) ：4 0 一4 5 M a r l a ，V i s h n uT

27、，S h a m b a u g h ，e ta 1 M o d e l i n go ft h em e l t b l o w i n gp e I f 0 咖a n c eo fs l o td i e s J I n d u s t r i a la n d E n g i n e e r i n gC h e m i s t r yR e s e a r c h ，2 0 0 4 ，4 3 ( 11 ) ：2 7 8 9 2 7 9 7 s u nQ ，z h a n gD A n a l y s i sa n ds i m u l a t i o no fn o n - n e w

28、 t o n i a n n o wi nt h ec o a th a n g e rd i eo fam e l tb l o w np m c e s s j J o u m a lo fA p p l i e dP o l y m e rS c i e n c e ，1 9 9 8 ，6 7 ( 2 ) ：1 9 3 2 0 0 M c k e l v e yJ ，I t oK U n i f o 咖i t yo fn o wf 而ms h e e t i n gd i e s J P o l y m e rE n 画n e e r i n ga I I dS c i e n c e ，1 9 7 l ，1 1 ( 7 ) ：2 5 8 2 6 3 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark