Основные процессы нитеобразования при формовании
(без конструктивных особенностей)
Схема нитеобразования при формовании из расплава имеет следующий вид:
В прядильном блоке 1 готовится полимер к формованию (расплав очищается, т.е. осуществляется заключительная фильтрация расплава). В нижней части прядильного блока 1 имеется фильера 2 (нитеобразователь), где начинается процесс нитеобразования 3; 4 – прядильная (обдувочная) шахта; 5 – сопроводительная шахта. По выходе из шахты 5 нить попадает на препарационную шайбу 6 и затем на приемную галету 7 и на паковку 8. В верхней части шахты имеется устройство 9 для обдувки нити.
На всем пути от выхода расплава из фильеры 2 до выхода нити из шахты 5 идет охлаждение нити. На всем данном пути нити (филаменты f) отвердевают, появляется свойство упругости. На некотором участке идет растяжение струи, на несколько бóльшем участке – ориентация и процесс кристаллизации.
| При формовании из расплава (в отличие от сухого и мокрого способов формования) разбухание невелико, утолщение струи по выходу из отверстия фильеры 2 небольшое. Процесс нитеобразования из расплава заключается в отверждении нити. |
Основные процессы нитеобразования следующие:
– процессы теплообмена, приводящие к охлаждению формуемого полимера;
– реологические процессы, связанные с деформацией формуемой нити;
– аэродинамические процессы, связанные с взаимодействием формуемой струи с окружающим воздухом;
– процессы структурообразования (кристаллизации и ориентации).
Нить по выходе из фильеры 2 пластична (зона основного охлаждения) и поэтому под воздействием растягивающего усилия нить способна к вытягиванию. При охлаждении нити ниже 250 0С нить затвердевает. При затвердевании протекают процессы кристаллизации. После полного затвердевания утонение нити прекращается. Основное (максимальное) утонение нити, т.е. задание линейной плотности при действии заданного растягивающего усилия происходит в непосредственной близости от фильеры 2 – в зоне расширения струи. Однако в этой зоне нить находится в высокоэластическом состоянии (ВЭС), поэтому процесс утонения сопровождается частичной релаксацией. Отверждение струи идет достаточно быстро, на расстоянии 20 см от фильеры 2. При этом, если диаметр отверстия фильеры 2 d = 0,1 мм, то d0 = 0,15 мм (область наибольшего разбухания струи), а dкон.нити = 0,05 мм, т.е. произошло резкое уменьшение диаметра и произошло это уменьшение возле фильеры 2, в начальной точке движения нити.
В процессе формования осуществляется процесс обдувки выходящих из фильеры струек при строго постоянных температурно-влажностных условиях.
В процессе формования нить подвергается замасливанию и принимается на готовую паковку.
L1 + L2 – длина канала отверстия фильеры;
d – диаметр отверстия фильеры.
При формовании из расплава соотношение 
сравнительно невелико; d = 0,2-0,5 мм.
Прядомость прядильного расплава определяется его способностью образовывать стабильную струю, т.к. в равновесном состоянии любая жидкость стремится принять форму капли. В «классическом» понимании, прядомость расплава – это способность расплава образовывать нити.
Прядомость расплава определяется:
– действием поверхностных сил Fпн, стремящихся сократить свободную поверхность до минимума;
– эффективной вязкостью ηэфф. расплава, замедляющей обратный переход жидкости в каплю;
– реологическими свойствами расплава, определяющими и способность к разбуханию после выхода из отверстия фильеры 2, и прилипаемость (адгезию) расплава к поверхности фильеры 2, и способность к растяжению, т.е. реологические свойства расплава относятся к молекулярным факторам, определяющих стабильность нитеобразования;
– профилем струи расплава и ее радиусом;
– величиной растяжения струи;
– изменением вязкости струи в процессе ее растяжения.
При течении любой жидкости в капилляре отверстия фильеры 2 реализуется поперечный градиент струи: возле стенок скорости меньше, чем в середине потока, причем изменение скорости между слоями жидкости называется поперечным градиентом скорости. При растяжении нити после выхода из канала отверстия фильеры 2 скорость деформирования различных слоев по длине нити нарастает. Эта разница между слоями растяжения жидкости (струи, нити) есть продольный градиент скорости.
Переход от поперечного к продольному градиенту есть растяжение струи (раскручивание при приготовлении спагетти есть растяжение). В области d0 скорости очень маленькие, т.к. в этом месте происходит процесс от течения к растяжению.
Течение – это продавливание расплава через отверстие фильеры. Растяжение – это результат приложения усилия. Растяжение сопровождается процессами ориентации. Чем выше степень растяжения, тем выше степень ориентации. В результате растяжения струи, вследствие протекаемых ориентационных процессов, сопротивление соседних слоев ослабевает, увеличивается межмолекулярное взаимодействие, вязкость системы возрастает. Вязкость, проявляющаяся в результате растяжения, называется трутоновской или продольной вязкостью.
| F – усилие, необходимое для растяжения струи, Н; Д – градиент скорости, возрастающий в результате увеличения ориентации, с-1. |
Чем больше значение трутоновской вязкости, тем более стабилен процесс нитеобразования. Продольная вязкость в процессе растяжения возрастает, что и определяет стабильность струи. Если прядомость мала, то нельзя осуществить высокие фильерные вытяжки (ФВ), без чего немыслим процесс нитеобразования. Поэтому участок растяжения струи является самым ответственным. Твёрдую нить растягивать трудно, даже если она находится в аморфном состоянии. Фазовое понимание аморфного состояния равноценно понятию «твёрдая жидкость». Поэтому растяжению подлежит участок, где нить пластична или находится в состоянии высокой эластичности. Поэтому основное растягивающее усилие прикладывается около фильеры 2. Высокоэластическая деформация связана не только с изменением течения макромолекул, но и с изменением их формы.