Формование полипропиленовых волокон

На способность полипропиленового  волокна к вытягиванию, а также  на свойства вытянутых волокон большое  влияние оказывает ориентация (в том числе и предориентация) формуемой нити между фильерой и намоточным устройством. Степень ориентации зависит от соотношения между скоростью истечения расплава из отверстий фильеры и скоростью приема нити на бобину или прядильный диск (т. е. величины фильерной вытяжки). При низкой фильерной вытяжке происходит относительно слабая предварительная ориентация, причем получается волокно термодинамически малоустойчивой паракристаллической структуры. В противоположность этому при высокой фильерной вытяжке получаются волокна с относительно большой предварительной ориентацией, причем образуется термодинамически устойчивая моноклинная структура. Наибольшую потребительскую ценность имеет волокно, полученное из невытянутых нитей с менее ориентированной структурой, которая образуется при низкой фильерной вытяжке.

Таким образом, полипропилену  присущи некоторые особенности, отличающие его от других волокнообразующнх полимеров.                                                                                                                              В связи с этим особое значение приобретает подбор оптимального технологического режима формования волокон из расплава полипропилена, а именно: выбор партий полимера с удовлетворительными характеристиками текучести, правильное распределение температур по зонам нагрева прядильной экструзионной машины, рациональная конструкция фильеры и выбор условий охлаждения под фильерой, обеспечивающих получение невытянутых волокон с наименее ориентированной структурой.

ВЫТЯЖКА   ВОЛОКНА

Вытяжка — одна из важнейших  стадий технологического процесса производства полипропиленового волокна. Получить высококачественное волокно, обладающее ценными физико-механическими, а следовательно, и эксплуатационными свойствами, без вытяжки невозможно.

При вытяжке происходит ориентация полимерных цепей (макромолекул) вдоль оси волокон, в результате чего повышается их разрывная прочность и уменьшается величина относительного удлинения при растяжении.

В принципе полипропиленовые волокна могут быть подвергнуты как холодной, так и горячей вытяжке. Однако при холодной вытяжке образуется менее совершенная смектически-мезоморфная модификация кристаллической структуры [40]. При нагревании до высоких температур она переходит в более совершенную моноклинную модификацию. Общая степень ориентации макромолекул при холодной вытяжке в любом случае ниже, чем при горячей, в условиях которой облегчается процесс рекристаллизации. Об этом убедительно свидетельствуют, в частности, значения максимальных степеней вытяжки [41, 42].

Поэтому на практике предпочтение отдают вытяжке волокна при повышенных температурах. Процесс вытяжки можно проводить в одну или две стадии. При двуступенчатой вытяжке волокна горячими могут быть либо обе ступени, либо только вторая.

Выбор способа вытяжки  диктуется в основном тем, какие  свойства требуется придать волокну. Так, для получения полипропиленового волокна с небольшим относительным удлинением необходима двуступенчатая вытяжка, в остальных случаях достаточно и одноступенчатой.

В качестве элементов обогрева при вытяжке волокна на горячей поверхности применяют специальные прижимные устройства или дорны.

Схемы одноступенчатой и  двуступенчатой вытяжки полипропиленовых волокон показаны на рис.  10.5 и  10.6.

Для вытяжки полипропиленового  волокна могут быть использованы машины, аналогичные применяемым для этой цели в производстве других синтетических волокон.         

 

 

 

 

 Рис.   10.5.   Схема   одноступенчатой   вытяжки полипропиленовых волокон:

1 — бобина с невытянутым волокном; 2 — нитепроводник; 3 — тормоз; 4 — питающий цилиндр; 5 — элемент обогрева (утюг); 6 — приемный цилиндр.

 

Вытяжка филаментной полипропиленовой нити, за исключением жгутика, производится на крутильно-вытяжной машине. В процессе вытяжки нить подвергается кручению и наматывается на алюминиевый патрон (копе).

В машине для вытяжки элементарных жгутиков имеются специальные намоточные устройства для приема отдельных вытянутых нитей на бобину без предварительного кручения. Если элементарные жгутики подвергаются вытяжке с последующим соединением их в общий жгут, то такую вытяжную машину можно использовать также и для производства штапельного волокна и жгута. Однако в большинстве случаев для получения штапельного полипропиленового волокна и жгута применяется другой способ вытяжки: отдельные невытянутые нити соединяются в общий жгут с последующим вытягиванием его при 105—130° С, как правило, в среде водяного пара. Скорость вытяжки превышает 150 м/мин [37, 43].

 

 

Рис.   10.6.   Схема  двухступенчатой   вытяжки полипропиленовых волокон с первой холодной ступенью:

1 — бобина с невытянутым волокном; 2 — нитепроводник; 3 — тормоз; 4 —питающий цилиндр; 5, 7 — приемные цилиндры; 6 — элементы обогрева.       

ФИКСАЦИЯ   ВОЛОКОН

Для придания вытянутым полипропиленовым волокнам безусадочное™ в сухом и влажном состояниях (при носке, стирке, сушке, утюжке) их подвергают фиксации, после которой они сохраняют свои размеры постоянными при любой температуре. Фиксация необходима также для улучшения грифа волокна, устранения сминаемости и т. п. [44—46]. В процессе фиксации снимаются внутренние напряжения с вытянутого волокна, что достигается за счет увеличения интенсивности межмолекулярного взаимодействия.

Межмолекулярное взаимодействие повышается в результате прогрева волокна  при высокой температуре (термофиксация) или в присутствии агентов набухания (химическая фиксация). Поскольку эффективность химической фиксации при низкой температуре невелика, волокно обрабатывают агентами набухания при повышенной температуре, т. е. подвергают комбинированной фиксации. Учитывая, что теплоносителем не всегда является агент набухания, основным фактором при комбинированной фиксации волокна можно считать воздействие высокой температуры. Правда, при обработке волокон нагретым агентом набухания заданная степень фиксации достигается при более низкой температуре, чем при термофиксации.

В производственных условиях фиксацию полипропиленового волокна  можно осуществлять паром или  горячим воздухом, причем технологически более выгодна фиксация в среде пара. Она проводится при относительно высоких температурах и обеспечивает степень фиксации, которая вряд ли может быть достигнута при прогреве на воздухе, так как в последнем случае возможны интенсивная деструкция и даже плавление волокна. В зависимости от области применения полипропиленового волокна, а следовательно, и комплекса свойств, которым оно должно обладать, фиксацию производят в свободном или напряженном состояниях.

При фиксации вытянутого волокна  в свободном состоянии внутренние напряжения снимаются с него почти  полностью, однако при этом происходит снижение разрывной прочности и  повышение относительного удлинения  волокна. Но в связи с тем, что  по разрывной прочности полипропиленовое волокно не уступает даже высокопрочному полиамидному, этой потерей прочности практически можно пренебречь.

При фиксации волокон в  напряженном состоянии они могут давать частичную усадку или не усаживаться вообще, вследствие чего их разрывная прочность несколько повышается. Внутренние напряжения при этом снимаются в меньшей степени, чем при фиксации волокна в свободном состоянии.

Процесс фиксации полипропиленового  волокна осуществляется в сушилках (горячим воздухом) или автоклавах (паром). Термофиксация филаментных нитей в свободном состоянии производится в мотках, а под контролируемым напряжением — на жестких или усаживаемых бобинах [47]. Штапельное волокно можно фиксировать только в свободном состоянии, а жгут — как в свободном, так и в напряженном состояниях [37].

ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ   СХЕМА   ПРОИЗВОДСТВА

ШТАПЕЛЬНОГО   ПОЛИПРОПИЛЕНОВОГО

ВОЛОКНА   И   ЖГУТА

Плавление гранулированного полимера и формование нити при получении  полипропиленового штапельного  волокна и жгута проводятся по схемам, представленным на рис. 10.3 и 10.4. На последующую обработку невытянутые  нити обычно поступают в виде жгута (рис. 10.7). Отдельные невытянутые  нити соединяются на шпулярнике в общий жгут, который подвергается вытяжке в двух камерах в среде перегретого пара. После вытяжки производится гофрировка жгута (для придания извитости) и термофиксация.

Штапельное волокно получают путем разрезания фиксированного жгута (например, на резательной машине Гру-Гру) на относительно короткие отрезки (штапели), которые пневмотранспортом подаются к упаковочному прессу.

При производстве жгута с  последующей обработкой в конверторах из технологического процесса исключаются все операции, начиная с резки. В настоящее время применяется также вытяжка отдельных нитей (или элементарного жгутика, состоящего из 2—4 нитей) с последующим соединением их в жгут. Дальнейшая обработка жгута из вытянутых нитей проводится так же, как и при вытягивании нитей в жгуте. Способ производства жгута из вытянутых нитей (жгутиков) позволяет получить волокна с меньшей величиной относительного удлинения и более равномерные по физико-механическим свойствам.

Если машину для вытяжки  нитей в жгутике оборудовать  специальными приемными устройствами по числу вытяжных мест, то на ней можно вырабатывать полипропиленовые жгутики без крутки, идущие непосредственно на производство пряжи, например по методу Дипра.

 

Рис.   10.7.   Технологическая   схема   получения  полипропиленового

штапельного волокна и  жгута:

1 — бобины с невытянутыми нитями; 2, 3 — нитепроводники; 4 — жгут; 5, 7, 9 — вытяжные станы; 6, 8 — нагревательные камеры; 10 — машина для гофрирования жгута; 11 — корзина с гофрированным жгутом; 12 — машина для термофиксации; 13 — резательная машина; 14 — вентилятор; 15 — пневмотранспорт; 16 — упаковочный пресс; 17— весы.

Рис. 10.8. Технологическая  схема получения филамент-ной полипропиленовой нити:

1 — крутильное веретено; 2 — копе с вытянутым волокном; 3, 9 — нитепроводники; 4 — пара приемных роликов; 5 — бобина с крученым волокном; 6 — машина для термофиксации; 7 — тележка; 8 — бобина с готовым волокном;   10 — тормоз; 11 — конусный патрон.

 

ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ   СХЕМА   ПРОИЗВОДСТВА ФИЛАМЕНТНЫХ    ПОЛИПРОПИЛЕНОВЫХ   НИТЕЙ

Плавление гранулированного полимера и формование нити осуществляют по схемам, приведенным на рис. 10.3 и 10.4, вытяжку— согласно рис. 10.5 или 10.6. В процессе вытяжки происходит предварительное кручение нити с относительно небольшой величиной крутки. Предварительно подкрученную нить наматывают на алюминиевые копсы и подают на окончательное кручение (рис. 10.8), в результате которого достигается заданная величина крутки. Крученую нить принимают на перфорированные бобины и пропускают через камеру для термофиксации. После термообработки нить перематывают на конусные патроны, сортируют и упаковывают.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ    СХЕМА    ПРОИЗВОДСТВА МОНОВОЛОКНА   ИЗ   ПОЛИПРОПИЛЕНА

Полипропиленовое моноволокно  получают на специальном агрегате (рис. 10.9), по конструкции отличающемся от оборудования для производства филаментных нитей или штапельного волокна.

Гранулированный полипропилен поступает из бункера в зону пластикации, где доводится до вязкотекучего состояния. Расплав полимера продавливается червяком через тонкие отверстия решетки в охлаждающую водяную ванну, где струйки расплава застывают в виде одиночных волокон. Сформованные моноволокна соединяют в пучок и затем подвергают вытяжке в горячей (жидкой) среде с помощью системы валков, вращающихся с различной скоростью. После вытягивания пучок моноволокон, как правило, разделяют на отдельные нити, каждую из которых наматывают на отдельную шпулю.

10.9. Технологическая схема получения полипропиленового

моноволокна:

1 — экструдер; 2 — отдельные моноволокна; 3 — ванна   для  охлаждения   волокна; 4, 6 — вальцы; 5 — вытяжная ванна; 7 — приемное устройство.

 

В некоторых случаях проводят термофиксацию полученных моноволокон. С этой целью пучок волокон отжигают на жестком каркасе или без натяжения, т. е. допуская умеренную усадку. Термофиксация предохраняет волокно от усадки, по крайней мере, до температуры отжига, без существенной потери прочности.

Для формования моноволокна  могут быть использованы полимеры с большим молекулярным весом, чем для производства штапельного волокна и филаментных нитей. В этом случае получаются моноволокна, отличающиеся высокой прочностью.