автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.15, диссертация на тему:Разработка научных основ получения волокнистых материалов из расплавов полимеров аэродинамическим способом

Государственное предприятие научно-исследовательский институт синтетического волокна.

ГП НИИСВ

УДК:677.4.002.2.:541.64.-143:533.6-143.442.

Генис Александр Викторович

Разработка научных основ получения волокнистых материалов из расплавов полимеров аэродинамическим способом.

(05.17.15,-Технология химических волокон и ;лл(3$

Диссертация

4

на соискание учёуря^^енр ¡г^

доктора технических наук'. Л/ " ' " Ж ¿г ьФ ■

NN

консультант: Заслуженный деятель науки и техники Р.Ф. доктор технических наук, профессор Начинкин 0.И.

_ "Г— „ . н ппо

I . I верь IЭУО

ОГЛАВЛЕНИЕ.

Введение. ...................... ................ 11

1.Обзор состояния проблемы и постановка задачи исследования

1.1. Способы получения волокнистых материалов. ........... 16

1.2.Волокнистые материалы, полученные непосредственно в процессе формования (ВМПФ) .............................16

1.2,1.Общие принципы процесса аэродинамического формования волокнистых материалов. ................. 19

1.2.2.Наиболее распространённые технологические схемы и

оборудования для получения ВМАФ...............22

1.3.Гидро-, аэродинамика и теплообмен в процессе формования

химических волокон. ............................ 24

1.3.1.Продольное обтекание пластин и цилиндров бесконечной длины потоком жидкости и газа............. 24

1.3.2.Особенности аэродинамики в процессе формования химических волокон. ......................... 32

1,3.3.Теплообмен в процессе формования химических волокон. .................................. 36

1.4,Основные закономерности процесса получения волокнистых материалов из расплавов полимеров аэродинамическим способом .......................................46

1.5.Основные закономерности работы эжекторных устройств, применяющихся при аэродинамическом формовании нитей и волокнистых холстов..........................................55

1.6. Свойства и структура волокнистых материалов..........57

1.6.1.Методы скрепления структурных элементов в волокни-

стом холсте.............................. 58

1.6.2,Влияние структуры волокнистых материалов на изменение свойств............................. 60

1.7.Методы улучшения потребительских свойств нитей и волокнистых материалов. ............................. 68

1.7.1.Модификация размеров нитей. Методы получения и области применения ультратонких нитей и изделий на

их основе. .............................. 69

1.7.2.Модификация формы нитей. Использование профилированных нитей для изменения свойств и расширения

ассортимента изделий на их основе...................73

1.7.2.1.Особенности получения профилированных нитей из

расплавов полимеров...................... 79

1.7.2.2.Теоретические и экспериментальные исследования процесса формоизменения профилированных нитей

при формовании из расплавов полимеров......... 81

1.7.2.3.Технологические приёмы, обеспечивающие получение нитей с требуемой геометрией поперечного сечения. 86

1.8.Выводы из литературного обзора и постановка задачи исследования................................... 87

2. Методическая часть.

2.1. Исходные материалы и основное технологическое оборудование. ................................. 91

2.1.1. Исходное сырьё, применяемые вещества и методы их контроля................................ 91

2.1.2. Основное технологическое оборудование.......... 91

2.2. Методы изучения процесса получения ВМАФ из ультратонких

нитей............. ......................... 98

2.2.1.Определение диаметра формующейся нити вдоль пути

формования и в сформированном волокнистом холсте. 98

2.2,2. Показатель двойного лучепреломления волокон. .... 98

2. 2.3.Определение числа склеек между волокнами в волокнистом холсте......................... 99

2.2.4.Определение удельной прочности единичных склеек в

волокнистом холсте.....................................100

2.2.5.Определение механических показателей элементарных

ультратонких нитей........................ 100

2 2.6.Механические показатели волокнистого материала. . . 101

2.2.7.Определение диаметра пор ВМАФ из ультратонких нитей....................................102

2,2.8.Определение среднего расстояния между проколами и количества волокон в пучке при получении волокнистых материалов, состоящих из тонких волокон. ..... 102

2.2.9.Контроль процесса вытягивания волокон при формовании ВМАФ.............................. 102

2.2.10.Методы контроля параметров процесса формования волокнистых материалов. ........................103

2.3, Методы изучения процесса получения ВМАФ из профилированных нитей. ....................... .......... 107

2.3.1.Изучение влияния эффекта расширения струи расплава полимера на изменение относительной характеристики профиля сечения нити. ................. 108

2.3.2.Определение изменения коэффициента Ы и площади

поперечного сечения нити вдоль пути формования. . .108

2.3.3,Определение поперечного размера формирующейся нити вдоль пути формования. .............................110

2.3.4.Определение усилия, действующего на нить в процессе формования....... ....................110

2.3.5.Измерение температуры нити вдоль пути формования. 110 2.4.Методы исследования геометрических характеристик отверстий фильер, свойств профилированных нитей и волокнистых

материалов на их основе........................ . 110

2.4.1 Определение геометрических показателей отверстий

фильер. ................................ 111

2.4.2.Исследование поперечных срезов нитей. .......... 111

2.4.3.Определение механических показателей элементарных

профилированных нитей. ..................... 111

2,4.4.Определение двойного лучепреломления профилированных нитей. .............................. 112

2.4.5.Определение механических показателей ВМАФ из профилированных нитей........................ 112

2.4.6.Определение линейных размеров и объёмных показателей волокнистых материалов. .........................113

2.5.Оценка физических свойств ВМАФ из круглых и профилированных нитей.......................................113

2.5.1.Определение воздухопроницаемости ВМАФ из круглых и

профилированных нитей...... ................ 113

2. 5. 2. Определение звукопоглощающих свойств ВМАФ....... 114

2.5.3.Определение коэффициента теплопроводности ВМАФ из

круглых и профилированных нитей.............. 116

2,5.4. Определение фильтровальных свойств ВМАФ. ....... 118

2.6.Методы изучения процесса получения ВМАФ из низкоплавкого

сополиамида. ..................... ............ 120

2,6.1.Определение температуры стеклования, кристаллизации,

плавления на сканирующем калориметре ДСК-2......120

2.6.2.Определение температуры плавления низкоплавкого

сополиамида с помощью калориметра теплового потока 120 2.6.3.Определение усилия усадки термоклеевого волокнистого материала. ..........................121

2.6.4.Определение клеющей способности образцов термоклеевого волокнистого материала. ................ 121

2.7. Математическая обработка результатов. ..............121

3.Моделирование основных физических процессов получения волокнистых материалов из ультратонких и профилированных нитей методом аэродинамического формования расплавов полимеров .......................................... 126

3.1.Теоретическое исследование процесса высокотемпературного аэродинамического формования из расплавов полимеров 126

3.2.Теоретическое исследование процесса формоизменения профилированных нитей при формовании расплавов полимеров

аэродинамическим способом. ............ . ........ 143

3.2.1.Математическая модель процесса формоизменения профилированных нитей при формовании их из расплавов полимеров. ............................... . 143

3.2.2.Вывод соотношений для расчёта основных кинематических и тепловых характеристик процесса формования

профилированных нитей. ...................................148

3.2.3.Вывод соотношения для расчёта безразмерного критерия формоизменения............................155

3.3.Физические свойства полимеров,используемых в производстве ультратонких,профилированных нитей и волокнистых материалов. ................................... 159

3.4, Регрессионные соотношения, связывающие вид профиля нитей и технологические параметры упрочнения с конечными

свойствами волокнистого материала. ................ 162

4.Экспериментальная часть........................... 168

4.1.Изучение особенностей аэродинамики при формовании ВМАФ

из ультратонких волокон........................168

4.2.Анализ теплообмена между волокном и окружающей средой

при получении ВМАФ из ультратонких волокон......... 181

4.3.Анализ распределения сил при получении ВМАФ. . ...... .189

4.4.Изучение возможностей получения волокнистых материалов повышенной прочности из ультратонких волокон........197

4.4.1.Прочность волокнистых материалов из ультратонких волокон ....................................198

4.4.2. Диаметр волокон и пористость волокнистых материалов 217 4,5.Оптимизация процесса получения волокнистых материалов

повышенной прочности и минимального диаметра (ВМПТ) .... 225

4.6.Закономерности конструирования эжекторных устройств, применяемых для получения волокнистых материалов, обладающих минимальным диаметром волокон и повышенной разрывной

прочностью................................... 227

4.7.Особенности получения ВМАФ из алифатического сополиамида 237 4.8.Процесс упрочения волокнистых материалов низкой поверхностной плотности..............................242

4.8.1.Особенности упрочнения термоскрепленных волокни-

стых материалов. ......................... 242

4.8.2.Особенности упрочнения иглопробивных волокнистых

материалов......................................254

4.9.Исследование физических свойств волокнистых материалов,

состоящих из круглых нитей различного диаметра........265

4.9.1.Получение ВМАФ с требуемой воздухопроницаемостью 265

4.9.2.Изучение сорбционных свойств ВМАФ. ............ 279

4.9. 3. Изучение звукопоглощающих свойств ВМАФ......... 284

4.10.Экспериментальное изучение отдельных стадий процесса

получения ВМАФ из профилированных нитей............292

4.10.1.Экспериментальное обоснование основных допущений, использованных при разработке математической модели формоизменения профилированных нитей в условиях аэродинамического формования расплавов

полимеров..............................292

4.10.2.Формоизменение профилированных нитей при аэродинамическом формовании их из расплавов полимеров 300

4.10.3.Изучение кинематических и тепловых характеристик процесса аэродинамического формования профилированных нитей из расплавов полимеров. .........305

4.10.4.Влияние условий формования на физико-механические свойства единичных нитей, образующих ВМАФ. . . 306

4.11.Практические рекомендации по определению технологических параметров получения профилированных нитей методом аэродинамического формования расплавов полимеров .................................315

4.11.1.Корреляция между теоретическим описанием процесса формоизменения нитей экспериментальными данными по формованию профилированных нитей из расплавов полимеров........................ 315

4.11.2.Количественная оценка влияния технологических параметров на изменение формы профилированных нитей при аэродинамическом формовании расплавов

полимеров. ............................. 321

4.12,Изучение влияния профиля поперечного сечения нитей и технологических параметров упрочнения ВМАФ на их потребительские свойства. ......................... 324

4.12.1.Структурные особенности ВМАФ на основе профилированных нитей..........................325

4.12.2.Влияние вида профиля нитей и технологических параметров упрочнения на прочность ВМАФ.........329

4.12.3.Влияние вида профиля нитей и технологических параметров упрочнения на теплоизоляционные свойства ВМАФ...............................337

5.Результаты разработки и внедрения технологических процессов получения волокнистых материалов из тонких, ультратонких круглых и профилированных нитей..................350

5.1.Разработка и внедрение новых ассортиментов ВМАФ из тонких и ультратонких нитей....................... 350

5.2.Определение технологических параметров производства ВМАФ из профилированных нитей с требуемым комплексом

потребительских свойств........................358

5.3.Разработка и внедрение новых ассортиментов ВМАФ из

профилированных нитей. .........................361

Выводы. ........................................366

Литература...................................... 371

Приложения. ..........................................399

Введение.

Рост промышленного производства в период формирования рыночных отношений связан с созданием новых высокопроизводительных процессов, обеспечивающих выпуск конкурентоспособной готовой продукции, отвечающей высоким потребительским требованиям. Одним из таких процессов

является процесс производства волокнистых (нетканых) материалов аэродинамическим методом формования из расплавов полимеров. Производство нетканых материалов особенно быстро развивалось в последнее десятилетие. Среднегодовые темпы прироста мирового выпуска нетканых материалов составили 8-10% [1-7,12,13]. Тенденция увеличения выпуска нетканых материалов непосредственно связана с промышленным освоением в середине 60-х годов высокопроизводительного метода аэродинамического формования нитей из струй расплава полимера с последующим формованием волокнистого материала (ВМАФ). В этом случае получение готового

изделия осуществляется на одном агрегате [8]. За рубежом такие материалы получили название ,,Спанбонд'' из сочетания двух слов спан-прясть, бонд-связь [9,10].Выпуск волокнистых материалов из расплава полимеров в настоящее время превышает 35% в общей структуре нетканых

материалов [7]. В Северной Америке доля нетканых материалов спанбонд в общем объёме выпуска нетканых материалов, включающем также иглопробивной, вязально-прошивной, физико-химический способ их производства, составляет 38% в Западной Европе -30%, Японии-28% [1,2]. Немаловажной предпосылкой для широкого развития указанного процесса явилось наличие богатой сырьевой базы, так как при этом используют главным образом полиолефины, полиамиды, полиэфиры, а также вторичные гранулы этих полимеров. Ведущими странами по производству ВМАФ является США, страны Западной Европы, Япония. Так,в США в 1999 г. будет произведено 384 тысяч тонн нетканых материалов по технологии спанбонд, в Западной Европе-197 тысяч тонн, Японии-86 тысяч тонн [4-7] В

России процесс получения ВМАФ из различных полимеров разрабатывается в ГП НИИСВ. Основное технологическое оборудование создаётся совместно с Киевским экспериментальным машиностроительным заводом ,,Стенд''

[11].Указанный процесс широко внедрён и внедряется на предприятиях химической промышленности,в частности, на Могилевском, Каменском ОАО ,,Химволокно'' и Экспериментальном заводе ГП НИИСВа. ВМАФ являются высококачественными исходными материалами для изделий технического и медицинского назначений, товаров народного потребления. Высокая эффективность использования ВМАФ в различных отраслях народного хозяйства вызывает необходимость расширения их ассортимента путём использования методов физической и химической модификаций. Способы физической модификации, как правило,наименее трудоёмки и достаточно экономичны. Так существенное изменение свойств нитей и, следовательно, волокнистых материалов на их основе может быть достигнуто путём уменьшения поперечных размеров элементарных нитей, в частности при получении ультратонких непрерывных волокон, а также путём придания волокнам некруглой формы поперечного сечения. Однако получение ультратонких нитей и нитей с заданной геометрией из расплава полимера имеет свои отличительные особенности и определённые трудности. Недостаточно также изучена взаимосвязь поперечных размеров, формы нитей и свойств волокнистых материалов на их основе. Это приводит к необходимости более детального изучения процесса образования ВМАФ и в первую очередь побуждает исследовать процессы растяжения струи расплава полимера воздушным потоком, выходящим из дутьевого устройства, остывания струи и превращения её в волокно, формирования из последнего волокнистого материала.

Выполненная автором работа, представленная на соискание доктора технических наук, сводится к решению следующих задач: -разработка теоретических основ расчёта процесса высокотемпературного вытягивания струй расплавов полимеров в ультратонкие волокна воздушным потоком;

-анализ баланса сил, действующих на волокно при аэродинамическом формовании из расплава, определение уравнения движения нити на основе изученного баланса сил;

-исследование влияния условий охлаждения нитей на свойства ВМАФ; -определение основных технологических параметров, влияющих на прочность ВМАФ и диаметр волокон в холсте волокнистого материала, состоящего из ультратонких нитей;

-разработка теоретических основ расчёта процесса формоизменения профилированных нитей при аэродинамическом формовании из расплавов полимеров;

-создание инженерного метода расчёта технологических параметров получения нитей с заданным профилем поперечного сечения; -экспериментальное изучение процесса получения профилированных нитей и волокнистых материалов на их основе;

-разработка принципов конструирования дутьевых устройств обеспечивающих получения новых ассортиментов ВМАФ при использовании методов физической модификации волокон и холстов на их основе; -изучение особенностей упрочнения термоскреплённых и иглопробивных волокнистых материалов низкой поверхностной плотности; -установление взаимосвязи структуры волокнистых материалов из ультратонких и профилированных нитей с основными физическими и эксплуатационными свойствами волокнистых холстов;

-выработка научно обоснованных рекомендаций по практическому использованию ультратонких и профилированных нит�