Исследование закономерностей процесса получения волокнистых материалов из растворов полимеров аэродинамическим способом тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.06, кандидат технических наук Смирнов, Александр Васильевич

• Смирнов, Александр Васильевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Смирнов, Александр Васильевич

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЗОР СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ И

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Способы получения волокнистых материалов

1.2 Волокнистые материалы, получаемые непосредственно в процессе формования

1.2.1 Общие принципы метода аэродинамического формования волокнистых материалов из расплавов полимеров (ВМАФ)

1.2.2 Методы улучшения потребительских свойств нитей и волокнистых материалов

1.2.3 Существующие схемы аэродинамического формования волокнистых материалов из растворов полимеров

1.3 Гидро и аэродинамика в процессе формования волокон аэродинамическим способом

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

1.3.2 Особенности аэродинамики в процессе формования химических волокон

1.4 Теоретические основы и экспериментальные данные по реологии растяжения полимерных струй

1.4.1 Реологические модели вязкоупругих жидкостей

1.4.2 Исследования вязкоупругих характеристик полимеров при растяжении

1.4.3 Исследование факторов, влияющих на устойчивость растяжения полимерных струй

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование закономерностей процесса получения волокнистых материалов из растворов полимеров аэродинамическим способом»

Рост промышленного производства неизбежно сопровождается созданием высокопроизводительных процессов, обеспечивающих выпуск конкурентоспособной готовой продукции, отвечающей широкому кругу высоких потребительских требований.

Современное производство нетканых материалов (НМ) осуществляется на основе таких процессов и не стоит в стороне от научно-технических преобразований, осуществляемых в сфере получения химических волокон и нитей.

Эффективность использования самих волокнистых нетканых материалов определяется прежде всего их специфической структурой, а именно высокоразвитой поверхностью, что обеспечивает одновременно целый комплекс полезных потребительских свойств: низкая объемная масса, низкая теплопроводность, высокая звукопоглощаемость, ярко выраженные фильтрационные и адсорбционные свойства [1].

В последние годы в мире была сформирована высокоразвитая и быстрорастущая отрасль НМ. Усилиями 63 западноевропейских фирм выпускается очень широкий ассортимент волокон, предназначенных для производства НМ по сухому, мокрому, водоструйному, термо- и хемоскрепленному, иглопробивному способам. Для выпуска современных нетканых материалов используются волокна с огнезащитными, антимикробными, гидрофильными, антистатическими, адсорбционными и другими свойствами, а также профилированные волокна, би- и три компонентные, высоко- и низко усадочные, легко окрашиваемые поверхностно и в массе, низкоплавкие, с высокой адгезионной способностью, высокопрочные, эластичные, сверх тонкие (ниже 1.7 дтекс) и сверх грубые (свыше 100 дтекс), высокомодульные и термостойкие, свето- и теплозащитные, наполненные и др. [2].

Из химических волокон, перерабатываемых в НМ в широком диапазоне титров и длины резки, преобладающее значение получили полипропиленовые (ПП) и полиэфирные (ПЭФ) волокна. Особенно это заметно в Западной Европе и Японии. На их долю в этих регионах приходится соответственно 70 и 90 %, в том числе на ПП волокна — почти половина потребления [2].

Для динамики производства НМ в Западной Европе, начиная с 1995 г. примечателен практически линейный подъем, а уровень производства в 2001 г. здесь достиг 1.1 миллиона тонн.

Прогноз потребления технического текстиля и НМ до 2010 г. в различных регионах мира свидетельствует о том, что средние темпы прироста в этот период в Азии будут на уровне 4,1 -4,6%, в Америке, Европе и остальных регионах — чуть ниже, 3,3 - 3,8%, а объем рынка превысит 23 млн.т. или в стоимостном выражении примерно 126 млрд.долл. Что касается основных областей применения НМ, то мощный подъем к 2010 г. ожидается в сфере потребления этих материалов для геотекстиля и строительства, в промышленном секторе и медицине, в качестве упаковочного материала, спортинвентаря и других областях.

Особое место среди всех способов получения НМ занимает высокопроизводительный процесс аэродинамического формования нитей из струй расплава полимера с последующим формированием структуры волокнистого материала (ВМАФ), промышленно освоенный в середине 60-х годов. В рассматриваемом случае получение готового нетканого холста осуществляется на одном агрегате в одну стадию, минуя стадии текстильной переработки волокон, полученных традиционными методами [3]. Этим определяется высокая эффективность указанного метода. За рубежом такие материалы получили название «Спанбонд» из сочетания двух слов: спан -прясть, бонд - связь [4,5]. Производство НМ методом спанбонд особенно интенсивно развивается в последние пять - семь лет. Доля выпуска НМ типа спанбонд среди других видов таких материалов за период с 1996 по 2001 г. в США составила 21.8%, а в Китае 25.3% [2].

В России процесс получения ВМАФ из различных полимеров разрабатывается в ФГУП ВНИИСВ. Основное оборудование создается совместно с Киевским экспериментальным машиностроительным заводом «Стенд» [6]. Указанный процесс широко внедрен на предприятиях химической промышленности, в частности, на Могилевском, Каменском ОАО «Химволокно» и Экспериментальном заводе ФГУП ВНИИСВа. В настоящее время ВМАФ являются высококачественными исходными материалами для изделий технического и медицинского назначений, товаров народного потребления [7].

Дальнейшее повышение эффективности использования ВМАФ в различных отраслях человеческой деятельности может быть обеспечена за счет расширения их ассортимента путем использования методов физической и химической модификации. Способы физической модификации, как правило, наименее трудоемки и достаточно экономичны. Так существенное изменение свойств нитей и, следовательно, волокнистых материалов на их основе сможет быть достигнуто путем уменьшения поперечных размеров элементарных нитей, в частности при получении ультратонких непрерывных волокон, а также путем придания волокнам некруглой формы поперечного сечения [8,9].

Методом химической модификации с целью придания готовым изделиям из НМ новых потребительских свойств может быть использование полимеров, перерабатываемых в волокна на основе растворного способа. В настоящее время формование волокон аэродинамическим способом с последующим получением нетканого материала осуществляется чаще из расплавов, чем из растворов полимеров. В первую очередь это можно объяснить наличием многотоннажных производств по выпуску термопластичных волокнообразующих полимеров (полипропилена, поликапрамида, полиэфира и т.д.)- Во-вторых, технологическая схема формования волокна из расплава по сравнению с формованием из раствора полимера значительно проще, а значит и более эффективна. В первом случае отсутствуют такие энергоемкие стадии процесса как растворение полимера, отмывка из готового волокна и регенерация растворителей, сушка [10]. Сравнение принципиальных технологических схем получения нетканых материалов аэродинамическим способом из расплавов и растворов полимеров приведены на рис.1. Из рис.1 очевидно преимущество получения ВМАФ.

Однако целесообразность аэродинамического формования волокнистых материалов из растворов полимеров (ВМАФР) может быть обоснована необходимостью придания готовым изделиям из соответствующих НМ специальных потребительских свойств, которые можно получить лишь на основе таких полимерных волокон, как гидратцеллюлозных, поливинилспиртовых, полиакрилонитрильных, поливинилхлоридных и др. Перечисленные волокнистые материалы могут использоваться для медицинских изделий, специальной одежды, фильтрующих и адсорбционных средств защиты органов дыхания человека, в технике защиты окружающей среды от вредных воздействий.

С точки зрения физико-механики растяжения основным отличием процесса высокоскоростного аэродинамического формования из растворов по сравнению с формованием из расплавов является малая прочность полимерной струи [11]. Это приводит к необходимости более детального изучения процесса образования ВМАФР . и в первую очередь побуждает исследовать процессы растяжения струи раствора полимера воздушным потоком, выходящим из соплового устройства, методы упрочнения струи в процессе растяжения с целью обеспечения устойчивости процесса формования волокон и стабильности свойств готового нетканого холста. а

Упаковка холста б

Упаковка холста

Рис. 1. Сравнительные схемы основных технологических стадий процессов получения нетканых материалов аэродинамическим способом: а - из расплавов полимеров; б - из растворов полимеров;

Выполненная автором работа, представленная на соискание степени кандидата технических наук, сводится к решению следующих задач:

- разработка методов экспериментального изучения напряженно-деформированного состояния растянутой струи раствора полимера и исследование особенностей высокоскоростного растяжения коротких полимерных струй растворов сополимеров акрилонитрила (СПАН) в диметилформамиде (ДМФА);

- получение физической модели и аналитического решения уравнения, описывающего напряженно-деформированное состояние растянутой вязкоупругой струи;

- нахождение метода оценки высокоэластических свойств растянутых полимерных струй из растворов сополимеров СПАН в ДМФА с различной удельной вязкостью;

- получение физической модели и уравнения аэродинамического растяжения струи полимерного раствора с учетом ее высокоэластических свойств;

- разработка и выбор оптимальных конструкций сопловых устройств, обеспечивающих максимальную аэродинамическую вытяжку и устойчивость процесса образования нетканого холста;

- изучение влияния технологических параметров на структуру и физико-механические свойства нетканых материалов, полученных аэродинамическим формованием из растворов полимеров;

- оценка взаимосвязи структуры с физическими свойствами волокнистых материалов, полученных аэродинамическим формованием из растворов полимеров;

- разработка научно обоснованных рекомендаций по практическому использованию ВМАФР на основе СПАН в ДМФА для создания высокоэффективных адсорбционных материалов, с последующим использованием их для средств индивидуальной защиты органов дыхания (СИЗОД) в легких респираторах.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА полученных результатов определяется тем, что экспериментально-теоретические исследования по изучению закономерностей высокоскоростного растяжения коротких струй растворов СПАН в ДМФА позволили оценить роль высокоэластических деформаций как главного упрочняющего фактора растяжения маловязкой струи в процессе аэродинамического формования волокон. Была определена взаимосвязь скорости формования с удельной вязкостью используемых сополимеров в условиях установившегося процесса аэродинамического формования, обеспечивающего стабильность свойств готового нетканого холста. Установлено влияние технологических параметров и характеристик полимерного раствора на физико-механические и потребительские свойства волокнистого материала. Таким образом были получены экспериментально-теоретические основы для создания эффективного промышленного процесса получения адсорбционных волокнистых материалов. Все выше указанные результаты автором были получены впервые.

Материалы диссертационной работы были использованы при создании в ООО «Экологические технологии» экспериментальной установки для получения нетканых и адсорбционных материалов на их основе.

С 2000 г. и по настоящее время совместно с Военным университетом радиационной, химической и бактериологической защиты (ВУРХБЗ) проводятся совместные научно-технологические работы по созданию адсорбционных волокнистых материалов для высокоэффективного легкого респиратора (Приложение 4).

Материалы типа А-ПАН и В-ПАН (волокна, наполненные соответственно активированными углями и ионообменными смолами) с 2000 г. по настоящее время используются в фильтрующе-поглощающем элементе защитного кагаошона «Феникс» (Приложение 5).

Диссертация состоит из 5 глав, списка используемой литературы 116 наименований и 5 приложений. Изложена на 214 страницах машинописного текста и содержит 46 рисунков и 18 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Технология и переработка полимеров и композитов», Смирнов, Александр Васильевич

5. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ВНЕДРЕНИЕ

Экспериментальная установка для получения нетканых материалов из растворов СПАН в ДМФА аэродинамическим способом, созданная в ООО «Экологические технологии», была использована не только для исследования закономерностей этого процесса. На этой установке отрабатывались основы технологического процесса, позволяющего получать материалы со специальными свойствами.

Так, при введении в полимерный раствор активированных углей и катализаторов на их основе были получены материалы, которые эффективно использовались в таких средствах индивидуальной защиты органов дыхания (СИЗОД), как легкие респираторы для защиты от паров органических веществ, синильной кислоты, аммиака, хлора, окиси углерода (Приложение 4).

В настоящее время интенсивно ведутся работы по созданию технологии аэродинамического формования волокнистых материалов из растворов СПАН в ДМФА, наполненных ультратонкими порошками активированного угля (БАУ, АГ-3, СКТ-6 и др.) или ионообменных смол (ЭДЭ-10П, АН22) с последующим их применением в фильтрующе-поглощающем элементе аварийно-спасательного средства «Феник» (Приложение 5).

1. Исследованы особенности высокоскоростного одноосного растяжения коротких струй растворов С ПАН в ДМФА. Получено аналитическое решение уравнения, описывающего растяжение вязкоэластичной струи, найдены количественные значения коэффициента высокоэластичности, установлена взаимосвязь между формой профиля струи и величиной этого коэффициента.

2. Исследованы закономерности растяжения струй растворов полимеров во вторичных высокоскоростных зонах формуемоста. Найдены функциональные зависимости коэффициентов высокоэластичности от кратности растяжения для струй переменной длины, отличающихся удельной вязкостью полимера.

3. Приведены результаты экспериментального исследования аэродинамического растяжения эквивязких растворов в ДМФА для СПАН с различной удельной вязкостью. Произведено сопоставление расчетных и экспериментальных характеристик процесса аэродинамического формования из растворов полимеров. Показана возможность достижения при аэродинамическом формовании высоких кратно стей в сверхкоротких зонах растяжения струй. Установлена определяющая роль высокоэластических деформаций в упрочнении струи при растяжении ее во вторичной зоне формуемоста в условиях аэродинамического формования.

4. Выбрана оптимальная конструкция сопловых устройств, обеспечивающих максимальную аэродинамическую вытяжку и устойчивый процесс холстообразования при получении волокнистых материалов из растворов полимеров.

5. Оценено влияние удельной вязкости полимера и рабочей вязкости прядильного раствора на величину диаметра нитей в сформованном волокнистом холсте. Определены условия получения волокнистых материалов, обладающих достаточной прочностью, состоящих из волокон минимального диаметра. г

6. Проведена оценка влияния структурных параметров на физические и эксплуатационные свойства волокнистых материалов, полученных аэродинамическим формованием из растворов СЛАН в ДМФА. Разработана система линий равного уровня, позволяющая выбирать полимерный волокнистый материал с требуемой воздухопроницаемостью в зависимости от его структурных параметров.

7. Получены опытные образцы адсорбционных материалов из растворов, наполненных ультратонкими порошками адсорбентов. Установлено определяющее влияние толщины материала на изменение времени его поглощающего (защитного) действия.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Смирнов, Александр Васильевич, 2004 год

1. Папков С.П. Теоретические основы производства химических волокон. -М.: ХимияД990, с 8-21,271 с.

2. Айзенштейн Э.М. Выпуск нетканых материалов за рубежом. Текстильная промышленность, 2003.№1-2, с 45-48.

3. Монкрифф Р.И. Химические волокна, М.Легкая индустрия, 1964, с 502, 606 с.

4. Нетканые материалы спанбонд. Обзорная информация. -М.:ЦНИИТЭИ-Легпром, 1966, с 3-15.

5. A.A. Синдеев, A.B. Генис, И.Н. Григорьева и др. Производство волокнистых материалов из расплавов полимеров аэродинамическим способом. Обзорная информция, серия. Общеотраслевые вопросы развития химической промышленности, вып, 15. М.:НИИТЭХИМ, 1979, с 33.

6. Рысюк Б.Д., Генис A.B. Направление работ КЭМЗ «Стенд» и ВНИИСВа по созданию оборудования для производства волокнистых нетканых материалов. Химические волокна, 1992.№4, с 47-54.

7. Генис A.B. Разработка научных основ получения волокнистых материалов из расплавов полимеров аэродинамическим способом. Дис. д.т.н., С-Петербург, 1999,493 с.

8. Свистунов В. А. Разработка процесса получения волокнистых материалов из профилированных нитейс использованием метода аэродинамического формования расплавов полимеров. Дис. к.т.н., Ленинград, ЛИТЛП, 1987,236 с.

9. Белицын М.Н. Физическая модификация химических нитей. М. Легпромбытиздат, 1985, 152 с.1. А.

10. Смирнов A.B., Генис A.B. Доклады международной конференции по химическим волокнам «Химия-2000», 16-19 мая 2000 года, Тверь, 2000, секция 2, с 261-272.

11. Смирнов A.B., Генис A.B. Основные закономерности формования волокон из растворов полимеров аэродинамическим способом. Химические волокна, 2002.№3, с 26-33.

12. Крчма Р. Нетканые текстильные материалы. М.: Легкая индустрия, 1964, с 13-16, 243 с.

13. Морозова М.И. Классификация нетканых материалов. Текстильная промышленность, 1963 .№11, с 84-87.

14. Тихомиров В.Б., Гусев В.Е. Классификация клееных нетканых материалов. Текстильная промышленность, 1966.№1, с 84-88.

15. Заметга Б.В. Современная технология производства нетканых материалов. ЖВХО им. Д,И, Менделеева, 1976. т, 21.№5, с 546-554.

16. Клягина А.Я. Мировое производство нетканых материалов. М.: ЦНИИТЭИ Легпром. - 1978, с ер. «Текстильная промышленность» -ЭИ. Вып.9,24 с.

17. Frideric F. Hend Nonwoven technology update: Spunbonds. Textile Industries, 1979.№7, P.86-88.

18. Ross S.E. Nonwovens: An Updated Review. American Dyestuff Reporter, 1971. v.60.№9, P.68-83.

19. Назаров Ю.П., Коньков П.И., Кирилин E.M., Зеленов В.П., Афанасьев В.М. Технология производства нетканых материалов, М.: Легкая индустрия, 1977. С, 228-230,234.

20. Синдеев A.A., Кваша В.Б., Фильберт Д.В. и др. Дутьевое приспособление к устройству для получения нетканых материалов из расплавов полимеров. А, с .№529272 (СССР) МКИ Д04 НЗ/00 №128455/12, опубл. 25, 11.76, Бюл. №35, с 24.

21. Стерлингов И.Н. Фильерные способы холстообразования. Текстильная промышленность, 1973, №6, с 45-47.

22. Бершев E.H., Куриленко А.И., Курицина В.В., Смирнов Г.П. Технология производства нетканых материалов. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982, с 261-270, 352 с.

23. Берпггейн М.Х., Ябко Я.М. Нетканые материалы. М.: Экономика, 1966, 79 с.

24. Грачев А.Е. Рыбакова В.И., Заметга Б.В. Некоторые вопросы технологии и экономики фильерного способа производства нетканых материалов. Текстильная промышленность, 1973.№9, с 56-58.

25. Заметга Б.В., Горчанова В.М., Тонких И.А.Технология и оборудование для производства неканых полотен гидродинамическим способом. Текстильная промышленность, 1995.№4-5, с 20-21.

26. Кокиш А.М., Аймбиндер М.Б., Бас Д.М. и др. Установка для получения нетканых изделий. А, с . №784392 (СССР) , МКИ Д04Н 3/16. №2777438/28 -12, опубл. 01.08.80.

27. Заметга Б.В., Аген Л.В., Заикина Н.Б., Морозов Е.Г. Получение нетканых материалов методом аэродинамического формования. М.'.Текстильная промышленность, 1973.№1, с 64-67.

28. Заметга Б.В. Производство нетканых материалов фильерным способом.М.:ЦНИИТЭИлегпром, 1973, с 8,30 с.

29. Синдеев A.A., Кваша В.Б., Фильберт Д.В., Мягков Б.И., Бруселышцкий Ю.М.в сб. Волокна из синтетических полимеров.М.:Химия, 1970, с 202-208,323.

30. Генис A.B., Андрианова Л.Н. и др. Современное состояние и перспективы производства нетканых материалов. Химические волокна, 1989.№5, с 5-10.

31. Шабаров А.И. Основные направления развития производства нетканых материалов в 1976-1980 гг. Текстильная промышленность, 1977.№4, с 5-9.

32. Белозеров Б.П. О получении волокнистых материалов из расплава полимеров. Третий Международный симпозиум по химическимволокнам. Калинин, 1981.Препринты, т.З, с 303-309. *

33. Werner Georg. Hocksaugaktire Polymmere fur Hygeneartikel und fur technische Vliesstoffe. Textiltechnik, 1965. Bd. 35. n.5. S, 226, 228, 268269.

34. Белицын M.H. Синтетические искусственные ниги. M. Легкая индустрия, 1976, 174 с.

35. Масленников К.Н. Химические волокна. М. Химия, 1973, 180 с.

36. Berger W., Fischer Р. Stand und entwicklung von feinstfaserstoffen. Textiltechnik, 1985. Bd. 35. n. 6. S. 293-297.

37. Петрянов И.В., Кащеев В, С., Басманов П.И. и др. Лепесток (Легкие респтраторы). М. Наука, 1984, с 31-34, 213 с.

38. Albien К. Der einzatz von mikrofasern zur Bildung von ol und organischen losungsmitteln. Chemiefasern Textilindustrie, 1988. Bd. 38 n, 12. T, 120122.

39. Кириченко В.Н., Полевов В.Н., Ефимов Н.М. и др., Способ получения волокнистого фильтрматериала, A.C. №1708967 (СССР) МКИ Д04НЗ/00; заявлено 05.12.89;опубл. 30.01.92, Бюл. №4, с 119, 288 с.

40. Баташова JI.H., Дюдянов В.М., Пестун А.Ф. и др., Фильтрующий материал и способ его получения. Патент РФ №2017514 МКИ 5В01 Д39/16, заявлено 15.06.92; опубл. 15.08.94, Бюл. Изобретения РФ №15, с 31,208 с.

41. Асахи касэй когё К.К. Способ изготовления нетканого материала. Заявка Японии № 4-24458. МКИ 5D04H1/72,3/03, заявлено 4.05.83. №58-77526, опубл. 27.04.92, №3-612. Р.Ж. Изобретения стран мира, вып 53, №11,1993, с 16,28 с.

42. Пакшвер Э.А. в кн. Карбоцепные синтетические волокна. / Под ред. К.Е Перепелкина, М.: Химия, 1973.4.1: Полиакрилонитрильные волокна, с 7-163, 596 с.

43. Гинзбург И.П. Теория сопротивления и теплопередачи. Л.:ЛГУ, 1970, 375 с.

44. Лойцянский Л.Г. Ламинарный пограничный слой. М.: Физматгиз, 1962, с 142-172,380 с.49