离心纺丝是利用旋转喷丝头产生的惯性离心力将聚合物熔体或溶液拉伸成纤维的方法。随着纳米纤维的出现和科技的进步,学者们发现了离心纺丝在纳米纤维制备方面的优势,与常见的用于制备纳米纤维的静电纺丝相比,离心纺丝产量更高,不仅能够进行溶液纺丝,还能够进行熔体纺丝。本文将辅助气流引入离心纺丝技术中,在惯性力以外再加上一个气流力,使聚合物丝条在气流力和惯性力共同作用下拉伸变细,以制备出更细的纤维。本文的研究目的是建立气流辅助离心纺丝聚合物拉伸模型,以实现纤维直径的预测。本文采用数值模拟和实验测试的方法对气流辅助离心纺丝的气体流场和聚合物拉伸进行了研究。先是建立了气体流场模型并进行了数值模拟,再用热线风速仪测量了气体速度,对模拟结果进行了验证。然后建立了聚合物拉伸模型并进行了数值模拟,对模拟结果进行了验证。本文围绕气流辅助离心纺丝的气体流场和聚合物拉伸开展了下列研究工作。(1)建立了面向气流辅助离心纺丝的圆周排列气流喷嘴组的气体流场模型,并进行了数值模拟。本文建立了面向气流辅助离心纺丝的圆周排列气流喷嘴组的气体流场模型。该模型由质量守恒方程、动量守恒方程、湍流模型和边界条件组成。根据喷嘴组的工作条件,计算了流动的雷诺数,引入了标准k-ε双方程模型。应用Gambit和Fluent软件,对不同离心转速和气体初始速度下的气体流场进行了数值模拟。模拟结果表明,离心转速改变不会对气体速度衰减曲线的形状造成很大影响。在离心器旋转的基础上增加喷射气流可以增大喷嘴处的气体速度,整个纺丝区域的流场是离心旋转与喷射气流叠加的结果。离心旋转本身会在喷嘴附近形成气流圈。喷射气流由于惯性作用会形成抛物线状的气尾,气体流线的模拟结果显示,喷射气流运行一段距离后有返回喷嘴组旋转中心的现象。(2)通过测量圆周排列气流喷嘴组气体流场的气体速度,对气体流场模型进行了实验验证。本文应用IFA300型热线风速仪对圆周排列气流喷嘴组气体流场的气体速度进行了测量。测量不同离心转速和气体初始速度下喷嘴中心轴线方向上若干位置的气体速度。将无量纲化处理后的气体速度实测值与模拟值进行了比较,结果显示模拟值与实测值具有同样的变化趋势:喷嘴附近的气体速度略大于气体喷出的速度。当离心转速超过880 r/min时,气体速度随着距喷嘴距离的增加呈下降趋势,尤其在前期迅速下降,原因在于喷丝头周围的气流圈快速消耗了喷射气流的能量。同时,在刚出喷嘴一小段距离的位置上,气体速度出现一个小峰值后缓慢下降,这个小峰值即是喷丝头旋转形成的气流圈的位置。实验测量结果证明了本文所建气体流场模型的有效性。(3)建立了离心纺丝聚合物拉伸模型,并进行了数值模拟和初步验证。本文将聚合物熔体出喷嘴后的细化过程认为是在纺丝线上的拉伸流动,暂不考虑气体流场对聚合物拉伸的影响,分析了聚合物熔体质点的受力和热传递,建立了离心纺丝聚合物拉伸模型。应用Matlab软件模拟了聚合物拉伸过程,获得了外切圆半径数据、流线形状、聚合物熔体丝条温度和直径。根据模拟结果,分析了聚合物在不同条件下的熔体流线,对比了不同条件下模拟的纤维直径和文献实测直径。结果表明:聚合物熔体质点从喷嘴喷出后运行一段时间有返回离心基圆的现象,粘性力越小,聚合物熔体在一个返回周期内的流线越长;聚合物熔体丝条的最小直径会出现在距离离心器旋转中心最远的位置;在不同离心转速和聚合物初始温度条件下,纤维直径模拟值与实测值变化趋势一致,吻合较好,证明了聚合物拉伸模型的有效性。(4)建立了气流辅助离心纺丝聚合物拉伸模型,并进行了数值模拟。本文通过引入气流力,建立了气流辅助离心纺丝聚合物拉伸模型。气流力由空气阻力公式确定,从气体流场模拟结果中提取气体速度,得到气体速度对相应质点坐标的回归方程,公式中气体速度来自于气体流场模拟结果。利用Matlab软件编写计算程序,模拟了聚合物熔体丝条的直径和聚合物熔体质点的流线,比较了不同气体初始速度条件下的模拟结果。气体流场模拟结果显示,无论离心转速和气体初始速度为多少,最终流线上的气体速度都会下降到25 m/s左右。比较不同离心转速下气体速度衰减曲线发现,衰减曲线的形状不受离心转速的影响,且气体初始速度越大,气体速度衰减越快。聚合物熔体流线形状和直径的模拟结果显示,增加辅助气流影响聚合物丝条直径和聚合物熔体流线上质点的矢径。在同样的离心转速下,气体初始速度越大,矢径越大,直径越小;在同样的气体初始速度下,离心转速越大,直径越小。离心转速对矢径的影响不如气体初始速度对矢径的影响大。(5)利用离心纺丝装置制备了纤维,通过测量纤维直径对聚合物拉伸模型进行了实验验证。本文利用简易离心纺丝装置在不同离心转速和聚合物初始温度条件下,用熔融的聚丙烯切片制备了纤维。利用聚合物拉伸模型模拟了不同工艺条件下的纤维直径。对纤维拍摄了扫描电子显微镜照片,应用图像分析软件测量了所制备纤维的直径,与模拟结果进行了对比。对比结果显示,在不同工艺条件下,纤维直径模拟值与实测值变化趋势一致,吻合较好,从而证明了本文所建聚合物拉伸模型的有效性。此外,引入辅助气流能够减小纤维直径。研究发现,离心转速和聚合物初始温度均对纺丝结果有影响。离心转速越大,聚合物初始温度越高,则纤维越细。当离心转速低于900 r/min或者聚合物初始温度低于220℃,离心纺丝成纤和成网的效果会变差。综上所述,本文建立了面向气流辅助离心纺丝的圆周排列气流喷嘴组的气体流场模型,进行了数值模拟和实验验证;建立离心纺丝聚合物拉伸模型和气流辅助离心纺丝聚合物拉伸模型,进行了数值模拟。利用离心纺丝装置制备了纤维,应用图像分析方法测量纤维直径,对模拟结果进行了实验验证。本文建立的气流辅助离心纺丝聚合物拉伸模型有助于科学地预测离心纺丝纤维直径,有利于优化和改进离心纺丝设备与工艺,为建立这种新型超细纤维制备方法的理论基础做出了积极贡献。