2022华数杯C题:插层熔喷非织造材料的性能控制研究

C题 插层熔喷非织造材料的性能控制研究

熔喷非织造材料是口罩生产的重要原材料,具有很好的过滤性能,其生产工艺简单、 成本低、质量轻等特点,受到国内外企业的广泛关注。但是,由于熔喷非织造材料纤维 非常细,在使用过程中经常因为压缩回弹性差而导致其性能得不到保障。因此,科学家 们创造出插层熔喷法,即通过在聚丙烯(PP)熔喷制备过程中将涤纶(PET)短纤等纤 维插入熔喷纤维流,制备出了“Z型”结构的插层熔喷非织造材料。 插层熔喷非织造材料制备工艺参数较多,参数之间还存在交互影响,加上插层气流 之后更为复杂,因此,通过工艺参数(接收距离和热空气速度)决定结构变量(厚度、 孔隙率、压缩回弹性),而由结构变量决定最终产品性能(过滤阻力、过滤效率、透气 性)的研究也变得较为复杂。如果能分别建立工艺参数与结构变量、结构变量和产品性 能之间的关系模型,则有助于为产品性能调控机制的建立提供一定的理论基础。

需要回答的问题

请查阅相关文献,了解专业背景,研究题目数据,回答下列问题。

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在这里插入图片描述
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思路

本题自由度很大,资料也是最多的,和今年的深圳杯D题一样,属于已经有固定的模型,需要对模型进行最优求解!

(思路持续更新。。。。。)

传统熔喷法非织造材料工艺流程:熔体制备一过滤一计量一纺丝成网一卷绕。
(1)熔体制备
(2)过滤
(3)计量
(4)熔体从喷丝孔挤出
(5)熔体细流牵伸与冷却
(6)成网

插层熔喷工艺流程如图A君所画的


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目前先分析了厚度和距离的关系,第二问要结合其他参数维度考虑,题目越来越清晰了!

第一问、第二问、第三问已更新

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第一问的解法(第二种,用关联分析的方式)
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第五步:对得到的结果可视化一下。(具体代码部分已经做了注释)




import seaborn as sns
import matplotlib.pyplot as plt
plt.subplots(figsize=(9, 9)) # 设置画面大小
plt.rcParams['font.sans-serif'] = ['SimHei'] # 指定默认字体
plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False # 解决保存图像是负号'-'显示为方块的问题,负号正常显示
plt.title('变量相关系数 - 热图\n', fontsize=18) # 添加图表标题“变量相关系数 - 热图”,fontsize=18 字体大小 可省略
# annot=True,是显式热力图上的数值;vmax是显示最大值;xticklabels、yticklabels轴标签显示;square=True,将图变成一个正方形,默认是一个矩形;cmap="Blues"是一种模式,就是图颜色配置。
# mask:控制某个矩阵块是否显示出来,默认值是None,如果是布尔型的DataFrame,则将DataFrame里True的位置用白色覆盖掉
plt.title('变量相关系数 - 热图\n', fontsize=18)

sns.heatmap(corr, annot=True, vmax=1, vmin=0, xticklabels=True, yticklabels=True, square=True, cmap="YlGnBu",
linewidths=0.05, linecolor='white') # mask=t < 0.8等价于mask=(t < 0.8)
plt.show()

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个人认为这种解法有点缺陷,没有的到具体的物理模型,这样会导致后面的题没法解答

插层率的解答

不同 PP/PET 的比例对材料性能的影响(这个就是插层率)

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1、2、11 和 12 号样品中 PP 的含量分别为 100%、90%、80%以及 70%,从表中可以看出相同克重下,随着熔喷 PP 纤维占比的减少,中空涤纶纤维占比的增加,因为中空涤纶具有卷曲,在材料中间支撑着熔喷纤维不压缩到一起,增加空隙,插层熔喷材料的厚度也在慢慢增加。厚度的变化也会影响到其他性能的变化。

PP/PET 的比例对材料过滤性能的影响

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从表1中可以看出,随着涤纶纤维比例的增加,材料的过滤阻力降低,过滤效率增加。从图中可以看出,纯熔喷 1 号样材料对 PM2.5 的过滤效率达到68%以上,但是随着材料中涤纶纤维的增加,熔喷纤维的减少,材料的孔隙增加,孔隙率变大,过滤阻力降低,过滤效率也下降。加入插层的中空涤纶纤维,可以有效地增加材料的容尘量,加入一部分涤纶纤维,对于直径大于 2.5 μm 的颗粒物过滤效率都达到 96%以上,过滤效率降低的很少,可以用于常温过滤。

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