Формование полипропиленовых волокон

ФОРМОВАНИЕ   ПОЛИПРОПИЛЕНОВОГО   ВОЛОКНА

Существуют два метода формования полипропиленового волокна: из раствора и из расплава полимера [23]. Первый наряду с бесспорными преимуществами имеет и ряд существенных технологических недостатков, поэтому он до сих пор не нашел промышленного применения и рассматривается здесь лишь в общем виде.

Формование полипропиленового  волокна из раствора полимера

Метод формования волокон  прядением из концентрированных  растворов полипропилена основан  на способности полимера растворяться при высоких температурах во многих органических растворителях: тетралине, декалине, различных минеральных маслах (например, газовом, веретенном, парафиновом) и в особенности в технических бензинах с температурой кипения более 180° С [24—29]. Концентрация полимера в прядильном растворе 15—90%. Общий принцип получения волокна по этому методу заключается в том, что нагретый до необходимой температуры раствор полипропилена продавливается дозирующим насосом через фильтр и узкие отверстия фильеры в осадитель.

Различают мокрый и сухой методы прядения. При формовании волокна по сухому методу прядильный раствор продавливается через фильеры в обдувочную шахту навстречу потоку горячего воздуха, инертного газа или перегретого пара. Струйки прядильного раствора после испарения растворителя в шахте затвердевают в виде элементарных волокон, которые объединяют в одну нить и наматывают на бобину. В полученном таким методом полипропиленовом волокне остается значительное количество растворителя, который должен быть удален еще до операции вытяжки. С этой целью бобины с волокном помещают в промывные ванны (петро-лейный эфир, кипящая вода и т. п.). Текстильная обработка волокна, сформованного из раствора полипропилена, производится точно так же, как при формовании волокна прядением из расплава.

При формовании волокна по мокрому методу в качестве оса-днтеля используется жидкость, которая смешивается в любых соотношениях с растворителем полимера, не растворяя самого полимера. Таким требованиям удовлетворяют, в частности, пропи-ловый и бутиловый спирты. Тонкие струйки прядильного раствора, выходящие из отверстий фильеры, на участке длиной ~10 см обдуваются воздухом или инертным газом и поступают в теплую осадительную ванну, где из них удаляется основная часть растворителя. После этого сформованные волокна пропускают через длинную промывную ванну, сушат и подвергают вытяжке.

Метод формования волокна  прядением из раствора полипропилена имеет следующие преимущества перед формованием из расплава:

1.  Для приготовления прядильных растворов можно с успехом использовать порошкообразный полимер, так что в этом случае отпадает необходимость в грануляции.

2.   Вследствие меньшей вязкости прядильных растворов по сравнению с вязкостью расплава полимера процесс формования из раствора можно проводить при более низких температурах, что упрощает оборудование.

3.  Полипропилен в растворе практически не подвергается деструкции, поэтому отпадает необходимость формования волокна в токе инертного газа (хотя инертная атмосфера и образуется парами растворителя).

4.  Способ формования волокна из раствора дает возможность использовать полипропилен более высокого молекулярного веса и соответственно получать волокна с лучшими механическими свойствами.

5.   Волокна, сформованные из раствора полипропилена, в отличие от волокон, полученных из расплава, неоднородны по поперечному срезу, что улучшает сцепляемость волокна при последующей текстильной переработке.

Технологические недостатки метода формования волокон из раствора полипропилена:

1. Низкая производительность прядильных машин.                                                                               2.  Необходимость регенерации растворителя, а при мокром методе также н осадителя, что связано со значительным удорожанием процесса формования волокна.

3.   Низкая скорость формования (скорость отвода нити от фильеры при сухом прядении не более 400 м/мин, при мокром прядении — около 100 м/мин.

4.  Ухудшение условий техники безопасности при применении легковоспламеняемых и часто токсичных растворителей и осади-телей.

В заключение следует подчеркнуть, что несмотря на многие свои преимущества метод формования полипропиленового  волокна из раствора полимера пока не получил в промышленности химических   волокон   сколько-нибудь   значительного распространения.

 

Формование полипропиленового  волокна из расплава полимера

Технологический процесс  производства волокон из расплава полипропилена  включает несколько основных операций, общих для всего ассортимента вырабатываемых полипропиленовых волокон (филаментные нити, штапельное волокно, жгут, элементарный жгутик, моноволокно). Такими операциями являются: плавление полимера; формование волокна из расплава полимера; охлаждение сформованных волокон; намотка невытянутых волокон; вытяжка волокон; фиксация волокон.

ПЛАВЛЕНИЕ   ПОЛИМЕРА   И   ФОРМОВАНИЕ   ВОЛОКНА

Для формования волокон из расплавов синтетических полимеров можно применять прядильные головки, оснащенные плавильными решетками, и прядильные головки экструзионного типа.

Прядильные устройства с  плавильными решетками, обычно применяемые  в производстве полиамидных и  полиэфирных волокон [30, 31], для формования полипропиленового волокна неприемлемы  в силу целого ряда причин. Во-первых, вязкость расплава полипропилена, из которого можно формовать волокно, значительно превышает вязкость расплава полиамидов и полиэфиров. Для снижения вязкости расплав перед формованием волокна потребовалось бы нагреть до температуры, при которой полипропилен подвержен очень сильной деструкции. Во-вторых, ввиду более высокой вязкости расплава полипропилена для достижения необходимой текучести требуется гораздо более продолжительная выдержка его при высоких температурах, следствием чего является дальнейшая более глубокая деструкция полимера. Наконец, прядильные устройства, снабженные плавильными решетками, не обеспечивают высокой производительности.

Значительная деструкция полипропилена в процессе формования  волокна на прядильных головках, оснащенных  плавильными решетками, послужила толчком к поискам нового оборудования, применение которого позволило бы максимально сократить продолжительность пребывания расплавленного полимера в зоне высоких температур. Этому условию удовлетворяют прядильные головки экструзионного типа, применяемые в настоящее время, пожалуй, всеми без исключения фирмами, производящими полипропиленовое волокно [32].

 

 Рис. 10.3. Прядильная головка  экструзионного   типа   с   горизонтальным червяком:

1 — загрузочная воронка; 2 — цилиндр; 3 — червяк; 4 — ленточный нагреватель; 5 — фильерный комплект; 6 — прядильный шестеренчатый насосик; 7 — фильтр; 8 — фильера; 9 — элементы обогрева фильерного комплекта.

 

Схема прядильной головки  экструзионного типа с горизонтальным червяком приведена на рис. 10.3. Прядильная экструзионная машина представляет собой комбинацию червячного экструдера, широко используемого при переработке пластических масс, и прядильного шестеренчатого насосика. Для плавления полипропилена достаточно одночервячной экструзионной машины с червяком определенной степени сжатия [33]. Отношение длины червяка к диаметру должно составлять (15-=-20) : 1, а коэффициент сжатия 4. Основную техническую трудность при формовании волокон на прядильных головках экструзионного типа составляет регулировка давления расплава полимера в переходной зоне между червяком и шестеренчатым прядильным насосиком.

Прядильные экструзионные машины во многих отношениях бесспорно лучше, чем прядильные головки, оснащенные плавильными решетками. В первую очередь следует отметить их большую производительность, которая пропорциональна диаметру червяка. Благодаря тому, что высоковязкий расплав полимера подается к прядильному насосику не самотеком (как в прядильном устройстве с плавильной решеткой), а принудительно с помощью червяка, переработку можно осуществлять при более низких температурах. По той же причине продолжительность пребывания расплава полимера в прядильной экструзионной машине сокращается настолько, что даже в относительно жестких температурных условиях экструзии и последующего формования волокна из расплава интенсивной деструкции не наблюдается. Наконец, принудительная подача расплава к насосу обеспечивает эффективную гомогенизацию расплава как по составу, так и по температуре; благодаря достаточному давлению воздух в зоне сжатия вытесняется обратно к бункеру машины, так что устраняется необходимость формования волокна в токе инертного газа.

ОХЛАЖДЕНИЕ   И   НАМОТКА   НЕВЫТЯНУТЫХ   ВОЛОКОН

Получение невытянутых волокон  является очень ответственной операцией  в технологическом процессе производства, так как от их качества зависит  способность к вытяжке и, в  конечном счете,

потребительская ценность готовой  продукции. Хорошее качество невытянутых  полипропиленовых волокон может  быть достигнуто благодаря равномерному охлаждению нитей по выходе из фильеры.

При формовании полипропиленовых волокон низких общих и элементарных титров их отвердевание и охлаждение под фильерой осуществляется обдувкой воздухом комнатной температуры на достаточно длинном пути (до 5 м). При этом в волокне происходят важные процессы кристаллизации и предварительной ориентации, но охлаждение происходит недостаточно равномерно. Требуемую равномерность охлаждения способна обеспечить лишь прядильная шахта, без которой получение волокон высоких общих и элементарных титров вообще невозможно, так как для отвердевания и охлаждения потребовалось бы обдувать их воздухом на очень длинном участке. В прядильной шахте (рис. 10.4) струйки расплава, выходящие из фильеры, равномерно обдуваются поперечным ламинарным потоком охлаждающего агента. При получении полипропиленового волокна в качестве охлаждающей среды можно применять воздух с постоянными влажностью и температурой [34].

Намотка невытянутых полипропиленовых волокон производится на обычных бобино-намоточных машинах, используемых для полиамидных и полиэфирных волокон [35—38].

Схема охлаждения и намотки  невытянутых волокон представлена на рис. 10.4. Затвердевшие и охлажденные элементарные волокна в нижней части прядильной шахты объединяются ните-проводником в одну нить, которая через замасливающие шайбы отводится натяжными роликами к намоточному устройству. Замасливающие шайбы погружены в ванночки с замасливателем, который таким образом наносится на волокно. Целью операции замасливания является, во-первых, объединение отдельных элементарных волокон в одну нить для уменьшения обрывистости и, во-вторых, повышение способности волокна к скольжению на нитепроводниках при вытягивании или крутке и перемотке.

 

 

 

Рис. 10.4. Схема охлаждения и намотки невытянутых волокон-.

1 — фильера; 2 — элементарные волокна; 3 — прядильная шахта;  4 — нитепровотник;  5 — намоточная   машина; 6 — замасливающие шайбы; 7 — натяжные ролики; 9 — бобина

 

НЕКОТОРЫЕ   ПРОБЛЕМЫ   ПОЛУЧЕНИЯ НЕВЫТЯНУТЫХ   ПОЛИПРОПИЛЕНОВЫХ   ВОЛОКОН ИЗ   РАСПЛАВА   ПОЛИМЕРА

Из сказанного выше следует, что потребительская ценность полипропиленовых волокон в значительной степени  зависит как от качества исходного  полимера, так и от выбора оптимального режима плавления и прядения, охлаждения и намотки невытянутого волокна. На процесс формования волокон существенное влияние оказывают в основном следующие факторы: температура и ее распределение по зонам нагрева прядильной головки экструзионного типа; продолжительность пребывания расплава полимера в зоне высоких температур; дозировка расплава; число, диаметр и форма отверстий в фильере; режим охлаждения волокон под фильерой; величина фильерной вытяжки волокон.

Нетрудно убедиться, что  речь идет о взаимозависимых факторах, без правильного согласования которых невозможно получить волокно с желаемыми свойствами.

Важнейшей проблемой, которую  приходится решать в процессе формования невытянутых волокон, является правильное распределение температур по зонам нагрева прядильной экструзионной машины, обеспечивающее возможность получения расплава с хорошей текучестью.

Исследованиями молекулярной структуры было показано, что минимальная температура расплава волокнообразующего полимера должна составлять 210°С, потому что только при этой или более высокой температуре разрушаются центры кристаллизации изотактического полипропилена, благодаря чему существенно улучшается качество невытянутого волокна. Максимальная же температура расплава определяется молекулярным весом исходного полимера. Желательно, чтобы она не превышала 240°С, так как при этом еще не  происходит интенсивной деструкции  полимера.

Продолжительность пребывания расплава в прядильной экст-рузионной машине должна быть минимальной.

Разработка конструкций  прядильных фильер привлекла внимание многих экспериментаторов. Для рационального нагрева расплава выше температуры плавления полипропилена целесообразно выбирать большие расстояния между отверстиями фильеры, чем при формовании волокна из расплавов полиамидов или полиэфиров. При течении полипропилена эластичность (расширение струи расплава   после выхода из канала   фильеры)   проявляется более заметно по сравнению с другими волокнообразующими полимерами, вследствие чего при малых диаметрах отверстий фильеры возможно растекание расплава, приводящее к появлению наплывов. Поэтому необходимо стремиться к тому, чтобы расширение потока расплава было минимальным. С этой целью можно увеличить диаметр отверстий фильер или изменить степень фильерной вытяжки.

В последнее время довольно большое внимание уделяется проблеме рационального охлаждения нити под фильерой. Так, например, Компостелла с сотрудниками [39] показали, что при строго определенных условиях охлаждения формующейся нити можно получить невытянутые волокна с так называемой паракристаллической, или смектической, молекулярной структурой, тогда как без охлаждения нити под фильерой получаются волокна нормальной кристаллической структуры. В результате последующей одноосной деформации невытянутых волокон термодинамически малоустойчивой паракристаллической структуры могут быть получены волокна с отличными эксплуатационными свойствами.

Специфическая особенность  полипропилена заключается в  том, что при формовании волокна  из его расплава кристаллизация полимерной системы происходит в очень короткий промежуток времени, тотчас же после выхода нити из фильеры. Отсюда ясно, что интенсивность охлаждения формуемой нити под фильерой заметным образом сказывается на характере и скорости образования кристаллических областей. Чтобы избежать образования сферолитов и тем самым улучшить обрабатываемость нитей, между фильерой и намоточным устройством должен быть возможно больший тепловой перепад. Кроме того, для усреднения свойств невытянутых волокон на бобине по слоям паковки необходимо равномерное охлаждение формующейся нити под фильерой.