Параметры процесса формования полиэфирных волокон и нитей

Полиэфирные волокна и нити формуют из расплава полимера. Существуют две схемы формования: из гранулята ПЭТФ и прямое формование из расплава ПЭТФ. Прямое формование из расплава широко используется в технологии производства полиэфирного волокна при непрерывном способе синтеза ПЭТФ. В этом случае расплав ПЭТФ из последнего реактора поликонденсации по обогреваемому расплавопроводу поступает непосредственно на формовочную машину. Перед подачей на машину в расплав ПЭТФ вводят различные технологические добавки: матирующий агент — TiО2 или красящую композицию (при получении окрашенного полиэфирного волокна в массе) в количестве 0,3—0,5% к массе ПЭТФ. Добавки вводят небольшими порциями, что обеспечивает точное дозирование вводимого вещества по отношению к массе расплава полимера. При введении красящей композиции для равномерного распределения красителя в полимерной массе в расплавопроводе устанавливают специальные гомогенизаторы. При монтаже формовочных машин, перерабатывающих расплав ПЭТФ, необходимо учитывать, что продолжительность пребывания расплава на пути от поликонденсатора до прядильной машины во избежание деструкции полимера не должна превышать 8— 10 мин.

Машины, предназначенные для прямого формования из расплава, более просты по конструкции, на них отсутствуют бункера для гранулята ПЭТФ и плавильные устройства. В остальном конструкция машин не отличается от формовочных машин, перерабатывающих полимер в виде гранулята, и формование волокна, начиная с подачи расплава полимера дозирующим насосиком к фильере, проводится при одинаковых технологических параметрах. Поэтому довольно часто формовочные машины определенной марки выпускают в двух вариантах: для формования волокна из гранулята полимера и прямого формования из расплава полимера.

Процессы нитеобразоваяия в производстве полиэфирных нитей и волокна идентичны, а оборудование для формования отличается только способом приема нитей и производительностью.

Если для формования полиэфирных волокон и нитей используют полимер в виде гранулята (крошки), то последний поступает в загрузочные бункера машины непосредственно из сушилок или из бункеров хранения сухого полимера. Один загрузочный бункер обеспечивает полимером несколько прядильных мест. Затем гранулят самотеком по распределительным трубам подается на плавильные устройства.

Плавление. Для плавления полиэфира применяют плавильные устройства двух типов: с принудительной подачей (поддавливанием) гранулята на плавильную пластину и экструдеры.

При получении расплава ПЭТФ в плавильных устройствах поддерживается температура 285—295 °С с точностью до ±1—2°С.

На плавильных устройствах с принудительной подачей гранулята к плавильной пластине короткозаходный шнек охлаждается водой. Это необходимо для предотвращения слипания гранул полимера за счет теплопередачи на шнек и обеспечения равномерности подачи полимера к плавильной пластине. Продолжительность пребывания полимера на плавильной пластине составляет около 1 мин, а общая продолжительность нахождения полимера в расплавленном состоянии в плавильных устройствах данной конструкции — 4—6 мин.

В настоящее время в производстве полиэфирных волокон наибольшее распространение получили плавильные головки экструдерного типа с горизонтальным расположением шнека при отношении длины шнека к диаметру, равном 20—30. Это объясняется их высокой производительностью и рядом технологических преимуществ, обеспечивающих повышение качества получаемого волокна. Зональный обогрев экструдера и принудительное транспортирование расплава под давлением позволяют несколько онизить температуру и продолжительность пребывания расплава при высоких температурах, в результате чего термодеструкция ПЭТФ уменьшается.

Применение экструдеров позволяет также перерабатывать полиэфиры с большой молекулярной массой, что является одним из необходимых условий получения высокопрочных нитей технического назначения.

Перспективно оснащение узла плавления формовочной машины для полиэфирного волокна вертикальным экструдером с высокоскоростным шнеком.

Так как для плавления ПЭТФ используются устройства с принудительной подачей расплава к прядильным блокам, то на машинах, предназначенных для формования полиэфирного волокна, не требуется установка напорных насосов. Дозирующие шестеренчатые насосы, обеспечивающие равномерность подачи расплава ПЭТФ к фильере, устанавливаются на расплавопроводе после экструдера.

Оснащение плавилыно-формовочных устройств экструдерами и переработка высоковязких систем, а также увеличение количества расплава, подаваемого на фильеру, при высокоскоростном формовании приводит к существенному увеличению давления в прядильном блоке (до 30 МПа). Это предъявляет особые требования к конструкции фильерного комплекта. Кроме того, при таких режимах работы требуется установка насосов высокого давления, так как у серийно выпускаемых шестеренчатых насосов уже при давлении 10 МПа нарушается герметичность соединений и снижается точность дозирования.

Фильтрация расплава. При формовании полиэфирных волокон и нитей (особенно нитей технического назначения) предъявляются высокие требования к однородности и чистоте расплава. Особое внимание обращают на содержание гель-частиц, способных вызывать обрыв элементарных нитей, что приводит к снижению качества получаемого волокна. Для уменьшения возможности попадания гель-частиц в нить необходима тщательная фильтрация расплава перед фильерой (в фильер-ном комплекте). В качестве фильтрующего материала используют кварцевый песок, сетки, вату из тонкой металлической проволоки и другие материалы. При этом фильтрующий материал способствует не только удалению из полимерной массы включений, но и гомогенизации расплава.

На некоторых формовочных машинах предусмотрена централизованная фильтрация расплава между экструдером и прядильными блоками.

При переработке высокомолекулярного ПЭТФ (получение нитей с повышенной прочностью) и высокоскоростном формовании повышаются требования к гомогенности расплава и содержанию гель-частиц. В этом случае обязательны дополнительная фильтрация расплава перед напорным блоком и установка гомогенизирующих насадок на экструдерах.

Нитеобразование. При формовании полиэфирного волокна следует учитывать особенности реологического поведения расплава ПЭТФ в процессе течения через каналы фильеры. Течение высоковязких расплавов обусловливает необходимость создания высоких давлений, а это приводит к появлению высоких нормальных напряжений в расплаве после выхода из фильеры, что может выражаться в сильном расширении струи расплава, неравномерности по сечению нити или в ее обрыве. Поэтому наиболее благоприятные условия для формования создаются в том случае, когда расплавы менее структурированы. С этой целью повышают температуру формования до 285 °С, что приводит к снижению вязкости расплава. Другим технологическим приемом преодоления возможных осложнений является увеличение диаметра отверстий фильеры до 0,3—0,5 мм. Число отверстий в фильере изменяется в зависимости от ассортимента нити (волокна). Для технической нити оно составляет 140— 280, для текстильной нити —10—100, для волокна — 400—1000.

Имеются данные о применении для формования полиэфирного волокна фильер с числом отверстий 3500—4000 с тенденцией увеличения числа отверстий до 5000. Увеличение числа отверстий в фильере является одним из эффективных направлений повышения производительности формовочных машин, однако такое решение требует нового подхода к созданию формовочных устройств, обеспечивающих более равномерное распределение расплава по поверхности фильеры.

В настоящее время в производстве текстильных полиэфирных нитей применяют многониточное формование: в одной прядильной головке установлено несколько фильер (4, 8 или 16).

Повышенная подача расплава в шахту формовочной машины потребовала инженерных решений, обеспечивающих локализацию тепловыделений и улавливание вредных веществ, вы­деляемых в процессе формования.

Охлаждение. Струйки расплава после выхода из фильеры попадают в шахту, где охлаждаются и затвердевают. Способ охлаждения струек расплава существенно влияет на свойства получаемых нитей (волокна), а также на производительность машины. Обычный способ охлаждения заключается в обдувке расплава потоком кондиционированного воздуха (температура 20—25 °С, относительная влажность 65%), подаваемого в шахту при скорости 0,25—0,3 м/с.

Обдувочные устройства должны создавать равномерный ламинарный поток и обеспечивать достаточно быстрое охлаждение формующихся нитей. В противном случае возникают колебания элементарных нитей, что приводит к неравномерности нити по линейной плотности и образованию склеенных нитей, в результате чего повышается обрывность при формовании и последующем вытягивании.

Для создания оптимального потока обдувочного воздуха перед входом в обдувочную шахту машины воздух пропускают через несколько последовательно установленных сеток из проволоки.

Применяют боковую и радиальную обдувку. Эффективность охлаждения при радиальном способе обдувки значительно выше, и она чаще используется при формовании штапельного волокна на тех формовочных машинах, где применяются фильеры с большим числом отверстий. Обдувочные устройства с боковой обдувкой преимущественно используют в производстве полиэфирных нитей. При формовании волокна и технических нитей на каждую фильеру устанавливают индивидуальную обдувочную шахту, поскольку применяют фильеры с большим числом отверстий. При многониточном способе формования текстильной нити в одну шахту подаются нити из нескольких фильер. Расход воздуха на фильеру зависит от числа отверстий в фильере, линейной плотности элементарных нитей и скорости формования и составляет на одно прядильное место 30—250 м³/ч. Однако при увеличении скоростей подачи расплава и приема нити повышается опасность образования склеивания волокон за счет усиления конвекционного потока воздуха в подфильерном пространстве в результате выделения большого количества тепла. Эффективным технологическим приемом, позволяющим стабилизировать процесс формования полиэфирного волокна через фильеры с большим числом отверстий, особенно при повышенной производительности, является интенсивная обдувка формующихся волокон непосредственно около фильеры (расстояние от фильеры до обдувки должно быть не более 20 мм).

Для интенсификации процессов охлаждения струек расплава в некоторых случаях представляет интерес использование водно-воздушного аэрозоля.

Замасливание. Для обеспечения компактности элементарных нитей, предотвращения накопления на них зарядов статического электричества и улучшения проходимости полиэфирных нитей на последующих технологических стадиях после выхода из прядильной шахты на нить наносится замасливающая композиция (водная эмульсия препаратов стеарокс-920, тепрем, лаурокс-6 и др.). Замасливающая композиция наносится с помощью дисков (шайб) или капиллярных устройств. Последний способ особенно перспективен при высокоскоростном формовании полиэфирных нитей. Схема замасливания нити на капиллярном устройстве показана на рис. 6.9. Эмульсия замасливателя подается на рабочую поверхность через канал капиллярного устройства дозирующим насосом и, стекая к месту контакта с движущейся нитью, уносится ею. В этом случае, исключается трение нити о поверхность шайбы и достигается большая равномерность нанесения замасливателя на нити.

Прием нити. Для приема полиэфирных нитей используют намоточные машины двух типов: с тянущими дисками и без них. Бездисковое формование проще, так как при этом исключается трение нити о диски и снижается стоимость оборудования. В настоящее время для нитей линейной плотности 16,7 текс чаще применяют бездисковый способ формования. При высокоскоростном формовании нитей и формовании волокна с большим числом элементарных нитей целесообразнее использовать дисковую систему. При формовании полиэфирных нитей намотка осуществляется на бобины. При переходе на многониточное формование одно рабочее место намоточной машины может одновременно принимать на индивидуальные паковки от четырех до восьми нитей. При получении текстильной нити масса нити на бобине составляет 5—13, технической нити — 8—24 кг.

Рисунок 6.9

При формовании волокна элементарные нити собираются со всей машины или с половины прядильных мест в один жгут и укладываются в контейнер. Транспортирование жгута от прядильных мест осуществляется с помощью трех—шести тянущих вращающихся вальцов. Для подачи жгута в контейнер применяют пневматические (эжекторы) или механические (зубчатые колеса) устройства. Наиболее распространена укладка жгута в неподвижный контейнер. Контейнеры заполняют строго определенным количеством волокна, чтобы обеспечить одновременную смену всех контейнеров на агрегате. Для этого применяют счетчики метража или устанавливают контейнер на весовую платформу. Масса волокна в контейнере составляет 200—1000 кг.

Скорость формования. Скорость формования полиэфирного волокна на прядильной машине определяется в основном его ассортиментом и условиями охлаждения нитей. Для технической нити скорости формования составляют 600—1000, для волокна—700—1600 м/мин. Для текстильной нити процесс формования при классическом способе осуществляется при скоростях 1200—1800 м/мин, при высокоскоростном формовании скорости достигают 3000—4000 м/мин. Созданы машины (фирмой «Бармаг») для суперскоростного формования (5000— 6000 м/мин) полиэфирных волокон. Формование при скоростях 3000—4000 м/мин широко используется в производстве текстурированных нитей. В настоящее время больше половины текстурированных нитей выпускают именно по такой технологии. Это обусловлено рядом преимуществ высокоскоростного формования перед обычным способом. При высокоскоростном формовании значительно увеличивается степень ориентации нити на стадии формования, что позволяет снизить кратность последующего вытягивания и совместить его с процессом текстурирования. Кроме того, повышаются равномерность нити и стойкость к старению.