35

Министерство образования Республики Беларусь

УО Могилевский государственный университет продовольствия

Кафедра химической технологии высокомолекулярных соединений

СБОРНИК

задач и упражнений

по курсу «Физико-химические основы формования

химических волокон»

Раздел 3. Нитеобразование

Для студентов специальности 48 01 02

«Химическая технология органических веществ, материалов и изделий»

Специализации 02 «Технология химических волокон»

дневной и заочной форм обучения

Могилев 2004

УДК 677. 494: 677. 46. 0265 (075.8).

Рассмотрен и утвержден на заседании кафедры ХТВМС

Протокол № 8 от 25 мая 2004 г.

Автор профессор Геллер Б.Э.

Рецензент доцент Жмыхов И.Н.

© Могилевский государственный университет продовольствия

Содержание

Введение 4

1 Подача прядильных растворов и расплавов 6

волокнообразующих полимеров 6

1.1 Задачи для самостоятельного решения 9

2 Нитеобразование 14

2.1 О «прядомости» жидкостей 14

2.2 Задачи для самостоятельного решения 24

3 Растяжение струи прядильной жидкости в процессе 27

нитеобразования 27

3.1 Задачи для самостоятельного решения 29

Список литературы 33

Приложение А 36

Приложение Б 38

Введение

Одним из вариантов нитеобразования в природе (формирование паутины пауком, «завивка» коконов шелкопрядом и др.) является растяжение концентрированного водного раствора фибриллярных белков (так называемого серума, являющегося своеобразным прядильным раствором). Отверждение струи при этом происходит в результате синеретических процессов, ускоряемых ее растяжением. Очевидно, что этот процесс связан с возникновением поверхности раздела между двумя фазами – жидкостью и газом (воздухом). Другой вариант – ферментативный стереоспецифический синтез линейных полисахаридов, постепенно биокаталитическим способом конвертирующихся в поли(ангидро-β-D-глюкозу)-целлюлозу. Этот процесс происходит при росте растений и завершается образованием хлопковых, лубяных и древесных волокон.

Известно, что три агрегатных состояния вещества (твердое, жидкое, газообразное) предопределяют возникновение следующих типов поверхностей раздела фаз:

«газ – жидкость»; «газ - твердое тело»; «жидкость – жидкость»; «жидкость - твердое тело»; «твердое тело – твердое тело».

Необходимым общим условием стабильного существования границы между двумя фазами является положительное значение свободной энергии образования поверхности раздела. Будь она нулевой или отрицательной, то случайные флуктуации вызвали бы непрерывное увеличение поверхности и в конце концов привели бы к взаимному растворению этих фаз.

Понятие «капиллярность» относится к поверхностям раздела фаз, которые достаточно подвижны для образования равновесной формы. Наиболее характерными примерами являются мениски, капли, пузырьки. Поскольку капиллярность связана с равновесными конфигурациями поверхностей раздела, учение о капиллярности занимает определенное место в термодинамике и рассматривает макроскопическое и статистическое поведение поверхностей раздела фаз, а не детали их молекулярной структуры.

В этом разделе «Сборника задач» будут рассмотрены некоторые аспекты превращения струи прядильной жидкости в твердый филамент.

Замечательный немецкий физикохимик Вильгельм Фридрих Оствальд (1853-1932) полагал, что способность к волокнообразованию – «прядомость» - является парадоксом теории капиллярности.

Для технологии необходимо знать скорости реакций, фазовых переходов, выход целевого продукта, так как они определяют конструкцию соответствующих аппаратов, а также, в конце концов, экономику производства.

Известно, что термодинамика имеет дело с изменениями энергии в ходе процесса. Для химических процессов незыблем закон:

- реакция (процесс) может протекать только тогда, когда свободная энергия (энергия Гиббса) исходных компонент больше, чем свободная энергия продуктов реакции (процесса). Однако термодинамика оценивает только вероятность того или иного события в данных условиях, а произойдет ли оно в действительности и с какой скоростью – это уже проблема кинетики. Технология- это совокупность различных стадий формования химических волокон и пленок. Поэтому необходим анализ механизмов этих сложных процессов, разделения их на стадии, чтобы определить их последовательность и их влияние друг на друга.

Кроме того необходимо уметь рассчитывать скорости каждой стадии процесса, оценивать возможности наилучшего его ведения, знать как повысить их скорость, как увеличить выход продукта, на какой стадии целесообразно прекратить процесс, чтобы передать полупродукт на следующую стадию переработки.

Технология химических волокон базируется на всех естественных науках. Поэтому инженер химик-технолог должен быть специалистом широкого профиля. Можно вспомнить, что еще в древнегреческой мифологии сама Афина Эргана (работница) учила людей технологии (делать колесницы, строить корабли, прясть, ткать и т.д), но в то же время она была покровительницей наук. Таким образом, она мудро объединяла в одном лице управление как фундаментальной, так и прикладной деятельностью человечества.

При формовании химических волокон важное значение имеют процессы переноса массы и энергии. Их совместное рассмотрение весьма сложно. Поэтому оказалось целесообразным анализировать комплекс упрощенных моделей процесса. Формулированию и решению задач на основе таких моделей посвящены настоящий и последующие разделы «Сборника задач и упражнений» по курсу «Физико-химические основы формования химических волокон».

Автор будет очень признателен за замечания и предложения по совершенствованию информационной насыщенности этого раздела.