Тема: Формование волокон и пленок

Переработка натуральных и синтетических полимеров в во­локна связана с комплексом физических и физико-химических процессов. Возможность формования волокон из полимеров оп­ределяется следующими условиями:

1) полимер должен плавиться или растворяться;

2) расплав или раствор полимера должен выдерживать зна­чительную продольную деформацию при быстром приложении нагрузки, т. е. обладать прядомостью;

3) получаемые волокна должны иметь требуемые механиче­ские и другие свойства.

Этим условиям отвечают полимеры линейной структуры с молекулярным весом не менее 8000—10000, которые обладают регулярным строением цепей и высокой энергией когезии. Ти­пичными волокнообразующими полимерами являются сильно по­лярные кристаллические материалы, например полиамиды, по­лиэфиры и другие. Процесс получения волокон состоит из трех стадий: 1) приготовление прядильного раствора или расплава, 2) формование волокон, 3) механическая и термическая обра­ботка волокон.

При формовании из расплава на первой стадии полимер пе­реводят в вязкотекучее состояние (расплав, обладающий соответствующей текучестью). Для получения стабильного расплва необходимо, чтобы температура разложения полимера была значительно выше температуры плавления; в противном случае формование волокна из расплава невозможно. Полимеры, разлагающиеся при температурах более низких, чем температура плавления (например, целлюлоза и полиакрилонитрил), перера­батывают в волокна из растворов.

Прядильные растворы или расплавы должны обладать хоро­шей способностью к формованию и, кроме того, легко перево­диться из жидкого

состояния в твердое. Для получения равно­мерного по толщине волокна необходимо использовать однород­ный прядильный раствор.

Формование заключается в продавливании прядильного рас­твора или расплава через фильеру; ири этом струйки жидко­сти вытягиваются в тонкие волокна с одновременным превра­щением прядильного раствора в твердый полимер.

При формовании из расплава струйки расплава полимера за­стывают—полимер затвердевает; при формовании волокон из растворов растворитель удаляется путем испарения или отмыв­ки в осадительной ванне.

На последней стадии производства волокно приобретает не­обходимые физические свойства. Химическая, механическая и термическая обработка полимера улучшают эксплуатационные свойства волокон. Важнейшей операцией механической обра­ботки является вытяжка, обеспечивающая ориентацию макро­молекул вдоль оси волокна, благодаря чему повышается упру­гость и разрывная прочность волокна.

Условия ориентации и степень вытяжки различны для воло­кон из разных полимеров. Термическая обработка (кипячение в воде, выдержка в атмосфере водяных паров или горячего воздуха) обеспечивает релаксацию внутренних напряжений в волокне, уменьшение усадки и улучшение эксплуатационных свойств.

В настоящее время в промышленности применяется три мето­да формования волокон:

1. Формование из расплава.

2. Формование из раствора мокрым способом.

3. Формование из раствора сухим способом.

Первый метод наиболее прост и экономичен; он пригоден Для тех полимеров, которые дают стабильные текучие расплавы. Схема получения волокон из расплава представлена на рис. 6

Рисунок 6 Схема формования волокна из расплавленного полимера:

1 – измельченный полимер; 2 – плавильная решетка; 3 – рубашка для обогрева; 4 – шестеренчатый насосик для дозирования расплава; 5 – фильера; 6 – шахта; 7 – диск для нанесения шлихты; 8, 9 – вращающиеся барабаны; 10 – волокно; 11 – бобина; 12 - привод

Полимер плавится на обогреваемой решетке; расплав с вязкостью порядка 1000 пз продавливают через фильеру с по­мощью шестеренчатого насосика в вертикально расположенную шахту, в которой струйки расплава вытягиваются и одновремен­но затвердевают. В результате получаются тонкие длинные волокна. Для охлаждения волокна чаще всего используют воздух с определенной температурой и влажностью. Волокно проходит несколько метров и наматывается на бобину или шпулю. Для этого метода характерна высокая скорость формования, которая колеблется в пределах 200—3000 м/мин (обычно около 800 м/мин). При формовании непрерывного волокна из филь­еры выходит от 1 до 30 волокон; штапельного — 50—200 во­локон. Диаметр отверстий фильеры состав­ляет 0,15—0,40 мм..

1) Филаментная нить подобна натураль­ному шелку. Она состоит из нескольких во­локон.

2) Штапельное волокно напоминает шерсть или хлопок; оно состоит -из волокон, раз­резанных на отрезки (штапельки) длиной в несколько сантиметров.

Вытяжка волокна представляет собой от­дельную операцию, проводимую на специаль­ных машинах. Волокно проходит через бара­баны или ролики, вращающиеся с различны­ми окружными скоростями. Соотношение этих скоростей определяет степень вытяжки. Про­мывка волокна горячей водой или обработка водяным паром стабилизирует размеры и улучшает свойства волокон.

Полимеры, характеризующиеся в расплав­ленном состоянии высокой вязкостью и малой скоростью релаксации, не могут перерабаты­ваться в волокна описанным способом, так как они не выдерживают значительных де­формаций и большой скорости приложения нагрузки при формовании волокон из расплава. Такие полимеры (высокомолекулярный полиэтилен, полистирол, поливинилиденхлорид) выдавливаются через фильеры с боль­шими отверстиями с помощью экструдера с последующей вытяжкой. Этот метод исполь­зуют для изготовления относительно толстых волокон.

Формование из раствора мокрым способом применяют в том случае, если полимер не дает стабильных текучих расплавов. При формовании из раствора используют тщательно отфильтро­ванные и обезвоздушенные 10—30%-ные растворы полимеров. Раствор с вязкостью порядка 100—500 пз подается при комнат­ной или повышенной температуре с помощью шестеренчатого насосика через фильеру в осадительную ванну. В ванне находит­ся жидкость, в которой полимер нерастворим. Жидкость смеши-вается с растворителем, входящим в состав прядильного раст­вора. В результате этого происходит высаживание полимера. В некоторых случаях (например, при формовании вискозных волокон) осаждению полимера в ванне сопутствуют химические процессы (регенерация). Волокна подвергаются вытяжке и на­матываются на бобину (рис. 53). Формование волокон из рас­твора мокрым способом характеризуется малой скоростью

(10— 130 м/мин, чаще всего 30—70 м/мин). Скорость формования ог­раничена главным образом гидравлическим сопротивлением в ванне; в случае формования из расплава трение волокна о воз­дух не играет существенной роли. В процессе формования жид­кость в ванне постоянно циркулирует и регенерируется.

Рисунок 7 Схема формования волокна из раствора мокрым способом:

1 – ввод прядильного раствора; 2 – дозирующий насосик; 3 – свечевой фильтр; 4 – фильера; 5 – ввод осадителя; 6 – нитеводитель; 7 – бобина

При формовании волокон мокрым способом применяют филь­еры из материалов, стойких к действию прядильного раствора и осадительной ванны, например из сплавов благородных метал­лов (золота, платины). Так как растворы имеют более низкую вязкость, чем расплавы, отверстия фильер для формования из раствора делают меньшими — 0,05—0,15 мм. Количество отвер­стий в фильерах составляет при производстве филаментной нити 20—100, штапельного волокна — 400—12000.

Вытяжку волокон, полученных мокрым способом, проводят чаще всего непосредственно после формования путем перемот­ки волокон с бобины на шпулю, вращающуюся с большей окружной скоростью. Дальнейшая обработка (промывка дляудаления остатков растворителя, термическая обработка и сушка) производится непосредственно после вытяжки непрерывный способом или на бобинах.

В некоторых случаях применяют химическую обработку целого модификации свойств волокна. Примерами такой модификации являются обработка волокна из поливинилового спирта растворами формальдегида для придания нераство­римости, омыление ацетатных групп (во­локно фортизан) для повышения прочности и химической стойкости и частичный гидролиз полиакрилонитрила с целью улучшения окрашиваемости волокон.

Формование волокон из раствора сухим способом применяют в том случае, когда полимеры растворяются в летучих раство­рителях, образуя концентрированные прядильные растворы.

Этот метод проще и экономичнее мокрого формования, однако_: имеет значительно более ограниченную область применения.

Схема процесса формования волокна сухим способом при­ведена на рис. 8.

Рисунок 8 Схема формования волокна из раствора сухим способом:

1 – насосик, дозирующий подачу прядильного раствора; 2 – фильера; 3 – термостатируемый теплоноситель; 4 – прядильная камера; 5 – рубашка для обогрева; 6 – ввод воздуха; 7 – отвод воздуха, насыщенного парами растворителя; 8 – выход волокна

Отфильтрованный и обезвоздушенный прядильный раствор 20—45%-ной концентрации с вязкостью 30—1000 пз подается: с помощью шестеренчатого насосика через фильеру в вертикаль­ную шахту, где струйки раствора встречаются с потоком горя­чего воздуха. На участке длиной в несколько метров происхо­дит практически полное испарение растворителя. Воздушный поток, выходящий из камеры, направляется в регенерационную систему, где абсорбируются или конденсируются пары раствори­теля.

Растворитель, используемый для приготовления прядильного раствора, должен иметь как можно более низкую температуру кипения и малую тегглоту испарения. Так как удаление раство­рителя путем испарения происходит медленнее, чем при высаждении полимера в коагуляционной ванне, возникает опасность склеивания волокон между собой и забивания фильеры. Во из­бежание этого при сухом формовании используют фильеры с отверстиями диаметром 0,15—0,40 мм, расположенными на зна­чительном расстоянии одно от другого. Количество одновремен­но формуемых волокон из одной фильеры не превышает 50—100. Описываемый метод применяется в основном при изготов­лении филаментной нити. Скорость формования

несколько ни­же, чем из расплава, и колеблется в пределах 200—900 м/мин (чаще всего 200—400 м/мин).

Вытяжку волокна, получаемого сухим способом, производят непосредственно после формования или отдельной операцией, как в случае формования из расплава. Дополнительная обра­ботка волокна заключается в отмывке остатков растворителя и сушке.

Вопросы для самопроверки:

1. Методы формования волокн

2. Технологические парметры процесса формования

3. Чем отличается мокрой способ формования волокон от сухого способа

Лабораторная работа 4