Производство химических волокон

Содержание
Введение
1. Химические волокна
1.2 Полиамидные и полиэфирные волокна
1.2 Полиамидные волокна
1.3 Полиэфирные волокна
2. Производство капроновых нитей и волокон
2.1 Синтез капролактама
2.2 Синтез поликапроамида
3. Формование волокон. Теоретическая часть
3.1 Формования комплексных нитей из расплава
3.2 Устройство для намотки сформованной комплексной нити
3.3 Параметры процесса формования
3.4 Формование капроновых нитей
3.5 Текстильная обработка капроновых нитей
3.5.1 Вытяжка нитей
3.5.2 Крутка нитей
3.5.3 Отделка нитей
3.5.4 Сушка и кондиционирование нитей
3.5.5 Перемотка нитей
3.5.6 Сортировка нитей
4. Примеры технологических расчетов
Заключение
Список литературы
Введение
Впервые мысль о том, что человеком может быть создан процесс, подобный процессу получения натурального шелка, при котором в организме гусеницы шелкопряда вырабатывается вязкая жидкость, затвердевающая на воздухе с образованием тонкой прочной нити, была высказана французским ученым Р. Реомюром еще в 1734 году. Однако прошло около полутора столетий, прежде чем эта идея нашла свое практическое воплощение.
Химическими волокнами называют волокна, при получении которых используют химические или физико-химические процессы переработки природных и синтетических высокомолекулярных соединений (полимеров). В зависимости от происхождения полимера химические волокна разделяют на две основные группы: искусственные волокна (если используемый полимер имеет природное происхождение) и синтетические (если волокнообразующий полимер получают в результате химического синтеза из низкомолекулярных соединений-мономеров).
В свою очередь, особенности химического строения волокнообразующих полимеров позволяют разделить химические волокна на два основных класса карбоцепные волокна и гетероцепные волокна.
Гетероцепные волокна. В эту группу включены все виды волокон, полученных из различных полиамидов. Такими волокнами являются поликапроамидные, полигексаметиленадипамидные, полиэнантоамидные, полиундеканамидные и т.д.
Гетероцепные волокна — основной класс синтетических волокон, получивший наибольшее распространение. В промышленных масштабах вырабатываются в основном два вида гетероцепных волокон — полиамидные и полиэфирные — и в небольших количествах высокоэластичное полиуретановое волокно.
Наибольшее распространение полиамидных волокон объясняется присущими им цепными свойствами, широкой сырьевой базой для их производства. Так же в значительной мере тем, что методы получение исходных материалов, а так же процессы формования и последующей обработки разработаны для полиамидных волокон раньше и более детально, чем для других гетероцепных волокон.
Карбоцепные волокна. К этому классу синтетических волокон относят волокна, макромолекулы которых содержат в основной цепи только атомы углерода.
Вырабатываемые карбоцепные волокна подразделяются на полиакрилонитрильные, поливинилхлоридные, поливинилспиртовые, полиолефиновые и фторсодержащие.
Полиакрилонитрильные волокна (нитрон, орлон и др.) получают из полимера и сополимеров нитрила акриловой кислоты.
Поливинилхлоридные волокна вырабатывают из полимеров и сополимеров ВХ (волокно типа ровиль) и винилденхлорида (волокно совиден, саран и др.), а также из хлорированного ПВХ (волокно хлорин).
Поливинилспиртовы, полиолефиновые и фторсодержащие волокна получают соответственно из поливинилового спирта (волокно винол, куралон), полиолефинов (полиэтиленовые и полипропиленовые волокна) и фторсодержащих полимеров (волокно тефлон, фторлон).
Важные преимущества химических волокон перед волокнами природными — широкая сырьевая база, высокая рентабельность производства и его независимость от климатических условий. Многие химические волокна обладают также лучшими механическими свойствами (прочностью, эластичностью, износостойкостью) и меньшей сминаемостью. Недостаток некоторых химических волокон, например полиакрилонитрильных, полиэфирных, — низкая гигроскопичность.
1. Химические волокна
1.2 Полиамидные и полиэфирные волокна
Волокна используют главным образом для изготовления одежды. Кроме этого, значительное количество их расходуется на изготовление всевозможных технических тканей и изделий, высокопрочной кордной ткани, фильтровальных тканей, рыболовных снастей, веревок, канатов и тд. Натуральных волокон не достаточно для удовлетворения все возрастающих потребностей населения в текстильных товарах, а для технических изделий натуральные волокна во многих случаях непригодны, т.к не обладают необходимым комплексом особых свойств (высокой термостойкостью, прочностью, хемостойкостью, биостойкостью и т.д.). Кроме того, производство натуральных волокон является очень трудоемким и дорогостоящим. Поэтому возникла необходимость в разработке промышленных способов получения волокон искусственным путем.
Производство химических волокон ввиду их высокой рентабельностью и огромной сырьевой базы растет очень интенсивно. Быстрому росту производства химических волокон в большой степени способствует их высокие характеристики.
Наиболее быстрыми темпами развития производства синтетических волокон — полиамидных (капрон, анид), полиэфирных (лавсан), что объясняет их ценными свойствами (высокая прочность в эластичности, устойчивость к многократным деформациям и т.д.) полиамидные и полиэфирные волокна выпускаются в виде текстильной и высокопрочной кордных нитей, волокна и мононитей различной линейной плотности. Особенно большое значение имеют синтетические волокна для производства некоторых видов технических изделий. Например, корд для авиационных и тяжелых грузовых пневматических шин, электроизоляционные материалы, фильтровальные ткани для химической промышленности и т.д. Так же высокопрочные нити или ткани из капрона и нейлона применяются для изготовления каркаса автомобильных и авиационных резиновых шин. Такие шины обладают повышенной ходимостью и надежностью.
1.2 Полиамидные волокна
Полиамидными волокнами называются синтетические волокна, получаемые из линейных полимеров, макромолекулы которых содержат амидные группы />. Широкое промышеленное развитие получили полиамидные волокна, изготовливаемые из алифатических полиамидов. Макромолекулы этих полиамидов, наряду с амидными группами, содержат метиленовые группы />.
Поликапроамидные волокна формуют из поликапроамида — полимера, полимера синтезированного из капролактама. Эти волокна выпускаются в разных странах под различными названиями, например «капрон» (СССР), «дедерон» (Германия), «найлон 6» (США).
Поликапроамид представляет собой твердый белый полупрозрачный продукт с ММ 15000 — 25000. При повышенной температуре в присутсвии кислорода поликапроамид подвергается деструкции.
/>/>
Полигексаметиленадипамидные волокна («анид» (СССР), «найлон 6,6» (США) и др.), />. Этот полимер получают из соли АГ:
/>
Полиэнатоамидные волокна (энант (СССР), «найлон 7» (США)) формируют из полиэнантоамида — полимера, полученного поликонденсацией ω — аминоэнантовой кислоты.
/>
Полиундеканамидные волокна (ундекан, найлон 11, киана), вырабатываемые из полиундеканамида — полиамида, синтезированного из
ω — аминоундекановой кислоты.
1.3 Полиэфирные волокна
/>Название данного вида синтетического волокна определено химической природой полимера — сложного полиэфира, из которого получают эти волокна. К сложным полиэфирам относятся высокомолекулярные вещества с общей формулой />, макромолекулы которых состоят из элементарных звеньев, соединенных между собой сложноэфирной связью. Этот класс включает как натуральные (янтарь, шелк и др.) синтетические полиэфиры. Полиэфирные волокна на основе полиэтилентерефталата (ПЭТ) выпускаются под названиями «лавсан» (СССР), «дакрон» (США), «тетерон» (Япония), «териталь» (Испания).
ПЭТ представляет собой твердое белое непрозрачное вещество, способное плавится при нагревании. При быстром охлаждении расплава полимера образуется твердый прозрачный продукт, кристаллизующийся при температуре выше 80ºС. Полимер стоек во многих органических растворителях (ацетоне, этилацетате, ксилоле, диоксане и т.д.), но растворяется в фенолах и их хлорзамещенных. В щелочах и концентрированных растворах аммиака полимер разрушается.
Химические волокна имеют в основном текстильное назначение и должны характеризоваться очень большим отношением длины к диаметру (>10 000), а также своеобразными механич. свойствами:
1) высокой прочностью (до 1 Гн/м2 (100 кгс/мм2));
2) большим относительным удлинением (>5%);
3) эластичностью и быстрым исчезновением деформаций, возникающих под воздействием внешних сил;
4) минимальными пластическими (остаточными) деформациями после снятия нагрузки;
5) максимальной устойчивостью к многократным и знакопеременным нагрузкам. Поэтому для производства химических волокон в качестве сырья используют лишь волокнообразующие полимеры, которые состоят из гибких макромолекул линейной или слаборазветвленной формы, обладающих большой молекулярной когезией. Молекулярная масса этих полимеров должна быть более 15 000, а молекулярно-массовое распределение достаточно узким. Кроме того, эти полимеры должны плавиться без разложения, растворяться в доступных растворителях или переводиться в вязкотекучее состояние какими-либо другими способами.
Таблица 1. Сравнительная характеристика физико-механических свойств химических и натуральных волокон
Волокна
Плотность, кг/м3
Равновесная влажность,%
Относительная разрывная нагрузка, МПа
Относительное удлинение при разрыве,%
Устойчивость к многократным изгибам, число циклов
Устойчивость истиранию (при нагрузке 3кПа)
Тпл, ºС
Капрон
Обычная нить
1140
3.5-3,9
46-51
20-32
25000-28000
1500-2170
196-216
Прочная нить
1140

69-85.5
15-16
16000-30000
1400-2230
196-216
Найлон
Обычная нить
1140
3,3-3,8
39-46
23-32
11000-14000
1000-1040
235-255
Прочная нить
1140

74-79
14-16
27700-34000
3600-4100
235-255
Лавсан
Обычная нить
1380
0.4-0,5
48-62
15-20
9000-12000
1250-1360
235-255
Упрочненная нить
1380
0,4-0,5
69-83
9-12
7200-14000
450-680
235-255
Волокно
1380

41-55
25-40
21000-30000
–
235-255
Хлопок
1520
7,5-9.0
40-60
7-8
–
–
–
Шерсть
1320
13-15
15-20
30-40
–
–
–
Шелк натуральный
1320
11
33-42
20-25
–
–
– –PAGE_BREAK–
2. Производство капроновых нитей и волокон
Процесс получения капроновых нитей и волокон хорошо изучен и непрерывно развивается. Ассортимент нитей, рассчитанный на удовлетворение потребностей различных отраслей народного хозяйства, включает нити текстильного и технологического назначения.
Существует три способа производства капроновых нитей и волокон:
1) Периодический способ — периодический или непрерывный синтез полимера, периодические процессы экстракции и сушки крошки (гранул), формование комплексных нитей.
2) Непрерывный способ с получением крошки — непрерывный синтез полимера, экстракция и сушка крошки, формование комплексных нитей.
Непрерывный способ с формованием комплексных нитей непосредственно из расплава (непрерывный синтез полимера и формование комплексных нитей непосредственно из расплава).
Первые два способа производства капроновых нитей состоят из одинаковых, технологических стадий, но второй способ выгодно отличается от первого применением непрерывных процессов синтеза полимера, экстракции и сушки крошки, что значительно улучшает технологию производства и повышает качество полимера и нитей.
Третий способ предусматривает совмещение в едином технологическом процессе непрерывного способа получения полимера с формованием нитей из расплава без повторного плавления полимера, при этом коренным образом изменяется технология получения нитей. Непрерывный процесс осуществлен в полном объеме при получении волокон и находит все большее применение в производстве текстильных нитей.
2.1 Синтез капролактама
Капролактам может быть синтезирован из фенола, бензола, анилина, а также из н-бутана, фурфурола, ацетилена, этиленоксида и дивинила.
Рассмотрим пример получения капролактама из фенола:
Получение капролактама из фенола.
При гидрировании фенола (135-160°С) в присутствии никелевого катализатора образуется циклогексанол:
/>
Дегидрированием циклогексанола получают кетон-циклогексанон:
/>
Реакция дегидрирования протекает при атмосферном давлении и температуре 400-450°С в присутствии железо−цинкового катализатора. При взаимодействии циклогексанона с гидроксиламином образуется оксим циклогексанона (циклогексаноксим). Этот процесс называется оксимированием:
/>
Оксимирование проводится при 20°С. В конце процесса при нейтрализации выделяющейся серной кислоты аммиаком температура реакционной массы самопроизвольно повышается до 90°С.
При действии концентрированной серной кислоты оксим циклогексанона изомеризуется в лактам ε−аминокапроновой кислоты (изоксим циклогексанона) происходит перегруппировка атомов в молекуле циклогексаноноксима:
/>
Полученный таким способом капролактам подвергается очистке от примесей экстракцией органическими растворителями (например, трихлорэтиленом) и многократной дистилляции под вакуумом.
Из 1 кг фенола получают 0,65 кг капролактама.
Качество капролактама, применяемого для производства волокна капрон, характеризуется следующими основными показателями:
Внешний вид Белые кристаллы
Молекулярная масса 113,16
Температура, ºС
кристаллизации 68,8-69,0
кипения 262
Перманганатное число
3% -ного водного раствора, с 5000-10000
Содержание летучих оснований
мэкв */кг 0,0-0,6
Окраска 50% -ного водного раствора,
ед. платиновокобальтовой шкалы,
не более 5,0
Содержание,%, не более
Циклогексаноноксима 0,002
Железа 0,00002
Кислотность мэкв/кг, не более 0,2
Щелочность мэкв/кг, не более 0,05
Капролактам поступает на заводы синтетического волокна в полиэтиленовых мешках или в бумажных мешках, помещенных в мешки из прорезиненной ткани. Он транспортируется также в расплавленном состоянии в специальных цистернах, покрытых термоизоляцией и снабженных змеевиком для парового обогрева. При транспортировании расплава капролактама достигается значительный экономический эффект, так как отпадает операция плавления капролактама на заводе — потребителе и исключается загрязнение продукта. Расплавленный лактам может храниться в обогреваемых и изолированных емкостях.
2.2 Синтез поликапроамида
Процесс полимеризации капролактама — превращение циклов в линейные полимеры — называется полиамидированием. Он протекает только при сравнительно высокой температуре и повышенном, нормальном или пониженном давлении в присутствии активатора.
Активаторами могут служить органические или минеральные кислоты, а также вода, соль АГ, аминокапроновая кислота или другие соединения, которые в условиях процесса полиамидирования капролактама способны претерпевать химические превращения с выделением воды.
Кроме перечисленных соединений очень эффективными активаторами являются щелочи и металлический натрий, которые в десятки и сотни, раз сокращают продолжительность реакции полиамидирования. В производственных условиях в качестве активатора процесса полиамидирования капролактама чаще всего применяется вода.
Механизм реакции образования поликапроамида зависит от характера применяемого активатора. В присутствии воды реакция полиамидирования капролактама протекает ступенчато по следующей схеме:
На начальной стадии процесса при взаимодействии капролактама с водой образуется аминокапроновая кислота:
/>
Аминокапроновая кислота соединяется с молекулой капролактама и образуется димер:
/>
Димер взаимодействует еще с одной молекулой капролактама и образуется тример:
/>
Присоединение молекул капролактама происходит до образования поликапроамида:
/>
Реакция полиамидирования капролактама является равновесной и обратимой:
/>
В связи с этим капролактам не полностью превращается в поликапроамид и в полимере всегда содержится некоторое количество мономера и других низкомолекулярных водорастворимых соединений (димера, тримера и капролактама).
Количество и состав низкомолекулярной фракции, содержащейся в поликапроамиде (рис.1), зависит от температурных условий проведения процесса. Например, при 180°С количество низкомолекулярных фракций, состоящих из димера и тримера, достигает 2-3%, а при 250-270°С — уже 10-12%, причем примерно 2/3 составляет мономер и 1/3 — димеры и тримеры капролактама. Низкомолекулярные водорастворимые соединения могут быть удалены из поликапрамида экстракцией горячей водой или отгонкой под вакуумом из расплавленного полимера.
/>
График 1 — Зависимость содержания низкомолекулярных соединений в поликапроамиде от температуры полиамидирования капролактама.
К поликапроамиду, предназначенному для переработки в волокно капрон, предъявляются определенные требования. В частности, он должен иметь достаточно большую молекулярную массу (не ниже 11000) и быть монолитным, т.е. не содержать большого числа пустот и раковин. Кроме того, в полимере не должно быть продуктов окисления (поликапроамид белого цвета).
Важным показателем способности поликапроамида к волокнообразованию является молекулярная масса или степень полиамидирования.
Заданная молекулярная масса полимера может быть достигнута регулированием условий полиамидирования — температуры, продолжительности процесса и содержания регулятора (стабилизатора). Регуляторами молекулярной массы полиамидов являются вещества, способные при синтезе полимера взаимодействовать с одной из концевых групп растущей цепи макромолекулы, прекращая ее рост. Чаще всего в качестве регулятора применяют уксусную, себациновую или адипиновую кислоты. Для этих целей используют также уксуснокислый н-бутиламин — регулятор двойного действия, способный блокировать обе функциональные группы макромолекулы полиамида.
Изменяя количество добавляемого регулятора, можно получить полимер с желаемой молекулярной массой. Чем больше регулятора добавлено к мономеру, тем меньше молекулярная масса полимера.
Волокнообразующая способность поликапроамида, зависит от таких показателей полимера, как монолитность и содержание продуктов окисления. Наличие в расплавленном полимере пузырьков газообразных продуктов (чаще всего паров воды) является причиной обрывности нити при формовании и вытягивании. К обрывности приводит также частичное (наличие темных точек) или сплошное окисление поликапроамида (полимер имеет коричневый оттенок). Кроме того, при использовании такого полимера на нитях появляются наплывы и невытянутые участки.
Окисление поликапроамида может быть предотвращено при соответствующих усилиях полиамидирования капролактама, обеспечивающих полную изоляцию реакционной массы от воздействия кислорода воздуха.
3. Формование волокон. Теоретическая часть
Формование волокон. Процесс заключается в продавливании прядильного раствора (расплава) через мелкие отверстия фильерыв среду, вызывающую затвердевание полимера в виде тонких волокон. В зависимости от назначения и толщины формуемого волокна количество отверстий в фильере составляет:
1) 1−4 − для моноволокна;
2) 10−60 − для текстильных нитей;
3) 800−1200 − для кордных нитей;
4) 3000−80000 − для штапельного волокна. При формовании химического волокна из расплава полимера полиамидных волоконсредой, вызывающей затвердевание полимера, служит холодный воздух. Если формование проводят из растворара полимера в летучем растворителе (напр., ацетатных волокон), такой средой является горячий воздух, в котором растворитель испаряется («сухой» способ формования). При формовании из раствора полимера в нелетучем растворителе (напр., вискозных волокон) для осаждения полимера и формования волокна служит раствор, содержащий различные реагенты, так называемая осадительная ванна («мокрый» способ формования).
Скорость формования зависит от толщины и назначения волокон, а также от метода формования: при формовании из расплава — 10-20 м/сек, из раствора по «сухому» способу — 5-10 м/сек, по «мокрому» способу — 0,5-2 м/сек.
Прядильный раствор (расплав) в процессе превращения струек вязкой жидкости в волокна одновременно вытягивается (фильерная вытяжка), в некоторых случаях волокно дополнительно вытягивается в прядильной шахте (осадительной ванне) или непосредственно после выхода с прядильной машины в пластичном состоянии (пластификационная вытяжка). Вытягивание волокон в пластичном состоянии (ориентирование) приводит к увеличению их прочности. После формования жгуты, содержащие от нескольких до 360000 волокон, направляют на отделку или дополнительно вытягивают в холодном или нагретом (до 100-160°С) виде в 3−10 раз. Дополнительное вытягивание значительно повышает прочность волокон при растяжении и снижает их относительное удлинение. Одновременно улучшаются многие ценные текстильные свойства волокон (увеличивается модуль упругости, снижается доля пластичной деформации, растет устойчивость при многократных деформациях). Условия формования (скорость затвердевания полимера, равномерность его выделения из раствора или расплава, натяжение и степень вытягивания) определяют качество формуемых волокон и их физико-механические свойства.
Уравнения, описывающие процессы течения любых жидкостей, являются результатом применения к движению этих жидкостей основных физических принципов, сформулированных в законах сохранения момента количества движения, энергии и массы.
Эти законы формулируются следующим образом: производительный элемент, выделенный внутри занятого движущейся жидкостью объема и ограниченный воображаемой замкнутой поверхностью, представляет собой термодинамическую замкнутую систему (т.е. такую систему, которая может обмениваться с окружающей средой только энергией).
Из закона сохранения материи следует, что масса, находящаяся в замкнутой системе, остается постоянной. Математически этот закон выражается следующим образом:
/>
где t — время, /> — расхождение вектора скорости υ.
В соответствии со вторым законом Ньютона скорость изменения количества движения элемента жидкости равна сумме всех действующих на него сил:    продолжение
–PAGE_BREAK–
/>
где g — главный вектор массовых сил, действующих на жидкость в рассматриваемой точке.
Однако, учитывая, что при течении полимеров ввиду их высокой вязкости силы трения во многом раз превышают инерционные и массовые силы, членами, учитывающими влияние этих сил, пренебрегают. С учетом этого упростим уравнение и запишем в виде:
/> — уравнение Стокса.
Из закона сохранения энергии следует уравнение теплового баланса:
/>
где Сυ — удельная теплоемкость жидкости при постоянном объеме.
q — вектор теплового потока, />
k — коэффициент теплопроводности жидкости.
Уравнения сохранения массы (уравнения неразрывности) в прямоугольной системе координат (x,y,z):
/>
Уравнения сохранения массы в цилиндрических координатах (r,Ө,z):
/>
Уравнения движения в прямоугольной системе координат:
/>/>
Уравнения движения в цилиндрической системе координат (r,Ө,z):
/>
В компонентах тензора напряжений первый индекс указывает направление нормали к площадке, на которой действует данное напряжение, второй индекс — направление действия напряжения.
В силу симметрии тензора напряжений справедливы следующие равенства (закон парности касательных напряжений):
/>
Приведенные выше уравнения движения не описывают связи между величиной напряжения сдвига и соответствующими скоростей деформации. Для того чтобы полностью охарактеризовать поведение деформирующего полимера, необходимо дополнить это уравнение реологическим уравнением состояния, связывающим компоненты тензора скоростей деформации с компонентами тензора напряжений.
Из реологического уравнения, которое относится к случаю установившегося одномерного течения.
/>
Реологическое уравнение состояния, учитывающее релаксационный характер развития высокоэластической деформации и справедливо при малых обратных деформациях, имеет вид:
/>
где />
Заметим, что уравнения состояния следует связывать для определенного интервала времени не с какой-либо определенной точкой пространсва с координатами хi, а с одним и тем же элементом среды, находившимся в момент времени t в точке пространства с координатами хi.
В последнее время так же популярна формула реологического состояния для упруговязской среды предложенная Уайтом.
/>
где pI — изотропия составляющая тензора напряжений.
Функционал G можно представить в виде интегрального разложения:
/>
Реологические свойства среды определяются соответствующим выбором интегральных ядер Ф и Ψ. Первое ядро Ф связывает релаксационный модуль /> линейной вязкоэластичности и ограничивает область малых деформация.
Используя некоторое мгновенное состояние среды как начало отсчета, можно выразить конкретную деформацию среды при помощи разложения в ряд Тейлора:
/>
где — e (s) =e (t — φ) — тензор деформаций, определенных в соответствии с мерой Финглера:
/>
Простейшая форма реологического уравнения, учитывающая аномалию вязкости:
/>
где I2 — квадратичный инвариант тензра скоростей деформации,
μ — значение эффективной вязкости при I2=1.
Значение квадратичного инварианта в прямоугольных координатах:
/>
Значение квадратичного инварианта в цилиндрических координатах:
/>
в случае простого сдвига реологическое уравнение примет вид:
/>
Уравнение энергетического баланса, составленное для установившегося режима в предположении, что все теплофизические характеристики не зависят от температуры, имеет вид:
/>
где ρ — плотность расплава, Сp — теплоемкость расплава, km — коэффициент теплопроводности расплава.
Для построения модели, допускающей аналитическое решение, сделаем следующие допущения:
Течение в направлении оси y существует только в непосредственной близости к стенкам канала. В остальной части сечения канала течение в направлении оси y отсутствует />.
Размеры канала по всей дине постоянны, следовательно, значения υx и υz не зависят от z.
Температурный градиент в поперечном направлении из-за циркуляционного течения пренебрежимо мал по сравнению с продольным градиентом. Таким образом, />
Если уравнение энергетического баланса будем считать, что теплопередача за счет теплопроводности за счет вдоль оси канала пренебрежимо мала, то уравнение энергетического баланса сведется к следующему виду:
/>
3.1 Формования комплексных нитей из расплава
Принцип формования комплексных нитей из расплава заключается в продавливании расплава полимера с помощью дозирующего насоса через тонкие отверстия фильеры. Выходящая из каждого отверстия фильеры струйка расплава полимера, охлаждаясь на воздухе, затвердевает и превращается в элементарную нить. Соединенные в пучок элементарные нити образуют комплексную нить, которая наматывается на бобину.
Фильеры обычно представляют собой короткие капилляры, у которых />. Канал фильеры имеет плавный контур, что позволяет придать потоку на входе форму рюмки и свести до минимума искажение формы экструдата, обусловленным эластическим восстановлением.
/>
Рисунок 1 — Схема формования волокна из расплава
С увеличением скорости вытяжки и ориентационного напряжения величина отношения D/D0 быстро уменьшается. Приблизительное выражение для оценки эластичного восстановления струи при наличии вытяжки имеет следующий вид:
/>
где, B=D/D— коэффициент восстановления струи осевом усилии,
F= 0, λeff — время релаксации макромолекул расплава полимера />,
μ — условно фиксированный динамический коэффициент вязкости,
G — функция, описывающая диссипацию внутренней энергии потока.
По степенному закону Освальда де Виля следует, уравнение сохранения энергии и количества движения следующие:
/>
При рассмотрении энергетического баланса интенсивность теплового потока за счет работы сил вязкого трения, отнесенная к единице обьема (ev) описывается выражением:
/>
Рисунок 2 — Прядильное место: 1 — бункер с крошкой; 2 — кран; 3 — компенсатор; 4 — патрубок; 5 — плавильная решетка; в — паровая рубашка; 7-расплавленный полимер; 8-дозирующий насос; 9 — напорный насос; 10 — насосный блок; 11 — фильерный комплект; 12 — фильера; 13 — обдупоч-ная шахта; 14 — прядильная шахта; 15 — препарационпые шайбы; 16 — прижимной ролик; 17 и 18 — прядильные (приемные) лиски; 19 — ннтераскладчик; 20-шпуля; 21 — фрикционный цилиндр; 22 — теплоизоляция.
/>
где − />
Для формования нитей из расплава характерна вертикальная схема при движении нити сверху вниз. Машина для формования капроновых нитей комплектуется из ряда прядильных мест. Каждое прядильное место (рис.2) состоит из трех основных узлов: узла плавления поликапроамида (крошки) и нитеобразования. Зоны отверждения струек расплава и образования элементарных и комплексной нитей. Устройства для намотки сформованной комплексной нити.
Узел плавления полимера и формования струек расплава состоит из бункера и прядильной головки. В бункере в среде азота хранится запас крошки, необходимый для непрерывной работы в течение 2−6 суток. Бункер − вертикальный цилиндрический сосуд из алюминия с люком в верхней части для загрузки крошки и коническим днищем со смотровым стеклом для наблюдения за расходом крошки (рис.3). В конической части бункера крепится кран, соединяющий бункер через компенсатор и патрубок с прядильной головкой. К верхней части бункера подведены коммуникации для подачи азота и вакуумирования. После загрузки крошки и герметизации бункера из него удаляют воздух, для чего несколько раз попеременно создают разрежение и наполняют бункер азотом.
/>
Рисунок 3 — Прядильная головка:
1 — патрубок; 2 — плавильная решетка; 3 — дозирующий насос; 4-теплоизоляция; 5-насосный блок; 6 — корпус головки; 7-рубашка; 8 — фнльерный комплект; 9 — гильза термопары; 10-напорный насос.
Прядильная или плавильно-формовочная головка состоит из обогревающей рубашки, плавильной решетки и насосного блока. Плавильная решетка (рис.4) представляет собой плоский, спиралевидный, трубчатый змеевик, обогреваемый изнутри парами ВОТ. Насосный блок (рис.5) снабжен двумя шестеренчатыми насосами − напорным и дозирующим (Рис.6) и фильерным комплектом, состоящим из фильтрующего приспособления (металлические сетки и кварцевый песок) и фильеры − массивной пластины с отверстиями диаметром 0, 20−0,25мм (для мононити до 0,5мм). Плавильная решетка и насосный блок находятся в рубашке прядильной головки, обогреваемой парами или жидким ВОТ от общей котельной или при помощи местного электронагревателя.
/>
Рисунок 4 — Плавильная решетка: 1 — корпус; 2-змеевик.
Из бункера крошка самотеком через кран, компенсатор и патрубок поступает на плавильную решетку, где при 265-290°С происходит плавление крошки. Расплавленная смола собирается в коническом пространстве под решеткой, откуда забирается нагнетательным насосом и передается к дозирующему насосу. Дозирующий насос нагнетает расплав под избыточным давлением до 8 МПа, продавливая его через фильтр и фильеру, откуда он выходит в виде тонких равномерных струек (рис.7).    продолжение
–PAGE_BREAK–
/>
Рисунок 5 — Насосный блок с плавильной решеткой.
Рисунок 6 — Шестеренчатый прядильный (напорный и дозирующий) насос.
Рисунок 7 — Нижняя часть прядильной головки с обдувочной шахтой: 1-торец прядильной головки; 2 — обдувочная шахта; 3 — нить.
Все детали прядильной головки (решетка, блок, насосы), с которыми соприкасается расплавленный полимер, сделаны из легированной жаростойкой стали.
Для избегания окисления полимера при плавлении над плавильной решеткой непрерывно продувается азот, содержащий не более 0,0005% кислорода. Количество подаваемого азота строго контролируется, так как избыток азота даже при указанном содержании кислорода в нем вызывает окисление полимера.
Наряду с описанными применяются также и другие конструкции плавильных решеток и прядильных головок, обогреваемых жидким ВОТ и электричеством.
/>
Рисунок 8 — Схема шнекового расплавителя (экструдера):
1 — цилиндрический сосуд; 2 — загрузочное устройство; 3 — электронагреватели; 4-шнек; 5 — зона плавления; 6 — зона темперирования; 7 — зона выгрузки.
Другим видом плавильного устройства является шнековый расплавитель — экструдер (рис.8), обеспечивающий высокую производительность, минимальную продолжительность пребывания полимера в расплавленном состоянии, что обусловливает минимальное увеличение содержания низкомолекулярных соединений в полимере в процессе формования нитей, интенсивное перемешивание расплава, что очень важно для усреднения его свойств и создает достаточное давление, необходимое для транспортирования расплава к прядильным головкам. Такая плавильная головка обеспечивает работу группы прядильных головок. Нить, сформованная из крошки, расплавляемой с помощью экструдеров (содержащая 0,5 — 0,8% низкомолекулярных соединений и 0,05% влаги) содержит до 2% низкомолекулярных соединений, которые не требуется экстрагировать.
Зона отверждения струек расплава и образования элементарных и комплексной нити состоит из обдувочной и прядильной (сопроводительной) шахт. Выходящие из отверстий фильеры струйки расплава полимера застывают в виде элементарных нитей, где они соединяются в пучок, образуя комплексную нить, которая поступает к приемно-намоточной части машины.
Обдувочная шахта размещается непосредственно под фильерой и служит для создания равномерного потока воздуха в направлении, перпендикулярном движению элементарных нитей. Благодаря этому фиксируется движущийся пучок элементарных нитей (комплексная нить) в определенном положении и исключается возможность колебания их и образования утоненных и утолщенных участков. Для обдувки применяют кондиционированный воздух. Из обдувочной шахты комплексная нить попадает в прядильную шахту, которая служит для ограждения формующейся, нити от влияния случайных воздушных потоков и для дополнительного охлаждения в случае формования технических нитей. С этой целью прядильная шахта снабжена рубашкой для охлаждения холодной водой.
3.2 Устройство для намотки сформованной комплексной нити
Выходящие из прядильной шахты нити касаются увлажняющих и замасливающих устройств (шайб) и, проходя через два прядильных диска, поступают на приемную бобину, которая приводится во вращение фрикционным валом.
Прядильные диски служат для удобства заправки нити и, кроме того, способствуют устойчивому режиму формования нити с постоянной скоростью, предотвращая колебания элементарных нитей в зоне отверждения, вызываемые возвратно-поступательным движением нитераскладчика.
Элементарные нити, выходящие из прядильной головки, практически не содержат влаги; на пути от фильеры к приемной бобине комплексная нить не успевает увлажниться влагой воздуха. Для предотвращения увлажнения нити на прядильной бобине в процессе намотки, что привело бы к сползанию волокна с бобины и порче его, ее увлажняют до поступления на бобину. Кроме того, в отделении намотки комплексных нитей воздух кондиционируется по температуре и влажности (температура 18 — 20°С, относительная влажность 45-55%). Таким образом, специально создается пониженная влажность, что предотвращает набухание нити и способствует сохранению формы намотки.
Одновременно с увлажнением или непосредственно после него на нить наносится замасливатель (препарация). Эта операция необходима для облегчения процесса вытягивания и для снижения трения нити о детали машин при операциях вытяжки и крутки. В последнее время все большее применение находит совмещенный способ увлажнения и замасливания нити при формовании. В этом случае применяют замасливатель в виде водной эмульсии, содержащей 5-20% препарирующих веществ.
3.3 Параметры процесса формования
Основные параметры процесса формования нитей — температура и скорость определяются свойствами полимера, толщиной элементарных и комплексных нитей, назначением и заданными свойствами нитей.
Температура формования нити обычно соответствует температуре плавильной решетки. Последняя изменяется в пределах 265 — 290°С в зависимости от молекулярной массы полимера. Чем она больше, тем выше температура формования нити. Температура рубашки обычно ниже температуры решетки на 2-5°С.
Скорость формования изменяется в пределах 350 — 1500м/мин и зависит от производительности плавильного устройства, вязкости расплава полимера (молекулярной массы полимера и температуры формования), толщины элементарных и комплексной нитей.
Комплексные нити толщиной 29, 93,5 и 187 текс формуют со скоростью от 350 до 600 м/мин, комплексные нити толщиной 15,6; 6,7; 5; 3,3; 1,67 — со скоростью от 700 до 1500 м/мин.
3.4 Формование капроновых нитей
Для формования капроновых нитей различных толщин в производстве используют разные типы машин. Качество сформированной нити в прядильном цехе контролируется по следующим показателям: полновесность бобин. Линейная плотность нити, содержание влаги и замасливателя.
Капроновые нити после формования еще не обладают комплексом свойств, требуемых для дальнейшей текстильной переработки, вследствие большого удлинения при разрыве и малой прочности. Для достижения требуемых свойств они должны быть подвергнуты операциям вытяжки (3 — 6 раз) и крутки.
Свойства готовых нитей (прочность удлинение и др.) зависят от многих факторов. Требования к нитям определяются в основном областью их применения. Как правило, нити, предназначенные для изготовления текстильных изделий, должны обладать большим удлинением (26−34%), чем нити технического назначения (12−16%). Поэтому последние подвергаются более сильному вытягиванию. Способность полиамидных нитей вытягиваться дает возможность получать их с заданными свойствами и удовлетворять требования различных потребителей. Капроновая нить одной и той же толщины может быть получена с различным удлинением в зависимости от назначения.
В этих условиях заправка машины для получения комплексных нитей, удовлетворяющих всем требованиям потребителя (по толщине, прочности, удлинению и т.п.), достаточно сложна. На практике при заправке машины поступают следующим образом. Для нити данной толщины задаются степенью вытяжки, расчетным путем определяют необходимую подачу насоса и частоту его вращения при заданной скорости формования.
Подачу насоса Q(в г/мин) находят по формуле
/>
где />− скорость формования, м/мин, М − степень вытягивания нити, Т −линейная плотность нити, текс.
При ориентировочных расчетах поправки, учитывающие содержание влаги и замасливателя в готовой нити, разницу в содержании низкомолекулярных соединений в свежесформованной и готовой нити, а также усадку при отделке и укрутку, можно не принимать во внимание.
Частоту вращения насоса п (об/мин) определяют, пользуясь следующим соотношением:
/>
где ρ − плотность расплавленного полимера, q− производительность насоса за один оборот.
После определения значений Qи п проводят опытное формование нити на нескольких прядильных местах машины. Сформованную нить вытягивают с возрастающей кратностью до получения нити с заданными показателями по прочности и удлинению. Если при этом получается нить с отклонением по линейной плотности, проводится корректировка линейной плотности сформованной нити соответствующим изменением подачи насоса. После этого вновь повторяют опытное формование и вытягивание нити до получения готовой нити с заданными свойствами.
3.5 Текстильная обработка капроновых нитей
Бобины с невытянутыми нитями, поступающие из прядильного цеха, выдерживают в буферной камере или в текстильном цехе в кондиционных условиях (температура 21−23°С, относительная влажность 55−65%) не менее 12ч. Это необходимо для усреднения свойств нити на бобине по слоям паковки и для равномерного распределения влаги и замасливателя. Характер текстильной обработки (степень вытяжки и крутки) капроновых нитей зависит от ее толщины и назначения.
Операций обработки капроновых нитей текстильного назначения:
а) вытяжка;
б) крутка с перемоткой на перфорированные бобины;
в) отделка (удаление низкомолекулярных соединений и фиксация крутки);
г) сушка;
д) кондиционирование;
е) перемотка на конические патроны;
ж) сортировка.
Капроновые нити, предназначенные для производства различных технических изделий, выпускают с завода на конических бобинах и подвергают тем же операциям последующей обработки. Технические (кордные) нити линейной плотности 93,5 и 187текс почти полностью перерабатываются на заводе в кордную ткань. В этом случае в комплекс текстильных операций входят операции крутки кордных нитей и ткачества кордной ткани.
Раньше обработка капроновых нитей (как и других полиамидных нитей) начиналась с операции предварительной крутки. До вытяжки нити в зависимости от толщины сообщалась крутка от 50 до 100 витков/м. Предварительная крутка придает нити компактность, что облегчает процесс ее вытяжки, при этом уменьшается обрывность элементарных и комплексных нитей и повышается равномерность свойств вытянутых нитей. В последние годы операция предварительной крутки исключена на всех заводах капронового волокна в результате более строгого контроля параметров всех технологических процессов, использования исходного сырья более высокой степени чистоты и применения соответствующих замасливающих составов на машинах. При этом значительно сократились производственные площади и уменьшились затраты труда.
3.5.1 Вытяжка нитей
Эта операция осуществляется на крутильно-вытяжных машинах. Из всех операций технологического процесса получения капроновых нитей вытяжка нитей является одной из самых ответственных. Эта операция в значительной степени определяет качество и свойства нитей и как бы контролирует все предыдущие стадии процесса. Это связано с тем, что равномерность вытягивания а, следовательно, и равномерность свойств вытянутой нити зависят от многих факторов: молекулярной массы полимера, содержания низкомолекулярных соединений, условий формования (температура и скорость), влажности количества замасливателя, нанесенного на нить, и др.
Свойства нитей характеризуются не только абсолютными значениями физико-механических показателей, но в значительной степени и равномерностью этих показателей. Колебания температуры и скорости формования, влажности и температуры воздуха в цехе, изменение условий увлажнения и замасливания нити и других параметров технологического процесса приводят к получению нити, отдельные участки которой имеют неодинаковые свойства. Естественно, что при вытягивании такой нити отдельные ее участки будут по-разному вытягиваться, и вследствие этого готовая нить будет обладать неравномерными физико-механическими показателями. Поэтому так важно строгое соблюдение параметров технологического процесса.
Принципиальная схема крутильно-вытяжного механизма машины КВ-300-И показана на (рис.9). Применяется для вытягивания и кручения текстильных нитей линейной плотностью от 1,67 до 15,6текс на кратность вытяжки 2,42 — 4,90 и скорость выпуска вытянутой нити до 750 м/мин. Масса выходной паковки составляет до 400г.
/>
Рисунок 9 — Схема механизма холодного и горячего вытягивания технической нити машины КВ-300-И: 1 — паковка с невытянутым волокном, 2 — натяжные нитепроводники; 3 — нитеводитель; 4 — питающее устройство; 5 — тормозная палочка; 6 — верхний вытяжной диск; 7-нагреватели; 8 — нижний вытяжной диск; 9 — нитепроводник; 10 — копе; 11 — кольцо с бегунком; 12 — веретено.
При вытягивании полиамидных нитей, как и многих других синтетических нитей, получаемых из кристаллизующихся полимеров, наблюдается характерный эффект образования шейки. Для фиксации места образования шейки и повышения равномерности вытягивания нити между питателем и галетой (в поле вытягивания) установлена круглая тормозная палочкаиз твердого материала (агат, корунд и др.), вокруг которой нить делает один оборот. В результате непрерывного трения нити палочка сильно разогревается (до 80°С). Таким образом, образование шейки на нити (при сходе с палочки) обусловлено притормаживанием и нагреванием ее палочкой. Тормозная палочка применяется, как правило, при получении технических нитей; тонкие нити можно вытягивать и без палочки. Описанный процесс называется холодным вытягиванием.
Капроновые нити технического назначения линейной плотностью 93,5 и 187текс подвергаются комбинированному вытягиванию: холодному и горячему. При этом в зону вытягивания помещают приспособление для нагревания нитей до 150 — 180°С.
При фильерной вытяжке волокна из расплава площадь поперечного сечения волокна на участке от выхода из фильеры до приемных роликов гиперболически уменьшается. Типичное изменение площади поперечного сечения и радиуса полимерного волокна показано на графике 2. Участок, на котором происходит вытяжка волокна, имеет протяженность примерно 200см. Способа обнаружения момента начала затвердевания волокна пока не существует.    продолжение
–PAGE_BREAK–
По характеру зависимостей A(z) и R(z), представленных на графике 2, можно видеть, что поле скоростей на участке вытяжки волокна описывается функциями вида: />. Следовательно, чтобы описать течение, нужно совместно решить r — и z-компоненты уравнения движения, уравнение энергетического баланса и уравнения состояния при соответствующих граничных условиях. Это довольно сложная задача, особенно при необходимости использования нелинейного уравнения реологического состояния.
/>
График 2 — Кривые изменения площади поперечного сечения и радиуса волокна на участке вытяжки расплава (z— расстояние от выхода из фильеры). Материал, температура и скорость отбора волокна соответственно 1 — капрон; 265°С; 300 м/мин; 2 — полипропилен; 262°С; 350 м/мин.
В настоящее время еще не разработан математический аппарат, позволяющий точно предсказать закон уменьшения радиуса волокна или распределение скорости течения на участке интенсивного уменьшения радиуса волокна. Правда, несколько попыток оценить скорость, радиус волокна и температуру в зависимости от расстояния от фильеры уже предпринято. Первыми, кто исследовал неизотермическое формование волокна, были Кейс и Матсуо. В работе Хана обобщены результаты, полученные упомянутыми авторами, и предложены два уравнения, описывающие распределение единственной компоненты скорости />и
Т = Т (z) для установившегося режима:
/>
/>
где ε — коэффициент лучеиспускания, /> — массовый расход, /> — теплоемкость при постоянном объеме, FD — сила сопротивления воздуха (приходящиеся на единицу площади), равная
/>
где К — поправочный коэффициент; индекс а указывает, что соответствующие характеристики относятся к окружающему воздуху.
Хан дополнил эти два уравнения переноса степенным законом течения при растяжении, учитывающим температурную зависимость вязкости:
/>
где />, /> — вязкость при нулевой скорости сдвига, e — ширина, /> — энергия активации вязкого течения.
Решение этой системы уравнений можно получить только численным методом. Полученные результаты имеют физический смысл на участке оси zдо момента начала кристаллизации, когда тепловыделение за счет экзотермического эффекта кристаллизации снижает скорость охлаждения расплава (график 3). Здесь приведены результаты измерения температуры поверхности волокна в процессе вытяжки из расплава в зависимости от расстояния z.
В результате кристаллизации внутренних слоев по мере увеличения расстояния от фильеры температура поверхности волокна может даже повышаться.
/>
График 3 — Зависимость температуры поверхности волокна от расстояния от фильеры z. Скорость отбора волокна: 1 — 50 м/мин; 1,93 г/мин; 2 — 100; 1,93; 3 — 200; 1,93; 4 — 200; 0,7.
Сейчас наибольшее внимание привлекают к себе две проблемы, связанные со стабильностью процесса вытяжки волокна из расплава, а именно: резонанс при вытяжке и волокноформуемость. При наличии резонанса при вытяжке наблюдается регулярная и постоянная периодичность изменения диаметра вытягиваемого волокна. Волокноформуемость означает способность полимерного расплава растягиваться без разрыва из-за образования «шейки» или когезионного разрушения.
/>
Рисунок 10 − Кристаллизация линейного волокна при формовании волокна. Морфология структуры, развивающейся в процессе вытяжки волокна (1 — сферолитная структура; 2 — зародыши кристалла, складчатая ламель; 3 — зародыш кристалла, выпрямленная ламель). Заштрихованные участки заняты расплавом. Скорость отбора волокна: а — очень маленькая; б — маленькая; в — средняя; г — высокая.
Физически явление резонанса при вытяжке можно представить себе следующим образом. На участке между выходом из фильеры и тянущими роликами общая масса экструдируемого материала может меняться во времени, поскольку, несмотря на постоянство скорости поступления материала на этот участок, скорость отвода массы не контролируется (регулируется только скорость отбора волокна, но не его диаметр). Поэтому когда вблизи приемных роликов нить утончается, то рядом с этим местом диаметр нити увеличивается, что приводит к чередованию толстых и тонких участков нити. Вскоре утолщенный участок нити попадает на приемные ролики. Скорость отвода массы увеличивается, вследствие чего нить снова утончается, и возникает периодическое изменение диаметра. Резонанс при вытяжке наступает при критическом значении кратности вытяжки (т.е. отношения скорости нити на тянущих роликах к скорости нити на выходе из фильеры). С уменьшением кратности вытяжки и протяженности участка вытяжки уменьшается отношение максимального значения диаметра волокна к его минимальному значению. Критическое значение кратности вытяжки составляет примерно 20,2. Для аномально-вязких жидкостей критическая кратность вытяжки оказывается несколько меньше 20,2 в случае псевдопластичных жидкостей и больше 20,2.
3.5.2 Крутка нитей
В результате вытягивания и кручения нитей на крутильно-вытяжных машинах получают нить с величиной крутки от 50 до 110 витков/м в зависимости от скорости вытягивания и частоты вращения веретен.
Капроновые нити текстильного ассортимента в зависимости от назначения выпускаются с пологой (до 200 витков/м) и с повышенной круткой (более 200витков/м). Нормы повышенной крутки для различных нитей текстильного ассортимента неодинаковы − скорость кручения увеличивается с понижением линейной плотности нити:
Линейная плотность, текс 29 15,6 6,7 5 3,3
Величина крутки, витки/м 200 200 600 800 1000
Докручивание вытянутого капронового волокна до заданной крутки, т.е. окончательное кручение капроновой нити. Нити докручиваются и одновременно перегоняются на перфорированные бобины с образованием паковки, соответствующей по характеру раскладки нити, плотности и форме намотки требованиям отделки нити на бобине.
Скорость движения нити на этажной крутильной машине при пологих крутках составляет 60 − 90 м/мин, частота вращения веретена 900 − 12000 об/мин. Для получения нити с повышенной круткой могут применяться крутильные машины с веретенами двойного кручения и соответственно более низкими скоростями движения нити.
Для кручения технических капроновых нитей линейной плотности 93,5 и 187 текс, предназначенных для изготовления корда, используются различные схемы кручения и применяются разные крутильные машины. Двухпроцессное кручение кордных нитей осуществляется на двух кольцекрутильных машинах первой и второй крутки. По двухпроцессному способу изготавливают кордную нить в два и большее число сложений. Для этих же целей применяются кольцекрутильные машины с веретенами двойного кручения.
3.5.3 Отделка нитей
Отделка капроновых нитей проводится для удаления из них низкомолекулярных соединений путем обработки горячей водой, нанесения на нити замасливающего препарата и фиксации величины крутки. Капроновая вытянутая нить, не подвергнутая термической обработке, обладает способностью в свободном состоянии усаживаться в горячей воде на 8-15% (в зависимости от температуры воды и продолжительности воздействия). Вследствие усадки нити увеличивается ее толщина, снижается прочность и повышается удлинение нити. Обработка нити горячей водой под натяжением на жесткой паковке способствует снятию напряжений в нити, фиксации свойств и получению нити с резко пониженной способностью к усадке. При последующих обработках такой нити в горячей воде в свободном состоянии усадка ее не превышает 3 — 3,5%.
Для отделки капроновых нитей на бобинах применяют коллекторные аппараты, моечные ящики и отделочные агрегаты ОИК-2. Перечисленные аппараты аналогичны по принципу действия; отличаются они по конструкции и по степени механизации процесса.
Коллекторный аппарат (рис.11) состоит из ванны 1, на дне которой проложен коллектор 2 с 60 — 80 патрубками. К каждому патрубку на фланцах крепится перфорированная труба (свеча) 3, заканчивающаяся стержнем с крупной резьбой.
На каждую свечу, одна над другой, устанавливают 4 — 6 бобин с нитью, разделенные резиновыми уплотняющими прокладками. Верхняя бобина закрывается крышкой, и все бобины прижимаются плотно друг к другу зажимающей головкой 4, навертываемой на стержень свечи. Отделочный аппарат вместе с барками для промывных жидкостей, теплообменниками и насосами составляет отделочный агрегат.
/>
Рисунок 11 — Коллекторный аппарат для отделки капроновой нити: 1 — ванна; 2 — коллектор; 3 — свеча; 4 — зажимная головка; 5 — прокладки; 6 — бобина с волокном.
Отделочная жидкость под давлением до 0,3 МПа по коллектору поступает в свечи и, пройдя сквозь толщину намотки нити, поднимается в ванне, откуда самотеком переливается в барку. Достаточно полное вымывание низкомолекулярных соединений из нити достигается при скорости циркуляции промывной воды (при 80 — 90°С) не менее 2,5л/мин на одну бобину и продолжительности отделки 1 — 2 ч.
После промывки горячей водой и обработки отделочной жидкостью нить кратковременно промывают холодной водой для устранения возможного выделения капролактама на поверхности намотки и образования пятен на ней. Регенерация капролактама из промывных вод затруднена из-за присутствия в воде замасливающих веществ, нанесенных на нити при формовании и вымытых при отделке, и поэтому не проводится. Отработанные промывные воды спускаются в канализацию.
После отделки нить на бобинах отжимается в отделочном аппарате путем продувки пара (или воздуха) или на специальных центрифугах. При этом влажность волокна снижается с 30 до 10%.
При отделке капроновой нити повышенной крутки, описанный режим фиксации крутки не применяется. Для фиксации крутки такие нити подвергаются термической обработке острым паром при 125 — 130°С. свечей, на которые устанавливаются бобины. В каждый ящик помещаются одновременно три пакета.
3.5.4 Сушка и кондиционирование нитей
Нити на бобинах сушат в течение 3 — 4 ч в туннельных двухзональных сушилках при 85 — 90°С. Высушенные нити на бобинах выдерживают не менее 18 ч в специальной камере при относительной влажности воздуха 55 — 65%. До достижения равновесной влажности 3,5 — 4,5%.
3.5.5 Перемотка нитей
Полученные капроновые нити перематывают с бобин на конические шпули для получения удобной товарной паковки трехконусной формы с крестовой намоткой. Эта операция проводится на бобинажно-перемоточных машинах. Некоторые виды капроновой нити при перемотке замасливаются. При этом на нить наносится до 4 — 6% безводного замасливателя (вазелиновое масло, стеарокс (ОС-20), триэтаноламин)
Перемотка нити на бобинажно-перемоточных машинах осуществляется при постоянной линейной скорости, которая составляет обычно 250 — 400 м/мин. Плотность намотки нити на конических паковках имеет большое значение для выравнивания свойств нити по слоям паковки. Чем меньше плотность намотки (мягкая намотка), тем лучше выравниваются свойства. Регулируют плотность намотки, соответствующим изменением натяжения нити при перемотке. Однако плотность намотки должна быть достаточной для обеспечения сохранности паковки, предотвращения самопроизвольного сползания нити при транспортировании и переработке волокна, а также при изменении его влажности. Плотность намотки регламентируется и должна составлять 600 — 700 кг/м3 для гладких нитей и 500 — 600 кг/м3 для высокообъемных нитей. При перемотке нити удаляются дефектные участки, концы связываются и выводятся узлы на верхний торец бобины. Масса паковки достигает 600г.
3.5.6 Сортировка нитей
После отделки и перемотки готовую нить сортируют в строгом соответствии с требованиями ГОСТ на данный вид продукции.
Сортность нити устанавливают по наихудшему физико-механическому показателю, внешним признакам и внутрипаковочным дефектам.
Бобины с нитью, качество которой удовлетворяет требованиям ГОСТ, обертывают плотной мягкой упаковочной бумагой.
Коробку перевязывают и помещают в контейнер или деревянный ящик.
4. Примеры технологических расчетов
Ниже приводятся примеры технологических расчетов в производстве капроновых нитей.
Расчет расхода капролактама. Определить расход капролактама на 1кг капроновой текстильной нити линейной плотностью 3,3 текс, если выпуск такой нити, содержащей 5% влаги и 5% замасливателя, составляет 5000 кг/сут.
Для определения расхода капролактама необходимо знать потери на всех технологических операциях и определить массу теряемого при этом полимера. Обозначим массу полимера буквой G, а потери − буквой g. Содержание полимера в готовой нити G1составляет:    продолжение
–PAGE_BREAK–
G1 = 5000 · 0,9 = 4500кг
Потери в сортировочном цехе достигают 0,05%. Следовательно, содержание полимера G2в нити, поступающей в сортировочный цех, составляет
G2= 4500 · 1,0005 = 4502,25кг
Потери полимера в сортировочном цехе составляют:
g2= 2,25кг
Потери при перемотке нити на бобинажно-перемоточных машинах составляют 1,2%, поэтому в перемоточный цех поступает полимера:
G3= 4502,25 · 1,012 = 4556,28кг
Потери полимера в перемоточном цехе составляют:
g3= 4556,28 — 4502,25 = 54,03 кг
В результате вымывания низкомолекулярных соединений потери при отделке достигают 3%.
Следовательно, на отделку поступает поликапроамида (в виде нити):
G4 = 4556,28 — 1,03 = 4692,97кг
Потери в виде низкомолекулярных соединений составляют:
g4= 4692,97 — 4556,28 = 136,7кг
Поскольку регенерация капролактама из воды После промывки волокна не проводится, указанные потери являются безвозвратными.
При окончательной крутке (крутке с перемоткой нити на перфорированные бобины) потери составляют 2%. Содержание полимера в нити, поступающей на эту операцию, составляет:
G5= 4692,97 · 1,02 = 4786,83кг
Потери полимера при окончательной крутке составляют:
g5= 4786,83 — 4692,97 = 93,86кг
На крутильно-вытяжных машинах потери составляют 3% и около 2% несортной нити отбраковывается (скрытый брак прядильного цеха). На эту операцию поступает нить, в которой содержится полимера:
G6= 4786,83 · 1,05 = 5026,17кг
Потери полимера составляют g6= 143,60 в виде вытянутой нити и
g7= 95,74кг в виде невытянутой нити.
В прядильном цехе потери полимера составляют 6%.
Из них 3,8% теряется в виде отходов невытянутого волокна (эти отходы образуются при смене бобин, возвратимые потери), 1,5% — в виде слитков, образующихся при смене фильер и при проверке подачи насосов (возвратимые потери) и 0,7% − при смене деталей прядильной головки (безвозвратные потери, так как при обжиге деталей полимер сгорает).
Следовательно, в прядильный цех для получения нитей поступает полимер в виде крошки в количестве:
G7 = 5026,17 · 1,06 = 5327,74кг
Возвратимые потери в виде невытянутого волокна составляют:
g8= 5026,17 · 0,038 = 191,00кг
и в виде слитков:
g9= 5026,17 · 0,015 = 75,39кг
Безвозвратные потери полимера равны:
g10 = 5026,17 — 0,007 = 35,18кг
Потери полимера при сушке крошки составляют 0,1% или
g11= 5327,74 · 0,001 = 5,33кг
Таким образом, на сушку поступает полимера:
G8 = 5327,74 — 1,001 = 5333,07кг
При экстрагировании крошки теряется 7,5% (в основном в виде капролактама), это составляет:
g12= 5333,07 · 0,075 = 399,9кг
Следовательно, на экстракцию поступает полимера:
G9 = 5333,07 · 1,075 = 5733,05кг
При плавлении и полиамидировании капролактама потери составляют
2,5%: g13= 5733,05 · 0,025 = 143,32кг
Масса капролактама, поступающего на плавление, при влажности его 0,4% составляет:
G10= (5733,05 + 143,32) · 1,004 = 5899,87кг
Потери за счет влажности капролактама составляют:
g14= 5899,87 — 5733,05 — 143,32 = 23,50кг
В итоге получается, что для производства 5000кг капроновой нити в сутки необходимо 5899,87кг капролактама.
Расход капролактама на 1кг нити без учета использования отходов и регенерации капролактама из экстрагированных вод равен:
5899,87: 5000 = 1,18кг
В связи с тем, что часть отходов используется, фактический расход капролактама будет значительно ниже.
Для определения удельного расхода капролактама с учетом использования отходов нужно подсчитать массу отходов, возвращаемых в производство.
Общая масса таких отходов составляет:
Отходы Операция Масса, кг
Вытянутая нить Сортировка 2,25
Перемотка 54,03
Окончательная крутка 93,86
Крутка с вытяжкой 143,60
Всего 293,74
Невытянутая нить Крутка с вытяжкой 95,74
Формование 191,00
Всего 286,74
Поликапроамид Формование 75,39
Полиамидирование 143,25
Всего 218,61
Отходы вытянутой нити перерабатываются в штапельные волокна, при этом теряется 15% отходов и получается штапельного волокна:
G11 = 293,74 · 0,85 = 249,64кг
Отходы невытянутых нитей и отходы полимера составляют:
G12 == 286,74 + 218,64 = 505,38кг
Эти отходы подвергаются деполиамидированию (щелочному расщеплению), 30% отходов теряется.
Регенерируется капролактама (возвращаемого в производство):
G13 = 505,38 · 0,7 = 353,76кг
Воды после экстракции крошки, поступающие на вакуум-выпарку, содержат 399,97кг капролактама.
При регенерации теряется 15% мономера.
Следовательно, возвращается в производство капролактама:
G14= 399,97 · 0,85 = 340,00кг
Всего возвращается в производство в виде штапельного волокна и капролактама:
G15 = 249,64 + 353,76 + 340,00 = 943,40кг
Таким образом, расход капролактама на 1кг нити с учетом использования отходов составляет:
/>кг
Расчет числа прядильных машин.
При расчете необходимого числа прядильных машин для капроновых нитей принимаем:
Скорость формования υ, м/мин 860
Число формуемых нитей n 112
Масса нити на бобине, кг 1,5
Кратность вытяжения, М 3,6
КПД машин η 0,9
Линейная плотность сформированной нити Травна:
/>
гдеТи Т — линейная плотность нити до и после вытяжения (текс),
К = 0,9 — суммарный коэффициент, учитывающий содержание влаги и замасливателя в готовой нити и низкомолекулярных соединений в невытянутом и готовом волокне, а так же усадку нити при отделке.
Суточная производительность одного прядильного места составляет:
/>
Производительность одной прядильной машины равна:
/>
Для производства 10000кг нити (с учетом 11,3% отходов, образующихся на всех последующих стадиях технологического процесса переработки сформированной нити, а так же содержания влаги и замасливателя в готовой нити — всегда 10%) необходимо получить невытянутой нити:
/>
Следовательно, число необходимых прядильных машин составляет:
/>
С учетом резерва на случай ремонта следует иметь 8 прядильных машин.
Из полученных данных построим график зависимости производительности прядильной машины от плотности.
График 4 — график зависимости G12=f(To)
Расчет числа крутильно-вытяжных машин для капронового волокна.
Для этого расчет принимаем:
Число веретен на машине n 164
Частота вращения веретена, об/мин 4500 — 8000
Скорость вытянутой нити V, м/мин 360
КПД машины η 0,9
Продолжительность работы машины
в сутки τ, ч 21
Производительность одной крутильно-вытяжной машины составляет:
/>
Масса нити, подлежащей вытягиванию с учетом 2% несортной продукции (скрытый брак) равна:
/>
Число крутильно-вытяжных машин составляет:
/>
Необходимое число крутильно-вытяжных машин для капроновых нитей составляет 45.
На основании полученных данных построим график зависимости производительности крутильно-вытяжной машины от скорости вытягивания капроновой нити.
График 5 — график зависимости G15=f (V)
Заключение
Формование волокон представляет собой процесс экструзии (продавливания) расплава или раствора полимера через металлическую пластину, имеющих ряд симметрично расположенных отверстий малого диаметра, в результате чего образуется жидкие полимерные струи. Последующая обработка струй включает вытяжку расплава, охлаждение и холодную вытяжку. Диаметр полученных волокон значительно меньше диаметра струй. Волокна являются анизотропными (макромолекулы полимера ориентированы вдоль оси вытяжки),
Полиамидные волокна, а именно капроновое волокно обладают комплексом ценных свойств, определяющих целесообразность и необходимость их широкого использования для изготовления разнообразных изделий.
Капрон — очень прочное вещество т.к практически полностью оказывается кристаллическим. Это достигается за счет вытягивания и одновременного охлаждения выходящего экструдера (продукта формования) в виде нескольких струей (волокон). Затем не полностью остывшие волокна подвергают продольной вытяжке путем намотки на тянущиеся барабаны, при этом их диаметр уменьшается в 10 — 15 раз, что приводит к усилению нитей за чет кристаллизации.
Эластичность капрона намного выше шелка. Но капроновое волокно характеризуется сравнительно невысокой гигроскопичностью, так, же обладают наиболее высокой устойчивостью к истиранию, превосходя по этому параметру другие волокна. Капрон обладает стойкостью к действию микроорганизмов (гниению), но недостаточно стойки в условиях тропиков. Кроме того, волокно не стойко к щелочам и концентрированным минеральным кислотам.
К недостатком капронового волокна можно отнести:
Низкий модуль эластичности. Полиамидные волокна и капрон в частности имеют значительно меньший модуль, чем другие химические волокна.
Пониженная сцепляемость. Из-за чрезмерной гладкости волокон и обусловлена их пониженная сцепляемость их с другими волокнами. В результате высокой прочности и высокой устойчивости к истиранию, эти нити не обрываются, а скатываются на поверхности ткани в шарики, что ухудшает внешний вид изделия. Повышенной гладкостью полиамидных нитей объясняется также и частный спуск петель в чулках и других трикотажных изделиях, а так же неприятный блеск этих изделий (для уменьшения гладкости волокон их обрабатывают кислотами).
Изделия из капрона, и в сочетании с капроном, стали уже обычными в нашем быту. Из капроновых нитей шьют одежду, которая стоит намного дешевле, чем одежда из натуральных природных материалов. Из капрона делают рыболовные сети, леску, фильтровальные материалы, кордную ткань. Из кордной ткани делают каркасы авто — и авиапокрышек.
Список литературы
1. Ермилов А.С., − Теоретические основы процессов получения и переработки полимерных материалов: урс лекций/ А.С. Ермилов. — Пермь: Изд-во Перм. гос. Техн. ун-та, 2009. — 159с.
2. Тадмор З., Гогос К., − Теоретические основы переработки полимеров. Пер. с англ. — М.: «Химия», 1984. — 632 с., ил. — Нью-Йорк. 1979.
3. Торнер Р.В., − Основные процессы переработки полимеров. — М.: «Химия», 1972. — 452 с., ил.
4. Роговин З.А., − Основы химии и технологии химических волокон. Т II. Изд.4-е, перераб. и доп. М.: Химия, 1974. — 344 с., ил.
5. Технология производства химических волокон: Учебник для техникумов. — 3-е изд., пераб. и доп. / А.Н. Ряузов., В.А. Груздев и др. — М.: Химия, 1980. — 448 с., ил.
6. Николаев А.Ф., − Синтетические полимеры и пластические массы на их основе, Ленинградское отделение, «Химия», 1966. — 768 с., ил.
7. Пырков Л.М., − Химические волокна. — М.: Наука, 1969. — 174 с., ил.
8. Энциклопедия полимеров. Ред. Коллегия: В.А. Каргин (глав. ред) Т.1 — М.: «Советская Энциклопедия», 1972. — 1224с., ил.
9. Энциклопедия полимеров. Ред. Коллегия: В.А. Кабанов (глав. ред) Т.2 — М., «Советская Энциклопедия», 1974. — 1082с., ил.
10. Яхно О.М., Дубовицкий В.Ф., − Основы реологии полимеров. — Киев: «Вища школа», 1976. — 186 с.
11. ru. wikipedia.org/wiki