南通大学纺织服装学院在专业教学的过程中，有些实验受到实验条件的限制，是实体实验不具备或难以完成的教学内容，如《非织造学》课程中的“闪蒸法非织造工艺及装备”实验。由于该实验技术和设备具有高危险性、高消耗性、易产生健康损害、国外技术垄断等特点，该实验十分适合建设虚拟仿真实验：

（1）闪蒸法非织造生产设备包含高温（170℃~300℃）、高压（7MPa~20MPa）、高电压（20~70kV）、高速运转等危险机构，实体实验过程易发生危险事故。

（2）实验所用溶剂多具有毒性、腐蚀性和易挥发性，泄露会对学生身体健康造成损害。

（3）闪蒸法非织造生产设备规模较大，步骤繁琐，原料、能量消耗大，实体实验难以正常实施。

（4）目前全世界只有美国杜邦公司和日本旭化成公司拥有产业化的闪蒸法非织造生产技术和装备，技术对外严格保密，只销售材料，不销售设备。

闪蒸法非织造技术是当前一种先进的非织造材料生产技术，所生产的闪蒸法非织造材料具有高强度、抗撕裂、耐穿刺、透气、拒水、阻挡微小粒子、抗菌、防病毒等性能，具有其他材料不可比拟的优势，广泛用于医用防护服、化学防护、食品卫生及包装等领域。但由于美国杜邦公司和日本旭化成公司的长期技术垄断和封锁，使得闪蒸法非织造技术成为非织造行业典型的“卡脖子”技术。闪蒸法非织造材料生产工艺及装备的先进性及危险性，使得《非织造学》课程教学中的必备实验不具备实体实验条件，具有建设虚拟仿真实验的必要性和实用性：

（1）通过对发达国家这种“卡脖子”技术的学习、探究，树立学生通过技术突破为人民服务，为国家富强、民族昌盛而奋斗的志向、责任感和自豪感。通过该虚拟仿真实验将“人世间最深层、最持久的爱国情感”根植于学生心中，在学习先进技术的过程中“立德树人”。

（2）通过虚拟仿真实验，学生可以在不具备实体实验条件的前提下，学习到先进的非织造材料生产加工技术，培养学生的创新精神和创新能力，为我国培养既具有爱国情怀，又具有国际先进技术的专业人才；

（3）该虚拟仿真实验可以促进闪蒸法非织造技术的进一步发展，为我国非织造产业注入科学技术新动力和新的经济增长点，开发更先进的安全防护材料，更好的服务于社会。

鉴于此，在现有实践教学条件下，根据高等教育专业人才培养需求和课程特点，以提高学生实践能力和创新精神为核心，在实验教学理论与实践研究的基础上，依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术，本着“能实不虚、以虚促实”的原则，以闪蒸法非织造技术为研究对象，打造“闪蒸法非织造工艺与装备”虚拟仿真教学实验项目。该项目不仅可以丰富实践教学内容，提供安全、可靠、经济的培养模式，还可以为人才培养拓展实践新领域，为行业发展注入技术新动力，为社会安全与防护增加新内涵。

本实验项目旨在通过虚拟仿真实验使学生熟悉闪蒸非织造材料加工工艺实验的完整工艺流程，掌握基本实验技能和各种相关设备仪器的使用方法，促进学生创新能力和实践能力的提高，加强学生综合实验能力的培养。

本实验项目包含以下几个方面的具体实验目的：

（1）掌握闪蒸法非织造工艺原理和工艺过程；

（2）系统掌握闪蒸法非织造设备的构造及各机构的作用；

（3）在虚拟仿真平台顺利完成闪蒸法非织造材料的虚拟生产设计，解决实验过程中遇到的各种问题；

（4）通过完成系统指定任务的闪蒸法非织造材料加工的工艺流程设计，掌握闪蒸法非织造材料各工艺参数对材料性能的影响。

（5）通过探究实验，运用理论知识解决生产过程中的问题，提高解决复杂工程问题的能力。

闪蒸纺丝是指高聚物溶液在其溶剂沸点以上高压挤出，溶剂闪蒸导致聚合物析出固化，并急速牵伸形成纤维的纺丝方法。要求使用的高聚物和溶剂在溶剂沸点以上不分解，溶剂可快速蒸发。经喷丝板挤出的溶液细流，在压力突然降低时引起溶剂闪蒸，从而使高聚物溶质析出固化并牵伸形成纤维，形成的纤维束经机械分丝和静电分丝装置分散，经接收帘转移至压辊热轧成形，制得闪蒸法非织造材料。闪蒸法非织造技术作为一种先进的非织造材料加工技术，包含多种核心技术原理。

（1）干法纺丝工艺原理

闪蒸纺丝属于溶液纺丝中的干法纺丝。纺丝液由计量泵输送至喷丝头，经喷丝孔挤出的纺丝细流进入纺丝甬道，溶剂迅速挥发，聚合物浓度迅速增大，丝条固化，同时以一定的速度牵伸、卷取，使丝条细化形成纤维。

图1 干法纺丝工艺原理图

（2）相分离原理

闪蒸纺丝最突出的现象就是相分离。闪蒸纺丝用溶剂在高热或较高压力的条件下能够溶解聚合物，但是在等于或低于其正常沸点的条件下，溶剂对聚合物无溶解力或溶解能力很低。将适合于闪蒸纺丝的聚合物在高温高压室中溶于合适的溶剂中，形成均一的纺丝液。然后将溶液挤入一种低温和通常是低压的介质中。由于纺丝液压力的减小, 使得在高温高压室形成的单相溶液变为两相分散溶液，即为溶剂富集相和溶质富集相的分散相。此两分散相在压力的推动下经过喷丝板喷出，此时由于压力的突然释放，使得溶剂急速挥发，即所谓的闪蒸，使得喷出的聚合物以丝束的形式出现。总的来说，闪蒸纺丝的特点就是聚合物在高压下溶解，而在低压下产生相分离。

图2 相分离原理图

（3）超音速流原理

闪蒸纺丝原液经减压后，溶剂由液态转化为蒸汽态，在喷丝口处迅速膨胀。聚合物及溶剂因膨胀而加速，形成超音速流，流体中聚合物以珠状液滴形式存在。此变化过程中，溶剂产生相转变，溶剂与聚合物产生相分离。在相热转换的同时，流体依靠速度梯度产生高速拉伸，将溶质细化成纤维。整个过程瞬间完成，聚合物快速结晶。

图3 形成超音速流的结构原理图

（4）静电分丝原理

通过电晕放电法对超细纤维丛施加静电场，使超细纤维丛带上同种静电荷，在拉伸的过程中相互排斥散开，通过摇摆装置，将开纤后的网状超细纤维丛进行堆积铺网，所得纤维网经不同方式粘合加固，得到风格不一的闪蒸纺超细纤维非织造布。

注：1-标靶辊；2-放电针；3-放电针板；4-抗高压绝缘材料壳体；5、6-丝束

图4 静电分丝原理图

实验内容：

整个实验教学过程分为虚拟实验前、虚拟实验中、虚拟实验后三个阶段，将虚拟实验、理论分析和实体实验有机结合起来，相辅相成。实验教学实施过程如图5所示。

图5 实验教学实施过程

虚拟实验前，主要包括知识学习、设备认知和熟悉闪蒸法非织造工艺流程三个环节。学生通过学习实验背景知识、实验安全手册和闪蒸法非织造理论知识，并进行自测检验学习效果，掌握闪蒸法非织造材料、设备及行业的知识，掌握闪蒸法实验安全知识以及闪蒸法非织造实验原理。学生通过设备认知环节的学习，了解整个流程中主要设备的作用和工作原理等相关知识。通过熟悉闪蒸法非织造工艺流程，可以更好的进行后续的实验操作。

虚拟操作中，主要包括闪蒸法纺丝液制备、闪蒸纺丝工艺探究、闪蒸法纺丝、纤网中丝束分丝、纤网成型和性能测试等环节，是本虚拟仿真实验的主体。通过闪蒸法纺丝液制备过程中各工艺参数的探究学习，熟练掌握纺丝液工艺参数对材料性能的影响规律。通过闪蒸法纺丝工艺参数的多次探究，熟练掌握纺丝工艺参数对材料结构和性能的影响规律，并使用优化后的工艺参数进行闪蒸法纺丝。闪蒸法纺丝后得到的并不是分散度很好的散纤维，而是尚未完全分离好的纤维束，需要对纤维束进行机械分丝、高压静电分丝或者结合两种分丝方法进行分丝，目的是得到纤维分散充分、结构均匀的纤维网。通过对各分丝工艺参数的探究，掌握机械分丝和静电分丝原理。纤网成型效果受到网帘参数、静电吸附成网、热轧成型等工艺参数的影响。在一定范围内，网帘的接收距离大静电分丝的效果会更好，可以得到更加均匀的纤维网。闪蒸法纺丝的纤维网需要通过静电吸附到接收网帘上，否则容易出现飘网现象，最终影响非织造材料的结构和性能。热轧工艺参数跟闪蒸法非织造材料的强度、过滤效率和透气性等都有很大关系，学生通过探究学习可以熟练掌握工艺参数与材料结构与性能的关系。通过性能测试环节的学习，学生可以掌握闪蒸法非织造材料强伸性、纤维直径、过滤效率和透气性的测试方法。通过多次探究实验，可以逐步了解各生产工艺参数与材料结构与各项性能的关系。

虚拟实验后，主要包括学习交流、材料结构分析、性能测试和归纳总结四个环节。通过与老师、与同学间的学习交流，学生可以更好的解决虚拟实验过程中遇到的各种疑难问题，并能帮助学生更好的理解实验内容。在材料结构分析和性能测试环节，教师指导学生比较闪蒸法非织造材料与纺粘、熔喷非织造材料结构与性能的不同，提高学生分析、创新能力。通过本虚拟仿真实验以及其他实体实验的学习，在归纳总结环节，学生对不同非织造材料的结构和性能进行归纳总结，找出其结构性能与制备工艺之间的关系，使所学的知识得到进一步的深化和提升。

实验步骤：

步骤1：知识学习

知识学习界面如图6所示。用户用鼠标点击左侧主菜单中的“知识学习”按钮，右侧视窗中显示“实验安全手册”、“实验安全自测”、“理论知识”、“知识考试”。用户通过点击视窗上部菜单中的“实验安全手册”和“理论知识”进行知识学习，通过点击“实验安全自测”和“知识考试”进行理论知识测试，对学习效果进行自测。通过知识学习，可以了解本实验操作过程中容易出现的安全事故，如何避免实验安全事故的出现；可以学习到与闪蒸法非织造相关的理论知识，有助于后续实验操作的顺利进行。

图6 知识学习界面图

步骤2：设备认知

设备认知界面如图7所示。用户用鼠标点击左侧主菜单中的“设备认知”按钮，在右侧视窗中点击发光的设备，了解设备的用途及工作原理。按住鼠标右键进行视角调节，使用键盘中的W、A、S、D可以前后左右自由行走。用户可对闪蒸法非织造设备生产的整个工艺流程进行学习，了解整个流程中主要设备的作用和工作原理等相关知识，可以更好的进行后续的实验操作。

图7 设备认知界面

步骤3：加料

加料界面如图8所示。用户用鼠标点击左侧主菜单中的“虚拟生产设计”模块中的“加料”按钮，右侧视窗中显示“加料”菜单。通过探究实验，选择不同的溶质和溶剂配比，得到不同浓度的纺丝液。不同工艺参数的探究选择后，用户可以根据选择探索后的最优选项进行下一步的实验。通过探究学习和得分比较，用户可以找出不同纺丝液参数对材料性质的影响规律。

图8 加料界面

步骤4：生产参数设计

生产参数设置界面如图9所示。用户用鼠标点击左侧主菜单中的“虚拟生产设计”模块中的“生产参数设置”按钮，右侧视窗中显示“生产参数设置（高温高压釜）”菜单。通过探究实验，选择不同的温度和压力。不同工艺参数探究后，用户可以根据选择探索后的最优选项进行下一步的实验。通过探究学习和得分比较，用户可以找出高温高压釜参数对材料性质的影响规律。实验中，如果用户设置的温度或压力过大，会导致实验失败，引发爆炸。爆炸动画很好的展示了不规范操作引发的危险场景及人身伤害情况，起到很好的警示作用。

图9 生产参数设置界面

步骤5：纺丝流量压力调节

纺丝流量压力调节界面如图10所示。用户用鼠标点击左侧主菜单中的“虚拟生产设计”模块中的“纺丝流量压力调节”按钮，右侧视窗中显示“纺丝流量压力调节”菜单。通过探究实验，选择不同的纺丝流量和纺丝压力参数。不同工艺参数探究后，用户可以根据选择探索后的最优选项进行下一步的实验。通过探究学习和得分比较，用户可以找出纺丝流量压力参数对材料性质的影响规律。

图10 纺丝流量压力调节界面

步骤6：喷丝距离设计

喷丝距离设计界面如图11所示。用户用鼠标点击左侧主菜单中的“虚拟生产设计”模块中的“喷丝距离设计”按钮，右侧视窗中显示“喷丝距离计算”菜单。通过调节丝垂直方向上的运动距离，确保喷丝板喷丝后接触到分丝盘合适位置，保证闪蒸法纺丝顺利进行。另外，喷丝距离又与丝垂直方向上的运动距离和喷丝初速度有关。合适的喷丝初速度又是决定纺丝液具有可纺性的重要条件。用户可以通过工艺参数的探索，找出纺丝距离等参数对材料性质的影响规律。

图11 喷丝距离设计界面

步骤7：喷丝板设计

喷丝板设计界面如图12所示。用户用鼠标点击左侧主菜单中的“虚拟生产设计”模块中的“喷丝板设计”按钮，右侧视窗中显示“喷丝板设计”菜单。在喷丝板设计菜单中，可以选择不同的喷丝孔直径、喷丝孔间距、喷丝孔长径比等工艺参数。不同工艺参数探究后，用户可以根据选择探索后的最优选项进行下一步的实验。通过探究学习和得分比较，用户可以找出喷丝板各项工艺参数对材料性质的影响规律。

图12 喷丝板设计界面

步骤8：旋转分散盘设计

旋转分散盘设计界面如图13所示。用户用鼠标点击左侧主菜单中的“纤网成型”模块中的“旋转分散盘设计”按钮，右侧视窗中显示“旋转分散盘设计”菜单。在旋转分散盘设计菜单中，可以选择不同的旋转速度和不同的分散盘纹路，这些工艺参数决定了分丝盘与丝束接触式摩擦力的大小，摩擦力的大小又跟分丝效果紧密相关。不同工艺参数探究后，用户可以根据选择探索后的最优选项进行下一步的实验。通过探究学习和得分比较，用户可以找出旋转分散盘各项工艺参数对材料性质的影响规律。

图13 旋转分散盘设计界面

步骤9：静电分丝参数设计

静电分丝界面如图14所示。用户用鼠标点击左侧主菜单中的“纤网成型”模块中的“静电分丝”按钮，右侧视窗中显示“静电分丝”菜单。在静电分丝菜单中，可以选择不同的静电电压、正负极间距和极性，这些工艺参数跟静电分丝效果有直接影响。不同工艺参数探究后，用户可以根据选择探索后的最优选项进行下一步的实验。通过探究学习和得分比较，用户可以找出静电分丝各项工艺参数对材料性质的影响规律。

图14 静电分丝界面

步骤10：网帘参数设计

网帘参数界面如图15所示。用户用鼠标点击左侧主菜单中的“纤网成型”模块中的“网帘参数”按钮，右侧视窗中显示“网帘参数”菜单。在网帘参数菜单中，可以选择不同的网帘接收距离和网帘速度，这些工艺参数跟静电分丝效果和纤网成型质量都有一定影响。不同工艺参数探究后，用户可以根据选择探索后的最优选项进行下一步的实验。通过探究学习和得分比较，用户可以找出各项网帘参数对材料性质的影响规律。

图15 网帘参数界面

步骤11：静电吸附成网工艺参数设计

静电吸附成网界面如图16所示。用户用鼠标点击左侧主菜单中的“纤网成型”模块中的“静电吸附成网”按钮，右侧视窗中显示“静电吸附成网”菜单。在静电吸附成网菜单中，可以选择不同的静电电压和极性，这些工艺参数跟纤网能否跟网帘紧密接触及消除多余静电荷有关。不同工艺参数探究后，用户可以根据选择探索后的最优选项进行下一步的实验。通过探究学习和得分比较，用户可以找出各项工艺参数对材料性质的影响规律。

图16 静电吸附成网界面

步骤12：热轧成型工艺参数设计

热轧成型界面如图17所示。用户用鼠标点击左侧主菜单中的“纤网成型”模块中的“热轧成型”按钮，右侧视窗中显示“热轧成型”菜单。在热轧成型菜单中，可以选择不同的热轧压力、热轧温度，这些工艺参数跟纤网强度、过滤效率和透气性等都有很大影响。不同工艺参数探究后，用户可以根据选择探索后的最优选项进行下一步的实验。通过探究学习和得分比较，用户可以找出各项工艺参数对材料性质的影响规律。为了控制纤网的牵伸倍数和保证生产顺利进行，成卷速度固定为网帘速度的1.1倍。

图17 热轧成型界面

步骤13：强伸性能测试与分析

强伸性能测试界面如图18所示。用户用鼠标点击左侧主菜单中的“性能测试”模块按钮，最右侧视窗中显示“性能测试”菜单。在性能测试菜单中，点击“强伸度”按钮，进入强伸性能测试实验。强伸性能测试需要测试五个试样，并用五个试样的平均值表示材料的强伸性的好坏。分别点击“第一个试样”至“第五个试样”按钮，系统会根据后台数据库及建立的数学模型，自动显示材料在拉伸过程中强伸的变化情况。通过对强伸性测试结果的分析，用户可以判断自己设计的闪蒸法非织造材料是否满足实验任务的要求。

图18 强伸性能测试界面

步骤14：纤维直径测试与分析

纤维直径测试界面如图19所示。用户用鼠标点击左侧主菜单中的“性能测试”模块按钮，最右侧视窗中显示“性能测试”菜单。在性能测试菜单中，点击“纤维直径”按钮，进入纤维直径测试实验，系统会根据数据库给出设计条件试样的扫描电镜图片。利用标尺工具，在扫描电镜图片中可以直接在不同位置量取纤维直径的大小，取是个不同位置直径的平均值作为纤维直径。通过对纤维直径测试结果的分析，用户可以判断自己设计的闪蒸法非织造材料是否满足实验任务的要求。

图19 纤维直径测试界面

步骤15：材料过滤性能测试与分析

材料过滤性能测试界面如图20所示。用户用鼠标点击左侧主菜单中的“性能测试”模块按钮，最右侧视窗中显示“性能测试”菜单。在性能测试菜单中，点击“过滤性能”按钮，进入过滤性能测试实验，系统会根据数据库给出设计条件试样的过滤效率。通过对过滤效率测试结果的分析，用户可以判断自己设计的闪蒸法非织造材料是否满足实验任务的要求。

图20 材料过滤性能测试界面

步骤16：材料透气性能测试与分析

材料透气性能测试界面如图21所示。用户用鼠标点击左侧主菜单中的“性能测试”模块按钮，最右侧视窗中显示“性能测试”菜单。在性能测试菜单中，点击“透气性能”按钮，进入透气性能测试实验，系统会根据数据库给出设计条件试样的透气率。通过对透气率测试结果的分析，用户可以判断自己设计的闪蒸法非织造材料是否满足实验任务的要求。

图21 材料透气性能测试界面

步骤17：提交实验报告

提交实验报告界面如图22所示。用户性能测试结束后，系统会自动记录整个实验数据，并自动形成并提交实验报告。点击菜单右上方“实验报告”按钮，用户可查阅实验结果和成绩。如果用户对本次实验结果不满意，可以重新实验，新的实验报告会覆盖旧的实验报告。

图22 提交实验报告界面