Содержание к диссертации
Введение
Обзор состояния проблемы и постановка задачи исследования 16
1.1 Способы получения волокнистых материалов 16
1.2 Волокнистые материалы, получаемые непосредственно в процессе формования 17
1.2.1 Общие принципы метода аэродинамического формования волокнистых материалов из расплавов полимеров (ВМАФ) 18
1.2.2 Методы улучшения потребительских свойств нитей и волокнистых материалов 23
1.2.3 Существующие схемы аэродинамического формования волокнистых материалов из растворов полимеров 26
1.3 Гидро и аэродинамика в процессе формования волокон аэродинамическим способом 29
1.3.1 Продольное обтекание пластин и цилиндров бесконечной длины потоком жидкости и газа 29
1.3.2 Особенности аэродинамики в процессе формования химических волокон 32
1.4 Теоретические основы и экспериментальные данные по реологии растяжения полимерных струй 38
1.4.1 Реологические модели вязкоупругих жидкостей 39
1.4.2 Исследования вязкоупругих характеристик полимеров при растяжении 42
1.4.3 Исследование факторов, влияющих на устойчивость растяжения полимерных струй 47
1.5 Основные выводы из литературного обзора и постановка задачи исследования 54
1.5.1 Предполагаемая схема процесса аэродинамического формования волокнистых материалов из растворов полимеров (ВМАФР) 57
1.5.2 Основные задачи исследования 60
2. Методическая часть 63
2.1 Определение удельной вязкости полимера 63
2.2 Приготовление лабораторных порций раствора СЛАН в ДМФ А 64
2.3 Определение характеристик полимерного раствора 66
2.3.1 Определение фактической концентрации полимера в растворе 66
2.3.2 Определение ньютоновской вязкости полимерного раствора 68
2.4 Определение силы натяжения растягиваемой полимерной струи 72
2.4.1 Физическая модель эксперимента и расчетные схемы 72
2.4.2 Описание экспериментальной установки для определения силы натяжения струи 76
2.4.3 Калибровка воздушного сопла 78
2.4.4 Замер смещений струи 78
2.4.5 Определение диаметров среднего сечения струи 80
2.4.6 Режим фотографирования, фотографическая обработка материалов 82
2.4.7 Математическая обработка результатов 82
2.5. Изучение деформированного состояния растянутой полимерной струи 82
2.6 Описание экспериментальной установки для получения нетканого материала аэродинамическим способом из растворов полимеров 85
2.7 Изучение структурных и физико-механических показателей волокон и нетканого материала 87
2.7.1 Определение диаметра волокон 87
2.7.2 Показатель двойного лучепреломления волокон 88
2.7.3 Механические показатели одиночного волокна 88
2.7.4 Определение числа склеек между волокнами в волокнистом холсте 89
2.7.5 Прочность волокнистого материала 90
2.7.6 Определение диаметра пор и воздухопроницаемости в волокнистом холсте 90
2.7.7 Определение статической адсорбционной емкости 91
2.7.8 Определение динамической адсорбционной емкости 91
3. Теоретическое исследование основных закономерностей аэродинамического растяжения вязкоэластических струй растворов полимеров 94
3.1 Растяжение сосредоточенной продольной силой 94
3.1.1 Математическая модель и вывод дифференциального уравнения растяжения вязкоупругой струи 99
3.1.2 Решение дифференциального уравнения растяжения вязкоупругой струи 103
3.1.3 Примеры расчета параметров напряженно деформированного состояния струй растворов с различными вязкоэластическими свойствами 110
3.1.4 Метод оценки высокоэластических свойств растянутой полимерной струи 115
3.2 Аэродинамическое растяжение вязкоупругой струи раствора полимера 119
3.2.1 Особенности аэродинамического формования волокон из растворов полимеров 119
3.2.2 Математическая модель и вывод дифференциального уравнения растяжения вязкоупругой струи аэродинамическим способом 126
Экспериментальное исследование основных закономерностей аэюдинамического формования волокнистх материалов из растворов полимеров 134
4.1 Оценка роли высокоэластических деформаций при аэродинамическом растяжении струй растворов полимеров 134
4.1.1 Расчет концентраций для приготовления эквивязких растворов из сополимеров с различными значениями удельной вязкости 134
4.1.2 Определение диапазонов формуемости для растворов из сополимеров с различными значениями удельных вязкостей 135
4.1.3 Зависимость коэффициента высокоэластичности от кратности растяжения 139
Исследование напряженного и деформированного состояния струй растворов полимеров в процессе аэродинамического растяжения 149
4.2.1 Проверка адекватности модели 150
4.2.2 Анализ особенностей аэродинамического растяжения вязкоупругой струи 155
Исследование влияния технологических параметров на структуру и физико-механические свойства нетканых материалов 161
4.3.1 Исследование влияния конструкции сопловых устройств на процесс аэродинамического формования и последующего образования холста ВМАФР 163
4.3.2 Исследование влияния вязкости прядильного раствора на технологические параметры процесса и свойства получаемых волокон 168
4.3.3 Исследование влияния удельной вязкости прядильного раствора на технологические параметры процесса и свойства получаемых волокон 171
4.3.4 Исследование влияния основных технологических параметров на структуру и свойства ВМАФР 172
4.3.5 Исследование взаимосвязи структуры и физических свойств ВМАФР 178
4.3.6 Исследование поглотительных свойств ВМАФР, состоящих из волокон, наполненных адсорбентами 183
5. Результаты исследования и внедрение 188
Выводы 189
Литература 191
Приложения 202
- Общие принципы метода аэродинамического формования волокнистых материалов из расплавов полимеров (ВМАФ)
- Исследование факторов, влияющих на устойчивость растяжения полимерных струй
- Примеры расчета параметров напряженно деформированного состояния струй растворов с различными вязкоэластическими свойствами
- Определение диапазонов формуемости для растворов из сополимеров с различными значениями удельных вязкостей
Введение к работе
Рост промышленного производства неизбежно сопровождается созданием высокопроизводительных процессов, обеспечивающих выпуск конкурентоспособной готовой продукции, отвечающей широкому кругу высоких потребительских требований.
Современное производство нетканых материалов (НМ) осуществляется на основе таких процессов и не стоит в стороне от научно-технических преобразований, осуществляемых в сфере получения химических волокон и нитей.
Эффективность использования самих волокнистых нетканых материалов определяется прежде всего их специфической структурой, а именно высокоразвитой поверхностью, что обеспечивает одновременно целый комплекс полезных потребительских свойств: низкая объемная масса, низкая теплопроводность, высокая звукопоглощаемость, ярко выраженные фильтрационные и адсорбционные свойства [1].
В последние годы в мире была сформирована высокоразвитая и быстрорастущая отрасль НМ. Усилиями 63 западноевропейских фирм выпускается очень широкий ассортимент волокон, предназначенных для производства НМ по сухому, мокрому, водоструйному, термо- и хемоскрепленному, иглопробивному способам. Для выпуска современных нетканых материалов используются волокна с огнезащитными, антимикробными, гидрофильными, антистатическими, адсорбционными и другими свойствами, а также профилированные волокна, би- и три компонентные, высоко- и низко усадочные, легко окрашиваемые поверхностно и в массе, низкоплавкие, с высокой адгезионной способностью, высокопрочные, эластичные, сверх тонкие (ниже 1.7 дтекс) и сверх грубые (свыше 100 дтекс), высокомодульные и термостойкие, свето- и теплозащитные, наполненные и др. [2].
Из химических волокон, перерабатываемых в НМ в широком диапазоне титров и длины резки, преобладающее значение получили полипропиленовые (ПП) и полиэфирные (ПЭФ) волокна. Особенно это заметно в Западной Европе и Японии. На их долю в этих регионах приходится соответственно 70 и 90 %, в том числе на ПП волокна — почти половина потребления [2].
Для динамики производства НМ в Западной Европе, начиная с 1995 г. примечателен практически линейный подъем, а уровень производства в 2001 г. здесь достиг 1.1 миллиона тонн.
Прогноз потребления технического текстиля и НМ до 2010 г. в различных регионах мира свидетельствует о том, что средние темпы прироста в этот период в Азии будут на уровне 4,1 -4,6%, в Америке, Европе и остальных регионах - чуть ниже, 3,3 - 3,8%, а объем рынка превысит 23 млн.т. или в стоимостном выражении примерно 126 млрд.долл. Что касается основных областей применения НМ, то мощный подъем к 2010 г. ожидается в сфере потребления этих материалов для геотекстиля и строительства, в промышленном секторе и медицине, в качестве упаковочного материала, спортинвентаря и других областях.
Особое место среди всех способов получения НМ занимает высокопроизводительный процесс аэродинамического формования нитей из струй расплава полимера с последующим формированием структуры волокнистого материала (ВМАФ), промышленно освоенный в середине 60-х годов. В рассматриваемом случае получение готового нетканого холста осуществляется на одном агрегате в одну стадию, минуя стадии текстильной переработки волокон, полученных традиционными методами [3]. Этим определяется высокая эффективность указанного метода. За рубежом такие материалы получили название «Спанбонд» из сочетания двух слов: спаи — прясть, бонд - связь [4,5]. Производство НМ методом спанбонд особенно интенсивно развивается в последние пять — семь лет. Доля выпуска НМ типа спанбонд среди других видов таких материалов за период с 1996 по 2001 г. в США составила 21.8%, а в Китае 25.3% [2].
В России процесс получения ВМАФ из различных полимеров разрабатывается в ФГУП ВНИИСВ. Основное оборудование создается совместно с Киевским экспериментальным машиностроительным заводом «Стенд» [6]. Указанный процесс широко внедрен на предприятиях химической промышленности, в частности, на Могилевском, Каменском ОАО «Химволокно» и Экспериментальном заводе ФГУП ВНИИСВа. В настоящее время ВМАФ являются высококачественными исходными материалами для изделий технического и медицинского назначений, товаров народного потребления [7].
Дальнейшее повышение эффективности использования ВМАФ в различных отраслях человеческой деятельности может быть обеспечена за счет расширения их ассортимента путем использования методов физической и химической модификации. Способы физической модификации, как правило, наименее трудоемки и достаточно экономичны. Так существенное изменение свойств нитей и, следовательно, волокнистых материалов на их основе сможет быть достигнуто путем уменьшения поперечных размеров элементарных нитей, в частности при получении ультратонких непрерывных волокон, а также путем придания волокнам некруглой формы поперечного сечения [8,9].
Методом химической модификации с целью придания готовым изделиям го НМ новых потребительских свойств может быть использование полимеров, перерабатываемых в волокна на основе растворного способа. В настоящее время формование волокон аэродинамическим способом с последующим получением нетканого материала осуществляется чаще из расплавов, чем из растворов полимеров. В первую очередь это можно объяснить наличием многотоннажных производств по выпуску термопластичных волокнообразующих полимеров (полипропилена,
11 поликапрамида, полиэфира и т.д.). Во-вторых, технологическая схема формования волокна из расплава по сравнению с формованием из раствора полимера значительно проще, а значит и более эффективна. В первом случае отсутствуют такие энергоемкие стадии процесса как растворение полимера, отмывка из готового волокна и регенерация растворителей, сушка [10]. Сравнение принципиальных технологических схем получения нетканых материалов аэродинамическим способом из расплавов и растворов полимеров приведены на рис.1. Из рис Л очевидно преимущество получения ВМАФ.
Однако целесообразность аэродинамического формования волокнистых материалов из растворов полимеров (ВМАФР) может быть обоснована необходимостью придания готовым изделиям из соответствующих НМ специальных потребительских свойств, которые можно получить лишь на основе таких полимерных волокон, как гидратцеллюлозных, поливинилспиртовых, полиакрилонитрильных, поливинилхлоридных и др. Перечисленные волокнистые материалы могут использоваться для медицинских изделий, специальной одежды, фильтрующих и адсорбционных средств защиты органов дыхания человека, в технике защиты окружающей среды от вредных воздействий.
С точки зрения физико-механики растяжения основным отличием процесса высокоскоростного аэродинамического формования из растворов по сравнению с формованием из расплавов является малая прочность полимерной струи [11]. Это приводит к необходимости более детального изучения процесса образования ВМАФР , и в первую очередь побуждает исследовать процессы растяжения струи раствора полимера воздушным потоком, выходящим из соплового устройства, методы упрочнения струи в процессе растяжения с целью обеспечения устойчивости процесса формования волокон и стабильности свойств готового нетканого холста.
Рис. L Сравнительные схемы основных технологических стадий процессов получения нетканых материалов аэродинамическим способом: а - из расплавов полимеров; б - из растворов полимеров;
Выполненная автором работа, представленная на соискание степени кандидата технических наук, сводится к решению следующих задач: разработка методов экспериментального изучения напряженно-деформированного состояния растянутой струи раствора полимера и исследование особенностей высокоскоростного растяжения коротких полимерных струй растворов сополимеров акрилонитрила (СПАН) в диметилформамиде (ДМФА); получение физической модели и аналитического решения уравнения, описывающего напряженно-деформированное состояние растянутой вязкоупругой струи; нахождение метода оценки высокоэластических свойств растянутых полимерных струй из растворов сополимеров СПАН в ДМФА с различной удельной вязкостью; получение физической модели и уравнения аэродинамического растяжения струи полимерного раствора с учетом ее высокоэластических свойств; разработка и выбор оптимальных конструкций сопловых устройств, обеспечивающих максимальную аэродинамическую вытяжку и устойчивость процесса образования нетканого холста; изучение влияния технологических параметров на структуру и физико-механические свойства нетканых материалов, полученных аэродинамическим формованием из растворов полимеров; оценка взаимосвязи структуры с физическими свойствами волокнистых материалов, полученных аэродинамическим формованием из растворов полимеров; - разработка научно обоснованных рекомендаций по практическому использованию ВМАФР на основе СЛАН в ДМФА для создания высокоэффективных адсорбционных материалов, с последующим использованием их для средств индивидуальной защиты органов дыхания (СИЗОД) в легких респираторах.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА полученных результатов определяется тем, что экспериментально-теоретические исследования по изучению закономерностей высокоскоростного растяжения коротких струй растворов СЛАН в ДМФА позволили оценить роль высокоэластических деформаций как главного упрочняющего фактора растяжения маловязкой струи в процессе аэродинамического формования волокон. Была определена взаимосвязь скорости формования с удельной вязкостью используемых сополимеров в условиях установившегося процесса аэродинамического формования, обеспечивающего стабильность свойств готового нетканого холста. Установлено влияние технологических параметров и характеристик полимерного раствора на физико-механические и потребительские свойства волокнистого материала. Таким образом были получены экспериментально-теоретические основы для создания эффективного промышленного процесса получения адсорбционных волокнистых материалов. Все выше указанные результаты автором были получены впервые.
Материалы диссертационной работы были использованы при создании в ООО «Экологические технологии» экспериментальной установки для получения нетканых и адсорбционных материалов на их основе.
С 2000 г. и по настоящее время совместно с Военным университетом радиационной, химической и бактериологической защиты (ВУРХБЗ) проводятся совместные научно-технологические работы по созданию адсорбционных волокнистых материалов для высокоэффективного легкого респиратора (Приложение 4).
Материалы типа А-ПАН и В-ПАН (волокна, наполненные соответственно активированными углями и ионообменными смолами) с 2000 г. по настоящее время используются в фильтрующе-поглощающем элементе защитного капюшона «Феникс» (Приложение 5).
Диссертация состоит из 5 глав, списка используемой литературы 116 наименований и 5 приложений. Изложена на 214 страницах машинописного текста и содержит 46 рисунков и 18 таблиц.
Общие принципы метода аэродинамического формования волокнистых материалов из расплавов полимеров (ВМАФ)
В мировой практике получения нетканых материалов существует несколько способов, отличающихся между собой технологией, используемым сырьем, способом скрепления волокон в холсте. В связи с этим целесообразно рассмотреть существующие представления о классификации нетканых материалов (НМ) и подробнее остановиться на волокнистых материалах, получаемых непосредственно в процессе формования волокон. В основу классификации НМ могут быть положены различные признаки: назначение материала, вид используемого сырья, способ производства и т.д.
Классификация нетканых материалов приведена в ряде работ [12-14]. В основу предложенной классификации положены особенности, связанные со скоростью производства и составом нетканых материалов. Наиболее подробная классификация существующих способов производства НМ приведена в работе [15], где их перечислено более тридцати. Принципиально все они могут быть объединены в две основные группы: 1. НМ, получаемые механическим способом; 2. НМ, получаемые химическим способом. К первой группе относятся; вязально-прошивной, игло-пробивной, валяльно-войлочный способы. Ко второй группе можно отнести бумагоделательный способ, способ пропитки волокон связующим, скрепление волокон термопрессованием или ультразвуковой сваркой и т.п. В последние двадцать лет преимущественное развитие получили высокоэффективные методы, обеспечивающие получение волокнистых материалов непосредственно в процессе формования нитей [16,17]. В этой связи подробное рассмотрение указанных методов представляет наибольший интерес.
Отличительная способность таких материалов состоит в том, что в процессе их формования отсутствуют стадии получения готового волокна. Для формирования холста применяется не окончательно сформованное волокно, а взятое с одной из промежуточных стадий, входящих в традиционный процесс получения волокна из расплавов полимеров.
К таким материалам относятся НМ, полученные путем экструзии пленки из высокополимеров с последующим ее расщеплением различными способами [18]; НМ, изготовленные из волокнистого жгута, сформованного из расплава полимера [19], а также волокнистые материалы, получаемые методом аэродинамического формования волокон из расплавов (ВМАФ) [20, 21, 22].
Для первых двух из указанных материалов характерно то, что холст НМ образуется путем скрепления наложенных друг на друга слоев волокон. Причем соседние слои содержат волокна, расположенные во взаимно перпендикулярных направлениях. В обоих случаях используемое волокно не попадает на заключительные технологические операции, входящие в состав традиционных схем производства химических волокон из расплава или раствора полимеров (намотка на бобины, резка, упаковка и т.д.). Следует отметить, что из всех перечисленных метод получения ВМАФ является наиболее перспективным по своим технико-экономическим показателям. Преимущества этого способа состоят в возможности объединения операций формования и вытягивания элементарных нитей, сокращение числа трудоемких технологических стадий и переходов при переработке волокон и холстообразовании.
На рис. 1.1 представлены сопоставительные схемы технологических операций получения НМ из штапельных волокон (классический метод) и методом аэродинамического формования из расплавов полимеров (ВМАФ).
Приведенные на рис. 1.1 данные показывают заметное сокращение технологической цепочки при производстве ВМАФР по сравнению с «классическим» способом. Исключаются все операции, связанные с получением отдельно штапельных волокон, их упаковкой, транспортировкой на текстильные предприятия, разрыхление и чесание штапельных волокон.
Кроме этого следует отметить, что указанный метод позволяет в очень широком диапазоне изменять физико-механические свойства получаемого материала и, прежде всего, соотношение размеров пор и диаметров волокон, что главным образом может влиять на такие специфические свойства НМ как воздухопроницаемость, тепло- и звукопоглощение, адсорбционные и фильтрующие свойства [7].
Основные стадии получения волокнистых материалов методом аэродинамического формования из расплавов полимеров (ВМАФ) представлены в таблице 1.1 [23,24,25]. Принципиальная схема аэродинамического формования волокнистых материалов из расплавов полимеров приведена на рис. 1.2 [26-29].
Гранулированный полиэфир или полиамид продувается не подогретым или предварительно подогретым до 80 -120 С азотом и в токе азота подается в расплавитель (экструдер). При переработке полиолефинов (полиэтилена, полипропилена) эта операция не требуется (Рис. 1.2). В экструдере 2 гранулы полимера расплавляются, например, с помощью электронагревателей, и расплавленный полимер подается к шестеренчатому дозирующему насосу 3, который продавливает расплав через фильтрующую
Исследование факторов, влияющих на устойчивость растяжения полимерных струй
Специфическую группу экспериментальных результатов составляют данные, получаемые при растяжении гелеобразной нити в среде осадителя. Особенностью этих работ является их физико-химическая, а не только реологическая постановка. Это объясняется тем, что влияние таких процессов, как фазовое разделение или диффузия низкомолекулярных компонентов, сказывается на свойствах формуемой нити в большей степени, чем собственно реологические эффекты. Поскольку вообще принято считать основной причиной снижения градиента скорости струи при мокром формовании из растворов полимеров образование твердой оболочки [97,98,99,100], то часто полагают, что реологические явления при этом играют второстепенную роль.
Однако при аэродинамическом растяжении структура волокон формируется в одну стадию за счет фильерной вытяжки, благодаря усилию воздушного потока, выходящего из эжекторного устройства. Согласно баланса действующих сил [34]. наибольший вклад в значение вытягивающего усилия вносит реологическая сила и связанная с ней величина вязкости раствора полимера. Поэтому для рассматриваемого процесса влияние реологических эффектов на условия формования волокон заметно выше.
В работе [101] экспериментально доказано, что на устойчивость процесса формования волокна большое и достаточно сложное влияние оказывает длина L растягиваемой струи. Авторы исследовали растяжение струи растворов полиакрилонитрила (ПАН) в ДМФА, получаемой из капилляра и принимаемой на вращающийся вал. Для струй различной длины определялась предельная скорость приема, то есть скорость, при которой наступал обрыв струи. На рис. 1.7 показаны кривые предельных скоростей растяжения (приема) струи для растворов ПАН с удельной вязкостью 2,26 в ДМФА с концентрацией 9,9; 12Д; 14,2 % (масс.) и начальной ньютоновской вязкостью соответственно 5,9; 21,9; 49,6 Па-с. Кривые (1-3) соответствуют границам устойчивого формования для длинных струй. Области устойчивого формования находятся соответственно ниже этих кривых. В правой части этих кривых (участок БВ) увеличение длины струй сопровождается повышением предельных скоростей их приема, что можно объяснить уменьшением среднего градиента скорости растяжения при увеличении длины струи. Однако эта закономерность нарушается при длине меньше некоторого критического значения. В этом случае скорость приема v тем выше, чем короче струя (участок АБ).
Для коротких струй авторы наблюдали интересное явление: помимо области устойчивого формования, находящейся в зоне низких скоростей приема струй (ниже кривых 1-3), существует вторая область устойчивого формования, достигаемая при более высокой скорости приема струи. Предельные скорости приема струй v , выше которых формование вновь становится устойчивым, характеризуются кривыми Г- 3 . Таким образом, область устойчивого формования расположена ниже кривых 1-3 и выше кривых Г- 3 (рис. 1.7), а также между осью ординат и левыми ветвями этих кривых. Формование волокна при скоростях, лежащих между v и v , невозможно. Если увеличение скорости формования струи с увеличением ее длины объясняется уменьшением градиента скоростей (или скорости деформаций) на участке БВ (рис. 1.7) , то увеличение скорости формования с уменьшением длины струи объясняется авторами тем, что в коротких струях успевает проявляться упрочняющий фактор упругой энергии, накопленный полимерной струей в процессе интенсивного растяжения.
Разрыв струи в области вторичного растяжения 3"при скоростях приема v объясняется достижением предельных напряжений, приводящим к разрушению струи по когезиошюму механизму [78].
В работе [102] показано, что разрушение (обрыв) струй растворов ПАН в ДМФА на границах устойчивого формования, как правило, не наступает мгновенно, а происходит в результате плавного перехода от устойчивого формования через колебательный процесс изменения профиля струи с постепенным увеличением амплитуды диаметров струи в различных ее сечениях. Этот процесс называют резонансом вытягивания. С этой точки зрения можно выделить три области, соответствующие различным условиям формования (рис. 1.8). Область 1 соответствует устойчивому формованию струи; область 2 - пульсирующему состоянию струи (резонансу вытягивания); область 3 — неформуемости струи. Кривая, разделяющая 1 и 2 область, является границей устойчивости. В областях 2 и 3 развивается резонанс, который по мере увеличения амплитуды колебаний диаметра струи наряду с другими причинами приводит струю к обрыву. Внешний вид характерных фаз состояния начального и конечного участков короткой (13.7 мм) струи раствора СПАН в ДМФА, находящейся в состоянии резонанса вытягивания, показан на рис.1.9. Фотографии получены авторами [102] в процессе экспериментального исследования резонанса вытягивания.
Анализ экспериментальных данных позволил авторам [102] отметить следующие особенности резонанса вытягивания при формовании струи раствора СПАН в ДМФА: критическая кратность растяжения струи (кратность, при которой наблюдается начало колебаний) возрастает с увеличением длины струи и уменьшением вязкости раствора; амплитуда колебаний диаметра струи уменьшается с увеличением длины струи и уменьшением вязкости раствора; частота колебаний диаметра струи уменьшается с увеличением длины струи и вязкости раствора. Отмеченные зависимости приведены в виде графиков на рис. 1.10.
Примеры расчета параметров напряженно деформированного состояния струй растворов с различными вязкоэластическими свойствами
Для растянутой до заданной кратности струи экспериментально определяется сила натяжения струи, профиль струи и распределение градиентов скоростей растяжения. Если в расчетную модель подставить экспериментально определенную силу Fo, а продольную вязкость принять как трутоновскую, то из решения уравнения (3.17), удовлетворяя граничным условиям (3.50) , профилю струи и распределению скоростей деформаций, определенных экспериментально, можно найти численное значение коэффициента Е, характеризующего высокоэластические свойства струи при заданной кратности растяжения в квазистатическом состоянии.
Так для реальных струй диметилформамидньгх растворов СПАН с удельной вязкостью 1.1,3.01 и 3.44 при одинаковой начальной ньютоновской вязкости 20 Пас, подаче 1.07-10" м/с и кратности растяжения 11 были замерены следующие значения силы натяжения соответственно: 0.0008, 0.0018 и 0.0024 Н. Если принять в качестве коэффициента вязкости трутоновскую вязкость равную в данном случае 60 Пас, то при коэффициентах эластичности соответственно равных 0, 900 и 1750 Па теоретически рассчитанные кривые профиля струи и распределения градиентов скоростей растяжения практически точно совпадают с экспериментальными. Таким образом, полученные значения коэффициента Е для разных струй могут быть приняты как количественные характеристики их высокоэластичных свойств.
Из выше сказанного можно сделать вывод о том, что разработанный метод позволяет относительно просто оценивать высокоэластические свойства растянутых полимерных струй. Следует заметить, что коэффициент продольной вязкости и коэффициент высокоэластичности имеют условный характер, однако при одинаковых воздействиях на эквивязкие струи различных растворов можно проводить количественную оценку и сравнение их реологических свойств. Зная коэффициент эластичности Е при той или иной кратности растяжения, можно более точно численно оценить значения растягивающих сил, что важно при моделировании различных процессов формования волокна и конструирования устройств для растяжения полимерных струй.
Принципиальная схема аэродинамического формования волокна из раствора полимера может выглядеть следующим образом (рис.3.5.а). Струя полимера 4 выдавливается из капилляра 1 вертикально вниз и подвергается растяжению потоком сжатого воздуха 3, вытекающим из кольцевого сопла 2, окружающего капилляр, со скоростью 4. По мере удаления от среза капилляра происходит формование струи в волокно 5, падает скорость воздушного потока, и зона растяжения струи переходит в зону свободного переноса волокна. В эту зону подается тонко распыленная осадительная ванна 6 (Рис. 1.11) .
С точки зрения физико-механики растяжения основным отличием процесса высокоскоростного аэродинамического формования из растворов, по сравнению с формованием из расплавов, является малая прочность полимерной струи. Во-первых, прочность струи определяется вязкостью, величина которой у прядильных растворов значительно ниже, чем у расплавов. Так, например, при мокром формовании прядильных растворов сополимеров акрилонитрила (СПАН) в диметилформамиде (ДМФА) при концентрации полимера 18-22% вязкость растворов составляет 25-40 Па-с [46] , что на порядок меньше вязкости расплава в момент формирования волокна из струи при аэродинамическом формовании волокон из полипропилена [7]. Получение прядильных растворов с более высокими значениями вязкостей в растворных технологиях связано с очень большими энергозатратами и аппаратными трудностями на всех стадиях переработки полимера в волокно. Во-вторых, при формовании из расплавов в зоне фильерной вытяжки происходит увеличение вязкости расплава, а следовательно и дополнительное упрочнение струи при охлаждении ее потоком сжатого воздуха. При фоРмовании из раствора растяжение струи протекает в изотермических условиях, вязкость раствора не изменяется, а при увеличении интенсивности воздействия струя легко разрушается по капельному или когезионному механизму. Однако предварительные лабораторные эксперименты по аэродинамическому формованию из растворов СПАН в ДМФА по схеме рис. 3.5,а [ПО] доказали принципиальную возможность получения волокон таким способом. В этом случае повторилась главная закономерность, характеризующая процесс растяжения струи из таких растворов при приеме ее на вращающийся вал [106]. По мере увеличения скорости воздушного потока Wo аэродинамическое растяжение струи осуществляется в трех характерных скоростных зонах. На рис.3.6 показаны определенные экспериментально границы зон формуемости (а,б рис.3.6.) эквивязких (с начальной ньютоновской вязкостью 20 Па-с) растворов СПАН в ДМФА, приготовленных из сополимеров с различным значением удельной вязкости. Сами зоны могут быть охарактеризованы следующим образом: 1 - зона малых кратностей растяжения (м о=20-40 м/с), характеризующаяся толстыми грубыми волокнами (300-500 мкм); 2 - зона неформуемости (w0=20 100 м/с), в которой струя существует в состоянии ярко выраженных пульсаций диаметров или распадается на капли и нерегулярные волоконные обрывки; 3 - зона вторичной формуемости (wo=60-I80), характеризующаяся значительной шириной диапазона кратностей растяжения (от 200 до 1000), повышенной устойчивостью процесса аэродинамического формования, регулярностью тонины волокон.
Определение диапазонов формуемости для растворов из сополимеров с различными значениями удельных вязкостей
Анализ результатов, представленных на рис. 4.5, 4.6, подтверждает, что чем выше удельная вязкость полимера, то есть выше его молекулярная масса, тем большими временами релаксации обладают его растворы, а следовательно проявление эластических свойств, как упрочняющего фактора, может быть достижимо при более длительных воздействиях на струю, то есть в более длинных струях или при меньших кратностях растяжения. И наоборот, с ростом кратности растяжения и уменьшением длины растягиваемой струи численное значение коэффициента высокоэластичности увеличивается. Оба этих фактора определяют время воздействия на струю для достижения заданной кратности. Численно время воздействия определяется как частное от деления объема струи на подачу раствора. В частности для струи длиной 0.02 м при увеличении кратности от 8 до 78 время воздействия, рассчитанное по формуле (3.2); уменьшается от 0.102 секунды до 0.018 секунды, то есть практически на порядок. При уменьшении длины струи до 0.01 м увеличение кратности вытяжки с 7.5 до 63 приводит к снижению времени воздействия от 0.036 секунды до 0.0052 секунды, то есть происходит уменьшение данного показателя на два порядка. Таким образом, чем меньше время деформирования, тем больше высокоэластических деформаций остается в растягиваемой струе. При этом численные значения коэффициента высокоэластичности для струи длиной 0.01 м выше на порядок, чем для струи длиной 0.02 м.
Сформулированные представления о высокоэластическом состоянии растянутых струй растворов полимеров и роли высокоэластических деформаций в обеспечении устойчивости формования и достижении высоких значений кратности растяжения могут быть использованы в практике формования ультратонких волокон из струй растворов СПАН в ДМФА, и прежде всего в тех процессах, где имеется незначительный тепло-и массообмен, а перечисленные факторы не влияют на состояние реологических свойств растянутой полимерной струи. В частности, при реализации процесса аэродинамического формования из растворов полимеров , путем подбора молекулярной массы полимера, изменения длины зоны фильерной вытяжки, условий деформирования полимерной струи, характеризуемых задаваемыми численными значениями коэффициента высокоэластичности, могут быть достигнуты кратности до 1000 и более, что позволяет формовать как тонкие, так и ультратонкие волокна.
В процессе аэродинамического растяжения струя полимера подвергается интенсивному воздействию спутного потока сжатого воздуха, выходящего из соплового устройства. В данном случае конструкция соплового устройства одновременно должна обеспечивать ламинарность воздупшого потока в зоне растяжения струи при скоростях истечения воздуха из сопла со скоростью Wo до 250 м/с, а также резкое уменьшение продольной скорости воздушного потока от начального значения wo в зонах переноса волокна до скоростей, позволяющих сформировать заданную структуру материала на приемном устройстве. Ранее было показано, что устойчивое высокоскоростное формование достигается для полимерных струй с очень малой длиной, в пределах 0.01 - 0.04 м. На выходе из сопла ламинарный воздушный поток на таком расстоянии от капилляра превращается в турбулентный за счет смешения высокоскоростных струй с окружающим воздухом, увлекая в свое хаотическое движение и растянутую полимерную струю. Очевидно, что в этих условиях невозможно экспериментально произвести замеры сил натяжения струи и снять профиль струи в зоне формования. Поэтому для анализа напряженного и деформированного состояния полимерной струи в различных условиях аэродинамического растяжения была использована математическая модель, описанная в главе 3. Исходными данными расчетов служили параметры, взятые из реальных экспериментов по аэродинамическому формованию волокна. Сама же модель предварительно была проверена на адекватность реальному процессу [110].
Для оценки адекватности полученной математической модели реальному процессу был произведен расчет диаметров струи на расстоянии от среза капилляра L=Q.l м, соответствующему месту отбора проб волокна в эксперименте по определению границ зоны вторичной формуемости, описанному выше. Исходные данные, вводимые в расчет, соответствовали условиям эксперимента, их численные значения приведены в таблице 4.5.
Значения скорости воздушного потока задавались для каждого варианта расчета в соответствии с нижней и верхней границой вторичной зоны формуемости (таблица 3.3). В главе 3 для струй длиной 0,01 и 0,02 м были получены значения коэффициентов щ и а для нахождения коэффициента эластичности Е с помощью уравнения (3.59). Однако для расчета параметров процесса Анализ полученных результатов показывает, что при увеличении длины струи всего вдвое значения коэффициента высокоэластичности Е уменьшаются примерно на порядок. Таким образом, имеет место явное экспоненциальное снижение высокоэластических свойств системы, что вполне соответствует физике релаксационных процессов. Предварительные эксперименты по аэродинамическому растяжению струй растворов показали, что при скоростях формования, соответствующих вторичной зоне формуемости деформация струи осуществляется на длине, не превышающей значение 0.04 м. Это значение и было принято в первом приближении для экспоненциальной экстраполяции зависимостей коэффициента высокоэластичности от кратности растяжения для струи длиной 0.04 м. Полученные результаты отображены на графике рис.4.7. Значения коэффициентов ао и aj приведены в таблице 4.6.
