Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Міністерство освіти і науки України
Київський Національний університет
технологій та дизайну
На правах рукопису
Дрогун Олексій Валерійович
УДК 677.494:678.01
течія волокноутворюючих розплавів
поліамід 6,6 –поліетилентерефталат
при формуванні монониток
Спеціальність 05.17.15 –технологія хімічних волокон
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ - 2002Дисертація є рукопис
Робота виконана у відкритому акціонерному товаристві
“Хімтекстильмаш”(м. Чернігів), Мінпромполітики України.
Науковий керівник: доктор хімічних наук, професор Романкевич Олег
Володимирович, професор кафедри технології переробки полімерів і опоряджувального виробництва Київського національного університету технологій та дизайну.
Офіційні опоненти: - доктор технічних наук, професор Луцик Ростислав
Володимирович, завідуючий кафедрою теплотехніки, охорони праці та навколишнього середовища Київського національного університету технологій та дизайну.
- доктор технічних наук, старший науковий співробітник
Пєтухов Аркадій Дем'янович, директор випробувального центру ВАТ “УкрНДІпластмаш”(м. Київ).
Провідна установа: Інститут хімії високомолекулярних сполук НАН України
(відділ модифікації полімерів).
Захист дисертації відбудеться “25”вересня 2002р. о 1400 на засіданні спеціалізованої ради Д 26.102.04 у Київському національному університеті технологій і дизайну за адресою: 01601, м. Київ, вул. Немировича - Данченка, 2, тел. 290-53-25.
З дисертацією можна ознайомиться в бібліотеці Київського національного університету технологій і дизайну за адресою: м. Київ, вул. Немировича - Данченка, 2.
Автореферат розіслано “ 11 ” липня 2002 р.
Вчений секретар
спеціалізованої ради Шостак Т. С.
Загальна характеристика роботи
Актуальність теми. Основною метою технології полімерів взагалі, і технології хімічних волокон зокрема, є “перетворення предметів дослідження в предмет використання”. Дослідження матеріалів на основі гетерогенних систем знаходяться на передньому краї сучасної науки, а їх величезна різноманітність дозволяє зробити припущення, що як проблеми їх дослідження, так і проблеми технології формування волокон з них будуть актуальними ще довгий час.
Теоретичні основи технології формування хімічних волокон закладено роботами С. П. Папкова, А. Зябицького, К. Є. Перепьолкіна. В області формування волокон з розплавів сумішей полімерів великий внесок належить вченим вітчизняної школи, засновником якої є А. В. Юдін.
Підгрунтям для створення теорії формування волокон з розплавів сумішей полімерів є наука про гетерогенні полімерні системи, основними складовими якої є термодинамічна теорія сумісності полімерів і колоїдна хімія полімерів.
Визначення властивостей сумішей полімерів виключно на підставі властивостей утворюючих їх компонентів, у загальному випадку, є неможливим. Причиною цього є міжфазні явища, зокрема, утворення перехідних областей, властивості яких відрізняються від властивостей полімерів в об'ємі і які можуть значною мірою визначати властивості матеріалів, що переробляються. Тому кількісне узагальнення результатів досліджень по формуванню волокон з розплавів сумішей полімерів на основі єдиних теоретичних співвідношень на сучасному етапі не видається можливим. Залежність властивостей розплавів сумішей полімерів від характеру їх дисперсної структури призводить до необхідності встановлення залежностей між властивостями суміші і її дисперсною структурою при зміні технологічних параметрів формування.
У зв'язку з вищевикладеним викликає інтерес дослідження можливості застосування методів математичного моделювання, які використовуються у теоретичних дослідженнях формування волокон і ниток з розплавів полімерів, для моделювання формування з розплавів сумішей полімерів. Моделі формування включають розгляд математичних моделей екструзійної підготовки розплавів до волокноутворення та волокноутворення.
Отже, актуальність дослідження технології формування волокон із сумішей поліамід 6,6 (ПА6,6) –поліетилентерефталат (ПЕТФ) обумовлена, у теоретичному аспекті, по-перше, необхідністю дослідження можливості застосування математичних моделей екструзійної підготовки розплавів до волокноутворення і волокноутворення однокомпонентних полімерних матеріалів до сумішей полімерів, і, по-друге, необхідністю пошуку закономірностей впливу технологічних параметрів на утворення мікроструктури і властивостей суміші на різних стадіях формування волокон. У практичному аспекті актуальність полягає в тому, що введення ПЕТФ у ПА6,6 дозволяє одержати волокна з підвищеним початковим модулем, що становить інтерес як спосіб підвищення фізико-механічних властивостей технічних ниток з ПА6,6.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано відповідно до пошукових досліджень з формування модифікованих волокон, що проведено ВАТ “Хімтекстильмаш”, зокрема, у рамках цільової комплексної програми України “Устаткування для виробництва хімічних ниток і волокон”(держбюджетна тема Мінпромполітики “Розробка технології виготовлення профільованої мононитки, що розщеплюється”(№ ДР 0196021629)).
Мета та завдання роботи. Метою роботи є розробка математичних моделей формування розплавів сумішей полімерів на прикладі системи ПА6,6 –ПЕТФ, встановлення взаємозв'язку між властивостями розплавів сумішей ПА6,6 - ПЕТФ, їх здатністю до волокноутворення, мікроструктурою та властивостями монониток, що одержуються, а також технологічними параметрами формування.
Завданнями дослідження є:
§ проведення теоретичного та експериментального дослідження формування монониток з волокноутворюючих розплавів сумішей ПА6,6 –ПЕТФ, починаючи від моменту приготування композиції до одержання мононитки, що включає дослідження екструзійної підготовки розплавів сумішей до волокноутворення та волокноутворення;
§ дослідження дисперсної структури сумішей ПА6,6 - ПЕТФ на різних стадіях формування волокна: гравітаційного волокноутворення, волокноутворення з фільєрним витягуванням, орієнтаційного витягування;
§ дослідження впливу параметрів технологічного процесу на фізико-механічні показники мононитки;
§ розробка лабораторної технології формування монониток з волокноутворюючих сумішей ПА6,6 –ПЕТФ.
Об'єктом дослідження є фізико-хімічні процеси, що відбуваються при одержанні розплавів волокноутворюючих полімерів.
Предметом дослідження є течія волокноутворюючих розплавів сумішей ПА6,6 –ПЕТФ при формуванні монониток.
Методи дослідження, використані для вирішення поставлених завдань:
§ для експериментального дослідження формування –пошук залежностей між параметрами формування та властивостями волокноутворюючих розплавів сумішей ПА6,6 –ПЕТФ;
§ для математичного моделювання формування, що включає моделювання екструзійної підготовки розплавів сумішей до волокноутворення та волокноутворення –вирішення систем рівнянь нерозривності, руху, збереження енергії та реологічного рівняння стану з початковими та граничними умовами;
§ для експериментального дослідження дисперсної структури волокноутворюючих сумішей ПА6,6 - ПЕТФ –побудова кривих розподілу частинок дисперсної фази по поперечних розмірах;
§ для обробки експериментальних даних і кількісного аналізу отриманих результатів –створення прикладних програм мовою Visual Basic у вигляді робочих аркушів Excel (Microsoft Office).
При виконанні роботи використовувалися методи математичної фізики, чисельного аналізу, математичної статистики.
Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що автором:
Практичне значення отриманих результатів полягає:
§ у створенні технології формування монониток з розплавів сумішей ПА6,6 - ПЕТФ з вмістом дисперсної фази (ПЕТФ) до 30 % на лабораторній установці, що дозволило одержати мононитки з підвищеним початковим модулем і меншою розрахунковою собівартістю сировини (на 7,5% при вмісті дисперсної фази 10%), що є технологічним та економічним обґрунтуванням доцільності подальшого проведення досліджень на рівні дослідних партій;
§ у використанні запропонованих у дисертаційній роботі математичних моделей екструзійної підготовки розплавів сумішей до волокноутворення при дослідженнях формування монониток із сумішей ПЕВТ - ПІБ, що проводилося в рамках цільової комплексної програми України “Устаткування для виробництва хімічних ниток і волокон”(держбюджетна тема Мінпромполітики “Розробка технології виготовлення профільованої мононитки, що розщеплюється”(номер державної реєстрації 0196021629));
§ у створенні програмного забезпечення мовою Visual Basic у вигляді робочих аркушів Excel (Microsoft Office) для математичного моделювання екструзійної підготовки розплавів сумішей до волокноутворення та волокноутворення сумішей полімерів;
§ у можливості перенесення отриманих результатів на промислові типорозміри екструдерів машин для формування хімічних волокон, використовуючи як критерій перенесення безрозмірні спектри часів перебування;
§ у можливості використання запропонованих у дисертаційній роботі математичних моделей екструзійної підготовки розплавів сумішей до волокноутворення в якості складової програмного забезпечення систем автоматичного контролю і керування екструзійної підготовки розплавів сумішей до волокноутворення при формуванні хімічних волокон.
Особистий внесок автора полягає в постановці завдань дослідження, проведенні теоретичних та експериментальних досліджень, аналізі та оформленні результатів досліджень у вигляді доповідей та статей, а також у самостійному узагальненні етапів досліджень і дисертаційної роботи в цілому.
Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на міжнародних конференціях:
1) “Сучасні технології та устаткування для одержання та переробки полімерних, полімерних композиційних матеріалів і хімічних волокон”. –Київ -
- 29 травня 1999р.
) “Полімермаш - 99”(нові вироби, технології, устаткування). –Київ -
–вересня 1999р.
) Всеросійській конференції “Фізико - хімія процесів переробки полімерів”- Іваново - 13 - 15 жовтня 1999р.
) Міжнародній конференції по хімічних волокнах “Хімволокна - 2000”. -
Твер - 16 - 20 травня 2000р.
) Міжнародній науково-практичній конференції “Техніка для хімволокон”. -
Чернігів - 21-25 травня 2001р.
) Науковому семінарі “Проблеми реології полімерних та біомедицинських систем”. –Саратов –-27 вересня 2001р.
7) Білоруській науково-практичній конференції “Науково-технічні проблеми розвитку виробництва хімічних волокон в Білорусі”. –Могильов –
-15 грудня 2001р.
Публікації. Основний зміст дисертації викладено у 11 публікаціях, з них 5 у фахових виданнях, 2 у збірниках наукових праць, 3 у збірниках доповідей та 1 у збірниках тез конференцій.
Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, 5 розділів, висновків, переліку посилань та додатків. Робота викладена на 155 сторінках машинописного тексту, містить 10 таблиць, 48 рисунків, 157 посилань на наукові праці вітчизняних та зарубіжних авторів.
Зміст роботи
У першому розділі розглянуто існуючі математичні моделі екструзійної підготовки розплавів сумішей до волокноутворення і волокноутворення, що використовуються для створення математичних моделей формування волокон і ниток з розплавів полімерів. Адекватність цих моделей експериментальним даним для однокомпонентних полімерних матеріалів дозволяє розглядати можливість їх застосування для моделювання екструзійної підготовки до волокноутворення та волокноутворення з розплавів сумішей полімерів. Аналіз літературних джерел доводить, що точність математичного моделювання у значній мірі залежить від точності представлення властивостей сумішей полімерів.
Проведено аналіз результатів досліджень по визначенню властивостей сумішей полімерів. Показано необхідність враховувати відмінність у дисперсності матеріалів та здатності компонентів до взаємодії при визначенні властивостей сумішей полімерів, а, отже, і необхідність врахування передісторії їх деформування. Окрім цього при математичному моделюванні необхідно враховувати вплив на властивості суміші полімерів характеру розподілу і перерозподілу компонентів дисперсної фази на різних стадіях формування.
Аналіз літературних джерел дозволив зробити висновок, що адекватні математичні моделі формування волокон і ниток з розплавів сумішей полімерів повинні включати моделювання всіх стадій технологічного процесу, починаючи від моменту приготування композиції.
Проведено аналіз результатів досліджень впливу структури та властивостей сумішей полімерів на мікроструктуру волокон і ниток, що одержуються з них. Показано, що формування дисперсної структури волокон з розплавів сумішей полімерів здійснюється за механізмом “ефекту Юдіна”.
В другому розділі наведено опис лабораторної установки формування монониток з волокноутворюючих сумішей ПА6,6 - ПЕТФ, методики проведення експериментів по дослідженню екструзійної підготовки розплавів сумішей до волокноутворення, волокноутворення та витягування, визначенню дисперсної структури суміші. Фізико-механічні показники витягнутих ниток визначено стандартними методами. Наведено методику аналізу отриманих результатів шляхом створення прикладних програм мовою Visual Basic у вигляді робочих аркушів Excel.
У третьому розділі проведено дослідження математичних моделей формування, що включають моделі екструзійної підготовки розплавів сумішей до волокноутворення і волокноутворення, стосовно сумішей полімерів. Параметри реологічних рівнянь стану сумішей полімерів розраховано за даними, визначеними безпосередньо в технологічному процесі.
Для моделювання течії розплавів сумішей полімерів у зоні видавлювання екструдера в дисертаційній роботі, по-перше, отримано математичні вирази для моделі складного зсуву з урахуванням зазорів та використанням степеневого реологічного рівняння стану і, по-друге, розглянуто особливості реалізації алгоритму розрахунку, обумовлені тим, що параметри реологічних рівнянь стану є шуканими величинами. Припущеннями моделі складного зсуву з урахуванням радіальних зазорів є: ламінарна стаціонарна течія та плоска модель гвинтового каналу (глибина каналу менше його ширини і багато менше радіуса черв'яка). У дисертаційній роботі в якості реологічного рівняння стану використане степеневе рівняння неньютонівскої в'язкої рідини для двовимірної течії наступного виду:
, (1)
Геометричні параметри зони видавлювання, що використано при моделюванні течії волокноутворюючих розплавів сумішей полімерів, наведено на рис.1.
Рис.1. Геометричні параметри
зони видавлювання Відповідно до моделі, нижня пластина нерухома, а верхня рухається зі швидкістю v0.По осях x і y діють градієнти тисків і , а в зазорі по осях x1 і y1 відповідно градієнти і причому, тому що . Складовою вздовж осі z зневажаємо. При моделюванні використано безрозмірну форму запису величин, для чого введено наступні безрозмірні змінні:
; ;; ; ; ; ; ; ; ; ; ; .
Перетворення рівнянь руху по осях x, y, x1, y1 відповідно призводять до залежностей для визначення безрозмірних витрат виду:
; ; (2)
; (3)
де ; ;
c1, c2, c3, c4 - константи інтегрування, чисельно рівні ординатам площин нульових напружень зсуву по осях x, y, x1, y1 відповідно.
Отримана в дисертаційній роботі система рівнянь для визначення невідомих констант інтегрування c1, c2, c3, c4, a, має вид:
Тиск, що максимально розвивається, визначено за формулою:
, (5)
Виробність екструдера визначено за формулою:
. (6)
Вирішення задачі про течію у зоні видавлювання з урахуванням радіальних зазорів у випадку, коли параметри реологічного рівняння стану є заданими величинами, здійснено в такий спосіб:
1) визначено максимальний градієнт тиску та постійні інтегрування c1, c2, c3, c4, a, в режимі закритого виходу для заданих д? з системи рівнянь (4);
) задаючи ряд значень градієнтів тиску, для них визначено постійні інтегрування c1, c2, c3, c4, a, з системи рівнянь (4);
) побудовано безрозмірні витратно-напірні характеристики qx - px;
4) по безрозмірній виробності qx з напірно-витратних характеристик знайдено відповідне значення градієнта тиску p;
) визначено виробність екструдера Q за формулою (6).
Для випадку, коли параметри реологічного рівняння стану (1) є шуканими величинами, алгоритм розрахунку полягає у довільному завданні параметрів реологічного рівняння стану та наступному пошуку рішення методом ітерацій, використовуючи на кожному кроці методику розрахунку за формулами (1-6), викладену вище. Критерієм адекватності визначення параметрів B1 і n реологічних рівнянь стану є збіг розрахункового та експериментального значення температур у вихідному перетині екструдера.
Отримані значення параметрів B1 і n реологічного рівняння стану використано для визначення спектрів часів перебування елементів розплаву в гвинтовому каналі. У свою чергу, спектри часів перебування використано у дисертаційній роботі в якості розрахункового критерію порівняння змішувальної дії при зміні технологічних параметрів екструзійної підготовки розплавів сумішей полімерів. Вибір спектрів часів перебування елементів розплаву як критерію якості змішування дозволив, по-перше, врахувати нерівномірність ступеня змішування по перетину гвинтового каналу, по-друге, співставити отримані розрахунковим шляхом спектри з кривими розподілу частинок дисперсної фази по поперечних розмірах, використаними як експериментальний критерій якості суміші. Це дозволило, встановивши кореляцію між якістю змішування та якістю суміші, направлено регулювати параметри дисперсної структури волокноутворюючих сумішей ПА6,6 –ПЕТФ шляхом зміни технологічних параметрів екструзійної підготовки розплавів сумішей полімерів до волокноутворення.
Представлення спектрів часів перебування в безрозмірному виді дозволяє здійснювати перенесення отриманих результатів досліджень на інші типорозміри екструдерів. Ще одним можливим застосуванням математичної моделі є її використання у якості програмного забезпечення для комп'ютерної складової систем автоматичного контролю та керування машин формування.
Розгляд волокноутворення розділено на 2 частини: волокноутворення в повітряному прошарку між фільєрою та поверхнею охолоджувальної рідини та волокноутворення в охолоджувальній рідині.
Для розрахунку параметрів волокноутворення розплавів сумішей ПА6,6 –ПЕТФ у повітряному прошарку використані рівняння Касе –Матсуо з припущеннями, коректними при низьких швидкостях процесу (домінуючої реологічної складової натягання). При їх вирішенні отримано геометричні, швидкісні, температурні профілі струменя, а також профілі поздовжнього градієнта швидкості по довжині зони волокноутворення.
У дисертаційній роботі запропоновано визначати параметри реологічного рівняння стану струменя виходячи з експериментально визначеної величини натягання. У якості першого наближення при розрахунку процесу волокноутворення для сумішей ПА6,6 –ПЕТФ використано модель ньютонівської рідини. У випадку, якщо модель ньютонівської рідини неадекватно описує експериментальний профіль струменя, використані реологічні рівняння стану іншого виду.
Коректність обраних припущень перевірено шляхом вирішення системи рівнянь волокноутворення, що вимагають врахування всіх складових натягання.
Температурний профіль по довжині зони волокноутворення знайдено з рівняння енергетичного балансу, причому, зважаючи на відсутність досліджень кристалізації при волокноутворенні сумішей ПА6,6 –ПЕТФ, прийнято, що теплота кристалізації в рівнянні енергетичного балансу, з огляду на значно меншу швидкість кристалізації ПЕТФ, визначається теплотою кристалізації ПА6,6. Розрахунок швидкісного профілю струменя проводився з урахуванням дотримання умови нерозривності струменя.
При дослідженні волокноутворення в охолоджувальній рідині найбільший інтерес представляє розподіл температур по перетину нитки. Його у дисертаційній роботі визначено за залежністю, що запропоновано А. Зябицьким.
Результат розрахунку дозволив обґрунтовано визначити величину довжини шляху нитки в охолоджувальній рідині при різних параметрах волокноутворення монониток з розплавів сумішей ПА6,6 –ПЕТФ (швидкості витікання і формування, температури охолодної рідини), що забезпечує вирівнювання температури по поперечному перерізу нитки. Для всіх досліджених режимів волокноутворення розрахункова довжина шляху, що забезпечує різницю температур по поперечному перерізу нитки менш 10С, складає не більш 0,5м.
Результати математичного моделювання волокноутворення демонструють, що моделі низькошвидкісного волокноутворення однокомпонентних полімерних матеріалів можуть використовуватися для волокноутворюючих розплавів сумішей ПА6,6 –ПЕТФ у тому випадку, якщо параметри реологічного рівняння стану для поздовжньої в'язкості розраховуються, виходячи з даних, отриманих безпосередньо при волокноутворенні.
У четвертому розділі наведено результати експериментальних досліджень формування монониток з розплавів сумішей ПА6,6 –ПЕТФ.
Для математичного моделювання течії волокноутворюючих розплавів сумішей ПА6,6 –ПЕТФ у зоні видавлювання екструдера потрібно, у тому числі, розглянути рух суміші гранул ПА6,6 –ПЕТФ у зоні завантаження, що, у свою чергу, вимагає попереднього визначення величини заповнення гранулами міжвиткового простору. Зокрема, для зони завантаження екструдера D = 20мм отримано коефіцієнт заповнення витків шз = 0,8.
Аналіз результатів досліджень течії волокноутворюючих розплавів сумішей ПА6,6 –ПЕТФ демонструє, що збільшення вмісту дисперсної фази призводить до зменшення градієнту тиску в зоні видавлювання (при постійних частоті обертання черв'яка і витраті). Припускаємою причиною характеру досліджуваної залежності є зменшення в'язкості волокноутворюючих сумішей ПА6,6 –ПЕТФ, зокрема, збільшення аномалії в'язкості сумішей ПА6,6 –ПЕТФ при збільшенні вмісту дисперсної фази. У випадку збільшення частоти обертання черв'яка (витрата постійна) розходження між значеннями градієнту тиску в зоні видавлювання, визначеного для сумішей з різним вмістом дисперсної фази, збільшуються, що може бути обумовлено зміною параметрів дисперсної структури, температурного профілю та збільшенням аномалії в'язкості суміші ПА6,6 –ПЕТФ.
Аналіз результатів дослідження впливу технологічних параметрів екструзійної підготовки розплавів до волокноутворення на дисперсну структуру суміші ПА6,6 –ПЕТФ (рис.2) з використанням комп'ютерного методу аналізу структури поперечних зрізів дозволяє зробити висновок, що при збільшенні градієнту тиску в зоні видавлювання спостерігається зменшення найбільш ймовірного розміру частинок дисперсної фази і збільшення розмаху кривих розподілу.
Рис.2. Криві розподілу частинок дисперсної фази
по поперечних розмірах після гравітаційного формування
(суміш 80%ПА6,6-20%ПЕТФ; Q=6 г/хв; фільєра dф=0,8мм).
Криві розподілу частинок дисперсної фази по поперечних розмірах підпорядковуються логарифмічно-нормальному закону розподілу. Зменшення найбільш ймовірного розміру частинок і збільшення розмаху кривих при збільшенні градієнту тиску обумовлено збільшенням імовірності деформації частинок за механізмом “ефекту Юдіна”, що реалізується в зазорах і при наявності циркуляційних потоків, розпаду струменів, що утворюються, на краплі, а також збільшенням нерівномірності часів перебування елементів розплаву в гвинтовому каналі екструдера.
Для дослідження впливу динамічних змішувальних насадок на течію розплавів сумішей ПА6,6 - ПЕТФ у зоні видавлювання використано двухзахідну насадку з різною кількістю прорізів. Аналіз отриманих результатів демонструє, що збільшення частоти обертання черв'яка n (витрата постійна) призводить до збільшення розходжень між значеннями градієнту тиску в зоні видавлювання, визначеними при екструзійній підготовці розплавів для черв'яків з насадкою і без неї. Встановлення змішувальної насадки, незначно знижуючи середній розмір частинок дисперсної фази, у той же час зменшує розмах кривої, а особливо кількість частинок великого діаметру (див. рис.2).
Експериментальні дослідження формування монониток з волокноутворюючих розплавів ПА6,6 –ПЕТФ показали (рис.3,4), що у дослідженому діапазоні технологічних параметрів при збільшенні частоти обертання черв'яка екструдера (витрата постійна) спостерігається зниження прядимості (зменшення величини відношення максимально досяжної швидкості формування до швидкості витоку). Такий характер зміни прядимості обумовлено збільшенням середньоквадратичного відхилення кривих розподілу частинок дисперсної фази по поперечних розмірах і можливістю появи в суміші частинок дисперсної фази, що не деформуються у прийнятих умовах волокноутворення. Підвищення прядимості при зменшенні витрати (частота обертання черв'яка постійна) у дослідженому діапазоні технологічних параметрів обумовлено зменшенням найбільш ймовірного розміру частинок дисперсної фази і середньоквадратичного відхилення кривих розподілу частинок дисперсної фази по поперечних розмірах.
Для волокноутворюючих розплавів сумішей ПА6,6 - ПЕТФ встановлено закономірності, що є характерними для інших сумішей полімерів (див. рис. 3 і 4), а саме, погіршення прядимості при збільшенні вмісту компоненту дисперсної фази у суміші та при зменшенні діаметру отвору фільєри. Причиною зниження прядимості при збільшенні вмісту дисперсної фази у суміші є зниження дисперсності (рис.5), а саме, збільшення найбільш ймовірного розміру частинок дисперсної фази і середньоквадратичного відхилення кривих розподілу частинок дисперсної фази по поперечних розмірах. Зниження прядимості при зменшенні діаметра отвору фільєри пояснюється збільшенням передфільєрного витягування частинок дисперсної фази за рахунок різниці швидкостей течії розплавів сумішей в отворі фільєр і у підвідному каналі.
Дослідження умов, при яких спостерігається явище шиїчного механізму порушення прядимості для волокноутворюючих сумішей ПА6,6 –ПЕТФ, показало, що мінімальна швидкість формування мононитки, при якій спостерігається шиїчний механізм, зменшується при збільшенні частоти обертання черв'яка та збільшенні вмісту дисперсної фази. Причиною такого характеру залежності при збільшенні частоти обертання черв'яка є збільшення нерівномірності реологічних властивостей по перетину нитки, яке викликане збільшенням розмаху кривих розподілу частинок дисперсної фази (див. рис.2), що, у свою чергу, обумовлено зростанням нерівномірності часів перебування елементів розплаву в гвинтовому каналі екструдера. Зниження прядимості при збільшенні вмісту дисперсної фази обумовлено зниженням дисперсності суміші (див. рис. 5). Встановлено, що для фільєр з
Lф/dф = 1 шиїчний механізм порушення прядимості спостерігається при вмісті дисперсної фази 20% і більше, для фільєр Lф/dф = 10 - при вмісті дисперсної фази 10% і більше, а відстані між стоншеннями зростають пропорційно швидкості формування при незмінних інших параметрах технологічного процесу.
Дослідження залежності фізико-механічних властивостей монониток від вмісту дисперсної фази показало, що відносне розривне навантаження монотонно зменшується при збільшенні вмісту дисперсної фази, починаючи із сумішей з вмістом ПЕТФ більш 10%, а зміна початкового модуля носить екстремальний характер з нечітко вираженим максимумом (при 20% ПЕТФ).
Проведені експериментальні дослідження дозволили встановити, що мононитки з розплавів сумішей ПА6,6 –ПЕТФ лінійною щільністю 50 текс з найбільш високими фізико-механічними властивостями отримано при вмісті дисперсної фази 10% (відносне розривне навантаження 65 сН/текс (таке ж, як і в монониток з ПА6,6) і початковий модуль 5,2 ГПа (більше, ніж для монониток з ПА6,6 у 1,6 рази)) та наступних технологічних параметрах формування: температура по зонах екструдера: перша зона - 280±50С; друга, третя - 285±50С; голівка - 285±50С; частота обертання черв'яка екструдера 33,67 об/хв, витрата 6 г/хв; фільєра dф=0,8мм з відношенням Lф/dф = 1; швидкість формування 40 м/хв.
Рис. 3. Залежність максимально досяжної швидкості формування монониток
з сумішей ПА66-ПЕТФ від параметрів екструзійної підготовки розплавів
до волокноутворення (діаметр отвору фільєри 0,5 мм)
Рис. 4. Залежність максимально досяжної швидкості формування монониток
з сумішей ПА66-ПЕТФ від параметрів екструзійної підготовки розплавів
до волокноутворення (діаметр отвору фільєри 0,8 мм)
Рис. 5. Криві розподілу частинок ДФ по поперечних розмірах
(суміш 80%ПА6,6-20%ПЕТФ; G=6г/хв; nч=33,6 об/хв)
після фильєрного витягування (фільєра dk=0,8мм).
У п'ятому розділі проведено співставлення отриманих теоретичних і експериментальних результатів дослідження формування монониток з волокноутворюючих розплавів сумішей ПА6,6 - ПЕТФ.
Визначення ефективної в'язкості розплавів сумішей ПА6,6 –ПЕТФ при течії в зоні видавлювання проведено з використанням параметрів B1 і n реологічного рівняння стану, визначених по алгоритму розрахунку, запропонованому в розділі 3. Аналіз залежностей степеневого параметра реологічного рівняння стану та ефективних в'язкостей сумішей ПА6,6 –ПЕТФ від технологічних параметрів екструзійної підготовки розплавів сумішей до волокноутворення і вмісту дисперсної фази (рис. 6 і 7) дозволяє зробити висновок, що збільшення безрозмірного градієнту тиску і збільшення вмісту дисперсної фази в суміші призводять до зниження ефективної в'язкості розплавів сумішей ПА6,6 –ПЕТФ. При проведенні розрахунків враховано неізотермічність екструзійної підготовки розплавів сумішей до волокноутворення, тобто зміну температур при зміні технологічних параметрів.
Рис. 6. Залежність степеневого показника реологічного рівняння стану (РРС) від частоти обертання черв'яка (Q=const=6г/хв) (модель складного зсуву з урахуванням зазорів)
Рис. 7. Залежність ефективної в'язкості від частоти обертання черв'яка (Q=const=6г/хв) (модель складного зсуву з урахуванням зазорів)
Співставлення характеру зміни спектрів часів перебування елементів розплаву в гвинтовому каналі та характеру кривих розподілу частинок дисперсної фази при зміні технологічних параметрів показує, що вони аналогічні. Отже, впливаючи на спектр часів перебування через зміну технологічних параметрів екструзійної підготовки розплавів сумішей до волокноутворення можна регулювати розподіл частинок дисперсної фази по поперечних розмірах. З огляду на вищевикладене, а також на те, що прядимість волокноутворюючих розплавів ПА6,6 –ПЕТФ залежить від параметрів дисперсної структури суміші, запропоновано використовувати температуру розплаву на виході з екструдера та спектр часів перебування елементів розплаву у якості параметрів, що підтримуються системою автоматичного контролю та керування машин формування у заданому діапазоні.
Співставлення теоретичних та експериментальних результатів дослідження низькошвидкісного волокноутворення розплавів сумішей ПА6,6 –ПЕТФ показало, що у досліджуваному діапазоні технологічних параметрів адекватною є математична модель, що враховує тільки реологічну складову натягання нитки в точці затвердіння у ньютонівському наближенні з арреніусівською залежністю в'язкості для розплавів та залежністю Вільямса –Лендела - Феррі для ствердженої нитки.
За аналогією з підходом, що пропонує як критерій прядимості сумішей полімерів використовувати сумарну кратність фільєрного витягування, що розраховується як добуток кратностей фільєрного витягування (КФВ) і передфільєрного витягування (КПФВ), у дисертаційній роботі запропоновано ввести параметр прядимості, що, крім зазначених вище КФВ і КПФВ, враховує також час перебування в екструдері. Таку необхідність обумовлено тим, що КПФВ і КФВ враховують деформацію розтягнення в зонах входу і виходу з отвору фільєри відповідно, але не враховують відмінність дисперсної структури суміші при зміні параметрів екструзійної підготовки розплавів сумішей до волокноутворення (див. рис. 2), а, отже, і розходження в деформуємості частинок дисперсної фази, обумовлене цим фактором. Таким чином, визначення критерію прядимості проведено за формулою:
, (7)
де tmin –безрозмірний мінімальний час перебування елементу розплаву.
Критерій прядимості запропонованого виду дозволив з єдиних позицій пояснювати зміну прядимості волокноутворюючих розплавів ПА 6,6 –ПЕТФ при зміні технологічних параметрів формування.
Аналіз залежності максимально можливої швидкості формування від критерію прядимості, приведеної на рис. 8, демонструє, що існує оптимальний ступінь диспергування компонента дисперсної фази.
Рис. 8. Залежність максимально можливої швидкості формування від критерію прядимості для волокноутворюючих сумішей ПА6,6 –ПЕТФ
Рис.9. Залежність відношення діаметрів стовщених та стоншених частин монониток від швидкості формування
Співставлення відношення стовщених та стоншених діаметрів струменів при шиїчному механізмі порушення прядимості для волокноутворення через фільєру dф = 0,8 мм; Lф / dф = 10 (рис. 9), яке розраховано з умови нерозривності струменя та визначено експериментально, демонструють добру збіжність результатів, що обумовлено малими розширеннями струменя, а, отже, адекватністю завдання початкових умов по швидкості струменя.
Висновки
1. У дисертаційній роботі вперше запропоновано вирішення проблеми створення теоретичних основ кількісного опису формування монониток волокноутворюючих розплавів сумішей ПА6,6 - ПЕТФ, а також проведено кількісний опис фізико-хімічних процесів, що відбуваються при підготовці розплавів волокноутворюючих сумішей полімерів до формування. Показано можливість реалізації усталеного формування монониток з розплавів сумішей ПА6,6 - ПЕТФ зі змістом дисперсної фази (ПЕТФ) до 30%. Мононитки, отримані з розплавів сумішей ПА6,6 –ПЕТФ зі змістом компонента дисперсної фази (ПЕТФ) 10%, мають міцність, рівну міцності мононитей з ПА6,6, та підвищений початковий модуль.
2. Встановлено взаємозв'язок між реологічними властивостями суміші і її мікроструктурою з врахуванням впливу на них зміни параметрів екструзійної підготовки розплавів сумішей до волокноутворення шляхом використання величини часу перебування розплаву суміші в зоні видавлювання як критерію якості змішування, а кривих розподілу частинок дисперсної фази по поперечних розмірах як критерію якості суміші. Для волокноутворюючих сумішей ПА6,6 –ПЕТФ характер зміни спектрів часів перебування і кривих розподілу частинок дисперсної фази по поперечних розмірах при зміні технологічних параметрів формування аналогічний.
. Доведено, на прикладі волокноутворюючих розплавів ПА6,6 –ПЕТФ, можливість застосування математичних моделей формування розплавів полімерів, що включають екструзійну підготовку розплавів до волокноутворення і волокноутворення, до розплавів сумішей полімерів. Отримано вирази для моделі складного зсуву з урахуванням радіальних зазорів, які дозволяють описувати течію розплавів сумішей полімерів у зоні видавлювання екструдера за умови, що визначення параметрів реологічного рівняння стану проводиться по експериментальним даним, отриманим безпосередньо при дослідженні формування монониток з розплавів сумішей ПА6,6 - ПЕТФ.
. Показано, що при течії в зоні видавлювання волокноутворюючих розплавів сумішей ПА6,6 –ПЕТФ, у дослідженому діапазоні технологічних параметрів, при збільшенні безрозмірного градієнту тиску та збільшенні вмісту дисперсної фази в суміші спостерігається зниження ефективної в'язкості, розрахунок якої проведено з використанням розробленого програмного забезпечення.
. Запропоновано вважати збіг розрахункових та експериментально визначених величин натягання нитки умовою адекватності математичної моделі волокноутворення. Для розплавів волокноутворюючих сумішей ПА6,6 - ПЕТФ його досягнуто при використанні моделі волокноутворення з припущеннями, прийнятими для розрахунку низькошвидкісного волокноутворення, що враховують реологічну складову натягання нитки з арреніусівською залежністю в'язкості для розплавів і залежністю Вільямса –Лендела - Феррі для ствердженої нитки.
. Запропоновано для оцінки зміни прядимості використовувати критерій, що представляє собою добуток мінімального часу перебування елементів розплаву суміші в зоні видавлювання, передфільєрного та фільєрного витягування. Введення такого критерію дозволило з єдиних позицій пояснювати зміну прядимості волокноутворюючих розплавів сумішей ПА 6,6 –ПЕТФ при зміні технологічних параметрів формування, тому що враховані не тільки деформації розтягання при волокноутворенні, але й відмінність дисперсної структури суміші при зміні параметрів екструзійної підготовки розплавів сумішей до волокноутворення, а, отже, і відмінність у деформованості частинок дисперсної фази.
. Для волокноутворюючих розплавів сумішей ПА6,6 –ПЕТФ спостерігається явище шиїчного механізму порушення прядимості. Відстані між стоншеннями зростають пропорційно швидкості формування при незмінних інших параметрах технологічного процесу.
Основний зміст дисертації опубліковано у наступних роботах:
1. Дрогун А. В. Исследование процесса формования жилки из смеси полимеров полиамид 66 - полиэтилентерефталат // Вісник ДАЛПУ.- 1999.- №1.- с. 133-136.
. Дрогун А. В., Лоза В. М. Теоретическое исследование процесса экструзии смесей полимеров // Хімічна промисловість. - 1999.-№4 (додаток).- с. 79-82.
. Дрогун А. В., Лоза В. М. Исследование течения расплавов смесей полимеров в экструдере // Вісник Інженерної Академії України. - 1999.- №2 - 3.- с.99 - 104.
. Дрогун А. В., Лоза В. М., Ильин В. Г. Формуемость и реологические свойства расплавов смесей полимеров полиамид 66 - полиэтилентерефталат // Химические волокна. - 2000.- №.6.- с. 28-30.
5. Дрогун А. В. Смешение и прядомость смесей полимеров на примере модельной системы полиамид 6,6 - полиэтилентерефталат // Химические волокна. - 2002.- №.2.- с. 32-34.
6. Дрогун А. В., Лоза В. М. Теоретическое исследование течения расплавов смесей полимеров в зоне выдавливания экструдера с учетом зазоров // Збірник наукових праць “Сучасні інформаційні та енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини.- Т. 6.- Харків.- 1999.- с. 617 - 620.
. Романкевич О. В., Дрогун А. В. Экструзионный метод определения параметров реологических уравнений состояния смесей полимеров // Межвузовский сборник научных трудов. - Саратов: Издательство Саратовского университета. - 2001. - С. 47-49.
8. Дрогун А. В., Лоза В. М., Ильин В. Г. Исследование технологии получения мононитей из расплавов смесей полимеров ПА6,6 –ПЭТФ // Доклады международной конференции по химическим волокнам “Химволокна-2000”.- Тверь: 2000.- Т.1.- с. 287 - 294.
. Дрогун А. В. Технологические и конструктивные аспекты смешения полимеров на примере модельной системы полиамид 66 –полиэтилентерефталат // Доклады международной научно-практической конференции “Техника для химволокон”.- Чернигов.- 2001.- с. 249-253.
. Дрогун А. В. Оценка прядомости смесей полимеров на примере модельной системы полиамид 66 –полиэтилентерефталат // Доклады международной научно-практической конференции “Техника для химволокон”.- Чернигов.- 2001.- с. 254-258.
. Дрогун А. В. Течение расплава смеси полиамид 66 –полиэтилентерефталат в дозирующей зоне экструдера // Тезисы докладов 1 Всероссийской конференции “Физико - химия процессов переработки полимеров”.- Иваново.- 1999. - с. 46.
Анотація
Дрогун О. В. Течія волокноутворюючих розплавів поліамід 6,6 –поліетилентерефталат при формуванні монониток. –Рукопис.
Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.17.15 –технологія хімічних волокон. –Київський національний університет технологій та дизайну, Київ, 2002.
Дисертацію присвячено опису течії волокноутворюючих розплавів сумішей поліамід 6,6 –поліетилентерефталат при формуванні монониток. На прикладі волокноутворюючих розплавів сумішей ПА6,6 –ПЕТФ доведено можливість застосування математичних моделей формування розплавів полімерів до розплавів сумішей полімерів. Показано, що існує можливість направленого регулювання дисперсної структури волокноутворюючих розплавів сумішей ПА6,6 –ПЕТФ шляхом зміни технологічних параметрів формування. Запропоновано критерій прядимості, що розраховується як добуток часу перебування в екструдері, кратностей фільєрного та передфільєрного витягування. Вперше спостерігалося явище шиїчного механізму порушення прядимості для волокноутворюючих розплавів сумішей ПА6,6 – ПЕТФ. З монониток, що отримано з розплавів ПА6,6 –ПЕТФ, найбільш високі фізико-механічні властивості мають мононитки з вмістом дисперсної фази 10%. Вони мають міцність, рівну міцності монониток з ПА6,6, та підвищений початковий модуль.
Ключові слова: суміш, поліамід 6,6, поліетилентерефталат, мононитка, формування, волокноутворення, математичне моделювання.
Аннотация
Дрогун А. В. Течение волокнообразующих расплавов полиамид 6,6 –полиэтилентерефталат при формовании мононитей. –Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.17.15 –технология химических волокон. –Киевский национальный университет технологий и дизайна, Киев, 2002.
Диссертация посвящена описанию течения волокнообразующих расплавов смесей полиамид 6,6 –полиэтилентерефталат при формовании мононитей, которое включает описание экструзионной подготовки расплавов смесей к волокнообразованию и волокнообразование.
На примере волокнообразующих расплавов смесей ПА6,6 –ПЭТФ доказана применимость математических моделей формования расплавов полимеров, включающих экструзионную подготовку расплавов к волокнообразованию и волокнообразование, к расплавам смесей полимеров.
Получены выражения для модели сложного сдвига с учетом радиальных зазоров при использовании степенного реологического уравнения неньютоновской вязкой жидкости, которые позволяют описывать течение расплавов смесей полимеров в зоне выдавливания экструдера при условии, что определение параметров реологического уравнения проводится из экспериментальных данных, полученных непосредственно при исследовании формования мононитей ПА6,6 - ПЭТФ. Результаты моделирования течения показали, что увеличение безразмерного градиента давления и увеличение содержания дисперсной фазы в смеси приводят к увеличению аномалии вязкости и снижению эффективной вязкости волокнообразующих расплавов смесей ПА6,6 –ПЭТФ.
Полученные значения параметров реологического уравнения использованы для определения спектров времен пребывания расплава в винтовом канале зоны выдавливания экструдера, что позволило учесть неравномерность степени смешения по сечению винтового канала. Сопоставление характера изменения спектров времен пребывания элементов расплавов смесей ПА6,6 –ПЭТФ в винтовом канале и характера кривых распределения частиц дисперсной фазы (ПЭТФ) при изменении технологических параметров показывает, что они аналогичны, что позволяет через изменение технологических параметров экструзионной подготовки расплавов смесей к волокнообразованию регулировать распределение частиц дисперсной фазы по поперечным размерам. Рассмотрена возможность регулирования распределения частиц дисперсной фазы путем установки динамических смесительных насадок в зоне выдавливания, что позволяет уменьшить размах кривой распределения, в особенности количество частиц большого диаметра.
Для расчета параметров волокнообразования расплавов смесей ПА6,6 –ПЭТФ в воздушной прослойке использованы уравнения Касе –Матсуо. Параметры реологического уравнения состояния струи определены, исходя из экспериментально определенной величины натяжения. Показано, что в исследуемом диапазоне технологических параметров адекватной является математическая модель, учитывающая только реологическую составляющую натяжения нити в точке затвердевания в ньютоновском приближении.
Получено распределение температур по сечению нити и обоснована величина длины пути нити в охлаждающей жидкости, которая обеспечивает выравнивание температуры по поперечному сечению нити при волокнообразовании смесей ПА6,6 –ПЭТФ в охлаждающей жидкости.
В исследуемом диапазоне технологических параметров для волокнообразующих расплавов смесей ПА6,6 - ПЭТФ при увеличении частоты вращения червяка экструдера (расход постоянен), увеличении содержания дисперсной фазы и уменьшении диаметра отверстия фильеры наблюдалось понижение прядомости. Для объяснения с единых позиций характера изменения прядомости волокнообразующих расплавов ПА 6,6 –ПЭТФ при изменении технологических параметров формования предложен критерий прядомости, который рассчитывается как произведение времени пребывания в экструдере, кратностей фильерной и предфильерной вытяжек, что позволяет учесть деформацию растяжения в зонах входа и выхода из отверстия фильеры и различие дисперсной структуры смеси при изменении параметров экструзионной подготовки расплавов смесей к волокнообразованию.
Впервые наблюдалось явление шеечного механизма нарушения прядомости для волокнообразующих смесей ПА6,6 –ПЭТФ. Показано, что расстояния между утонениями возрастают пропорционально скорости формования при неизменных остальных параметрах технологического процесса. Сопоставление отношений утолщенных и утоненных диаметров струй, определенных экспериментально и рассчитанных из условия неразрывности струи, показывает хорошую сходимость результатов при малых расширениях струи.
Исследования физико-механических свойств мононитей с содержанием дисперсной фазы до 30% показывают, что относительная разрывная нагрузка монотонно уменьшается при увеличении содержания дисперсной фазы, начиная со смесей с содержанием ПЭТФ более 10%, а изменение начального модуля носит экстремальный характер с нечетко выраженным максимумом (при содержании компонента дисперсной фазы (ПЭТФ) 20%.
Проведенные экспериментальные исследования позволили установить, что мононити из расплавов смесей ПА6,6 –ПЭТФ с наиболее высокими физико-механическими свойствами получены при содержании компонента дисперсной фазы (ПЭТФ) 10% (относительная разрывная нагрузка 65 сН/текс (такая же, как и у мононитей из ПА6,6) и начальный модуль 5,2 ГПа (больше, чем для мононитей из ПА6,6 в 1,6 раза)).
Ключевые слова: смесь, полиамид 6,6, полиэтилентерефталат, мононить, формование, волокнообразование, математическое моделирование.
Annotation
Drogun А. V. Current fiber-forming melts polyamide 6,6 - polyethyleneterephnhalate at spinning of monothearead. - Manuscript.
The thesis for a candidate of technical science degree on a speciality 05.17.15 - technology of chemical fibres. - Kiev national university of technology and design, Kiev, 2002.
The dissertation is devoted to the description of current fiber-forming melts polyamide 6,6 - polyethyleneterephnhalate at spinning of monothearead. On an example fiber-forming melts of mixes PА6,6 - PETP the applicability of mathematical models spinning melts of polymers to melts mixes of polymers is proved. It is shown, that there is an opportunity of the directed regulation disperse structure fiber-forming melts ПА6,6 - PETP by change of technological parameters.
The criterion spinnability is offered which pays off as product of time of stay in extruder, frequency rates spinneret and before spinneret draw. The phenomenon necking mechanism of infringement spinnability for fiber-forming of mixes PА6,6 - PETP for the first time was observed.
The monothearead from melts PА6,6 - PETP with the highest physicomechanical properties are received at the contents disperse phase 10%.
Key words: blend, polyamide 6,6, polyethyleneterephnhalate, a monothearead, spinning, fiber-forming, mathematical modelling.