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。

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

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

第一问的解法(第二种，用关联分析的方式)









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)

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

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。