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。
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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。
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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。
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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。
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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。
![纺丝流量压力调节界面.jpg 纺丝流量压力调节界面.jpg](/UeditorUpload/Image/20210621/6375989079068650352305725.jpg)
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。
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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。
![喷丝板设计界面.jpg 喷丝板设计界面.jpg](/UeditorUpload/Image/20210621/6375989096029000147498835.jpg)
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。
![旋转分散盘设计界面.jpg 旋转分散盘设计界面.jpg](/UeditorUpload/Image/20210621/6375989117469677805997954.jpg)
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。
![静电分丝界面.jpg 静电分丝界面.jpg](/UeditorUpload/Image/20210621/6375989124446010051681382.jpg)
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。
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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。
![静电吸附成网界面.jpg 静电吸附成网界面.jpg](/UeditorUpload/Image/20210621/6375989140645078508889744.jpg)
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。
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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。
![强伸性能测试界面.jpg 强伸性能测试界面.jpg](/UeditorUpload/Image/20210621/6375989155348104332442410.jpg)
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。
![纤维直径测试界面.jpg 纤维直径测试界面.jpg](/UeditorUpload/Image/20210621/6375989162836117484872843.jpg)
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。
![材料过滤性能测试界面.jpg 材料过滤性能测试界面.jpg](/UeditorUpload/Image/20210621/6375989171352172442513208.jpg)
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。
![材料透气性能测试界面.jpg 材料透气性能测试界面.jpg](/UeditorUpload/Image/20210621/6375989180022667673531407.jpg)
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。
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图22 提交实验报告界面