基于惯性离心力的径向直线拉伸射流纺丝方法

邹守宝, 袁建波

(浙江大铭新材料股份有限公司， 浙江 杭州 311402)

离心纺丝技术是指溶液或者熔体在惯性离心力作用下，从高速旋转体边沿的喷针或喷孔射出，形成射流；射流离开喷针或喷孔后，在气流剪切力作用下，在空气中拉伸从而获得微纳米级超细纤维(膜)。

杨斌等[1-2]将有喷嘴(针)离心纺丝技术结构归纳为窄缝式、筛网式、三板复合式和针管式；并尝试了一种无嘴离心纺丝方法，与水平盘式纺丝方法[3]相似。杨为民等[4]采用了窄缝式辅助气流离心纺丝方法，对聚丙烯(PP)料进行熔体纺丝。苏州大学也采用过气流辅助拉伸射流进行离心纺丝[5]。美国FiBeRio公司和德克萨斯大学在2013年就推出了商业化的L1000系列离心纺丝实验用装置[6]，并且已有离心纺丝量产设备在运行[7]，可以查到包括美国在内的多个大学和实验机构[8-9]利用L1000D型M系列设备进行离心纺丝实验。

目前国内外离心纺丝技术存在的共同问题有：1)要依赖降低喷孔直径才能获得直径较细的纤维，或者说射流在进入到空气中进行螺旋拉伸时，纤维的直径受到喷孔直径的限制，而喷孔的最小直径受到加工条件的限制，且纺丝过程中还会出现细孔堵塞及熔体黏度过大而不能纺丝的问题；2)要获得细的纤维，必须要求喷孔内径尽可能小。喷孔内径小必然导致细孔的流量小，而细孔流量小必然导致单孔纺丝效率低的问题。

较常用的离心纺丝过程为：惯性离心力形成细的射流→在空气中螺旋线式地弧线拉伸射流。本文提出一种新的离心纺丝过程为：惯性离心力形成细的射流→在惯性离心力场中径向无摩擦地直线拉伸射流致其直径减小至微米级→在空气中螺旋线式地弧线拉伸射流。相比较常用的纺丝过程，该纺丝过程增加了直线拉伸射流过程，使得进入到空气中被螺旋拉伸的射流的直径只有喷孔直径的1%～10%，摆脱了纺出的纤维直径细度高度依赖于喷孔直径的困局，使得在较大喷孔内径条件下，可以得到直径更小的纤维(膜)；使得本方法获得的纤维(膜)直径接近静电纺丝的水平，同时其单孔纺丝效率又能接近熔喷纺丝工艺的水平。本文就该纺丝方法建立了数学模型，依据模型设计制造了实验设备。通过实验数据验证了模型的工程指导价值。还将实验设备升级为批量连续制备超细纤维膜的设备,并进行了聚丙烯(PP)熔体纺丝实验。

1 基本原理

本文方法的技术思路是在筛网式[1]离心纺丝结构上做如下改变：在筛网的网孔外周与网孔的中心对接1根与旋转轴线垂直的管子，该管子的直径远大于筛网的网孔内径，长度尺寸远大于筛网壁厚，且筛网孔的中心线与管子的中心线重合，并通过旋转中心，该管子随着筛网一起匀速地旋转。

筛网网孔的作用是筛网内的溶液或熔体在惯性离心力的作用下，通过筛网上的细孔形成细的射流。对接管子的目的是射流离开筛网孔后，在惯性离心力的作用下径向地直线拉伸，并使射流的中心线与管子的中心线重合。实现长距离径向直线拉伸射流的离心纺丝方法的基本结构见图1。射流在管子内被直线地拉伸过程中，不与管子内壁发生摩擦，没有空气剪切力的干扰，只受到惯性离心力、科氏惯性力[5]的拉伸作用和射流黏滞力的阻力作用。当对接上去的管子长度和旋转速度足够大时，射流在管子中被拉伸到其直径为微米级后，再离开惯性离心力场进入到周围的空气中进行螺旋线式地拉伸。由图1(b)可看出管子的横截面是矩形的，当然也可以是其他能够实现的形状。

图1 长距离径向直线拉伸射流的离心纺丝方法的基本结构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 拉伸射流过程理论分析

将坐标xyz建立在旋转盘上，其中x轴与旋转轴中心重合，选择管子中心线与x轴重合(如图1所示)。熔体射流在管子内的拉伸过程中，受到xyz3个方向的力：Fx、Fy、Fz。其中，Fz是轴向力，等于射流重力Fg与轴向加速度产生的力Faz的向量和，即

Fz=Faz+Fg

(1)

电动机端盖轴承的轴向间隙小于0.2 mm，当转动惯量很大的旋转盘高速旋转时，旋转盘的轴向加速度几乎为零，所以质量为m的射流小段Δx因旋转盘的轴向加速度产生的力Faz≈0。

本文设计的旋转盘直径(d0)为0.4 m，额定转速为10 000 r/min，在x=r0至r处，质量为m的射流小段Δx获得的x方向的加速度是重力加速度的4 472～22 360倍，所以，相对x轴方向的惯性离心力Fc而言，

|Fz|<<|Fc|

(2)

对y轴方向进行受力分析，可得:

Fy=Fay+Fairy

(3)

式中：Fay为因角加速度对射流小段产生的切向力；Fairy为空气对射流产生的切向力。

y轴方向是旋转盘的切线方向。实际设备运转时，旋转速度的变化量是小于21 r/min，是额定转速的0.21%。假定每分钟转速的变化量是均匀的，在直径80 mm处切线方向的加速度为0.088 0 m/s2，在直径400 mm处切线方向加速度为0.439 8 m/s2。相比重力加速度的比值分别是0.009 0和0.0448 3，而只有x轴方向因惯性离心力产生的加速度是重力加速度的2×10-6和2×10-5倍。说明因角加速度对射流小段Δx产生的切向力，相比x轴的惯性离心力要小得多，可以忽略不计。

因直线拉伸射流的管子是封闭的，旋转盘的旋转产生的环流空气不会进入管子里。在拉伸管道靠近旋转中心一侧，有溶液或熔体将筛网孔充满，空气不能进入到拉伸管道中。在管道内原有的空气因惯性离心力的作用被甩出，所以在正常工作时，拉伸管道里几乎成真空状态。因此，射流不会受到空气剪切力的作用。检验射流在y轴方向是否受到足以使射流发生向y轴方向弯曲的方法是，观测拉伸管道的内壁上是否有溶液或者熔体残留。实验中未出现溶液/熔体附着在管子内壁的情况，据此认为y轴方向的力相对惯性离心力Fc而言，可以忽略不计。即

|Fy|<≪|Fc|

(4)

在y轴方向和z轴方向，射流受力远小于x轴方向受力的条件下，那么射流的拉伸轴线只能与x轴重合，即x轴与惯性离心力方向相同，且惯性离心力方向的延长线通过旋转轴中心。

当选转盘在高速旋转时，产生的惯性离心力为：

Fc=mω2r

式中：m为射流小段Δxi的质量，g；ω为旋转盘角速度,rad/s；r为射流小段相距旋转中心的位置,m。

x轴方向射流受力为：

Fx=Fc-Fη+Fp

(5)

式中：Fη为射流的轴向黏滞阻力,N。该力与材料的黏度呈正相关。对于溶液而言，因溶剂的挥发，在拉伸过程中黏度是变化的。对于熔体而言，与射流小段所处的管道内的温度、材料本身的流动性相关；Fp为靠轴一侧的射流小段Δxi-1因其动能所产生的对Δxi的推力。

为获得图1中射流从离开筛网时的初速度v0到与射流离开旋转盘的瞬时速度v2之间关于半径和转速的解析函数关系，假定

|Fc|≫|Fp-Fη|

(6)

即x轴方向的合力Fx是：

Fx≈Fc

(7)

由图1(a)中可看出，射流小段Δx可视为直线运动力学分析时的质点，质量为m，有无穷多个这样的射流小段相互黏结构成连续的射流。尽管射流小段的长径比会变化，但质量不变，依然视为一个质点，并且在x轴上有无穷多个这样的质点在惯性离心力的作用下，沿着x轴做直线运动。作如此假设后，就可利用质点作直线变加速度运动的分析方法。

由图1(a)可知：Δx质点从x=r0处在惯性离心力的作用下，沿着x轴运动至x=r处。在x处惯性离心力为：

Fx=mω2xr0≤x≤r

(8)

对质点m所做的功∑w可用积分来表示，即：

(9)

由图1可知，Δx质点从x=r0处运动至x=r处，速度由v0变为v2，射流小段Δx的动能变化量为：

(10)

根据功与能转化关系，在无其他外力做功情况下可得：

(11)

(12)

式中：k=ω2是常数，仅与转速n相关；r0是喷孔出口所在的半径位置，即上述筛网的外半径,m。

式(12)虽然是在忽略了管道内拉伸过程中射流的轴向黏滞阻力后得到的解析式，但仍具有探讨价值。

3 重要参数的讨论

3.1 本文纺丝方法与原有方法的区别

原有的各种离心纺丝技术中，射流离开喷孔(嘴)后，就进入到空气中进行螺旋线式拉伸，都可归结为r=r0，v2=v0。通常v0只有几十至几百毫米每秒。本文方法在r0至r这一段直线拉伸射流过程中，既没有射流与管(槽)壁摩擦产生的黏滞阻力，也没有空气的剪切力，与之前的离心纺丝技术不同。

对于水平盘式纺丝[5]或者无针离心纺丝[3]而言，尽管射流形成后可在纺丝盘上拉伸，但射流在纺丝盘上的摩擦可产生很大的黏滞阻力并受空气剪切力作用，与针管式纺丝没有本质的不同。在针管式纺丝技术中针管中流动的射流的四周会受到管内壁上摩擦黏滞力的阻力作用，只是没有空气剪切力的作用。

就熔体离心微分纺丝技术而言[4]，射流在微分槽[4]里流动，会受到槽的两侧壁和底部的摩擦黏滞阻力作用，还有空气的剪切力作用。

水平盘式旋转盘的半径、无针离心纺丝的旋转盘半径、针管式针头距中心的半径，三板式离心盘的半径、微分离心纺丝中微分盘的半径在式(12)中都是r0。从r0向旋转中心靠近的这一段结构和方式均没有本质的区别，只是改变了射流初速度v0和速度下的射流直径d0。

3.2 射流速度与射流直径的关系

根据物料流量的连续性原理，可得：

(13)

式中：d2为被空气剪切力拉伸之前的射流直径，m，并不是所获得的纤维直径，m；v2为射流的最大径向速度，或是离开旋转盘时的径向速度m/s。

由式(13)可知，在其他条件相同的情况下，要提高单孔产出率，必须增加筛网网孔的直径d0，同时还要保证最终获得的纤维直径足够小，在v0相同的条件下就需要提高v2。

从式(13)还可看出，在转速相同的条件下，获得较细纤维的途径不再只是降低喷孔直径d0，还可通过提高v2来获得。

经过以上分析可知，提高v0可提高单孔产出率。通常提高物料流量，必然会使纤维直径变大。若通过增加转速和增加直线拉伸通道的长度(即增加旋转盘的直径)的方法，可使纤维直径在提高流量的条件下保持不变。

3.3 射流速度与旋转盘线速度的关系

根据实验得知，v2与v0之比是数百至数千倍，故可认为：

式中：旋转盘转速和旋转盘半径与v2的正相关度是相同的，即v2几乎与旋转盘边沿的线速度相等，也是径向直线射流的最大速度。通过测量d2、d0和熔体流量，可计算出v2。已经获得的2组实验数据表明，其计算值与旋转盘线速度的最大偏差18%[10]。

很多文献表明要降低纤维直径，就需要降低喷孔直径和提高转速。而本文提出要降低纤维直径，可提高旋转盘边沿的线速度来实现，但是这与以前提高转速的结论有不同的意义。

尽管转速n和旋转半径r对v2的贡献率相同，但是增加r可在旋转离心盘的平面上设置更多的用于拉伸射流的管子，从而提高生产效率，所以优先考虑增加旋转盘半径r。

3.4 喷孔口半径与旋转盘半径的关系

r0为喷孔口处的旋转半径，r为旋转盘的半径或旋转体的总半径。为最大限度地发挥旋转体线速度的作用，需使r0尽可能的小；但r0的大小关系到初始射流是否能够形成，需要依据材料的黏度、旋转速度和喷孔的直径来确定，而r值要根据旋转盘材料线速度的限制和噪声水平要求来确定。本文在装置设计时确定的r与r0的比值是5。那么式(14)中根号项的值约为0.98，所以v2几乎等于旋转盘边沿的线速度。

4 设备的主要参数和部分实验验证

4.1 设备的实际参数

设置式(12)中的r=0.2 m，r0=0.04 m；额定旋转盘角速度ω=20 000π/60。筛网外径为 80 mm，筛网网孔内径标称值为0.42 mm，实际值为0.36 mm(对应图1中的d0=0.36 mm)；筛网孔个数为40。通过阻塞和开通的方法可调节工作时的孔数。加料方式可采用间歇式人工加料，也可通过挤出机连续加料。

4.2 2个喷孔的间歇式纺丝实验

选择工作的筛网网孔(即喷孔)个数为2，采用人工间歇式加料方式。首先设置图1中的筛网温度为230 ℃，然后加注聚丙烯切片17.5 g，10 min后启动电动机转速至6 000 r/min并开始计时，纺丝 9 min后(因相同条件下计时10 min后，筛网底部残余料很少)停机。网孔底部的残余料在冷却后，形成的薄膜称量为0.6 g。2个喷孔在9 min内的流量是16.9 g，单个喷孔的流量是0.845 g/min。

4.3 8个喷孔的连续纺丝实验

采用挤出机连续加料方式，工作网孔个数为8。采用张家港市乐余惠平机械厂的SJ20型微型桌面教学实验用单螺杆挤出机，设定挤出流量为300 g/h。将挤出机立式安装，使挤出料注入到筛网底部。设定挤出机加热温度为250 ℃。同时启动挤出机和旋转盘的加热装置。约1 h后，检测到筛网内的温度为225 ℃。向挤出机喂入聚丙烯(PP)切片 6 min后，启动电动机至6 000 r/min后开始计时。连续喂料46 min，共喂料248 g后停止。停止喂料后继续纺丝6 min；共纺丝46 min后停机。待筛网内的残留料冷却成膜后，取出称量为0.9 g。从8个喷孔中，6 000 r/min条件下流出的熔体PP的质量是247.1 g，单个喷孔的流量是0.671 g/min。当转速升高至8 000 r/min，在其他条件不变的情况下，记录到的数据是单孔流量为0.820 g/min。2孔和8孔纺出纤维膜的纤维直径均在0.79～0.9 μm之间。

4.4 射流离开旋转盘时速度测试

在2喷孔进行10 min纺丝实验时，用直径为0.5 mm铁丝端头靠近旋转盘边沿约2 s，铁丝端头上可观察到附着有纤维。在光学显微镜100倍率下寻找最粗纤维，并认为该纤维是刚离开旋转盘并没有被螺旋拉伸的纤维。获得这样的纤维样本3个(3个样本的最粗直径不同)，测得最粗纤维的直径在6.5～10.5 μm之间。根据单孔流量为0.5 g/min，计算出体积流量，并计算出v0=0.09 m/s，代入式(13)可得射流径向速度v2=105.8 m/s。而根据式(14)计算得到旋转盘边沿的线速度v2为 125.6 m/s，可知，二者相差不大。

5 结 论

本文提出了用离心力径向无摩擦阻力地直线拉伸射流的结构和具有工程指导价值的数学模型。采用该设备进行聚丙烯熔体纺丝小规模连续试生产时，当电动机转速为6 000 r/min时，单孔流量是0.671 g/min；电动机转速为8 000 r/min时，单孔流量是0.820 g/min，纺制出的平均纤维直径均在 0.8 μm左右，电动机转速对纤维直径影响较小。

本文提出离心旋转盘外沿的线速度与射流离开旋转盘时的径向速度相近的结论，并通过实验得到验证[10]。在进行熔体离心纺丝时，在线速度相同的条件下，增加离心旋转盘的直径比提高转速有利于提高生产效率。

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