Формование полиолефиновых волокон из расплавов полиоле­финов, по литературным данным, можно производить на пря­дильных головках, которые используются для формования дру­гих волокон.

Прядильные головки, оснащенные плавильными решетками.

Для получения полиолефиновых волокон могут быть использо­ваны плавильные решетки, применяемые для формова­ния полиамидных и полиэфирных волокон12"15 (рис. 60).

Гранулированный полимер из бункера поступает на обогре­ваемую плавильную решетку. Расплавленный полимер стекает с решетки в плавильное болото, откуда он подается насосом
к фильере. Для предотвращения окисления полиолефинов, в ре­зультате которого изменяется их цвет и происходит деструкция полимера, в герметически закрытый бункер подают азот под давлением. Эго предотвращает доступ воздуха и способствует продавливанию расплава со дна плавильного болота через ка­нал к дозирующему насосику, который обеспечивает равномерную подачу рас­плава полимера на фильерный комплект. Ввиду высокой вязкости расплава поли­олефинов, значительно превышающей вязкость гетероцепных полимеров, фор­мование полиэтиленового и полипропиле­нового волокон на плавильных решетках возможно только при температурах, близких к температурам термического разложения соответствующего полиоле - фина. Так, формование полиэтиленового волокна, имеющего номер 1500—6000, осуществляется при 350—370 °С (темпе­ратуре, близкой к термическому распаду полимера)12. Температура формования полипропиленового волокна на 40—60°С ниже температуры формования линейно­го полиэтилена, так как расплав поли­пропилена имеет меньшую вязкость15. Вследствие более низ­ких плотностей расплавов полиолефинов по сравнению с плот­ностями гетероцепных полимеров (плотность расплава полипро­пилена составляет 0,6—0,7 г/см3, а полиэтилентерефталата 1,1 — 1,2 г/см3) и повышенной вязкости полиолефинов производитель­ность плавильных решеток при формовании полиолефиновых во­локон значительно ниже, чем при формовании других волокон.

Рис. 60. Прядильное устройство:

/—привод насосика", 2—пла­вильная решетка", 3—на­сосный блок", 4—фильерный комплект.

В табл. 31 приведены данные о производительности прядиль­ных головок, оснащенных плавильными решетками при формова­нии полипропиленового волокна из полимера различного моле­кулярного веса (для сравнения приводятся данные для полиэти­лентерефталата).

Из данных табл. 31 видно, что производительность пря­дильной головки при формовании полипропиленового волокна меньше, чем для волокна из полиэтилентерефталата (лав­сан).

Уменьшение молекулярного веса полипропилена способст­вует повышению производительности прядильной головки. По - видимому, при дальнейшем снижении молекулярного веса поли­пропилена или повышении температуры нагревательного элемен­та производительность оборудования будет возрастать.

Производительность прядильной головки при формовании волокон из полипропилена различного молекулярного веса и полиэтилентерефталата (в г/мин) Полимер Характеристическая вязкость полимера Производитель­ность прядиль­ной головки Полипропилен 1,46 (в о-ксилоле при 120 °С) 14 1,14 (то же) 18 0,94 ( » ») 26 Полиэтилентерефталат 0,30 (в трикрезоле) 56

Рис. 61. Прядильная головка с поддавливающим шнеком: /_загрузочная воронка; 2—шнек; 3—спи~ ральная пружина', 4—плавильная решетка', 5—болото 6—расплавопровод; 7—пря­дильный насосик’, 8—прядильный блок.

Для увеличения производительности рекомендуется пла­вильная решетка с большой поверхностью обогрева и поддав­ливающим шнеком. При этом сокращается продолжительность пребывания полимера в зоне вы­соких температур и увеличивает­ся производительность оборудо­вания16’ 17. На рис. 61 приведена схема прядильной головки, снаб­женной шнеком. Шнек подает гра­нулы полимера на плавильную ре­шетку штыревого типа с увели­ченной поверхностью обогрева, одновременно выполняя роль пор­шня, прижимающего полимер к плавильной решетке. При этом часть давления передается рас­плаву, поступающему к шесте­ренчатому насосику. Шнек вра­щается внутри цилиндра с опре­деленной скоростью и имеет возможность свободно переме­щаться вверх и вниз. Этим до­стигается постоянное давление расплава полимера внутри ци­линдра. Спиральная пружина, производящая давление на шнек и обеспечивающая возвратно­поступательное движение шнека, может быть расположена над цилиндром или внутри цилиндра.

В табл. 32 приведены данные о влиянии температуры фор­мования полипропиленового волокна и волокна из полиэтилен -

терефталата на производительность плавильной решетки пря­дильной головки с поддавливающим шнеком15. В этой же табли­це указаны свойства перечисленных волокон.

ТАБЛИЦА 32 Производительность плавильной решетки прядильной головки •с поддавливающим шнеком и свойства получаемых волокон Полимер Температу­ра греюще­го эле­мента °С Ппоизводитель- Характеристика волокна г}мин юсть емР/мин характерис­тическая вязкость полимера после фор­мования прочность ркм удлинение % Полипропилен 280 45,0 64,0 0,940 290 60,0 86,0 0,815 54,0 22,0 300 70,0 100,0 0,717 51,0 19,8 310 75,0 106,8 0,560 45,0 19,2 2 325 80,0 113,7 0,460 38,8 17,5 Полиэтилентерефталат 285 130 108 0,270 45,0 20,0

Из данных таблицы 32 видно, что объемная производитель­ность плавильной решетки с поддавливающим шнеком увели­чивается при повышении температуры формования полипро­пилена и при температуре 325 °С достигает объемной производительности, получаемой при формовании полиэтилен­терефталата. Повышение производительности при формовании полипропиленового волокна связано с уменьшением вязкости по­лимера. Однако при этом ухудшаются физико-механические свойства полипропиленового волокна вследствие деструкции полимера при высоких температурах.

Прядильные головки экструзионного типа. Более целесооб­разно формование волокон из полиолефинов производить на прядильных головках экструзионного типа, которые создают принудительную транспортировку высоковязкого полимера. В та­ких машинах предусматривается минимальная продолжитель­ность пребывания полимера в зоне высоких температур. В ре­зультате перемешивания расплава полимера не создается местных перегревов, приводящих к понижению физико-механи­ческих свойств волокон.

Схема прядильной головки экструзионного типа с горизон­тальным червяком представлена на рис. 62. Гранулированный и стабилизированный полимер поступает из бункера через загру­зочную воронку в канал червяка. Гранулы полимера, продви­гаясь вдоль канала червяка, расплавляются и поступают в рас- плавопровод. Из расплавопровода полимер, находящийся в вяз­
котекучем состоянии, захватывается прядильным шестеренчатым насосиком, который обеспечивает равномерность подачи распла­ва полимера на фильерный комплект. Червяк является основной частью прядильной экструзионной машины. На рис. 63 пред­ставлена наиболее распространенная типовая схема червяка,, разделенного на основные зоны18. В зоне питания глубина

Pttc. 62. Прядильная головка экструзионного типа с горизон­тальным червяком: 1—загрузочная воронка; 2—червяк; 3—цилиндр; 4—расплавопровод; 5—пря­дильный насосик; 6—фильерный комплект; 7—упорный подшипник; 8— эластичная муфта; 9—редуктор; /О—привод к мотору, //—ленточный нагреватель.

Зона питания Зона плавления Дозирующая зона винтовой в зоне питания винта нарезки дозирующей линии зоне Рис. 63. Дозирующий червяк.

нарезки максимальна; в зоне плавления глубина нарезки посте­пенно уменьшается до глубины нарезки дозирующей зоны. По мере приближения к головке машины для компенсации измене­ний плотности при переходе полимера из твердого в расплав-

Е

ленное состояние (для полипропилена плотность меняется от 0,9 до 0,7 г/см5) площадь поперечного сечения канала червяка уменьшается. Это достигается путем уменьшения глубины кана­ла червяка или шага либо в результате одновременного измене­ния этих размеров. Степень уменьшения объема, или, как обычно неправильно называют, «степень сжатия», составляет от 3 : 1 до 5: 1. Увеличение давления, которое обычно наблю­дается в зоне питания, незначительно (возникает оно вследст­вие течения расплава в цилиндре по винтовой поверхности) и
не вызывает сколько-нибудь заметного увеличения гидроста­тического давления. Таким образом, в зоне плавления изме­няются размеры нарезки червяка (от размера в зоне питания до размера в дозирующей зоне) и происходит изменение агре­гатного состояния полимера — переход из твердого состояния в вязко-текучее. В зоне плавления полимер нагревается за счет тепла, поступающего в результате теплопередачи от стенок корпуса, а также за счет тепла вязкого трения. Одновременно изменяется характер движения материала; в начале зоны про­исходит скольжение и перекатывание твердого тела и затем по мере плавления полимера движение приобретает характер лами­нарного течения.

Дозирующая зона определяет производительность экстру­зионной головки. В дозирующей зоне существует два основных потока. Вынужденный поток (прямой поток) представляет со­бой поступательное течение расплава, которое возникает вслед­ствие движения червяка. Течение расплава в обратном направ­лении (противоток) возникает под действием развивающегося р. экструзионной головке повышенного давления вследствие ограничения прямого потока. На величину противотока (точ­нее на ограничение прямого потока) оказывают влияние глу­бина канала, диаметр и длина червяка, вязкость расплава и величина давления расплава в головке. Таким образом, про­изводительность дозирующей зоны равна разности между рас­ходом прямого потока и противотока расплава полимера и опре­деляется по следующему уравнению:

12 peL

sin ер COS ер

2

G =

дде G — производительность экструзионной головки, см3/мин; Fd— коэффициент прямого потока, который определяется отношением глубины нарезки к ее ширине;

D — диаметр червяка, см;

N — число оборотов червяка в единицу времени, об/мин; h — глубина нарезки, см; п—число заходов червяка;

I — ширина нарезки, см; t ■—шаг червяка, см;

Ф — угол подъема винтовой линии;

Fp— коэффициент противотока; р — вязкость, кгс • сек! см2;

L — длина червяка, см;

Ар — давление, кгс/см2

Утечкой полимера через кольцевой зазор между гребнем стенки канала червяка и внутренней поверхностью корпуса обычно пренебрегают.

Производительность прядильной головки экструзионного ти­па составляет до 1 кг/мин; одна прядильная головка может обеспечить расплавом несколько прядильных мест (до четырех).

Одной из важных характеристик прядильной головки для формования волокна является отношение длины червяка к ди­аметру (L/D), которое обычно составляет от 20:1 до 24:1. При таком отношении длины червяка к диаметру снижается пульсация равномерно нагретого материала и обеспечивается лучшее смешение и, следовательно, большая однородность рас­плава.

Цилиндр (см. рис. 62) обогревается электрическим током (индукционными нагревателями или нагревателями сопро­тивления) или при помощи теплоносителя. Привод червяка осу­ществляется от электродвигателя через понижающий редук­тор. Осевое усилие червяка воспринимается упорными подшип­никами.

ТАБЛИЦА 33 Некоторые параметры формования полипропиленового волокна различного молекулярного веса Параметры процесса формования Характеристическая вязкость полимера (в о-ксилоле при 120 °С) [4] = 1,10 [ч] = М6 Температура, °С зоны загрузки................................................ зон цилиндра................................................ расплавопровода......................................... фильерного комплекта. . . Давление в расплзвопроводе, ат. 25 160—345 260—280 260—280 15—35 25 160—370 260—290 260—290 15-35

В табл. 33 приведены примерные технологические парамет­ры формования полипропиленового волокна различного моле­кулярного веса на прядильной головке экструзионного типа15, имеющей отношение длины червяка к диаметру 20 : 1. Червяк снабжен торпедой для выравнивания вязкостных характеристик расплава полимера. Обогрев прядильной головки осуществлял­ся с помощью элементов сопротивления с автоматическим ре­гулированием температуры. Схема регулирования давления в

расплавопроводе обеспечивала не только одинаковую продол­жительность пребывания расплава полимера в расплавопро­воде, но и одинаковое давление перед дозирующим насосом. Несмотря на то, что давление в расплавопроводе изменялось в пределах до 20 ат, свойства волокна при постоянном темпера­турном режиме оставались одинаковыми. Это объясняется боль­шой величиной отношения длины червяка к диаметру {L/D), и следовательно, небольшим изменением окружной скорости чер­вяка, что практически не влияет на продолжительность пребы­вания полимера в зоне высоких температур. Температура в

расплавопроводе и в прядильных головках должна быть на

Рас. 64 Прядильная головка экструзионного типа с вертикальным червяком: 1— спиральная пружина; 2— загр уз он на я во ронка; З^цилиндр', 4—червяк', 3— расплавопровод', 6—пря­ дильный насосик’, 7—фильер­ный комплект.

80—100 °С ниже, чем в зонах червяка. Такое снижение темпера­туры вызвано тем, что в расплавопроводе и в фильерном ком­плекте отсутствует перемешивание, а это, естественно, приводит к местным перегре­вам и к ухудшению свойств волокна.

обогрева) в 10 и

Применение прядильных головок, у ко­торых отношение длины к диаметру червя­ка составляет.20 : 1 и выше, создает труд­ности в установлении стабильных темпера­турных режимов по зонам, так как прак­тически невозможно определить действи­тельную температуру расплава полимера. Кроме того, температура расплава в раз­личных точках рабочего объема неодина­кова вследствие перепада температур меж­ду стенкой нагретого цилиндра и полиме­ром. Из-за плохой теплопроводности поли­мерных материалов при таком способе по­дачи энергии продолжительность пребыва­ния полимера в прядильной головке значи­тельно увеличивается. Такие головки имеют невысокую окружную скорость червяка; часть полимера находится в сфере обогре­ва несколько больше допустимого времени; в результате более длительного воздействия высоких температур происходит деструк­ция макромолекул. При применении опи­санных прядильных головок для формо­вания волокна, как правило, затрачивае­мая мощность (приводного двигателя и более раз больше теоретической мощности. В связи с этим были предприняты усилия к созданию других конструкций прядильных головок экструзионного типа19’ 20 (рис. 64), к которым предъявляются следующие требования:

1. Максимальное превращение механической энергии в теп­ловую для перевода полимера в вязко-текучее состояние.

2. Равномерный обогрев полимера в каждой точке рабочего пространства.

3. Использование червяка в качестве чувствительного эле­мента для регулирования температуры по вязкости полимера. (С увеличением вязкости полимера возрастает расход энергии двигателем для привода червяка, при уменьшении вязкости по­лимера расход энергии двигателем для привода червяка по­нижается.)

Производительность головок, удовлетворяющих указанным требованиям, определяется по формуле, выражающей пропор­циональность между механической и тепловой энергиями:

„ _ токот]

° “ есту

где G — производительность, /сг/се/с;

т — напряжение при вращении червяка, кгс/см2; w — момент сопротивления поперечного сечения червя­ка, см3;

(о — угловая скорости, 1 /сек;

г] — коэффициент полезного действия, величина которого уменьшается с увеличением разности температуры; 0 —разность температур полимера на выходе и входе, °С;

Cm — средняя удельная теплоемкость, ккал/кг • град;

I—механический эквивалент тепла, кгс-см(ккал.

Максимальная производительность прядильной головки такой конструкции может быть достигнута при максимальной угловой скорости, которая в свою очередь зависит от числа оборотов червяка. Линейная скорость червяка в таких головках составляет от 400 м/мин и выше, в то время как линейная ско­рость прядильных головок, с высоким отношением LjD состав­ляет не более 80 м/мин.

Возвратно-поступательное движение червяка обеспечивает равномерную подачу полимера и постоянное давление внутри цилиндра. Отношение L/D в таких прядильных головках составляет от 8 до 12, так как не требуется зональный обогрев. Вследствие уменьшения отношения длины к диаметру червяка возрастает коэффициент полезного действия. Вязкость поли­мера и зависящая от нее температура устанавливаются авто­матически, поэтому отпадает необходимость в приборах, регу­лирующих температуру.

Высокоскоростные прядильные головки экструзионного типа просты по устройству и удобны в работе.

Как указывалось ранее, в процессе формования волокна из полиолефинов на машинах различных конструкций происходит деструкция макромолекул вследствие длительного (от 15 мин и выше) пребывания полимера в зоне высоких температур, что приводит к ухудшению физико-механических свойств волокна.

Особенностью высокоскоростных червяков является незначи­тельная продолжительность пребывания полимера в зоне высо­ких температур (не более 5—10 сек); при этом практически не происходит деструкции полимера. Поэтому для получения волокна с удовлетворительными физико-механическими свойст­вами следует применять полимер с невысоким молекулярным весом, соответствующим молекулярному весу полимера в во­локне. В этих условиях изменить молекулярный вес полимера можно только путем увеличения скорости вращения червяка (табл. 34).

ТАБЛИЦА 34 Влияние скорости вращения червяка на свойства полипропиленового волокна (температура греющих элементов 280°С)1Ъ Скорость вра­щения червяка м/мин Характеристи­ческая вязкость полимера после формования Прочность ркм Удлинение % 165 1,02 330 0,90 62,0 25,0 440 0,70 58,0 23,0

Таким образом, формование полиолефиновых волокон мож­но проводить на оборудовании, которое применяется для по­лучения других волокон из полимеров, находящихся в термо­пластическом состоянии. Однако технологически целесообразно осуществлять формование на экструзионных машинах. При этом высокоскоростные прядильные головки экструзионного типа имеют преимущества по сравнению с малоскоростными, которые заключаются не только в том, что они просты в работе, но также и в том, что при использовании их сокращается про­должительность пребывания полимера при высокой температу­ре. Последнее обстоятельство особенно важно для полиолефи­нов, термостойкость которых невелика.

Температура формования полиолефиновых волокон зависит от молекулярного веса, величина которого, при получении по­
липропиленового волокна с удовлетворительными физико-меха­ническими свойствами, определяется характеристической вяз­костью полимера21 от 1 до 1,5 (в декалине при 135 °С). При фор­мовании полиэтиленового волокна характеристическая вязкость полимера22 (в декалине при 135 °С) составляет 1—1,2. Эти зна­чения характеристических вязкостей полиолефинов соответст­вуют молекулярным весам полимеров 80 000—150 000.

Рас. 65. Схема прядильной экструзионной машины для формования волокна'. 1—загрузочная воронка-, 2-цилиндр', 3—-червяк; 4—расплавопровод', 5—прядильный насосик, б— фильерный комп >екпг, 7~шахта 8—^шайбы длм замасливателя; 9—приемное устройство.

При таком молекулярном весе полимера температура формования на экструзион­ных головках составляет 260—310 °С.

Прядильная экструзион­ная машина. Принципиаль­ная схема прядильной экструзионной машины при­ведена на рис. 65. Полимер после расплавления посту­пает на фильеры (изготов­ленные из специальной ста­ли) диаметром ПО мм и выше, в которых имеются конические отверстия раз­мером от 0,25 до 0,6 мм.

Величина и расположение отверстий фильеры имеют важное значение для соз­дания одинаковых условий истечения полимера, прохо­дящего через каждое от­верстие, и одинакового охлаждения волокна. Для предотвращения слипания волокон расстояние между отверстиями фильеры

должно быть максималь­ным, а располагать их сле­дует радиально. Расплав полимера вытекает из от­верстий фильеры в виде тонких жидких струй и, охлаждаясь, затвердевает. Теплообмен между струей расплав­ленного полимера и охлаждающей воздушной средой осущест­вляется в результате теплопроводности и конвекции.

11-1006

Внутри струи для теплообмена решающую роль играет теплопроводность, а на поверхности — конвекционная теплопередача от струи к воздушной среде. Усиление теплообмена под влиянием конвекции обычно осуществляется путем продувки воздуха в направлении, перпендикулярном движению волокна в шах­те. Для решения проблемы теплообмена в процессе формования необ­ходимо знать коэффициент теплопередачи а. Попытки определения а не дали положительных результатов23’ 84 в связи с тем, что до настоящего времени не описаны способы вычисления. коэффициента теплопередачи для движущейся тонкой струи в неподвижном слое и не определены температуры волокна в про­цессе формования.

А. Забицкий25 измерял среднюю температуру толстых полиамидных моно­волокон, сформованных «гравитационным способом» (под действием собст­венного веса) со скоростью приемки порядка 100—300 м/мин. В таких ус­ловиях можно принимать волокно непосредственно в калориметр и таким об­разом измерять температуру. Однако этот метод не дает возможности измерить температуру при производственных скоростях формования, а следовательно, рассчитать а.

После охлаждения в шахте волокна собираются вместе и направляются на приемку. Полученная филаментная нить про - ; ходит замасливающие шайбы и поступает на ведущую бобину, на которой производится намотка с постоянной скоростью14'26 i от 450 до 600 м/мин. Обработка нити замасливателем произ­водится для снятия электростатических зарядов. В качестве препарирующих веществ для полиолефиновых волокон реко­мендуются реагенты, придающие волокнам гидрофильность; к числу препарирующих реагентов относятся алкилфосфаты27.

По литературным данным10'26, филаментные нити и шта­пельное волокно с номером 600—6000 в промышленном мас­штабе выпускают только из полипропилена.

В лабораторных условиях филаментная нить получена из полиэтилена, сополимеров этилена с бутиленом28 и этилена с пропиленом29. Количество второго компонента в сополимере не превышало 7—10%.

Волокно из сополимера этилена с бутиленом обладает зна­чительно меньшим криппом и более высокой эластичностью по сравнению с полиэтиленовым волокном.

Формование волокон из этих сополимеров осуществляется при температуре, близкой к температуре формования полиэти­ленового волокна. Температура формования полиэтиленового волокна примерно на 40—60°С выше температуры формования волокна из полипропилена при одинаковом индексе рас­плава.

Получено также волокно из поли-4-метил-пентилена-1, кото­рое имеет более высокую температуру плавления по сравнению с температурой плавления полипропиленового волокна30. Фор­мование этого волокна осуществляется при температуре около 300 °С.