2. Мокрый метод

Этот метод продолжает совершенствоваться. Особым направлением его развития является, с одной стороны, модифицирование структуры и свойств волокна, с другой повышение производительности прядильного оборудования.

Путем подбора состава и температуры осадительной ванны можно в значительной степени менять параметры процесса формования, получая волокна с различной структурой и свойствами.

Увеличение производительности прядильного оборудования достигается за счет повышения скорости формования и увеличения числа отверстий фильеры.

Повышение скорости формования достигается путем изменения гидравлического взаимодействия струи прядильного раствора, вытекающего из отверстия фильеры, с осадительной ванной. Немаловажную роль при этом играют и деформационные процессы, протекающие в канале фильеры, в момент выхода прядильного раствора из филеры в зоне отверстия фильеры.

В канале фильеры происходит эластическая деформация прядильного раствора, величина которого определяется свойствами раствора, в первую очередь временем релаксации и параметрами течения (геометрическими размерами канала фильеры и объемным расходом раствора).

Прядильный раствор на выходе из фильеры значительно расширяется (в 2-3 раза), считая соответственно линейную скорость движения бедующей нити в 4-9 раза. Это в значительной степени снижает максимальные скорости формования ПАН волокон мокрым методом, особенно при быстром отвержении волокна.

Конечная максимальная скорость получения волокна 45-60м/мин. Современные агрегаты для вытяжки ПАН волокон могут работать при скорости 100м/мин. Для осуществления заданной высокой скорости формовки ПАН волокон необходимо замедление процесса отвержения и пластического растяжения отвердевающей струйки прядильного раствора.

Для замедления процесса отвержения применяют ванны с малым содержанием осадителя, с гидравлическим растяжением струек прядильного и пластического студнеобразного волокна [3].

2. Модифицирование

Путем модифицирования можно в широких пределах изменять потребительские свойства волокон: окрашиваемость, невоспламеняемость, теплостойкость, сцепляемость и т.д.

Различают следующие виды модифицирования: химическое модифицирование; модифицирование путем введения добавок в прядильный раствор; термообработка [4].

3. Влияние вытяжки в процессе формирования на повышение прочности волокон

В [5] рассмотрены новые технологии, позволяющие получать сверхтвердые волокна – методами кристаллизации полимеров, получения высокоориентированых структур с помощью сверхвысокой вытяжки, формования из расплава.

Ряд технологий рекомендует получат высокую ориентацию макромолекул с помощью максимальной ориентации вытяжки (со степенью вытяжки >10), что повышает механические свойства волокон.

В процессе формирования с помощью фильеры с коническим отверстием характерны следующие нарушения:

ломкость и обрывы волокон на выходе из фильеры;

чрезмерное сужение полимера в фильере, в результате чего наблюдается сильная вытяжка полимера;

слишком сильное притяжение полимера к стенкам фильеры, в результате чего получают волокно, диаметр которого равен диаметру отверстия фильеры.

Чтобы прядение протекало нормально, нужно подобрать такие условия, чтобы диаметр волокна после прядения был меньше диаметра отвертия фильеры. В этом случае внутри конического отверстия фильеры образуется устойчивая “шейка”, и полимер не прижимается к стенкам отверстия. Процесс вытяжки протекает при этом устойчиво, степень вытяжки будет постоянной; ее определяют по формуле:

где d₀ – диаметр исходной массы,

d_k – диаметр конечного продукта.

С помощью этого метода был получен ряд интересных результатов, в частности, было установлено, что существует прямая зависимость между степенью вытяжки и скоростью деформации. Эта зависимость носит экспоненциальный характер. Скорость этого роста зависит и от отношения сечений массы полимера на входе в фильеру к сечению выходного отверстия фильеры, где образуется волокно.

Гидростатическое прядение заключается в получении волокна путем экструзии под давлением расплавленного полимера через соответствующую фильеру. Это давление передается полимеру помощю жидкости. Эта технология позволяет получать высокие степени ориентации для полимеров с гибкими цепями и, следовательно, полимеры очень большой прочности. Для получения оптимальных степеней вытяжки нужно точно подобрать зависимость между применяемым давлением и скоростью прядения. Между достигаемой степенью вытяжки и молекулярным весом существует тесная связь [5]. Для полимеров с более низким молекулярным весом получают более высокие степени вытяжки. Такая же связь существует и при работе по методу ориентированной вытяжки. Причина такой связи в том, что оба процесса: ориентирующая вытяжка и гидростатическое прядение – протекают на основе очень упругой деформации, которая сопровождается значительным увеличением прочности. Высокоориентированный полимер характеризуется высокой температурой плавки, хорошей химической и термической стойкостью. С помощью разных способов характеристики структуры было показано, что образование большого числа водородных мостиков между кристаллитами позволяет получать высокие степени вытяжки.

Продавливая полимер высокой плотности через фильеру с коническим отверстием, получена степень вытяжки порядка 25-36 при давлении экструзии 0,69-2,1ГПа для температур и скорости прядения до 1,5 м/мин, прочность 450МПа, модуль Юнга 150ГПа.

Одним из методов получения полимеров высокой прочности и хорошего модуля Юнга является экструзия полимеров через капилляр под высоким давлением при температуре, которая несколько ниже температуры плавления. Форование и кристаллизация полимера осуществляется аппаратом Инстон-Реометера. Полимер выдавливают под очень высоким давлением (около 300МПа). Вблизи выходного отверстия капилляра одновременно протекают процессы кристаллизации и ориентации полимера. Большое влияние на получаемый результат оказывают следующие факторы: угол наклона конуса капилляра, температура капилляра и полимера, давление и скорость перемещения полимера. Экструдированный под давлением 190МПа при температуре 130^ОС этим методом полиэтилен имеет прочность и модуль Юнга, которые в два раза выше аналогичных свойств стандартного полиэтилена. Образцы, полученные новым методом, совершенно прозрачны, что свидетельствует о полностью кристаллической структуре и наличии цепей с выпрямленными кристаллитами.

По мере роста модуля Юнга увеличивается прочность. Однако при высоких вытяжках эта зависимость меняет свой характер.. Значение прочности зависит от молекулярного веса, температуры прядения и подфильерной степени вытяжки.

В таблице представлены механические свойства волокон, полученные при заданных оптимальных значениях вытяжки.

Тип волокна	Значение вытяжки в процессе формования	Модуль упругости (Юнга), Гпа	Прочность, Гпа	Удлине- ние, %	Плотность, г/см3	Скорость, м/мин
ПАН- волокно	10	220-350	2,3-3 (40сН/текс)	До 22	1,7-1,9	40
Полиэтилен	10-30	7	0,2-0,4	30	1,7	100
Полипропилен	11	1,7	0,2-0,4	39	1,6	-
Кевлар	-	124	3,6	2,5	1,44	-
Неорганичес-кие воокна	-	70-400	1,7-4,5	0,4-4,5	2,1-3,7	-

4. Выводы

Анализ технологического процесса изготовления химических волокон и в частности углеродистых волокон на базе полиакрилнетрила показывает значительную зависимость скорости вытяжки волокна на механические его свойства.

На основе полученных исследований возникает необходимость обеспечения заданой стабильности параметров процесса формовки, в том числе и параметра усилия вытяжки нитей при вытягивании волокна.

Для управления процессом вытяжки волокон с различными механическими свойствами из различных исходных химических составов (полиэтилен, полиакрил, полистирол и т.д.) необходимо создание гибкой системы автоматического регулирования обеспечивающей посредством исполнительных механизмов (вальцев) заданную скорость и степень вытяжки.

Исходными данными для обеспечения заданного значения регулирования наиболее применяемым может быть параметр текущего натяжения волокна.