微納米纖維的熔噴制作工藝

辛三法，王新厚，胡守忠

(1.上海工程技術大學服裝學院，上海 201620;2.東華大學紡織面料技術教育部重點實驗室，上海 201620)

微納米纖維的熔噴制作工藝

辛三法1，王新厚2，胡守忠1

(1.上海工程技術大學服裝學院，上海 201620;2.東華大學紡織面料技術教育部重點實驗室，上海 201620)

通過數值計算方法和熔噴實驗方法，探索微納米纖維的熔噴制作工藝。選用Shambaugh一維數學模型，運用數值計算方法，得出空氣速度、熔體流量和噴絲孔直徑對纖維直徑的影響關系。通過分析比較得到這3個參數對纖維直徑減小程度的影響順序:熔體流量影響最大，空氣速度次之，噴絲孔直徑影響最小。根據熔噴實際情況，得出噴絲孔直徑不能夠太大。設計微納米纖維的熔噴實驗工藝，進行熔噴工藝實驗和纖維直徑測定實驗，得到了納米級纖維。證明了工藝參數對纖維直徑影響關系和影響順序規律的正確性，也證實了微納米纖維制作工藝的有效性。

熔噴;微納米纖維;數值計算;熔體流量;空氣速度;噴絲孔直徑

熔噴非織造紡絲工藝是以聚合物熔體為原料制作超細纖維的一步法技術。該技術具有纖維直徑較細，纖維鋪網的隨機性和纖維之間自黏合等特點，使其纖維網材料有突出的阻隔性能［1］，廣泛應用于過濾、保暖和吸收等領域。由于熔噴工藝纖維直徑是影響纖維網材料性能的一個很重要參數，所以關于熔噴非織造技術的研究大都圍繞著纖維直徑展開。Shambaugh等建立的3個熔噴拉伸理論模型［2－4］和后來的熔噴新模型［5］從理論上較好地解決了熔噴工藝參數對纖維性能參數如直徑大小、運動狀態(包括二維和三維運動)和結晶度的影響關系。文獻［6－8］也從不同方面建立了熔噴理論模型，表征熔噴工藝參數對纖維直徑等的影響，但在上述模型的基礎上，運用熔噴非織造機械或樣機紡絲時很難得到直徑小于0.5μm的微納米纖維或納米纖維。到目前為止，還沒有文獻明確指出利用常規熔噴設備制作微納米或納米纖維的工藝，或者指出制作微納米或納米纖維需要改進的工藝方向。Ellison等［9］探索在熔噴設備上制作納米纖維，采用單孔熔噴實驗設備，雙槽射流模頭，噴絲孔直徑為0.2mm，空氣狹槽寬度為1.0mm，噴絲孔出口縮進量為1.5mm，得到了納米纖維(平均直徑小于500nm)。采用的流量比參數范圍(空氣流量對熔體流量的比值)大于常規商業用熔噴設備的工藝條件，普通熔噴設備難以達到這個條件。目前，熔噴工藝纖維的微納米化是一個發展方向，如何根據現有理論指導熔噴實驗探究獲得微納米纖維工藝是熔噴非織造領域的一個課題。

本文主要探索采用熔噴工藝制備微納米纖維的制作技術，以Shambaugh一維熔噴模型為基礎，用數值方法探究熔噴非織造工藝中空氣速度、熔體流量和噴絲孔直徑3個工藝參數對纖維直徑的影響趨勢，分析比較這3個工藝參數對纖維直徑的影響程度，指出進一步細化纖維的方向，并根據計算結論設計熔噴工藝參數進行熔噴工藝實驗，探索微納米纖維制作的可能性。

1 理論數值計算部分

本文以Shambaugh的一維數學模型［2］為基礎，研究熔噴非織造工藝中空氣速度、熔體流量和噴絲孔直徑3個工藝參數與纖維直徑之間的關系，用于指導微納米纖維制作工藝的設計和熔噴實驗。

1.1 理論數值計算

1.1.1 熔噴工藝計算條件

熔噴工藝計算所用Shambaugh的一維模型方程如下。

連續性方程:

式中:Qp為熔體流動率;ρp為熔體的密度;D為纖維的直徑;u為纖維的速度。

動量方程:

式中:x為軸向位置;τxx為熔體軸向拉應力;τyy為熔體徑向拉應力;j為符號因子 (當ua＞u時，j=－1;當ua＜ u時，j=1);Cf為氣體拉伸系數;ρa為空氣密度;ua為空氣速度;g為重力加速度。

能量方程:

式中:Cp為常壓下熔體的比熱容;h為傳熱系數;θ為熔體溫度;θa為氣流溫度。

為了簡便起見，本構方程采用牛頓流體的本構方程:

式中η為剪切黏度。

社會機體的自身復雜性以及內外環境、主客觀因素的影響，社會危機的發生與存在是必然的。問題的關鍵在于如何防止危機盡可能少的發生，以及危機發生后如何有效化解，使人民生產與生活安定，社會有序運行。老子不愧為醫治社會疾病的良醫，將自然、社會、人類貫通成一個整體，開出了一系列危機預防與化解的良方。

聚合物原料為聚丙烯(PP，熔融指數 MFI為36)，為簡化起見，假設聚丙烯熔體為牛頓流體。噴絲孔直徑為0.4mm，空氣狹槽寬度為0.56mm，雙槽夾角為 60°，噴嘴空氣縫隙外邊緣的距離為3.32mm，熔體加工溫度為350℃，空氣溫度為300℃。

1.1.2 計算方法

根據模頭實際形狀和初始空氣的溫度與速度值，運用WANG Xiaomei等［10］的經驗公式求得紡絲中心線上的空氣溫度和空氣速度方程。

式中:ua0為空氣初始速度;θa0為空氣初始溫度;θambient為周圍空氣溫度;X(w)為無量綱因子;w為熔噴模頭空氣狹槽外沿寬度;ρ0∞為周圍空氣密度。

采用凝固點法對模型方程進行求解。假定聚合物熔體直徑在距離噴絲孔8cm處凝固而不再變化，運用試差法先確定一個聚合物熔體初始流變力，觀察方程組是否收斂，再代入另一個初始流變力，直到方程組收斂，得到纖維直徑值。

1.1.3 計算結果整理

用纖維直徑和相應工藝參數繪制曲線，分析工藝參數對纖維直徑的影響規律。

1.2 計算結果與討論

圖1 熔體流量對纖維直徑的影響Fig.1 Influence of polymer flow rate on fiber diameter

圖2 空氣速度對纖維直徑的影響Fig.2 Influence of air velocity on fiber diameter

從圖2可以看出，當熔體流量一定時，隨著空氣速度逐漸增加，纖維直徑逐漸減小，且纖維直徑的減小程度先大后小。這是由于熔噴工藝的主要特點是靠高速空氣射流沖擊拉伸熔體細化成纖，所以空氣速度越大，其對熔體沖擊拉伸作用力越大，得到的纖維直徑越細，要獲得進一步細化的纖維，僅僅靠提高空氣速度不能達到。如果需要制作更細的纖維，只有通過進一步減小熔體流量實現。

2)噴絲孔直徑對纖維直徑的影響。圖3示出熔體流量為6 mg/s，不同空氣速度時噴絲孔直徑對纖維直徑的影響。可以看出，隨著噴絲孔直徑的逐漸增加，纖維直徑逐漸增大。其主要原因是，由于熔噴的目的是將噴絲孔流出的熔體拉長變細，如果噴絲孔直徑較大，則熔體的初始直徑就較大，熔體在一定的拉伸細化力作用下，只能細化到一定細度;而如果噴絲孔直徑較小，則熔體的初始直徑也較小，該直徑的熔體在條件相同的拉伸細化力作用下，可以形成更細的纖維。

圖3 噴絲孔直徑對纖維直徑的影響Fig.3 Influence of diameter of orifice on fiber diameter

比較不同曲線變化趨勢可以看出，隨著空氣速度的逐漸增加，噴絲孔直徑對纖維直徑的影響程度逐漸減小。當空氣速度值較小時(如小于50 m/s)，纖維直徑隨噴絲孔直徑增大而增大的程度相對較大;當空氣速度較大時(如300 m/s左右時)，纖維直徑隨噴絲孔直徑增大而增大的程度大大減小，幾乎趨于不變化。

從圖3還可看出，當噴絲孔直徑一定時，隨著空氣速度逐漸增加，纖維直徑逐漸減小。當噴絲孔直徑較大時(如0.6～1.0mm)，纖維直徑隨空氣速度增加而減小的程度相對較大;當噴絲孔直徑較小時(如0～0.4mm)，纖維直徑隨空氣速度增加而減小的程度相對較小。

綜上所述，獲得較細纖維的條件是較高的空氣速度、較小的熔體流量和較小的噴絲孔直徑。本文分析比較在形成微納米級纖維時，這3個工藝參數對纖維直徑的影響程度。

從圖1可以看出，減小熔體流量可以有效縮小纖維直徑，而且，熔體流量較小時，曲線的彎曲程度(梯度)較大，說明熔體流量減小對纖維直徑減小的影響程度顯著。從圖2可以看出，空氣速度增大可有效減小纖維直徑，但是空氣速度值較大時，曲線的彎曲程度(梯度)較小，說明空氣速度增大對纖維直徑減小程度的影響有限，特別是在空氣速度值較大時。從圖3可以看出，噴絲孔直徑減小時，纖維的直徑相應減小，但噴絲孔直徑較小時，曲線很平坦，說明在噴絲孔直徑較小時，噴絲孔直徑減小對纖維直徑的減小程度幾乎無貢獻，特別是當空氣速度超過100 m/s時。

綜合比較這3個工藝參數對微納米纖維直徑的影響程度順序是:熔體流量影響程度最大，空氣速度影響程度次之，噴絲孔直徑影響最小。

采用熔噴工藝制作微納米纖維時要盡可能減小熔體流量，采用較大的空氣速度，從理論上看，噴絲孔直徑對纖維直徑幾乎沒有影響。

在具體的熔噴工藝實驗中，當熔體流量很小時，如果噴絲孔直徑較粗，由連續性方程得出此時熔體流出噴絲孔的速度很小。由于聚合物熔體存在擠出脹大效應，聚合物熔體很容易黏結、滯留并堆積在噴絲孔頭端端面而造成“Shot”和斷頭等，造成不正常紡絲，因此，噴絲孔直徑不宜太粗，在0.4mm左右為宜。

2 熔噴工藝實驗部分

利用常規熔噴實驗裝置，采用較大的空氣速度和盡可能小的熔體流量，探索制作納米纖維的可能性。

2.1 實驗條件

聚丙烯切片，熔融指數為1500。熔噴實驗裝置采用單孔雙槽射流熔噴工藝實驗機，由東華大學自主設計定制。噴絲孔的內徑為0.42mm，長徑比為23.8。

模頭組合件溫度為260℃，螺桿擠出機3個區溫度分別為一區260℃、二區260℃、三區200℃，空氣溫度為200℃，采用網簾接收方式收集纖維。熔體流量分別為0.025和0.0125 mL/min，其中后者為該設備的最小極限流量。空氣壓力分別為2.0265×105、3.0398×105和4.053 ×105Pa，其中4.053×105Pa為熔噴實驗裝置的較大壓力值。

纖維直徑測定的測試儀器主要有JSM-5600LV掃描電子顯微鏡、IE300X能譜儀。使用圖像分析軟件ImageJ在電鏡照片的基礎上測定纖維直徑。

2.2 實驗結果與分析

通過熔噴工藝制備纖維，實驗條件和纖維直徑如表1所示。

表1 熔噴實驗條件和纖維直徑Tab.1 Melt blowing experimental conditions and fiber diameters

由表1可以看出，在一定噴絲孔直徑條件下，熔體流量和空氣壓力減小都可以使纖維直徑減小。特別是當纖維直徑減小到一定程度時，熔體流量減小引起纖維直徑減小的程度較大。當采用極限小熔體流量值時，不僅在較大空氣壓力情況下(4.053×105Pa)得到了納米級纖維，而且在較小的空氣壓力下(2.0265×105Pa)，也得到了納米級纖維。實驗結果表明，采用普通熔噴設備制作納米級纖維，減小熔體流量是關鍵的工藝條件，其次是空氣壓力和噴絲孔直徑。

3 結論

1)在制備納米纖維的熔噴工藝中，3個工藝參數對纖維直徑的影響程度順序為:熔體流量影響最大，空氣速度次之，噴絲孔直徑幾乎沒有影響。在具體熔噴工藝實踐中，噴絲孔直徑不能太大。

2)采用常規的熔噴設備，制作微納米級纖維的關鍵技術是進一步減小熔體流量，其次是增大空氣流量或速度。雖然減小噴絲孔直徑對減小纖維直徑幾乎沒有作用，但是，對生產的連續性或纖維網材料的質量有積極作用。

［1］ 柯勤飛，靳向煜.非織造學［M］.上海:東華大學出版社，2004:30－50.KE Qinfei，JIN Xiangyu.Nonwovens［M］.Shanghai:Donghua University Press，2004:30 －50.

［2］ UYTTENDAELE M A J，SHAMBAUGH R L.Melt blowing:general equation development and experimental verification［J］.AICHE Journal，1990，36(2):175 －186.

［3］ RAO R S，SHAMBAUGH R L.Vibration and stability in the meltblowing process［J］. Industrial ＆Engineering Chemistry Research， 1993， 32(12):3100－3111.

［4］ MARLA V T，SHAMBAUGH R L.Three-dimensional model of the melt-blowing process［J］.Industrial＆Engineering Chemistry Research， 2003， 42(26):6993－7005.

［5］ SHAMBAUGH B R， PAPAVASSILIOU D V，SHAMBAUGH R L.Next-generation modeling of melt blowing［J］. Industrial ＆ Engineering Chemistry Research，2011，50(21):12233－12245.

［6］ 陳廷.熔噴非織造氣流拉伸工藝研究［D］.上海:東華大學，2003:97－98.CHEN Ting.Study on the air drawing in melt blowing nonwoven process［D］.Shanghai:Donghua University，2003:97－98.

［7］ 王曉梅.熔噴工藝氣流對纖維運動及熱熔纖網質量影響的研究［D］.上海:東華大學，2005:27－35.WANG Xiaomei.Study of the effects of air flow on fiber motion and the adhesive web quality in melt blowing process［D］.Shanghai:Donghua University，2005:27－35.

［8］ 孫亞峰.微納米纖維紡絲拉伸機理的研究［D］.上海:東華大學，2011:97－109.SUN Yafeng.Investigation of micro-nano fiber formation［D］.Shanghai:Donghua University，2011:97－109.

［9］ ELLISON C J，PHATAK A，GILES D W，et al.Melt blown nanofibers:fiber diameter distributions and onset of fiber breakup［J］.Polymer，2007，48(11):3306 －3316.

［10］ WANG Xiaomei，KE Qinfei.Empirical formulas for distributions ofair velocity/temperature along the spinline of a dual slot die［J］.Polymer Engineering ＆Science，2005，45(8):1092－1097.

Manufacture technology of micro-nano fiber by melt blowing

XIN Sanfa1，WANG Xinhou2，HU Shouzhong1
(1.Fashion College，Shanghai University of Engineering Science，Shanghai201620，China;2.Key Laboratory of Textile Science＆ Technology，Ministry of Education，Donghua University，Shanghai 201620，China)

The melt blowing technology for micro-fiber manufacture was researched by numerical and experimental methods. According to Shambaugh one-dimensional melt-blowing model， the relation between the fiber diameter and the processing parameters such as air velocity，polymer flow rate and diameter of the orifice were obtained by numerical methods.The order of the effect degree of three processing parameters on the diameter of final fiber was as followed，the polymer flow rate was the first，the air velocity was the second and the diameter of orifice was the last.At the same time，the conclusion that the diameter of the orifice should not too big was also drawn according to the melt blowing practice.Then，the melt blowing experiment was designed and carried out and the nano-fiber was obtained.It was certified that the relation between three processing parameters and the fiber diameter and the order of the effect degree were correct.The manufacturing technology of micro-fiber was also testified to be valid.

melt blowing;micro and nano fiber;numerical method;polymer flow rate;air velocity;diameter of orifice

TS 174.1

A

10.13475/j.fzxb.20140504405

2014－05－23

2014－11－20

辛三法(1969—)，男，實驗師，博士。主要研究方向為熔噴、液噴非織造工藝中纖維或纖維網的成形。王新厚，通信作者，E-mail:xhwang@dhu.edu.cn。