Формование химических волокон

Полимер является волокнообразующим, т. е. из него может быть получено волокно, если одновременно выполняются следующие условия:

• сравнительно высокая молекулярная масса (степень полимеризации)
• линейная форма макромолекул с минимальным числом разветвлений
• наличие полярных групп или стереорегулярность
• возможность перевода в вязкотекучее состояние плавлением или путём растворения.
• однородность состава, свойств и минимальное содержание посторонних примесей и загрязнений, от чего зависит стабильность технологического процесса и качество получаемых волокон.

Существуют следующие способы формования химических волокон:

• формование из расплава полимера
• мокрое формование из раствора полимера
• сухое формование из раствора полимера
• сухо-мокрое формование из раствора полимера
• формование из дисперсии полимера
• гель-формование

Способом формования из расплава полимера получают полиолефиновые, полиэфирные, полиамидные и др. волокна, сухим способом из раствора полимера формуют ацетатные и полиакрилонитрильные волокна, мокрым способом - вискозные, полиакрилонитрильные, поливинилхлоридные и др., сухо-мокрым - термостойкие волокна на основе ароматических полиамидов и полиэфиров.

Для формования волокон расплавным способом пригодны только те полимеры, для которых разность температур деструкции и плавления больше 20°С, так как в противном случае формование сопровождается заметной деструкцией полимера, что в свою очередь ухудшает качество получаемого волокна. Другим непременным условием для получения волокон из расплава является достаточная теплостойкость и формоустойчивость полимера при воздействии температур порядка 150°С (текстильные изделия должны быть устойчивы при глажении утюгом). Эти факторы ограничивают число полимеров, пригодных для формования волокон из расплава.

При формовании из расплава элементарные нити образуются за счет охлаждения струек расплава полимера ниже температуры его плавления. Отвод тепла от формуемой нити осуществляется путём её обдува охлаждающим воздухом. Скорость формования составляет 600—1200 м/мин.

Формование из расплава применяют при получении следующих видов нитей и волокон:

• полиолефиновых (полиэтиленовых, полипропиленовых);
• полиамидных (из поликапроамида, полигексаметиленадипинамида и др. алифатических полиамидов);
• полиэфирных (из полиэтилентерефталата, а также жидкокристаллических ароматических полиэфиров и сополиэфиров);
• плавких сополимеров тетрафторэтилена и др.

При формовании из расплава используют два основных вида процессов:

• полунепрерывный, когда заранее полученный гранулированный полимер расплавляют и дегазируют в шнековом экструдере;
• прямой, когда расплав полимера после синтеза непрерывно дегазируется в тонком слое, фильтруется и подается на Формование.

Машины для формования из расплава имеют устройства для подачи расплава, шахты для формования, механизмы транспортирования (иногда вытягивания) и приемки нитей или жгутиков. Расплав дозируется насосиком, дополнительно фильтруется и поступает в фильеру. Струи расплава охлаждаются в вертикальной шахте, которая состоит из двух частей: обдувочной (охладительной) с подачей кондиционированного воздуха и сопроводительной без подачи воздуха. Сформованные нити замасливаются, принимаются на паковки, а жгутики объединяются в общий жгут и укладываются в контейнер.

Прием сформованных нитей на паковки на машине формования

Вытягивание и термодинамическую обработку нитей производят индивидуально на крутильно-вытяжной машине. Текстильные нити могут выпускаться без термодинамической обработки, если они предназначены для получения текстурированных нитей или проходят термообработку при отделке готовых текстильных полотен или изделий. В производстве технических полиэфирных нитей применяют групповую обработку 100-200 нитей на проходном агрегате, что позволяет достигать более высоких механических свойств. Вытягивание и термодинамическую обработку жгутов производят также на проходном агрегате, где заключительными стадиями являются авиважная обработка, гофрировка и, при необходимости, резка.

При мокром способе формования из раствора полимера волокно образуется в результате взаимодействия струек раствора с компонентами осадительной ванны. При этом компоненты осадительной ванны диффундируют в струйку раствора, а растворитель диффундирует из струйки в осадительную ванну, что приводит к коагуляции раствора и осаждению полимера в виде элементарных нитей. В ряде случаев процесс коагуляции раствора осложняется протеканием химических реакций. Скорость формования составляет 30—130 м/мин.

Формование из растворов по мокрому методу включает два типа процессов: без протекания химических реакций и с их протеканием. Первый из них применяют при получении следующих волокон и нитей:

• полиакрилонитрильных (растворители - водный раствор роданида натрия, ДМФА, диметилацетамид; осадитель - водный раствор этих соединений);
• поливинилхлоридных (растворитель - ДМФА; осадитель - его водный раствор);
• поливинилспиртовых (растворитель - вода; осадитель - водный раствор Na2SO4);
• триацетатных (растворитель - ацетилирующая смесь; осадитель - её водный раствор].

По мокрому методу формуются также многие сверхпрочные, сверхвысокомодульные и термостойкие волокна на основе ароматических полимеров.

Обычно применяют машины непрерывного процесса, имеющие устройства для подачи раствора, пластификации, вытягивания, промывки, сушки и приемки. Раствор дозируется насосиком и подается через фильтр в фильеру. Формование происходит в горизонтальном желобе, горизонтальных или вертикальных трубках, куда подается осадительная ванна, в которую вытекают струйки раствора из отверстий фильеры и происходит образование волокна.

Сформованные нити и жгутики (последние объединяются в общий жгут) подвергают последующим обработкам, включающим операции: пластификации, вытягивания, противоточной промывки и сушки. Операцию замасливания нитей проводят при дальнейшей переработке. Жгуты дополнительно подвергают авиважной обработке, гофрированию и, при необходимости, резке. Термическое вытягивание и термообработку проводят только при получении некоторых видов нитей и волокон технического назначения.

Формование с протеканием химических реакций применяют при получении гидратцеллюлозных волокон (вискозных и медно-аммиачных волокон). Процессы их формования и последующей обработки имеют ряд существенных отличий. Так, вискозные волокна формуются в осадительной ванне, содержащей в качестве основных компонентов серную кислоту, сульфаты натрия и цинка, при более высоких скоростях, чем другие виды волокон, получаемых по мокрому методу. Сформованные нити или жгутики подвергают пластификационному вытягиванию, промывке, десульфурации (удалению образовавшейся при формовании серы), авиважной обработке, сушке и, при необходимости, резке.

При сухом способе формования из раствора элементарные нити образуются в результате испарения растворителя из струек раствора, которое обусловлено обдувом формуемой нити горячим воздухом или паровоздушной смесью. Скорость формования составляет 300—600 м/мин.

Формование из раствора по сухому методу применяют при получении следующих видов нитей и волокон:

• ацетатных (растворитель - ацетон с добавкой воды);
• триацетатных (метилен-хлорид с добавкой этанола);
• полиакрилонитрильных (ДМФА, ДМСО, этиленкарбонат);
• поливинилхлоридных (смесь ацетона и сероуглерода или бензола);
• поливинилспиртовых (вода) и др.

Машины для сухого формования имеют устройство для подачи раствора, обогреваемые шахты, механизмы транспортирования и приемки нитей или жгутиков. Раствор дозируют насосиком, подогревают и подают через фильтр в фильеру. Образующиеся струи раствора поступают в вертикальную шахту, куда подается горячий теплоноситель (обычно воздух) противотоком или прямотоком и где происходит испарение растворителя и образование волокна.

Воздух подается в таком количестве, чтобы парогазовая смесь имела концентрацию вне пределов взрывоопасности (обычно ниже этого интервала), но достаточно высокую для последующей рекуперации растворителей. Нити принимаются на паковку или объединяются в общий жгут. Полученные нити или жгуты (за исключением ацетатных и триацетатных) подвергают термодинамическому вытягиванию и термодинамической обработке.

Сухо-мокрое формование - формование через газовоздушную прослойку между фильерой и зеркалом осадительной ванны применяется при получении нитей из высоковязких формовочных растворов (особенно на основе жесткоцепных полимеров[3]), что требует использования фильер с большим диаметром отверстий и соответственно высоких значений фильерных вытяжек.

Формование ведется сверху вниз глубокованным методом или в трубках. Струи формовочного раствора проходят путь 5-50 мм на воздухе, где происходит основная доля фильерной вытяжки, после чего поступают в осадительную ванну, где происходит образование волокна. Этот метод позволяет в несколько раз увеличить скорость формования по сравнению с обычным мокрым процессом и достигнуть более высокой степени ориентации волокон. [4]

Способ формования из дисперсии полимера может быть использован, когда отсутствует возможность перевода полимера в вязкотекучее состояние путём расплавления или растворения, но существует значительная потребность в волокне из этого полимера. Данным способом формуют фторсодержащие волокна[5][6]: полифен, тефлон и другие.

При формовании из дисперсии полимера элементарные нити образуются из формовочной композиции, в состав которой входят: раствор волокнообразующего полимера, матрица — тонкодисперсные частицы искомого полимера во взвешенном состоянии и поверхностно-активные вещества. Осуществляется формование способом, характерным для волокнообразующего полимера, но в более жестких условиях осаждения, необходимых для быстрой коагуляции.

Образуется волокно, наполненное контактирующими между собой частицами искомого полимера, которое подвергается высокотемпературной обработке (для удаления волокнообразующего полимера посредством термической деструкции). В результате повышенной диффузионной адгезии между частицами искомого полимера происходит спекание с образованием волокна.

Гель-формование[7] - формование из раствора с фазовым распадом при охлаждении — используют при получении следующих волокон:

• полиолефиновых (растворители - высококипящие углеводороды);
• полиакрилонитриловых (смесь ДМФА с диметилсульфоном или мочевиной);
• поливинилспиртовых (вода с мочевиной, капролактам);
• поливинилхлоридных (капролактам или его смеси с циклогексаноном) и др.

Формование производится в шахте с охлаждением или в охладительной ванне. Волокна подвергают пластификационному вытягиванию. Растворитель удаляют осторожной (например, вакуумной) сушкой или промывкой легкотекучими жидкостями, смешивающимися с растворителем полимера (во многие случаях водой), с последующей сушкой. После этого, при необходимости, проводят термодинамически вытягивание и термообработку.

Практическое применение метод нашел при формовании высокопрочных нитей на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена.[8]

• Зазулина, З. А., Дружинина, Т. В., Конкин, А. А. Основы технологии химических волокон. — 2-е изд.. — М.: Химия, 1985. — 304 с.
• Роговин, З. А. Основы химии и технологии химических волокон. — 4-е изд.. — М.: Химия, 1974. — Т. т. 2. — 344 с.
• Перепелкин, К. Е. Физико-химические основы процессов формования химических волокон. — М., 1978.
• Юркевич, В. В., Пакшвер, А. Б. Технология производства химических волокон. — М.: Химия, 1987. — 304 с.
• Папков, С. П. Теоретические основы производства химических волокон. — М.: Химия, 1990. — 272 с.
• Сытина Е. В., Тенчурин Т. Х., Рудяк С. Г., Сапрыкин В. П., Романова О. А., Орехов А. С., Васильев А. Л., Алексеев А. А., Чвалун С. Н., Пальцев М. А., Пантелеев А. А. Сравнительная оценка биосовместимых полимерных матриксов, полученных путем электроформования, и их использование для создания объемных дермальных эквивалентов //Молекулярная медицина. – 2014. – №. 6. – С. 38-47.