Химическая энциклопедия - формование химических волокон

, образование из р-ра или расплава волокнообразующего полимера тонких струй с послед, их затвердеванием в виде волокон (нитей, жгутов), ориентац. вытягиванием термич. и др. обработками. Иногда вместо термина "формование" (Ф.) используют исторически сложившийся текстильный термин "прядение", хотя эти два процесса не имеют ничего общего.

Процесс Ф. включает следующие основные стадии:

1) Расплавление, растворение или пластификация полимера с целью перевода его в вязкотекучее (жидкое) состояние; подготовка полученной полимерной жидкости (расплава или р-ра) к Ф., включающая фильтрование, дегазацию и введение добавок.

2) Собственно Ф., включающее дозирование расплава или р-ра, истечение струй из тонких отверстий металлич. пластинки (фильеры) и перевод их в переохлажденное или пересыщенное состояние, в результате чего происходит образование твердой полимерной фазы в форме волокон, имеющих еще недостаточно упорядоченную и неравновесную структуру.

3) Ориентац. вытягивание и термич. обработка полученных волокон (вторая стадия Ф.) с целью придания им оптим. структуры и св-в.

Существует неск. методов Ф.; основными являются следующие: Ф. из расплава или пластифицир. полимера с охлаждением струй ниже т-ры затвердевания; сухое Ф. из р-ра с испарением р-рителя и повышением концентрации полимера до перехода струй в твердообразное состояние; мокрое Ф. из р-ра в среде осадителя, приводящее к изменению состава системы и затвердеванию струй; Ф. с фазовым распадом из р-ра при охлаждении струй до перехода их в затвердевшее состояние.

Ф. из р-ров применяют в тех случаях, когда т-ра разложения полимера близка к т-ре плавления или ниже ее.

Теоретические основы. Волокнообразующие полимеры должны иметь определенные структурные характеристики и удовлетворять ряду техн. требований:

1) Заданная мол. структура, в т. ч. наличие полярных функц. групп, от чего зависит возможность плавления или растворения полимера, выбор метода формирования и мн. св-ва волокон.

2) Линейное или слаборазветвленное строение макромолекул, от чего зависит возможность получения высокоупорядоченной, ориентированной структуры волокон и их мех. св-ва.

3) Средняя мол. м. в пределах 15-150 тыс. (иногда до 300 тыс.) и по возможности узкое MMP. Нижний предел мол. масс лимитируется нестабильностью образования жидких струй и низкими мех. св-вами получаемых волокон, верхний -технол. трудностями переработки высоковязких расплавов и р-ров и возможностью образования в них гелеобразных частиц, приводящих к возникновению дефектов в волокнах.

4) Устойчивость к термич. и(или) хим. воздействиям в процессах получения волокон.

5) Однородность состава, св-в и миним. содержание посторонних примесей и загрязнений, от чего зависит стабильность технол. процесса и качество получаемых волокон.

При всем различии строения полимеров важнейшим показателем, определяющим процессы структурообразования при Ф., является гибкость макромолекул. По их собственной гибкости, характеризуемой, напр., величиной статистич. сегмента А, полимеры разделяют на гибкоцепные (А<3 нм), полужесткоцепные (3 нм<А<10 нм) и жесткоцепные (А> 10 нм). Для гибкоцепных полимеров термодинамически равновесной является изогнутая форма макромолекул и их ориентирование требует затраты внеш. работы, что при получении волокон вызывает необходимость значительных кратностей вытяжки. Жесткоцепные полимеры со стержне-образными молекулами способны переходить в термодинамически равновесное жидкокристаллич. состояние и при течении или наличии незначит. начальной ориентации в них проходят процессы самопроизвольного упорядочения и ориентирования.

При Ф. протекает комплекс реологич., теплои(или) мас-сообменных, аэрои гидродинамич. явлений, фазовых и структурных превращений, определяемых видом исходного волокнообразующего полимера, методами и условиями Ф. и послед. обработок. Основные из них рассмотрены ниже.

Образование струй происходит при истечении дозированного кол-ва расплава или р-ра полимера из отверстий фильеры. При малых скоростях истечения вблизи пов-сти фильеры возникает расширение струи, обусловленное действием поверхностных сил и релаксац. процессами (рис. 1). При больших скоростях истечения расширение струи сменяется ее утонением. Под влиянием сдвиговых напряжений в каналах фильеры возникает незначит. ориентация макромолекул. При малых временах релаксации (маловязкие р-ры гибкоцепных полимеров) и малых скоростях Ф. эта ориентация почти полностью исчезает. В жесткоцепных полимерах времена релаксации велики и ориентация сохраняется.

Важнейшим условием протекания процесса Ф. является стабильность образования струй, к-рая зависит от чистоты расплава или р-ра и их вязкоэластич. св-в: при малых вязко-стях возможен капиллярный распад струй под влиянием поверхностных сил, при очень большой вязкости возможно нарушение сплошности истечения с появлением разрывов струи. Эти нарушения существенно усугубляются под влиянием примесей и гелеобразных частиц, к-рые кроме того уменьшают прочность волокна.

Динамика и кинематика Ф. определяются действующими на вытекающие из отверстий фильеры струи и формуемые волокна след, сил: поверхностного натяжения; реологич. сопротивления деформациям; инерционных сил, необходимых для приращения скорости и кинетич. энергии волокна; аэроили гидродинамич. сопротивления; тяжести. Все эти силы изменяются по длине пути Ф. и в конечном счете уравновешиваются усилием отвода волокна из зоны Ф., к-рое существенно увеличивается с ростом скорости отвода.

Под влиянием этих сил происходит растяжение полимерных струй и волокна, вследствие чего структурообразование протекает в поле продольного градиента скорости, меняющегося по длине пути Ф. соотв. изменению реологич. св-в и изменению сил по длине пути Ф. Это приводит к S-образной форме кривой распределения скоростей с макс. градиентом в ее средней части (рис. 2).

По изменению реологич. св-в и кинематике движения формуемых волокон весь путь Ф. следует разделить на три основные зоны: истечения с образованием струй расплава или р-ра; выделения твердой полимерной фазы и первичного структурообразования; вторичного структурообразования (частичной кристаллизации или синерезиса гель-волокна).

Обобщенный показатель кинематики Ф.изменение скоростей формуемого волокна (его деформация и изменение поперечного сечения), к-рые характеризуются величинами кажущейся и истинной фильерной вытяжки, соотв. Ф к и Ф и:

где v0 и vH соотв. скорости истечения из фильеры и выхода волокна из зоны Ф.;