Книга
← К списку книгЗагрузка разделов…
активнаАктивные записи участвуют в каталоге и синках. Неактивная книга скрыта, но не удалена из базы.
Книга
ЧАСТЬ ПЕРВАЯ
Обилие сведения о химических волокнах 'э
Глава 1. Введение в химию высокомолекулярных соединений9
Строение и свойства полимеров “
Методы синтеза полимеров■
L2A. Полимеризация
Поликонденсация
Химические превращения полимеров
Особенности строения полимеров . .
Деформация полимеров
Некоторые классы высокомолекулярных соединений«
Полиолефины
Галогенсодержащие полимеры■■"
Полиамиды25
Простые и сложныеполиэфиры26
Природные полимеры 27
Основные требованиякволокнообразующим полимерам29
Глава 2. Развитие производства химических волокон . ... 29
Глава 3. Классификация и способы получения химических волокон . ... 32
3-1. Классификация волокон . . . 32
Способы получения химических волокон ....36
Глава 4. Свойства и методы испытаний химических волокон38
Линейная плотность(толщина)волокон39
Разрывная нагрузкаи разрывноеудлинение волокон41
Крутка нитей . .. 42
Ровнота и гладкостьнитей42
Гигроскопичность и влажность химических волокон . . . . - . . .. 43
Равномерность волокон по длине45
Упругость и эластичность волокон45
Устойчивость волокон к механическим воздействиям46
Стойкость волокон к высоким и низким температурам47
Внешний вид волокон47
Плотность волокон 50
Искусственные волокнаИскусственные волокнаЧАСТЬ ВТОРАЯ51ЧАСТЬ ВТОРАЯ51
Искусственные волокна
Искусственные волокна
ЧАСТЬ ВТОРАЯ
51
ЧАСТЬ ВТОРАЯ
51
5151Глава 5. Основные виды сырья вискозного производства
51
51
3-1. Целлюлоза 52
5-2. Едкий натр 58'
Сероуглерод5?
Серная кислота58
Сульфат цинка 59
Вода.59
6161Глава 6. Получение вискозы
61
61
Мерсеризация целлюлозы61
Непрерывный процесс мерсеризации.64
Содовая станция 70
Приготовление мерсеризационного растворащелочи71
Отстаивание и фильтрация растворовщелочи73
Регенерация едкого натра74
Техника безопасности .. 76
Измельчение щелочной целлюлозы77
Предварительное созревание щелочнойцеллюлозы80
Транспортирование щелочной целлюлозы84
Получение и растворение ксантогенатацеллюлозы85
Получение ксантогената целлюлозы85
Растворение ксантогената целлюлозы89
Аппаратура для ксантогенирования92
Получение вискозы в одном аппарате94
Аппаратура для растворения .ксантогената целлюлозы 93
Техника безопасности98
Подготовка вискозы к формованию волокна100
Созревание вискозы100
Аппаратура вискозного цеха104
Фильтрование вискозы'106
Обезвоздушивание вискозы 109
Использование отходов вискозыПО
Введение добавок в вискозу111
Глава 7. Получение вискозных текстильных нитей . . . 116
Химические и физико-химические процессы, протекающие при формовании нитей116
Структура иитей120
Способы получения вискозных текстильных нитей121;
Схемы и параметры процесса формования текстильныхНитей . . . . 122■
Машины для формования вискозных текстильныхнитей 127
Узлы и детали прядильных машин127
Центрифугальные прядильные машины131
Бобинные прядильные машины139
Эксплуатация прядильных машин139
Непрерывный процесс получения вискозных текстильных нитей . . . . 141
Техника безопасности при формовании текстильных нитей143
Глава 8* Кислотная станция ц
Циркуляция осадительной ваииы*14-.
Расход химикатов .... г 147
Аппаратура кислотной станции147
Регенерация осадительной ваниы 150
Техника безопасности . *154
Глава 9. Отделка, сушка,Глава 9. Отделка, сушка,кручение и перемотка текстильных иитей .кручение и перемотка текстильных иитей .. . 154. . 154
Глава 9. Отделка, сушка,
Глава 9. Отделка, сушка,
кручение и перемотка текстильных иитей .
кручение и перемотка текстильных иитей .
. . 154
. . 154
Отделка текстильных нитей154
Отделочные операции155
158161163166169172158161163166169172172173175.172173175.182188191192193195197182188191192193195197Глава 12. Вискозная пленкаВискоза для получения пленки . .Формование пленкиОтделка пленкиСушка и намотка пленки в рулоныРезка и сортировка целлофана . .Лакировка целлофанаГлава 12. Вискозная пленкаВискоза для получения пленки . .Формование пленкиОтделка пленкиСушка и намотка пленки в рулоныРезка и сортировка целлофана . .Лакировка целлофана199200200203204205206199200200203204205206Глава 13. Способы уменьшения вредноОчистка вентиляционного воздухаОчистка сточных вод . . . .Глава 13. Способы уменьшения вредноОчистка вентиляционного воздухаОчистка сточных вод . . . .вискозного производства .... 207 208: 211вискозного производства .... 207 208: 211
158
161
163
166
169
172
158
161
163
166
169
172
172
173
175.
172
173
175.
182
188
191
192
193
195
197
182
188
191
192
193
195
197
Глава 12. Вискозная пленка
Вискоза для получения пленки . .
Формование пленки
Отделка пленки
Сушка и намотка пленки в рулоны
Резка и сортировка целлофана . .
Лакировка целлофана
Глава 12. Вискозная пленка
Вискоза для получения пленки . .
Формование пленки
Отделка пленки
Сушка и намотка пленки в рулоны
Резка и сортировка целлофана . .
Лакировка целлофана
199
200
200
203
204
205
206
199
200
200
203
204
205
206
Глава 13. Способы уменьшения вредно
Очистка вентиляционного воздуха
Очистка сточных вод . . . .
Глава 13. Способы уменьшения вредно
Очистка вентиляционного воздуха
Очистка сточных вод . . . .
вискозного производства .... 207
208
: 211
вискозного производства .... 207
208
: 211
Q1 2 Оборудование для отделки нитей в куличах . 913 Оборудование для отделки нитеи на бобинах . 9*2 Сушка текстильных нитеи 9 3* Кручение текстильных нитей Q 4 Пепемотка текстильных нитей• • • 95 Сортировка и упаковка текстильных нитей . .
Глава 10. Вискозная кордная нить
Ш1 Особенности производства вискозной кордной нити . - * • • • • • 1О.г Аппаратурное оформление процесса производства вискозной кордной НИТИ
Глава 11. Вискозное волокно
1. Особенности формования вискозного волокна .
Отгонка и регенерация сероуглерода . . . .
Резка жгута
Особенности отделки вискозного волокна . .
Аппаратурное оформление процесса . • - * •
Сушка и упаковка вискозного волокна . . .
Полинозные и высокомодульные волокна . . .
Глава 14. Медноаммиачные волокна" - 214
Исходное сырье* ,. . 215
, 14.2. Химические процессы . • *16
Способы получения медноаммиачного прядильного раствора . . . . 217
Подготовка медноаммиачного прядильного раствора к формованию ни- ^^
Формование и отделка медноаммиачных нитей221
Регенерация меди и аммиака222
Глава 15. Ацетатные волокна223
А?*К Методы получения ацетатов целлюлозы226
Получение ацетатов целлюлозы в гомогенной среде228
!е!*2* ^0ЛУчение триацетата целлюлозы в гетерогенной среде234
Требования к ацетатам целлюлозы, применяемым для производства ацетатиЫх волокон235
Получение диацетатной нити 237Я
Приготовление прядильных растворов,. 237 Я
Матирование и крашение в массе 240
Формование диацетатной нити 242Я
Последующая обработка диацетатной нити , .. 248 а
Улавливание летучих растворителей . .. . 251 Я
Получение триацетной нити 252I
Получение ацетатного волокна и сигаретного жгута 256Я
Производство ацетатного волокна 256Я
Производство ацетатного сигаретного жгута253я
Полупроницаемые полые волокна 259Я
ЧАСТЬ ТРЕТЬЯ
Синтетические волокна . . . . .263
Глава 16. Полиамидные волокна . 263 j
Производство капроновых нитей и волокон'265<
Синтез капролактама266
Синтез поликапроамида269
Формование нитей287
Текстильная обработка капроновых ннтен 298i
Получение капронового волокна-....-.306
Примеры технологических расчетов . 309■
Производство анидных нитей315
Синтез мономеров . . . 315
Технологический процесс получения аиитной нити316
Получение текстурированных нитей 323
Свойства полиамидных нитей и волокон 324
Глава 17. Полиэфирные волокна 326
Получение и свойства исходных мономеров 329]
Получение полиэтилентерефталата334
Синтез дигликольтерефталата . . . 334
Поликонденсация дигликолевого эфира терефталевой кислоты . . . 337
Структура н физико-химические свойства полиэтилентерефталата.., 3391
Физическая структура полиэтилентерефталата3391
Свойства расплава полиэтилентерефталата(..,.340J
Технологический процесс производства полиэфирных нитей и волокна 341
Технологическая схема производства полиэтилентерефталата.... 341
Непрерывный процесс синтеза полиэтилентерефталата с прямым формованием нитей351
Формование полиэфирных нитей 354
Производство полиэфирного волокна 364
Производство технических и кордныхнитей .......... 369
Производство текстильных нитей373
Получение текстурированных нитейj376
Получение бикомпонентных нитей .380
Производство мононитей 381
Переработка отходов производства полиэфирных нитей и волокна 382
Свойства полиэфирных волокон384
Применение полиэфирных волокон .\387
Полиэфирные волокна на основе химически модифицированного полиэтилентерефталата (сополиэфирные волокна)388
Другие типы полиэфирных волокон 390-
Глава 18. Полиакрилонитрильные волокна
Исходное сырье для производства полиакрилонитрильных волокон .
Акрилонитрил
Сомономеры
. . 393
Растворители
Синтез полимеров и сополимеров акрилонитрила
18А Свойства полиакрилонитрила
Получение прядильных растворов полиакрилонитрила
Свойства прядильных растворов полиакрилонитрила
Формование полиакрилонитрильных нитей (жгутов)
Диметилформамидный способ '
Роданистый способ
Диметилсульфоксидный способ.. . .
Регенерация растворителей
Расходные нормы сырья и производственные потерн
Сравнение различных способов получения полиакрилонитрильных во-
. 394
. 394
397
398
399
402
402
404
404
406
407
407 ‘
408
409
18 10 Свойства полиакрилонитрильных волокон и области их применения .
18.11. Модакриловые волокна
410
411
413
Глава 19. Поливинилхлоридные и поливинилспиртовые волокна . .
. . 415
Поливинилхлоридные волокна
Хлориновые волокна . .
Поливинилспиртовые волокна
415
416
422
Глава
20. Полиолефиновые волокна
и
пленки
423
Глава
21. Фторсодержащие волокна
425
Глава
22. Химические волокна специального иазиачеиия
428
Термостойкие волокна
Жаростойкие волокна
Стеклянные волокна
429
431
432
Рекомендуемая литература . *
440
Предметный указатель
441
ПРЕДИСЛОВИЕ К ТРЕТЬЕМУ ИЗДАНИЮЯ
Промышленность химических, волокон относится к одной прогрессивных и развивающихся высокими темпами отраслей пр|Н мышленности нашей страны.
Выпуск химических волокон увеличивается из года в год и 1 к 1980 г. примерно в 1,5 раза превысит выпуск 1975 г.i
Десятая пятилетка характеризовалась значительным повышением технического уровня промышленности химических волокон. В соответствии с решениями XXV съезда КПСС о повышении эф- \ фективности производства и улучшении качества работы на предприятиях химических волокон внедрен ряд непрерывных технологических процессов, что позволило сократить отдельные стадии производства и повысить производительность оборудования. Мно- ■ гие процессы интенсифицированы, увеличились единичные мощности технологических установок.
Наряду с этим улучшилось качество и расширился ассортимент выпускаемых химических волокон. Удельный вес синтетических волокон в общем выпуске химических волокон существенно вырос, ' однако по-прежнему сохранился высокий уровень производства ис- ; кусственных, особенно вискозных, волокон.J
Таким образом, за шесть лет, прошедших со времени выхода ; второго издания данного учебника, в промышленности химических волокон произошли существенные изменения, которые отражены в предлагаемой читателю книге.
При описании производства вискозных волокон устаревшие nncMi цессы и оборудование исключены, однако это производство, как ■ в предыдущем издании, рассмотрено подробно, ибо отдельные пр^В цессы и оборудование являются общими для производства друп^И видов волокон, при описании которых отмечаются только особенней сти процессов (кручение и перемотка нитей, резка жгута, фильяИ рация растворов, испытание нитей и волокон).1
Отдельные главы книги написаны: глава 1 —В. А. Груздевым;^ главы 2—14— В. А. Груздевым, И. П. Бакшеевым и А. Н. Ряузо- вым; глава 15 — Ю. А. Костровым; глава 16 — М. Б. Сигалом; глава 17 — А. М. Айзенштейном; глава 18 — В. Л. Циперманом; главы 19 и 20 — В. А. Груздевым и А. Я. Ряузовым; главы 21 и 22 — В. А. Груздевым и М. Д. Ходаковским.
Авторы приносят благодарность за оказанную помощь при подготовке настоящего издания книги Г. Г. Фингеру, В. Д. Фихману = и Л. И. Новиковой.
ЧАСТЬ ПЕРВАЯ
Общие сведения
о химических волокнах
Глава /
ВВЕДЕНИЕ В ХИМИЮ
ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА ПОЛИМЕРОВ
Многие природные соединения (белки; целлюлоза, являющаяся составной частью древесины и хлопка; натуральный каучук и др.), а также ряд синтетических соединений состоят из макромолекул, содержащих десятки и сотни тысяч атомов, и имеют большую молекулярную массу. Такие соединения получили название высокомолекулярных, или полимеров.
Макромолекулы полимеров состоят из многократно повторяющихся структурных единиц — элементарных звеньев.
Число элементарных звеньев в макромолекуле характеризует степень полимеризации, которая может быть рассчитана по фор-
где м — молекулярная масса полимера; т —молекулярная масса элементарного звена.
Полимеры состоят из макромолекул с различной степенью по* димеризации, т. е. они являются молекулярно неоднородными веществами (полидисперсными). Имеются методы, позволяющие разделить полимер на отдельные фракции, отличающиеся различной молекулярной массой (фракционирование). Если определить молекулярную массу каждой фракции (части) и количественное содержание ее в полимере взвешиванием или другим путем, то характеристику полимера по молекулярной массе можно представить на диаграмме в виде кривой (рис. 1.1).
На рис. 1.1 показаны кривые распределения по молекулярной массе двух полимеров с одинаковой средней степенью полимеризации, но с различной полидисперсностью. Кривая 1 характеризует более однородный полимер, в котором преобладает одна фракция. Полимер, характеризуемый кривой 2, содержит много фракций, незначительно различающихся по молекулярной массе.
Соединения, используемые для получения полимеров, называются мономерами. Так, при получении полиэтилена в качестве мономера может быть взят этилен СН2=СН2. При определенных условиях двойные связц этилена рвутся и молекулы этилена
соединяются между собой, образуя новое вещество — полиэтилен СН2—СН2—СН2—СН2—-.
Полимеры, макромолекулы которых состоят из звеньев одинакового состава, называются гомополимерами; полимеры, макромолекулы которых состоят из звеньев разного состава, называются сополимерами.
В процессе синтеза к линейной макромолекуле одного состава можно присоединить («привить») боковые цепи другого состава. Такие полимеры называются привитыми. .
Свойства полимеров в очень большой степени зависят от формы макромолекул.
На рис. 1.2 схематично показана форма макромолекул. По строению макромолекулы делят на линейные, разветвленные и сетчатые.
Макромолекулы линейных полимеров представляют собой длинные цепи без боковых ответвлений. В цепях макромолекул разветвленных полимеров содержатся боковые ответвления, число, длина и взаимное расположение которых могут изменяться в широких пределах, влияя на свойства полимеров.
Сетчатые полимеры (их называют также пространственными, трехмерными или сшитыми^ построены из макромолекул, соединенных друг с другом поперечными химическими связями. Сшитые полимеры могут быть получены как из линейных, так и из разветвленных полимеров.
По строению основной цепи полимеры могут быть разделены на три класса:
карбоцепные, основные цепи которых построены только из атомов углерода;
гетероцепные, в основных цепях которых кроме атомов углерода содержатся атомы кислорода, азота, серы, фосфора и других элементов, обычно входящих в состав природных органических соединений;
Рис. 1.1. Дифференциальные кривые распределения полимеров по молекулярной массе:
/—полимер малой полидисперсиости: 2—полимер большой полидисперсиости.
Рис. 1.2. Форма макромолекул полимеров:
а—линейная: б—разветвленная: в—сетчатая.
ю
элементоорганические, в основных цепях которых Содержатся атомы кремния, алюминия, бора и других элементов, не входящих в состав природных органических соединений.
этилен:этилен:Примером простейшего карбоцепного полимера является поли
этилен:
этилен:
н нннннн
I 11II11
с—с—С—С—С—С—с
I IIIIII
н нннннн
В карбоцепных полимерах атомы водорода могут замещаться другими элементами или группами атомов. Например, в политетрафторэтилене все атомы водорода заменены атомами фтора:
F F F F F F
F F F F F F
Название карбоцепных полимеров образуется из названия мономера и приставки поли-, полиэтилен, полипропилен, полиакрилонитрил, поливинилхлорид, полистирол, поливинилиденхлорид и т. д.
Примером гетероцепных полимеров может служить поликапроамид:
НННННННННН
IIIIIIIIII
с—С—С—С—С—С—N- С—С—С—С—С—С—N
IIIIIIII IIIIIIII
оннннннонннннн
В зависимости от групп, содержащих гетероатомы и входящих в состав основной цепи макромолекул, гетероцепные полимеры де: лятся на несколько классов.
Так, при наличии в основной цепи группы гетероатомов —NH—СО— полимеры называются полиамидами; при группе гетероатомов —СО—О сложными полиэфирами; при группе ге- тероатомов —С—О простыми полиэфирами (полиоксисоединения); при группе гетероатомов —NH—СО—О— — полиуретанами; при группе —NH—СО—NHполимочевинами и др.
Большое влияние на свойства линейных полимеров оказывает характер присоединения и регулярность чередования элементарных звеньев в макромолекуле.
Полимеры, у которых все звенья и заместители расположены в пространстве, правильно чередуясь, называются стереорегулярны- ми. Стереорегулярные полимеры, у которых заместители располагаются по одну сторону цепи, называются изотактическими; если заместители располагаются по обе стороны цепи, такие полимеры называются синдиотактическими.
Полимеры с беспорядочным расположением заместителей называются атактическими.
Полимеры с регулярным расположением заместителей в пространстве (стереорегулярные полимеры) по своим свойствам выгодно отличаются от атактических полимеров.
МЕТОДЫ СИНТЕЗА ПОЛИМЕРОВ
Разработано два метода синтеза высокомолекулярных соединений: полимеризация и поликонденсация.
Полимеризацией называется реакция последовательного присоединения молекул мономера в результате разрыва двойных связей или раскрытия циклов к активному центру растущей макромолекулы, звенья которой идентичны по составу молекулам мономера:
пМ. —> •••—(М)га——
пП (R—X),
Поликонденсацией называется процесс образования полимеров путем присоединения молекул полифункциональных мономеров друг к другу в результате взаимодействия функциональных групп и выделения низкомолекулярных соединений. Состав элементарного звена полимера, полученного реакцией поликонденсации, не соответствует составу исходного мономера.
Полимеризация
В зависимости от условий активизации реакции полимеризации активными центрами могут быть радикалы или ионы. Соответственно различают радикальную и ионную полимеризацию.
Радикальная полимеризация
Радикальная полимеризация протекает по цепному механизму и состоит из трех стадий: возникновения активного центра, роста полимерной цепи и обрыва цепи. Цепная полимеризация протекав! с очень большой скоростью и может ускоряться веществами, легко распадающимися на свободные радикалы,— инициаторами, либо тормозиться соединениями, быстро реагирующими с радикалами,— ингибиторами.
В качестве инициаторов используют, например, пероксид бензоила (СеНбСООЦ, пероксид ацетила (СН3СОО)2, пероксид водорода Н2О2, персульфат натрия Na2S2O8, динитрил азо-бисизомас- ляной кислоты NC—С(СН3)2—N=N—С(СН3)2—CN и др.
При использовании пероксида бензоила он распадается на два свободных радикала:
(С6Н5СОО)2 —► 2С6Н5СОО.
свободный радикал реагирует с мономером:
С6Н5СОО. +ch2=chr —► С6Н6СОО—СН2— CHR •
(гДе Р —любой одновалентный радикал или галоген), неспаренный электрон передается по цепи и активным центром становится молекула мономера — начинается рост цепи:
С6Н5СОО— СН2—CHR • + CH2=CHR —> С6Н5СОО—СН2—CHR—СН2—CHR •
Образовавшаяся молекула продолжает вести себя как свободный радикал и вступает в реакцию со следующей молекулой мономера и т. д. до тех пор, пока не наступит обрыв цепи.
Для инициирования полимеризации можно использовать также окислительно-восстановительные реакции. Подбирается пара окислитель восстановитель, растворимые в воде или в органическом растворителе, и реакцию проводят в среде, содержащей какой-либо мономер. Например, в водной среде используют пероксид водорода и сульфат двухвалентного железа:
Fe2+ + H2O2 —-> Fe3+ + OH"+«OH
Радикал -ОН, присоединяясь к молекуле мономера, инициирует радикальную полимеризацию. В органических средах для инициирования можно применять пару пероксид бензоила с метиланили- ном:
C6H5NH(CH3) + с6н5со—о—о—СОС6Н5 —>
—► С6Н5СО—О • + СНз—N—с6н5 + С6Н5СООН
Образовавшийся радикал CeHsCO—О- присоединяет молекулу мономера, давая начало реакционной цепи.
Радикальная полимеризация может происходить под действием тепла (термическая полимеризация), света (фотохимическая полимеризация) и радиоактивного излучения (радиационная полимеризация) .
При термическом инициировании свободные радикалы образуются из молекул мономера за счет раскрытия двойной связи при нагревании:
CH2=CHR —> СН2—CHR
В результате реакции образуется бирадикал, вступающий в реакцию с другими молекулами мономера, начиная рост цепи. Термическая полимеризация протекает медленно и ее скорость сильно зависит от температуры.
Фотохимическое инициирование осуществляется в результате поглощения молекулой мономера кванта света и перехода ее в возбужденное состояние с последующим образованием радикала. Далее реакция протекает так же, как и при других способах инициирования.
Радиационный метод инициирования заключается в образовании свободных радикалов при действии на молекулу мономера ионизирующих излучений (у-лучей, рентгеновых лучей, ускоренных
Концентрация инициатораКонцентрация инициатора
Концентрация инициатора
Концентрация инициатора
Рис. 1.3. Зависимость скорости полимеризации к и молекулярной массы полимера от концентрации инициатора:
^^ 1— скорость полимеризации: 2—молекулярная масса.
Заключительной стадией процесса полимеризации является обрыв растущей цепи. Этот процесс наступает в результате реакций рекомбинации, диспропорционирования и взаимодействия макрорадикалов с примесями, вследствие чего в системе исчезают активные радикалы.
Для регулирования средней молекулярной массы полимера в реакционную массу вводят регулятор молекулярной массы. Широкое применение в качестве регуляторов молекулярной массы получили хлорированные углеводороды (четыреххлористый углерод, тетрахлорэтилен, гексахлорэтан), меркаптаны и др.
Могут возникать радикалы, имеющие малую реакционную способность, т. е. они не способны продолжать реакционную цепь, но присоединяются к макрорадикалу, прекращая или резко замедляя реакцию полимеризации. Такие вещества называются ингибитора;^ ми, или замедлителями.|
Ингибиторами являются многоатомные фенолы, аромати-^ ческие амины, сера, иод, некоторые соли железа, меди, хрома’ и т. д.
Условия проведения радикальной полимеризации влияют на свойства полимера.
С повышением температуры возрастают скорости возникновения активных центров и суммарной реакции превращения мономера в полимер; в то же время увеличение скорости реакции обрыва цепи приводит к укорачиванию реакционной цепи и уменьшению молекулярной массы полимера. Поэтому степень полимеризации полимера в большей мере зависит от температурных условий реакции: при повышении температуры она уменьшается, при снижений температуры — увеличивается.
Концентрация инициатора влияет на число образующихся свободных радикалов. Чем больше концентрация инициатора, тем больше образуется свободных радикалов, увеличивается число растущих цепей полимера, молекулярная масса полимера снижается, а суммарная скорость процесса полимеризации возрастает (рис. 1.3).
Давление на процесс полимеризации может сказаться только В случае применения высоких давлений порядка 300—500 МПа. В этих условиях процесс полимеризации значительно ускоряется, но без снижения степени полимеризации полимера.
По способам проведения радикальную полимеризацию делят на блочную, в растворе, эмульсионную и суспензионную (капельную).
При блочной полимеризации применяется чистый мономер. Обычно реакция проводится в присутствии инициаторов,
растворимых в мономере. Полимер получается в виде блока, принимающего форму сосуда.
К недостаткам этого метода относится трудность отвода тепла, выделяющегося при реакции. Поэтому в различных частях блока полимеризация протекает при разных температурах и полимер получается неоднородным по молекулярному весу.
Полимеризация в растворе заключается в том,что мономер предварительно растворяется в каком-нибудь растворителе. По окончании реакции полимер выделяется из раствора при добавлении нерастворителя. В том случае, когда в растворителе растворяется только мономер, образующийся при реакции полимер выпадает в осадок.
Способ полимеризации в растворе дает возможность легко регулировать температуру реакционной смеси, но из-за постепенного уменьшения концентрации мономера в растворе снижается скорость реакции и степень полимеризации полимера. Полидисперсность полимера возрастает.
Эмульсионная полимеризация. Полимеризации подвергается эмульсия мономера в воде. Содержание мономера в реакционной массе составляет 15—30%. Для повышения устойчивости эмульсий мономеров к ним добавляют поверхностно-активные вещества. Поскольку реакционной средой служит вода, применяют водорастворимые инициаторы. В результате реакции получается высокодисперсная эмульсия полимера в воде (латекс), а сам способ получил название латексной полимериз’а- ц и и. Полимер из полученной эмульсии высаживается добавкой в нее электролитов при нагревании.
Суспензионная (капельная) полимеризация аналогична эмульсионной, но отличается от нее тем, что мономер в воде эмульгируется в виде больших капель диаметром 2—5 мм. Такая суспензия стабилизируется добавлением водорастворимого полимера, например поливинилового спирта. В качестве инициаторов подбираются вещества, растворимые в воде. Полимеризация проходит как бы в маленьких блоках (капли чистого мономера), но в отличие от блочной полимеризации здесь легко поддерживать требуемую температуру во всей реакционной массе.
Ионная полимеризация
Так же как и радикальная, ионная полимеризация представляет собой цепную реакцию, но в этом случае активным центром является ион с трехвалентным атомом углерода, несущий положительный или отрицательный заряд. В зависимости от этого различают ■ катионную и анионную полимеризацию. При катионной полимеризации образуется ион карбония, а при анионной — кар- баниощ
Образование иона карбония и карбаниона показано на следующей схеме:
2СН2=СН + НХ —► СНз—СН—СН2—СН + X'
RR R
иои карбоиия
СН2=СН + MeR' —* R'CHi—СН + Ме+III
RRj
карбанионs
где X — соответствующий анион (противоион); М.е — щелочной металл; R и R'—! радикалы. -1
Ионную полимеризациюобычно проводят врастворе.Вкаче-З
стве катализаторовприкатионнойполимеризацииприменяются^
вещества (А1С13, BF3 TiCl4, SnCl4 и Др.), отнимающие электрон у) мономера с образованием активного центра. При анионной поли-1 меризации катализаторами являются щелочные металлы, метал-? лоорганические соединения, оксиды поливалентных металлов, которые отдают электрон мономеру с образованием активного цент-1 ра.]
Полимеризация циклических соединений|
Циклические мономеры, содержащие в кольце кроме углерод да другие атомы (кислород, азот, сера и др.) и называемые гетероциклами, также могут быть использованы в качестве исходных продуктов для получения линейных полимеров. Эту реакцию на-: зывают циклополимеризацией. Например, этиленоксид может по-.: димеризоваться с образованием полиэтиленоксида:J
СН2—СН2 —►СН2—СН2—О—СН2—СН2—О—СН2—СН2—О1
е-Капролактам полимеризуется в поликапроамид:'
СНг—CHi— СН
^МН —► ..._HN—(СН8)5—СО СНг—Н г—С
IIО
Не все гетероциклические соединения легко полимеризуются с образованием линейного полимера. Пяти- и шестичленные циклы вступают в реакцию полимеризации с большим трудом, семичленные циклы полимеризуются довольно легко с образованием линейного полимера, но реакция не проходит до конца, так как на определенном этапе устанавливается равновесие: цикл^±полимер.
Циклополимеризация проводится в присутствии активаторов,
,«впИчяпйи капролактама в1качестве активатора исполу ПРИ ПОЛЛ „^поэтому ^тот процесс называется гидролитической Зуе^пизайиеи Полимеризация циклов может быть осуществле- Лонными катализаторами. Например, полимеризация Н3 Лппяктама в отсутствие воды с ионными катализаторами e(Na, NaOH, NaHCO3, Na2CO3) протекает с очень большой скоростью.
Поликонденсация
Мономеры вступающие в реакцию поликонденсации, должны солеожать не’ менее двух функциональных групп. При поликонденсации получаются новые более сложные молекулы, сохраняющие на концах не менее двух функциональных групп в каждой молекуле и выделяются соединения, образовавшиеся за счет взаимодействия функциональных групп.
Процесс поликонденсации, в котором участвуют однородные молекулы, называется гомополиконденсацией.
В качестве примера приведен процесс поликонденсации ^-ами- ноэнантовой кислоты, в результате которой получается полиэнан- тоамид:.!
nNH2—(СН2)6—СООН —»• Н—[—NH—(СН2)6—СО—]п—ОН + Н2О
Процесс поликонденсации, в котором участвуют разнородные молекулы, называется гетерополиконденсацией.
Примером такой реакции является поликонденсация адипиновой кислоты и гексаметилендиамина, приводящая к образованию по- лигексаметиленадипамида (найлона 6,6):,
НООС(СН2)4СООН + nH2N(CH2)6NH2 —>
—> НО—[—OC(CH2)4CONH—(CH2)6NH—]„—Н + 2 (п — 1) Н2О
Для получения при поликонденсации полимера с наибольшей молекулярной массой и для быстрейшего достижения равновесия необходимо поддерживать нужную концентрацию реагирующих веществ и постоянно удалять из сферы реакции выделяющиеся простые вещества.
Если в реакционной смеси содержатся монофункциональные соединения, способные вступать в химическую реакцию с одной из групп бифункционального соединения, то монофункциональное вещество блокирует одну из групп бифункционального вещества и реакция поликонденсации прекращается. Используя это свойство монофункциональных соединений, можно регулировать молекулярную массу получаемого полимера. Монофункциональное соединение, добавляемое в реакционную смесь для регулирования молекулярной массы полимера, называется стабилизатором молекулярной массы,
ХИМИЧЕСКИЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ ПОЛИМЕРОВ
Полимеры при определенных условиях могут взаимодейство вать с другими химическими веществами, разрушаться, изменят степень полимеризации и претерпевать химические превращения
Реакции функциональных групп. Многие высокомолекулярны! соединения состоят из звеньев, содержащих функциональны, группы, которые могут вступать в химические реакции с различ ными веществами. К звеньям макромолекул в этом случае присое диняются новые молекулы или группы молекул, и состав полимера изменяется. Если при этом длина основной цепи макромолекулы не меняется, такие реакции называются полимераналогичными пре- вращениями. Так, например, можно изменить свойства целлюлозы, присоединяя к гидроксильным группам различные молекулы или радикалы. Этим методом получают производные целлюлозы, растворимые в органических растворителях (ацетоне, диметилфор- мамиде), в водных растворах едкого натра (ксантогенат целлюлозы) и т. д. Изменение свойств полимеров путем химических реакций называется химической модификацией. С этой целью применяется метод получения привитых полимеров, заключающийся в том, что к макромолекулам какого-нибудь полимера прививается другой полимер. Свойства полученного привитого полимера отличаются как от свойств основного полимера, из которого состоит цепь, так и от свойств полимера.
Сшивание цепей. Так называется процесс образования межмолекулярных химических, связей. Свойства сшитых полимеров значительно изменяются: уменьшается растворимость, повышается температура плавления, снижается удлинение и т. д. Этот процесс давно используется в технике. Так, при вулканизации резиновых изделий сера вступает во взаимодействие с макромолекулами каучука, образуя между ними серные мостики, и происходит сшивка макромолекул каучука. При обработке целлюлозы формальдегидом также происходит сшивка макромолекул, вследствие чего свойства целлюлозы изменяются. Тот же процесс протекает при обработке формальдегидом капроновых нитей: наблюдается образование сшивок между молекулами поликапроамида, и термостойкость полимера резко возрастает.
Деструкция полимеров. Так называются реакции, протекающие с разрывом связей основной молекулярной цепи и приводящие к уменьшению молекулярной массы полимера без изменения его химического состава. Реакции деструкции полимеров обусловлены действием химических агентов (воды, кислот, спиртов, кислорода, щелочей и т. д.), а также воздействием различных физических факторов (тепла, света, ионизирующего излучения, механического воздействия и т. д.). Стойкость полимеров к реакциям деструкции неодинакова и зависит от строения и химического состава полимера. В обычных условиях реакции элементарный звеньев сопровождаются частичной деструкцией, особенно реакции гетероцепных полимеров, основная цепь которых разрывается 18
полиамидов происходит разрыв основнойполиамидов происходит разрыв основнойцепицепипопози углерод — гетероатом. Конечным продуктом химиче- П° "деструкции является мономер. Карбоцепные полимеры бо- СКОИстойки к химической деструкции, так как содержат в цепи лее од-углеродную связь, обладающую малой реакционной спо- У^стью. Но и они часто деструктируют при химических пре- С° пениях. В качестве примера химической деструкции гетеро- Врпных полимеров можно привести реакцию гидролиза. Так, при
полиамидов происходит разрыв основной
полиамидов происходит разрыв основной
цепи
цепи
по
по
гидролизе схеме:гидролизе схеме:■ ....^..„ТТАП ПППЫГ Vn ПИТ ПЯЧПкП! ППИППНПЙ ПАПП ПП
гидролизе схеме:
гидролизе схеме:
Н-т-ОН
nh-Lco— —►NH2 + H00C
Поскольку катализаторами гидролиза являются водородные или гидроксильные ионы, скорость реакции возрастает в присутствии кислот и щелочей. Среди гетероцепных полимеров наиболее легко гидролизуются полиацетали, сложные полиэфиры и полиамиды.
Полимеры, содержащие гидроксильные или карбонильные группы, атомы водорода и двойные связи (целлюлоза, полиакрилаты, каучуки и др.), наиболее интенсивно деструктируют при действии окислителей (кислород, озон, пероксиды). Окислительная деструкция протекает по радикально-цепному механизму: вначале при окислении макромолекул полимера образуются пероксиды, при распаде которых возникают радикалы R-; RO- и ROO-; затем следует передача неспаренного электрона макромолекуле полимера и разрыв молекулярной цепи с образованием нового радикала:
СН2—СН2—СН2—СН2—СН2HR* —►
—►СН2—СН2—СНг—СН—СН21- RH
СН2—СН2—СНг—СН—СН2 —► СН2—СН=СН2 + СНг—СН2 Образовавшийся радикал реагирует со следующей макромолекулой; при этом происходит разрыв макромолекулы и образование нового радикала и т. д. Обрыв цепи наступает в результате диспропорционирования свободных радикалов, образующихся под воздействием света, тепла, механической энергии и т. д.
Физико-механические свойства полимеров вследствие деструкции ухудшаются. Изменение свойств полимера в результате химических превращений называется старением.
Иногда деструкцию используют для облегчения переработки олимера, вызывая ее искусственно. Например, при приготовле- ии растворов целлюлозы последнюю подвергают окислительной Деструкции, так как высокая степень полимеризации целлюлозы трудняет ее переработку. В производстве капронового волокна чег°д? ПОЛикапроамида и волокна подвергают полной гидролити- пОлКОИ дестРУкЦии до мономера (деполимеризации) с тем, чтобы
Учить капролактам и вернуть его в производство.
ТемператураТемператураТемператураТемпература
Температура
Температура
Температура
Температура
Низкомолекулярные вещества могут находиться в трех агр гатных состояниях: газообразном, жидком и твердом, отлича .щихся друг от друга характером движения молекул или атом и плотностью их упаковки. В отличие от низкомолекулярных ществ полимеры существуют только в двух состояниях: тверд и жидком. Твердому агрегатному состоянию полимера отвеча . два фазовых состояния: кристаллическое и аморфное, В большщ стве случаев полимер представляет собой двухфазную систе т. е. в нем сосуществует кристаллическая и аморфная фаза в р личных соотношениях, определяемых условиями синтеза или с ростью кристаллизации.
При нагревании полимер может переходить из одного сост яния в другое. Однако получить полностью закристаллизованн полимер не удается: какая-то часть всегда остается в аморфнс состоянии, и цепные молекулы проходят как через кристалли ские области, так и через аморфные. В кристаллической облас часть цепи вместе с отрезками других цепей укладывается в ределенном порядке, а в аморфной части остается перепутанно другими цепями.
Если полимер кристаллизуется при однооснорастянутом сос янии, то скорость кристаллизации возрастает, а образующий кристаллы располагаются в соответствии с действием внеш ■ растягивающих сил, вследствие чего полимер получается ани тропным, т. е. физические свойства полимера (механические, тические, электрические и др.) в различных направлениях не о наковы.
Полимеры, имеющие жесткие макромолекулы, обычно об зуют пачки макромолекул, а в полимерах с гибкими цепями дельные макромолекулы свертываются в клубки — глобу Пачки и глобулы являются первичными структурными элемен ми при образовании кристаллической решетки.
Аморфные линейные полимеры в зависимости от температу могут находиться в трех физических состояниях: стеклообразно высокоэластическом и вязкотекучем. Один и тот же полимер п нагревании и охлаждении может переходить из одного физш ского состояния в другое.
■ Особенности строения полимерных веществ обусловлива только им присущие свойства. Эти особенности можно выяви изучая деформацию веществ при изменении температурных ловий.
Зависимость деформации стеклующегося низкомолекулярно! вещества (жидкости) при постоянном напряжении от температ ры показана на рис. 1.4; такая же зависимость для полиме приведена на рис. 1.5. Из приведенных графиков видно, что ни х комолекулярные стеклообразные вещества при нагревании до о ределенной температуры сохраняют присущие им свойства (тв 20
Рис 1 4 Термомеханическая кривая низкомолекулярной стеклующейся жидкости- Рис. 15. Термомеханическая кривая стеклующегося полимера.
дость) а затем в небольшом интервале температур они плавятся и переходят в вязкотекучее состояние.■
Полимеры ведут себя иначе. До некоторой температуры /с (рис 1.5) застеклованный полимер при постоянном напряжении деформируется очень незначительно, но в точке Тс появляется новое состояние полимера — высокоэластическое — вплоть до температуры Тт, при которой полимер переходит в вязкотекучее состояние.
В интервале температур Тс — Тт полимер находится в высокоэластическом состоянии. При нагревании его в этой области температур происходит некоторое увеличение деформации, остающейся обратимой, в отличие от низкомолекулярных стеклующихся веществ, деформации которых при высоких температурах велики и необратимы.
При охлаждении расплавленного полимера осуществляется постепенный (нескачкообразный) переход из вязкотекучего в стеклообразное состояние. Этот процесс протекает в довольно широком интервале температур вблизи от температуры Тс, называемой температурой стеклования. При нагревании полимера его деформация в области высокой эластичности изменяется незначительно вплоть до температуры текучести Тт. При этой температуре общая деформация полимера резко возрастает за счет появления необратимой деформации (вязкое течение). У низкомолекулярных веществ температуры стеклования и текучести находятся в непосредственной близости и не зависят от состава вещества; Для полимеров наблюдается значительная зависимость этих тем- ератур от молекулярной массы. Это объясняется тем, что теку- ЛСТЬ полимера проявляется при перемещении всей молекулы не- п™о °Т ее Длины> в То время как уменьшение твердости
™еРа и связанное с этим появление высокой эластичности про- Поэ>ДИТ ПРИ пеРемеЩении отдельных участков цепных молекул, полим^ С Ростом Длины молекулы, т. е. с увеличением степени тать еРиаацИи’ температура текучести полимера должна возрас- ДДинн™ КЗК вязкость системы цепных молекул тем больше, чем
ДЕФОРМАЦИЯ ПОЛИМЕРОВ■
Линейные и сетчатые полимеры под действием внешней сив ведут себя различно. Сетчатые полимеры при растяжении удЛ няются на очень небольшую величину и затем разрушаются, j™ нейные полимеры при растяжении удлиняются, и затем при дав нейшем увеличении напряжения на образце полимера появляеЛ утонение (шейка) и полимер вытягивается в четыре и более Л с ориентацией макромолекул и их агрегатов вдоль оси вытягиЛ ния. При дальнейшем растяжении полимер способен восприЛ мать значительно большие нагрузки и его удлинение при разрьЛ достигает 40%.
Для линейных полимеров характерны три основных вида ■ формации: упругие, высокоэластические и пластические. Л
Упругие деформации вызываются большими напряжениям^™ связаны с изменением межатомных расстояний в кристаллах молекулах полимеров; они полностью обратимы и не пре^е шают 1 %.
Высокоэластические деформации могут достигать 1000% ляются полностью обратимыми, однако восстановление первое чальной формы достигается' не сразу, а во времени (от нескоИ ких секунд до нескольких суток). Это объясняется тем, что равновесного состояния линейного полимера характерна опреЯ ленная гибкость макромолекул, нарушающаяся при приложе^И к полимеру внешнего усилия; макромолекулы начинают выпрИ ляться вследствие развития деформации. После снятия напря^И ния макромолекулы стремятся принять прежнюю форму изогИ тости, и полимер восстанавливает первоначальную форму. Л
Развитие деформации в линейных полимерах во времени обЛ ловлено большой вязкостью среды и межмолекулярным взашД действием, что затрудняет изменение конфигураций макромоЛ кул. Аналогично протекает обратный процесс — восстановлен первоначальной формы макромолекулы полимера.Я
Если полимер подвергнуть длительному действию растягивав щих усилий, в результате перегруппировок макромолекулы будЯ перемещаться до тех пор, пока образец будет испытывать напЛ жение, и располагаться так, чтобы растянутый образец оказалЯ в ненапряженном состоянии. Процесс изменения напряженного со стояния полимеров при переходе от неравновесного расположен® элементов его структуры (цепных макромолекул, пачек, микро кристаллов и т. д.) к равновесному называется релаксацией на пряжения. Скорость релаксации, определяемая скоростью молекУ’ лярных перегруппировок, в сильной степени зависит от темпера туры и сил межмолекулярного взаимодействия, обусловленные химическим строением полимера.
■ Пластические деформации полимеров являются необратимыми так как они связаны с перемещением макромолекул или их агре гатов друг относительно друга.,
пР(Ьоомации полимеров одновременно проявляются все
При Лрмации и часто бывает трудно отличить высокоэласти- че?кЫуюдеформаЦию от пластической.
1.6.1.6.НЕКОТОРЫЕ КЛАССЫ ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
1.6.
1.6.
Полиолефины
Исходным сырьем для получения полиолефинов служат газы, получающиеся при термическом крекинге нефти.''
В СССР имеются большие запасы сырья для получения таких полиолефинов, как полиэтилен и полипропилен, производство и применение которых постоянно возрастает.„.
Полиэтилен (—СН2—СН2—)п является простейшим карбо- цепным полимером. Наиболее распространены три способа получения полиэтилена: при высоком, низком и среднем давлении.
Полимеризация при высоком давлении. Этилен, очищенный от примесей, под давлением 120—150 МПа направляют в реактор. В сжатый этилен вводятся кислород или органические перекиси в качестве инициатора. В реакторе при высоких давлении и температуре происходит разрыв двойной связи в мономере и образуется полиэтилен. ..
Влияние давления на молекулярную массу полиэтилена можно проиллюстрировать следующими данными:
Давление, МПа 5201 1001 5002 000
Молекулярная масса2 0003 00015 00020 000
Полимеризация при низком давлении. Очищенный этилен растворяют в бензине, вводят в этот раствор катализатор (алкилы и галогеналкилы алюминия) и сокатализатор (хлориды титана). Полимер образуется при температуре 70°C и давлении около 0,7 МПа.
Полимеризация при среднем давлении (3—■ 4 МПа) проводится при 120—150°С в растворе бензина с применением в качестве катализаторов оксидов металлов переменной валентности (например, оксида хрома, нанесенного на пористый носитель — алюмосиликат)...
От способа получения зависят свойства полиэтилена:.
Полиэтилен высокого давления полиэтилен низкого давления полиэтилен среднего давления
Температураплавления,°CТемператураплавления,°CПлотность,кг/м’Плотность,кг/м’110—125920-950141953—957144966110—125920-950141953—957144966кислот ИЭтилен „имеет высокую химическую стойкость к действию в щелочей, растворам солей; на холоду он не растворяется Пои ССКЧ Растворителях. '
Температураплавления,°C
Температураплавления,°C
Плотность,кг/м’
Плотность,кг/м’
110—125920-950
141953—957
144966
110—125920-950
141953—957
144966
постепенн°ЗДеЙСТВИИ тепла> света> кислорода воздуха полиэтилен шаются ° <<стаРеет>>, и его физико-механические свойства ухуд-
Полипропилен /—СН—СН2—\ получают полимеризацией!
к СН3 Д 1 пропилена в бензине при 70°C и давлении от 1 да 4 М.Па в при-1 сутствии катализатора. |
В зависимости от способа синтеза может быть получен полипропилен различного строения: атактический, изотактический и синдиотактический. Молекулярная масса полипропилена обычно колеблется в пределах 30000—500000. Физико-механические свойства полипропилена зависят в основном от пространственного расположения боковых групп. Атактический полипропилен является аморфным мягким и липким веществом. Изотактический полипропилен является кристаллическим полимером, содержащим 95— 98% изотактической фракции и 2—5% атактической. Плотность такого полимера 900—920 кг/м3, температура плавления составляет 160—170°С.
Полистирол /—СН2—СН—\ — карбоцепной полимер линей-
С5Н5 / п
ного строения; получают радикальной полимеризацией стирола с перекисными инициаторами блочным, суспензионным и эмульсионным методами. :
Полистирол растворяется в ароматических углеводородах, ке-: тонах, эфирах и альдегидах, набухает в бензине, стоек к кислотам, щелочам.
Галогенсодержащие полимеры
Поливинилхлорид (—СН2—СНС1—)« является карбоцепным линейным аморфным полимером с молекулярной массой от 18 000 до 400000. Температура стеклования полимера 75—80°С. Поливинилхлорид устойчив к действию влаги, кислот, щелочей, растворов солей, углеводородов нефти, но растворяется в некоторых органических растворителях (дихлорэтан, хлорбензол, нитробензол, тетрагидрофуран, циклогексан).
Поливинилхлорид получают суспензионной или эмульсионной полимеризацией винилхлорида по радикальному механизму с использованием воды в качестве дисперсионной среды. Свойства пластифицированного поливинилхлорида (пластикат) при содержании 40% пластификатора значительно изменяются:
Плотность, кг/м3 . . . .Прочность, МПаУдлинение при разрыве, % , , , , ,Плотность, кг/м3 . . . .Прочность, МПаУдлинение при разрыве, % , , , , ,Непластифици-роваиныйполивинил-хлорид(винипласт)1380—143045-7010—6QНепластифици-роваиныйполивинил-хлорид(винипласт)1380—143045-7010—6QПластифици-рованныйполивинил-хлорид(пластикат)1240-126010-25100-400Пластифици-рованныйполивинил-хлорид(пластикат)1240-126010-25100-400
Плотность, кг/м3 . . . .
Прочность, МПа
Удлинение при разрыве, % , , , , ,
Плотность, кг/м3 . . . .
Прочность, МПа
Удлинение при разрыве, % , , , , ,
Непластифици-роваиныйполивинил-хлорид(винипласт)
1380—143045-7010—6Q
Непластифици-роваиныйполивинил-хлорид(винипласт)
1380—143045-7010—6Q
Пластифици-рованныйполивинил-хлорид(пластикат)
1240-126010-25100-400
Пластифици-рованныйполивинил-хлорид(пластикат)
1240-126010-25100-400
Перхлорвинил представляет собой продукт хлорирования поли* винилхлорида, растворенного в органическом растворителе (например, хлорбензоле или тетрахлорэтане) при 80—100 °C. Содержание хлора в хлорированном поливинилхлориде достигает 65%.
Перхлорвинил обладает высокой стойкостью к кислотам и щелочам, но малостоек к теплу и свету. При 60°C полимер начинает размягчаться, и прочность его понижается. Полимер хорошо растворим в ацетоне, диметилформамиде и других органических растворителях и используется главным образом для получения волокна хлорин и эмалей.
Поливинилиденхлорид (—СН2—СС12—)« является карбоцеп- ным линейным кристаллизующимся полимером. Плотность полимера 1875 кг/м3, температура размягчения полимера 185—200°C; температура разложения 210—225 °C. Полимер получают методом радикальной полимеризации винилиденхлорида в эмульсии. Молекулярная масса полимера колеблется от 10000 до 100000 (в зависимости от условий проведения реакции). Высокомолекулярный поливинилиденхлорид трудно растворим в органических растворителях и при охлаждении выпадает в осадок.
Переработка поливинилиденхлорида в изделия затрудняется вследствие недостаточной термической стойкости полимера, а также из-за ограниченного количества пластификаторов (с по- ливинилиденхлоридом совмещаются очень немногие высококипя- щие жидкости). Поэтому полимер применяют не в чистом виде, а в виде сополимера винилхлорида с винилиденхлоридом.
Свойства сополимера зависят от соотношения мономеров в сополимере. При увеличении содержания винилиденхлорида выше 60% сополимер начинает кристаллизоваться, и температура его размягчения резко возрастает (до 200°C).
Политетрафторэтилен (—CF2—CF2—)n— твердый полимер молочно-белого цвета с молекулярной массой 500000—2000000; при нагревании выше 415 °C разлагается.
Политетрафторэтилен получают эмульсионной полимеризацией тетрафторэтилена в присутствии пероксидных соединений.
Политетрафторэтилен способен кристаллизоваться, причем с увеличением молекулярной массы степень кристалличности уменьшается. Кристаллическая структура полимера нарушается при температуре 327°C; полимер становится прозрачным и переходит в высокоэластическое состояние.
Политетрафторэтилен обладает высокой стойкостью к кислотам, щелочам, окислителям, органическим растворителям; водо- поглощение его равно нулю.
1-6.3. Полиамиды
Поликапроамид является представителем большой группы по* лИМеров, называемых полиамидами. Его получают поликонденсацией е-аминокапроновой кислоты или полимеризацией е-капро*
лактама:.
л [H2N(CH2)5COOH] ^=> [-HN(CH2)5CO—]„ + («-1)Н20 е-аминокапроновая
кислота
СН2—СНг—СН2'
п/NH —> I—HN(CH2)6CO—]„
СН2—СН2—СО■
е-капролактам
Поликапроамид представляет собой твердый белый полупрозрачный продукт с молекулярной массой 15000—25000. При повышенной температуре в присутствии кислорода поликапроамид подвергается деструкции.■
Поликапроамид широко применяется для изготовления химического волокна, пленок и различных деталей методом литья под давлением.
Полигексаметиленадипамид. Из двух полиамидов, получивших широкое применение, можно назвать полигексаметиленадипамид [—HN(CH2)6NHCO(CH2)4CO—]„, получивший в СССР название анид, а за рубежом — найлон. Этот полимер получают из соли АГ:
•nH2N(CH2)6NH2 • НООС(СН2)4СООН
4=^ [—HN(CH2)6—NHCO—(СН2)4—СО—]„ + (п - 1) Н2О
Анид применяется главным образом для производства химического волокна.
Полиэнантоамид, получивший название в СССР энант, получают поликонденсацией со-аминоэнантовой кислоты:
п [H2N(CH2)6COOH] ;—* [—HN(CH2)6CO—]„ + («- 1)Н2О1
Плотность энанта ИЗО кг/м3, температура размягчения 223°С.1
В названия полиамидов часто входят цифры, показывающие’ число углеродных атомов, содержащихся в амине и кислоте. Так, капрон [—HN(CH2)5CO—]«, имеющий шесть углеродных атомов, называют полиамидом 6; анид [—HN(CH2)6 — NHOC—(СН2)4— —СО—]п, имеющий шесть углеродных атомов в диамине и шесть углеродных атомов в дикарбоновой кислоте, называют полиами-1 дом 6,6; ундекан [—HN (СН2) юСО—1» — полиамидом 1,1 и т. д. ■
Простые и сложные полиэфирыЖ
Группа сложных полиэфиров объединяет большое количестве высокомолекулярных соединений, получаемых поликонденсациеИ гликолей с дикарбоновыми кислотами. Однако далеко не все поЯ лученные этим способом полимеры широко используются. ■
Сложные полиэфиры, получаемые поликонденсацией гликоле™ с ароматическими дикарбоновыми кислотами (главным образо^И терефталевой кислотой), обладают высокими физико-механичеИ скими показателями и широко используются для получения xhmi^B ческого волокна и пленки,■
Большое распространение получили глифталевые полимеры, получаемые поликонденсацией фталевого ангидрида с глицерином. Глифталевые полимеры применяются для производства лаков различного назначения и как электроизоляционный материал.
Полиэтилентерефталат. Наибольшее распространение получил полиэтилентерефталат, используемый для получения полиэфирного волокна лавсан .
- Полиэтилентерефталат представляет собой твердое белое непрозрачное вещество, способное плавиться при нагревании. При быстром охлаждении расплава полимера образуется твердый прозрачный продукт, кристаллизующийся при температуре выше 80°С. Полимер стоек во многих органических растворителях (ацетоне, этилацетате, ксилоле, диоксане, ледяной уксусной кислоте и т. д.), но растворяется в фенолах (и их хлорзамещенных) и трифторуксусной кислоте. В щелочах и концентрированных растворах аммиака полимер разрушается.
Полиформальдегид (полиоксиметилен) (—ОСН2—)„ является простым гетероцепным полиэфиром, получаемым полимеризацией формальдегида. Полимеризация может быть проведена в водной среде, но в этом случае образуется полимер с низкой молекулярной массой (степень полимеризации 100—200), обладающий невысокой прочностью и малой теплостойкостью. Для получения высокомолекулярного полиоксиметилена со степенью полимеризации более 1000 полимеризацию проводят в безводной среде (в бутане, бензоле, метилциклогексане и т. д.) с использованием в качестве катализаторов третичных аминов, арсинов, фосфинов и др.
Высокомолекулярный полиоксиметилен представляет собой белый непрозрачный продукт, нерастворимый при комнатной температуре в обычных растворителях. Полимер хорошо кристаллизуется (как правило, содержит 75% кристаллической фракции), обладает высокой устойчивостью к истиранию, но нестоек к сильным щелочам и кислотам.
Природные полимеры -
Целлюлоза является природным линейным гетероцепным полимером, относящимся к классу углеводов. Целлюлоза — полисахарид, построенный из ангидридов d-глюкопиранозы,. связанных Р-глюкозидной связью: '
н он СН2ОН н он
* В Англии это волокно называется терилен, в США — дакрои.
Содержание целлюлозы в растительных волокнах колеблется от 30—60% (в кукурузе, подсолнечнике, камыше, высушенно! древесине) до 97—98% (в хлопке). Целлюлоза растворяется в очень немногих растворителях и обладает высокими физико-ме ханическими показателями. Она является основным сырьем в про
изводстве вискозных волокон.
Большое промышленное применение имеют также производ- ные целлюлозы — ацетаты (триацетат и диацетат целлюлозы) р нитраты целлюлозы. Ацетаты целлюлозы являются сырьем для| производства ацетатных волокон; ее также используют для изго] товления различных изделий методом формования. Нитраты цел] люлозы с высокой степенью этерификации используют для пригоч товления пороха, а нитраты с меньшей степенью этерификациц (коллоксилин)—для производства пленки, лаков и пластически^ масс.i
Кремнийорганические полимеры являются высокомолекуляр^' ными элементоорганическими веществами, содержащими атомы кремния. Эти соединения могут иметь различное строение: цепи! макромолекул могут состоять из кремния и кислорода!
R RR R
IIII
—Si—О—Si—, кремния и азота —Si—NH—Si—, кремния, кисло-
R RR R
RRR
III
рода и азота —Si—NH—Si—О—Si— и т. д. В состав основной
цепи могут входить и другие элементы, например А1 и TL Кремнийорганические полимеры с макромолекулами линейной структуры (ароматические и алифатические углеводороды, галогенпроизвод- ные углеводороды, кетоны, эфиры) хорошо растворимы в различных органических растворителях. Плотность кремнийорганических полимеров колеблется в пределах 1100—1300 кг/м3. Полиоргано- силоксаны с углеводородными группами стойки к действию кислот, щелочей, и только концентрированная серная кислота и концентрированные щелочи вызывают расщепление связей|
—Si—О—Si—I
1 1 J
По эластическим свойствам полиорганосилоксаны не уступаю! органическим полимерам и превосходят их по теплостойкости 1 ряду других свойств.
Белки — важнейшая составная часть всех живых организмов;
представляют собой природные полимерные соединения, являющиеся поликонденсатами «-аминокислот, соединенных друг с другом пептидными связями (—CONH—). В молекулу белка могут входить тысячи остатков «-аминокислот; химические свойства
белков определяются природой амидной связи и функциональными группами, входящими в состав радикалов аминокислот (_COOH,-OH,-NH2,-S-S-).
Каучук—высокоэластичный материал растительного проис« хождения, применяемый для изготовления резины. Основной структурной группировкой макромолекулы каучука является изопреновая группа —СН2—С=СН—. Макромолекулу натурального
СН3
каучука образуют более 1000 таких групп. Молекулярная масса натурального каучука колеблется в пределах 150 000—500 000. В настоящее время широко применяются синтетические каучуки, мономерами для синтеза которых являются бутадиен, стирол, изопрен, изобутилен, акрилонитрил и др. Вырабатывают малостойкие, термостойкие, бензостойкие и другие синтетические каучуки
1.7. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ
к ВОЛОКНООБРАЗУЮЩИМ ПОЛИМЕРАМ
Природные и синтетические полимеры для производства химических волокон должны отвечать ряду определенных требований. Из них основными являются следующие.
Полимер должен иметь сравнительно высокую молекулярную массу, которая равна произведению молекулярной массы звена на степень полимеризации. Для полиамидов исходной степенью полимеризации является 100—200, для целлюлозы — 800—1000, для полипропилена — 7000—10 000.
Форма макромолекул должна быть асимметричной, с минимальным числом разветвлений и не должна иметь поперечных химических связей между макромолекулами. При наличии разветвлений прочность связей между макромолекулами ослабевает, и получить прочные волокна из таких полимеров не удается. Кроме того, поперечные химические связи между макромолекулами препятствуют переводу таких полимеров в раствор или расплав, что является необходимым условием для получения волокон.
Полимер должен плавиться без разложения или же растворяться в доступных растворителях, удовлетворяющих ряду технических и экономических требований. Полученные растворы должны быть высококонцентрированными.
Сырье для получения полимеров должно быть легкодоступным, т. е. должна быть возможность организации промышленного производства полимера и необходимых вспомогательных матепиа- лов. 1
Глава 2 развитие производства химических волокон втог^°Л°Кна «пользуются главным образом для изготовления одежды; кроме значительное количество их расходуется на изготовление всевозможных нических тканей и изделий, высокопрочной кордной ткани, фильтровальных
тканей, рыболовных снастей, веревок, канатов и т. д. Натуральных волокон недо- статочно для удовлетворения все возрастающих потребностей населения в тек- стильных товарах, а для технических изделий натуральные волокна во многих случаях непригодны, так как не обладают необходимым комплексом особых свойств (высокими термостойкостью, прочностью, хемостойкостью, биостойкостью и т. д.). Кроме того, производство натуральных волокон является очень трудоемким и дорогостоящим. Поэтому возникла необходимость в разработке промыщ. ленных способов получения волокон искусственным путем.
Первые образцы искусственного шелка получили во Франции в 90-х годах прошлого века. Это были волокна из нитрата целлюлозы, подвергнутые денитрации,— так называемый нитрошелк*. Вскоре на небольшой фабрике в ограниченных масштабах стали вырабатывать нить, предназначенную для текстильной переработки, и тем самым впервые была доказана возможность получения искусственных волокон промышленным способом. В 1899 г. было освоено производство нового вида искусственного волокна — медноаммиачного, получаемогс из растворов комплексного соединения целлюлозы и куприаммингидрата.
Производство медноаммиачного волокна на первых порах получило значительное развитие благодаря тому, что после разработки водного метода формования в воронках с вытяжкой стали получать особо тонковолокнистую нить ( приятным грифом. Однако в дальнейшем этот вид волокна не приобрел широкой распространения. Причиной этого явилась необходимость применения при егс производстве дефицитной меди, которая полностью не регенерируется. Кром< того, в результате усовершенствования технологического процесса вискозного производства стало возможным получать такие же тонкие нити, как и медно- аммиачные. Таким образом, основное преимущество медноаммиачной текстильной нити (тонковолокнистость) были утрачено. Удельный вес медноаммиачного во локна в общем производстве химических волокон в последние годы не превы шает 1%. В мировой статистике выработка этого вида волокна учитывается вме сте с вискозным. В последние годы вновь начинает повышаться интерес к этом] виду волокон из-за относительно малой вредности их получения. Придание новы; свойств этому волокну позволит повысить его конкурентоспособность по сравие нию с вискозными волокнами.
Начало промышленного выпуска вискозного волокна относится к 1905- 1906 гг., когда были найдены подходящие составы осадительной ванны для фор мования волокна из вискозы (вязкого раствора ксантогената целлюлозы). Даль нейшие усовершенствования вискозного метода (1912 г. и позже) привели i значительному улучшению качества получаемой нити и вслед за этим — к по степенному вытеснению других способов производства искусственного волокне Этому немало способствовали доступность и дешевизна сырья (целлюлозы, ед кого натра, сероуглерода, серной кислоты и др.), применяемого для произвол ства вискозного волокна. Уже к началу первой мировой войны удельный ве этого вида волокна в общем производстве искусственных волокон достиг 60% Производство вискозного волокна начало особенно быстро развиваться в 20-х го дах. В большой степени этому способствовало интенсивное развитие произвол ства вискозного штапельного волокна, обусловленное коренным изменением тех нологического процесса, модернизацией старого и созданием более совершенног оборудования, благодаря чему повысилось качество волокна и значительно умень шилась его себестоимость. Вплоть до второй мировой войны удельный вес этог< волокна держался на уровне 80—90%. В последнее время при неуклонном рост абсолютного объема производства его удельный вес из-за появления новых ви дов волокон (синтетических) снижался и в 1979 г. составил 16,5%.
По окончании первой мировой войны в целях использования производстве^ ных мощностей заводов, выпускающих ацетаты целлюлозы, началась выработк ацетатного волокна, которое благодаря некоторым качествам (приятный блес! меньшая потеря прочности в мокром состоянии) в значительных количествах вы рабатывается и в настоящее время.
* Производство нитратцеллюлозного волокна по ряду причин (в частиост например, из-за низкого качества и высокой стоимости) в настоящее время п всеместно прекращено,
jo
Таблица 1. Мировое производство химических волокон в 1979 г.
тыс. т%тыс. т%Мировое производствоМировое производствоХимические (всего)43994,1100Искусственные в том числе3380,124,2вискозные2938,121,1ацетатные342,03,1Синтетические *■ ■в том числе10614,075,8полиамидные328423,5полиэфирные513436,7полиакрилонитрильные206514,7прочие1310,9Химические (всего)43994,1100Искусственные в том числе3380,124,2вискозные2938,121,1ацетатные342,03,1Синтетические *■ ■в том числе10614,075,8полиамидные328423,5полиэфирные513436,7полиакрилонитрильные206514,7прочие1310,9ВолокнаВолокна* Без полиолефиновых волокон.* Без полиолефиновых волокон.
тыс. т%
тыс. т%
Мировое производство
Мировое производство
Химические (всего)
43994,1
100
Искусственные в том числе
3380,1
24,2
вискозные
2938,1
21,1
ацетатные
342,0
3,1
Синтетические *■ ■
в том числе
10614,0
75,8
полиамидные
3284
23,5
полиэфирные
5134
36,7
полиакрилонитрильные
2065
14,7
прочие
131
0,9
Химические (всего)
43994,1
100
Искусственные в том числе
3380,1
24,2
вискозные
2938,1
21,1
ацетатные
342,0
3,1
Синтетические *■ ■
в том числе
10614,0
75,8
полиамидные
3284
23,5
полиэфирные
5134
36,7
полиакрилонитрильные
2065
14,7
прочие
131
0,9
Волокна
Волокна
* Без полиолефиновых волокон.
* Без полиолефиновых волокон.
До сих пор речь шла о волокнах, получаемых из природных высокомолекулярных веществ. Но уже к концу 30-х годов началось производство волокон, вырабатываемых из синтетических полимеров. Эти волокна в отличие от искусственных были названы синтетическими. Особенно бурно промышленность синтетических волокон начинает развиваться в послевоенный период. К концу 1979 г. нх удельный вес в мировом производстве химических волокон уже достиг 75,8% (табл. 1) и продолжает увеличиваться.
Производство химических волокон ввиду их высокой рентабельности и огромной сырьевой базы растет очень интенсивно. Быстрому росту производства химических волокон в большой степени способствовали их высокие (по сравнению с натуральными волокнами) характеристики. Синтетические волокна обладают значительно большей прочностью, хорошей эластичностью и рядом других ценных свойств, которые позволили расширить области их применения для производства товаров народного потребления и в технике.
В настоящее время все технические тканн изготавливаются из химических волокон, что дает большой экономический эффект. Достаточно сказать, что ходимость автомобильных шин при замене хлопчатобумажного каркаса химическими волокнами повысилась более чем вдвое. Срок службы рыболовных сетей, изготовленных из синтетических волокон, повысился в 2 раза, так как эти волокна не подвержены гниению. Подсчитано, что 1 т химических волокон при использовании их для прозводства технических изделий заменяет от 2,5 до 7 т натураль* ных волокон, в первую очередь хлопка.
В СССР история развития производства химических волокон начинается в оды первой пятилетки. До революции существовала небольшая полукустарная фаорика «Вискоза» в г. Мытищи под Москвой, которая выпускала всего лишь ИскуКГ ВоЛокНа в сутки. К 1941 г. уже была создана крупная промышленность вер пяТВеННЫХ вол°к°н. В послевоенный период были не только восстановлены ныу ггРушенные войной заводы, но началось строительство многих новых мощ- пооич РеДПрИЯТпЙ химических волокон. Уже в 1948 г. был превзойден уровень vL,,B0/ICTBa 1941 г-’ и с каждым годом выпуск химических волокон продолжал
i иваться. В 1979 г. выработано более 1 140 000 т волокон и нитей.
ЧИТР аряДу с увеличением общего объема производства предусматривается зна- Кон RH°e изменение соотношения между отдельными видами химических воло- ный* ° РезУльтате увеличения выработки синтетических волокон понизился удель- и вес искусственных.
локон ^бп°Лее быстРыми темпами развивается производство синтетических во- рильны п.Олиамидных (капрон, анид), полиэфирных (лавсан) и полиакрилонит-
1Х (нитрон), что объясняется их ценными свойствами (высокая прочность
и эластичность, устойчивость к многократным деформациям и т. п.). Полиамид ные и полиэфирные волокна выпускаются в виде текстильной и высокопрочно кордных нитей, волокна н мононнтей различной линейной плотности. Нитрон, об ладающнй шерстеподобнымн свойствами, выпускается главным образом в вид< волокна.
Особенно большое значение имеют синтетические волокна для производств; некоторых видов технических изделии, где они в ряде случаев являются незаме нимымн (например, корд для авиационных и тяжелых грузовых пневматически шин, электроизоляционные материалы, фильтровальные ткани для химнческо: промышленности, рыболовные сети н снасти и др.).
Развитие промышленности химических волокон находится в прямой завися мости от наличия и доступности основных видов сырья. Древесина, нефть, уголь природный газ и газы нефтепереработки, являющиеся исходным сырьем для по лучения химических волокон, имеются в нашей стране в достаточных количествам Химические волокна уже давно перестали быть только заменителями шелк;
- и других естественных волокон (хлопка, шерсти). В данное время Юнн образую! совершенно новый класс волокон, имеющий самостоятельное значение. Из химиЗ ческих волокон могут быть изготовлены красивые, прочные и общедоступные! товары народного потребления, а также высококачественные технические издеЛ лня, не уступающие по качеству изделиям из натуральных волокон, а во многий случаях превосходящие нх по ряду важнейших показателей.Л
В текстильной н трикотажной промышленности химические волокна прнмЯ няются как в чистом виде, так и в смеси с другими волокнами. Из них вырабя тывают одежные, плательные, подкладочные, бельевые, декоративные и обнвоя ные ткани; искусственные меха, ковры, чулки, белье, платья, верхнюю одежду! трикотажные и другие изделия.I
В результате осуществления намеченного партией и правительством план» ускоренного развития химической промышленности, и в частности производств® искусственных н синтетических волокон, в стране появилось много добротны» изделий, н тем самым созданы все необходимые условия для полного удовлетво! рення потребностей населения в товарах народного потребления.I
Решением XXV съезда КПСС и законом о десятом пятилетием плане пред^ усмотрено дальнейшее увеличение выработки химических волокон, н в первуй очередь наиболее ценных — синтетических волокон. Для быстрого наращнвани^ темпов производства создаются новые мощные предприятия, оснащенные высоко-j производительным оборудованием н работающие по новейшей технологии.
Глава 3
КЛАССИФИКАЦИЯ И СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ волокон
КЛАССИФИКАЦИЯ ВОЛОКОН
Все многообразие волокнистого сырья, используемое в различу ных отраслях народного хозяйства для производства тканей быто} вого и технического назначения, трикотажа, ремней, сетей, дл| производства армированных пластиков подразделяется на двб большие группы — нити и волокна (по ГОСТу 13784—70).
Нитью называется гибкое и прочное тело с малыми поперечными размерами, значительной длины, используемое для изготовления текстильных изделий.
Волокном называется протяженное тело, гибкое и прочно^ с малыми поперечными размерами, ограниченной длины, пригоД* 32 |
ное ДЛЯ изготовления пряжи, текстильных и технических изделий.
Волокна в зависимости от их происхождения подразделяются на натуральные и химические.
Натуральные волокна*, образующиеся в природе без непосредственного участия человека, в зависимости от их состава могут быть подразделены на органические (хлопок, шелк и т. д.) и неорганические (асбест). В свою очередь натуральные органические волокна и нити подразделяются на волокна и нити растительного и животного происхождения.
В подгруппе растительного происхождения наиболее распространен хлопок (волокна, покрывающие семена хлопчатника) и лубяные волокна (лен, пенька, джут и др.).
Благодаря своим пенным эксплуатационным свойствам хлопок широко используется для выработки самых разнообразных тканей— от тончайших бельевых и плательных тканей до грубых технических тканей. Лен применяется в текстильной промышленности для получения такого же широкого ассортимента тканей (простынное полотно и грубые брезенты). Джут и другие лубяные волокна (пенька, рами) используются в основном для производства тары и канатных изделий.
Волокна и нити животного происхождения — шерсть, шелк — используются в основном для изготовления плательных и бельевых тканей, а шерсть еще и для верхней одежды и трикотажа.
Изделия из шерсти и шелка отличаются красивым внешним видом, хорошей носкостью и другими ценными свойствами. Однако высокая стоимость, большие трудовые затраты при производстве волокон этих видов и ограниченность сырьевых ресурсов препятствуют их широкому применению в народном хозяйстве. Кроме того, натуральные волокна уже не в состоянии удовлетворить все возрастающий спрос населения на предметы одежды и быта, а также потребность техники в новых материалах со специфическими свойствами.
Химические волокна получают в основном из природных и синтетических полимеров. В зависимости от природы исходного материала все виды химических волокон подразделяются на два класса: искусственные и синтетические.
Искусственные волокна вырабатывают из природных высокомолекулярных соединений — целлюлозы и белков. Искусственные волокна подр азделяются на три группы: гидратцеллюлозные, ацетатные и белковые.
Гидратцеллюлозные волокна. К этой группе относятся волокна из регенерированной целлюлозы. В зависимости от метода производства они подразделяются на вискозные и медно- аммиачные.
м * Здесь и далее в случаях, когда йе имеется в виду Конкретный вид про- епиШленн°й продукции (нить, волокно, жгут, мононить) будет применяться объ- Дйняющнй термин «волокно^ -
2 Зак. 559
При обработке целлюлозыПри обработке целлюлозыедким натром и затем сероуглел >- воде и слабой щелочи соединен ,едким натром и затем сероуглел >- воде и слабой щелочи соединен ,
При обработке целлюлозы
При обработке целлюлозы
едким натром и затем сероуглел >- воде и слабой щелочи соединен ,
едким натром и затем сероуглел >- воде и слабой щелочи соединен ,
дом получается растворимое в называемое ксантогенатом целлюлозы. Вязкий раствор этого
единения в едком натре называется вискозой,а получаемые из ш е волокна — вискозными.
Целлюлозу можно растворять также в медноаммиачном • створе. Искусственное волокно, полученное этим методом, наз н вается медноаммиачным.
Ацетатные волокна. Если целлюлозу обработать смеспо уксусной кислоты и уксусного ангидрида, то получается ацетат целлюлозы (ацетилцеллюлоза)—растворимый в некоторых органических растворителях, например ацетоне. Волокна, получае мые из ацетилцеллюлозы, называются ацетатными. В отличие О' вискозного и медноаммиачного волокон ацетатные волокна состо ят из уксуснокислого эфира целлюлозы.
Белковые волокна. Производство этих волокон, выраба^ тываемых из казеина и зеина, из-за низкого качества и малой, сырьевой базы не получило широкого развития.■
Из всех искусственных волокон и нитей наибольшее распр^ странение получили вискозные, за ними идет группа ацетатнУН
Синтетические волокна производят из полимеров, получаемы* промышленности путем синтеза из различных химических * ществ. В зависимости от строения молекул синтетические волою
на разделяются на две большие группы: гетероцепные и карбо- цепные.
К гетероцепным относятся волокна, полученные из синтетических органических полимеров, основные цепи макромолекул которых построены из атомов углерода, кислорода, азота и других элементов. К этой наиболее многочисленной группе относятся: полиамидные, полиэфирные и полиуретановые волокна.
Наиболее распространенными представителями полиамидных волокон и нитей являются капрон (найлон 6) и анид (найлон 6,6), полиэфирных — лавсан (терилен), вырабатываемые промышленностью в значительных количествах.
Эти волокна в чистом виде и в смеси с другими в настоящее время широко применяются для изготовления одежды и белья, а также при производстве изделий, используемых в различных областях техники. Например, высокопрочные нити или ткани из капрона и найлона применяются для изготовления каркаса автомобильных и авиационных резиновых шин. Такие шины обладают повышенной ходимостью и надежностью.
К карбоцепным относятся волокна, вырабатываемые из синтетических органических веществ, основные цепи молекул ко- торых построены только из атомов углерода. Наиболее перспективными волокнами и нитями этой группы являются полиакрило- нитрильные и полипропиленовые.
Сырьем для получения исходных материалов для производства синтетических волокон и нитей служат продукты переработки каменного угля и нефти: этилен, ацетилен, бензол, фенол и т. п.
Для удобства изучения приведена классификация волокон и нитей (см. схему на с. 34), в основу которой положено деление их по происхождению, способам производства и химическому составу. В качестве представителей отдельных групп приводятся толь- , ко наиболее распространенные волокна, вырабатываемые в про- ; мышленных масштабах.1
Приведенная классификация для синтетических волокон и ни- i тей не является исчерпывающей, так как по мере развития хими- : ческой науки и промышленности основного органического синтеза будут появляться новые волокнообразующие полимеры, а следовательно, и новые волокна.
В зависимости от области использования химические волокна выпускаются в виде комплексных нитей, волокна, технического жгута и мононитей.
Элементарной нитью называется одиночная нить, не делящаяся-в продольном направлении без разрушения.
Комплексная нить состоит из двух и более элементарных нитей, соединенных между собой скручиванием или склеиванием, пригодная для непосредственного использования в текстильных изделиях.
Волокно (старое название — «штапельное волокно») представляет собой короткие отрезки (штапельки) большого числа элементарных нитей.
Технический жгут представляет собой комплекс большого чис-, ла продольно сложенных элементарных нитей, предназначенных для изготовления пряжи.
Мононить — одиночная нить, не делящаяся в продольном направлении без разрушения и пригодная для непосредственного использования в текстильных и технических изделиях.(
Комплексные нити в свою очередь подразделяются на три группы: текстильные, технические и кордные. К текстильным относятся тонкие нити, используемые преимущественно для изготовления изделий народного потребления, к техническим — нити, используемые для изготовления технических изделий. К кордным (от французского слова corde — веревка) относятся толстые крученые нити повышенных прочности и крутки, применяемые для^ армирования резиновых технических изделий (шины, транспортер-; ные ленты и проч.).
СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ химических волокон
Природных полимеров, пригодных для получения химических волокон, очень немного. Это целлюлоза (хлопковая или древесная) и белок (казеин или зеин). Промышленное же значение из. них имеет только целлюлоза.
86j
Весь технологический процесс получения химических волокон вне зависимости от вида применяемого исходного сырья можно разделить на четыре стадии.
у Первая стадия — получение исходного сырья, годного для производства химических волокон.
Для искусственных волокон, получаемых из полимеров естественного происхождения, первая стадия заключается в выделении полимеров в относительно чистом виде из материалов, имеющихся в природе (например, производство целлюлозы из древесины, очистка хлопкового пуха, получение хлопковой целлюлозы и т. п.) • Для синтетических волокон эта стадия заключается в синтезе исходного полимера из мономера.
Вторая стадия — приготовление прядильного раствора или расплава для формования волокна.
Получить волокно непосредственно из твердого полимера практически невозможно. Для придания макромолекулам большой подвижности полимер растворяют, расплавляют или размягчают. Вот почему растворение или плавление полимера является обязательной стадией технологического процесса производства основных видов химических волокон.
Некоторые полимерные материалы не растворяются в доступных растворителях, а при плавлении разлагаются. Такие волокнообразующие материалы нагреванием переводят в пластичное (размягченное) состояние и затем формуют.
Если полимер не плавится и не размягчается без разложения, его переводят в раствор. Для этой цели подбирают приемлемый растворитель. Многие полимеры растворяются в ацетоне, метаноле и других растворителях. Для перевода некоторых полимеров (например, целлюлозы) в раствор предварительно получают соответствующие производные соединения, способные растворяться в общедоступных растворителях. Например, при производстве вискозного волокна прядильный раствор получают путем растворения ксантогената целлюлозы в щелочи.
Третья стадия — формование волокна (ранее называлось прядением)—является наиболее ответственной при производстве химических волокон.
Эта стадия состоит в том, что прядильный раствор или расплав полимера продавливается через фильеру 3 (рис. 3.1) с отверстиями, диаметр которых колеблется в пределах 40—900 мкм в зависимости от способа формования. Тончайшие струйки прядильного раствора коагулируют (отверждаются) в осадительной ванне (способ мокрого формования из раствора), или затвердевают после испарения растворителей (способ сухого формования из раствора), или затвердевают на воздухе, переходя из расплавленного состояния в твердое (способ формования из расплава), и превращаются в отдельные элементарные нити 5. Полученные таким образом
Рис. 3.1. Схема формования волокна:
1—подача прядильного раствора; 2—гайка для крепления фильеры к червяку; 3—фильера;
4—струйки прядильного раствора, выходящие из отверстий фильеры; 5—элементарные нити;
6—Комплексная нить.
В зависимости от области использования к химическим волокнам предъявляются различные требования, которые можно подразделить на две основные группы: требования к волокнам, применяемым в текстильных изделиях, используемых человеком в повседневной жизни, и требования к волокнам, используемым в технических изделиях. Специфичными для первой группы волокон являются следующие требования:
гигроскопичность (влажность), обеспечивающая - комфортность изделий при их носке;
сохранение разрывной нагрузки и разрывного удлинения в мокром состоянии;
устойчивость к истиранию и сминанию;
способность к равномерному и глубокому окрашиванию;
низкая электризуемость;
хороший внешний вид.
К специфичным требованиям, предъявляемым к волокнам" второй группы следует отнести;
высокую разрывную нагрузку в сухом и мокром состоянии;
высокий начальный модуль;
устойчивость к многократным деформациям, а также усталостную прочность волокна;
стойкость к высоким и низким температурам и атмосферным воздействиям.
Для обеих групп является весьма важным требование к равномерности физико-механических показателей по всей длине нити. Это относится к таким показателям волокон как:
линейная плотность (толщина);
относительные разрывная нагрузка и разрывное удлинение в сухом и мокром состоянии;
крутка нити.
Ниже сообщаются некоторые сведения о физико-механических свойствах химических волокон, даются понятия об основных показателях, характеризующих качество волокна и приводится краткое описание методов их определения, применяемых на предприятиях промышленности химических волокон в соответствии с действующими стандартами.
ЛИНЕЙНАЯ ПЛОТНОСТЬ (ТОЛЩИНА) ВОЛОКОН
Химические волокна имеют относительно небольшой диаметр (Ю—30 мкм), форма поперечного сечения нитей в ряде случаев не круглая, поэтому прямое определение поперечных размеров нитей представляет серьезные затруднения. В СССР в последние годы для выражения условной толщины нити принят термин «линейная плотность», которая характеризуется массой нити приходящейся на 1 км длины и выражается в текс (7).
т g • 1000
L
гДе g— масса нити, г; L— длина ннтн, м.
Другими словами, 1 текс обозначает, массу (в г) нити длиной 1000 м. Так, например, если линейная плотность нити равна 3,33 текс, это значит, что масса нити длиной 1 км составляет 3,33 г. Линейную плотность нитей менее 1 текс можно выражать в мил-J литекс (мтекс), а более 1000 текс — в килотекс (ктекс).■
Комплексные нити, состоящие из элементарных нитей лине™ ной плотности 0,44 текс и больше, называют грубоволокнистым« от 0,44 до 0,22 включительно — средневолокнистыми и от 0,22 ■ ниже — тонковолокнистыми.W
В настоящее время промышленностью освоен выпуск тончайших химических волокон (0,11—0,083 текс).
В СССР до 1968 г. линейную плотность нитей характеризовали номером (jV), который представляет собой отношение длины нити (в м) к его массе (в г).
За рубежом для характеристики линейной плотности нитей применяют показатель титр. Титр Td— масса (в г) нити длиной 9000 м или масса (в денье; денье = 0,05 г) нити длиной 450 м.
Для перевода толщины нитей из разных систем в систему текс! можно воспользоваться следующими соотношениями:■
Т= 1000Т= 1000Т <Td. »900079 ' TdТ <Td. »900079 ' Td
Т= 1000
Т= 1000
Т <Td. »9000
79 ' Td
Т <Td. »9000
79 ' Td
Зная общую линейную плотность комплексной нити, можнД легко определить линейную плотность отдельных элементарны^ нитей, из которых она состоит. Для этого достаточно линейную плотность комплексной нити (в текс) разделить на число элементарных нитей.
Пример.Вискозное волокно получают на прядильной машине в виде толстого длинного жгута, состоящего нз большого числа нитей, который в последующем разрезают на небольшие отрезки (штапелькн). Определить линейную плотность волокна (в текс), если известно, что масса отрезка жгута длиной 10 м, состоя* щего из 1500 нитей, равна 50 г.Л
Вначале определяем линейную плотность жгута:■
Гж = - ^^Р — 5000 текс■
затем полученную величину делим на число нитей:■
5000 - 0 33 тексI
715 000 °-33текс|
Определение линейной плотности нити (ГОСТ 6611.1*—73). От каждого из 10 отобранных образцов, прошедших кондиционирование, отматывают со скоростью 200 м/мин на мотовиле пасмй длиной 100 м по две с каждой бобины. Все пасмы взвешивают с погрешностью не менее0,5% от их общеймассы.Затемподсчитывают общую длинувсех'пасм и вычисляютлинейнуюплотность
нити по формуле|
V m■
7=1000--^—■
Ln■
где ^m суммарная масса пасм, г; L — длина нити в пасме, м; л —число пасме
40I
В случае отклонения влажности испытываемого волокна от кондиционной вводится соответствующая поправка.
Относительное отклонение линейной плотности кондиционной нити от номинальной То определяют по формуле
То ==-^ 7Т --И- -100'J н
где Тк — кондиционная линейная плотность нити, найденная прн испытании, текс; уя_номинальная линейная плотность ннтн (обозначена на ярлыке), текс.
Определение линейной плотности нити на коротких отрезках (от нескольких дециметров до 1 м) выполняется на торзионных весах (разновидность микровесов). Неравномерность линейной плотности нити на коротких отрезках находят как среднеарифметическое из нескольких определений (например, из 10).
Определение линейной плотности нити, скрученной из нескольких нитей. Если комплексная нить состоит из нескольких элементарных нитей одинаковой линейной плотности, скрученных вместе, то, пренебрегая явлением укрутки, линейную плотность трощеной нити определяют умножением первоначальной линейной плотности нити Ti на число нитей п;
Тт=Т\п
При скручивании нескольких элементарных нитей различных линейных плотностей (Л, Та, Т3, ..., Тп) линейная плотность полученной нити может быть определена по формуле
Гт = Тх + Та + Тз + •.. + тп
РАЗРЫВНАЯ НАГРУЗКА И РАЗРЫВНОЕ
УДЛИНЕНИЕ ВОЛОКОН
Под разрывной нагрузкой нитей понимается наибольшее усилие, выдерживаемое нитями при растяжении их до разрыва. В единицах СИ разрывная нагрузка выражается в ньютонах (Н) и миллиньютонах (мН).
Относительная разрывная нагрузка нитей — разрывная нагрузка, приходящаяся на единицу плотности в текс; выражается в мН/текс. Для расчета этого показателя можно использовать формулу:
Ро = PIT
где Р — фактическая предельная нагрузка нитей; гс; Т — фактическая линейная плотность нитей, текс.
Ранее относительную разрывную нагрузку характеризовали условной величиной— «разрывной длиной» R, т. е. длиной волокна (в км), при которой оно разрывается под собственной тяжестью, н обозначали ее «ркм» (разрывные километры). Численно 1 ркм равен 10 мН/текс. При переходе на систему текс в условной единице «ркм» отпала необходимость.
Определение относительной разрывной нагрузки и удлинения нити. Эти показатели определяют на разрывных машинах маятникового типа, называемых также динамометрами, с расстояниями между зажимами 0,5 м и средней продолжительностью процесса растяжения нити до разрыва 20 с (согласно ГОСТ 6611—73).
Под относительным разрывным удлинением понимается полное приращение длины нити в момент разрыва (%). Удлинение находят как среднеарифметическое из 20 определений.
Прочность и удлинение волокна определяют на разрывных машинах (динамометрах) для разрыва одиночных нитей. Длина нити между зажимами— 10 мм.
Прочность и удлинение в мокром состоянии определяют, пользуясь изложенными выше методами. Предварительно испытываемые нити или волокно выдерживают в свободном состоянии в дистиллированной воде при 20°С в течение 2 мин.
КРУТКА НИТЕЙ
Качество нитей и текстильных изделий из них в значительной степени зависит от величины крутки и главным образом — от ее равномерности, так как при неравномерной крутке отдельные участки нитей одинаковой линейной плотности имеют разную толщину, вернее, обладают разной кроющей способностью (за ст илистостью). Вследствие этого ткань или трикотаж получаются «зебристыми». От величины крутки зависит и компактность нити, что имеет большое значение при прохождении нити на текстильном оборудовании, особенно на пневматических ткацких станках.
Крутка определяется числом кручений (витков), приходящихся на 1 м нити.
Величину крутки определяют на круткомере при расстоянии между зажимами 0,5 м (ГОСТ 6611.3—73).
Из отобранных для испытания 10 мотков берут по две нити от каждого мотка на расстоянии 20—30 м от начала мотка. Всего проводят 20 испытаний. Комплексную нить раскручивают до полной параллельности элементарных нитей. За величину крутки испытываемого образца принимают показание счетчика круткомера, умноженное на 2.
РОВНОТА И ГЛАДКОСТЬ НИТЕЙ
Ровнота и гладкость нити — основное требование предъявляемое текстильщиками к любому волокну, идущему на переработку в текстильные изделия. Нить, изготовленная из натуральных или химических волокон, должна быть ровной по всей длине, одинаковой толщины, не иметь перехватов, утолщений, узелков и пр- Ввиду большой длины элементарных нитей, из которых состоят комплексные нити, к ним предъявляются особо строгие требования в отношении отсутствия обрывности, так как во время меха-
вических операций (перемотка, ткачество, вязание и пр.) отдельные оборванные элементарные нити, образующие ворс, цепляются за соседние нити или нитепроводящие детали машин и приводят к обрыву всей нити. Особенно чувствительны к наличию ворса на нити ткацкие пневматические станки, где уточная нить «про кидывается воздухом», и трикотажные машины высокого класса, иглы которых быстро забиваются ворсом.
Ровнота нити лучше всего соблюдается, если фактическая линейная плотность приближается к номинальному значению не только на отрезках большой длины, но и на коротких (0,1—0,5 м).
ГИГРОСКОПИЧНОСТЬ И ВЛАЖНОСТЬ химических волокон
Влажность химических волокон имеет большое производственное значение, т. к. основные физико-химические свойства их зависят от содержания влаги. Содержание влаги в нити (волокне) зависит от влажности и температуры окружающего воздуха. При постоянной относительной влажности воздуха между содержанием влаги в нити (волокне) и в воздухе устанавливается равновесие, и влажность нити достигает максимального значения (равновесная влажность). Величина равновесной влажности характеризует гигроскопичность нити (волокна): чем больше равновесная влажность, тем гигроскопичнее нить (волокно). Все химические волокна по гигроскопичности можно подразделить на три группы.
Первая группа — гидрофильные волокна. К ней относятся все искусственные волокна. Среди них наиболее гигроскопичными являются гидратцеллюлозные (вискозные и медноаммиачные) волокна, равновесная влажность которых составляет 12%.
Вторая группа — гидрофильные волокна, равновесная влажность которых находится в пределах 3—4%.
Третья группа — гидрофобные волокна. К ней относится большинство синтетических волокон, особенно карбоцепные, которые либо совсем не гигроскопичны, либо поглощают менее 1% влаги. (Исключение составляют поливинилспиртовые волокна, равновесная влажность которых достигает 3—4%.)
Гигроскопичность химических волокон определяют следующим образом. Ото- оранные образцы для испытания предварительно обрабатывают растворителями Для удаления замасливателя, после чего их высушивают до постоянной массы, а затем выдерживают в течение 7 сут в средах с относительной влажностью воздуха 65 и 95% при температуре 20 ±2 °C. Гигроскопичность химических волокон рассчитывают в процентах от массы сухой нити (волокна).
Влажность химических волокон с изменением влажности и температуры воздуха может меняться в широких пределах. Поэтому вводится понятие «кондиционная влажность», соответствующая влажности нити (волокна) при относительной влажности воздуха
■'о и температуре 20±2°С.
Для того чтобы исключить влияние влажности волокон на их воиства, волокна перед испытанием подвергают кондиционирова- Ию> т. е. выдерживают в указанных условиях в течение 24 ч.
Образцы кондиционированной нити (волокна) помещают в сушильный аппарат с автоматическим регулированием температуры (ГОСТ 6611.4—73). Каждый образец взвешивают (с точностью до 0,05 г) перед помещением в аппарат, через 30 мин после того, как температура достигнет 100°C, а затем через каждые 15 мин; при этом температура должна поддерживаться в пределах 105—110°С. Высушивание считается законченным, когда разность между двумя последовательными взвешиваниями не превышает 100 мг.
Влажность Ц7 (%) определяется как отношение разности-масс до и после высушивания образца к массе абсолютно сухой нити (волокна) (%):
W = 8-8' .100
Si
где 8 — начальная масса пробы, г; gt — масса пробы после высушивания, г.
На предприятиях химических волокон для взаимных расчетов с потребителями определяют фактическую влажность различных волокон. Кроме того, на заводах определяют кондиционную массу партии нити или волокна (gK), т. е. массу в пересчете на продукт с установленным нормальным содержанием влаги. Для этого пользуются формулой
8ф(100 + Гк)
8к= 100+№ф
где g$ — фактическая масса партии нити (волокна) в момент отбора проб для испытания, кг; 1Г„— кондиционная влажность нити (волокна), %; й^ф — влажность пробы, %.
Пример. Фактическая масса партии химической нити (волокна) составляет 2600 кг, установленная норма влажности — 6%, фактическая влажность — 8%. Определяем кондиционную массу партии нити (волокна)
8к =8к =2600 (100 + 6) (100 + 8=2600 (100 + 6) (100 + 8=2600 • 1061082600 • 1061082552 кг2552 кгИз этого примера видно, что в данной партии нити (волокна) содержится 2600 — 2552 = 48 кг лишней (по сравнению с нормой)' влаги.Из этого примера видно, что в данной партии нити (волокна) содержится 2600 — 2552 = 48 кг лишней (по сравнению с нормой)' влаги.
8к =
8к =
2600 (100 + 6) (100 + 8=
2600 (100 + 6) (100 + 8=
2600 • 106
108
2600 • 106
108
2552 кг
2552 кг
Из этого примера видно, что в данной партии нити (волокна) содержится 2600 — 2552 = 48 кг лишней (по сравнению с нормой)' влаги.
Из этого примера видно, что в данной партии нити (волокна) содержится 2600 — 2552 = 48 кг лишней (по сравнению с нормой)' влаги.
РАВНОМЕРНОСТЬ ВОЛОКОН ПО ДЛИНЕ
Для получения высококачественной и прочной пряжи большое значение имеет равномерность длины коротких нитей в штапель- ке. Этот показатель определяют путем измерения 500 нитей и распределения их по длине (ГОСТ 10213—73). Пример такого подсчета приведен ниже:
Длина, мм
Число волокон ♦
Произведение средней длины нитей данной группы на их число
<60
15(3)
45- 15 = 675,0
60-65
35 (7)
62,5-35 = 2187,5
65-70
75(15)
67,5 - 75 = 5062,5
70-75 -
300 (60)
72,5-300 = 21750,0
75-80
70(14)
77,5 ■ 70 = 5425,0
>80
5(1)
85 - 5 = 425,0
Итого . .
. 500(100)
35100
* В скобках—
•содержание нитей
даииой группы (% к общему количеству).
Средняя длина элементарной нити в штапельке составит 35 100 : 500 = 70,2 мм.
На основе данных таблицы можно построить штапельную диаграмму (рис. 4.1). На оси абсцисс откладывают содержание (%) нитей различной длины, на оси ординат — длину нити (мм). Для построения штапельной диаграммы группы нитей по длине и их содержание (%) очерчивают прямоугольниками. Через середины верхних оснований этих прямоугольников проводят плавную кривую — штапельную диаграмму.
УПРУГОСТЬ И ЭЛАСТИЧНОСТЬ волокон
При нагружении нити длиной Lo она растягивается до величины Гь При удалении нагрузки длина нити сразу же уменьшится До величины L^. Измеряя длину нити по истечении некоторого времени после снятия нагрузки (например, спустя 30 мин), т. е. после «отдыха», отмечаем, что длина ее уменьшилась до значения Li.
Разность между длиной нагруженной нити и длиной нити тотчас после снятия нагрузки (Lv—L^ называется упругой деформа- идей (еу), разность (L2— L3)—эластической деформацией (еэ). Эти деформации являются обратимыми. Чем меньше эластическая деформация, тем больше упругость нити и при прочих равных Условиях лучше качество изделий из нее.
Разность между длиной нити после «отдыха» и первоначальной Длиной (Д3_Ло) называется пластической или остаточной деформацией (остаточным удлинением еп), а разность (Li — Lo) соответствует общему удлинению 8.
Пластическая деформация является необратимой. Чем больше пластическая деформация, тем больше будут изменять свою форму (разнашиваться) изделия из волокон при эксплуатации.
Методов прямого определения упругих свойств волокна, кото-1 рые непосредственно характеризовали бы его эксплуатационные показатели, пока нет. Поэтому применяют косвенные методы onj ределения эластических свойств волокна.
Степень эластичности нити при растяжении. Этот показатель определяют на динамометре. Образец растягивают на 4 и на 10%, выдерживают в растянутом состоянии в теч-- ние 1 мин, после чего нагрузка снимается и нити дается «отдых» продолжительностью 1 мин, а затем измеряют остаточное удлинение. За степень эластичности принимают отношение упругого эластического удлинения (еу + 8Э) к общему удлинению (%).
Прочность нити (волокна) в петле. Эластичное! ь волокна можно косвенно характеризовать величиной жесткости (ломкости). Для этого испытуемая нить (волокно) складывают петлей, через которую пропускают другой отрезок нити (волокна), складываемого также петлей. Сдвоенные концы каждой петли заправляют в зажимы динамометра и определяют прочность. Полученный результат делят на 2 и выражают в процентах от исходной прочности волокна. Чем больше потеря прочности в петле, тем меньше эластичность волокна.
УСТОЙЧИВОСТЬ волокон
К МЕХАНИЧЕСКИМ ВОЗДЕЙСТВИЯМ
Устойчивость к многократным деформациям на изгиб. При эксплуатации изделий разрушение волокон происходит под действием многократных деформаций. Поэтому метод испытания-волокон, который позволял бы достаточно точно и однозначно определять устойчивость исследуемого образца к многократно изменяющимся деформациям, имел бы большое практическое значение. К сожалению, до настоящего времени такой метод не разработан.
На практике для характеристики устойчивости волокна к мно гократным деформациям определяют число изгибов (так называе мых двойных изгибов), выдерживаемых им до разрушения. Средг химических волокон наибольшей устойчивостью к действию многократных деформаций обладают полиамидные волокна. По этом] показателю они во много раз (60—80) превосходят вискозные во л окна.
Устойчивость к истиранию. Одним из основных показателей, характеризующих эксплуатационные свойства волокна и носкост! изделий из него, является устойчивость к истиранию. Этот пока, затель определяется на приборе, где неподвижный испытываемы! материал подвергается истиранию корундовым диском. Испыта ние проводится до отделения от комплексной нити одной элемен тарной нити. Следует отметить, что показатели для нитей из од ного и того же вида химического волокна неодинаковы, главный образом, из-за неравномерности крутки на коротких участках. Кро ме того, устойчивость к истиранию некоторых видов химической волокна очень сильно зависит от влажности.
Устойчивость к сминанию. Эта характеристика волокна также непосредственно связана с величиной обратимого удлинения. Сми- наемость — свойство материала в течение длительного времени сохранять измененную форму после удаления нагрузки, вызвавшей местную деформацию. Чем быстрее материал принимает первоначальную форму, гем лучше его упругие свойства. Наибольшей сминаемостью обладают гидратцеллюлозные волокна. '
На сминаемость оказывают влияние в основном свойства полимера, из которого получено волокно, структура ткани и другие факторы, в частности линейная плотность, влажность и т. п.
СТОЙКОСТЬ волокон к высоким и НИЗКИМ ТЕМПЕРАТУРАМ
Важной характеристикой, определяющей в ряде случаев возможность использования волокна для различных изделий, является их стойкость к действию высоких и низких температур.
При воздействии повышенных температур физико-механические свойства волокон изменяются: понижается прочность, волокна усаживаются, размягчаются, плавятся или даже разлагаются. Стойкость волокон к высоким температурам называется тепло- и термостойкостью, а к низким — морозостойкостью.
Теплостойкостью называется способность волокон сохранять свои физико-механические свойства при повышенных температурах. Теплостойкость определяется по изменению физико-механических свойств в условиях заданной температуры.
Термостойкостью называется стойкость волокон к химическому разложению при повышенной температуре. Термостойкость определяется по изменению физико-механических свойств волокон после воздействия (в течение заданного времени) повышенной температуры.
При нагревании снижение прочности у синтетических волокон наблюдается в значительно большей степени, чем у гидратцеллюлозных волокон. Карбоцепные волокна, например, начинают деформироваться уже при 80—90 °C.
Наибольшей термостойкостью из химических волокон, вырабатываемых промышленностью, обладает волокно лавсан, которое после прогрева в течение 1000 ч при 150°С необратимо теряет только 50% своей прочности, в то время как почти все другие волокна в этих условиях полностью разрушаются.
Некоторые химические волокна, главным образом синтетические, имеют недостаточную морозостойкость. Например, волокно хлорин при температурах ниже минус 20°C теряет эластичность и становится хрупким.
410. ВНЕШНИЙ ВИД ВОЛОКОН
Внешний вид волокон (в первую очередь приятный блеск), предназначенных для изготовления технических изделий, роли не играет, так как от него не зависят эксплуатационные характерис-
Таблица 2. Сравнительная характеристика физико-механических свойств основных видов химических и натуральных волокон
Волокна
Плотность, кг/м3
Равновесная влажность (при относительной влажности воздуха 65%), %
Относительная разрывная нагрузка
Относительное удлинение при разрыве, %
Устойчивость к многократным изгибам, число ЦИКЛОВ *
Устойчивость к истиранию **
Температура плавления, °C
мН/текс
МПа
^Вискозные
нить
обычная
прочная
высокопрочная
1520
1520
1520
160—180
340—360
400—450
240—270
520—550
600—680
17-25
11 — 15
12—16
150—400
1650—2170
125—450
240—600
Не плавятся
(при 175—
—200 °C разлагаются)
ВОЛОКНО обычное упрочненное
1520.
1520
12,5—13,4
150—200
220—280
230—300
330—420
20-30
18-20
7000—13500
6000—9600
10071 ***
34160***
>Медноаммиачное
ФОЛОКНО
1520
120—140
180—210
27—33
1350—3000
—
Ацетатные диацетатная нить триацетатная нить
1320
1330
5,7-6,5
3,2—3,5
100—120
100—140
130—160
130-180
23—30
12—22
10—15
7—13
25-30
30—160
210-250
300
Высокомодульное
•(вискозное) волокно
стандартное
^^'Ысокопрочно^^^
350—400
470—490
530-610
710—740
12—16
13—14
—
волокно
стандартное высокопрочное
—
350—450
420—470
53—68
64—71
8—12
6—10
15000
—
—*
Капрон
обычная нить
1140
3,5—3,9
400—500
46-51
20—32
25000—28000
1500-2170
196—216
прочная нить
1140
600—750
69—85,5
15-16
26000—30000
1400-2230
196—216
Дннд
обычная нить
1140
350—400
39-46
23—32
11000—14000
1000—1040
235-255
прочная нить
1140
3,4-3,8
650— 690
74-79
14—16
27700—34000
3600-4100
235—255
Лавсан
1
обычная нить
1380
0,4—0,5
350—450
48—62
15-20
9000—12000
1250—1360
235—255
упрочненная нить
1380
0,4—0,5
500—600
69-83
9—12
7200—14000
450—680
235-255
волокно
1380
300—400
41-55
25—40
21000-30000
—
235—255
Нитрон (волокно)
1160
1,65
230—300 '
27—35
20—26
15000—36000
5120 ,
235
Полипропиленовое
900
0
500—580
45-52
22—25
67000—186000
260-360
155—165
Хлопок
1520
7,5—9,0
220-360
40—60
7-8
—
—
Шерсть
1320
13-15
117—135
15—20
30—40
—
Шелк натуральный
1320
11
250—320
33—42
20—25
—
—
—
* При нагрузке 50 МПа для нити и 100 МПа для волокна.
** При нагрузке 3 кПа.
*** При нагрузке 100 МПа.
тики изделия. При производстве же предметов народного потреб- ления внешний вид волокон имеет немаловажное значение.
Блеск химических волокон зависит от природы полимера, глад, кости поверхности, конфигурации поперечного среза и степени отражения лучей света Уменьшение блеска достигается путем введения в прядильный раствор или расплав небольшого количества вещества, обладающего другим показателем преломления света, чем полимер, из которого получено волокно. Такой процесс называется матированием В качестве матирующего агента применяют тонко измельченный порошок двуокиси титана.
В зависимости от количества двуокиси титана, добавляемой е раствор или расплав полимера, получают волокно с различной ' степенью матовости (матовые и полуматовые).
ПЛОТНОСТЬ ВОЛОКОН
Чем меньше плотность волокна, тем большее количество метров ткани или трикотажа можно получить из одного и того же количества волокна. Наибольшую плотность имеют фторсодержа щие волокна (2200—2300 кг/м3), а наименьшую — полипропиле новые (920 кг/м3).
Плотность волокна можно определять различными методами.
В заключение приводим сравнительные данные (табл. 2), ха рактеризующие физико-механические свойства основных видов хи мических и натуральных волокон.
\
ЧАСТЬ ВТОРАЯ
Искусственные волокна
Глава 5
ОСНОВНЫЕ ВИДЫ СЫРЬЯ
вискозного ПРОИЗВОДСТВА
Одним из основных видов искусственных волокон являются вискозные волокна. В настоящее время на долю "вискозных волокон приходится до 23% всех выпускаемых в мире химических волокон.
В последние годы (1974—78 гг.) произошел резкий спад выпуска вискозных волокон, особенно в капиталистических странах, и это связано в первую очередь с возросшими требованиями к обезвреживанию вискозного производства. Ужесточились государственные законы по охране воздушного и водного бассейнов, что привело к необходимости дополнительных капитальных вложений в газо- и водоочистные сооружения, а следовательно — к снижению прибылей от производства вискозных волокон.
В СССР требования к обезвреживанию вискозного производства также возросли: в десять раз снижена норма предельно допустимой концентрации сероуглерода в рабочих помещениях вискозных предприятий (новая норма — 1 мг/м3), запрещено увеличение мощностей предприятий без снижения газовых выбросов в атмосферу и химических выбросов в водоемы и др.
В условиях социалистического производства не ставится вопрос о закрытии вискозных производств и лишения, тем самым, советских людей наиболее комфортной продукции, для которой сырьем являются гидратцеллюлозные волокна и нити, — но проблема обезвреживания производства выдвигается на первое место среди прочих при совершенствовании действующего производства и создания новых технологических процессов и оборудования для выпуска вискозных волокон.
В этой связи повышаются требования к качеству исходного сырья для производства вискозных волокон, т. к. это является залогом стабильного ведения технологического процесса, снижения обрывности нити на технологических переходах и, следова- тельно, уменьшения выделения вредных веществ как в рабочее пространство производственных помещений, так и в сбрасываемые водоемы технологические стоки.
Промышленностью искусственных волокон выпускается вискоз- 06 волокно, текстильные и кордные нити, вискозный жгут,
Таблица 3. Удельный расход основных видов сырья в вискозном производстве (в кг на 1 кг продукции)
Сырье
Виды продукции
текстильная нить
кордная нить
ВОЛОКНО
целлофан -
Целлюлоза (95%-иая, влажность 12%)
1,12
1,105
1,07
0,975
Едкий натр (в пересчете на 100%-ный)
Сероуглерод, ректификат
0,73
0,795
0,741
0,595
без рекуперации
0,29
0,375
•—
0,247
с рекуперацией
0,16
0,2
0,145
0,140
Серная кислота (в пересчете на 100%-ную) при полной регенерации осадительной ванны
1,11
1,031
1,053
0,862
целлюлозная пленка (целлофан). Вискозные производства потреб^ ляют значительные количества сырья, вспомогательных материалов, тепловой и электрической энергии.
К основным видам сырья относятся целлюлоза, едкий натр, сероуглерод и серная кислота. Примерные данные об удельном расходе основных видов сырья при получении продукции на современном передовом предприятии, оборудованном регенерационными установками и очистными сооружениями приведеныА в табл. 3.■
ЦЕЛЛЮЛОЗА■
Целлюлоза является основным видом сырья в производстве’ искусственных волокон. Она представляет собой природное высокомолекулярное органическое соединение, относящееся к классу углеводов. Молекула целлюлозы состоит из очень большого числа элементарных звеньев СеНюОв. Для целлюлоз, используемых в производстве искусственных волокон, средняя степень полимеризации должна составлять 700—1000.
В производстве вискозных волокон применяется в основном сульфитная и сульфатная древесная целлюлоза; принципиально может быть использована также целлюлоза из соломы и камыша.
Сульфитную или сульфатную целлюлозу получают путем выделения ее из древесины. Для этого содержащиеся в древесине лигнин, смолы и другие примеси переводят в раствор и удаляют из обрабатываемой массы.
Для получения высококачественной вискозной целлюлозы используют древесные стволы, тщательно очищенные от коры И/ сучьев, отсортированные и нарезанные на двухметровые поленья5 (так называемый баланс). На качество готовой целлюлозы оказывает влияние возраст дерева, место его произрастания, плотность древесины, наличие в ней пороков (сучков, гнилин и т. п.)4 влажность и другие факторы.■
Сульфитный метод получения целлюлозы заключается в обработке древесной массы раствором бисульфита кальция, содержащим свободный SO2, при высокой температуре и под давлением. Исходным сырьем служит древесина ели или пихты. Подготовленные стволы подвергаются соответствующей обработке (на корообдирочных машинах) и измельчаются в щепу определенного размера (например, длиной 20—30 мм при толщине 2—3 мм) на рубильных машинах. Отсортированная щепа поступает на варку: загружается в обогреваемый котел, куда подается варочная жидкость.
Процесс варки целлюлозы включает две стадии. На первой стадии древесина пропитывается варочной жидкостью при 105—■ Ц5°С в течение 2—4 ч (так называемая заварка-), а затем при постепенном повышении температуры до 130—145 °C происходит процесс варки, который длится 6—12 ч. По окончании варки.масса поступает в железобетонные резервуары с ложным дном, где цел- * люлоза отделяется от варочной жидкости и промывается. При последующих промывках целлюлозная масса очищается от непро- варенных частиц и поступает на отбелку. При этом окисляются и удаляются красящие пигменты, целлюлоза дополнительно очищается от лигнина, а при соответствующих условиях уменьшается степень ее полимеризации. По окончании отбелки масса промывается и обезвоживается, высушивается до содержания влаги 5—9% и разрезается на листы размером 600X800 мм. Масса 1 м2 целлюлозы составляет 600—700 г.
Для повышения содержания основного полезного вещества — а-целлюлозы — полученный продукт перед отбелкой и сушкой подвергают холодному или горячему облагораживанию. Процесс холодного облагораживаия заключается в обработке целлюлозной массы 6—8%-ным раствором едкого натра при 15—20°C для удаления растворимых примесей. В результате содержание а-целлюлозы возрастает с 88—89 до 92—94% и выше. При горячем облагораживании применяется 0,5—1%-ный раствор едкого натра при температуре 80—95 °C.
Сульфатный метод получения целлюлозы отличается от сульфитного тем, что древесная щепа обрабатывается раствором, содержащим едкий натр и сульфид натрия.
Перед варкой целлюлоза подвергается предгидролизу — обработке раствором 0,3—0,5%-ной H2SO4 при 100— 120°С в течение 2—5 ч.
При сульфитном методе варки целлюлоза в основном освобождается только от лигнина, а значительные количества пентозанов остаются. Поэтому при получении целлюлозы с малым содержанием примесей из древесины лиственных пород, содержащей больше пентозанов, чем хвойные, пользуются сульфатным методом варки. Целлюлозу из соломы получают также сульфатным методом.
, В промышленности искусственных волокон применяется в ос- овном целлюлоза трех типов: целлюлоза сульфитная вискозная
(ГОСТ 5982—75)—для производства текстильной нити (марк для производства волокна хлопчатобумажного типа и целлоА^ (марка 2) и для производства волокна шерстяного типа (марЛо1* целлюлоза сульфатная предгидролизная кордная (ГОСТ 1б7бЛ 77)—для производства кордных и технических нитей; целлюл сульфатная предгидролизная кордная холодного облагоражи3’ ния (ГОСТ 21101—75)— для производства высокопрочной коЛ ной нити. Эта целлюлоза используется также для получения в сокомодульных и полинозных вискозных волокон.^
В производстве вискозных волокон в последнее время все лее широкое применение находит целлюлоза нового типа —низко" вязкая сульфатная целлюлоза, которая имеет пониженную степень полимеризации и более равномерный фракционный состав. Ис пользование такой целлюлозы позволит улучшить качество полу, чаемой вискозы за счет более равномерного ксантогенирования при уменьшении высокомолекулярных фракций целлюлозы и, следовательно, повысить экономичность и стабильность технологического процесса.
Свойства вискозных волокон обусловлены в первую очередь качеством исходной целлюлозы: содержанием а-целлюлозы, равномерностью вязкости, наличием минеральных примесей, затруд- няющих условия переработки целлюлозы.
Целлюлозы, используемые в производстве искусственных волокон, должны удовлетворять следующим требованиям:
Припроизводстветекстильнойннтн
Содержание «-целлюлозы, %, не менее '. . .93
Вязкость, мПа - с 24±2,5
Реакционная способность, CSz/NaOH, %, не более 80/11
Содержание, %, не более золы 0,1
железа . .0,001
кремния 0,006
кальция 0,012
смол и жиров 0,2
Белизна, %, не менее 90
Сорность (число соринок на 1 м2 листа площадью 0,06—2,0 мм2), не более * 70
Набухание, % 450—550
Влажность, % 6—10
Содержание мелкого волокна, %, не более 12
* Соринки площадью более 2,0 мм не допускаются.
ПрнпроизводствеволокнаПрнпроизводствеволокна92 24±2,590/110,12 0,0015 0,009 0,0140,39092 24±2,590/110,12 0,0015 0,009 0,0140,390100450—5506-1012100450—5506-1012№лл№5№лл№5нити книти кДля производства высокопрочной кордной предъявляются более высокие требования практически по
Прнпроизводствеволокна
Прнпроизводствеволокна
92 24±2,5
90/11
0,12 0,0015 0,009 0,014
0,3
90
92 24±2,5
90/11
0,12 0,0015 0,009 0,014
0,3
90
100
450—550
6-10
12
100
450—550
6-10
12
№лл№5
№лл№5
нити к
нити к
показателям.
96,7 0,070,0796,7 0,070,07не менее не более не болеене менее не более не болееТакая целлюлоза должна содержать (%)
96,7 0,07
0,07
96,7 0,07
0,07
не менее не более не более
не менее не более не более
а-Целлюлозы . • • Смол и жиров . . Золы
е рассматриваются важнейшие показатели, характеризую- качество целлюлозы.
шнекам жание а.целлюлозы является одним из важнеи- С°Дазателей качества целлюлозы. Чем выше этот показатель, ШИХ "ответственно больше выход продукции, ниже удельный рас- теМ Тетпюпозы и меньше загрязняются растворы при обработке хоД еточью и что наиболее существенно, — выше качество получаемых волокон (выше прочность и упругость).
Опыт показал, что при содержании а-целлюлозы менее 95— 96°/ нельзя получить высокопрочную кордную нить. При содержании а-целлюлозы ниже 92% трудно получить даже вискозную текстильную нить и волокно с удовлетворительными характеристиками.
а-Целлюлозой называется высокомолекулярная фракция целлюлозы со степенью полимеризации более 200, которая не растворяется в 17,5%-ном растворе едкого натра при 20°С в течение 1 ч. Содержание а-целлюлозы определяют путем растворения навески целлюлозы в указанном растворе. Нерасгворившийся остаток отделяют от раствора, промывают, сушат и взвешивают.
В щелочном фильтрате определяют содержание так называемых гемицеллюлоз, т. е. суммарное количество низкомолекулярных фракций целлюлозы (гексозанов и пентозанов), растворимых в 17,5%-ном растворе щелочи.
В СССР в соответствии с международными стандартами начинает вводиться метод определения качества целлюлозы по ее растворимости в 10 и 18%-ных растворах едкого натра. Этот метод оолее полно характеризует качество целлюлозы, чем определение а-целлюлозы. Сущность его заключается в том, что при растворении в 10%-ном растворе щелочи растворяются низкомолекулярные фракции целлюлозы со степенью полимеризации до 250, кото- пок В Наибо™й степени влияют на прочностные и эластичные цеччюТе‘ЛИ’ напРимеР’ высокопрочных нитей и волокна. Фракции в 18°/ЛОЗЬ1 С Указанн°й степенью полимеризации не растворяются пРи мепс0М РаствоРе едкого натра, следовательно, не удаляются ство «о™ еризации целлюлозы и, оставаясь в нити, снижают каче- 1 “^волокна.
ную °копд"^ ^^—7? на целлюлозу сульфатную предгидролиз- в 10%-нпмУЮ Раств°Римость целлюлозы должна составлять: '8%-ном паЛаСТВ°ре едкого натра-не более 6,1% (Slo) и в
Таким обпя°Ре еДК0Г° НЗТра - не более 3’6% (S18)' зателей и А 3°М’ Ч6М меньше абсолютные значения этих пока- С0Держани’е ни8"06’ Чем меньше разница Зю—Sis, тем меньше Их Вбрейдет п ЗКОмолекулярных фракций в целлюлозе и меньше 1 в волокно,
При введении указанных показателей целлюлозы отпада обходимость определения таких ранее принятых показателе^ ^ содержание а-целлюлозы, р-целлюлозы и растворимость в 5<у Ка* растворе едкого натра.
Вязкость целлюлозы, в особенности однородность вязкости, как в пределах каждой партии (в отдельных ки? В! так и в разных партиях имеет первостепенное значение. В слу несоответствия вязкости целлюлозы стандартной приходится^ ответственно изменять режим приготовления вискозы, так как С° обеспечения нормального проведения технологического проц?* требуется, чтобы прядильный раствор имел определен^ вязкость.
Вязкость целлюлозы определяют в соответствии с ГОП 14363.2—70 (измеряют вязкость 1%-ного медноаммиачного пЯг твора).
Реакционная способность целлюлозы — показа тель, характеризующий поведение целлюлозы в процессе приго товления вискозы. Метод определения этого показателя основан на приготовлении (в одном сосуде за одну операцию) вискозе с постоянным содержанием целлюлозы в вискозе (3,3%) и едкоп натра (11, 12 или 13%) для каждого вида целлюлозы, но с переменным содержанием сероуглерода. Минимальное количество сероуглерода, необходимое для получения вискозы, фильтрующем? в специальном приборе через стандартную никелевую сетку ха рактеризует реакционную способность целлюлозы.
Содержание минеральных примесей (зола, кремний, соли В и Са) в целлюлозе должно быть минимальным. В противном случае затрудняется процесс фильтрации вискозы.
ЕДКИЙ НАТР
В вискозном производстве в значительных количествах потребляется едкий натр (каустическая сода, каустик). Одним из наиболее распространенных способов получения NaOH являете! электролиз раствора хлорида натрия (Nad). Выделяющийся № катоде металлический натрий реагирует с водой, образуя едкг натр. При этом выделяются в свободном состоянии водор0-
и хлор.
натра — диафрагменный и ртутный.натра — диафрагменный и ртутный.кается в твердом и жидком (растворенном) виде, upcm-j — ., последнего заключается в том, что отпадает необходимость варительного растворения твердого NaOH, а при произволкается в твердом и жидком (растворенном) виде, upcm-j — ., последнего заключается в том, что отпадает необходимость варительного растворения твердого NaOH, а при произволДля того чтобы получающиеся едкий натр и хлор не взаим» действовали между собой, катодное и анодное пространство р® деляют пористой перегородкой (диафрагмой). В промышленно^ применяются два метода электролитического производства едко Едкий натр вЫР, виде. Преимуи1е .
натра — диафрагменный и ртутный.
натра — диафрагменный и ртутный.
кается в твердом и жидком (растворенном) виде, upcm-j — ., последнего заключается в том, что отпадает необходимость варительного растворения твердого NaOH, а при произвол
кается в твердом и жидком (растворенном) виде, upcm-j — ., последнего заключается в том, что отпадает необходимость варительного растворения твердого NaOH, а при произвол
варигельниго растворения твердого ixaun, а при “Рип тедк исключается упаривание, в результате чего экономятся значИ ^ ные количества топлива. Поэтому экономичнее выпускать каустик и в таком виде перевозить его к месту потребления - 561
„ ниртепнах или подавать на заводы вискозного вб- знодор°жных ц р
1окна по тРУбзм- „кого каустика является относительно высо- Л*"" 3™ь,мния. Так, 33%-ный водный раствор NaOH |хЯя температ}РуОс g 450/0.ный — при 1ГС. Поэтому в холодное застывает пр ’^ перед разГру3кой приходится разогревать, время г°а чения хорошей фильтруемости вискозы и высокого
ДлЯ °полученного волокна необходимо, чтобы едкий натр со- качества ^альное количество посторонних примесей. Особенно держаличие‘хлорида натрия, карбоната натрия и железа. Все вРеДН особенно такие сильные электролиты, как NaCl, ухудшают яеМость целлюлозы, нарушают равномерное созревание вис- 113 - вызывая ее местную коагуляцию. Железо каталитически ко3орЯет процесс предсозревания, загрязняет вискозу и осадитель- "С-ю ванну При взаимодействии железа с сероводородом обра- зуется сульфид железа, который загрязняет получаемое волокно и" может явиться причиной его разнотонности.
Едкий натр для вискозного производства должен удовлетворять следующим требованиям (по ГОСТ 11078—71):
Содержание, %, не более ■ NaOH * 44
Na2CO3.. 0,3
NaCl 0,02
железа,впересчете на Ре2О3 0,001
хлора натрия . .. .0,01
ртути 0,0001
кальция 0,0014
* Не менее.
Ртутный каустик, выпускаемый отечественной промышленностью, чище диафрагменного и полностью удовлетворяет требованиям производств вискозной текстильной нити, вискозного волокна, целлофана и обычной кордной нити. Для выработки сверхпрочной кордной нити некоторые показатели ртутного каустика Должны быть улучшены.•
5-3. СЕРОУГЛЕРОД
ную^Г^ (С$2) представляет собой легколетучую подвиж- его пой ДОВИТУЮ жидкость с неприятным запахом; плотность роКо при ?авна 1265 кг/м3, температура кипения 46,1 °C. Ши- 11 масел^ меняется в технике в качестве растворителя жиров тУРе околое^ппГог?рода легко воспламеняются уже при тем пера- Нижний пре ПОЭТОМУ сероуглерод чрезвычайно огнеопасен, хом составп^ел ВвРываемости смеси паров сероуглерода с возду- Р°Углерода м6Т ° ^°^^’ веРхний— 50% (об.). Воспламенение се- Металла о ме°ЖеТ быть вызвано искрой, возникшей при ударе талл тлеющей папиросой, и т. д. При определенных
условиях взрыв может произойти вследствие нагревания сеп рода солнечными лучами и даже горячей водой. Темнев rj|e нагретых поверхностей (радиаторы отопительной системы тТ^’ проводы и т. п.) не должна превышать 70°C.’
После опорожнения бочек, цистерн и других сосудов их ходимо промыть для удаления следов сероуглерода. Набл^ лись взрывы непромытых бочек из-под сероуглерода под действ солнечных лучей или в результате случайного удара.Ие,<
В промышленности сероуглерод получают взаимодействи паров серы и древесного угля в специальных ретортах или эл^ тропечах при 800—1000°С. Широко применяется также метод п8 лучения сероуглерода из природного газа (метана) и серы. Сыпп- сероуглерод (сырец) содержит до 10% растворенной серы, 3HaPJ тельные количества сероводорода и некоторые сернистые соеди нения, поэтому его подвергают очистке путем перегонки (дистил, ляции).
Сероуглерод (ректификат) должен удовлетворять следующие требованиям (ГОСТ 19213—73):
Цвет .Бесцветный
Плотность при 20 °C, кг/м3, не менее . . .1265
Содержание, %
фракции, выкипающей при 46—47 °C, не менее 98,5
нелетучего остатка, не болееХ . . . .0,01
Производство сероуглерода обычно размещается на одной площадке с вискозным производством; сероуглерод доставляете! в железнодорожных цистернах, заполненных на 90% для уменьшения испарения CS2; в летнее время добавляется 5% воды и общего объема тары. Сероуглерод хранится в наземных, подземных или полуподземных складах, в баках под слоем воды ил инертного газа. В цех сероуглерод подается по трубам под да»' лением воды или инертного газа, который не должен содержат! более 0,2% кислорода. Перекачивать сероуглерод можно так® специальными погружными насосами.
СЕРНАЯ КИСЛОТА
Серная кислота (H2SO4) является основным компонентом ос» Дительной ванны. Чистая кислота представляет собой бесцветну^ маслянистую жидкость; примеси придают технической киС,д желтовато-бурый оттенок. О концентрации серной кислоты мо судить по ее плотности, которую определяют ареометром, плотность H2SO4, по таблицам находят ее концентрацию. г
Температура замерзания серной кислоты зависит от ее ности. Практически H2SO4 не замерзает даже при темпер И до —30 °C. При содержании в серной кислоте 98% моногИДР температура замерзания повышается до 3°С.иТс»
В выпускаемой промышленностью серной кислоте содер ^ повышенное количество прокаленного остатка, железа, мы
о отрицательно сказывается на качестве получаемого
^Подменяемая в вискозном Д' 2184—77 должна бытьЦелуют"" состава (%):. 92-94Свинец Хлор^Подменяемая в вискозном Д' 2184—77 должна бытьЦелуют"" состава (%):. 92-94Свинец Хлор0,03 0,010,010,03 0,010,01производстве серная кислота побесцветной прозрачной жидкостьюпроизводстве серная кислота побесцветной прозрачной жидкостьюМышьяк . . . Оксиды азота Медь . . . . Железо . . .Мышьяк . . . Оксиды азота Медь . . . . Железо . . .0,0001 0,0001-0,00010,0150,0001 0,0001-0,00010,015
^Подменяемая в вискозном Д' 2184—77 должна быть
Целуют"" состава (%):
. 92-94
Свинец
Хлор
^Подменяемая в вискозном Д' 2184—77 должна быть
Целуют"" состава (%):
. 92-94
Свинец
Хлор
0,03 0,01
0,01
0,03 0,01
0,01
производстве серная кислота побесцветной прозрачной жидкостью
производстве серная кислота побесцветной прозрачной жидкостью
Мышьяк . . . Оксиды азота Медь . . . . Железо . . .
Мышьяк . . . Оксиды азота Медь . . . . Железо . . .
0,0001 0,0001
-0,00010,015
0,0001 0,0001
-0,00010,015
я кислота поступает на заводы в железнодорожных цистер- Серна ПИвается в стальные баки большой емкости. В производство нГкнстотную станцию кислота подается по трубам центробежными насосами.
СУЛЬФАТ ЦИНКА
Сульфат цинка (ZnSO4-7H2O) представляет собой белые игольчатые кристаллы. Технический сульфат цинка содержит 52 — 53% сульфата цинка, 45% воды и около 2—3% различных примесей (ТУ 4174—77). Он может иметь бледно-желтый цвет. Желтобурая окраска указывает на присутствие в нем большого количества железа. Допустимое количество железа для продукта I сорта составляет 0,04%, для II сорта —0,15%.
Иногда в осадительную ванну добавляют сульфат цинка с предварительно растворенным в нем металлическим цинком. Сульфат цинка поступает на завод в бочках, ящиках или бумажных мешках по 100 кг. Его подают в осадительную ванну в виде маточного раствора, содержащего 180 г/л ZnSO4, или засыпают в ящик с перфорированным диом, через который протекает циркулирующая ванна.
ВОДА
На заводах вискозного волокна в больших количествах поре ляется вода. Например, только для приготовления растворов локняМВВКИ ПРОДУКЦИИ расходуется 0,15—0,4 м3 воды на 1 кг во- подитьи °Да использУется также для охлаждения аппаратов, в хо- вок рег?ЫХ 7становках, конденсаторах вакуум-выпарных устано- на заво аерации осадительной ванны и т. п. Общий расход воды * т готло^х вискозного волокна составляет от 800 до 1200 м3 на
Дующие ’ паостУпающая на производство, подразделяется на сле- Фильтровання ВИдов: из природных источников, осветленная и
Вода ИзЯ’ УМягченная, обессоленная, питьевая.
3Уется без обо И Р ° Д Н Ы Х источников (рек, озер) исполь- ^ения. дЛя ра отки только для охлаждения конденсаторов сме- ез обработки ГИХ тепло°бменннков и аппаратов применять воду и отстоя не рекомендуется, так как охлаждаемая
поверхность быстро покрывается илом и ее теплопровоЖ^,ь ® шается.^
Осветленная и фильтрованная вода потреб ся для охлаждения, промывки аппаратуры и мойки полов получается путем химической обработки (например, коагуля : глиноземом) поступающей на завод воды и последующего отс вания. При достаточно длительном отстаивании воду можн^ фильтровать. Однако на практике чаще воду фильтруют ч е кварцевые фильтры, так как при недостаточном отстое в тр^ аппаратов выпадает осадок, который их засоряет.у 2
Умягченная вода используется для промывки волок Пригодность воды для некоторых технологических процессов ределяется ее жесткостью. Под жесткостью понимается свойст природной воды, обусловленное присутствием в ней раствореннц. солей кальция и магния. Концентрация этих солей в воде назык ется общей жесткостью. Она подразделяется на карбонатную сткость, определяемую концентрацией в воде карбонатов кальщ и магния, и некарбонатную жесткость, зависящую от концентр: ции кальциевых и магниевых солей сильных кислот. Жесткое воды выражают в кг-экв/л (1 мг-экв Са2+ равен 20,04 мг; 1 мг-эе Mg2+— 12,16 мг). Жесткость природной воды колеблется в шире ких пределах — от десятых долей до нескольких десятков мг-экв/,: По многим причинам (отложение солей в трубах и на поверхноа аппаратов, загрязнение получаемой продукции и т. п.) жесты вода непригодна для применения в отдельных процессах произво; ства (в частности, для отмывки получаемых химических волоков1 В таких случаях осветленную и фильтрованную воду умягчаю: На заводах искусственного волокна воду умягчают методом кг тионного обмена, т. е. пропускают через фильтры, заполненнь ионитами — твердыми веществами, способными к ионному обмет При движении жесткой воды, например через Na-катионитовт фильтры, в результате обменной реакции все катионы Са2+ и Mg- заменяются на ионы натрия, т. е. вода умягчается.
Однако при умягчении воды катионитовым способом содер® ние солей в воде не уменьшается, так как карбонаты Са и М/ обусловливающие жесткость воды, не удаляются, а лишь превр щаются в натриевые, т. е. в умягченной воде появляется бикар® натная щелочность. Поэтому для уменьшения содержания тело" в воде применяют не Na-катионирование, а Н-катионировая
творомтворомкатионитовый фильтр обрабатывают 2—5%-ным ра- Пля этого Na„ кисЛоты. При этом ион Na+ катионита замени- створом солян^ который При работе фильтра замещает катион ется ионом п , coj№ нахОдящихся в воде.
твором
твором
0—5200 40—5200 4Са2^Иу”ЯГченной воде предъявляются следующие требования: Цветность, градусы .
0—5
200 4
0—5
200 4
0,0355,47,50,0355,47,5Прозрачность по кресту, см, более Окисляемость, мг/л О2, не менее Жесткость мг-экв/л, не более
0,035
5,4
7,5
0,035
5,4
7,5
временная (бикарбонатная) . . Щелочность (pH), не более . . . .
Обессоленная вода применяется для приготовления раствора ого натра и для растворения ксантогената с целью уменьше ния количества солей, вводимых в вискозу.
Метод обессоливания заключается в обработке фильтрованной воды сначала через Н-катионитовые фильтры, в которых катионы Са2+ и Mg2+ замещаются на водородные, а затем через слабоосновные анионитовые фильтры, способные к обмену своих анионов (ОН", НСОз, СОг") на анионы сильных кислот (SO4", СГ) Способность анионитов к обмену тех или иных ионов зависит от. того, какой щелочью проводилась регенерация отработанного анионитового фильтра.
Пользуясь данным способом, содержание солей в воде можно снизить с 300—400 до 10 мг/л и ниже.
Питьевая вода применяется на заводах для удовлетворения всех хозяйственно-бытовых нужд, в том числе и для душей, умывальников и пр., а также для увлажнения воздуха при его кондиционировании. Эта вода должна быть прозрачной, без запаха и не содержать вредных веществ и бактерий.
Глава 6
ПОЛУЧЕНИЕ ВИСКОЗЫ
МЕРСЕРИЗАЦИЯ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ
нолотичСРскИЗ"аЦИЯ целлюлозы является первой операцией в тех- люлозы цепочке получения искусственного волокна из цел- Работке негнХК°ЗН0М^ СПОсобУ- Этот процесс заключается в об- натра с поХ В большом избытке 18%-ного раствора едкого Раствора В лующим отжимом целлюлозы от избытка щелочного зультате такой обработки получается щелочная
ГотовкуМеРсеРизации проводят предварительную.
СтУПаЮщей на ппрРеДНеНИЮ п0казателей исходной целлюлозы, по- а°Дбирают с лп„ДпРиятия отдельными партиями в кипах. Партии ^ивают. в зависХ^” показателями и шесть-восемь партий сме- ИВают листами ипХУ °Т объема производства целлюлозу сме-
и кипами (масса кипы 200± 2,5 кг). На скла-
дах рекомендуется иметь постоянный запас целлюлозы ц3 n I 20—30-дневной потребности.Р^Чм
При мерсеризации протекают следующие основные хим» и физико-химические процессы:ес8|
набухание целлюлозы в щелочи;
образование нового химического соединения — ще„ целлюлозы;01)®
вымывание гемицеллюлоз из целлюлозы;
некоторое понижение молекулярной массы целлюлозы в зультате окислительной деструкции под влиянием кислорода“ * духа в присутствии щелочи.8(6
Щелочную целлюлозу получают при действии концентрипов ных растворов едкого натра. При этом в результате замещен8 водорода у одной из гидроксильных групп образуется алкоголя,
[CgHAlOH)]» + «NaOH —► [C6H9O4ONa]„ + nH2O
и молекулярное соединение целлюлозы и едкого натра:■
(C6H10O5) t +«NaOH —► (С6Н10О5 • NaOH)„ ”
Количество NaOH, химически связанного с целлюлозой, заве сит от концентрации и температуры раствора едкого натра. Ча выше концентрация щелочи, тем больше гидроксильных грувг целлюлозы реагирует с едким натром и соответственно увеличивается количество связанной щелочи. Число гидроксильных групг в 100 элементарных ззеньев целлюлозы, взаимодействующих пр: различных процессах (этерификация, замещение или присоедиве ние), принято обозначать буквой у. Максимальное значение эта величины равно 300, что означает, что прореагировали все тр: гидроксильные группы в каждом звене целлюлозы.
Концентрация раствора едкого натра, необходимая для образования щелочной целлюлозы, зависит также от температура Например, если при 16—18°С требуемая концентрация раствора NaOH составляет 14—16%, то при —2°C концентрация щелоч5 может быть понижена до 10%.
Набухание целлюлозы в щелочи обусловливается проникнем нием гидратированных ионов Na между ее макромолекул"' и сольватацией гидроксильных групп. Едкий натр с водой обр зует гидраты различного состава, максимальное количество вод связываемой им в растворе, соответствует гидрату NaOH-znz •
При повышении температуры раствора едкого натра УвеЛ^ вается степень теплового движения молекул воды, и в резуль
Например, при концентрациях NaOH 213 и 250 г/л в: соответственно 108,5 и 123,6 Дж на 1 г целлюлозы.Например, при концентрациях NaOH 213 и 250 г/л в: соответственно 108,5 и 123,6 Дж на 1 г целлюлозы.этого гидратация ионов щелочного металла понижается. ^ При повышении концентрации раствора NaOH может заться, что вся вода будет связана в гидратных слоях ^. .и вследствие этого набухание целлюлозы будет уменьшаться, бухание протекает с выделением тепла. Количество выдеЛ^.вОре гося тепла зависит от концентрации едкого натра в РаСяеТс<
Например, при концентрациях NaOH 213 и 250 г/л в: соответственно 108,5 и 123,6 Дж на 1 г целлюлозы.
Например, при концентрациях NaOH 213 и 250 г/л в: соответственно 108,5 и 123,6 Дж на 1 г целлюлозы.
.тппюлозы зависит от концентрации щелочи и до- Набухание Цсодержании в растворе 10—12% NaOH.
сТигает д,аК мпературы на набухание целлюлозы очень велико.
Влияние тетем больше набухание. Для того, чтобы
Чем ниже те^и/целлюлозы при непрерывном процессе мерсери- облегчитн 0 ют температуру щелочи, в результате чего она зании, ||0Вб“хает Например, при мерсеризации горячей щелочью меньше на ^^^ хание целлюлозы настолько уменьшается, что (40—45 М вОзМОжным получить необходимую степень отжима стаН°,Вне™ерывном процессе мерсеризации.
11 V сернзация целлюлозы осуществляется тремя способами: одическими (в мерсеризационных процессах и аппара-
"еРВА1 и непрерывным (в специальных аппаратах УНМ). таХНаиболее важными параметрами процесса мерсеризации яв- тся' влажность целлюлозы, концентрация мерсеризационной лмочн и содержание в ней гемицеллюлоз, температура мерсери- пшюнной щелочи, модуль мерсеризации (количество литров мер- геризацнонной щелочи, приходящейся на 1 кг целлюлозы), про- юлжительность мерсеризации и степень отжима щелочной цел- •нолозы (отношение массы отжатой щелочной целлюлозы к массе исходной). Технологические параметры процесса изменяются в зависимости от способа мерсеризации и конструкции аппаратов.
Наиболее традиционным является способ мерсеризации целлюлозы в мерсеризационных прессах — периодический способ. Листы целлюлозы пачками по 5—8 кг загружаются в ячейки между перфорированными железными листами. Загрузка пресса — от 100 до 500 кг (в зависимости от емкости пресса). Для того, чтобы вытеснить воздух, имеющийся в целлюлозе, в ванну постепенно снизу подается раствор щелочи до уровня, превышающего торцы установленных кип целлюлозы на 2—3 см. С этого момента и отсчитывают продолжительность мерсеризации. По истечении О мин отработанная щелочь спускается в баки на содовой станции, а щелочная целлюлоза отжимается.
жим ереД ОТЖим„ом щелочной целлюлозы ее предварительно под- в'ячей17 Д° так°й степени, чтобы листы целлюлозы не могли осесть лозы в'" ПрИ спУске раствора щелочи. При замачивании целлю- ские и д ИСТах в пресс-ванне протекают описанные выше химиче- для Bbl^H3HK0'XHMn4ecKHe процессы. Наибольшее время требуется МеРсеризацаНИЯ гемицеллЮлО3 из листов. Несмотря на то, что при пню раствоп11 целлюлозы применяют принудительную циркуля- ное шевелен щелочи в ванне и осуществляют частое и энергич- тон полностью ЛИСтов Целлюлозы, вымыть гемицеллюлозы из лис- п^-ючь с боц Не Удаегся' так как в набухших листах содержится ^Делить из* ьи^им содержанием гемицеллюлоз. Для того чтобы Раствор Из Ван')Още10 Раствора наиболее загрязненную щелочь, ааРИтельно ^е-пнвают и после этого начинают отжимать пред- Ри отжиме заг™6 ли„СТы набухшей целлюлозы. Стекающий ем гемицелЛюЯЗНенны® раствор щелочи с высоким содержа- Лоз направляют в отдельный бак. Отжимная
направляетсянаправляетсяЩелочь, содержащая 30—35 г/л гемицеллюлоз, регенерацию (диализ).
направляется
направляется
Концентрация едкого натра в отработанной щелочи ме так как часть его расходуется на образование щелочной полозы и, кроме того, щелочной раствор разбавляется водой жащейся в целлюлозе.’
Отжим щелочной целлюлозы осуществляется при помощи равлического пресса до степени 2,8. После отжима в щед0Г8; целлюлозе содержится 30—31% целлюлозы, 16—17% натра и 52—54% воды.01
Рабочий цикл мерсеризационного пресса средней мощц0 составляет 2 ч, следовательно в сутки каждый пресс дает; 24 ^I = 12 партий щелочной целлюлозы. Если в пресс загружав 250 кг целлюлозы, то в сутки он может переработать 0,25-12' = 3 т целлюлозы.
Непрерывный процесс мерсеризации
В последнее время широкое применение получили различии установки для непрерывной мерсеризации щелочной целлюлозь которые в основном отличаются друг от друга по способу отжим; Эти установки предназначены для переработки целлюлозы в лк стах, массе и рулонах.
Мерсеризация целлюлозы в листах и массе производится в б: ках с мешалкой. При этом образуется пульпа, представляющая а бой смесь раствора щелочи с целлюлозными волокнами. Отжк этой пульпы (щелочной целлюлозы) осуществляется одним и следующих способов:
между валами, имеющими прорези или канавки для отвоз отжимаемой щелочи;
в червячных прессах (шнек-прессах);
на вакуум-фильтрах;
на ситовых прессах, где целлюлоза отжимается между Дв! жущимися сетками.
При работе на вакуум-фильтрах и ситовых прессах для У6' личения степени отжима щелочная целлюлоза подвергается А
полнительному отжиму на вальцах.
При непрерывной мерсеризации целлюлозы в массе Д°стИ,га ся более равномерная обработка целлюлозы щелочью и ° полное вымывание гемицеллюлоз, чем в прессах. При nPoee^J непрерывной мерсеризации целлюлозы в массе исключите значение приобретает точное соблюдение установленных паР . ров технологического процесса, в частности концентрации лозы в пульпе и температуры щелочи. При незначительных нениях от принятого режима мерсеризации при последую^ № рациях получается вискоза непостоянного состава с ра3^ ^ зрелостью и вязкостью. Увеличение содержания целлюлозы ^ пе или повышение температуры мерсеризации способствует^ чению степени отжима, и наоборот. Особенно большое ^ оказывает равномерность подачи на мерсеризацию иеЛ
5-била.
Рис 6 2 Бак-мерсеризатор:
/-корпус: 2-рубашка: 3-загрузочный люк: ^-внутренний цилиндр.
аится описание наиболее распространенных уста* НиЖе „споепывной мерсеризации и отжима.
новок Ддя для непрерывной мерсеризации целлюлозы с отжи- ycTaHOBKa^a^ с прОрезями (или перфорированными валами) мом между более распространенной (рис. 6.1). Распакованные является н люлозы устанавливают на питающий транспор- киП^Чатем специальное устройство захватывает по одному литер 2.сбрасывает их в бак-мерсеризатор 1, снабженный
сту 113 кя $ gaK подается подогретая до 50 °C щелочь. Постоя н- мешалкои. очи в баке поддерживается с помощью дозато- ныи УРовен
Ра целлюлозы набухают в щелочи и измельчаются вра- ощимися лопастями мешалки, образуя в аппарате однородную ™а' Пу Модуль мерсеризации —от 14 до 20.
Внутреннее устройство бака-мерсеризатора показано на 62 Он снабжен зубчатыми лопастями, вращающимися во внутреннем цилиндре. В верхней части бака концы лопастей выступают над уровнем жидкости и повернуты так, что попадающие в бак листы захватываются ими и увлекаются вниз, где следующая группа лопастей разрывает их на куски. В нижней части бака лопасти проходят между неподвижно установленными билами, Здесь куски набухшей целлюлозы дополнительно измельчаются, и образуется пульпа. Верхние и нижние лопасти в баке установлены с некоторым наклоном и проталкивают массу вниз. Ударяясь о ложное дно, пульпа поднимается вверх между стенками внутреннего цилиндра и мерсеризатора. Этим обеспечивается постоянная циркуляция массы внутри мерсеризатора. Пульпа с помощью насоса через буферный бачок подается на отжимное устройство.
Буферный бачок заполняется массой через штуцер, расположенный в верхней части обечайки, а расходный штуцер находит- я в дне бачка. Поэтому в верхней части бачка создается воздуш- ваетсП°ДУШКа' Небольшое постоянное давление в ней поддержи- равномрпЖа™М ВОЗДУХОМ1 Буферный бачок способствует более Устройство011 подаче Щелочной целлюлозы в отжимное вращающихся°ТЖИМН0Г0 УстР0Йства (рис. 6.3) состоит из двух нов с глубп стальных перфорированных барабанов или бараба- д.тя отвода пР°„Резями (канавками) на рабочей поверхности ВеРстиями пп Имнои Щелочи. Прорези сообщаются сквозными от- имеет ребоппы свеРленнЫми на торцах барабанов. Один барабан даРя такому ус В к„ОтоРЬ1е плотно входит другой барабан. Благо- »°й Целлюлозы ТР°ИСТВу достигается равномерный отжим щелоч* верхностей. OpaV^611™6 И П0 кРаям (кромке) отжимающих по- ₽азУющую арабана плотно входят в стальную станину, об- 0 ^Ная масса. Пл™ замкнутое пространство, куда подается ще- Мыйимными бапаб! Т0Г° чтобы масса не осаждалась на дне, под
вДвижение нами установлен шнек, периодически приводи- 3*
Рис. 6.3. Механизм отжимного устройства: I /—отжимные барабаны; 7—карман для слнва отжимной и промывной щелочи: 3—стапь! "4 — шнек для перемешивания пульпы щелочной целлюлозы. I'Рис. 6.3. Механизм отжимного устройства: I /—отжимные барабаны; 7—карман для слнва отжимной и промывной щелочи: 3—стапь! "4 — шнек для перемешивания пульпы щелочной целлюлозы. I'uw upvmzi jjdvuim пб~ЗУ1 про*похода щелочной це!чистки их металлическими ножами ширина прорезей увеличивает- Между барабанами имеется зазор для пр~пт за^ся и короткие волокна проникают в прорези довольно свободно.-Поэтому целесообразно заменять отжимные барабаны с прорезями на перфорированные.По опытным данным, хорошие результаты по отжиму и рав-t'TR ТТТД> ттгмттт^А -uw upvmzi jjdvuim пб~ЗУ1 про*похода щелочной це!чистки их металлическими ножами ширина прорезей увеличивает- Между барабанами имеется зазор для пр~пт за^ся и короткие волокна проникают в прорези довольно свободно.-Поэтому целесообразно заменять отжимные барабаны с прорезями на перфорированные.По опытным данным, хорошие результаты по отжиму и рав-t'TR ТТТД> ттгмттт^А -люлозы. Величина зазора регулируется в зависимости от заде. Ной производительности и от желаемой степени отжима. JПараллельно оси барабана по краям станины агрегата ра^ "Ложен прилив, образующий карман для слива отработанной®! лочи, которую в дальнейшем перекачивают в еловой слюлозы. Величина зазора регулируется в зависимости от заде. Ной производительности и от желаемой степени отжима. JПараллельно оси барабана по краям станины агрегата ра^ "Ложен прилив, образующий карман для слива отработанной®! лочи, которую в дальнейшем перекачивают в еловой сцеллюлозы получаются при длине—1,6 мм; худшие результаты дает цел- волокон 0,8—1,1 мм, и совершенно непригодна " волокон 0,5—0,7 мм.целлюлозы получаются при длине—1,6 мм; худшие результаты дает цел- волокон 0,8—1,1 мм, и совершенно непригодна " волокон 0,5—0,7 мм.Нии,К отверстиям, просверленным в торцах барабанов, под; промывная щелочь под давлением 0,55 МПа. Труба, по J подается щелочь, соединяется с отверстиями барабана при ,Нии,К отверстиям, просверленным в торцах барабанов, под; промывная щелочь под давлением 0,55 МПа. Труба, по J подается щелочь, соединяется с отверстиями барабана при ,, что размер щели между отжимными бараба- вращения барабанов можно легко изменять, име- >сть регулировать производительность УНМ и сте- а щелочной целлюлозы.Щрп, , что размер щели между отжимными бараба- вращения барабанов можно легко изменять, име- >сть регулировать производительность УНМ и сте- а щелочной целлюлозы.Щрп, зы, котораяв прорезяхзы, котораяв прорезяхными с боков станины.8уОтжатая щелочная целлюлоза снимается с отжимны ■ . раклями, находящимися в верхней части агрегата, и чер варительный разрыхлитель выбрасывается на ви^Р^да# транспортер, который направляет ее к рыхлителю. Спресными с боков станины.8уОтжатая щелочная целлюлоза снимается с отжимны ■ . раклями, находящимися в верхней части агрегата, и чер варительный разрыхлитель выбрасывается на ви^Р^да# транспортер, который направляет ее к рыхлителю. Спреспрепятствует равномерному шлимцй(целлюлоза удаляется стальными зубьями, Упрепятствует равномерному шлимцй(целлюлоза удаляется стальными зубьями, У
Рис. 6.3. Механизм отжимного устройства: I /—отжимные барабаны; 7—карман для слнва отжимной и промывной щелочи: 3—стапь! "4 — шнек для перемешивания пульпы щелочной целлюлозы. I'
Рис. 6.3. Механизм отжимного устройства: I /—отжимные барабаны; 7—карман для слнва отжимной и промывной щелочи: 3—стапь! "4 — шнек для перемешивания пульпы щелочной целлюлозы. I'
uw upvmzi jjdvuim пб~ЗУ1 про*
похода щелочной це!чистки их металлическими ножами ширина прорезей увеличивает- Между барабанами имеется зазор для пр~пт за^ся и короткие волокна проникают в прорези довольно свободно.
-Поэтому целесообразно заменять отжимные барабаны с прорезя
ми на перфорированные.
По опытным данным, хорошие результаты по отжиму и рав-
t'TR ТТТД> ттгмттт^А -
uw upvmzi jjdvuim пб~ЗУ1 про*
похода щелочной це!чистки их металлическими ножами ширина прорезей увеличивает- Между барабанами имеется зазор для пр~пт за^ся и короткие волокна проникают в прорези довольно свободно.
-Поэтому целесообразно заменять отжимные барабаны с прорезя
ми на перфорированные.
По опытным данным, хорошие результаты по отжиму и рав-
t'TR ТТТД> ттгмттт^А -
люлозы. Величина зазора регулируется в зависимости от заде. Ной производительности и от желаемой степени отжима. J
Параллельно оси барабана по краям станины агрегата ра^ "Ложен прилив, образующий карман для слива отработанной®! лочи, которую в дальнейшем перекачивают в еловой с
люлозы. Величина зазора регулируется в зависимости от заде. Ной производительности и от желаемой степени отжима. J
Параллельно оси барабана по краям станины агрегата ра^ "Ложен прилив, образующий карман для слива отработанной®! лочи, которую в дальнейшем перекачивают в еловой с
целлюлозы получаются при длине
—1,6 мм; худшие результаты дает цел- волокон 0,8—1,1 мм, и совершенно непригодна " волокон 0,5—0,7 мм.
целлюлозы получаются при длине
—1,6 мм; худшие результаты дает цел- волокон 0,8—1,1 мм, и совершенно непригодна " волокон 0,5—0,7 мм.
Нии,
К отверстиям, просверленным в торцах барабанов, под; промывная щелочь под давлением 0,55 МПа. Труба, по J подается щелочь, соединяется с отверстиями барабана при ,
Нии,
К отверстиям, просверленным в торцах барабанов, под; промывная щелочь под давлением 0,55 МПа. Труба, по J подается щелочь, соединяется с отверстиями барабана при ,
, что размер щели между отжимными бараба- вращения барабанов можно легко изменять, име- >сть регулировать производительность УНМ и сте- а щелочной целлюлозы.
Щрп,
, что размер щели между отжимными бараба- вращения барабанов можно легко изменять, име- >сть регулировать производительность УНМ и сте- а щелочной целлюлозы.
Щрп,
зы, котораяв прорезях
зы, котораяв прорезях
ными с боков станины.8у
Отжатая щелочная целлюлоза снимается с отжимны ■ . раклями, находящимися в верхней части агрегата, и чер варительный разрыхлитель выбрасывается на ви^Р^да# транспортер, который направляет ее к рыхлителю. Спрес
ными с боков станины.8у
Отжатая щелочная целлюлоза снимается с отжимны ■ . раклями, находящимися в верхней части агрегата, и чер варительный разрыхлитель выбрасывается на ви^Р^да# транспортер, который направляет ее к рыхлителю. Спрес
препятствует равномерному шлимцй(
целлюлоза удаляется стальными зубьями, У
препятствует равномерному шлимцй(
целлюлоза удаляется стальными зубьями, У
вначале разрыхляется, а затем несколько очная ие^”щИМся в агрегате уплотнителем. Насыпная плот- пщтняется имеюл0зЫч полученной на установке этого ти- • >"'стЬ шелочной «г/м3 В щелочной целлюлозе содержатся плот- /а около костью промерсеризованной целлюлозы. Это ‘ие комки не омерным прохождением целлюлозы через ап- 1 ^-словлено нер частички целлюлозы проходят быстро, другие :арат: неК0Т“Р в аппарате. Для выравнивания продолжительно- ,3держ"ва'0^ ий ставят дополнительный аппарат-гомогенизатор, ,гн меРсер” щий собой вертикальный бак с мешалкой, куда пере- ::редставля ^ мерсеризатора и в котором проходит дополни- лается ПУ еризацИЯ в течение 15 мин. На заводах вискозного гельная “аналогичные установки с предварительным от-
з0ЛОКнапРбь|ТоЧНОй щелочи на металлических сетках. В этом слу- ^'неровные кромки холста щелочной целлюлозы, сходящего чае ок после предварительного отжима, обрезаются специальны- .роликовыми ножами и возвращаются в пульпу для повторного игжнма а холст щелочной целлюлозы с ровными кромками по-
ступает для окончательного отжима между барабанами.
В СССР производятся установки непрерывной мерсеризации двух типов: УНМ6-30 с производительностью (по целлюлозе) 6—30 т/сут и УНМ20-30 с двухсетчатыми прессами с производительностью 20—30 т/сут. Готовятся к выпуску установки такого ]же типа производительностью 50 и более т/сут.
На устойчивость работы установки непрерывной мерсеризации [большое влияние оказывает содержание коротких волокон в ис- 1ходной целлюлозе, которые забивают прорези в отжимных барабанах. Ширина прорезей — 0,6 мм, но во время работы из-за про-
баки содовой сг» - рности свойств щелочнойЦеллюлозных волокон 1,4—.водиИ Л|°лоза с длиной в,кото? Целлюлоза с длиной":< нами Г°Даря ТОМУ!
подается щеличо, шодпилчу,. у— --.-нка ' и скорость
щи пластинки.щи пластинки.щи пластинки, выполненной из полиамида. Эта пласда тся возможно,
щи пластинки.
щи пластинки.
отверстия, совпадающие с отверстиями в торце бар^ ■ ь отжНМг
и пластинки) происходит смыв остающейся ви пластинки) происходит смыв остающейся ввращении барабанов (в момент совмещения отверстии иг ри непрерыВНОм Q
и пластинки) происходит смыв остающейся в
и пластинки) происходит смыв остающейся в
) происходит смыв остающейся в прорезя ваа» • Ц1ествлЯЮтся те ж роцессе мерсеризации на аппаратах УНМ препятствует равномерному отжиму. Запр йОв^ Цен’ “° ТехнологиЦРпкВярОцессы’ что и в мерсеризационных прес- пТраЦ1'я меРсепИЧЯ1™ параметры этих процессов различны. Кон- ыя обИЗводстве частлЦИ°НН°И щелочи достаточна 218 г/л, однако 'ератупГЧения отжимЛ°ВЫШают концентрацию до 230—240 г/Л Точного а щелочн°й целлюлозы. Для этой цели тем- В то время кякТВ°ра В аппаратах УНМ повышают до в прессах для более быстрого набухания
листов целлюлозы мерсеризацию проводят при 20—21 °г должительность мерсеризации составляет соответственно и ^ мин, так как в аппаратах УНМ листы целлюлозы измельч 6 отдельных волокон и вымывание гемицеллюлоз идет значЧа1о? быстрее. Обычно содержание гемицеллюлоз в мерсеризацТе'' щелочи, поступающей в мерсеризатор, составляет 15 г/л а жимной щелочи ее содержание повышается до 20 г/л. с0Ст в лочной целлюлозы: 29—31% а-целлюлозы, 16—17% NaOH^'
В последние годы на зарубежных фирмах находит использование так называемой двукратной мерсеризации, или «Сини-процесс». Су1цНо?? цесса заключается в последовательной обработке целлюлозы щелочными П рами с различной концентрацией: 17—19 и 10—12%-ного раствора NaOH^F даря двойной обработке целлюлозы едким натром с промежуточным отжир целлюлозы вымывается повышенное количество гемицеллюлозы и стане возможным использование целлюлоз с низкой степенью очистки (содеп" а-целлюлозы около 90%). Щелочная целлюлоза после двукратной мерсе» содержит 33—34% а-целлюлозы и 12—13% NaOH. Пониженное содержа» кого натра в щелочной целлюлозе обеспечивает снижение расхода сероуг.ъ- при ксантогенировании за счет уменьшения расхода CS2 на побочные реакц- свободной щелочью.
Применение такого метода мерсеризации целесообразно с точки зрениг номической и экологической, однако для внедрения процесса в промышле» требуется монтаж второй установки непрерывной мерсеризации, что на дейс. щих производствах практически нереально. Советскими исследователями в рс тие этого метода ведутся разработки по созданию процесса мерсеризацв, требующего коренного аппаратурного переоформления, с использованием пр>: рительиой пропитки целлюлозы в щелочи (активация) и деполимеризующи: -бавок на стадии непрерывной мерсеризации для снижения содержания вас полимерных фракций целлюлозы. Снижение расхода сероуглерода на ксан- пирование составляет При этом 20—25%. В ближайшие годы усовершенс ванные процессы непрерывной мерсеризации найдут применение в промыг пости.
СОДОВАЯ СТАНЦИЯ
Содовой станцией называется вспомогательный цех завод скозного волокна, где приготавливается мерсеризационный твор и очищается отработанный раствор с целью возврата с производство.
На содовой станции производятся следующие операции.
приемка, хранение и отстаивание жидкого едкого натр растворение твердого едкого натра, приготовление конце ванного раствора щелочи (450 г/л NaOH) и осветление его, f
очистка (фильтрация или отстаивание) отработанно . твора щелочи и приготовление мерсеризационного раствор ’
очистка отжимного раствора едкого натра от гем ^ лоз (диализ, регенерация) и получение регенерирование лизной) щелочи;u кп—^'
приготовление раствора щелочи (концентрацией о ^ для растворения ксантогената целлюлозы (для получен ЗЫ).яН11^
Схема циркуляции растворов щелочи на содовой сТ ejc’’ проведении мерсеризации в аппаратах непрерывного
. Схема циркуляции раствора щелочи на содовой станции при мерсери- целлюлозы на установках непрерывного действия:
|ЦИН " „пентоиоованных растворов щелочи: 2 —бак для отработанной щелочи, отфиль- ■-бак для ко“и г волокон целлюлозы: 3 —бак-мерсернзатор: 4 — устройство для отжима •^ованнои от мю. 5_gaK для отжимной и промывной щелочи: 6 — вакуум-фильтр: 7 —бак
елочной цел. растворительной щелочи: 8 —бак для сбора дналнзной щелочи: 9 — диали- 14 пр^_бак для приготовления рабочей щелочи; // — бак для хранения рабочей щелочи.
риведена на рис. 6.4. Схема содовой станции может изменяться г зависимости от устанавливаемой аппаратуры и технических требований к растворам щелочи.
6.2.1. Приготовление мерсеризационного раствора щелочи
Помимо точного выдерживания концентрации приготовляемых растворов особое значение имеет их тщательная очистка и освет- К'ние. В практике работы заводов вискозного волокна наиболее ■ 1сто применяют комбинированный метод осветления растворов— '■стаивание и фильтрацию. Концентрированный раствор едкого ира обычно отстаивается, а отстой для уменьшения отходов ед- ■1,го натра фильтруют.
" заводе твердый едкий натр растворяют, изготовляя кон- акой Р°ванный РаствоР> содержащий 450—500 г/л NaOH. При 6oiee ^0НцентРаЦии достигается лучшее отстаивание щелочи и Зримость УДаление солей> в частности NaCl и Na2CO3, рас-
Жнткнй КотоРЬ1х в таком растворе весьма незначительна.
Равняя пегрнДКИИ НЗТР 1®^—^50 г/л) обычно отстаивают, не раз- На некотопРИРОВаНН°й Щ'ел°чью до концентрации 450—500 г/л.
С:Р01пе.-1ьствс> Х Зав?дах ДЛя уменьшения затрат на капитальное ?им небом ПЛЖНДКИЙ натР хранят в больших баках под откры- /кРывают матям пРедотвРаЩения замерзания едкого натра баки ^кон цМе10тся 1 и из стеклянной ваты или шлаковаты. Внутри <MJ!.ePaTypy едкогаР°ВЬ1е змеевики’ позволяющие поддерживать
ВЬ™е Т°ЧКН кРИСталлиз™'
иго Раствора п И РаствоР Щел°чи приготовляют из отрабо- утем добавления к нему концентрированного и
регенерированного растворов NaOH. Предварительно от ный раствор отстаивается или фильтруется.Ра®°т^
Приготовление мерсеризационного раствора начинается чи в бак расчетного количества концентрированной отраб С "-- и регенерированной щелочи. Полученный раствор перем °ТаН: при помощи насоса, который забирает жидкость из бак1^ нижний штуцер и подает ее через верхний штуцер. Перемет 4t продолжается 1—1,5 ч, после чего определяют коива»?65 NaOH в баке.
Ниже приведен пример расчета добавок щелочи.।
. В бак емкостью 180 м3 введено 120 м3 отработанного раствора держащего 218 г/л NaOH. Необходимо приготовить 168 м3 мерсеризап04’ раствора концентрацией 225 г/л NaOH. Определить, сколько требуется л? концентрированной н регенерированной щелочи, если концентрация NaOH ветственно равна 480 и 80 г/л..'
Для решения этой задачи составим уравнения, обозначив буквами Л £ Г и Км, Ко, Кк, Кт соответственно объем (в м3) и концентрацию (в г/л) V- ризационной, отработанной, концентрированной и регенерированной щелочи'
Общий объем рабочей щелочи:
Л—5+В+Г
Количество NaOH в баке:
1000 • АКМ = (5Л® + ВКк + ГКр)-1000
В этих двух уравнениях известны все значения К (концентрации). Неизк: ными являются только величины В и Г, т. е. количества концентрирован регенерированного растворов щелочи. Следовательно, имеем систему уравнен с двумя неизвестными.
Решая совместно эти уравнения, получим:
„ АКМ - БКо - (Л - 5) КР
Кк-Кр
И подставляя числовые значения, находим: „168-225— 120-218 -(168 — 120)-803
—^—^=19.5 мз
Г = 168 - 120 - 19,5 = 28,5 м3
Итак, следует добавить 19,5 м3 концентрированной щелочи и 28,5 м Тарированной.. |;
твору дают отстояться.твору дают отстояться.После каждого добавления щелочи раствор перемешивают в течение , Если анализ подтвердит, что концентрация в баке соответствует задай
твору дают отстояться.
твору дают отстояться.
Аналогичным образом приготовляют щелочь для РаСТ®3 ксантогената целлюлозы. Концентрацию раствора выбираю ^ ким расчетом, чтобы при растворении ксантогената не на . добавлять воду. На большинстве заводов вискозного воле pi бую щелочь для растворения ксантогената готовят из рег ванного раствора.ще’
В настоящее время процесс приготовления раствор ^ определенной концентрации автоматизируется. Для эт°г ери’; зуются различные смесители, снабженные контрольно-и ^еСйц- ными и регулирующими приборами. Один из таких
«гтпукиии представляет собой отрезок трубы дна- псТейшей к0Н дЛИной 1,5—2 м, снабженный тремя штуцерами,-
^ оМ 200 мм и' ^ щел0Чи и воды и тремя пластинками с ’ ^ подвол3 , Ями расположенными под разными углами ^одольны*1” Пооходя через решетки, раствор хорошо перемеши- руг К ДРУГУ- „изводстве после смесителя устанавливается плот- .^тся. На ПР подается команда на регулирующие клапаны Умер, от Koiopui 5?и растворов.
Отстаивание и фильтрация растворов щелочи
осветления растворов, применяемых для мерсеризации Для ы и растворения ксантогената, необходимо, чтобы они
"стоялись Для более полного осветления или ускорения процес» , растворы фильтруют.
Растворы отстаивают в высоких баках, дно которых для более того и экономичного (с минимальным количеством рабочего детвора) удаления осадка делается коническим.
: ‘ в рабочем растворе щелочи осадок состоит из гидратов солей делеза, кальция, алюминия и целлюлозных волокон, поступивших с'отработанной щелочью. В концентрированном растворе едкого натра осадок состоит из NaCl, Na2CO3 и других неорганических солей, содержащихся в исходном растворе.
Продолжительность отстаивания зависит от плотности раствора и высоты бака. Количество спускаемого раствора с осадком iотстоя) составляет 1—1,5 м3 на 100 м3 раствора^
Для уменьшения потерь NaOH с отстоями при очистке растворов и ускорения процесса растворы иногда подвергают сепарации,
Отработанную и отжимную щелочь фильтруют главным обра* ом для удаления из них волокон целлюлозы. Это особенно необ- одпмо при непрерывной мерсеризации, так как содержание цел-
■ юлозных волокон в щелочи достигает 1—2%.
foi еЛ0ЧЬ ФильЗРУЮт через сетку с мелкими отверстиями. Для ра^Ч Т™ЬН0Й очистки щелочь фильтруют на рамных фильт- намывЧные3фТКаНЬ ХЛ0РИн’ с Уплотнением рам резиной) или через ловый°жиИЗ РазновиДностей намывного фильтра является асбе- Уг°.1ьныйсЬТР’ представляющий собой четырехгранный прямо- истовые (ЬиЛЬН0И РезеРвУаР с закругленной верхней частью. Аспиде шарообояТрЫ’ Работаюшие под давлением, выполняются в дверцу, вставлН0Г° РезеРвУаРа- При зарядке фильтра открывают •свыми сеткамЯЮТ веРтикальные рамы с натянутыми на них нике- •"юй асбестя На КОт°рые после сборки фильтра намывается
В бачок, устедующим способом.
,1енный асбесттановленньш рядом с фильтром, загружают измель- За-1ивают раствРаСЧеТЗ ^ г на 1 м3 фильтрующей поверхности
хОпельиУ1° пипкипР°М щелочи- Включают насос, вымывая прину- ,ОШо РазмещеУн дЦИю Раств°ра с асбестом. Когда асбест будет
Щелочи, образующуюся взвесь переключением
кранов направляют в корпус фильтра. Асбест оседает и .образует равномерный фильтрующий слой, а Щелочь 3 CeT,!5‘ через выходной штуцер. При эксплуатации фильтра асбе^3'^' няется, поэтому через определенные промежутки его см СТ 3at? промывают.няют"
Фильтрующие рамы (24 штуки) установлены друг от расстоянии 30 мм и связаны между собой трубами для етс?^ трата. Общая фильтрующая поверхность рам составляет ^V
Скорость фильтрации зависит от загрязненности фИльb' жидкости и составляет для отработанной щелочи и отжимно1'7 твора соответственно 0,8—1 и 0,6—0,8 м3 на 1 м2 фильтп^ поверхности.
Регенерация едкого натра
В процессе работы в растворе щелочи накапливается зц- тельное количество гемицеллюлоз, которые вымываются из‘ люлозы при мерсеризации.
При наличии большого количества гемицеллюлоз в мерсер. ционной щелочи ухудшаются условия ксантогенирования. О' зуются клейкие ксантогенаты, из которых получается плохо фи руемая вискоза. Кроме того, вырабатываемые из такой вио нити характеризуются пониженными механическими показателе Поэтому максимально допустимое количество гемицеллюлоз в : лочи строго регламентируется. Например, при производстве к копрочной кордной нити (при периодической мерсеризации) держание гемицеллюлоз не должно превышать 5—7 г/л, а при г.: изводстве текстильной нити и упрочненного волокна —10—15:
При мерсеризации целлюлозы в горизонтальных прессах яс гелем основного количества гемицеллюлоз является отжим: щелочь, которая прежде чем поступить на приготовление мк ризационного раствора должна пройти очистку — диализ. При: прерывной мерсеризации на диализ направляется часть отрг: тайного раствора.
Метод диализа описан на диффузии щелочного раствора ’е полупроницаемую перегородку (мембрану), которая пропуск только вещества с молекулами небольших размеров (напр> ионы Na+) и не пропускает соединения с большими молекр- (например, гемицеллюлозы). Щелочь диффундирует в чисТ% ду или очень разбавленный раствор NaOH. Поэтому в ре3У' диализа получается разбавленный раствор щелочи.,,
В качестве мембраны для диализа применяют спет* - хлопчатобумажную ткань (диализаторную ткань или бязь/^ варительно обработанную 19%-ным раствором хлорид3 g- Для диализаторов каменного типа применяют пергамент : мышленности химических волокон организовано в послеД г: мя получение еще одного вида мембран — поливинил у пленки, армированной капроновой тканью. Капроновую J ^ крывают поливинилацетатной дисперсией, сушат и зате-
.диализатор. бка для слива ' Ливой щел ™ 5-трубка для подачи ^ = " ДЛ^ДИ^
_ раствором борной кислоты для придания пленке водостой- j®a” указанные мембраны обладают большим сроком службы, ^мембраны, обработанные хлоридом магния.
^Аппараты для диализа щелочи носят название диализаторов, я0рые по конструкции подразделяются на рамные и камерные. Рамный диализатор представляет собой прямоугольную пробку размером 3200 X 1600 X 1260 мм или 3200 X 2100 X <1260 мм, в которой заключено несколько рам, обтянутых тканью. Аппараты изготовляются с 30 и 50 рамами. Поверхность каждой :амы с двух сторон составляет: 3X2 = 6 м2. Следовательно, обман поверхность диализа в первом аппарате равна 180 м2 во вто* ом — 300 м2.
Схема работы рамного диализатора показана на рис. 6.5. От« пиная щелочь через воронку 1 и трубку 2 поступает на днодиа- озатора, заполняет коробку аппарата, омывает диализатооные рамы с наружной стороны и через переливной штуцер 4 ухолит н канализацию.к 1 А
раму (в мешок из диализаторной ткани) че- IU трубку 5 непрерывным потоком поступает умягченная вода, ко-
i КИПУi КИПУгорая заполняет полость мешка и через нижний штуцер, жениып в противоположном конце в нижней части рамы, по тру не 3 выходит из аппарата.
i КИПУ
i КИПУ
Отжимная щелочь, поднимаясь со дна аппарата, омывае с ружи диализаторные рамы и, пройдя через диализаторную ткань, соприкасается с потоком воды, который движется навстречу от- жимной щелочи с внутренней стороны рамы. Ионы натрия диффундируют через диализаторную ткань и поглощаются водой. Этот процесс протекает на всей поверхности диализаторной рамы.
Вода поглощает проходящие через мембрану ионы натрия, и ’бразуется слабый раствор щелочи, который вследствие большой ‘•Юности опускается на дно и выходит через трубку 3 из аппара- . ' Р°х°Дя через диализаторную раму, вода насыщается едким Gm0M’ И конвентрация раствора непрерывно возрастает. Таким 1 ПОтоки воды и щелочи в диализаторе движутся по прин- •очй Р°ТИвс)тока. Регулируя скорости поступления отжимнои ще- >.ой Кп.В0Аы’ ^жно получать регенерированную щелочь различ- :ка»ь пГНтРа1<ии- Нри эксплуатации аппарата диализаторная ’•Дочают тепенно разрушается. Пришедшую в негодность раму вы- Рядки: когч Ра$Оть1- Целиком аппарат останавливают для переза-
Аа из строя выходит 20—30% всех рам.
"WH
Количество впускаемой чистой воды и отжимной щел веряют по секундомеру. От регенерированной и канализ °'"’ щелочи отбирают пробы и направляют на анализ в лабо3^01
Срок службы диализаторной ткани на основе MgQ ^ат°' шой (12 месяцев), так как в щелочной среде под действие^ рода воздуха она довольно быстро разрушается.‘ к?
Камерный диализатор по внешнему виду похож ный фильтр-пресс; на станинах, скрепленный двумя больши??. тами, установлены рамы особой конструкции. Работает п И же принципу, что и рамный, но отличается от него kohctdv' и материалом мембран. Мембраны камерного диализатора-■ товляют из материалов, имеющих меньшую механическую г ность, чем диализаторная ткань, но обладающих значительн' лее высокой производительностью (пергамент, марлин).
Мембрану закрепляют между рамами диализатора, кот- плотно стягивают зажимным винтом. Через ушки рам посп- отжимная щелочь, она омывает поверхность мембран и залог -через одну камеры аппарата, образованные рамой и мембрана " С противоположного конца в аппарат подается вода. Она г же заполняет камеры через одну (четные) и, насыщаясь щело через ушки рам выходит из аппарата. Таким образом, каг мембрана с одной стороны омывается щелочью, а с другой-", дой.
Мембраны, применяемые в камерных диализаторах, облал очень высокой производительностью по сравнению с диализат ной тканью. Имея меньшую поверхность мембран, камерные ализаторы по производительности не уступают рамным. Оде: камерные диализаторы менее распространены из-за сложности готовления.
Производительность диализатора по регенерированной щелочи (в г/ч) к . рассчитать по формуле
G =■ kF АСср где к — коэффициент диализа; при разности концентраций щелочи 1 г/л№- лизаторной ткани к составляет 0,8—1,5 л/(м2-ч); F— поверхность диализ: ДСср — средняя разность концентраций щелочи по обе стороны диафрагмь (АССр обычно составляет 65—75 г/л).
Для предварительных подсчетов можно пользоваться следующими м - о производительности диализатора, т. е. о количестве чистого NaOH (вЦ,. рое можно получить в производственных условиях с 1 м2 поверхности А за 1 ч:
Рамные диализаторы с мембранойок-50
из ткани типа «палатка»inn—12®
из бязи, обработанной раствором хлорида магния . • 1^2150 из тканн с поливинилацетатной пленкойио—15®
■ Камерные диализаторы с мембраной из пергамента . . • 1 j
Техника безопасности
Едкий натр, попадая на кожу, может вызвать тяжел^епрС; и язвы; попадая в глаза — привести к потере'зрения. 1 jP ^ жительном вдыхании воздуха (тумана), содержащего м
наблюдается сильное раздражение слизистои капелькиьНЫх путей.
^о,чочки ДЬ1Х ‘ систематического соприкосновения кожи со Ще-
В РезультавОЗИИкнуть дерматит или экзема. Поэтому рабочие, ючью ^жетплОВОй станции и периодически соприкасающиеся с занятые на e°^Q4H (СЛИВ концентрированной щелочи, обслужи растворами шзационных прессов> ремонт щелочных трубопрово ванне мерсер обязаны применять защитные средства: резиновые дов •' т- дяртуки сапоги и специальные защитные очки. Поме- перчатки, ф Р^од’ятся работы с едким натром, оборудуются вы- вентиляцией.
1Я*нои яопадании раствора едкого натра на кожу следует немед- промыть водой поврежденное место. Более эффективен для '1еН-Н°цели раствор хлорида аммония или 5%-ный раствор хлорида эт0” при попадании раствора едкого натра в желудочно-кишеч- Ц"й тракт следует немедленно выпить разбавленный раствор уксусной кислоты. Если его под рукой не окажется, следует выпить ботьшое количество воды и немедленно обратиться к врачу. Хорошим противоядием против щелочи, попавшей внутрь организма является белок куриного яйца.
ИЗМЕЛЬЧЕНИЕ ЩЕЛОЧНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ
После мерсеризации и отжима щелочная целлюлоза подвергается измельчению для увеличения скорости проникновения (диффузии) сероуглерода к целлюлозным волокнам при проведении последующего процесса — ксантогенирования. При этом ускоряется реакция этерификации и повышается однородность получаемого ксантогената целлюлозы. Если исключить из технологического процесса операцию измельчения, то этерификация из-за уплотненности отжатой щелочной целлюлозы будет идти медленно и неравномерно.
Степень измельчения можно установить путем определения на- пнои плотности и величины активной поверхности.
«атепСЬ1ПН°й плотностью называется масса свободно насыпанного тем меЗЛа В единИце объема. Чем больше степень измельчения, сыпнаяНпШе насыпная плотность (до определенного предела). На- йзмельчен°ТН°СТЬ Х0Р0Ш0 измельченной щелочной целлюлозы при действия ? 66 В измельчителях периодического и непрерывного насыпная п 3 СООтветственно 180—210 и 80—120 кг/м3. Однако 0 величине Л°ТИ0СТЬ«не дает пРеДставления о равномерности, т. е. Зателя пРимаКТИВН0Й ПОвеРхности. Для установления этого пока- азаимОдейеВяется мето„д’ основанный на определении скорости । Леииовая Я Т°ЧН0Й целлюлозы с серной кислотой (фенол- ^^TenX-.W). К Юг щелочной целлюлозы приливают ^ещивации ЛГ1йВОды и Несколько капель фенолфталеина и при по- Змельчении спуВЛЯ1?^ $0 мл 1 н. серной кислоты. При тщательном
Устя 150 с от начала приливания кислоты остается
лишь небольшое число красных точек, которые полностью зают через 300 с. Чем равномернее измельчена щелочная Йс^ лоза, тем быстрее она обесцвечивается.Чед^^
Наряду с изменением формы материала при измельчени исходит окислительная деструкция макромолекул целлюлозы ^ лородом воздуха в щелочной среде, приводящая к уменьшКис' молекулярной массы (степени полимеризации) целлюлозы пушению содержания гемицеллюлоз и понижению вязкости прял ного раствора. Вследствие энергичного перемешивания проц деструкции целлюлозы при измельчении протекают значите^' . интенсивнее, чем во время предварительного созревания ще?: ной целлюлозы.‘ 1
При небольшом повышении температуры в измельчителе в кость вискозы понижается резче, чем при более значительном п3' вышении температуры в камере предсозревания. Поэтому ^ пературу при измельчении рекомендуется выдерживать с точнр стью до ±0,25°C.
Температурные условия измельчения выбираются в зависимо, сти от ряда факторов, в частности от продолжительности пред, варительного созревания щелочной целлюлозы (предсозре- вания).
’ В измельчитель непрерывного действия отжатую щелочную целлюлозу нельзя подавать без предварительного разрыхление Это объясняется тем, что, с одной стороны, неудобно транспорте, ровать и загружать в небольшое загрузочное отверстие такого иг мельчителя сравнительно крупные куски отжатой щелочной не? люлозы, с другой — трудно осуществить равномерность подачи к кой малосыпучей массы. Неравномерная загрузка массы в аппарг непрерывного действия приводит к неравномерному измельчени и к непостоянству температуры измельчения, вследствие чего № лочная целлюлоза созревает неодинаково. При равномерной не- прерывной загрузке щелочной целлюлозы при помощи дозирут щего приспособления температура обычно повышается незначительно (на 2—3°С).
Измельчитель непрерывного действия. Как уже отмечалось, Д-ъ обеспечения равномерной подачи щелочной целлюлозы в измерь читель непрерывного действия ее необходимо предварительь разрыхлить. Для этого щелочная целлюлоза подается в разрых- тель, который оборудован быстро вращающимися валами с образными зубьями. Материал захватывается зубьями и Р3^ вается на куски длиной 50 мм. Из разрыхлителя щелочная ие--^ лоза поступает в распределительные трубы, перед которыми У^. новлен магнитный улавливатель. При случайном попада»^, щелочную целлюлозу металлических предметов магнит пр вает их, что предохраняет измельчитель от повреждения. ц1;
В качестве непрерывных измельчителей применяют н6*4^; Принцип работы мельницы основан на растирании частиН тр. двумя шайбами с зубьями, расположенными в виде коН^а в? ческих колец на внутренней поверхности шайб. Одна ша
Рис 6.6. Измельчитель непрерывного действия типа «мельница»:
загрузки предварительно разрыхленной щелочной целлюлозы: 1—неподвнж- 'З^ДДвпащающпйся нож: 4 — верхний неподвижный диск: 5 —нижний вращающийся скоепленный на чугунной станине: 6 — маховички для регулирования расстояния между дисками-7—резьба для перемещения неподвижного Диска; 8 —электродвигатель.
подвижна, другая вращается; зубья на шайбах действуют как ножницы.
Устройство измельчителя непрерывного действия (мельницы) показано на рис. 6.6. Щелочная целлюлоза разрывается на мелкие куски между неподвижными и вращающимися ножами 2 и 3, падает вниз и растирается между неподвижным и вращающимся дисками 4 и 5, имеющими насечки. Зазор между дисками определяет степень измельчения материала и может регулироваться. Измельченный материал падает вниз и через нижние отверстия в измельчителе попадает в бункер, установленный под измельчителем, и °Щда поступает на транспортерную ленту, которая доставляет в камеру предсозревания.
дяшеГСЫПНая ПЛ0тН0сть измельченной щелочной целлюлозы, выхо- 120 кг/м’ аппаратов непрерывного действия, составляет от 80 до Щелочная 1осколькУ ПРИ такой насыпной плотности измельченная 0тветствуюЦеЛЛ10А03а занимает слишком большой объем, не социальные я^ц11 объемУ ксантогенатора, часто устанавливают спе- п°льзованы „а^аты для ее уплотнения. Для этого могут быть ис- к°сти (напРимеоЛИИТеЛИ пеРиодического действия большой ем- Щий партию п еР’ изм„ельчитель на 600 кг целлюлозы, уплотняю- У мин). ИногдеЛОЧН°й целлюлозы массой 1800 кг в течение 30— ах Для ппрпгЛ РЫХЛУЮ щелочную целлюлозу уплотняют в тру-
5«tTb ИзмельчитрРеааНИЯ’ снабженных шнеками. Производитель- Vcvt. леи непрерывного действия (по волокну)— 15—
ДелДюлозь,Х„^прерывной мерсеризации измельчители щелоч- вмонтированы в агрегат.
ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЕ СОЗРЕВАНИЕ ЩЕЛОЧНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗ^
Щелочная целлюлоза имеет высокую степень полимер поэтому вязкость полученных из нее вискоз будет высокИЗа11’ снижения степени полимеризации щелочную целлюлозу ВЬЛ ^ вают при определенной температуре продолжительное вре^Ч' процесс называется предсоэреванием.1 я-^
В результате предсозревания вязкость растворов целл значительно снижается вследствие окислительной деструкци* макромолекул (уменьшения длины цепей), происходящей " влиянием кислорода воздуха.7
Регулирование вязкости щелочной целлюлозы осуществля изменением продолжительности предсозревания и температуры', акционной массы. При повышении температуры скорость окис тельной деструкции щелочной целлюлозы возрастает, при п№ жении — уменьшается.
Процесс деструкции протекает во времени, что дает возмо ность получить нужную степень полимеризации целлюлозы пуп изменения продолжительности предсозревания.
Теплопроводность щелочной целлюлозы очень мала, поэтоу изменить ее температуру путем изменения температуры окруж ющей среды в короткий срок невозможно. Измельчение дает вс: можность задать щелочной целлюлозе нужную температуру, кот рая поддерживается в заданных пределах в процессе предсозрев: ния. Скорость окислительной деструкции щелочной целлюлоз зависит от многих факторов. Деструкция протекает быстрее п; более интенсивном отжиме после мерсеризации, при переметив: нии и пересыпании ее во время предсозревания; в присутствЕ оксидов железа, солей кобальта и марганца. Окислительная з струкция целлюлозы проходит не только в процессе предсозрев: ния; она начинается в момент соприкосновения ее с кислородом щелочной среде, т. е. при мерсеризации.
Степеньполимери-зации800-ЮООСтепеньполимери-зации800-ЮОО750-900750-900600-700 700-850 450-550 350—4°° 350-400 ЗОО-З50600-700 700-850 450-550 350—4°° 350-400 ЗОО-З50Ниже приводятся данные, характеризующие изменение степе: полимеризации целлюлозы на отдельных этапах технологическс процесса производства вискозного волокна;
Степеньполимери-зации800-ЮОО
Степеньполимери-зации800-ЮОО
750-900
750-900
600-700 700-850 450-550 350—4°° 350-400 ЗОО-З50
600-700 700-850 450-550 350—4°° 350-400 ЗОО-З50
Исходная целлюлоза (сульфитная) После процесса мерсеризации измельчения в аппарате периодического действия в аппарате непрерывного действия предсозревания ксантогенирования. •
созревания вискозы ...... .. •
Волокно
Из приведенных данных следует, что наиболее 3H^g пГ1 степень полимеризации целлюлозы снижается в проМе созревания,
„„,,-Рга Известны три процесса предварительного Параметры проиес
гпЗРевания:атурный — 20—22°C, продолжительностью 50—
I Низкотем* v ^ СОВременных заводах почти не применяется.
70 ч' саТднеРтемпературный — 30—35 °C, продолжительностью ^Высокотемпературный - 50-60 °C, продолжительностью 2-4 ч' л ния температуры в процессе предсозревания не должны
К°лебаН+0 2°С так как ДрИ измеиеиии температуры на 1 °C превышать - -^ оСОбенно при двух последних режимах, изме-
вязкость
няется на е годы в связи с повышением мощностей предприя- “ "сводятся исследовательские работы по интенсификации тех- ТНИ гических операций, в том числе и операции предсозревания. ^постигается повышением температуры процесса и созданием аратов которые позволяют точно выдерживать установленные параметры технологического процесса, быстро повышать и понижать температуру щелочной целлюлозы.
В ряде вновь разработанных процессов, например при получении полинозного волокна, процесс предсозревания щелочной целлюлозы практически отсутствует, т. к. в волокне необходима высокая степень полимеризации целлюлозы. При использовании низковязкой целлюлозы также процесс предсозревания может быть исключен, особенно с применением деполимеризующих добавок, таких как CoSO4, MnSO4 и других. Использование указанных солей, ускоряющих окислительную деструкцию щелочной целлюлозы, уже нашло широкое применение в промышленности, особенно при получении целлофановой пленки и при проведении процесса мерсеризации в аппаратах ВА.
Способы предсозревания. Процесс предсозревания щелочной целлюлозы осуществляется в бункерах, на пластинчатых транспортерах, во вращающихся трубах и трубах со шнеками.
На Редсозревание в бункерах (вертикальных шахтах). 5 „з"^* производствах применяют бункеры емкостью от 3—' •ноюзТ нескольКих десятков кубических метров. Щелочная цел- тРаиспоо°СЛе измелЬчИтелей системой транспортеров или пневмо- предсозпева°В пеРеДается в бункеры, установленные в камере транспортн ННЯ’ 3 ™ 0К0Нчании процесса при помощи аналогичных
Темпера™ ^стР°пств она направляется в ксантогенатный цех. при более вь Я В- камеРе не должна быть выше 30°C, так как •'!1|еньшеНия пп°К°Й темпеРатуре ухудшаются условия труда. Для вРемя предсозптеРь тепла бункеры снабжают теплоизоляцией. Во Ре повышаетса ВаНцЯ температура щелочной целлюлозы в бунке- Зен,*и Реллюлозы3 вследствие выделения тепла при окис- Уд отв0 ^Нкера и кислородом воздуха. Бункер разгружается сни- ^>Ках котопРеДСТаВЛЯет собой открывающийся вниз затвор, ■‘юлоза. Зат Р°г° ле>кит вся загруженная в бункер щелочная
Р открывают ручным червячным механизмом, и
Рис. 6.7. Схема прохождения щело„ . лозы в процессе предсозревания на™11 трехъярусном транспортере:аьчтОч;
33щелочная целлюлоза высыпается ленту движущегося транспортераПредсозревание на п стинчатых транспорте^; При этом способе измельченная м- са транспортерной лентой и ковшов^ элеватором подается на пластинчат происходит предсозревание щелочнг:щелочная целлюлоза высыпается ленту движущегося транспортераПредсозревание на п стинчатых транспорте^; При этом способе измельченная м- са транспортерной лентой и ковшов^ элеватором подается на пластинчат происходит предсозревание щелочнг:/ — бункер для загрузки щелочной целлш соответственно первый, второй и третий яо °3ь,: ^ кер для выгрузки щелочной целлюлозы РУСЬ|: 5"(
3
3
щелочная целлюлоза высыпается ленту движущегося транспортера
Предсозревание на п стинчатых транспорте^; При этом способе измельченная м- са транспортерной лентой и ковшов^ элеватором подается на пластинчат происходит предсозревание щелочнг:
щелочная целлюлоза высыпается ленту движущегося транспортера
Предсозревание на п стинчатых транспорте^; При этом способе измельченная м- са транспортерной лентой и ковшов^ элеватором подается на пластинчат происходит предсозревание щелочнг:
транспортеры, на которых
целлюлозы. Ковшовый элеватор поднимает и передает щелочу целлюлозу на ленточный транспортер с распределительной ворон кой, установленной над верхним пластинчатым транспортер^ Эта воронка распределяет щелочную целлюлозу равномерно г
всей ширине пластин транспортера.
Пластинчатый транспортер представляет собой ленту, состав ленную из стальных пластин и движущуюся при помощи ведут? барабанов, установленных в торцах ленточного транспортера. А- парат для предсозревания состоит из нескольких транспорт лент, расположенных одна под другой и движущихся навстре? друг другу (рис. 6.7). Торцы пластин каждого транспортера з: креплены в цепях, передвигающихся по направляющим звезде- кам. Скорость движения транспортерных лент можно регулир вать, что позволяет изменять продолжительность предсозреванн: Для предотвращения подсыхания щелочной целлюлозы ; транспортерах вся система транспортерных лент монтируется специальных камерах, где температура поддерживается в задг ных пределах, а влажность воздуха — около 90%.
Тщательное соблюдение установленных параметров являет обязательным условием получения кондиционного продукта. Нес ходимо следить за чистотой пластин и цепей транспортера, нас торые могут налипать частицы щелочной целлюлозы. Подсс'11; остатки щелочной целлюлозы при повороте ленты транспорте отваливаются и, падая на созревшую щелочную целлюлозу,; грязняют ее. Это приводит к ухудшению растворимости пол. ■ мого в дальнейшем ксантогената целлюлозы.
Щелочная целлюлоза насыпается на верхний трансп t слоем высотой от 0,5 до 1 м, поперечный срез которого пРе^; ляет трапецию. Иногда при темперировании щелочной це'^;- зы высоту слоя на верхнем ярусе значительно уменьшают, стигается увеличением скорости верхней ленты транспор ,, 5 раз. Однако это нельзя признать надежным методом TeMHV^ вания; целесообразнее доводить щелочную целлюлозу Д° ^ температуры в процессе измельчения или в специальных тах для темперирования.
В
леНТочных транспортеров сконструированы соврё-
, принципу л предварИТельного созревания щелочной цел- HnJe аппаппТ240-Ц в которых лента заключена в герметичную ’'ютозы^Аточное регулирование температуры и
каМеР"\.тиТ°Производительность таких агрегатов равна 25 т/сут по готовому в0^'^ьН0СТЬ пластинчатого транспортера (в кг/мин)
Пр° артся по формуле:
определяется по V рQ = Sop
поперечного сечення слоя щелочной целлюлозы на транспортер- где S — плошав _ скорость движения транспортера, м/мин; р —насыпная плот- ^^шезочнон целлюлозы, кг/м3.
Чем больше скорость транспортера, тем выше производительность аГРПрТеД созревание во вращающихся трубах. Из цеха измельчения щелочная целлюлоза при помощи транспортера кт пневмотранспортера непрерывно поступает в систему вращающихся труб для предсозревания. Труба диаметром 2,7 м н длиной от 30 до 40 м установлена с наклоном в Г и снабжена водяной рубашкой. Благодаря наклону щелочная целлюлоза при вращении трубы постепенно перемещается по направлению к выходу. Труба вращается с шестью различными скоростями (от 4 до 6об/мин). Труба получает вращение от электродвигателя, который через клиноременную передачу приводит в движение редуктор с цилиндрическими шестернями. На вал редуктора жестко насажена шестерня, приводящая во вращение цевочный венец, закрепленный на трубе.
Труба вмещает до 30 т щелочной целлюлозы. Увеличивая скорость вращения трубы, можно соответственно сократить продол- *2—е24Ьч°СТЬ процесса Цредсозревания щелочной целлюлозы до
За трубой для предсозревания устанавливается более вращающаяся труба для темперирования. В ней,щелочная ц лоза охлаждается до температуры, при которой начинается пр иесс ксантогенирования. Наиболее распространены следующ е температурные режимы: в первой трубе —от 20 до 40 С; на выходе из второй трубы —от 18 до 27°С в зависимости от начальной 'е.мпературы ксантогенирования. Циркулирующая в трубах вода, подогреваемая или охлаждаемая в теплообменниках, создает трубах требуемый температурный режим.
'ЧНОЙ'ЧНОЙJaim ' 1 и 2Jaim ' 1 и 2“Релсозревание в трубах со шнеками. Вращаю- ся трубы, несмотря на ряд преимуществ имеют существенный <таток занимают слишком большую площадь. Кроме того, " трхбы и система транспортеров требуют помещения высо- ынтк^^ ? м- В связи с этим на заводах для предсозревания Целлюлозы используют аппараты, устройство которых Да рис. 6.8. Аппарат состоит из двух неподвижных • Установленных одна над другой. Обе трубы снабжены
'ЧНОЙ
'ЧНОЙ
Jaim ' 1 и 2
Jaim ' 1 и 2
Рис. 6.8. Схема двухтрубного аппарата с планетарно-вращающимися шнека», /—верхний барабан; 2—нижний барабан; 3—центральный вал; 4—скребки; 5 и 6-ш-- 7—отсекающий диск; 3—коробка подшипников; 9—шлюзовой дозатор; 10—разгрузок патрубок; // — патрубок, соединяющий верхний и нижний барабаны.Рис. 6.8. Схема двухтрубного аппарата с планетарно-вращающимися шнека», /—верхний барабан; 2—нижний барабан; 3—центральный вал; 4—скребки; 5 и 6-ш-- 7—отсекающий диск; 3—коробка подшипников; 9—шлюзовой дозатор; 10—разгрузок патрубок; // — патрубок, соединяющий верхний и нижний барабаны.
Рис. 6.8. Схема двухтрубного аппарата с планетарно-вращающимися шнека», /—верхний барабан; 2—нижний барабан; 3—центральный вал; 4—скребки; 5 и 6-ш-- 7—отсекающий диск; 3—коробка подшипников; 9—шлюзовой дозатор; 10—разгрузок патрубок; // — патрубок, соединяющий верхний и нижний барабаны.
Рис. 6.8. Схема двухтрубного аппарата с планетарно-вращающимися шнека», /—верхний барабан; 2—нижний барабан; 3—центральный вал; 4—скребки; 5 и 6-ш-- 7—отсекающий диск; 3—коробка подшипников; 9—шлюзовой дозатор; 10—разгрузок патрубок; // — патрубок, соединяющий верхний и нижний барабаны.
водяной рубашкой для нагрева и охлаждения. Верхняя тру служит для нагрева щелочной целлюлозы, нижняя труба-; охлаждения. Передвижение массы по трубам осуществляется г помощи планетарно-вращающихся шнеков, расположенных в кг- дой трубе.
Если на заводе работает установка непрерывной мерсери; ции, в аппарате рекомендуется поддерживать следующий рек
Верхняя труба
Температура щелочной целлюлозы на входе в аппарат, °C 40—50
Температура предсозревания, °C . . 50—60
Продолжительность процесса, ч1,5-2
Нижняя труба
Температура щелочной целлюлозы на выходе из аппарата, ]5—1б
Продолжительность охлаждения, ’
Ниже приводится техническая характеристика двухтрУ аппарата со шнеками;
Производительность аппарата (по готовому волокну), т '^^
Частота вращения шнека, об/мин . . . . 12 ’
Число электродвигателей 45
Мощность электродвигателя, кВт
ИМееТИМееТТРАНСПОРТИРОВАНИЕ ЩЕЛОЧНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ
ИМееТ
ИМееТ
Метод транспортирования щелочной целлюлозы значение для обеспечения равномерного процесса вания. Транспортирование щелочной целлюлозы
последние годы заменяется предприятиями на гпансПОртеРаД вания пневмотранспортом в трубах —ваку- ■пособ тра “ порным. Использование пневмотранспорта сокра- :мНым аЛ11 олСТВенный цикл, а главное, исключает неравномер- цает пРоИ^Ной целлюлозы по температуре и влажности, что аость ще eT0KV перемещения щелочной целлюлозы в слое на присуще м уПОрТере. Пневмотранспорт используется так же, ленточном о^лаждения щелочной целлюлозы после ее предсозре- каК =ПпСои повышенных температурах.
вания при мном пневмотранспорте применяются вакуум-на- Пркоторые создают разряжение в транспортирующих трубо- сосы, kui у 40—53 2 кПа, а при напорном транспорте —воздухо- проводах ^ должны обеспечить скорость воздуха в трубах 1УВКН> г
• 25—30 м/с.-
Производительность пневмотранспорта 5—8 т/ч по щелочной целлюлозе.
ПОЛУЧЕНИЕ И РАСТВОРЕНИЕ КСАНТОГЕНАТА ЦЕЛЛЮЛОЗЫ
Получение ксантогената целлюлозы
По окончании процесса предсозревания щелочная целлюлоза подвергается обработке сероуглеродом. При взаимодействии сероуглерода с целлюлозой образуется ксантогенат целлюлозы—сложный эфир целлюлозы и дитиоугольной кислоты.
Суммарная реакция образования ксантогената целлюлозы может быть представлена следующей схемой:
Г Z 1
(СвН10Об • NaOH)n + nCS2 СвН6О4ОС^ + пН2ОLSNaJn
В отличие от щелочной целлюлозы квантогенат растворим в разбавленной щелочи и даже в воде. Благодаря этому становится возможным перевести целлюлозу в раствор и осуществить впоследствии процесс формования волокна.
толнота реакции определяется степенью этерификации полу- анОго продукта, обозначаемой греческой буквой у. Так как то пп ГИдР°к9ИЛЬНЫх групп у 100 элементарных звеньев равно 300, При кс"01™^ (™мальной) этерификации целлюлозы у = 300. по№^,ТО'ениРовании в нормальных производственных условиях
Стернь ЫЧН° ПР°ДУКТ С Y = 50"70'
н°й, так к этеРиФикаЦии у является среднестатической величи- 3амешеНИа ? ПРИ РеаВДии никогда не происходит равномерного Помимо ИдРокси„ЛЬНЬ1Х групп.
тагенироВан°®ОВН0^ реакции этерификации целлюлозы при ксан- ^Да с еДКИм пРОтекают различные побочные реакции сероугле- т^нчх колиТР°М’ нахОдя*я в щелочной целлюлозе в зна-
КаРбонаты rnCCTBax" ^ результате этих реакций образуются став которых меняется в зависимости от условий
Проведения процесса (продолжительности, температурой шения сероуглерода и едкого натра и др.).’ *°°тцо.
В начальной стадии образуется сульфид натрия:
6ЫаОН 4- CS2 —> 2Na2S 4- Ма2СОз 4- ЗН2О
который взаимодействует с сероуглеродом:
ззNasS + CS2
з
з
Суммарная реакция взаимодействия сероуглерода с едкимром может быть изображена следующей схемой:8ат'
/SNa yONa
3CSi + 6NaOH —► 2C=S + C=O + 3H2O
Таким образом, основными продуктами, образующимисяпобочных реакциях, являются тритиокарбонат и карбонат натрия
Из вышесказанного следуют весьма важные практические вы воды. Во-первых, часть сероуглерода (20—30%) и едкого натра тратится нерационально на побочные реакции. Во-вторых, процес; ксантогенирования следует вести так, чтобы количество образующихся побочных продуктов было минимальным. При этом и только снижается расход сероуглерода, но и уменьшается вредность вискозного производства, так как значительная часть вредных газов, выделяющихся при формовании волокна, образует при разложении тиокарбонатов серной кислотой, находящей» в осадительной ванне:
Na2CS3 -f- H2SO4 -—--> H2S -f- CS2 -f- Na2SO4
Основными параметрами, определяющими степень этирифпкз ции и свойства получаемого ксантогената целлюлозы, являют» продолжительность процесса, температура, количество расходуемого сероуглерода и степень отжима щелочной целлюлозы. Эти факторы оказывают значительное влияние на ход дальнейшее технологического процесса и на качество готовой продукции.
Продолжительность процесса. Время, в течение которого веде-' ся процесс ксантогенирования, определяется необходимостью ® лучения ксантогената целлюлозы, полностью растворимого в вос или в разбавленном растворе щелочи. При прочих равных Ус виях в результате увеличения продолжительности HP0116^3^- известного предела) возрастает количество связанного ceP°L’r; рода. При этом повышается степень этерификации KCaHToreKT08 и увеличивается количество образующихся побочных нР'^Д^Ц а также понижаются средняя молекулярная масса ксант^ и вязкость получаемой вискозы. При увеличении продол ^ц ности ксантогенирования сверх предусмотренной у ксаи „е nPL понижается из-за постепенного омыления продукта. В нач ‘^у цесса степень этерификации быстро возрастает, поТ^015 да"*у ляется, и у ксантогената достигает своего максимума. 1 Р
яейшем увеличении продолжительности пеакпи, степенное понижение степени этерификации начинается по.Окончание ксантогенирования может быным путем: по изменению окраски полученн^п°Пределено косвен- н„я в аппарате, а также по времени от начя ™ Пр°ДУкта и давле- Белосвежная масса щелочной пелп^п пР°Цесса,тся "о6м™“-яейшем увеличении продолжительности пеакпи, степенное понижение степени этерификации начинается по.Окончание ксантогенирования может быным путем: по изменению окраски полученн^п°Пределено косвен- н„я в аппарате, а также по времени от начя ™ Пр°ДУкта и давле- Белосвежная масса щелочной пелп^п пР°Цесса,тся "о6м™“-затем оранжевый цвет. Однако интенсивность окраски про- обусловливается побочными продуктами реакции (тритио- и), поскольку сам ксантогенат бесцветен. Определятьзатем оранжевый цвет. Однако интенсивность окраски про- обусловливается побочными продуктами реакции (тритио- и), поскольку сам ксантогенат бесцветен. Определятьдукта
яейшем увеличении продолжительности пеакпи, степенное понижение степени этерификации начинается по.
Окончание ксантогенирования может бы
ным путем: по изменению окраски полученн^п°Пределено косвен- н„я в аппарате, а также по времени от начя ™ Пр°ДУкта и давле- Белосвежная масса щелочной пелп^п пР°Цесса
,тся "о6м™“-
яейшем увеличении продолжительности пеакпи, степенное понижение степени этерификации начинается по.
Окончание ксантогенирования может бы
ным путем: по изменению окраски полученн^п°Пределено косвен- н„я в аппарате, а также по времени от начя ™ Пр°ДУкта и давле- Белосвежная масса щелочной пелп^п пР°Цесса
,тся "о6м™“-
затем оранжевый цвет. Однако интенсивность окраски про- обусловливается побочными продуктами реакции (тритио- и), поскольку сам ксантогенат бесцветен. Определять
затем оранжевый цвет. Однако интенсивность окраски про- обусловливается побочными продуктами реакции (тритио- и), поскольку сам ксантогенат бесцветен. Определять
карбонатами,, конец реакции по окраске можно только при сохранении температурного режима процесса, так^как ксантогенаты, полученные при низких температурах (15 20°C), всегда имеют только светло- желтую окраску, а при повышенных температурах (3035°C) получается продукт темно-оранжевого цвета.;
Более надежно конец реакции определять по изменению давления в аппарате. Перед реакцией в аппарате создают вакуум в пределах 0,53—0,66 МПа. После впуска сероуглерода в результате его испарения создается повышенное давление По мере
вступления сероуглерода в реакцию давление падает, и к концу процесса в аппарате снова создается небольшой вакуум. Можно считать, что окончание процесса практически совпадает с моментом образования вторичного вакуума, величина которого устанавливается технологическим регламентом в зависимости от особенностей аппаратов.
Температура ксантогенирования сильно влияет на скорость процесса. При повышении температуры значительно возрастает скорость ксантогенирования щелочной целлюлозы, J. е. максимум этерификации может быть достигнут при меньшей продолжительности процесса, однако скорость омыления ксантогената при этом также увеличивается.
Установлено, что в интервале 20—30 °C максимальная степень этерификации при прочих равных условиях не зависит от температуры, а определяется только продолжительностью реакции (рис. 6.9).
Как уже указывалось выше, наряду с этерификацией при ксан- тогенировании протекают и побочные реакции. С повышением 1**еРатУРы УСК0Ряются все реакции. Однако температурный ко- ффициент этих реакций различен. Было установлено, что темпе- ипрРНЬ|й коэФфициент реакции этерификации выше температур- 2 коэффициента побочных реак- ксаНтп™вая это обстоятельство,и
пР°водитНьИР°ВаНИе целесообразноg
при повышенной темпе-
₽ис, 6.9. з ~~
^ьност"3^3И этериФикации
^Ных т пР°Цесса ксяпт V °Т пР°Должи-
tj totj to2020§ 50\-§ 50\-§ ад | зо§ ад | зо1°\О 7 2 3 U 5 6 7 8 9 10Продолжительность, ч -1°\О 7 2 3 U 5 6 7 8 9 10Продолжительность, ч -ТемператУраХ1 нтогениРования при
tj to
tj to
20
20
§ 50\-
§ 50\-
§ ад | зо
§ ад | зо
1°\
О 7 2 3 U 5 6 7 8 9 10
Продолжительность, ч -
1°\
О 7 2 3 U 5 6 7 8 9 10
Продолжительность, ч -
ратуре, но процесс следует прекращать тотчас после д0Ст необходимой степени этерификации, не переходя через ма^^ Таким образом можно избежать образования повышенног^^ чества побочных продуктов в ксантогенате. Распределени K°'1i!- углерода в интервале температур 20—30 °C следующее: в к Се,1с' генате 68—68,5%, в побочных продуктах 26,5—27%, в состоянии 3—5%.^^к
Учитывая экзотермичность реакции ксантогенирования пературный режим обычно выбирают таким образом, чтобы к Тй! ная температура была выше начальной на 5—7°C.0Не--
Иногда ксантогенирование начинают при более высокой пературе, но аппарат охлаждают. Однако это связано с больщ^ расходом холода. Если аппарат не охлаждать и начать ксанто'" пирование при 21 °C, вводя 40% CS2 от массы целлюлозы * к концу реакции температура повышается до 35 °C.' т
Количество сероуглерода, подаваемого в ксантогенатор, опое деляется видом вырабатываемого вискозного волокна. ’ р
При получении вискозных нитей и волокна обычно для полу, чения ксантогената су — 50—60 расходуется 32—36 % сероу» рода от массы исходной целлюлозы или 10—12% от массы ще. лочной целлюлозы. Для получения стабильных молодых вискоз используемых при выработке высокопрочных нитей, количеств, сероуглерода увеличивается до 40—43% от массы а-целл» лозы.
Поскольку сероуглерод является основной причиной вредност; вискозного производства, а снижение вредности — наиболее актуальной задачей совершенствования технологического процесс; получения вискозных волокон, снижению количества сероуглерод при ксантогенировании придается особое значение. Как показывают результаты научно-исследовательских работ, эта задач: может быть решена различными способами: повышением реакционной способности целлюлозы за счет ее активации раствора» аммиака, щелочи при пониженной температуре; введением процесса двойной мерсеризации или мерсеризации с предварительно- .пропиткой целлюлозы в расчетном количестве щелочи; приме® нием при мерсеризации деполимеризующих добавок; введен^' добавок при ксантогенировании, повышающих доступность лочной целлюлозы.д„
Сущность этих методов заключается в разрыве межмолек, г ных водородных связей в целлюлозе и, следовательно, новы растворимости низкозамещенных ксантогенатов целлюлозы. -, гим направлением снижения расхода сероуглерода яВ пс. уменьшение количества образующихся при ксантогенироваи бочных продуктов за счет снижения температуры ксантоге г^.- ния, а также за счет проведения процесса в среде инертно
(азота). [Х л.'
ВОЛ0^'ВОЛ0^'Осуществление указанных мероприятий (одного из oVr,ic комплекса) позволит снизить количество применяемого г ^«г рода на 25—30%, особенно при получении вискозного
ВОЛ0^'
ВОЛ0^'
дана с ординарными свойствами. Соответственно яитей и “^количество выделяющихся газов.
уменьШ“тс тжима или количество едкого натра в щелочной цел- у Степень 0 тСЯ на скорости основной реакции образования люлозе сказ целлюЛ03Ы и на распределении сероуглерода между ксантогенат ^очнЫМИ реакциями. Чем больше содержится едкого основной и ной целлюлозе, тем медленнее проникает сероугле- натра в ш^ щеЛОчной целлюлозы, тем меньше количества серород в11уТРрасХодуется на основную реакцию и больше на побоч- углер^^Р показывает, что оптимальная степень отжима равна 2,8-3,0.
6 6 2. Растворение ксантогената целлюлозы
Ксантогенат целлюлозы растворяется в разбавленном растворе едкого натра, и при достаточной концентрации образуется вязкий раствор, называемый вискозой, который используется для формования волокна.
Скорость процесса растворения ксантогената целлюлозы и свойства получаемой вискозы в той или иной степени зависят от ряда факторов. Важнейшими из них являются: степень этерификации ксантогената, однородность ксантогената (по химическому составу), температура и продолжительность растворения, концентрация целлюлозы и растворителя (едкого натра).
Растворимость ксантогената целлюлозы зависит от степени этерификации. Так, при у ™ 50 ксантогенат полностью растворяется в разбавленной щелочи и воде, при у = 25 растворяется только в разбавленной ■ щелочи, а при у = 12 частично растворяется в 4 %-ном растворе едкого натра.
Однородность ксантогената по химическому составу оказывает существенное влияние главным образом на устойчивость вискозы, язкость получаемых прядильных растворов зависит от равно- звен1°«СТИ РаспРеделения тиокарбоновых групп в отдельных <Ьикят,иМттР°М0Лекул Целлюлозы, т. е. от равномерности этери- ксантоПрИ ОДНОЙ и той же степени полимеризации
может хзпяк вязкость концентрированных растворов в щелочи люлозы. теризовать равномерность ксантогенирования цел- вышается°Нп(^ении темпеРатУры растворимость ксантогената по- стРого вы’депжипаУ темпеРатУРНый режим растворения должен Пература Ться в Установленных пределах (начальная тем-
ПРодолжиТРС’ конечная Ю-—12°С).
Яоспг РаствооярмНгСТЬ Растворения зависит также от однород- п/^та пронес. n™bL ПРИналичии набухших комков ксан- °ВеРхноСти обпя РаствоРения резко замедляется, так как на их коииОвению щепппУеТСЯ полУжиДКий слой, препятствующий про- иияп11 '^сокодихт^ ВнутРь комка. Для ускорения растворения
Ьные аппапятк РазРУшить Для этой цели применяются сперты— растиратели.
Свойства вискозы зависят также от ее состава, т ^" центрации целлюлозы и едкого натра.' ' От ^
Концентрация целлюлозы — один из важней казателей, определяющих свойства прядильного раствора п ^ ■ Шение концентрации полимера в вискозе позволило бы ' ^°51»' стороны, увеличить производительность работы подготовит 021Hrj' цехов на растворение и подготовку вискозы к формованг^11^ другой стороны, уменьшить расход химикатов.10 и, с
В этом можно легко убедиться, если определить расход вискозы / волокна), содержащей различное количество целлюлозы (например, 7 5 я-* В соответствии с техническими условиями на готовую продукцию ] кг содержит 11% влаги и 0,89 кг целлюлозы. С учетом производственных пТ''^ размере 4,5% для получения 1 кг волокна потребуется вискозы солрп?’ • 7,5% целлюлозы:’
7,57,51-0,89-1,045-100= 12,4 кг
7,5
7,5
а для получения 1 кг волокна при тех же условиях из вискозы, содержаще! 8,5% целлюлозы, потребуется вискозы:
10,95 кг10,95 кг1.0,89- 1,045-100 _
10,95 кг
10,95 кг
т. е. меньше нат. е. меньше на8,5=
т. е. меньше на
т. е. меньше на
12,4 — 10,95 = 1,45 кг, или на 11,7%
Следовательно, соответственно увеличится производительность оборудования е уменьшится количество воды, поступающей в осадительную ванну с вискозой
Однако практика показала, что при концентрации целлюлозк в вискозе, большей чем 9%, появляются серьезные трудно® в работе из-за слишком высокой вязкости получаемого раствора Изменение вязкости раствора при увеличении концентрации целлюлозы характеризуется следующими данными:
Концентрация целлюлозы в вискозе, % . .6,07,5 . 9,0 10,5 11,5
Вязкость вискозы, с;. . . 22621 80 493 960
Как видно из этих данных, незначительное увеличение концентрации целлюлозы приводит к резкому возрастанию вязкост? раствора, что вообще характерно для высокомолекулярных соединений..
Кроме концентрации целлюлозы в вискозе на вязкость ее чительное влияние оказывает степень полимеризации целлюл^ чем выше степень полимеризации, тем больше вязкость в”с^ ,г.
Степень полимеризации оказывает большое влияние на Ф®' механические свойства волокна, поэтому изменять этот пар следует с большой осторожностью.Tpyj-
8,2—9,07,5-8,5. 6,5-7,58,2—9,07,5-8,5. 6,5-7,5При увеличении вязкости выше определенного предела d няется фильтрация, требуется повышенное давление, необх0(,3дот для передавливания вискозы, и т. п. Практически при пРжащу'; стве различных видов волокна применяют вискозу, содер примерно следующее количество целлюлозы (в %):
8,2—9,0
7,5-8,5
. 6,5-7,5
8,2—9,0
7,5-8,5
. 6,5-7,5
Волокно . . . .
Текстильная нить
Кордная нить
пия едкого натра в вискозе значительно КонПеНТРаь структурирования и вязкость получаемых расчет на сте"|” та целлюлозы, а также на стабильность вис- творов ксанТ°тИке целесообразно применять вискозу с минималь- козы- На пРа м едкого натра, обеспечивающим достаточную ным содеРж виСКозы Чем меньше едкого натра содержится стабвльность^ш она более экономична. Экономичность вискозы в вискозе, т отношениеМ содержания едкого натра к целлюлозе, определяет^сЯ в внскозе (Му Чем меньше это соотношение, тем с0ДеРппчнее вискоза.
эКы большее влияние на стабильность вискозы оказывает не яя'шеточность вискозы, а свободный едкий натр.
° Наиболее экономичные вискозы с соотношением N, равным п 6 применяют в производстве целлофана и обычного вис- зного’волокна; в других производствах это соотношение повышается до 0,65—0,9 в зависимости от технических требований к волокну.
Если вискоза содержит 7% NaOH н 8% целлюлозы, то N = 7 : 8 = 0,875, при содержании 6,8% NaOH н 7,5% целлюлозы N = 6,8 : 7,5 = 0,91. Вискоза второго состава, несмотря на более низкую концентрацию щелочи, менее экономична, чем первая, так как на получение 1 кг волокна расходуется больше едкого натра.
Для получения 1 кг волокна с учетом влажности волокна (11%) и потерь в производстве (4,5%) потребуется вискозы первого состава:
1 -0,89 - 1,045- 100
8—
11,6 кг
в которой содержится едкого натра:
11,6-0,07 = 0,812 кг
При использовании вискозы второго состава расход прядильного раствора ва 1 кг волокна составит:*
1 .0,89-1,045.100
• едкого натра:
Следовательно больше на:’
7,5
= 12,4 кг
Чем меньше тем меньше
12,4 - 0,068 = 0,84 кг
во втором случае на 1 кг волокна потребуется едкого натра 0,84 — 0,812 = 0,028 кг, или на 3%
отношение едкого натра к целлю кислоты'
—г удельные расходы едкого натра и ср висКозе’ так как при формовании едкий натр, содержат!„bHOg
нейтрализуется серной кислотой, содержащейся в Д ванне.
N Работать с вискозами, имеющими пониженное
К Целл1°лозе, значительно труднее, чем с виск - Мн нормальное соотношение этих компонентов. В Р скоглР^^^т^я более точное соблюдение параметров автпиЯтР°Цесса- Для этого необходимо иметь высок УР Редь ,..ИЗации производства и стандартное сырье (вр~У
^люлозу и едкий нато) Тем не менее общая тенденци '1ь"й,ш«о“усовершенствования технологического
процесса получения вискозы заключается в стремлении нию содержания едкого натра и к повышению содержа ^^ люлозы в прядильном растворе, что особенно целесообряИЯ ^। производстве штапельного волокна и целлофана. р Зн° Пре
6.6.3. Аппаратура для ксантогенирования
По наиболее старому технологическому процессу, прим мому еще иногда и в настоящее время, ксантогенирование дится в ксантат-барабане. Он представляет собой кру^' или шестигранный стальной барабан, медленно вращающийс ? подшипниках вокруг полого вала, по которому с одной стоп й‘ (от мерника) подается сероуглерод и отсасывается воздух с г гой стороны подается к отводится охлаждающая вода, цир^ рующая в рубашке аппарата. Каждый ксантат-барабан снабж люком с плотно закрывающейся крышкой для загрузки щелочной целлюлозы и выгрузки ксантогената. Для наблюдения за изменением цвета ксантогената в торце ксантат-барабана имеет» смотровое стекло.
Для ксантогенирования чаще всего применяются одномешг- лочные ксантогенаторы простейшей конструкции и вакуум-ксав тат-мешалки.
Одномешалочный ксантогенатор представляет собой герметично закрытый сосуд, снабженный горизонтальной лопастной мешалкой и охлаждающей рубашкой. Емкость аппарата рассчитана на загрузку 750—1250 кг целлюлозы. Рядом с аппаратом устанавливается центрифугальный растиратель. Ксантогенат смоченный щелочью, поступает внутрь центрифуги, отбрасываете?
центробежной силой к
наружным ее стенкам, где он растираете перфорированной корзиной. Полученную • массу направляют в дорастворнтель- бак с мешалкой.
Ксантогенирование в этом аппара^ продолжается 90 мин. По окончании пре, цесса ксантогенат представляет № j хорошо разрыхленную массу °ле^ оранжевого цвета. Для удаления п сероуглерода из аппарата за 5 м конца процесса его продувают с ^. щью специального вентилятора в нии 1—2 мин и вводят 85% всех вок; затем всю массу передаю центрифугальный растиратель в ^;. творитель. Для удаления остатк
Рис. 6.10. Схема вертикальной вакуум 1
чер£;
.Kc^T'
шалки:аЯ
1—корпус; 5—вспомогательная пР°”е„.еп, 8—Z —образные валы; 4—спускной штуч
ye^a-t
промывают щелочью. Для этого в ксантогенатор сената аппара,ряколичество раствора едкого натра. После проводят °стаХа щелочь направляют в дорастворитель.
® ывки аппаратаботЫ ксаНТогенатора с центрифугальными рас-
3зГрузка щелочной целлюлозыПР^ разрежения (0,086-0,093 МПа) . . •Подача сероуглеродаК^^^^^ ШеЛ0ЧИпигп\тзкз аппарата• • • ♦Промывка аппарата оставшимся количеством щелочи . .3зГрузка щелочной целлюлозыПР^ разрежения (0,086-0,093 МПа) . . •Подача сероуглеродаК^^^^^ ШеЛ0ЧИпигп\тзкз аппарата• • • ♦Промывка аппарата оставшимся количеством щелочи . .ТВ Р,т П.ПТЛ.ПОЗЫ 20
3зГрузка щелочной целлюлозы
ПР^ разрежения (0,086-0,093 МПа) . . •
Подача сероуглерода
К^^^^^ ШеЛ0ЧИ
пигп\тзкз аппарата• • • ♦
Промывка аппарата оставшимся количеством щелочи . .
3зГрузка щелочной целлюлозы
ПР^ разрежения (0,086-0,093 МПа) . . •
Подача сероуглерода
К^^^^^ ШеЛ0ЧИ
пигп\тзкз аппарата• • • ♦
Промывка аппарата оставшимся количеством щелочи . .
5
3-5
5
90
20
10
5
158-160158-160Общий цикл работы ксантогенатора
158-160
158-160
Вакуум-ксантат-мешалка (рис. 6.10) состоит из корпуса / с рубашкой, нижняя часть которого сходна по конструкции сизмельчителем периодического действия, вращающихся в нем двух горизонтальных Z-образных валов-мешалок 3 и одной из двух вспомогательных мешалок 2, помещенных сверху или сбоку аппарата. В нижней части корпуса имеются два спускных штуцера 4 с клапанами. Направление вращения валов-мешалок изменяется автоматически.
В вакуум-ксантат-мешалках происходит не только ксантогени- рование щелочной целлюлозы, но и растворение ксантогената.
Ксантогенирование щелочной целлюлозы в обоих типах аппаратов можно проводить по «сухому» и «мокрому» способам.
Лр" 5ухом мет°№ ксаитогенирования после загрузки и созда- я необходимого вакуума в аппарат вводят расчетное количе- бав1яют°пГЛер°Да’ 3 П0Сле окончания процесса этерификации до- люлозы раствор едког° натра для растворения ксантогената цел- прЙ:способе сероуглерод вводят в аппарат в два
Углерода а подают 2/3 общего расчетного количества серо- «стальное колХХМеСТе С частью раствора едкого натра вводят Щелочи в виде э В° сеРоУглеРОДа> который находится в растворе аппаРатов, особениЛЬСИИ’ В зависимости от типа установленных “Юность привптта „ ДЛЯ Одномешалочных агрегатов, у которых ^Разной .массыХяиД°СТаточна для пеРемешивания густой пасто-
ВаРьироваХ« м Ната’. режим мокР°го ксаитогенирования 5ет нолучение • Мокрый способ ксаитогенирования обеспе- вают ?еРатУРУ кгяпт^3 С УлУчшенной фильтруемостью.
npOh 7~~29°с в огениРования во всех случаях поддержи- Натома6 Пр°ЦеССа И 29—30 °C —в конце
На некоторых за- Нт°Гейирования л°Г° пРоцесса осуществлена полностью, отделен от пульта управления и во время
тель,тель,работы обслуживающий персонал в него не Допускается- той оборудования можно наблюдать только через За Par стенку, а за ходом технологического процесса — по приб еКлЧ пультом управления установлена технологическая схема которой по световым сигналам можно наблюдать проце ^Ха исходящие в каждом из установленных аппаратов. По^81’ командоаппарата загрузочный люк ксантогенатора откг)К°' и взвешенная партия щелочной целлюлозы загружается™5 рат, после чего люк автоматически запирается. В аппар8 3 дается вакуум и после этого вводится сероуглерод. По о^ * процесса ксантогенирования открывается кран для отсоса843 углерода, не вступившего в реакцию, затем аппарат продув35 мешалка переводится на большую частоту вращения и в и 5 генатор вводится 85% растворительной щелочи. Смочен щелочью ксантогенат через центрифугу выгружается в расц,- аппарат промывается и становится под загрузку.
тель,
тель,
6.6.4.6.6.4.ВВПолучение вискозы в одном аппарате
6.6.4.
6.6.4.
В
В
отечественной промышленности разработан и пример
на ряде предприятий метод получения вискозы в одном аппарг- называемом аппаратом ВА (вискозный аппарат). В этом аг рате последовательно осуществляются все процессы пригож- ния прядильного раствора: мерсеризация, предсозревание, изме: чение и этерификация щелочной целлюлозы и предваритель- растворение ксантогената.
Характерной особенностью проведения процесса в аппарг ВА является мерсеризация целлюлозы ограниченным количеств щелочи. Для* мерсеризации применяется расчетное количеств щелочи, необходимое для получения вискозы, содержащей 8-. целлюлозы и 6,5—7% едкого натра (модуль мерсеризации 3-3. Поэтому после мерсеризации щелочная целлюлоза не отжимав, и, следовательно, низкомолекулярные фракции (гемицеллюло.’- из нее не удаляются.:
Для того чтобы добиться равномерного распределения Щ -^ в целлюлозе, снижают набухание целлюлозы, проводя мер^ зацию при более высокой температуре (50—60 °C) и увели концентрации NaOH (250—280 г/л). Получаемая шелоч№ . люлоза также содержит повышенное количество NaOH шению к целлюлозе (0,82—0,86 вместо 0,45—0.5) по ср с обычной щелочной целлюлозой, приготовленной в ста•. условиях. В результате при ксантогенировании в ^"а^да расходуется больше, чем в ксантогенаторах, сероугл Р Ю-20%).т меша^
Аппарат В А представляет собой вакуум-ксантат-м к0. мененной конструкции. Внутри корпуса расположены ^ Z-образных вала, приводимых во вращении через Р jafio#J электродвигателя. Емкость аппарата составляет 13 м ' еЛдЮ> парат единовременно перерабатывает 1000—1350 кг
й в аппарат ВА листы целлюлозы Предварй- ПереД загруЗКся резательными машинами на кусочки разме- Ра3РезаЮТПневмотранспортом разрезанная целлюлоза пе- те'1 50 X 50 '™' где после взвешивания на автоматических летается в бУ”КмРщИ ленточного транспортера загружается в ап- Щах она при “ _ й затем через дозаторы или мерники подают парат ВА, в к Реств0 щел0Чи, нагретой до 80—85 °C. Мерсери- пеобходимое к ислительная деструкция щелочной целлюлозы зация и терм ^ ^50°С. При этом степень полимеризации
продолжаеТ^ижается с 800—1000 до 350—400. После охлаждения целлюлозы 22—25°С и продувки его азотом начинается процесс аппарата до ания, который длится 1 ч. Обычно в аппарат ВА ксантоген ^2оуо оТ массы а.целлюлозы.
н^П^те окончания процесса ксантогенирования в аппарат зали- 30—40% общего количества воды, необходимого для полу- ваа^д вискозы. Спустя 10 мин подают еще 30% воды и после Че1'котькпх минут перемешивания полученную вязкую массу по- дают в дорастворитель. Аппарат ВА промывают оставшейся порцией технологической воды, которую затем также спускают в дорастворитель. Цикл работы аппарата ВА составляет 6-8 ч.
Для увеличения производительности аппарата ВА путем уменьшения цикла его работы в реакционную массу вводят 0,01 % CoSO4 от .массы а-целлюлозы. Соли кобальта являются катализатором при окислительной деструкции целлюлозы, благодаря этим добавкам продолжительность деструкции щелочной целлюлозы уменьшается при одновременном снижении температуры этого процесса.
Аппараты ВА разделяются на две группы: в аппаратах первой группы проводятся процессы при высокой температуре—мерсери- зация^целлюлозы и деструкция щелочной целлюлозы; в аппаратах ксапт" группы доводятся процессы, требующие охлаждения,— Один°япп^Р°^^^И^ и„начальная стадия растворения ксантогената, лозу атРаТ пеРвоа группы может готовить щелочную целлю- пР1|готовленРняХ аппаратов второй группы. Щелочная целлюлоза, вакуума по тпу6В °ДлН0М из аппаратов первой группы, при помощи Рой группы л °аМ большОго Диаметра передается в аппарат вто- первой группы ч КСанто1 гнирования, а в освободившийся аппарат пРиготовления агрУЖается следующая партия целлюлозы. После аппарат ВД °ЧН°И Деллюлозы она передается в следующий ^ает никл раХт. НТ°Генирования и т. д. Такой порядок сокра- ^ается расход трппППарата ®^ примерно на 2 ч, при этом умень-
Пларатова и холода на нагрев и охлаждение самих
Ре*иМ0Ж"° пРимен^.ЧтСКие темпеРатУРНые условия в аппарате кой ” Ксантогениповяи ЗК на3ываемый обратный температурный (223>еДВеРатуре %7—алоД е’ начинать процесс при более высо-
С). При поим °’ а заканчивать при более низкой
Р 1 енении аппаратов ВА резко сокращается
продолжительность приготовления вискозы (с 26—30 и упрощается аппаратурное оформление процесса. До ®^8
Кроме отмеченных преимуществ аппарату ВА прис достатки: повышенный расход сероуглерода (38—4‘>суЦи и а-целлюлозы), ограниченная возможность изменения со °Т ^ козы, в результате чего исключается возможность полуцТаВа' шевых» вискоз с отношением NaOH : целлюлоза ^ о б" еНИ!1 мых для формования пленок; повышенное содержание’hh^6 кулярных фракций ксантогената целлюлозы в вискозе. ЗК°1!
Аппаратура для растворения ксантогената целлюлозы
Растворение ксантогената целлюлозы производится в тикальных и горизонтальных аппаратах с мешалками, назыс мых растворителями. Для ускорения процесса растворения нап7 с мешалками применяются насосы и растиратели, раздавливав щие комочки ксантогената.
Зубчатый насос (рис. 6.11) служит для передачи виске из одного аппарата в другой и ускорения растворения ксант^ ната. В корпусе насоса размещены шестерни, перекачивают вискозу. Направление вращения шестерен показано на рисук стрелками. Поступающая вискоза заполняет пространство меж: зубьями шестерен и подается ими в разные стороны: верхней с- стеренкой — вверх, нижней — вниз. В момент соприкоснове:: зубьев шестерен вискоза, находящаяся между ними, выдавливав ся и поступает в нагнетательную трубу. Для удаления остатг вискозы, находящихся между зубьями в момент, когда зуб одн шестерни входит в промежуток между зубьями другой, в ведой шестеренке предусмотрены радиальные отверстия. На валу имек ся соответствующие канавки, по которым вискоза попадает в * седние отверстия, сообщающиеся с промежутками между зум- не находящихся в сцеплении, и поступает в общий поток.
При перекачивании вискозы зубчатые насосы растирают мочки ксантогената, вследствие чего ускоряется процесс
творения.
Частота вращения шестеренок достигает 30—54 об/мин. №' приводится в движение индивидуальным мотором через редуту Выпускаются зубчатые насосы произз1 тельностью от 4,5 до 60 м3/ч. п-
Помимо зубчатых насосов д-1Я .. дачи вискозы из одного аппарат3 3 у гой применяются насосы иной ции, в частности червячные и дальные.
Рис. 6.11. Зубчатый насос.
Рис. 6 12 Центрифуга растирателя для вискозы:„„„„игатель; 2—вращающаяся ступица; 3—неподвижные «.т’рГфугЛ^5-зубчатый конус.Рис. 6 12 Центрифуга растирателя для вискозы:„„„„игатель; 2—вращающаяся ступица; 3—неподвижные «.т’рГфугЛ^5-зубчатый конус.ножн; 4—вращающиесяножн; 4—вращающиеся
Рис. 6 12 Центрифуга растирателя для вискозы:
„„„„игатель; 2—вращающаяся ступица; 3—неподвижные «.т’рГфугЛ^5-зубчатый конус.
Рис. 6 12 Центрифуга растирателя для вискозы:
„„„„игатель; 2—вращающаяся ступица; 3—неподвижные «.т’рГфугЛ^5-зубчатый конус.
ножн; 4—вращающиеся
ножн; 4—вращающиеся
Растиратели вискозы имеют разную конструкцию и либо устанавливаются рядом с растворителем, либо составляют одно целое с ним.
Схема центрифугального растирателя показана на рис. 6.12.
Вискоза поступает в аппарат сверху, проходит вращающийся зубчатый конус, который измельчает комки. Затем она попадает в центр аппарата, где прогоняется через три вращающиеся корзины центрифуги с отверстиями диаметром соответственно 7, 5, 3 мм, и удаляется из аппарата через нижний штуцер. Неподвижные ножи, установленные у центрифуг, помогают растиранию комков в вискозе.
Существуют растиратели и других типов: лопастные, дисковые, Роторные. В первом из них вискоза прогоняется лопастными но- ножи сквозь °™ерстия в неподвижных дисках. Вращающиеся в днс и неп°Движные диски чередуются между собой; отверстия типа нхе ^меньшаются по ходу вискозы. В аппарате дискового Движпы'хеТСЯ РЯД чеРедУюЩихся между собой подвижных и непо- °тверстияДИСК°В’ МеждУ которыми насосом прогоняется вискоза, вискозы ДИсков также уменьшаются по мере продвижения ? 'нется1^^ЛЯХ Р0Т°РН0Г0 типа ксантогенат целлюлозы под-
' высокой ЛексУ механических и гидродинамических воздей- "олозы „нт43”0™' Нерастворившиеся комки ксантогената ЛУ Р°торнойеНСИВН° измельчаются в радиальных зазорах е'м сРезающи И стат°Рной решетками растирателя под дей- 'к,1х гРадиенто И истиРаюЩих усилий, а также под действием 'Ля выще в в скоростей. Производительность такого расти- 4 За*. sag УКазанных и равна 15—30 м3/ч по вискозе.
При пропускании вискозы через зубчатый насос и растир^Л процесс растворения ускоряется почти вдвое. В промышленной применяются новые типы растирателей «Гарт» и «РИА», рад тающие на больших скоростях.
Обслуживание ксантогенаторов и растворителей. Обслу^ в а н и е ксантогенаторов. Аппараты перед загрузкой ДолжНь быть тщательно очищены от остатков ксантогената. Для очисти, пользуются медной щеткой, латунной шпилькой и латунным д,. деревянным скребком. Стальной инструмент запрещается прице
" нять, чтобы исключить образование искр и возникновение взрыВа паров сероуглерода при ударе стали о сталь.
’ После очистки аппараты загружают щелочной целлюлозой Люк плотно закрывают крышкой и механизмы приводят в движь ние. Затем в рубашку подают воду, охлаждают содержимое аппа. рата до заданной температуры (например, до 23—24 °C) и откры. вают вентиль на вакуум-линии, создавая в нем разряжение, установленное технологическими параметрами (0,053—0,066 МПа) После этого медленно подается нужное количество сероуглерода, В результате испарения температура в аппарате понижается дс 21—22 °C (начальная температура ксантогенирования). Пос® этого технологический процесс ксантогенирования протекает так же, как было указано выше.
Обслуживание растворителей. В растворитель пере дозатор заливают требуемые количества охлажденной раствори тельной щелочи и воды, которые рассчитывают в зависимости о:, состава вискозы, и постепенно загружают ксантогенат при работающей мешалке.
Растворение ведут при низких температурах, что обеспечивае:1 значительное повышение растворимости ксантогената. Например часто растворение начинают при 4—6 °C и заканчивают при 10-! 12°C. Добавляемые щелочь и воду охлаждают еще до более яю[ кой температуры.
Техника безопасности ।
учитывая токсичность сероуглерода, к работе в цехах, где воздухе содержатся пары CS2, не допускаются люди с болез- Вями сердца, сердечно-сосудистой системы, желудочно-кишечного тракта и др.
г Для удаления паров сероуглерода ксантатный цех оборудуется ощной приточно-вытяжной вентиляцией, обеспечивающей 10— [5-кратный обмен воздуха в час. Поскольку пары сероуглерода тЯжелее воздуха, местный отсос воздуха устраивается внизу помещения, а разводка труб приточной вентиляции — вверху.
В цех растворения пары сероуглерода попадают в основном и3 ксантатного цеха через разгрузочные люки. Так как общая загрязненность воздуха в этом цехе значительно меньше, чем в ксантатном, то здесь оборудуется приточно-вытяжная вентиляция с коэффициентом обмена 3—4. Сероуглерод воспламеняется не только от искры или пламени, но и от соприкосновения с горячими предметами. Поэтому в ксантатном цехе не разрешается "устанавливать паропроводы и даже трубы водяного отопления с теплоносителем, температура которого выше 70°C.
Вследствие взрывоопасности паров сероуглерода в ксантатном цехе должны строго выполняться следующие правила техники безопасности:
запрещается курить и разводить огонь;
все электроприборы, а также электродвигатели и лампы должны быть во взрывобезопасном исполнении;
без разрешения начальника цеха или сменного инженера в пределах цеха совершенно не допускаются работы, при которых может иметь место искрообразование, и использование стального инструмента. Не допускается также чистка аппарата стальными скребками или ножами;
запрещено находиться в ксантогенаторах без противогазов;
в случае прекращения работы вентиляционной системы или ее неисправности старший рабочий обязан удалить из помещения Цеха всех находящихся в нем людей и немедленно сообщить о случившемся инженеру или начальнику цеха;
на случай аварии в цехе необходимо иметь противогазы. Они Должны быть всегда под рукой и в определенном месте; за нали- Чие и исправность противогазов несут ответственность старшие 1,0 сменам;
не допускается скопление в цехе, в ведрах или ящиках остат- Ов ксантогената, масляных тряпок и пр.;
посторонние лица допускаются в цех только с разрешения Пальника цеха.
т ° аппаратах, где имеются пары сероуглерода (ксантогена- ИНрЫ’ Растиратели, аппараты ВА), процесс протекает в среде ПапРТН°Г0 газа азота> так как "Ри ударах случайно попавших в ап- i^g^1 железных или других предметов о вращающиеся детали р3^.д^^ан^ может возникнуть искра и вызвать- взрыв аппа-
ПОДГОТОВКА ВИСКОЗЫ К ФОРМОВАНИЮ ВОЛОКНА
Из ксантатного цеха вискоза зубчатым насосом подается По трубам в вискозный цех (вискозный погреб), где она подготав. ливается к формованию волокна.
Подготовка вискозы к формованию включает следующие про. цессы:
смешение нескольких партий вискозы для получения более однородного продукта (по вязкости, зрелости и концентрации);
созревание вискозы — выдерживание ее в течение опреде- ленного времени для достижения требуемых физико-механических свойств;
фильтрацию вискозы для очистки от загрязнений;
удаление воздуха из вискозы (обезвоздушивание);
введение добавок, изменяющих скорость созревания вискозы, уменьшающих засоряемость фильер при формовании волокна, изменяющих блеск волокна (матирование), придающих определенную окраску сформованному волокну (крашение в массе) и т. п. Некоторые из этих добавок вводятся в щелочную целлюлозу или вискозу при растворении ксантогената целлюлозы.
Созревание вискозы
Ксантогенат целлюлозы является нестойким соединением и в водных растворах постепенно омыляется. Происходит гидролиз ксантогената целлюлозы, что приводит к понижению степени его этерификации.
Кроме того, во времени' уменьшается содержание свободного NaOH и повышается количество сульфидов и тиокарбонатов натрия, которые при разложении их кислотой выделяют сероводород Поэтому формование волокна из более зрелой вискозы сопровождается большим выделением H2S, чем из молодой вискозы. Степень полимеризации целлюлозы при этом остается без изменениг (рис. 6.13).
Продолжительность созребанияПродолжительность созребанияВ результате изменения химического состава ксантогената, находящегося в растворе щелочи, понижается стойкость вискозы к действию коагулирующих реагентов, применяемых при форм0' вании волокна. Весь комплекс химических и физико-химически? изменений, протекающих при выдерживании прядильного раС' твора, называется созреванием вискозы.
Продолжительность созребания
Продолжительность созребания
Рнс. 6.13. Изменение содержания отделья^ компонентов в вискозе н характернее целлюлозы и ксантогената во время созг вання вискозы:
/—NaOH; 2 — Na2CSs; 3—NagS; 4—Степень по^ ризации целлюлозы; 5—степень атериф^^ ксантогената целлюлозы.
р!з физико-химических процессов, протекающих при созревании вследствие которых изменяются свойства и структура прядиль- й 0 раствора, наибольший практический интерес представляет изменение вязкости и зрелости вискозы.
Вязкость вискозы. В начале процесса созревания, т. е. тотчас после растворения ксантогената целлюлозы, вязкость вискозы понижается; достигнув через 12—16 ч минимума, вязкость начи- нает постепенно повышаться и через 12—15 сут резко возрастает. Понижение вязкости в начальной стадии созревания, возможно, является следствием более сильной сольватации макромолекул ксантогената, которая происходит при так называемом дополнительном растворении. Дополнительное растворение проявляется в том, что в течение 14—18 ч с момента окончания растворения происходит процесс выравнивания, т. е. перераспределение дитиокарбоновых групп в макромолекулах целлюлозы.
Рядом исследований было установлено, в процессе созревания вискозы в ксантогенате целлюлозы происходит переэтерификация. Степень этерификации вторичных атомов углерода (2- и 3-го) целлюлозы убывает, а шестого атома углерода (первичного) возрастает (рис. 6.14).
Пр одолжительность созревания, чПр одолжительность созревания, ч7070/4/4'?'?121210109988779В9В\60 s50\60 s50С iI O^L| IlliО 10 20 30 ВО 50 60 70С iI O^L| IlliО 10 20 30 ВО 50 60 70Продолжатель ность созревания, ч %Продолжатель ность созревания, ч %Характерно, что минимум вязкости совпадает с минимумом содержания гелеобразных частиц в вискозе (рис. 6.15). Под гелеобразной частицей (гедиком) понимается сильно набухшее, не растворившееся полностью целлюлозное волоконце в виде гелеобразной массы с низкой степенью этерификации ксантогената целлюлозы. Фильтруемость вискозы в период минимума вязкости
Пр одолжительность созревания, ч
Пр одолжительность созревания, ч
70
70
/4
/4
'?
'?
12
12
10
10
9
9
8
8
7
7
9
В
9
В
\60 s
50
\60 s
50
С iI O^L| Illi
О 10 20 30 ВО 50 60 70
С iI O^L| Illi
О 10 20 30 ВО 50 60 70
Продолжатель ность созревания, ч %
Продолжатель ность созревания, ч %
ксантогената и вязкости вискозыксантогената и вязкости вискозыотп Изменение степени этерификации
ксантогената и вязкости вискозы
ксантогената и вязкости вискозы
Родолжительностн созревания:
^^вискозы""^ шестого атома углерода; 3—у второго н третьего атомов углерода; 4—вяз.
РИС. 6 и
8РемЯ’ее созревания6 ВЯЗК0СТИ вискозы и содержания в ней гель-частиц .во
является оптимальной, так как наличие большого количества г-е- ликов является одной из причин ухудшения фильтрации вис- козы.
Вязкость вискозы определяется стандартным методом падающего шарика. Этот метод основан на определении промежутка времени (в с), в течение которого стальной шарик массой 0,13 г опускается от верхней метки вискозиметра до нижней. Вискозиметр представляет собой стеклянную трубку диаметром 18 мм, имеющую две метки, находящиеся друг от друга на расстояний 20 см. При необходимости выразить вязкость вискозы т] в Па-с пользуются следующим соотношением:
г] = 0,091/
где / — вязкость, с.
Вязкость вискозы, применяемой для формования волокна, обычно составляет 30—40 с, для производства упрочненного волокна используют вискозу с вязкостью 50—60 с и более.
Зрелость раствора. Под этим термином понимается изменение стойкости вискозы к действию электролитов. От зрелости вискозы зависят скорость процесса разложения ксантогената целлюлозы при формовании волокна, многие физико-механические и химические свойства волокна, в частности его накрашиваемость, прочность, удлинение и др.
Стойкость прядильного раствора к действию электролитов за- I висит от степени сольватации растворенного полимера. Сольвата- * ция полимера, содержащего полярные группы, является основным фактором стабильности раствора. Уменьшение степени этерификации ксантогената целлюлозы обусловливает частичную десольватацию макромолекул ксантогената в растворе и вызывает тем самым понижение стойкости раствора. Поэтому зрелость вискозы и ее изменение, как правило, зависят непосредственно от степени этерификации ксантогената и от концентрации щелочи в растворе. По-видимому, основное влияние на скорость созревания вискозы оказывает не общее содержание щелочи в прядильном растворе, а количество NaOH, находящегося в свободном состоянии.
Зрелость вискозы на практике определяют соляным или хлораммониевым числом.
Метод определения зрелости вискозы по соляному числу заключается в том, что к нескольким растворам хлорида натрия различной концентрации добавляют небольшое количество (каплю) вискозы. При этом отмечается концентрация, при которой начина' ется застудневание раствора (образование хлопьев).
Наиболее часто зрелость вискозы характеризуется хлораммониевым числом, т. е. количеством (в мл) 1 н. раствора хлориду I аммония, вызывающего коагуляцию 20 г вискозы, разбавленной 30 мл воды. Чем меньше устойчивость раствора, тем больше зре' лость вискозы и тем меньше требуется хлорида аммония для т0^1 чтобы началось застудневание раствора,I
Соляным методом пользуются для определения зрелости моло- 1Х вискоз, хлораммониевым— вискоз в период всего процесса дзревания, а также вискоз, идущих на формование.
Основные параметры. Созревание вискозы зависит в основном от продолжительности и температуры процесса, а также от ее состава. Эти параметры взаимосвязаны друг с другом и каждый из нйх оказывает существенное влияние на ход процесса и, следовательно, на качество получаемого волокна.
Продолжительность созревания определяется интенсивностью протекания химических и физико-химических процессов в вискозе и выбирается такой, чтобы за это время можно было провести все операции, связанные с подготовкой прядильного раствора к формованию. Наиболее продолжительные из них — фильтрация и обезвоздушивание вискозы. При периодическом процессе обезвоздушивания и при фильтрации раствора без подогрева нормальным временем созревания вискозы при 14—16°С считается 35—40 ч. В настоящее время в практику заводов вискозного волокна введено непрерывное обезвоздушивание и фильтрация подогретой вискозы. В этих условиях продолжительность созревания вискозы сокращается до 15—20 ч.
Температура созревания оказывает решающее влияние на скорость созревания вискозы. При более высокой температуре более интенсивно протекают химические и физико-химические процессы в вискозе. Установлено, что при повышении температуры на 1 °C при прочих равных условиях продолжительность созревания вискозы уменьшается на 8—10 ч.
При увеличении температуры на 10 °C вязкость вискозы уменьшается в 1,5—2 раза.
Отсюда следует, что температура в вискозном цехе должна строго поддерживаться в заданных пределах. Для этого цех оборудуется системой кондиционирования воздуха, позволяющей поддерживать температуру в помещении с точностью до ±0,25 °C. Темперирование вискозы (нагрев и охлаждение) производится в теплообменниках различной конструкции.
,Состав вискозы, и особенно соотношение между целлюлозой и NaOH, оказывает существенное влияние на скорость процесса созревания вискозы. При повышении содержания NaOH (до известного предела) скорость созревания понижается и стабиль- н°сть вискозы повышается. Максимальная устойчивость вискозы Достигается при отношении едкого натра к целлюлозе, близком единице.
Опыт заводов вискозного волокна показывает, что при добавке сульфита натрия в вискозу в количестве от 0,5 до 4% от массы '■целлюлозы созревание вискозы значительно замедляется. Наряду замедлением созревания в этом случае достигается устойчивое Рмование волокна. Сульфит натрия, являясь восстановителем, за ЗЫвает кислород воздуха, находящийся в вискозе, и тем самым Висе^ЛЯет 0КИслительные процессы, протекающие при созревании козы. Сульфит натрия в виде 15—20%-ного раствора добавляют
При растворении ксантогената или в процессе смешивания вискозу в тех случаях, когда не удается выдерживать нужную температуру в цехе приготовления вискозы (в летние дни). у
Аппаратура вискозного цеха
Для проведения технологических операций смешения, фильт, рации и обезвоздушивания прядильного раствора в вискозном цехе используются смесители, зубчатые насосы, фильтр-прессы теплообменники, обезвоздушиватели и баки—приемные, промежуточные (между двумя фильтрациями), для обезвоздушивания и рабочие.
Смесители представляют собой большие горизонтальные баки с медленно вращающейся мешалкой, рассчитанные на еди- - повременное смешение нескольких партий вискозы. Емкость смесителей достигает 30—70 м3 и больше в зависимости от мощности завода. Мешалка вращается с частотой 12,4 об/мин, мощность электромотора составляет 14 кВт.
При работе смесителя всегда включается зубчатый насос, который обеспечивает циркуляцию вискозы по схеме: смеситель — труба — насос — труба — смеситель. Благодаря этому достигается лучшее перемешивание вискозы.
Процесс смешивания вискозы может быть периодическим и непрерывным. При периодическом процессе в смеситель подают определенное количество партий вискозы (например, четыре) . и перемешивают их в течение 1—2 ч, после чего массу целиком перекачивают в баки такой же емкости, как и смесители. При непрерывном смешивании часть вискозы перекачивают в бак, а освободившееся место заполняют вискозой из очередного растворителя, не прекращая перемешивание. Чтобы повысить однородность получаемого прядильного раствора при непрерывном . методе работы, вискозу часто смешивают в двух смесителях, расположенных последовательно один за другим.
Вискозные баки служат для приема вискозы в качестве промежуточных сосудов при фильтрации и передаче вискозы на формование волокна, а также для обезвоздушивания прядильного раствора. Баки бывают горизонтальные и вертикальные. Емкость баков выбирают такой, чтобы прядильного раствора было достаточно для обеспечения работы каждой группы прядильных машин в течение 2—3 ч, так как при более длительном формовании вискоза в начале и в конце партии будет сильно отличаться по зрелости. Вследствие этого волокно, сформованное из вискозы одной партии, будет иметь различные физико-механические по- казатели.
При смешении выравнивается состав вискозы, что обеспечи- вает получение равномерного по физико-механическим свойства^ волокна, но в то же время качество вискозы несколько ухУ^ шается, так как смешиваются вискозы с различным временем созревания, среди которых есть вискозы только что вышедшие й
Рис. 6.16. Схема подготовки вискозы к формованию в вискозном цехе в баках большой емкости:
/—вискозные баки емкостью 150—200 м8; 2—зубчатые насосы; 3—фильтр-прессы для вискозы; 4—обезвоздушиватель вискозы непрерывного действия; 5—теплообменник.
растворителя (одни не прошли еще через минимум вязкости и содержания гель-частиц, другие достигли этого минимума, а третьи давно миновали его, и количество гель-частиц в них увеличивается).
Смешение необходимо на заводах небольшой мощности, где партии вискозы невелики и приготовить их без погрешности по составу сложно из-за трудностей дозирования щелочной целлюлозы и щелочных растворов.
В больших производствах и особенно при непрерывных процессах приготовления вискозы, где приспособления для дозировки сыпучих и жидких веществ достаточно точны, смешение вискоз необязательно — вискоза из растворителя поступает в вертикальный вискозный бак емкостью 150—200 м3 в зависимости от мощности завода. Бак полностью заполняется вискозой, поступающей в его верхнюю часть, а через штуцер в днище бака вискоза непрерывно отбирается на фильтрацию ц. поступает после фильтрации в такой же вертикальный бак (рис. 6.16). Из второго бака вискоза непрерывно забирается на вторую фильтрацию и направ- ляется на непрерывное обезвоздушивание. Обезвоздушенная вискоза передается на прядильные машины для формования волокна. ° вертикальных вискозных баках вплотную к стенке смонтирована мешалка в виде скребка, непрерывно вращающаяся с часто- °в 1/3 об/мин, что позволяет предупредить застаивание вискозы коло стенки бака и возможную коагуляцию ее и налипание на енки. Вискоза в вертикальных баках непрерывно движется в еРхУ вниз без перемешивания. При такой схеме приготовления скоза хорошо фильтруется, а равномерность нити по физико- 1П аническим свойствам вполне удовлетворительна. Вследствие
Шей фильтрации вискозы работа в вискозном цехе значительно
облегчается. При использовании этой схемы создается непрерыв- ность производственного потока и упрощается работа обслужи- вающего персонала.
Фильтрование вискозы
Во время созревания вискозу фильтруют, так как продукт поступающий из растворителей, сильно загрязнен и должен быть тщательно очищен. Нельзя допускать, чтобы вискоза содержала набухшие кусочки ксантогената, нерастворимые минеральные соли и другие загрязнения, которые затрудняют фильтрование вискозы и засоряют отверстия фильер.
Для полной очистки вискозу приходится несколько раз фильтровать; обычно ее подвергают двум-трем последовательным фильтрациям, причем последняя проводится после удаления воздуха из вискозы перед формованием. Для фильтрования вискозы применяются толстые (свансбой, байка, фланель), средние (бязь) и тонкие (шифон) хлопчатобумажные материалы. В качестве фильтрующего материала нашла применение прессованная вата (гамджа), но она может быть использована только однократно. В последние годы для фильтрования широко применяются синтетические материалы — хлорин, нетканые материалы из смеси капрона с полипропиленовым волокном. Эти материалы выдерживают 60—80 стирок (хлопчатобумажные ткани выдерживают 6—8 стирок) и имеют более высокую пропускную способность, т. е. через них проходит большее количество вискозы до их полного загрязнения. Обычно на фильтр по ходу вискозы ставят два слоя толстого материала и два слоя среднего или тонкого. На первой фильтрации используется стираный хлопчатобумажный материал, синтетические материалы, а на последующих — новый и прошедший одну-две стирки хлопчатобумажный материал. На последней фильтрации бязь заменяют шифоном. Перед настилкой фильтровальные полотна тщательно проверяют; полотна с неплотностями и другими ткацкими пороками, а также «застиранные» полотна бракуются. Для фиксации числа стирок полотна перед стиркой помечают.
Засорение фильтровальных материалов происходит вследствие оседания на них минеральных примесей (песка 70—75% от массы осадков, оксидов железа и солей кальция 20—25%), а также органических примесей (комочков ксантогената, волоконец, гемицеллюлоз, смол).
Вискозы обычной вязкости (50—60 с) фильтруют при давлении 0,4—0,05 МПа; при более высокой вязкости давление повышают до 0,08—0,1 МПа.
Одним из методов интенсификации процесса фильтрования является понижение вязкости вискозы перед ее фильтрацией. Дл9 этого вискозу подогревают до 25—45°C в теплообменниках, к°' торая при обезвоздушиванци охлаждается до 22—30°С. Скорой
фильтр-прессыфильтр-прессыназываютсяназываютсярис. 6.17. Схема прохождения вискозы через фильтр-пресс:
фильтр-прессы
фильтр-прессы
называются
называются
«^.памы фильтр-пресса; 2—плиты фильтр-прес* 1 з—фильтровальные материалы: 4—отвер с ’ я в рамах для входа вискозы; 5—отверстия для выхода вискозы.
фильтрования при этом повы- щается на 40—80% без ухудшения фильтрации. Этот метод применяется только для фильтрования вискоз повышенной вязкости.
фильтр-прессы, применяемые для фильтрования вискозы, состоят из чугунных рифленых плит и чугунных полых рам,
чередующихся между собой. Такие рамными.
Вискоза по нижнему трубопроводу (рис. 6.17) поступает в фильтр-пресс через отверстия 4, заполняет полость рам 1, проходит через слой фильтрующего материала 3, течет по поверхности рифленых плит 2 по направлению к верхним отверстиям 5 и через верхний трубопровод отводится из пресса.
Рамы и плиты подвешивают на ушках к двум горизонтальным болтам станины фильтр-пресса и винтом плотно прижимаются друг к другу. Рамы раздвигают каждый раз при смене фильтрующего материала. Рифленые чугунные плиты снабжены металлическими сетками, чтобы ткань плотно не прилегала к плите и не препятствовала движению вискозы при фильтрации. Для лучшего направления потока вискозы у модернизированных фильтр-прессов желобки в рамах расположены лучеобразно у входного отверстия, т. е. расходятся к периферии.
Для того чтобы исключить контакт вискозы с железом и предотвратить загрязнение вискозы оксидами железа, на плиты и рамы фильтр-прессов наносят антикоррозионные покрытия. Одним из наиболее эффективных покрытий является покрытие на основе эпоксидных и перхлорвиниловых смол холодного отверждения.
Рамные фильтр-прессы выпускаются с различным числом плит и Рам разных размеров и отличаются производительностью.
Небольшие фильтр-прессы зажимают винтом вручную или при помощи червячного колеса, большие — гидравлическим затвором.
последнему типу относится фильтр-пресс с 45 плитами (общая поверхность фильтрации составляет около 56 м2), который наи- Олее часто применяется на заводах вискозного волокна.
При первой фильтрации материал обычно загрязняется после 1°г°’ как через 1 м2 пройдет от 0,6 до 2,0 м3 вискозы (через
СУТ)-. Загрязненный материал направляется на стирку. При °Рой фильтрации смена материала производится примерно один 3 в Ю дней, при третьей — через 20—30 дней.
Скорость фильтрования вискозы возрастает по мере ее очи стки. На первой фильтрации скорость составляет примерно 15, й' второй — 30—40 и на третьей — не выше 30 л/(м2-ч).
Расход фильтровальных материалов на 1 т волокна (м2) Со, ставляет
Шифон 3—5
Бязь- 2—3
Байка, свансбой 2—5
Синтетические материалы . . . . 0,3—0,4
Загрязненные фильтровальные полотна направляют в отделение мойки, где их замачивают в холодной воде в барке или стиральном барабане при температуре не выше 30 °C и промывают в проточной воде в течение 2—3 ч в стиральном барабане. Для промывки применяют только умягченную воду. В воду добавляют небольшое количество щелочи для лучшего растворения остатков вискозы. После стирки полотна отжимают на центрифуге и сор-
тируют.
Синтетические материалы нельзя кипятить и стирать в горячей воде. Их моют только в холодной или умеренно теплой воде и сушат на воздухе или в сушилке при температуре не выше 60°С.
Непрерывный метод фильтрования. Фильтрование вискозы на тканевых фильтр-прессах является тяжелой и трудоемкой операцией из-за частой перезарядки фильтров. Поэтому в последнее время разработаны новые, менее трудоемкие и легкие способы фильтрования вискозы. Проходят испытания керамические фильтры, работающие по непрерывному методу с промывкой керамических фильтрующих элементов обратным током чистой вискозы. В промышленности работают непрерывные фильтры с намывным фильтрующим слоем. В вискозу замешиваются мелкие зерна поливинилхлоридной смолы или мелко- нарезанное модифицированное вискозное волокно, нерастворимое в щелочи. Подготовленная масса подается под давлением на металлические сетки с мелкими ячейками, расположенные в горизонтальной (баках-фильтрах) или вертикальной (модернизированные фильтр-прессы) плоскостях. Зерна или волокна задерживаются иа сетках, образуя намывной фильтрующий слой.
Рис. 6.18. Схема фильтра с намывным ФйЛ1’ трующим слоем:
1—диски с фильтрующим материалом, ^’’iaio' на верхнюю плоскость; 2 — рубашка для °хЛДоВ ав щей воды; 3 — привод для вращения днсп время промывки.
g отечественной промышленности наибольшее распрострайе- получили установки непрерывного фильтрования (рис. 6.18) Н использованием в качестве намывного слоя мелконарезанного с локна (МНВ). На диски намывается фильтрующий слой из ваСчета 725 г волокна на 1 м2 при давлении 0,025—0,030 МПа. Яерез намывной слой фильтруют вискозу со скоростью 90— 120 л/(м2-ч). Кратность использования слоя мелконарезанного волокна — 4—5. Засорившийся фильтр продувается сжатым воздухом для удаления остатков вискозы, заполняется водой, которая уциркулирует по ходу движения вискозы. Затем фильтр промывается противотоком, и производят сброс намывного слоя враще- нием дисков. Мелконарезанное волокно регенерируется на автоматизированных установках регенерации и возвращается в цикл.
Обезвоздушивание вискозы
Вискоза содержит значительное количество пузырьков воздуха диаметром от 0,03 до 5 мм, которые должны быть удалены, так как при формовании они вызывают обрывы элементарных нитей и ухудшают качество готовой продукции. Если диаметр достаточно велик, пузырек обрывает нить у фильеры, вследствие чего на комплексной нити образуются дефекты (ворсинки, мушки). Кроме того, вытекающая после обрыва нити из отверстия фильеры вискоза коагулирует в осадительной ванне, образуя шарики. Последние увлекаются формующей нитью и, попадая в паковки (кулич, бобину), раздавливаются; вискоза вытекает из них и склеивает отдельные нити между собой. Если диаметр пузырька меньше отверстия фильеры, то в нити образуются воздушные полости и абсолютная прочность нити в этом месте понижается.
Эти явления наблюдаются не только при плохом обезвозду- шивании вискозы, но и при подсосах воздуха (из окружающего пространства) дозирующими насосами при недостаточном давлении вискозы в вискозопроводе.
Раньше обезвоздушивание проводилось в вискозных баках под вакуумом (при разрежении 0,053 МПа). Так как при таком способе высота столба жидкости (вискозы в баке) достигает значительной величины, пузырьки воздуха удаляются очень медленно и процесс обезвоздушивания длится 16—20 ч. Естественно, что Для этого требуется большое число баков, занимающих значительные производственные площади. Поэтому в последние годы этот метод заменен процессом непрерывного обезвоздушивания вискозы.
Сущность метода непрерывного обезвоздушивания вискозы заключается в том, что воздух удаляют из тонкого слоя вискозы Ри глубоком вакууме.
Аппарат для непрерывного обезвоздушивания вискозы пред- тавляет собой бак или колонну с развернутой внутренней поверх- э°сУью (рис. 6.19), в которых создается глубокий вакуум. Для в Ои же цели применяют конусообразные аппараты, устанавли- аемые конусом вниз (рис. 6.19, а). Высота аппарата в зависимо-
Рис. 6.19. Схема аппарата для НепрерЫй ного обезвоздушивания вискозы:Ве
а —конусообразный аппарат: б —бак с развит поверхностью:
} — корпус; 2—лапа; 3 —конуса для стока вискОз
сти от производительности состав- ляет 4—5 м. В верхней части anng. рата имеется круговой желоб, от. крывающийся внутрь аппарата у3. кой щелью, через которую вискоза попадает в обезвоздушиватель и по стенкам конуса медленно сте- кает вниз. При остаточном давлении 0,665—1,330 кПа пузырьки воз- , гея очень быстро. На некоторых заводах вискозу обезвоздушивают дважды: один раз перед фильтре- ванием (предварительное обезвоздушивание), второй раз — перед Подачей вискозы в рабочие баки. В этом случае предусмотрены две установки для непрерывного обезвоздушивания.
Перед обезвоздушиванием вискоза подогревается до 23—25°С в производстве вискозной текстильной нити и до 40—45 °C в производствах кордной нити и волокна. При таких температурах 8 условиях глубокого, вакуума при обезвоздушивании вискоза кипит в тонком слое. Вместе с воздухом удаляется избыток CS2 и испаряется некоторое количество воды. В результате испарения воды вискоза остывает и может достигнуть нормальной температуры без дополнительного охлаждения. На практике обычно поддерживают перепад температуры до и после обезвоздушивания постоянным; для вискозной нити 2—2,5 °C, -для кордной нити и волокна 8—10°С.
Обезвоздушенную вискозу выводят из баков при помощи барометрической трубы, что требует размещения аппаратуры на высоте около Юми затрудняет ее эксплуатацию. При отсутствии барометрической трубы устанавливаются специальные насосы,отбирающие вискозу непосредственно из аппарата, находящегося под разрежением.
Использование отходов вискозы
Для увеличения экономичности производства и снижения себестоимости готовой продукции стремятся максимально использо- вать все отходы вискозы и свести к минимуму потери.•
Для уменьшения отходов остатки вискозы не удаляют из все> вискозных баков (кроме рабочих) и перед приемом следую®11' партий баки не очищают. Количество вискозы, оставшейся по^ опорожнения бака, невелико, поэтому на качестве новой партй это не сказывается. Остатки вискозы из рабочих баков рекомейДУ ется сливать.
Вискозу, стекающую при смене фильтровальных материалов, бнРают в металлические или железобетонные поддоны, устаной- С° ные под прессами. Из поддона вискозу гибким шлангом, нахо- л нМСЯ под вакуумом, засасывают в специальный бак для сбро- остатков вискозы. Из этого бака вискозу сжатым воздухом Соаают в смеситель, где ее подмешивают к молодой вискозе. Остатки вискозы из фильтр-прессов можно также выдавливать жатым воздухом непосредственно в смеситель.
В промышленности осваивается метод промывки фильтр-прес- ов без их разрядки. Этот метод особенно эффективен при использовании в качестве фильтрующих материалов нетканых синтети- ческих полотен.
После загрязнения фильтр-пресса, что отмечается по повышению давления перед входом, фильтр-пресс отключают от виско- зопровода, продувают сжатым воздухом (вискозу направляют в смеситель) и промывают водой с одновременным барботированием воздуха. Сильно разбавленная вискоза используется в качестве добавок при растворении ксантогената. После многократной промывки фильтр-пресс подключается к вискозопроводу.
Введение добавок в вискозу
В вискозу вводят различные добавки: сульфит натрия для замедления созревания вискозы, поверхностно-активные вещества и модификаторы для улучшения качества готового волокна. Для уменьшения блеска волокна в вискозу вводят матирующие вещества, а для придания определенного цвета — красители.
Матирование волокна. Вискозные нити, сформованные обычным способом, имеют неприятный стеклянный блеск. Поэтому почти все нити, предназначенные для изготовления изделий народного потребления, подвергаются матированию. Нити технического назначения не матируются.
Наилучшим матирующим средством является двуокись титана (диоксид титана)—тончайший порошок (размер частиц не более 1 мкм) белого цвета, нерастворимый в кислотах и щелочах, не Реагирующий с вискозой, осадительной ванной и отделочными растворами. Двуокись титана вводят в щелочную целлюлозу при измельчении или чаще в готовую вискозу (после окончания процес- Са растворения ксантогената). В последнем случае двуокись ти- Тана вводят в виде суспензии в вискозе или в щелочи.
Суспензию добавляют в вискозу в таком количестве, чтобы поручить желаемую степень блеска волокна. При введении 1,5—2 рли 0,5—1% (от массы целлюлозы) двуокиси титана получают °ответственно матовое или полуматовое волокно.
Крашение в массе. Для получения окрашенных нитей и волокна ПоВискдзу Добавляют красящее вещество, которое не изменяется ^Д действием вискозы, осадительной ванны, отделочных раствору И ПРИ пР°текании различных окислительных и восстановитель-
А процессов. При крашении в массе получают нити с равномер-
ной и устойчивой окраской. Этот способ менее трудоемок и бо- лее дешев по сравнению с крашением растворами красителя и по' следующей сушкой, поэтому он находит все более широкое при. менение.
Для крашения вискозы в массе применяют высокопрочные кра. сители (сернистые, кубовые или пигментные). Эти красители должны быть высокодисперсными (размер отдельных частиц Hfc должен превышать 0,8—1 мкм). Для повышения степени дисперс- ности красителей на заводах искусственного волокна их часто приходится дополнительно измельчать на коллоидных мельницах.
Способ крашения нитей и волокна в массе осуществляется в двух вариантах. Вискозу окрашивают еще до фильтрации в один цвет и выпускают одноцветную многотоннажную продукцию на каждом производственном потоке или приготовляют в отдельных сосудах небольшого размера маточную окрашенную вискозу разных цветов и подмешивают ее к вискозе, поступающей на маши- ны для формования нитей. При этом методе можно вырабатывать одновременно нити стольких цветов, сколько имеется прядильных машин. При крашении волокна в массе часто применяют водорастворимые сернистые красители. Основное отличие последних от обычных сернистых красителей заключается в том, что они непосредственно растворяются в воде при нагревании, без перевода их в лейкооснования.
Водорастворимые сернистые красители выпускаются в виде порошка или пасты, содержащей 30—40% красящего вещества.
Сернистые красители в настоящее время не имеют достаточно широкой гаммы цветов (отсутствуют красители красных, розовых, алых и оранжевых цветов). Поэтому крашение в массе текстильной нити и частично волокна обычно осуществляется суспензионным способом, с применением пигментов или кубовых красителей повышенного качества (более светостойких, но более дорогих) .
Для суспензионного крашения применяют суспензии азопигментов, флатоцианиновых пигментов и кубовых красителей. Из пигментов приготовляют маточную суспензию красителя в вискозе и замешивают ее с рабочей вискозой, причем это замешивание проводят в вискозопроводе у прядильных машин или в смесителе вискозы.
Применение пигментов дает возможность получать более Ши" рокую гамму цветов и оттенков. Прочность окраски составляет 4—5 баллов, в то время как водорастворимые сернистые красители дают прочность окраски от 3 до 5 баллов.
Суспензию из пигментов или кубовых красителей получаЮт' смешивая краситель со спиртом и поверхностно-активными веШ6’ ствами в соотношении 0,5:1:1. Качество суспензии заметно улУ4 шается, если ее неоднократно пропускать через краскотерку. 1% лученную суспензию добавляют в вискозу в баке с мешалК°й’ тщательно перемешивают и получают маточную крашеную висИ°
V Эту операцию обычно осуществляют в вискозном цехе, в не- носредственной близости к прядильному цеху, а смешение маточ- нОй вискозы с рабочей при помощи смешивающего насоса— в ви- скозопроводе у прядильной машины.
Поверхностно-активные вещества и модификаторы *. В послед‘ ние годы достигнуты значительные успехи в усовершенствовании производства вискозных волокон и улучшении их качества. Немалое значение в этом отношении имеет правильный подбор различного рода поверхностно-активных веществ и модификаторов в качестве добавок в процессе приготовления вискозы и формования волокна.
К числу поверхностно-активных относятся вещества, которые, будучи добавлены в небольших количествах, адсорбируются на поверхности раздела фаз и резко изменяют свойства этих поверхностей: снижают энергию внешнего некомпенсированного слоя молекул, повышают смачивающую способность жидкости, облегчают условия образования новых поверхностей и т. п. Обычно способностью сорбироваться на поверхности раздела фаз обладают вещества, молекулы которых имеют дифильный характер, т. е. состоят из углеводородов жирного ряда (гидрофобная часть) и сильно сольватированной гидрофильной группы (карбоксильные, гид- . роксильные, аминогруппы и т. п.).
Поверхностно-активные вещества подразделяются на три класса: анионоактивные (жирные кислоты, сульфированные масла и др.), катионоактивные (четвертичные аммониевые основания и др.) и неионогенные. Анионоактивные вещества мо- . гут быть использованы в щелочной или нейтральной средах, катионоактивные— в кислой или нейтральной средах, неиногенные вещества можно применять во всех средах.
Модификаторами, или замедлителями скорости разложения ксантогената целлюлозы при формовании нитей, называются вещества, добавляемые в вискозу и осадительную ванну для регулирования соотношения скоростей коагуляции ксантогената и регенерации целлюлозы в целях получения нитей с такой надмолекулярной структурой, которая определяла бы требуемые физико-механические показатели.
На ряде стадий технологического процесса получения вискоз- ных волокон происходит соприкосновение двух или трех фаз с сильно развитой поверхностью.
При мерсеризации происходит взаимодействие на границе разила целлюлозы — раствор щелочи. При ксантогенировании про- Цесс протекает в условиях трехфазной системы: целлюлоза — ра- створ щелочи — жидкий или газообразный сероуглерод Растворение ксантогената и обезвоздушивание вискозы идет при наличии
f В данный раздел не включены средства авиважной и замасливающей обра- #ь Ки волокна, так называемые текстильно-вспомогательные поверхностно-актив- * вещества для отделки химических нитей и волокон.
нити.нити.в системе двух фаз. Формование волокна протекает в сложной системе со многими развитыми межфазными поверхностями: ви- скозы, фильеры, осадительной ванны и пленки образующейся
нити.
нити.
Кратко рассмотрим применение поверхностно-активных веществ и модификаторов на отдельных стадиях вискозного производства.
или вводят целлюлозныхили вводят целлюлозныхМерсеризация. Добавка поверхностно-активных веществ при мерсеризации приводит к более быстрому полному смачиванию целлюлозы, что позволяет получить целлюлозу с лучшей фильтруемостью. В качестве поверхностно-активных веществ для добавок в процессе мерсеризации анионоактивные или неионогенные вещества не используют. Лучшие результаты получаются при добавлении высокосульфированного касторового масла. Практически в мерсеризационную щелочь такие добавки не вводят, так как это влечет за собой сильное вспенивание жидкости. Их добавляют при измельчении щелочной целлюлозы в исходную целлюлозу при ее получении на
или вводят целлюлозных
или вводят целлюлозных
заводах.
Ксантогенирование. При мокром способе ксантогениро- вания в системе существуют три фазы: щелочная целлюлоза, раствор едкого натра и жидкий сероуглерод. Скорость реакции ксан- тогенирования в гетерогенной системе определяется концентрацией сероуглерода, эмульгированного в щелочи, и величиной его поверхности. Некоторые поверхностно-активные вещества являются хорошими эмульгаторами сероуглерода в щелочи и, увеличивая таким образом поверхность соприкосновения между фазами, ускоряют реакцию ксантогенирования. Таким веществом является высокосульфированное касторовое масло, которое добавляется в количестве 1—2% от массы сероуглерода.
Растворение и фильтрование. Добавка многих поверхностно-активных веществ способствует более полному растворению ксантогената и облегчает фильтрование вискозы. Повышение чистоты вискозы можно фиксировать по ее прозрачности. Хорошие результаты были получены при добавлении ализаринового масла (сульфированное касторовое масло с умеренной степенью сульфирования), оксиэтилированных алифатических аминов или спиртов и др. Эти вещества снижают также засоряемость фильер й могут служить модификаторами при получении высокопрочного корда.
Обезвоздушивание вискозы. Добавки поверхностноактивных веществ в вискозу на всех стадиях ее приготовления отрицательно влияют на процесс обезвоздушивания, вызывая сильное пенообразование. Поэтому выбор поверхностно-активного вещества зависит от устойчивости пены, которая образуется при ег° применении. Как установлено, количество пены и ее устойчивость зависят от химического строения добавляемого вещества. Наибольший объем устойчивой пены образуется при добавке кастор0'
воГо масла и оксиэтилированных жирных спиртов. Оксиэтилиро- ванные жирные амины дают пену, обладающую минимальной ус- тойчивостью, поэтому им отдается предпочтение.
формование нитей. В настоящее время довольно полно изучено влияние добавок поверхностно-активных веществ и модификаторов на следующие процессы: засорения отверстий фильер вследствие их зарастания сульфидом цинка; образования наплывов вискозы на фильере («завар» фильер) в результате повышенной адгезии между вискозой и материалом фильеры; замедления скорости разложения ксантогената (при добавках модификаторов).
Добавки, предотвращающие засорение фильер, можно вводить в осадительную ванну или в вискозу. В ванну добавляют соли четвертичных аммониевых оснований (наиболее эффективное средство). В вискозу вводят оксиэтилированные спирты и амины. Применение этих добавок особенно важно при производстве высокопрочной кордной нити, при котором, как известно, применяется осадительная ванна с большим содержанием сульфата цинка, а ионы цинка в присутствии H2S образуют сульфид цинка, вызывающий усиленное засорение фильер.
Адгезия вискозы к фильере в значительной степени зависит от состава осадительной ванны. Она уменьшается с увеличением концентрации серной кислоты и увеличивается с повышением концентрации сульфатов натрия и цинка. Уменьшение адгезии вискозы к фильере и повышение устойчивости процесса формования волокна достигаются при введении добавок некоторых поверхностно-активных веществ в вискозу или осадительную ванну. Более всего влияют на снижение адгезии добавки катионоактивных веществ, меньше — неионогенные добавки; почти не оказывают влияния на адгезию анионоактивные вещества.
Особое положение занимают /модификаторы. При добавлении их в небольших количествах резко замедляется скорость разложения ксантогената при формовании и благодаря этому получается структурно-однородная нить с высокими физико-механическими показателями, в частности с большой прочностью и высокими усталостными показателями. К числу таких соединений относятся алифатические и циклоалифатические амины, полиамины, этано- ламины, полиоксиэтилен и продукты его конденсации с жирными аминами, кислотами, спиртами, амидами, соли четвертичных ам- м°ниевых оснований, дитиокарбаматы, имидазол и его производ- нЫе и многие другие.
Как видно из этого краткого перечня, большинство модифика- т°Ров принадлежит к трем классам веществ: аминам, четвертич- Ным аммониевым основаниям и полиоксиэтилпроизводным.
При применении поверхностно-активных веществ необходимо Учитывать, что многие из них нестойки в кислотах и щелочах, а Ри взаимодействии друг с другом могут образовывать нерастворимые соединения, загрязняющие технологические растворы.
Глава 1Глава 1
Глава 1
Глава 1
ПОЛУЧЕНИЕ ВИСКОЗНЫХ ТЕКСТИЛЬНЫХ НИТЕЙ
выделения форме ни-выделения форме ни-ХИМИЧЕСКИЕ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, ПРОТЕКАЮЩИЕ ПРИ ФОРМОВАНИИ НИТЕЙ
выделения форме ни-
выделения форме ни-
Формованием называется технологический процесс (высаживания) из раствора или расплава полимера в тей бесконечной длины.
Приготовленная к формованию вискоза по трубопроводу (вис- козопровод) под давлением подается к прядильным машинам. На прядильной машине основными элементами для формования нити являются дозирующий насос и фильера. Дозирующим насосом вискоза из вискозопровода под давлением подается к фильере, в донышке которой имеются мелкие отверстия. Вискоза вытекает из • отверстий фильеры в виде тонких струек в осадительную ванну и быстро затвердевает, превращаясь из жидкости в твердое пластичное тело. Осадительной ванной называется водный раствор кислоты и ее солей. При получении вискозных нитей и волокон традиционной осадительной ванной является водный раствор H2SO4, NЗгЗС^ и ZnSO4.
Формование — важнейшая стадия технологического процесса, определяющая структуру нити и ее свойства. Условия формования, состав вискозы и осадительной ванны могут изменяться в широких пределах, что дает возможность получать гидратцеллюлозные нити по вискозному способу с различными физико-механическими свой
ствами.
Основным компонентом осадительной ванны является серная кислота. При попадании струйки вискозы в осадительную ванну серная кислота нейтрализует содержащийся в ней едкий натр:
2NaOH + H2SO4 —> Na2SO4 + 2Н2О
Поскольку едкий натр в вискозе является растворителем ксантогената целлюлозы, последний высаживается из раствора в виде ксантогенатных элементарных нитей. Одновременно серная кислота омыляет ксантогенат, в результате чего регенерируется целлюлоза:
[
C6H8O4OC=S1 + nH2SO4 —► (C6H9OiOH)„ + nNaHSO4+nCS2
SNa
Образовавшаяся в осадительной ванне нить представляет собою регенерированную целлюлозу — гидратцеллюлозу, которая п° структуре и свойствам отличается от исходной целлюлозы. По3' тому нити, полученные из вискозы, называют гидратцеллюл03 ними.
При формовании волокна серная кислота разлагает побочны продукты, содержащиеся в вискозе:
тритиокарбонат:
NagCSs "|- H2SO4 —>■ Na2SO4 4- H2S 4- CS2
сернистые и многосернистые соединения:
Каг8 4- H2SO4 —► Na2SC>4 4* H2S
Na2S2 4- H2SO4 —>- Na2SO4 4- H2S 4- S тиосульфат натрия:
Na2S2O3 4“ H2SO4 —> Na2SO4 4-'H2O4- SO2 4- S
Как видно из приведенных реакции, при разложении ксантогената кроме гидратцеллюлозы выделяется сероуглерод, сероводород, сернистый газ и сера.
Применение в качестве осадительной ванны разбавленной (10—12%-ной) серной кислоты нецелесообразно, так как в таких растворах серная кислота сильно диссоциирована и вследствие этого очень быстро реагирует с едким натром и ксантогенатом целлюлозы, разлагая его с выделением гидратцеллюлозы, образующей на поверхности формующихся нитей жесткую целлюлозную пленку. Нить получается сильно набухшей и при высыхании ста- ; новится хрупкой. Для получения нитей с требуемыми свойствами ■] необходимо замедлить эти реакции, что может быть достигнуто г'снижением степени диссоциации кислоты1. Степень диссоциации ■ серной кислоты может быть уменьшена при повышении ее концен- драции в осадительной ванне или же при введении в раствор солей ’ серной кислоты. Наиболее распространен последний способ: в состав осадительной ванны вводят сульфаты натрия, аммония, магния, цинка, алюминия. Сульфат натрия не только снижает степень диссоциации серной кислоты, но, являясь дегидратирующим веществом, уменьшает набухание формующихся нитей. Таким же свойством обладает применяющийся в последнее время в ваннах, не содержащих ZnSO4, сульфат алюминия. Сульфаты аммония и магния на практике применяются редко.
Таким образом, при формовании вискозных волокон протекают три основных процесса:
нейтрализация растворителя ксантогената целлюлозы (NaOH) с одновременным осаждением полимерд — ксантогената целлюлозы;
разложение ксантогената целлюлозы с выделением гидратцеллюлозы;
частичное удаление воды из свежесформованной нити под воздействием некоторых сульфатов металлов и связанное с этим Уплотнение структуры свежесформованной нити.
Процессы, происходящие на начальной стадии формования, Тематично представлены на рис. 7.1.
При соприкосновении струйки вискозы с осадительной ванной на поверхности струи мгновенно происходит нейтрализация NaOH высаживание ксантогената целлюлозы, его частичное разложе- а с образованием тонкой пленки. Последующий процесс про- кновения ионов кислоты и солей внутрь вискозной струи уже
Рис. 7.1. Схема первой стадии процесса формования: / — фильера; 2 —тонкая наружная №
ГрГзЛХ^ТоГ^^целлюлозы (кислая среда); D-To4’a
нейтрализации.
лимитируется диффузией их через образовавшуюся пленку, на которой осаждаются продукты распада побочных соединений вискозы (тиокарбонатов). С течением времени ионы кислоты достигают осевой линии волокна, полностью нейтрализуя NaOH в толще нити (точка нейтрализации). Граничная линия нейтрализации отделяет области ксантогената целлюлозы, уже подвергшегося частичному, на 3—6%, разложению (pH 2) и свежесформованного ксантогената, находящегося в виде геля (pH 7,2—8,6). Следует отметить, что процесс высаживания ксантогената целлюлозы из раствора в толще нити, строго говоря, несколько опережает процесс нейтрализации вследствие обеднения вискозы едким натром, движущимся из глубины волокна наружу из-за разности его кон- . центраций. Однако условно принимается, что оба процесса происходят практически одновременно и через 120—150 мм (при скорости формования 60 м/мин) волокно полностью нейтрализовано и в нем произошли фазовые переходы (от жидкости к твердому телу).
Характер процесса высаживания ксантогената целлюлозы в значительной степени влияет на свойства получаемой нити, так как основные особенности структуры волокна зависят от условия проведения этого процесса.
На процесс осаждения же в первую очередь влияет состав и соотношение основных компонентов осадительной ванны, добавки в .вискозу и осадительную ванну, регулирующие скорости диффУ' зии компонентов ванны внутрь нити.
В зависимости от характера протекающих при формовании 6 толще нити процессов изменяется прежде всего форма ее поперечного среза. Ординарные по прочностным свойствам вискозны1 нити (разрывная нагрузка 150—200 Н/текс, удлинение 16—2W имеют, как правило, изрезанный по периметру срез с ярко вЫР3. женными ядром и оболочкой. Нити, обладающие повышенно11 прочностью, высоким начальным модулем и высокой прочность1” в мокром состоянии (кордные, высокомодульные и полинозиы”') имеют круглый или бобовидный срез, однородный по поперечН” му сечению.
рассмотрим действие остальных компонентов осадительной ванны-
Сульфат натрия вводится в осадительную ванну для снижения диссоциации серной кислоты, а также для дегидратации формующихся нитей. Серная кислота в водном растворе диссоциирует по схеме:
h2so4 h+ + hso; и hso; ^=> n++so2y
Константа диссоциации для первого уравнения Ai « 1, а для второго Кг ® Ю-3. При введении в раствор Na2SO4 увеличивается концентрация ионов SO» .вследствие чего диссоциация H2SO4 снижается и концентрация ионов Н+ уменьшается.
Аналогичное действие оказывают и другие сульфаты, например, магния, аммония, но, так как сульфат натрия является наиболее дешевым реагентом и, кроме того, он образуется в осадительной ванне при взаимодействии последней с вискозой, его применяют чаще.
Практикой установлено, что структура нити получается тем однороднее, чем меньше степень набухания нити, выходящей из осадительной ванны. Гидратация (степень набухания) нити в осадительной ванне тем меньше, чем больше в ней солей. Например, при повышении концентрации Na2SO4 в осадительной ванне с 180, до 300 г/л степень набухания формующей нити снижается с 250 до 120%. Применению осадительных ванн с высоким содержанием Na2SO4 препятствуют ограниченная растворимость сульфатов в 10—12%-ном растворе кислоты. Дегидратирующая способность Na2SO4 наиболее высока по сравнению с другими сульфатами. Высокое содержание в ванне сульфата натрия обеспечивает получение нитей С мягким грифом, с хорошими физико-механическими свойствами.
Сульфат цинка. Основное действие ZnSO4 при формовании волокна заключается в том, что ионы цинка образуют поперечные связи и в ксантогенате целлюлозы:
CeHgO4OC=S—'CeHgO4OC=S—'+ nZnSO4 •—>-+ nZnSO4 •—>-S x
CeHgO4OC=S—'
CeHgO4OC=S—'
+ nZnSO4 •—>-
+ nZnSO4 •—>-
SNa J„SNa J„C6HgO4OC—S—72ZnJn + nNa2SO4
SNa J„
SNa J„
к°торые, по-видимому, создают центры кристаллизации; кроме Этого, Zn-ксантогенат целлюлозы значительно медленнее разла- гается кислотой осадительной ванны, чем Na-ксантогенат. В зави- оимости от его концентрации в осадительной ванне условия формования нити существенно изменяются, особенно сильно это ска- Ывается в том случае, когда в вискозу вводят модификаторы. Д^Ч^трация сульфата цинка может быть подобрана так, что СтТь получается более однородной и структура ее почти полно- ТаЬю соответствует структуре оболочки. Эта особенность сульфа- нИтЦИНка широко используется при получении вискозной кордной
СТРУКТУРА НИТЕЙ
В зависимости от условий-проведения процессов формования поперечный срез волокна может быть круглым, бобовидным или с извилистыми краями. Если состав осадительной ванны подобрав так, что ксантогенат целлюлозы высаживается из прядильного ра- створа с большой скоростью (повышенное содержание H2SO4 й низкое Na2SO4 и ZnSO4) и быстро разлагается в поверхностном слое до гидратцеллюлозы, то внутри нити создается повышенное осмотическое давление, заставляющее перемещаться жидкость из толщи волокна наружу, и объем нити уменьшается. В результате гидратцеллюлозная оболочка сморщивается, образуются складки, и форма поперечного среза становится извилистой.
Медленное осаждение ксантогената целлюлозы, равномерное по радиусу волокна, приводит к сохранению круглого поперечного сечения готовой нити. Это достигается подбором состава осадительной ванны (снижение содержания H2SO4, повышение ZnSO4 и Na2SO4) и добавками в вискозу и осадительную ванну модификаторов. Действие последних в сочетании с высоким содержанием ZnSO4 основано на регулировании толщины и состава поверхностной пленки на струйке вискозы, которая в свою очередь регулирует скорость проникновения компонентов осадительной ванны в формирующуюся нить и, следовательно, скорости осаждения и разложения ксантогената целлюлозы.
Основные физико-механические свойства вискозной нити в большой степени зависят от условий формования нити и формирования ее надмолекулярной структуры. Как уже указывалось раньше, макромолекулы целлюлозы в процессе формования нити могут располагаться различно. В момент ориентации их вдоль оси волокна целлюлозные цепи дают новые образования, соединяясь в пачки, от порядка расположения которых зависит надмолекулярная структура и свойства нити. Размеры пачек могут быть различны, поэтому плотность нитей может колебаться в известных пределах. Наиболее прочная нить имеет наименьшую плотность, это показывает, что пачки макромолекул в такой нити являются мелкими образованиями. Наоборот, если образуются крупные пачки, плотность нитей увеличивается; при этом прочность может быть высокой, но эластические свойства ухудшаются.
Для получения нитей с удовлетворительными физико-механическими свойствами их структурные элементы должны быть ориентированы вдоль оси, что достигается при вытягивании нитей во время формования вследствие сопротивления, испытываемого нй" тями при прохождении через осадительную ванну и нитепровоД' ники. Это вытягивание достаточно лишь для некоторого ориентирования макромолекул вдоль оси нити, но для получения более прочных нитей их подвергают дополнительному вытягиванию с помощью специальных устройств.
СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ВИСКОЗНЫХ ТЕКСТИЛЬНЫХ НИТЕЙ
Вискозные текстильные нити получают тремя способами, отли- ца^щимися в основном методами обработки нити после ее формования и аппаратурным оформлением процесса.
Бобинный способ получения текстильной нити заключается в том, что сформованная нить из осадительной ванны при- лимается на вращающуюся бобину. Схема формования по бобин- ному способу представлена на рис. 7.2.
Корыто с осадительной ванной, где проводится формование ни- тей, установлено вдоль прядильной машины по всей ее длине. Рядом с корытом также по всей длине прядильной машины установлена. полка, под которой расположен вискозопровод (коллекторная труба), на котором укреплены насосодержатели с дозирующими насосами. Вдоль всей машины в подшипниках закреплен насосный вал, на котором размещены шестерни, сцепляющиеся с шестернями дозирующих насосов. На полке в стойке крепится фильтр-палец. Между корытом осадительной ванны и полкой предусмотрен грязевой желоб, в который сливается вискоза из фильер, поднятых вверх, при заправке машины, проверке подачи вискозы дозирующими насосами, контроле чистоты фильер и т. д.
Свежесформованная нить, намотанная на бобину, подвергается отделке на отделочном оборудовании (барки, отделочные машины), сушится, скручивается, перематывается и упаковывается.
нить из осади-нить из осади-Р*16- 7,2. Схема бобинного способа формования:Р*16- 7,2. Схема бобинного способа формования:Центрифугальный способ получения текстильной нити отличается от бобинного тем, что сформованная
нить из осади-
нить из осади-
Р*16- 7,2. Схема бобинного способа формования:
Р*16- 7,2. Схема бобинного способа формования:
Г~Дозирующнй насос; 2—свечевой фильтр (фнльтр-палец); 3—червяк; 4— фильера; 5— корыто я осадительной ванны; 6—раскладочный механизм; 7 —бобина; 8—насосный вал.
₽Ис- 7.3, Схема формования волокна глубокованным способом:
кэд^ильера; 2—осадительная ванна; 3—нитепроводник; 4—вращающийся диск; 5—подднс- я палочка; 6 —воронка; 7 —центрифугальная кружка.
Фельной ванны заправляется на один или пару стеклянных Вра. щающихся дисков, являющихся тянущим механизмом, и направ. ляется через стеклянную воронку, движущуюся вверх и вниз, в0 вращающуюся центрифугальную кружку, где скручивается и, ра. складываясь центробежной силой по ее стенкам в виде цилиндра образует паковку — «кулич» (рис. 7.3).
Дальнейшей обработке подвергается нить этой паковки, Не имеющей жесткого каркаса, что обусловливает особенности технологического процесса формования и свойств нити, сформованной по центрифугальному способу.
Непрерывный способ получения текстильной нити отличается от первых двух тем, что сформованные нити непрерывно проходят с определенным натяжением по системе двойных валов и корыт с технологическими растворами, промываются водой, от- делываются, сушатся и через крутильный механизм принимаются на специальную шпулю-копс. Все эти операции осуществляются на единой машине.
. СХЕМЫ И ПАРАМЕТРЫ ПРОЦЕССА ФОРМОВАНИЯ
ТЕКСТИЛЬНЫХ НИТЕЙ
Технологические схемы формования. Для формования нити Можно применять различные способы заправки в зависимости от того, какую нить нужно получить. Наиболее простая схема формования приведена на рис. 7.2. При таком способе формования, называемом глубокованным или вертикальным, нить, выходящая из фильеры, поднимается вертикально вверх, проходит направляющий крючок нитеводителя и раскладывается на бобине. По выходе из осадительной ванны нить захватывает некоторую часть жидкости и увлекает ее с собой. Таким образом, по выходе из осадительной ванны нить продолжает находиться под действием реагентов до момента соприкосновения с нитеводителем, который снимает избыток жидкости, стекающей обратно в корыто. Анализ . раствора, находящегося на нити, показывает изменение его кон- I центрации'по сравнению с первоначальной. Следовательно, химические реакции не заканчиваются в осадительной ванне, а продолжаются и при движении нити от зеркала осадительной ванны | до бобины или диска. О скорости протекания химических реакции 1 можно судить по цвету нити, наматываемой на бобину. Например, зеленоватый оттенок говорит о неполном разложении ксантогената.
В процессе формования нужно строго выдерживать установлен- ную глубину погружения фильеры в поддоне осадительной ванне1' В осадительной ванне нить преодолевает некоторое сопротивление жидкости, в результате чего она несколько натягивается. ™ выходе из осадительной ванны нить получает дополнительное тяжение, создаваемое массой самой нити и увлекаемой ею ^^ костью. Благодаря этому нить несколько вытягивается, что сЯ собствует получению ориентированной нити.
<1 J
Рис. 7.4. Схема заправки нити на центрифугальной машине с двумя дисками (мел- кованный способ формования);
-фильера; 2—бортовой крючок; 3 иб— направляю- (Те нитепроводиики; 4 и 7—диски; 5 и 8 —подди- ™ковые нитепроводиики; 9—вороика; 10—кружка цеитрифУги-
Другой разновидностью схемы формования вискозной текстильной нити является схема мелкованного, или горизонтального формования (рис. 7.4).
.Фильера погружается в осади-
тельную ванну на глубину всего
к борто-к борто-2-тЗ см, и образующаяся нить движется вдоль поддона к бортовому проему, направляющему ее к бобине или транспортирующему диску.
к борто-
к борто-
Расстояние от фильеры до зеркала осадительной ванны или бортового крючка называется длиной пути нити в ванне и подбирается с таким расчетом, чтобы за время прохождения его нить успела сформоваться и получить достаточную прочность.
В последние годы разрабатывается способ формования нити в прядильных трубках (горизонтальных или вертикальных). Несмотря на некоторые санитарно-гигиенические преимущества этот способ пока не нашел промышленного применения в производстве вискозной текстильной нити из-за неудобства обслуживания большого числа индивидуальных прядильных трубок.
Как уже указывалось, качество получаемой нити при прочих равных условиях в первую очередь зависит от состава и температуры осадительной ванны, скорости формования и других факторов.
Состав осадительной ванны. Обычно применяют трехкомпонентную осадительную ванну, содержащую серную кислоту, сульфат натрия и сульфат цинка. При применении сульфата натрия и серной кислоты в мольных соотношениях образуется бисульфат натрия.
Na^SO^ + H2SO4 ^ 2NaHSO<
Наибольшее применение получили ванны, содержащие сульфат ^трия в количестве, превышающем мольные соотношения (в этом ^Учае в осадительной ванне находятся одновременно Na2SO4 NaHSO4). Введение большего количества сульфата натрия в оса- Тельную ванну ограничено растворимостью сульфата в 10%-ном и Ств°ре серной кислоты. Растворимость сульфатов возрастает да п°вышении температуры. Поэтому одной из причин, вынуж- ^^их применять осадительную ванну с температурой 45—50 °C Крн°Гда даже ДО 60°C), является необходимость предотвращения таллцзации сульфата натрия на поверхности деталей машины,
а также на формующейся нити, что является причиной повреждения отдельных элементарных нитей.
При замедлении разложения ксантогената целлюлозы во время формования нить дольше находится в пластичном состоянии, ре, акции между кислотой и компонентами вискозы протекают равномерно, и структура волокна получается более однородной.
Для получения нити с хорошими качественными показателями концентрация сульфата натрия в осадительной ванне должна быть достаточно высокой (260—300 г/л). При такой концентрации получается мягкая нить с достаточно высокой прочностью и удлинением.
При недостаточном количестве сульфата натрия в осадительной ванне увеличивается жесткость, уменьшается прочность и удлинение волокна как в сухом, так и в мокром состоянии.
Наиболее часто для формования текстильной нити применяется осадительная ванна следующего состава (в г/л):
Серная кислота130—150
Сульфат натрия 260—320
Сульфат цинка 12—20
Уменьшая или увеличивая концентрацию сульфата цинка в осадительной ванне, регулируют скорость процесса разложения ксантогената целлюлозы и в определенных пределах показатели нити, особенно удлинение при разрыве в сухом и мокром состоянии.
В случае формования волокна с небольшой вытяжкой (порядка 15—20%) указанная концентрация сульфата цинка в осадительной ванне (до 20 г/л) обеспечивает нормальное формование и выработку нити хорошего качества.
Температура осадительной ванны. Скорость процессов, протекающих во время формования, а следовательно, и качество нити в большей степени зависят от температуры осадительной ванны. Как уже указывалось, обычно температура осадительной ваииы составляет 45—50 °C. Поскольку при заправке машин рабочие вынуждены погружать руки в осадительную ванну, при дальнейшем повышении температуры ухудшаются условия труда. С повышением температуры возрастают скорости реакций и, следова- тельно, нужно придерживаться некоторых оптимальных значении температуры и концентрации сульфата натрия, так как эти Дв3 параметра связаны между собой.
Скорость формования. Скорость формования нити зависит о1 нескольких факторов, но главным образом — от прочности све#е' сформованных нитей. При высокой скорости формования нить и° .пытывает значительное напряжение при прохождении через °са дительную ванну и нитенаправляющие детали, в результате чеГ возможны обрывы отдельных элементарных нитей. Во избежаД" этого скорость формования приходится выбирать таким образ0 ’ чтобы нить успела приобрести необходимую прочность, достат0
ю для преодоления сопротивления, возникающего при движении свежесформованной нити.
При формовании нити центрифугальным и непрерывным мето- аМИ скорость формования дополнительно ограничивается из-за необходимости придания нити определенной крутки (не ниже g5 витков/м) и нежелательности увеличения частоты вращения центрифуг вследствие резкого возрастания потребления электроэнергии.
При принятой частоте вращения электроверетен, равной 8000— 9000 об/мин, скорость формования не превышает 100—105 м/мин.
При увеличении скорости формования нити необходимо изменить состав осадительной ванны для ускорения процессов коагуляции и омыления ксантогената. Снижение гидравлического сопротивления при прохождении нити через осадительную ванну может может быть достигнуто при формовании волокна в трубках, через которые протекает осадительная ванна в направлении движения нити со скоростью, примерно равной скорости движения нити.
Фильерная вытяжка. Как уже указывалось, комплексная текстильная нить состоит из отдельных элементарных нитей. Число элементарных нитей в комплексной нити зависит от линейной плотности нити и ее назначения.
При одной и той же линейной плотности нити отдельные элементарные нити будут тем тоньше, чем больше отверстий в фильере. Например, если нить линейной плотностью 11,11 текс формовалась на фильерах с 25 и 32 отверстиями, то линейная плотность элементарных нитей составляет соответственно 11,11:25 = = 0,444 текс и 11,11 : 32 = 0,347 текс.
у2 К СКОрОСТИу2 К СКОрОСТИw ^= -Е1—21. ют«2w ^= -Е1—21. ют«2При ОДНИХПри ОДНИХОдним из дефектов нити, видимых на глаз, является ворсистость. Этот дефект может возникнуть при формовании с большой фильерной вытяжкой. Под термином фильерная вытяжка w понимается отношение разности между скоростью приема сформованной нити щ и скоростью истечения вискозы из отверстий фильеры истечения вискозы (%)
у2 К СКОрОСТИ
у2 К СКОрОСТИ
w ^= -Е1—21. ют«2
w ^= -Е1—21. ют«2
При ОДНИХ
При ОДНИХ
_ и тех же условиях скорость истечения вискозы за-
висит от числа отверстий в фильере и их диаметра:
у г = а1ппгг
г№ а— количество вискозы, подаваемой в фильеру за 1 мин, см3; и число .от- Третий в фильере; г — радиус отверстий, см.
Эта формула показывает, что скорость истечения вискозы пРямо пропорциональна количеству подаваемой вискозы и обратно пропорциональна числу отверстий в фильере и квадрату радиуса ^верстий. Следовательно, чтобы уменьшить фильерную вытяжку, - ^аДо увеличить подачу вискозы или уменьшить число отверстий Фильере либо их диаметр.
Подачу вискозы можно повысить, снижая содержание в ней а-целлюлозы.
Первые два способа уменьшения фильерной вытяжки нежелательны, так как получение нити из менее концентрированных растворов связано с некоторым увеличением удельного расхода энергии и снижением производительности оборудования для при- готовления вискозы, а формование на фильерах с меньшим числом отверстий связано с изменением качественных показателей волокна. Следовательно, остается один путь — уменьшение диаметра отверстий фильеры. Однако это возможно только в огра- ниченных пределах, так как уменьшение диаметра до 0,05 мм вызывает уже некоторые трудности в процессе формования из-за того, что более мелкие отверстия засоряются чаще. Вискоза в этом случае должна быть тщательно профильтрована.
Сама по себе фильерная вытяжка практически не оказывает заметного влияния на физико-механические свойства нити. Вискозу можно вытягивать'по-разному, от этого ее структура не нару- шается. Однако следует учитывать, что чрезмерно большая фильерная вытяжка может значительно ухудшить качество нити из-за появления ворсистости.
Степень вытяжки нити. Для получения вискозной текстильной нити с регулируемыми показателями по прочности и удлинению на всех современных машинах осуществляется процесс вытягивания нити на транспортирующих нить элементах. Вытягивание осуществляется за счет разной окружной скорости вытягивающих элементов (между дисками, на уступах цилиндров и т. д.). Степень вытяжки при вытягивании на дисках определяется отношением S (%) разности окружных скоростей дисков к скорости первого диска
s = .^?tZl. юо
где V\ и V2 — соответственно окружные скорости первого и второго дисков.
Степень вытяжки в зависимости от способа формования вис- 'козной текстильной нити колеблется в пределах 14—30%.
В заключение необходимо подчеркнуть, что свойства нитей находятся в прямой зависимости от того, насколько правильно и одинаково для всех нитей был проведен процесс формования. Нити, сформованные в различных условиях, обладают разными свойствами. Например, прочность и удлинение нити при прочих равных условиях изменяются в зависимости от того, какому натяжению она подверглась при формовании, т. е. эти показатели за' висят от длины пути в ванне, угла охвата крючков, количества уносимой нитью жидкости и степени вытяжки между ДиС" ками.
При прочих равных условиях нити, имеющие меньшее удлини ние, окрашиваются в более светлые тона. При значительной неоД' нородности нити по удлинению она окрашивается неравномер1*0' что приводит к браку готовой продукции. Высококачественна
IS J
нить Может быть Получена Только При строгом соблюдении 50™р” "РЯ ф0<>‘'ма™ "°™ параметров тех™™»
?g МАШИНЫ ДЛЯ ФОРМОВАНИЯ ВИСКОЗНЫХ ТЕКСТИЛЬНЫХ НИТЕЙ
Машины, применяемые для формования волокна и нити, полу- . чили название прядильных.
Несмотря на то, что для формования искусственных волокон используются машины различных конструкций, основные узлы и детали этих машин отличаются незначительно. Поэтому рассмотрение конструкций прядильных машин начинаем с описания устройства общих узлов и деталей.
Узлы и детали прядильных машин
Вискоза подводится к машине по одному или по двум стоякам, соединяющим главную магистраль с коллекторной трубой, проходящей вдоль машины. На коллекторной трубе устанавливаются насосодержатели (нижняя стойка), через которые вискоза подается в дозирующие насосы. По конструкции нижние стойки могут быть различны, но все они предназначены для одной и той же цели — для закрепления дозирующего насоса, подведения к нему вискозы и подачи ее к фильтр-пальцу.
Фильтр-палец (свечевой фильтр) служит для удаления из вискозы загрязнений, которые могут попасть в нее на пути от химического цеха до фильеры; он закрепляется в верхней стойке прядильной машины.
Фильтр-палец (рис. 7.5) изготовляется из винипласта или эбонита и состоит из трех основных частей: головки /, корпуса 2 и пальца 3. На конце пальца имеется резьба, при помощи которой он ввертывается в головку. Корпус фильтр-пальца также ввертывается в головку.
Палец обматывается фильтровальной тканью (обычно одним слоем свансбоя, а сверху спиралеобразно слоем шифона), и перевязывается суровой ниткой.
Фильтр-пальцы могут иметь различные размеры и характеризуются величиной фильтрующей поверхности ткани. Для нормаль- ной работы через 1 см2 фильтрующей ткани должно проходить не более 0,4 г вискозы в 1 мин. Применяются фильтр-пальцы и иной конструкции: вискоза продавливается через фильтрующий материал внутрь пальца и по каналу отводится к червяку. В таких фильтр-пальцах достигается более надежная фильтрация.
Корпус фильтр-пальца оканчивается штуцером, на который Завинчивается гайка 4, соединяющая его с червяком 5. Последний РеДставляет собой изогнутую трубку из стекла или винипласта, ^Дин конец которой соединен с фильтр-пальцем, а другой —
Фильерой. Схема соединения червяка с фильерой приведена а Рис. 7.6.
Рис. 7.5. Фильтр-палец и червяк:«
/—головка; 2 — корпус: 3—палец; 4—гайка; 5 —червяк.
Рис. 7.6. Схема соединения червяка с фильерой:
I —фильера; 2 —резиновое кольцо; а —резиновые прокладки; 4—фильтровальная ткань; 5—червяк; 6—фильерная гайка; 7 —футорка.
Фильера представляет собой небольшой колпачок, в донышке которого имеются маленькие отверстия. В зависимости от ассортимента формуемой нити применяются фильеры с отвер- - стиями диаметром от 0,05 до 0,1 мм.
Материал фильер должен обладать высокой стойкостью к щелочам и кислотам. Чаще всего фильеры изготовляются из сплава платины с иридием. Можно применять фильеры из сплава золота и платины, танталовые, керамические или стеклянные. От качества фильер в большой степени зависит качество получаемого волокна.
Отклонения от заданных размеров дйаметра отверстий фильеры не должны превышать ±0,003 мм. Не допускается наличие заусенцев в отверстиях, а также вмятин и царапин на фильере; донышко фильеры должно быть хорошо отполировано.
Для того чтобы получать доброкачественную нить, надо следить за чистотой отверстий фильеры. При полном засорении одного или нескольких отверстий фильеры число элементарных нитей в комплексной нити уменьшается, а их линейная плотность (толщина) увеличивается, так как дозирующий наСос подает строго определенное количество вискозы, которое продавливается через меньшее число отверстий, т. е. через каждое из них проходит больше вискозы, чем в чистой фильере.
Если одно или несколько отверстий фильеры закупориваются не полностью, то это тоже ведет к ухудшению качества нити или к браку, так как элементарные нити, выходящие из полузасореИ' ных отверстий фильеры, тоньше остальных и почти всегда обрь1- ваются. В результате готовая нить по ворсистости относится к низ" шему сорту.
Часто при обрыве элементарных нитей из полузасоренног0 отверстия вискоза выдавливается в виде капли, которая yBJie кается нитью. При наматывании нити на бобину или попадая11 в центрифугу эта капля раздавливается, и вискоза склеивает °' дельные элементарные нити.
Засорение фильер вызывает также быстрый износ деталей ма- щины: фильер, фильтр-пальцев, червяков, дозирующих насосов. Обычно дозирующий насос создает давление в 0,3—0,4 МПа. При засорении части отверстий фильеры давление в системе возрас- тает. При засорении значительного числа отверстий давление может возрасти очень сильно и вызвать поломку фильтр-пальца и червяка. Донышко фильеры под влиянием сильного давления может выгнуться, в результате чего отверстия деформируются, и фильера выходит из строя. Поэтому засоренные фильеры необходимо тотчас же заменять чистыми.
При работе на полузасоренной фильере в поддоне осадительной ванны появляются плавающие волоконца, которые собираются в пучки. Время от времени они захватываются нитью и попадают на бобину или в центрифугу, затем появляются снова. Нить, выходящая из осадительной ванны, имеет более темный (зеленоватый) оттенок. Раствор, уносимый нитью из корыта осадительной ванны, стекает по нити не равномерным слоем, а в виде капель.
Засоренную фильеру не всегда удается быстро обнаружить, поэтому периодически по графику работающие фильеры на всех машинах проверяются контролерами во время съема наработанной нити.
Метод проверки фильер заключается в следующем. Фильеры поочередно поднимают из осадительной ванны (нить предварительно обрывают), и контролер кусочком мягкой резины быстро проводит по донышку фильеры, снимая вытекающую из фильеры вискозу, что дает возможность наблюдать, как вискоза вновь вытекает из фильеры. Засорение отверстий фильеры легко обнаружить по нарушению правильности расположения капелек или неодинаковой их величине. Засоренные фильеры сейчас же отвертывают и заменяют чистыми. При нормальной работе количество сменяемых фильер составляет в сутки около 0,5—1,0%.
По новому, наиболее экономичному методу контроля фильер, определение засора и полузасора отверстий фильер ведется по подсчету числа элементарных нитей в готовой или свежесформо- ванной нити во время съема наработанной продукции. Подсчет ВДсла элементарных нитей и визуальная оценка их толщины (линейной плотности) производится на спектропроекторе с помощью Фотосчетчика.
Грязные фильеры вместе с фильерной гайкой сдают в фильерою мастерскую. Очищенные от вискозы фильеры промывают стРуей воды под давлением около 0,2 МПа и продувают сжатым в°3духом, прошедшим через специальный фильтр для очистки от Загрязнений (пыли и масла).
После такой очистки фильеры обрабатывают химически чистой еРной кислотой. Иногда фильеры обрабатывают при 70 °C смесью '^Дующего состава:
. Хромпик, г200
Серная кислота, х. ч., мл30
Вода дистиллированная, мл600
6 Зах. 559
Рис. 7.7. Схема дозирующего шестеренчатого насоса НШ-0,6П:/—корпус; 2 —сальник; 3 —вал; 4— нижняя пластинка; 5—средняя пластинка (для шестерен); 6—ведущая шестерня; 7 —верхняя пластинка; 8—ведомая шестерня.Рис. 7.7. Схема дозирующего шестеренчатого насоса НШ-0,6П:/—корпус; 2 —сальник; 3 —вал; 4— нижняя пластинка; 5—средняя пластинка (для шестерен); 6—ведущая шестерня; 7 —верхняя пластинка; 8—ведомая шестерня.
Рис. 7.7. Схема дозирующего шестеренчатого насоса НШ-0,6П:
/—корпус; 2 —сальник; 3 —вал; 4— нижняя пластинка; 5—средняя пластинка (для шестерен); 6—ведущая шестерня; 7 —верхняя пластинка; 8—ведомая шестерня.
Рис. 7.7. Схема дозирующего шестеренчатого насоса НШ-0,6П:
/—корпус; 2 —сальник; 3 —вал; 4— нижняя пластинка; 5—средняя пластинка (для шестерен); 6—ведущая шестерня; 7 —верхняя пластинка; 8—ведомая шестерня.
Фильеры, обработанные кислотой, промывают дистиллированной водой и сушат в сушильном шкафу. Затем их продувают отфильтрованным сжатым воздухом и просматривают под микроскопом или в проекционном аппарате. Фильеры, в которых остались засоренные отверстия, прокаливают в муфельной печи. После прокаливания фильеры подвергают вторичной обработке описанным выше способом. Если после повторной обработки не удается их очистить, то такие фильеры направляют на калибровку— засоренные отверстия фильер прочищают калибром.
Чистые фильеры необходимо предохранять от загрязнения. Для этого после сборки (зарядки) их завертывают в целлофановую пленку.
Дозирующие насосы обеспечивают равномерную подачу вискозы и продавливание ее сквозь отверстия фильеры. Для этой цели применяются шестеренчатые (зубчатые) насосы (рис. 7.7).
Корпус зубчатого дозирующего насоса состоит из трех сталь; ных хорошо пришлифованных пластинок. В средней пластинке 6 вырезаны гнезда для стальных шестерен 6 и 8, зубья который сцепляются между собой. К месту сцепления шестерен подходят два канала, по одному из них вискоза подается, по другому отво- дится. Одна из шестеренок насаживается на ведущий вал 3. Сре^' няя пластинка с вставленными шестернями плотно зажимаете» крайними пластинками, в которых прорезаны каналы для вискоз^ Последняя заполняет пространство между зубьями шестерен стенками корпуса насоса. При вращении шестерен вискоза пеР мещается от входного канала к отводящему. Насос может РазВИи, большое давление, величина которого зависит от плотности ПР
гоНки шестерен к стенкам корпуса; толщина средней пластинки й щестерен обычно составляет 6 или 12 мм. В первом случае насос • за один оборот подает 0,6 см3 вискозы, во втором— 1,2 см3.
Зубчатые дозирующие насосы обеспечивают равномерную по- аЧу вискозы, но со временем шестерни изнашиваются, что вызы- вает изменение подачи. Специального устройства для регулирова- нИя подачи вискозы зубчатые насосы не имеют, но ее можно регулировать путем смены приводных шестерен на оси насоса. Имея запас шестерен с различным числом зубьев, можно в небольших пределах изменять частоту вращения и таким образом регулировать подачу вискозы.
Центрифугальные прядильные машины
(
В промышленности применяются односторонние и двухсторонние центрифугальные машины. У первых съем продукции и заправка производятся только с одной стороны машины, у вторых— раздельно с обеих сторон.
На машине (рис. 7.8) обычно устанавливаются от 77 до 98 веретен. Дозирующие насосы, диски и раскладочный механизм приводятся в движение от общего электродвигателя, расположенного в головной части машины. При помощи сменных шестерен можно изменять в широких пределах частоту вращения дисков, насосных валов и раскладочного механизма, при этом изменяются условия формования нити. Сформованная нить на центрифугальной прядильной машине после выхода из фильеры заправляется на два прядильных диска, являющихся тянущим и вытягивающим нить механизмом. С верхнего прядильного диска нить сходит и направляется в центрифугу, где при помощи стеклянной воронки, движущейся по вертикали вверх и вниз, раскладывается по стенкам Центрифуги.
Осуществление этих операций на центрифугальной машине производится при помощи специальных деталей, устанавливаемых только на этих машинах.
Воронка. Сформованная нить равномерно укладывается по высоте стенки кружки (центрифуги) при помощи движущейся вверх а вниз стеклянной воронки. По длине воронка имеет 3—5 сужений, которые предотвращают возможность соприкосновения, а тем самым и прилипания мокрой нити к стенкам воронки по всей ее Длине, благодаря чему уменьшается трение.
Воронка 12 закрепляется в воронкодержателе (рис. 7.8) с та- ким расчетом, чтобы конец ее при крайнем нижнем положении штанги находился на расстоянии 1,5—2 мм от дна кружки. Во- Р°нка должна быть установлена строго по центру кружки, пер- ®ндикулярно к ее дну.
В результате трения нити о стекло конец воронки может по- епенно стать шероховатым, что ведет к браку вырабатываемой Редукции. Поэтому через определенные промежутки времени 5*
Рис. 7.8. Схема центрифугальной прядильной машины ПЦ-250-И7:
/—дозирующий насос; 2—виекозопровод? з—фильтр-палец; 4 — фильера; 5—червяк; б—нй** иий прядильный диск; 7—подъемное окно; 8—верхний диск; 9—короб; 10—патрубок; И —межсекциониый раскладочный механизм; 12—воронка; 13—центрифугальная КРУ*#8* 14— электроверетено; 15—коллектор.
о11ки необходимо проверять, негодные снимать с машины и заснять новыми.
Раскладочный механизм. Этот механизм предназначен для пе- е11е1дения штанги, в которой закреплен воронкодержатель. Рас- Р здочный механизм состоит из системы рычагов, передающих колебательные движения от эксцентрикового вала к штангам, п зависимости от конструкции машины раскладочный механизм приводится в движение от общего или от отдельного электродвигателя.
Движение воронки вверх и вниз должно быть совершенно пЛавным, без задержек в крайних положениях, так как в против- ном случае намотка нити в куличе получается неудовлетворительной (неравномерной), и отделка и размотка такого кулича затрудняются.
Характер намотки кулича (отлогая или крутая) регулируется путем изменения частоты вращения эксцентрика, который определяет число двойных качаний водил в единицу времени, а тем самым и число качаний воронки вверх и вниз.
Раскладка нити зависит от скорости формования, диаметра центрифугальной кружки и скорости движения воронки. При уменьшении в процессе намотки диаметра кулича число витков нити в нем пропорционально возрастает.
От плотности намотки зависит качество дальнейшей обработки куличей. Для облегчения проникновения отделочных растворов стремятся получить кулич с меньшей плотностью намотки. Чем плотнее намотка, тем труднее проникают отделочные растворы через слои нити. Требуемая плотность может быть достигнута путем изменения скорости движения воронки в процессе намотки кулича. На некоторых машинах раскладочный механизм сообщает воронкам различную скорость движения по мере намотки кулича (уменьшения диаметра).
Центрифуга. Этот механизм служит для приема сформованной нити. Центрифуга состоит из центрифугальной кружки и электро* веретена.
Центрифугальная кружка работает в очень тяжелых условиях, поэтому к материалу, из которого ее изготовляют, пРедъявляют весьма высокие требования. Он должен быть легким, кислотоупорным, обладать высокой механической прочностью и хорошо обрабатываться. Наиболее широкое применение получили кружки из армированного бакелита и из алюминия, покры- того кислотостойкими бакелитовыми лаками.
Небольшая конусность стенок кружки (верхний диаметр не- °лько больше нижнего) облегчает извлечение кулича. В стенках просверлен ряд отверстий диаметром 1—2 мм, служащих ga отвода отжимаемой из нити жидкости (осадительной ванны).
верхней части стенки, имеющей утолщение, сделаны выемки (п Установки крышки и ее затвора. В нижнюю часть кружки с ^сована бронзовая втулка, которая служит для сцепления
аяом электроверетена. Для повышения производительности
труда прядильщика и увеличения коэффициента использования машины стремятся увеличить размеры кружки, чтобы полуЧИть кулич большой массы. В маленькой кружке помещается примерно 600 г сухой нити, в большой — до 900—1000 г.
Частота вращения кружки обычно составляет 9000 об/мин.
Крышка кружки плотно закрепляется в пазе стенки при помощи круглой резиновой прокладки.
В промышленности широко применяется метод выемки куличей без съема центрифугальной кружки из гнезда. Для этого в кружку перед заправкой нити вставляется пластмассовая манжета, ца стенки которой нарабатывается кулич.
При съеме вынимается манжета вместе с куличом. При таком способе не нужно каждый раз снимать кружку с веретена, смазывать втулку тавотом; это значительно облегчает работу съем- щиков куличей и повышает производительность труда.
Электроверетено (см. рис. 7.8) представляет собой электромотор (мощностью около 0,2 кВт) с большой частотой вра- щения.
Модернизированное электроверетено типа ЭВ-3 (8500— 9000 об/мин) представляет собой быстроходный электромотор, заключенный в чугунный корпус, который предохраняет движущиеся части мотора от осадительной ванны и газов. Корпус веретена крепится на пробковых или резиновых амортизаторах, положенных на траверсу.
Все веретена на машинах вращаются только в одном направлении (обычно против часовой стрелки). Обратное вращение используется для торможения и останова веретена перед съемом центрифугальной кружки.
Электроверетено является одной из наиболее важных частей прядильной машины. Правильная эксплуатация и тщательный уход (регулярная смазка, надлежащий контроль за состоянием кружек и укрытием веретена) обеспечивают нормальную работу электроверетена в течение многих лет.
Центрифугальное гнездо представляет собой герметич- ■ ную ячейку, выполненную из кислотостойкого и прочного материала, в которой устанавливается одно веретеио. Гнездо предохраняет электроверетено от попадания на него осадительной ванны; в нем собирается отжатая осадительная ванна. Кроме того, гнездо является капсулой для центрифуги, т. е. изолирует ее и предотвращает тем самым выделение вредных газов (сероводорода и сероуглерода) в помещение цеха. Вращающаяся центрифугальная кружка выполняет роль вентилятора, нагнетаюшег0 загрязненный вредными газами воздух в выхлопной канал.
Усовершенствованное гнездо, герметизированное не тольк0 в верхней части, но и в нижней, показано на рис. 7.9.
На внутренней поверхности гнезда возможно осаждение сУлЬ фата натрия, кристаллы которого могут образовать настоль толстую корку, что вращающаяся центрифугальная кружка буД\ задевать за стенки и электроверетено; такая работа с перегрУзК
7.9. Герметичное центрифугальное гнездо: ^^ездо; 2 — вал электроверетеиа; 3 — центрифугальная -'^кка; 4 — гидравлический затвор; 5— крышка.
приведет к снижению частоты вращения и быстрому износу электроверетена. длЯ предупреждения этого прядильные гнезда периодически промывают горя- чей водой (обязательно при работающих веретенах, так как вода, попадающая на насадку и вал электромотора, отбрасывается центробежной силой и не проникает внутрь электромотора).
Кручение нити. Представим себе, что мы держим нить перед воронкой, т. е.
не даем ей втягиваться в кружку. Тогда один конец нити будет как бы прикреплен к стенке кружки под действием центробежной • силы, другой — к концуне даем ей втягиваться в кружку. Тогда один конец нити будет как бы прикреплен к стенке кружки под действием центробежной • силы, другой — к концубудетбудетворонки. При таком положении нить, натянутая радиально, б^ДС1 вращаться вместе с кружкой с той же частотой вращения. Следовательно, на участке от конца воронки до того места, где мы ее держим, нить будет закручиваться.
не даем ей втягиваться в кружку. Тогда один конец нити будет как бы прикреплен к стенке кружки под действием центробежной • силы, другой — к концу
не даем ей втягиваться в кружку. Тогда один конец нити будет как бы прикреплен к стенке кружки под действием центробежной • силы, другой — к концу
будет
будет
Теперь допустим, что мы отпускаем нить и даем ей возможность свободно поступать в кружку. Нить получит поступательное движение по направлению к стенке кружки, продолжая вращаться вместе с ней, но несколько отставая вследствие того, что она укладывается, образуя кулич.
Для ориентировочного определения величины крутки нити на Центрифугальной машине надо знать частоту вращения центрифуги и скорость формования в пересчете на сухую нить (т. е, с учетом усадки).Предположим, что частота вращения центрифуги 8000 об/мин, а скорость Новация составляет 80 м/мин. При этих условиях величина крутки равна: “00:80= 10Q витков/м. Такой расчет не дает точного результата, так как не •^тываются усадки при сушке и скольжение нити на дисках прядильной ма- шины, составляющие 10—12% и влияющие на величину крутки. Для более точ- Ь1х расчетов нужно брать скорость сухой нити.Для повышения скорости формования при одной й той же крутке необходимо увеличить частоту вращения центрифуги, наче число витков, приходящихся на 1 м нити, будет умень- аться. Однако увеличение частоты вращения центрифуги — ‘0>кная техническая задача.• ;. Насчет времени наработки куличей. Через определенные промежутки времени, %гЛМас,са кулича достигает максимального значения, его вынимают из центри-ьной кружки. Эта операция носит название съема.Для ориентировочного определения величины крутки нити на Центрифугальной машине надо знать частоту вращения центрифуги и скорость формования в пересчете на сухую нить (т. е, с учетом усадки).Предположим, что частота вращения центрифуги 8000 об/мин, а скорость Новация составляет 80 м/мин. При этих условиях величина крутки равна: “00:80= 10Q витков/м. Такой расчет не дает точного результата, так как не •^тываются усадки при сушке и скольжение нити на дисках прядильной ма- шины, составляющие 10—12% и влияющие на величину крутки. Для более точ- Ь1х расчетов нужно брать скорость сухой нити.Для повышения скорости формования при одной й той же крутке необходимо увеличить частоту вращения центрифуги, наче число витков, приходящихся на 1 м нити, будет умень- аться. Однако увеличение частоты вращения центрифуги — ‘0>кная техническая задача.• ;. Насчет времени наработки куличей. Через определенные промежутки времени, %гЛМас,са кулича достигает максимального значения, его вынимают из центри-ьной кружки. Эта операция носит название съема.На центрифугальной машине кручение нити происходит на участке от диска до оконца воронки. Из воронки выходит уже скрученная нить.
Для ориентировочного определения величины крутки нити на Центрифугальной машине надо знать частоту вращения центрифуги и скорость формования в пересчете на сухую нить (т. е, с учетом усадки).
Предположим, что частота вращения центрифуги 8000 об/мин, а скорость Новация составляет 80 м/мин. При этих условиях величина крутки равна: “00:80= 10Q витков/м. Такой расчет не дает точного результата, так как не •^тываются усадки при сушке и скольжение нити на дисках прядильной ма- шины, составляющие 10—12% и влияющие на величину крутки. Для более точ- Ь1х расчетов нужно брать скорость сухой нити.
Для повышения скорости формования при одной й той же крутке необходимо увеличить частоту вращения центрифуги, наче число витков, приходящихся на 1 м нити, будет умень- аться. Однако увеличение частоты вращения центрифуги — ‘0>кная техническая задача.
• ;. Насчет времени наработки куличей. Через определенные промежутки времени, %гЛМас,са кулича достигает максимального значения, его вынимают из центри-
ьной кружки. Эта операция носит название съема.
Для ориентировочного определения величины крутки нити на Центрифугальной машине надо знать частоту вращения центрифуги и скорость формования в пересчете на сухую нить (т. е, с учетом усадки).
Предположим, что частота вращения центрифуги 8000 об/мин, а скорость Новация составляет 80 м/мин. При этих условиях величина крутки равна: “00:80= 10Q витков/м. Такой расчет не дает точного результата, так как не •^тываются усадки при сушке и скольжение нити на дисках прядильной ма- шины, составляющие 10—12% и влияющие на величину крутки. Для более точ- Ь1х расчетов нужно брать скорость сухой нити.
Для повышения скорости формования при одной й той же крутке необходимо увеличить частоту вращения центрифуги, наче число витков, приходящихся на 1 м нити, будет умень- аться. Однако увеличение частоты вращения центрифуги — ‘0>кная техническая задача.
• ;. Насчет времени наработки куличей. Через определенные промежутки времени, %гЛМас,са кулича достигает максимального значения, его вынимают из центри-
ьной кружки. Эта операция носит название съема.
Чем больше линейная плотность нити, тем быстрее она заполняет кружк центрифуги и тем чаще производится съем. С увеличением объема кружки ув^ цичивается продолжительность ее заполнения, масса кулича возрастает и СЪе' производится реже.
Чтобы определить время, необходимое для заполнения кружки, надо знат, массу кулича, линейную плотность нити и скорость формования. Допустим, чтп установленная масса сухой нити в куличе (т. е. масса сухого кулича) равна д (г); линейная плотность нити — Т (текс); скорость формования с учетом усал ки — о (м/мин). При этих параметрах время наработки кулича t составляет (мин):
А • 1000Tv
Этот предварительный расчет должен быть уточнен путем взвешивания сфор. мованных куличей.
Прядильщик обслуживает несколько машин в зависимости от числа съемов. Время съемов должно быть рассчитано таким образом, чтобы прядильщик имел возможность, обслужив одну машину, перейти на другую. Чем правильнее организовано рабочее место и распределены обязанности между обслуживающим персоналом, чем лучше продуманы все операции по обслуживанию машины, тем быстрее производится съем и, следовательно, производительнее труд прядильщика.
При съеме куличи устанавливают на специальные подносы. В зависимости от диаметра куличей на подносе помещаются 6—10 куличей.
Разбраковка куличей. Эту операцию проводят для обеспечения • высокого качества продукции и выявления причин брака. Разбраковка куличей осуществляется в прядильном цехе, у рабочего места, чтобы рабочий имел возможность немедленно устранить причины брака.
Ниже перечисляются виды брака, который может возникнуть на центрифугальной машине.
Курчавый кулич имеет изломанную, уложенную петлями нить. Такой дефект получается из-за неправильной установки воронки (не в центре кружки), вследствие чего нить на участкё от прядильного диска до воронки начинает чрезмерно вибрировать. По этому признаку ее довольно легко обнаружить. Для устранения этого вида брака следует привести в порядок раскладочный механизм, воронкодержатель и правильно установить воронку Курчавый кулич исправить нельзя и он переходит в брак.
Склеенный кулич (кулич с воском) получается при наличии полузасоренных отверстий в фильере и при формовании нит® из слишком молодой вискозы с пониженной вязкостью. Эти $ личи трудно разматываются, увеличивается количество РваВ и число обрывов нити; из таких куличей получают нить пои' женного качества.,
Кулич с ворсом образуется вследствие обрывов отдельи элементарных нитей. Наличие ворса отчетливо заметно на тор вой стороне кулича. Ворс может также образоваться в резульТа0)( работы на фильерах с полузасоренными отверстиями. В 3
Нить повреждается также при трении центрифугальной кружки в результате того,Нить повреждается также при трении центрифугальной кружки в результате того,о дно или крышкуо дно или крышкучае в осадительной ванне около нижнего крючка появляются нкие плавающие волокна, напоминающие паутину. Образую- т яСЯ нить состоит как из нормальных, так и из более тонких, рГко обрывающихся волокон. Обрыв отдельных волокон може! л лучиться также при трении нити о шероховатые поверхности доброкачественных деталей машины (воронка, диск, направ яЮщие крючки, крышка, дно центрифуги и т. д.). Все стеклянные й другие детали, о которые трется нить, постепенно изнашиваются, на них образуются бороздки и неровности, повреждающие нить. Поэтому через определенные промежутки времени все детали осматривают и непригодные заменяют.
Нить повреждается также при трении центрифугальной кружки в результате того,
Нить повреждается также при трении центрифугальной кружки в результате того,
о дно или крышку
о дно или крышку
, что воронка поставлена слишком низко или высоко. Если воронка стоит слишком высоко, нить сильно бьется о крышку кружки, если же она опущена ниже нормального, нить повреждается о дно кружки.
Как уже указывалось, ворсистость на нити (а следовательно, на куличе) появляется также при образовании кристаллов сульфата натрия в кружке и на пути движения нити.
Нить из куличей с ворсом в большинстве случаев является окончательным браком’.
Кулич с конусом получается вследствие неравномерного распределения нити из-за слишком низкого или высокого расположения воронки. В первом случае получается нижний конус (рис. 7.10, а), во втором — верхний конус (рис. 7.10,6). Если развод водил слишком велик, получается двойной конус (бочка)— утолщение кулича вверху и внизу (рис. 7.10,в).
Очень часто куличи с конусом имеют два вида брака — ворс и переплет. Последний получается в результате того, что к концу намотки нить пересекает внутреннее отверстие кулича. При размотке куличей с конусом увеличивается количество рвани, а при наличии ворса готовая продукция переводится в низшие сорта.
Кулич с шапкой (рис. 7.10,г) образуется при вторичной заправке нити в кружку большим количеством жидкости. Попадая во вращающуюся центрифугу, жидкость под влиянием центробежной силы распределяется тонким ровным слоем на внутренней поверхности кружки, поднимаясь со дна вверх. При этом она захватывает и поднимает кулич. Жидкость выбрасывается сквозь
Виды брака куличей:*ННЙ конус; б-верхний конус; в-двойной конус; г-кулич с шапкой.Виды брака куличей:*ННЙ конус; б-верхний конус; в-двойной конус; г-кулич с шапкой.
Виды брака куличей:
*ННЙ конус; б-верхний конус; в-двойной конус; г-кулич с шапкой.
Виды брака куличей:
*ННЙ конус; б-верхний конус; в-двойной конус; г-кулич с шапкой.
имеющиеся в кружке отверстия и неплотности в крышке, а между приподнятым куличом и дном образуется зазор. Вновь заправ. ленная нить заполняет зазор, в результате чего образуется «шапка».
Кулич с шапкой размотать очень трудно; обычно он является окончательным браком. Поэтому, если до начала съема остается немного времени, целесообразно вторую заливку не производить Если же времени остается много, надо остановить центрифугу и, вынув неполновесный кулич, заправить нить снова в пустую кружку.
Кулич с губой получается в случае, если крышка неплотно вставлена в паз кружки. Нить попадает в зазор между крышкой и стенкой кружки, и кулич получается с выступом. При размотке такого кулича возникают некоторые затруднения и увеличивается количество рвани.
Неполновесный кулич имеет Меньшую толщину стенок. Такой кулич получается из-за перерывов в работе (более чем на 10—15 мин) при намотке кулича и по другим причинам (пониженное содержание целлюлозы в вискозе, уменьшение толщины нита и т. д.).
Зеленый кулич получается из-за неполного омыления ксантогената целлюлозы в осадительной ванне. Цвет такого кулича m желтовато-зеленого до изумрудно-зеленого. Такой брак может возникнуть при плохой циркуляции осадительной ванны или вследствие изменения состава ванны. Из зеленых куличей получается жесткая нить.
Другие виды брака — например, грязные и мятые куличи, неоднородность структуры нити (в прядильном цехе их не удается обнаружить) получаются вследствие неправильных приемов работы прядильщика и различных отклонений от установленных параметров технологического режима (уменьшение длины пути нити в ванне, неправильная циркуляция осадительной ванны, нарушение температурного режима формования и т. п.).
Неисправимый и совершенно незаметный по внешнему виду брак — образование на нити местных утолщений (на равном расстоянии)— получается из-за пульсирующей подачи дозируюшй насосов. Такой брак не удается обнаружить во время работы на машинах. Он выявляется при испытаниях в лаборатории ил® в готовых трикотажных изделиях («зебристость»). Пульсацию подачи можно заметить, наблюдая за истечением вискозы черв3 отверстия фильеры. Обнаружив этот дефект, надо прекратить формование на соответствующем веретене и неисправный насос заменить.
Брак такого же вида может получиться, если нить вытягиваете из фильеры неравномерно. Это бывает, когда прядильный ДиС укреплен на валу эксцентрично.
Из-за местных утолщений появляется также неравномерно6 крутки, так как нить легче скручивается в более тонких места' и, следовательно, здесь образуется больше витков. Иногда крУт6
получается настолько неравномерной, что отдельные участки нити кажутся совершенно некручеными. Такой вид брака носит наэва- йНе распрядистости..
Бобиииые прядильные машины
На бобинной машине сформованная нить наматывается на вращающуюся бобину. Остальные элементы бобинной машины, кроме приводной части, сходны с элементами центрифугальной машины.
Машина довольно проста по устройству, но ряд требований, предъявляемых к качеству готовой нити, заставляет вводить некоторые усовершенствования, усложняющие ее кинематическую схему.
Бобина представляет собой полый перфорированный цилиндр с бортиками на краях. Для увеличения производительности труда стремятся увеличить размер бобин. Бобины жесткой конструкции изготовляют из алюминия и покрывают бакелитовым лаком, эластичные бобины — из пластмассы. Последние снабжены ребрами . из нержавеющей стали, которые опираются на кольцевую пружину. | Бобину надевают на бобинодержатель, который закрепляют I стопорным болтом на вращающемся валике.
Число бобин на машине достигает 200. На каждой стороне машины обязательно должна быть одна запасная бобина, на ко-' торую нить перезаправляется во время съема.
Скорость формования на бобинной машине можно регулировать в широких пределах. Вследствие того, что нить наматывается непосредственно на бобину, скорость формования соответствует ее окружной скорости.
По мере того как на бобину наматывается нить, внешний диаметр ее увеличивается, и скорость формования возрастает. Чтобы сохранить скорость формования постоянной, приводной механизм машины снабжают автоматическим приспособлением, которое постепенно уменьшает частоту вращения бобин.
Физико-механические свойства нити, полученной на бобинной машине, характеризуются некоторой неравномерностью, в особен- иости при отделке и сушке нити на бобинах. Во время сушки происходит усадка нити. Первые слои, прилегающие к поверхности бобины, из-за жесткости каркаса (бобины) не могут усаживаться, вследствие чего нить сильно натягивается. Усадка последующих слоев „нити возможна, так как они расположены на ранее намо- санной нити. Это приводит к получению на одной бобине нити Различными физико-механическими характеристиками по длине.
Эксплуатация прядильных машин
«расчет подачи вискозы. Для того чтобы обеспечить выработку дач заданной линейной плотности, необходимо определить по-
У вискозы дозирующими насосами.
Допустим, что скорость формования составляет 75 м/мин с учетом усад^. нити в процессе отделки и сушкн. Требуется заправить машину на вырабоЛ" нити линейной плотности 16,6 текс нз вискозы, содержащей 8% a-целлюлозц у 1 мин на каждом прядильном месте вырабатывается 75 м готовой нити массой
75-16,6■
1000
ставит:ставит:При влажности нити 11% абсолютно сухая масса этого отрезка нити со
ставит:
ставит:
1,25 • 100 _ j 12 г111
Следовательно, дозирующий насос должен подавать в 1 мин такое количество вискозы, в котором содержалось бы 1,12 г а-целлюлозы, т. е.:
1,12-100..
—— 14 г = 0,014 кг
или 0,014 кг: 1120= 12,5-10~6 м3 = 12,5 см3 (1120 — плотность вискозы, кг/м3).
Если дозирующий насос за одни оборот подает 0,6 см3 вискозы, то частота вращения его составит:
12,5 ; 0,6 = 20,8 об/мнн
Определив частоту вращения дозирующего насоса, подбирают по справочнику шестерни, которые следует поставить в приводной части машины, чтобы получить требуемую скорость подачн. Поставив нужные шестерни, надо обязательно проверить фактическую частоту вращения дозирующих насосов и подаваемое ими количество вискозы.
Для проверки подачн дозирующих насосов вискозу, вытекающую из фильеры (предварительно проверяется чистота отверстий фильеры), в течение 1 или 2 мин собирают в чистый, высушенный и взвешенный стаканчик. Стаканчик с вискозой взвешивают и, зная массу пустого стаканчика, определяют массу вискозы, подаваемую дозирующим насосом в 1 мин. Результат проверки насосов записывают в журнал, где указывается скорость подачи каждого насоса и дата его проверки. Насосы проверяются регулярно по графику.
Коэффициент использования прядильной машины. Условия эксплуатации машины не позволяют осуществлять непрерывное формование, так как необходимо снимать бобины и куличи, менять фильеры и другие детали, ремонтировать машину и т. д.
Таким образом, имеется ряд неизбежных простоев, которые . снижают производительность машины. Простой выражают в веретено- или фильеро-часах. Различают учитываемые и неучитываемые простои.
К учитываемым относятся простои, о которых можно судить по количеству невыработанной продукции (куличей, бобин, копсов), а также простои, учет которых технически возможен" например, простои из-за ремонта машины, перерывов в подаче ■ электроэнергии, попадания воздуха в вискозу и др. В эту ^ группу включаются простои, связанные с планово-предупред11' тельным ремонтом машин.
К неучитываемым относятся простои, которые трУДн° учитывать из-за их непродолжительности. В эту группу вкл^' чаются простои во время съема паковок, проверки подачи виско3 дозирующими насосами, смены воронок, червяков, воронкодер^® телей, проверки и смены фильер и т. п. Продолжительность так ' простоев определяют путем хронометража.
-I
Коэффициент использования машины показывает, какую часть рабочего времени машина непрерывно работает.
Суточная производительность прядильных машин А (в кг) определяется по формуле:
оКуКйКтп • 24.607
1000.1000
где у — скорость формования, м/мин; Ку— коэффициент усадки и скольжения нити; Ки— коэффициент использования машины; Кт — коэффициент, учитывающий отходы при последующих обработках; п — число фильер на машине; Т — линейная плотность вырабатываемой нити, текс.
Обычно Ки машины для формования волокна составляет 0,95—■ 0,98; Кт = 0,95—0,97; Ку равен 0,88 для центрифугальной нити и 0,95 — для бобинной. .
НЕПРЕРЫВНЫЙ ПРОЦЕСС ПОЛУЧЕНИЯ ВИСКОЗНЫХ ТЕКСТИЛЬНЫХ НИТЕЙ
Поскольку процесс формования на центрифугальных и бобин- иых машинах происходит с периодическим ручным съемом промежуточных паковок (куличей, бобин), выделяющих вредные газы, раскрытием при съеме капсюляции прядильных машин, транспортированием по цехам гасящих паковок, значительное снижение вредности производства вискозной текстильной нити при формовании на центрифугальных и бобинных машинах практически неосуществимо. Для уменьшения вредности производства был разработан непрерывный способ получения вискозной текстильной нити, когда все технологические операции с нитью осуществляются непрерывно на одной надежно капсюлированной прядильно-отделочной машине.
Метод непрерывного процесса имеет и другие значительные преимущества перед центрифугальным и бобинным: уменьшаются затраты труда на обслуживание машин, повышается качество продукции, сокращаются производственные площади и отпадает необходимость в большей части текстильного оборудования.
Поскольку все операции по получению нити, начиная от формования и кончая сушкой и круткой, осуществляются на одной машине, обработка одиночной нити дает возможность значительно Уменьшить продолжительность каждой операции, и при этом создаются условия для более равномерного формования и отделки ее> чем в мотках, на бобинах или в куличах.
В настоящее время известно несколько конструкций отечествен- ’’Ых машин непрерывного процесса, применяемых для производ- ства вискозной текстильной нити (ПНШ-180-И2, ПНШ-ЮО-И).
Машина ПНШ-100-И (рис. 7.11). Нить, выходящая из осади- Тельной ванны 3, заправляется на пару цилиндров 6 для довос- СТановления. Нижний цилиндр частично погружен в ванну такого ^е состава, как осадительная ванна, но с повышенной темпер а-
11
е
7
lif-
15
13 и
ю о
Рис. 7.11. Схема машины ПНШ-100-И для получения нити непрерывным способом: /—вискозоировод;2-дозирующий
насос;3 — осадительная ванна-
4 — грязевой желоб; 5—довосстанови» тельная ванна; 6—цилиндры довос. становления; 7—цилиндры первой промывки;8 —цилиндрывторой
промывки; 9, /0 —рамы капсюляции; 11 — устройство для дозирозання воды; 12 — цилиндр отделки; 13—транспортирующая палочка- 14 — сушильный цилиндр; 15 — копе.
турой. На этих же цилиндрах нить подвергается вытягиванию. Для этого после выхода из осадительной ванны нить поступает сначала на приемную шейку, а затем на цилиндр большого диа-
метра. Оси пар цилиндров расположены под некоторым углом друг к другу, благодаря чему нить располагается спиралеобразно на ширине рабочего места и затем передается на другую пару цилиндров — промывную. На первой промывной паре цилиндров 7 нить погружена в кислую воду для растворения примесей, уносимых нитью из осадительной ванны, на второй промывной паре 8 нить орошается свежей умягченной водой для окончательного удаления кислоты с нити. Далее нить передается на отделочный цилиндр 12, который частично погружен в ванну с ави- важным раствором. После отделки нить сушится на сушильном устройстве 14, один из цилиндров которого обогревается паром, замасливается, подвергается крутке и принимается на паковку (копе) 15 массой 1,8—2,0 кг. Значительная часть копсов может поставляться текстильной промышленности без перемотки. Машина плотно закапсюлирована прозрачными рамами капсюляции 9 и 10 и имеет две системы вентиляции — постоянную и усиленную. Последняя включается для проветривания рабочей зоны при подъеме
одной из рам капсюляции.
Скорость формования на машинах непрерывного процесса 90—100 м/мин, содержание серы на нити 0,05—0,08% (вместо 0,03—0,05% при периодических процессах). Необходимо отметить, что на машинах непрерывного процесса получается не полностью она СуЩИТСЯ на жестком кар- Поэтому при обработке такой
отрелаксированная нить, так как касе и при этом не усаживается, нити необходимо учитывать ее
правильного использования этой дукции.
повышенную усадочностьособенности в готовой
дляпр0'
ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ФОРМОВАНИИ ТЕКСТИЛЬНЫХ НИТЕЙ
В процессе формования текстильных нитей образуются вредные газы (сероуглерод, сероводород и сернистый газ), выделяе- мые из осадительной ванны, прядильной кружки и нити (на бобинах или в куличах). Предельно допустимая концентрация (ПДК) сероуглерода в воздухе рабочих помещений в последние годы значительно снижена и составляет 1 мг/м3 (вместо ранее действующей Ю мг/м3). Предельно допустимые концентрации сероводорода— Ю мг/м3, сернистого газа — 20 мг/м3.
Для удаления вредных газов прядильные цеха оборудуются мощной системой приточно-вытяжной вентиляции. Воздух отсасывается непосредственно от мест выделения вредных газов. Чтобы улучшить условия труда, каждую машину капсулируют, т. е. изолируют от внешней среды путем укрытия ее легкими рамами с небьющимся стеклом. Благодаря этому выделяющиеся вредные газы не распространяются по всему цеху, собираются под капсулой, откуда они отсасываются при помощи вытяжных вентиляторов и выбрасываются через высокую трубу.
Чтобы уменьшить интенсивное испарение осадительной ванны и предупредить выпадение из нее кристаллов сульфата натрия, в бобинные и центрифугальные цеха подается (при помощи приточной вентиляционной системы) подогретый до 22—24 °C воздух с относительной влажностью 80—85%.
При отключенной вентиляции работать в цехе формования не разрешается.
Для создания в цехе лучших условий труда необходимо принять меры к максимальному сокращению выделений вредных газов.
Свежесформованные куличи и бобины должны быть как можно быстрее убраны со столиков машин и отвезены на промывку к отделочной машине.
Надо следить за тем, чтобы гнезда центрифуги были всегда плотно закрыты крышкой и канал машины, через который осуществляется отсос газов из центрифуг, был всегда чистым.
Воздух, отсасываемый из центрифугальных гнезд и подкапсульного пространства машин непрерывного процесса, имеет высокую концентрацию сероуглерода, который улавливается в специальных установках и может быть возвращен в производство.
Особое внимание надо уделять чистоте в цехе. Так, если на пролитую вискозу попадает осадительная ванна, то в помещение выделяется дополнительное количество вредных газов. Из рвани, на- х°Дящейся в цехе, также выделяются вредные газы. Поэтому нель- Зя Допускать попадания вискозы и осадительной ванны на пол; Рвань и обрывки кислой нити следует убирать в специальные ящики, которые необходимо регулярно удалять из цеха; деревянные Настилы у прядильных машин необходимо содержать в чистоте.
Для предотвращения попадания едкого натра и серной кисло- ы> содержащихся в вискозе и осадительной ванне, на кожу
обслуживающий персонал должен работать в установленной спец, одежде и в необходимых случаях пользоваться защитными резиновыми напальчниками и перчатками, а также очками.
При работе запрещается касаться руками глаз, так как руКи могут быть запачканы вискозой или осадительной ванной.
При попадании щелочи или кислоты на кожу пораженный участок следует немедленно промыть водой, а затем обработать слабым раствором уксусной или щавелевой кислоты для нейтрализации щелочи или разбавленным раствором аммиака для нейтрализации кислоты.
Необходимо следить за состоянием заземления электроаппаратов, так как осадительная ванна является хорошим проводником электричества, и при неисправности электроаппаратов возможны случаи поражения людей электрическим током.
Все движущиеся части должны быть хорошо ограждены.
Глава 8
КИСЛОТНАЯ СТАНЦИЯ
Назначение кислотной станции — бесперебойное снабжение прядильных машин чистой профильтрованной осадительной ванной, поддерживание концентрации компонентов и температуры ее в соответствии с технологическим регламентом. Кроме того, на кислотной станции проводится регенерация осадительной ванны.
ЦИРКУЛЯЦИЯ ОСАДИТЕЛЬНОЙ ВАННЫ
Как было отмечено выше, состав осадительной ванны в процессе формования нитей изменяется вследствие протекающих химических реакций и постоянного разбавления ее водой, приносимой вискозой и выделяющейся при нейтрализации щелочи. Для того чтобы поддерживать постоянную температуру и концентрацию компонентов, осадительную ванну необходимо непрерывно подогревать и добавлять в нее химикаты в количествах, достаточных для компенсации расходов на химические реакции, унос нитью и т. д.
Температура и концентрация осадительной ванны поддерживаются постоянными благодаря тому, что она непрерывно протекает через поддоны на машинах и собирается в специальные барки, откуда насосами через подогреватели и напорные барки после подкрепления соответствующими химикатами вновь направляется на прядильные машины.
Однородную нить можно получить только в том случае, когДа концентрация реагентов в осадительной ванне, поступающей на машину, незначительно отличается от концентрации отработанной ванны. Разность концентрации свежей и отработанной ванны яа'
ывается перепадом, который оценивается по кислотности ванны. Колебания кислотности в пределах 1—2 г/л практически не влияют качество текстильной нити.
Изменение состава осадительной ванны в процессе формования зависит от количества вискозы, поступающей в единицу вре- меНи, и от количества осадительной ванны, притекающей за то же время к фильере. Чем больше подача осадительной ванны на ма- щину, тем меньше перепад концентраций.
Количество подаваемой осадительной ванны в поддоны машины зависит от скорости формования, линейной плотности вырабатываемой нити, состава вискозы и измеряется объемом осадительной ванны (в л), подаваемой на 1 кг вырабатываемого волокна.
Объем подаваемой на машину осадительной ванны, обеспечивающий перепад по кислотности не более 2 г/л, можно ориентировочно определить следующим расчетом.
По расчету на 1 кг готовой продукции расходуется 0,975 кг абсолютно сухой целлюлозы, содержащей 92,5% (0,9025 кг) а-целлюлозы.
При содержании в вискозе 8% а-целлюлозы, 6,5% NaOH и 83% воды количество вискозы, потребное для выработки 1 кг волокна, составляет:
0,9025-1008=11,3 кг
В этом количестве вискозы содержится 11,3-0,065 = 0,737 кг NaOH, иа нейтрализацию которого потребуется H2SO4:
0,9 кг0,9 кг0,331 кг0,331 кг0,735 - 9880
0,9 кг
0,9 кг
0,331 кг
0,331 кг
При этом выделяется Н2О:
0,735 - 36.
80'°
Кроме того, в осадительную ванну поступает также с вискозой 11,3-0,83 = = 9,4 кг воды.
За время формования нить уносит с собой примерно 1,5 кг воды и 0,095 кг серной кислоты; из поддона испаряется 1,5 кг воды.
Для того чтобы кислотность ванны была не ниже 123 г/л, в поддон машины непрерывно подается свежая осадительная ванна, содержащая 125 г/л H2SO4.
За время формования 1 кг нити в поддон машины подается X л свежей - осадительной ванны, содержащей 125 X г серной кислоты. Из этого количества, как определено выше, 900 г тратится на пополнение убыли кислоты, израсходо- ^Яг°й на нейтрализацию NaOH, 95 г уносится нитью, а остальное количество
X — 900 — 95) распределяется в воде, объем которой (л) составит:
Х + 9,4 + 0,331 - 1,5- 1,5
Подачу осадительной ванны X (л) можно определить из уравнения:
125Х —900 —95
X + 9,4 + 0,331 - 1,5 - 1,5 = 3
Аол»еШая это Уравнение, находим X = 910 л, т. е. на 1 кг сформованной нити но быть подано 910 л свежей осадительной ванны.
®аи«,Ли производительность завода равна 10 т нити/сут, объем циркулирующей
составляет:
910-10 000ч
—= 380 000 л/ч (380 м3/ч)
Рис. 8.1. Схема кислотной станции;Рис. 8.1. Схема кислотной станции;/ — распределительный желоб; 2 —сборные барки; ческнй бачок; 5—вакуум насос; 6—закрытые 8 —питающая барка; 9 — дозатор; 10— растворитель ватель; /3—бак для сериой кислоты./ — распределительный желоб; 2 —сборные барки; ческнй бачок; 5—вакуум насос; 6—закрытые 8 —питающая барка; 9 — дозатор; 10— растворитель ватель; /3—бак для сериой кислоты.3—кислотоупорные насосы; 4—барометра фильтры; 7 — вакуум-выпариой аппарат; солей; И — напорные барки; 12—подогре-3—кислотоупорные насосы; 4—барометра фильтры; 7 — вакуум-выпариой аппарат; солей; И — напорные барки; 12—подогре-
Рис. 8.1. Схема кислотной станции;
Рис. 8.1. Схема кислотной станции;
/ — распределительный желоб; 2 —сборные барки; ческнй бачок; 5—вакуум насос; 6—закрытые 8 —питающая барка; 9 — дозатор; 10— растворитель ватель; /3—бак для сериой кислоты.
/ — распределительный желоб; 2 —сборные барки; ческнй бачок; 5—вакуум насос; 6—закрытые 8 —питающая барка; 9 — дозатор; 10— растворитель ватель; /3—бак для сериой кислоты.
3—кислотоупорные насосы; 4—барометра фильтры; 7 — вакуум-выпариой аппарат; солей; И — напорные барки; 12—подогре-
3—кислотоупорные насосы; 4—барометра фильтры; 7 — вакуум-выпариой аппарат; солей; И — напорные барки; 12—подогре-
Зная процессы, протекающие в осадительной ванне, легко сделать вывод, что поддерживать заданную концентрацию осадительной ванны тем легче, чем больше объем циркулирующей жидкости.
Приготовленная для прядильного цеха осадительная ванна собирается в напорных барках // (рис. 8.1), расположенных на верхнем этаже кислотной станции, и по свинцовым или стальным гуммированным трубопроводам через подогреватели 12 подается на прядильные машины.
От магистральных трубопроводов, расположенных в цехе над машинами, свежая осадительная ванна подводится к поддонам машин. Отработанная осадительная ванна, имеющая несколько меньшую концентрацию и пониженную температуру, самотеком направляется в сборные барки 2. Одновременно, помимо отработанной ванны, в приемные барки через коллектор-смеситель поступаю1 в виде добавок серная кислота и концентрированные раствори сульфатов, модификаторы и поверхностно-активные вещества, необходимые для укрепления осадительной ванны. Серная кислот3 хранится на станции в расходном баке 13.
Укрепленная ванна центробежными насосами 3 подается черв кварцевые фильтры 6 в напорные барки 11, и описанный цикл п вторяется. а
Для регенерации осадительной ванны путем испарения избыт воды на кислотной станции устанавливают вакуум-выпарные а параты 7 или установки контактной выпарки.
g2. РАСХОД ХИМИКАТОВ
На поддержание постоянной концентрации осадительной ванны расходуется значительное количество реагентов. Удельный расход химикатов для осадительной ванны при производстве текстильной нити приведен в табл. 4.
Таблица 4. Расход химикатов (кг), входящих в состав осадительной ванны, на 1 кг готовой текстильной нити
Статьи расхода
Без регенерации ванны
При регенерации осадительной ванны
частичной
полной
Серная кислота 100%-ная, кг
1,9—2,1
16—18
12 14
Сульфат цинка 52%-ная, кг
0,2—0,25
0,1—0’15
0 05 0 1
Сульфат натрия, 98%-ный, кг
0,80-1,10
0
о
Избыток ванны, сливаемый в канали-
5-6
2,5—3,5
о
зацию, л
Избыток воды, удаляемой при регеие-
—
2,0-3,0
4,0—5,0
рации, л
Количество получаемого сульфата натрия (98%-иого), кг
—
0,37—0,39
В каждом отдельном случае удельный расход химических материалов зависит от содержания в вискозе сс-целлюлозы и едкого натра и от состава осадительной ванны. Кроме того, на заводах искусственного волокна всегда имеются некоторые потери химикатов при транспортировании и хранении их на складах. Вследствие этого фактический расход реагентов бывает на 1—3% больше теоретического.
Для составления баланса осадительной ванны и расчета потребности материалов могут быть приняты следующие составы нити, поступающей в центрифугу (%), и отжимной ванны (г/л):
Серная кислота . Сульфат натрия . Сульфат цинка . Целлюлоза . . . ВодаСерная кислота . Сульфат натрия . Сульфат цинка . Целлюлоза . . . ВодаНить Отжимная ванна .4,5100.122001,515.18-.64885Нить Отжимная ванна .4,5100.122001,515.18-.64885
Серная кислота . Сульфат натрия . Сульфат цинка . Целлюлоза . . . Вода
Серная кислота . Сульфат натрия . Сульфат цинка . Целлюлоза . . . Вода
Нить Отжимная ванна .4,5100
.12200
1,515
.18-
.64885
Нить Отжимная ванна .4,5100
.12200
1,515
.18-
.64885
аппаратура кислотной станции
t Осадительная ванна содержит от 110 до 150 г/л серной кисло- А Различные сульфаты и имеет высокую температуру — от 50°C 'Рабочая зона) до 65—70 °C (при регенерации в вакуум-выпарных Дратах). Пластификационная ванна подогревается до 90— и С, концентрация H2SO4 в ней составляет 10—15 г/л.
“следствие этого выбор материалов для изготовления аппара- Ры и трубопроводов для осадительной ванны весьма ограничен.
Довольно стойки к воздействию осадительной ванны лишь очещ немногие виды нержавеющей стали.
Наиболее стоек свинец, но и он при температуре 70—80 °C коп родирует. В промышленности вискозных волокон ранее широко ис- пользовался свинец. Из него изготовляли трубопроводы, им покр^. вали деревянные или бетонные барки для ванны и облицовывали прядильные машины. В настоящее время для этих целей примени, ются полимерные материалы.
Для изготовления кислотоупорных насосов применяют свинчак (сплав свинца с сурьмой) и другие кислотоупорные материалы например термосилид (чугун с большим содержанием кремния)’ керамику, чугун (при условии гуммирования всех поверхностей соприкасающихся с осадительной ванной).
Воздействию осадительной ванны очень хорошо сопротивляются различные виды пластических масс, в частности, винипласт, полипропилен, которые применяются для изготовления отдельных де- талей прядильных машин. Винипласт хорошо поддается механической обработке и вполне стоек к действию осадительной ванны. Его недостаток — невысокая термостойкость; при температурах выше 65—70°С он теряет прочность и легко разрушается при механических воздействиях. В этом случае наиболее пригоден пропилен.
Особое внимание должно быть уделено аппаратуре для пласти- фикационной ванны. Из-за высокой температуры и низкой концентрации серной кислоты она значительно более агрессивна, чем осадительная ванна. По этой причине выбор материалов для изготовления аппаратуры еще более ограничен. Для такой среды даже свинец мало пригоден. Поэтому он постепенно вытесняется более коррозионностойкими материалами (фаолит, стеклопластики и др.).
Необходимо отметить, что проблема создания доступных материалов, обладающих высокой стойкостью к действию осадительной, и особенно пластификационной ванн, полностью не разрешена; в этом направлении ведутся исследования, и свинец все больше вытесняется полимерными материалами.
Сборные барки. Для сбора осадительной ванны используют барки, представляющие собой деревянные, железобетонные иля металлические сосуды, внутренняя поверхность которых футерована свинцом или полипропиленовыми листами.
Емкость сборных барок рассчитывается на прием почти всего . объема циркулирующей осадительной ванны.
Кислотоупорные насосы. Для подачи осадительной ванны прИ' меняют главным образом одноступенчатые насосы. В зависимое^ .от мощности завода применяют кислотоупорные центробежные н^ сосы различной производительности: от 40 до 300 м3/ч. Недост^ точная подача или прекращение подачи осадительной ванны мо^ привести к выпуску бракованной нити, а в некоторых случаях■" прекращению работы всего прядильного цеха. Поэтому кроме я сосов, находящихся в ремонте, в резерве всегда должны быть сосы (до 30—50%) в полной готовности для немедленного вЯ чения в работу.
рис. 8.2. Дренажный кварцевый фильтр: .„корпус фильтра; 2— ложное дно; 3 —дренажные свечи; 4 — центральная труба; 5 —воронка;
слой кварца; 7—отводящая перфорированная труба; 8 — вентили.
Фильтры. Для очистки осадительной ванны используют открытые и закрытые фильтры. В каче- . стве фильтрующего материала используют кварц.
К фильтрам открытого типа от- цосится фильтр-барка, на ложном дне которой находится слой кварца. Недостаток такого фильтра — низкая скорость фильтрования (4— 5 м3/ч) через 1 м2 фильтрующей
освинцованный или гуммиро- Зм (емкостью Юм3), поверх-освинцованный или гуммиро- Зм (емкостью Юм3), поверх-поверхности.
освинцованный или гуммиро- Зм (емкостью Юм3), поверх-
освинцованный или гуммиро- Зм (емкостью Юм3), поверх-
Кварцевый кислотоупорный фильтр дренажного типа (фильтр- бак) представляет собой закрытый ванный стальной котел 1 диаметром „... ^..т^ии ivmj, поверхность фильтрации которого составляет 7 м2 (рис. 8.2). В отверстия ложного дна 2 вставлены 620 трубок из нержавеющей стали и дренажные свечи 3. К свечам сверху привинчены фарфоровые колпачки с прорезями, которые сообщаются с полостью трубочек и с нижней частью корпуса фильтра. Прорези являются дренажными каналами для прохода осадительной ванны при фильтрации. На ложное дно насыпается слой кварца 6 высотой 800 мм (размер зерен 1,5—2 мм). В центре фильтра проходит труба 4 диаметром 300 мм, оканчивающаяся сверху воронкой 5.
Осадительная ванна поступает в центральную трубу, переливается через воронку, фильтруется через кварц, стекает через прорези фарфоровых колпачков, собирается в нижней перфорированной отводящей трубе 7, а затем через нижний штуцер попадает в коллектор для профильтрованной ванны.
Промывку фильтра проводят под давлением сжатого воздуха в обратном направлении (снизу вверх) в течение 5—7 мин. Шламовая ванна собирается в отдельной барке и отстаивается или Фильтруется. Осветленная часть шламовой ванны возвращается в производство, а загрязненная спускается в канализацию.
Производительность дренажного фильтра составляет 70—- Юо м3/ч, скорость фильтрования— 10—15 м3/(м2-ч).
Подогреватели. Во время циркуляции осадительная ванна осты- Вает- в том случае, когда тепла, поступающего в ванну из выпарных аппаратов, недостаточно, для ее подогрева применяют труб* ' атые теплообменники. В таком теплообменнике ванна течет в РУбах из свинца или из нержавеющей стали специальных марок, а еслоноситель (пар, горячая вода) подается в кожух. Применяют
также специальные теплообменники-из графита (например, игу. ритовые).
Трубопроводы. Из напорных барок осадительная ванна посту, пает к прядильным машинам по магистральным трубопроводам. Эти трубопроводы обычно изготовляют из стальных гуммированных труб большого диаметра (от 120 до 250 мм).
Магистральные трубопроводы прокладывают обычно выше машин. Свежая осадительная ванна поступает в корыта по стоякам (диаметром от 50 до 80 мм), а отработанная стекает в сборный коллектор (труба диаметром от 150 до 300 мм), находящийся в туннеле под каждым рядом машин.
РЕГЕНЕРАЦИЯ ОСАДИТЕЛЬНОЙ ВАННЫ
Избыточную воду из осадительной ванны удаляют в вакуум- выпарных аппаратах различных конструкций и установках контактной выпарки. Пониженная температура кипения воды под вакуумом (55—65 °C) в этих аппаратах способствует увеличению коррозионной стойкости материалов, из которых они изготовлены. Применяя многокорпусное выпаривание, можно резко снизить расход пара (при трехкорпусном аппарате до 0,5 кг на 1 кг выпариваемой воды). Однако из-за большой агрессивности среды в промышленности искусственного волокна чаще применяются наиболее простые вакуум-выпарные аппараты (одно- или двухкорпусные).
Вакуум-выпарная установка с выносным трубчатым подогревателем (рис. 8.3) включает выпарной аппарат, состоящий из подогревателя 1 и испарителя 4; вакуум-насос; нейтрализатор 6 и конденсатор 8 (поверхностный или оросительный).
Производительность установки зависит от величины поверхностей нагрева и зеркала испарения; чем они больше, тем больше испаряется воды в единицу времени.
Ниже приводятся ориентировочные данные, характеризующие работу описанной установки:
Объем осадительной ванны, м3 поступающей в аппарат за 1 ч 20
регенерированной за 1 ч 18,2
Скорость испарения воды, м3/ч .1,8
Расход пара на 1 кг испаренной воды, кг 1,5
Расход воды на один аппарат, м3/ч 60
Температура греющего пара, °C 100—105
Рис. 8.4. Схема выпарной контактной установки:
/ — дутьевой вентилятор; 7—обводной канал; 3—-мазутная топка; 4—напорная топка; 5—камера смешения; 6—растопочный клапан; 7—отключающий клапан; 8—разбрызгиватели ванны; 9—скруббер; 10—керамические кольца; // — выхлопная труба; 12—гидравлический затвор; 13—приемные барки.
Советскими учеными и инженерами разработан новый метод регенерации осадительной ванны контактным способом (дымовыми газами).
Схема выпарной контактной установки приведена на рис. 8.4. Вентилятор 1 подает воздух в обводной канал 2 и топку 3, т. е.» часть воздуха используется для сжигания топлива (газа, мазута,! угля и др.), а остальное количество его направляется в камеру 5,1 где смешивается с горячими газами и нагревается до нужной тем-* пературы, а затем поступает в скруббер 9.
Навстречу газовоздушной смеси подается распыленная разбрызгивателями 8 (форсунками) осадительная ванна. Вследствие контакта ванны с горячими газами происходит испарение влаги. Насыщенные парами воды газы удаляют из скруббера через выхлопную трубу 11.
Для защиты от воздействия осадительной ванны скруббер внутри выложен кислотоупорным кирпичом. Выхлопная труба изготовлена из фаолита.
Для повышения влагонасыщения газов, зависящего от начальной температуры осадительной ванны, в установке имеется внутреннее рециркуляционное кольцо, которое позволяет в достаточно широком диапазоне регулировать нагрев поступающей в скруббер жидкости.
Температура регенерированной ванны, выходящей из установки, может быть выбрана такой, чтобы полностью возместить тепловые
потери при ее циркуляции, поэтому дополнительный подогрев ее в теплообменниках не требуется.
Эксплуатация описанной установки показала, что она экономична, удобна и надежна в работе. При производительности около Ю м3/ч (по выпаренной воде) стоимость топлива примерно вдвое меньше, чем стоимость пара при регенерации осадительной ванны на вакуум-выпарной установке.
Кристаллизационные установки. Действие таких установок основано на свойстве сульфата натрия выкристаллизовываться при понижении температуры ванны. Кристаллизация идет быстрее, когда концентрация сульфата натрия выше, а температура ванны ниже. Поэтому желательно было бы подавать ванну на кристаллизацию после предварительного частичного выпаривания воды, но тогда она будет иметь более высокую температуру и для ее охлаждения потребуется больше времени и холода. Известны три типа кристаллизаторов: барабанные, в виде вертикальных баков с мешалками и вакуумные.
На заводах вискозного волокна почти всегда применяют аппараты последнего типа, так называемые вакуум-кристаллизаторы, в которых охлаждение ванны достигается не с помощью рассола, а испарением воды, путем создания глубокого вакуума при помощи эжекции. Эти кристаллизаторы подразделяются на горизонтальные и вертикальные.
Кристаллизатор представляет собой бак емкостью около 70 м3, разделенный на пять секций и снабженный мешалкой. При работе он заполняется на 25% своей емкости.
Осадительная ванна протекает непрерывно через кристаллизатор (около 12—15 м3/ч); температура ванны на входе в аппарат равна 45 °C. В каждой камере кристаллизатора создается вакуум при помощи пароструйного насоса. При испарении ванны ее температура постепенно снижается.
Из последней камеры кристаллизатора вытекает холодная ванна, содержащая кристаллы глауберовой соли, которая поступает на центрифугу или вакуум-фильтр, где кристаллы отделяются от осадительной ванны.
Кристаллы глауберовой соли поступают в плавильный бак, где нагреваются до 60 °C. При этом Na2SO4 растворяется в кристаллизационной воде, выделяющейся при его плавлении, затем из этого раствора выпадают кристаллики безводного сульфата натрия. Здесь же происходит нейтрализация сульфата натрия раствором едкого натра.
Образовавшаяся в плавильном баке суспензия передается в отстойник, откуда она насосами перекачивается в разделительную коробку. Здесь происходит разделение твердой и жидкой фаз. Твердая фаза (сульфат натрия) направляется в вакуум-сушилку, а жидкая фаза (маточный раствор) — на выпаривание в двухкор- пУсную выпарную установку с выносными нагревателями.
Высушенный сульфат натрия, являющийся готовым продуктом, Поступает в бункера, а упаренный маточный раствор из испарителя
возвращается в отстойник. Получаемый сульфат натрия является достаточно чистым продуктом и потребляется стекольными заводами.
ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ
На кислотной станции рабочие соприкасаются с концентрированной серной кислотой и ее горячими растворами.
Концентрированная серная кислота вызывает быстрое разрушение кожных покровов и тяжелые ожоги. Мельчайшие капельки серной кислоты (туман), попадая в дыхательные и легочные ткани, при значительных концентрациях вызывают серьезные заболевания. При частом соприкосновении со слабыми растворами серной кислоты появляются кожные заболевания.
Максимально допустимая концентрация серной кислоты в воздухе рабочих помещений составляет 1 мг/м3.
Работать с растворами серной кислоты необходимо в резиновых перчатках, защитных очках, в шерстяной спецодежде и резиновом фартуке, а с концентрированной (например, при сливе) — и в резиновых сапогах.
Помещения кислотной станции должны быть оборудованы мощной приточной-вытяжной вентиляцией.
Во избежание ожогов следует помнить, что лить воду в концентрированную серную кислоту категорически воспрещается. При разбавлении серной кислоты ее следует добавлять в воду, а не наоборот.
Пролитую на пол кислоту посыпают сульфатом цинка или натрия; в дальнейшем эту соль используют при приготовлении осадительной ванны.
В случае попадания кислоты на кожу рук или лица ее необходимо немедленно смыть сильной струей воды и затем нейтрализовать раствором соды.
Глава 9
ОТДЕЛКА, СУШКА, КРУЧЕНИЕ И ПЕРЕМОТКА ТЕКСТИЛЬНЫХ НИТЕЙ
ОТДЕЛКА ТЕКСТИЛЬНЫХ НИТЕЙ
В куличах На бобниа 28-3022-252,5-4,53,5-4,51412-150,5-0,60,4-0,55260-6522В куличах На бобниа 28-3022-252,5-4,53,5-4,51412-150,5-0,60,4-0,55260-6522Сформованная текстильная вискозная нить имеет примерно следующий состав (%):
В куличах На бобниа 28-3022-25
2,5-4,53,5-4,5
1412-15
0,5-0,60,4-0,5
5260-65
22
В куличах На бобниа 28-3022-25
2,5-4,53,5-4,5
1412-15
0,5-0,60,4-0,5
5260-65
22
Целлюлоза
Серная кислота
Сульфат натрия
Сульфат цинка
Вода
Прочие примеси
Наличие в свежесформованной нити значительных количеств сульфатов обусловливает повышенные требования к условиям ее хранения перед промывкой. При продолжительном нахождении в цехе нить теряет влагу, сульфат натрия начинает выкристаллизовываться на ее поверхности и повреждает отдельные элементарные нити. Поэтому свежесфбрмованную нить следует хранить в помещении с относительной влажностью воздуха не ниже 80—85% и при температуре не ниже 20 °C.
При отделке с нити необходимо удалить сульфаты, кислоту, серу и другие загрязнения. Для этого нить промывают водой и обрабатывают различными растворами химикатов.
Промытая и очищенная от различных загрязнений нить подвергается специальным обработкам для придания ей мягкости, эластичности и компактности, что улучшает качество нити и облегчает ее переработку на текстильных предприятиях.
Способность нити к дальнейшей текстильной переработке в большой степени зависит от предварительной обработки ее специальными препаратами.
Отделочные операции
Отделочным операциям подвергается нить, находящаяся в куличах или бобинах.
Промывка нити. Как уже отмечалось, для удаления кислоты, солей и других загрязнений нить промывают умягченной водой.
Полноту отмывки нити от кислоты контролируют пробой с индикатором (метиловым оранжевым). Если при этом нить покраснеет, ее дополнительно промывают до полного удаления кислоты.
Десульфурация. После промывки нить обрабатывают различными реагентами для удаления серы, содержащейся в нити в количестве до 1 —1,5% (от массы сухой нити). Сера ухудшает внешний вид нити, придает ей желтоватый оттенок и несколько повышает жесткость. Часть серы (0,5—1%) может удаляться при промывке водой. Остальное количество серы водой не удаляется и должно быть извлечено из волокна при помощи десульфурантов (растворы едкого натра, сульфида или сульфита натрия).
Реакции, проходящие при десульфурации, можно схематически изобразить следующими уравнениями:
6NaOH + 4S —> 2Na2S + Na2S2O3 + 3H2ONazSOg-f- S —> NazSzOgNazS + ^S —> NazSrt-j-i
Одинаковый эффект достигается при десульфурации нити раствором едкого натра с концентрацией 10—15 г/л при 50—55 °C и Раствором сульфида натрия с концентрацией 3—5 г/л при 60 °C.
Сульфат натрия является наиболее мягкодействующим десуль- Фирующим реагентом. Концентрация его в растворе . составляет ^о г/л, а обработка нити проводится при 70—75 °C. Но и при этих
условиях процесс протекает медленнее в два раза, чем при использовании NaOH и Na2S.
В процессе десульфурации в ваннах накапливаются сернистые соединения, загрязняющие десульфурирующие растворы. Для равномерного удаления серы с волокна необходимо через определенные промежутки времени проверять концентрацию десульфурирующих растворов, укреплять их добавками маточного раствора и при накоплении многосернистых соединений заменить ванну свежим
раствором.
После обработки нити такими десульфураторами, как NaOH и Na2S, несколько уменьшается ее прочность (на 9—12 мН/текс). При использовании в качестве десульфурирующего реагента раствора едкого натра снижается не только прочность, но и удлинение нити в сухом (на 20—25%) и мокром состоянии, что свидетельствует о некоторой деструкции целлюлозы; кроме того, волокно сильно усаживается.
Как уже указывалось, наиболее мягкодействующим десульфу- рантом является раствор сульфита натрия, который почти не изменяет физико-механические свойства нити. Кроме того, Na2SO3 мало разрушает алюминиевую аппаратуру, бакелитовый лак и пластмассы. Поэтому для десульфурации вискозной нити в паковках (куличи или бобины) применяют преимущественно сульфит натрия.
Для десульфурации одиночной нити (на машинах непрерывного процесса) можно применять горячую воду в сочетании с поверхностно-активными веществами.
После десульфурации содержание серы в волокне уменьшается до 0,07—0,09%.
Десульфурированная нить тщательно отмывается от десульфурирующего раствора и поступает на следующие операции.
Авиваж. Эта операция проводится для придания нити свойств, необходимых для дальнейшей переработки.
Концентрация авиважных веществ в отделочных растворах составляет 3—5 г/л. Обработка нити такими растворами проводится при 35—40 °C.
Иногда присутствие в авиважной ванне солей кальция и магния вызывает образование нерастворимых в воде веществ, которые оседают на волокне (белый налет). Это необходимо учитывать при отделке нити на бобинах или в куличах, так как при прохождении авиважного раствора через толстый слой нити все нерастворимые соли будут отфильтровываться и оставаться на волокне. Поэтому для приготовления авиважного раствора и промывки нити перед авиважем следует применять умягченную отфильтрованную воду-
Авиважная ванна довольно быстро загрязняется. Если отделочные препараты не образуют нерастворимых соединений с солями, содержащимися в жесткой воде (например, с сульфированным бутилолеатом), то такие растворы загрязняются значительно медленнее, и в 1 м3 раствора можно обработать до 400—600 кг
волокна.
К. препаратам, применяемым для обработки волокон, предъ- яВляются определенные требования. Эти препараты должны обладать следующими свойствами:
сообщать волокну мягкость, эластичность и определенную сКользкость, а также понижать величину электростатических зарядов, образующихся при переработке нити и особенно штапельных волокон;
иметь достаточную стабильность и не расслаиваться при длительном стоянии;
не вызывать коррозии деталей текстильных машин;
легко удаляться с волокна промывкой водой без применения специальных растворителей;
Для отделки химических нитей (авиваж, замасливание и препарирование) используются различные поверхностно-активные вещества. Наибольшее значение приобрели сульфированные жиры и масла, способствующие получению высокодисперсных и однородных водных препаратов. Все отделочные вещества имеют углево-' дородные радикалы, обладающие ясно выраженными гидрофобными свойствами, и гидрофильные группы, обуславливающие растворимость этих препаратов в воде. Гидрофобный углеводо-. родный радикал обычно и сообщает нити свойства, необходимые для последующей ее переработки.
Хорошие результаты получаются при отделке вискозной нити сульфоэфирами высших жирных спиртов, например натриевыми или аммониевыми солями цетилового и октадецилового спиртов. Эти препараты применяют в виде водных растворов (с концентрацией 1—2 г/л).
Препараты с хорошими отделочными свойствами синтезированы на базе оксиэтилированных производных жирных кислот (стеа- рокс-6, Т-2).
Наиболее часто для авиважной обработки вискозной нити в отечественной промышленности применяют авироль, препарат БВ и неввол.
Авироль—аммонийная соль сульфоэфира бутилолеата; при-- меняется в качестве авиважного средства для вискозной нити (текстильной и кордной), а также как эмульгатор в замасливающих и препарирующих составах.
Препарат БВ — смесь вазелинового масла (70%) с сульфированными жирными спиртами, олеиновой кислотой, ализариновым маслом и другими веществами; применяется для авиважа вискозной текстильной нити.
Неввол — смесь вазелинового масла (80%), олеиновой кислоты (14%) и триэтаноламина (6%); используется в качестве за- Масливателя при перемотке нити и при отделке волокна.
Кроме перечисленных выше применяемых поверхностно-актив- ®ь,х веществ в литературе рекомендуется еще ряд эффективных Репаратов для отделки химических волокон.
Подшлихтовка. Эту операцию проводят для придания нитям °мПактности, что препятствует появлению ворса при переработке
нити на ткацких станках и трикотажных машинах и способствуе7 получению готовых изделий высокого качества. Подшлихтовыва- ние необходимо при переработке текстильной нити с пониженной круткой (менее 80 витков/м).
В качестве клеящих веществ в настоящее время наиболее часто применяют поливиниловый спирт, растворимые эфиры целлюлозы например карбоксиметил- и карбоксиэтилцеллюлозу, а также ее оксиэтиловые эфиры.
Состав подшлихтовывающих препаратов зависит от назначения нити. Например, для трикотажного производства требуется мягкая нить. Это может быть достигнуто введением в состав подшлихтовывающих препаратов значительного количества замасливателя Т-1 (смесь минерального масла с авиролем в соотношении 1:1).
Для подшлихтовки используется также препарат № 17, пред, ставляющий собой многокомпонентную вязкую композицию, в состав которой входят сополимер стирола с малеиновым ангидридом, алкилфосфат, авироль и стеарокс-6. Клеящим веществом является сополимер.
Оборудование для отделки нитей в куличах
Машина ОК-И Отделку центрифугальной нити проводят на машине ОК-И. На этой машине отделочные растворы подаются внутрь кулича под давлением, и жидкость, проникая сквозь толстый слой нити, смывает ее.
Отделочный агрегат обычно состоит из двух машин ОК-И Каждая машина является самостоятельной отделочной машиной, состоящей из 20 барок. Куличи собирают в пакеты, которые при помощи подъемно-передвижного механизма загружаются в барки отделочной машины. Каждый пакет с куличами обрабатываете! поочередно во всех барках. Для этого мост подъемно-передвижного механизма машины ОК-И одновременно поднимает все 20 пакетов с куличами, передвигает их на один шаг, равный расстоянию между центрами барок отделочной машины, опускает пакеты в соответствующие барки и возвращается в исходное положение. Такие движения мост совершает периодически, через равные промежутки
времени.
В дне каждой барки имеются штуцера, плотно соединяющиеся со штуцерами пакетов при помощи резиновой насадки. Отделочные растворы через штуцера попадают в нижнюю трубчатую плиту пакета и через нее внутрь куличей. Раствор под давлением Д° 0,03 МПа проходит через толщу куличей и выливается в барки
Отработанные растворы отводятся из барок через переливны6 карманы, расположенные в верхней части барок.
Пакет состоит из нижней и верхней плит, между которыми зажимаются (при помощи четырех болтов) куличи. Куличи, завернутые в трикотажные чулки, ставят на специальные щитки. По-4 каждым куличом в щитке сделано отверстие для прохода отД6' лрчных растворов. Степень сжатия куличей между щитками регул11'
рис. 9.1. Схема загрузки куличами речевого пакета машины ОК-И: у—пакет; 2—кулич; 3—отделочный раствор.
руется четырьмя ограничителями— распорками определенной высоты, зависящей от размеров отделываемых куличей.
Сдавливание куличей в пакете проводят в гидравлическом пресс-пакете. Для каждого отделочного агрегата устанавливают два пресс-пакета.
На отделочном агрегате, состоящем из двух параллельно установленных самостоятельных машин ОК-И, пакеты движутся в противоположных направлениях, т. е. пакет после обработки в по
следней барке первой машины разгружается, а затем заполняется
новыми куличами и подается в барку № 1 второй машины, расположенную напротив барки первой машины.
Отвод воздуха из куличей при заполнении их растворами осуществляется через ниппели, расположенные над каждой стопкой куличей.
В пакете другой конструкции куличи надевают на перфорированные свечи (рис. 9.1). В этом случае отпадает необходимость в применении прокладок между куличами.
Управление отделочным агрегатом осуществляют с центрального пульта.
Производительность машины ОК-И. Чем меньше продолжительность цикла передвижения пакетов и чем больше в них куличей, тем больше .будет производительность машины. Эта машина рассчитана на отделку куличей Диаметром 170 мм, высотой 90 и 150 мм. При обработке куличей высотой 90 мм н массой 0,3 кг на щиток устанавливают 12 куличей. При наличии 24 щитков количество куличей, загружаемых в пакет, составит:
12 • 24 = 288
Масса нити в одном пакете будет равна:
0,3 • 288 = 86,4 кг
состав-щитковсостав-щитковПри отделке куличей высотой 150 мм (масса сухой нити в куличе ляет 0,6 кг) на щиток устанавливают 12 куличей; в пакете умещается 14 п° 12 куличей на каждом. Масса нити в таком пакете будет равна:
состав-
щитков
состав-
щитков
12 - 14-0,6= 100,8 кг
При продолжительности цикла работы машины, равной 20 мин, на одной ма- ®*нне в сутки можно обработать: 1440: 20 = 72 пакета. Следовательно, Суточная Роизводительность машины в первом и втором случаях составляет соответ- ^венно:
86,4 • 72 * 6200 н 100,8 • 72 « 7200 кг
Фактически производительность машины меньше из-за повторных обработок при неудовлетворительной промывке куличей. Поэтому при расчете производи, тельности коэффициент использования машины принимается равным 0,95—0,%'
Минимальный цикл передвижения пакетов составляет 20 мин Растворы подают под давлением 0,05 МПа из расчета около 2 л/мин на один кулич массой 600 г.
В целях экономного расходования воды значительная часть ее используется повторно. Для этого вода после промывки собира- ется в сборные барки при помощи насосов вторично направляется на отделочную машину для промывки более загрязненной нити
Все растворы для отделки куличей должны быть тщательно профильтрованы через асбестовые фильтры, так как при прохождении воды или растворов через толщу куличей взвешенные в них частицы оседают на нити и загрязняют ее.
Загрязнение нити может произойти и по другим причинам. Так, если для первой промывки куличей применяют умягченную воду с повышенной щелочностью, то при нейтрализации соли железа, всегда имеющиеся в осадительной ванне, могут выпасть в осадок в виде гидроксида и загрязнить нить, так как при последующих операциях Fe(OH)3 удаляется с трудом. То же может произойти при нейтрализации куличей бикарбонатом натрия.
Иногда перед первой промывкой вводятся дополнительные операции— пропарка куличей увлажненным воздухом с температурой около 70 °C или обработка куличей горячим раствором серной кислоты. При такой обработке происходит выравнивание свойств нити по всей толщине кулича. Это особенно важно при обработке больших куличей, так как формование каждого кулича продолжается несколько часов и нить наружных слоев, полученная в начале формования, подвергается действию осадительной ванны больше, чем нить внутренних слоев, полученная к концу процесса (наработки кулича).
Оборудование для отделки нити в куличах (агрегаты типа ОК-И) предусматривает возможность проведения процесса отбелки нити, который в настоящее время в промышленности не применяется. В последней барке агрегатов предусмотрена продувка нити воздухом в течение 3—5 мин.
Отжим куличей. После продувки куличи содержат еще значительное количество воды (220—230%). Для отжима куличей применяют карусельную центрифугу. В результате центрифугирования влажность куличей уменьшается до 140—160%. Производительность такой центрифуги достигает 10 000 куличей/сут.
Тележки-пакеты. Кроме машины ОК-И для отделки нити в Куличах или на бобинах на отечественных заводах применяют тележки-пакеты (рис. 9.2). На этих агрегатах отделка проводится жидкостью, подаваемой под давлением в паковку с нитью, аналогично тому, как на машине ОК-И, но без погружения паковк'1 в жидкость.
Центральный штуцер 2, посаженный на клапан поддона, РаС' пределяет отделочный раствор по винипластовому коллектору "
Рис. 9.2. Тележки-пакеты для отделки вискозной текстильной нити: 1-тележка; 2—центральный штуцер; 3 — коллектор; 4—вертикальные патрубки; 5—кулич.Рис. 9.2. Тележки-пакеты для отделки вискозной текстильной нити: 1-тележка; 2—центральный штуцер; 3 — коллектор; 4—вертикальные патрубки; 5—кулич.
Рис. 9.2. Тележки-пакеты для отделки вискозной текстильной нити: 1-тележка; 2—центральный штуцер; 3 — коллектор; 4—вертикальные патрубки; 5—кулич.
Рис. 9.2. Тележки-пакеты для отделки вискозной текстильной нити: 1-тележка; 2—центральный штуцер; 3 — коллектор; 4—вертикальные патрубки; 5—кулич.
вертикальным патрубкам 4, через которые раствор попадает в куличи 5, продавливается сквозь толщу куличей и стекает через настил на дне тележки в поддон и далее в приемную барку.
Каждая тележка вмещает 504 кулича высотой 90 мм. Эти агрегаты более просты в изготовлении, чем машины ОК-И.
8'1.3. Оборудование для отделки нитей на бобинах
Промывку нитей на бобинах проводят в специальных вакуум- промывных ящиках, изготовленных из кислотоупорного материа- Ла (сталь с гуммированной поверхностью). Между ложным дном й Дном ящика находится так называемое вакуумное пространство.
6 Зак. 559
На ложном дне имеются специальные гнезда с отверстиями, изготовленные из мягкой резины, на которые устанавливают бобины с нитью. По высоте бобины размещают в два-три ряда.
Через отверстие в ложном дне внутренняя часть бобины соединяется с вакуумным пространством ящика, из которого воздух отсасывается вакуум-насосом, в результате чего внутри бобины создается разрежение.
Расход воды на промывку достигает 200—250 л на 1 кг про- дукции.
После окончания промывки воду из ящика спускают в канализацию, а для уменьшения влажности нити излишнюю влагу удаляют просасыванием воздуха через бобины в течение 10—15 мин. После этого в нити остается до 150% воды от массы нити.
В настоящее время промывка нитей на бобинах в вакуум-про- мывных ящиках проводится очень редко. Обычно в вакуум-про. мывных ящиках промывают бобины, не пригодные для промывки и отделки в общем потоке на отделочных машинах типа ОБ-И. Просос горячих жидкостей через нити на бобинах при помощи вакуума вызывает затруднения, так как под вакуумом жидкость закипает и вакуум «срывается». Поэтому в ящиках промывают только отбракованные бобины, число которых обычно невелико.
Отделка нитей на машине ОБ-И. Эта машина предназначена для отделки текстильных нитей на бобинах.
Бобины, так же как и куличи, собирают в пакеты, которые поступают в барки отделочной машины для обработки растворами.
Технологический процесс отделки нитей на бобинах на машине ОБ-И несколько отличается от обработки куличей. Собранные в пакеты бобины направляются на машину ОСБ-И для удаления сероуглерода из нитей. Эта машина состоит из пяти барок, расположенных в одну линию. В первой барке проводится предварительная промывка нитей умягченной водой в течение 25 мин при 25—40°C. Затем пакет переносится в одну из следующих барок для отгонки сероуглерода горячей водой при 55—65°C. Эта операция занимает 100 мин. Вода просасывается через бобины, находящиеся под вакуумом, и поступает в отделитель сероуглерода. Выделяющийся сероуглерод в дальнейшем подвергается регенерации на специальной установке.
Из машины ОСБ-И пакет при помощи подъемного механизма перегружается на тележку и подается к машине ОБ-И, где 6q6h- ны с нитями обрабатываются так же, как на машине ОК-И, за исключением того, что бобины попеременно обрабатываются под давлением и вакуумом. Благодаря этому достигается равномерная отделка нитей.
Производительность машины ОБ-И А (кг/сут) можно опреде- тить, пользуясь следующей формулой:
. abc -60-24д =
где а — число бобин на одном щйтке; 6 — число щитков иа пакете; с — масса нити на одной бобине, кг; d—продолжительность цикла передвижения пакетов, мии-
Для фильтрования воды и растворов,-применяемых для отделки нити, используют асбестовые рамные фильтры ФР-1-50 и фР-2-50. Фильтрация через эти фильтры может производиться под давлением 0,3 МПа.
Фильтр ФР-1-50 предназначен для фильтрования кислых растворов с температурой не выше 50 °C. Он изготовлен из стали и винипласта. Поверхность стали, соприкасающаяся с жидкостью, гуммирована. Внутри аппарата расположен коллектор, имеющий 20 отверстий для присоединения рам, выполненных из винипластовых трубок. В каждой раме установлен гофрированный лист из винипласта. Жидкость фильтруется через надетый на раму меток, сшитый из ткани хлорин с нанесенным на нее слоем асбеста. Благодаря гофрам фильтруемая жидкость свободно проходит в трубчатый каркас рамы. Фильтруемая поверхность одной рамы составляет 2,5 м2, а всего фильтра (20 рам) — 50 м2.
Фильтр ФР-2-50 используют для фильтрации щелочных и нейтральных растворов, в том числе и авиважных. По конструкции он не отличается от фильтра ФР-1-50. Фильтр ФР-2-50 полностью изготовлен из нержавеющей стали.
СУШКА ТЕКСТИЛЬНЫХ НИТЕЙ
После отделочных операций вискозную нить подвергают сушке. При центрифугальном способе формования нить сушится в куличах, при бобинном — на бобинах. Сушка нити является одной из ответственных операций в общем процессе получения вискозных нитей.
Во всех случаях стремятся получить отрелаксированную нить. Изделия из таких нитей не будут давать большой усадки в процессе их изготовления и эксплуатации (при носке, стирке и т. п.). При сушке мягких паковок, например куличей, нить имеет возможность усаживаться, и нить получается отрелаксированной, особенно на внутренних слоях кулича. При сушке нити на бобине жесткий корпус ее препятствует усадке нижних слоев, находящихся у поверхности бобины. Вследствие этого на таких паковках получается не полностью срелаксированная нить.
Исследованиями установлено, что сушка волокна вначале протекает быстро (влажность снижается до 33—40%-ной), а затем замедляется.
Это, по-видимому, объясняется следующим. В сухой гидратцеллюлозной нити макромолекулы, будучи более или менее ориентированы вдоль оси нити, связаны между собой межмолекуляр- ными связями (главным образом, водородными связями между группами ОН соседних макромолекул целлюлозы).
Во влажной свежесформованной нити образуются межмоле- кУЛярные связи между теми же гидроксильными группами и мо- лекулами воды.
По расчету количество сравнительно прочно связанной воды составляет 3 моль на элементарное звено, или -г—- - 100 = 33,3%
от массы абсолютно сухой целлюлозы, т. е. это количество воды удерживается макромолекулами целлюлозы наиболее прочно и трудно удаляется при сушке.
На основании длительного производственного опыта выявились следующие особенности сушки гидратцеллюлозной нити;
температура сушки должна быть ограничена, в противном случае возможно пересушивание отдельных нитей;
влажная вискозная нить выдерживает более высокую температуру, чем сухая. Для влажной нити температура сушки не должна превышать 80, а для сухой — 60°C;
наиболее рациональный способ сушки нитей в паковках — нагретым воздухом по методу противотока. При этом способе влажная нить обогревается более горячим воздухом, а высушенная нить при выходе из сушилки встречает более холодный воздух;
поскольку температура сушки волокна ограничена и сушка проводится нагретым воздухом по методу противотока, воздух должен нагреваться внутри сушилок ступенчато (в несколько приемов);
для увеличения насыщения воздуха влагой его необходимо интенсивно перемешивать во всем сушильном пространстве.
При сушке нитей до 35—40%-ной влажности расход пара на 1 кг испаряемой воды составляет около 1,5 кг, а при сушке до 11 — 12%-ной влажности (кондиционная влажность) —1,8—2,2 кг, в зависимости от вида паковки и режима сушки.
Сушка нити на отечественных заводах проводится в железобетонных одно-, двух- или трехтуннелБных сушилках, разработан-
По A-^По A-^Рис. 9.3. Двухтуниельиая сушилка ВТИ: / — туннель; 2—тележка; 3—цепной толкатель; 4—двери; 5—вентиляторы; 6—пластинчатые калориферы; 7-тВоздуховоды; 8— щиты-решетки ДД* входа воздуха в туннели сушилки и выхода воздуха.Рис. 9.3. Двухтуниельиая сушилка ВТИ: / — туннель; 2—тележка; 3—цепной толкатель; 4—двери; 5—вентиляторы; 6—пластинчатые калориферы; 7-тВоздуховоды; 8— щиты-решетки ДД* входа воздуха в туннели сушилки и выхода воздуха.
По A-^
По A-^
Рис. 9.3. Двухтуниельиая сушилка ВТИ: / — туннель; 2—тележка; 3—цепной толкатель; 4—двери; 5—вентиляторы; 6—пластинчатые калориферы; 7-тВоздуховоды; 8— щиты-решетки ДД* входа воздуха в туннели сушилки и выхода воздуха.
Рис. 9.3. Двухтуниельиая сушилка ВТИ: / — туннель; 2—тележка; 3—цепной толкатель; 4—двери; 5—вентиляторы; 6—пластинчатые калориферы; 7-тВоздуховоды; 8— щиты-решетки ДД* входа воздуха в туннели сушилки и выхода воздуха.
ных во Всесоюзном теплотехническом институте (ВТИ). На рис. 9.3 изображена двухтуннельная сушилка. В каждом туннеле 1, выполненном из монолитного железобетона, уложено два рельсовых пути для тележек 2 с нитью. Тележки периодически передвигаются по туннелю цепным толкателем 3, расположенным в приямке, в головной части сушилки.
Со стороны входа и выхода туннели закрываются дверями 4. На верхнем перекрытии корпуса установлены отопительно-вентиляционные системы для каждой зоны, состоящие из вентилятора 5 и пластинчатого калорифера 6.
Число сушильных зон — от двух до восьми (в зависимости от производительности и режима сушки). Воздух не только циркулирует в зонах, но частично перемещается из одной зоны в другую, навстречу высушиваемому материалу.
Сушка нити в куличах проводится в течение длительного времени (60—72 ч), требуемого для того, чтобы пары воды проникли из внутренних плотно намотанных слоев к наружным. По этой же причине сушку рекомендуется проводить при невысокой температуре (70—80°C в первой зоне и 40—45°C в последней).
При повышении температуры (сверх указанной) нить желтеет и повышается неравномерность физико-механических показателей вследствие неодинаковой усадки нити в различных слоях.
После сушки нити в сушилках, особенно на бобинах и отчасти в куличах, она имеет значительную структурную неоднородность, вследствие чего нить дает различную усадку при текстильной переработке, а при крашении появляются пятна .и полосатость. Вла- госодержание высушенной нити колеблется от 5—6 во внешних слоях до 16—18% во внутренних слоях.
Одним из способов уменьшения структурной неоднородности волокна является кондиционирование, т. е. выдерживание нити при относительной влажности воздуха 85—95% и комнатной температуре в течение 3—5 сут. В результате кондиционирования происходит гидратация нити, вследствие чего связи между молекулами целлюлозы ослабевают и выравнивается напряженность нити, что способствует получению нити с более однородной структурой.
Кондиционирование вискозных нитей осуществляется как в камерах кондиционирования, так и в специальных зонах железобетонных сушилок. В последних выравнивание влажности происходит быстрее, но не так полно.
После кондиционирования в течение 48—72 ч влажность вискозной нити составляет И—12%.
Были проведены опыты по сушке нити в паковках токами высокой частоты. При этом наблюдалось некоторое снижение неравномерности физико-механических свойств нити; продолжительность сушки сокращалась более чем в 20 раз. Широкому применению этого метода сушки препятствует относительно большой Расход электроэнергии.
В последние годы предложен метод сушки вискозной текстильной нити в куличах горячим воздухом. Влажные куличи в течение 40—60 мин прогреваются воздухом с большим содержанием влаги при 120°С. В следующих зонах сушилки влажность воздуха снижается, и куличи быстро и равномерно по всей толщине отдают влагу. При этом способе продолжительность сушки значительно сокращается.
КРУЧЕНИЕ ТЕКСТИЛЬНЫХ НИТЕЙ
Для повышения прочности и придания связности отдельным элементарным нитям комплексную нить подвергают кручению (крутке). Связность волокон необходима для того, чтобы облегчить дальнейшую переработку нити, т. е. уменьшить обрывность и распрядистость (отслоение отдельных элементарных волокон от комплексной нити).
Величиной, или степенью крутки называется число-Житков, приходящихся на 1 м нити.
При центрифугальном способе формования кручение производится на прядильной машине в центрифугальной кружке, при бо- бинном способе — в крутильных цехах на специальных машинах.
Величина крутки зависит от назначения нити, т. е. от того, для производства каких изделий она будет использована, а также от ее линейной плотности. Мягкость нити при увеличении крутки будет уменьшаться.
Связанность волокон, необходимую для текстильной переработки нити, можно достичь не только путем_крутки, но и при шлихтовании. Таким образом перерабатывают нити из некоторых видов химических волокон (например, медноаммиачного, ацетатного и отдельных видов синтетических волокон), имеющих малую величину крутки— 10—12 витков/м.
Кроме связанности и повышения прочности в некоторых случаях при помощи крутки достигают определенных эффектов на тканях (например, креповый эффект, букле, мушки и др.).
В зависимости от числа витков различают два основных вида крутки: простую (низкую) и фасонную (высокую). К первому виду относится крутка нити до 400 витков/м включительно, ко второму — более 400 витков/м.
Помимо простой и фасонной различают левую и правую крутки в зависимости от направления скручивания нити. Левой условно считают такое направление витков, при котором любая точка по восходящей линии нити вращается по часовой стрелке, правой — против часовой стрелки. Целесообразнее применять буквенные обозначения направления крутки: для левой S и для правой Z (рис. 9.4). Для текстильной нити из химических волокон обычно применяют левую крутку.
При скручивании нити одиночные, особенно наружные, волокна вытягиваются. В результате кручения уменьшается длина И
рис. 9.4. Виды крутки: S—левая; Z — правая.
увеличивается толщина нити. Получается так на- О/ И 7 зываемая укрутка, достигающая 20% и более. ( ) [ '
В крутильных цехах вискозных заводов выну- к/ ц скается текстильная нить с низкой круткой, пред- (А ( ) назначенная для использования в качестве утка, XJ Ц для изготовления трикотажных изделий и для ос- ( । ) новы (до 200 витков/м). м
После кручения необходимо проводить процесс фиксации крут ки запариванием в течение 8—12 ч (для основы) и 6—10 ч (для утка) при 35—37°C и относительной влажности воздуха не ниже 95%. Запаривание нити целесообразнее проводить в закрытых котлах острым паром под давлением в течение 2—3 ч. При этом снижается напряжение в волокне, возникающее при кручении нити, благодаря чему происходит фиксация крутки. После фиксации размотанная с паковки крученая нить уже не образует сук- рутин.
Крутильные машины. Кручение нити проводится на крутильных машинах. В зависимости от принципа кручения эти машины можно подразделить на две основные группы: этажные и кольцевые крутильные (кольцекрутильные).
На этажных машинах (рис. 95, я) бобина 1 с некрученой нитью плотно закрепляется на быстро вращающемся веретене 2. Нить образует баллон 3, в котором и получает крутку. Баллон получается вследствие вращения конца нити, находящегося на бобине, в то время как другой конец ее закреплен на шпуле 7 и не может раскручиваться.
Далее нить проходит направляющий глазок 4, огибает натяжной пруток 5, проходит фарфоровый нитеводитель 6, совершающий колебательные движения в горизонтальном направлении, и наматывается на шпулю 7, приводимую в движение фрикционным цилиндром.
Скрученная нить укладывается нитеводителем на шпули крестовой намоткой, что значительно облегчает последующую размотку.
Шпули длиной 125—130 мм и диаметром 60—90 мм обычно изготовляют из прессованного картона. Для того чтобы легко можно было различить виды продукции по линейной плотности нити и характеру крутки, шпули окрашивают в разные цвета.
На кольцекрутильной машине (рис. 9.5,6) бобины 1 с некрученой нитью установлены неподвижно. Нить стягивается с бобины и через натяжной пруток 5 спускается к направляющему глазку 4, после чего проходит питающий аппарат, состоящий из ведущего цилиндра 9 и нажимного валика 10, прижимающего нить к Цилиндру. Из питающего аппарата нить подается через клапан //, Установленный над центром веретена 2, в бегунок 13, сидящий на борту кольца 12, и наматывается на патрон.
Рис. 9.5. Схема' кручения нити: а‘—на этажной крутильной машине; б—на кольцекрутильной , /—бобины; 2—веретено; 3— баллон; 4 и 11 — направляющие глазки; 5—натяжные прутки; 6—нитеводитель; 7—шпуля; 5—фрикционный цилиндр; 5—ведущий цилиндр; 10—нажимной валик; /2—кольцо; /3—бегунок; 14—патрон.Рис. 9.5. Схема' кручения нити: а‘—на этажной крутильной машине; б—на кольцекрутильной , /—бобины; 2—веретено; 3— баллон; 4 и 11 — направляющие глазки; 5—натяжные прутки; 6—нитеводитель; 7—шпуля; 5—фрикционный цилиндр; 5—ведущий цилиндр; 10—нажимной валик; /2—кольцо; /3—бегунок; 14—патрон.машине;машине;
Рис. 9.5. Схема' кручения нити: а‘—на этажной крутильной машине; б—на кольцекрутильной , /—бобины; 2—веретено; 3— баллон; 4 и 11 — направляющие глазки; 5—натяжные прутки; 6—нитеводитель; 7—шпуля; 5—фрикционный цилиндр; 5—ведущий цилиндр; 10—нажимной валик; /2—кольцо; /3—бегунок; 14—патрон.
Рис. 9.5. Схема' кручения нити: а‘—на этажной крутильной машине; б—на кольцекрутильной , /—бобины; 2—веретено; 3— баллон; 4 и 11 — направляющие глазки; 5—натяжные прутки; 6—нитеводитель; 7—шпуля; 5—фрикционный цилиндр; 5—ведущий цилиндр; 10—нажимной валик; /2—кольцо; /3—бегунок; 14—патрон.
машине;
машине;
Нить подается к веретену с постоянной линейной скоростью питания. При вращении веретена патрон тянет за собой нить, силой натяжения увлекает бегунок и заставляет его скользить по кольцу вслед за вращающимся веретеном. На участке от клапана до бегунка нить образует баллон 3, в котором она получает крутку.
По длине патрона нить раскладывается благодаря периодическим колебаниям вверх и вниз кольцевой планки вместе с кольцами. Патрон с намотанной на него нитью называется паковкой.
Суточная производительность крутильной машины Р (в кг) определяется по формуле, аналогичной формуле для расчета производительности прядильной машины:
оКиКпп-60-24Г
1000-1000
где v — скорость питания, м/мии; К» — коэффициент использования машины (0,96—0,995); Кп — коэффициент, учитывающий потери нити при дальнейшей обработке; ч— число веретен на машине; Т— линейная плотность некрученой нити, текс.
Скорость питания зависит от частоты вращения веретена и заданной величины крутки. Например, при частоте вращения веРе’ гена 5000 об/мии и заданной крутке 100 витков/м скорость питания составит: 5000 : 100 = 50 м/мин. Для некрученой вискозно 168
нити при обычных условиях крутки не рекомендуется превышать эТу величину вследствие возможного снижения качества нити (по явление ворсистости и увеличение обрывности). Для крученой ни ти (60—80 витков/м) можно допустить значительно более высокую скорость питания — до 200 м/мин.
В качестве примера приведем расчет производительности кольцекрутильной машины К-136-И.
Принимаем следующие условия: Число веретеи на машине; . .208
Частота вращения веретена, об/мин . . . .6500
Диаметр кольца, мм 96
Высота подъема планки, мм ....... .250
Линейная плотность крученой нити, текс . .11,12
Крутка, витков/м . ■ Масса нити, г
50050050,0 (6 500 : 130)15 (45 000 : 50 : 60)0,550050050,0 (6 500 : 130)15 (45 000 : 50 : 60)0,5на бобине в початке Скорость питания, м/мин
500
50050,0 (6 500 : 130)
15 (45 000 : 50 : 60)
0,5
500
50050,0 (6 500 : 130)
15 (45 000 : 50 : 60)
0,5
Длина нити в початке, м
Продолжительность кручения початка, ч . . . . Потери нити при дальнейших операциях, % . .
Суточная производительность кольцекрутильной машины составит (кг):' 0,95-0,995-50-208-60-24-11,12 1000-1000156
ПЕРЕМОТКА ТЕКСТИЛЬНЫХ НИТЕЙ
Большое значение для повышения производительности труда и коэффициента полезного действия текстильных машин, а также для снижения непроизводительных затрат, в частности на упаковку и транспортирование продукции, имеет величина паковки готовой нити, отправляемой заказчику.
Вискозная центрифугальная текстильная нить может быть отправлена потребителю в куличах, соответствующим образом перевязанных и сложенных (по диаметру). Однако при этом несколько ухудшается способность нити к размотке (так называемая перемоточная способность).
В настоящее время на вискозных заводах готовая текстильная нить перематывается на бобинажно-перемоточных машинах. В качестве выходной паковки применяют трехконусные или конические бобины. Они вмещают от 500 до 3000 г нити, удобны для транспортирования и при переработке нити на текстильных фабриках.
В настоящее время существует несколько типов машин, сконструированных специально для перемотки нити на бобины с крестовой намоткой. Схема прохождения нити на этих машинах в общих чертах одинакова.
„Перематываемая паковка 1 (рис. 9.6.) устанавливается на ниж- ней полке- машины на держателе 2. Нить, сходящая с верхнего Торца паковки, направляется в центрирующее кольцо 3, проходит
щель узлоуловителя 4, натяжной механизм 5, регулятор натяжения 6 и наматывается на коническую бобину 7, посаженную на горизонтальное веретено 8. На полке 9 устанавливают намотанные бобины.
Перемоточные машины имеют разную кинематическую схему. Одни из них работают с постоянной частотой вращения веретен (простейшая схема), а линейная скорость перематываемой нити возрастает с увеличением диаметра бобины. С увеличением скорости качество перематываемой нити понижается. Более совершенные перемоточные машины работают с постоянной линейной скоростью перематываемой нити, а частота вращения веретен при увеличении диаметра бобин соответственно уменьшается. Третий тип машин позволяет отрегулировать намоточный механизм машины так, что по мере увеличения диаметра бобины линейная скорость намотки лишь незначительно возрастает (до 25%), а частота вращения веретен соответственно снижается.
Для перерабатывающих фабрик большое значение имеет плотность намотки, правильная вязка узлов и правильное их расположение.
Рис. 9.6. Схема бобииажно-перемо- точной машины:
* / — перематываемая паковка; 2—держа* тель; 2—центрирующее Кольцо; 4 —узлоуловитель: 5 —натяжной механизм;
гулятор иатяжеиия; 7— коническая бобина, 8—веретено: 9 —полка.
Плотность намотки определяется отношением массы нити (в г) к объему намотки (в см3). При малой плотности намотки нить сползает с бобины, в результате чего при переработке получаются обрывы и понижается производительность труда и качество готовых изделий. Нормальной считается плотность намотки, равная 0,7—0,8 г/см3.
Плотность намотки зависит от влажности перематываемой нити и от ее натяжения. Натяжение нити во избежание ее перенапряжения не должно превышать 15% от разрывной нагрузки. В противном случае появляются дефекты в готовой ткани (блестящие нити).
На нижнем (большом) основании конической бобины не должно быть широких впадин, выступов и в особенности перекрашивающихся нитей (перекрестов). Все узлы надо обязательно выводить с перекрестом на верхнее (меньшее) основание бобины, иначе получаются обрывы в результате трения нити об узлы.
Снование нитей. В разных слоях кулича вискозные нити центрифугального способа получения имеют различные свойства, вследствие чего эти нити окрашиваются по-разному. Ткани, изготовленные из таких нитей, при существующей схеме подготовки текстильного сырья к ткачеству, имеют полосатость — так называемую «матрасность».
Метод снования с куличей позволяет за стет расположения по ширине ткани нитей, близких по свойствам, ликвидировать этот недостаток, так как в ткани будут находиться рядом нити одних слоев кулича, которые окрашиваются одинаково.
Сущность процесса партионной сновки вискозной центрифугальной нити с куличей на сновальные валики (катушки) на предприятиях химических волокон состоит в том, что вместо перемотки нити с куличей на конические бобины массой 1,8—2,5 кг (3—4 кулича) вводится операция сновки нитей одновременно с 600—800 куличей на сновальные валики массой 250—400 кг.
Куличи располагаются на специальных стойках (в шпулярни- ке), размещенных перпендикулярно оси сновальных валиков. При вращении валиков нить сходит с поверхности кулича, образуя «баллон» между куличом и нитепроводящей гарнитурой.
Сновальные валики транспортируются на шелкоткацкие фабрики, где поступают на операцию шлихтовки.
Указанная технология переработки центрифугальной нити имеет ряд положительных моментов, основными из которых являются:
исключение на предприятиях химического волокна технологического перехода перемотки нити с куличей на конические боби- ны, что сокращает длительность производственного цикла, повы-, Шает производительность труда в текстильном цехе;
исключение операции перемотки нити на бобины положительно сказывается на качестве нити, что в свою очередь улучшает проходимость нити в ткачестве;
за счет расположения по ширине ткани нитей основы близ- Ких по свойствам обеспечивается резкое повышение равномерно-
сти окрашивания ткани, т. е. ликвидацию «полосатости» ткани по основе.
Ликвидация перемоточного участка дает экономический эффект на предприятиях химических волокон с одновременным повышением качества нити, при этом свыше 50% продукции выпускается со «Знаком качества».
СОРТИРОВКА И УПАКОВКА ТЕКСТИЛЬНЫХ НИТЕЙ
Сортировка. Вискозная текстильная нить должна удовлетворять требованиям ГОСТ и в зависимости от физико-механических показателей и оценки по внешнему виду ее подразделяют на два сорта.
Физико-механические показатели продукции определяют в текстильной лаборатории.
Определение внешних дефектов нити проводится в сортировочном цехе путем осмотра поверхности бобин. Осмотру подлежат все выработанные бобины. Рассортировку бобин проводят при люминесцентном освещении. При дневном свете сортировку проводить нельзя, так как изменение освещения влияет на результаты определения разнотонности нити.
Качество нити определяют также по равномерности окрашивания трикотажного чулка (специально выработанного) часто голубым красителем.
Упаковка. Во избежание спуска конец нити на каждой бобине- должен заматываться петлей. Бобину завертывают в мягкую бумагу. На нижнее основание каждой паковки наклеивают бумажный ярлык с указанием завода-изготовителя, номера партии, линейной плотности нити, числа элементарных нитей в комплексной нити и номера перемотчицы.
Упакованные бобины с нитью укладывают в пачки по девять штук. На пачке наклеивают ярлык с указанием вида нити, сорта, номера партии, линейной плотности нити, числа элементарных нитей в нити, направления и величины крутки, кондиционной и фактической массы нити в пачке, а также номера ГОСТ. Пачки укладывают в контейнеры и отправляют потребителям.
Глава Ю
ВИСКОЗНАЯ КОРДНАЯ нить
Вырабатываемый промышленностью химических волокон корд используется для изготовления пневматических автомобильных шин, а кордная нить — для производства ряда технических изделий (например, транспортерных лент).
Кордная нить может быть использована непосредственно для изготовления автомобильных шин (так называемый безуточныи корд), но в большинстве случаев ее применяют для производства кордной ткани. Последняя представляет собой редкую сетку, состоящую из основы — кордных нитей (обычно от 90 до НО нитей
на 100 мм ширины ткани), переплетенных тонкими и непрочными нитями (утком). В целях уменьшения усадки кордной ткани после пропитки уток частично (через шесть-семь нитей основы) разрывают перед поступлением полотна на каландр для обрезинивания. Таким образом, уточные нити играют вспомогательную роль — облегчают технологический процесс обработки кордных нитей на шинных заводах.
При производстве автомобильных шин кордную ткань используют для изготовления наиболее ответственной части покрышки — каркаса, несущего на себе основную нагрузку. Прочность каркаса определяет ходимость (пробег) шины. Каркас состоит из нескольких слоев прорезиненного корда, число которых в покрышке зависит от назначения шины. Чем больше нагрузка, тем больше слоев корда. Обычно число слоев корда в каркасе составляет от четырех (для легковых машин) до десяти и более (для тяжелых грузовых машин).
Корд является основным структурным элементом покрышки. Благодаря корду покрышка сохраняет приданную ей форму, обладает необходимыми прочностью и эластичностью.
К кордной нити предъявляют очень высокие требования. В частности, нить должна обладать высокой прочностью и выносливостью (усталостной прочностью) при малой толщине, значительной упругостью и малыми величинами необратимых удлинений, низким теплообразованием и способностью сохранить свои физико-механические свойства при высоких температурах, возникающих во время качения шины.
В зависимости от требуемых физико-механических свойств и качества исходного сырья корд изготовляют из нитей различной структуры. Обычно структура обозначается тремя числами. Первая указывает линейную плотность одиночной нити (текс), вторая — число одиночных нитей в одной пряди, третья — число прядей в нити. Например, структура 185/2/2 означает, что нить линейной плотностью 185 текс при первом и втором кручении сложена в два раза, т. е. готовая кордная нить состоит из четырех стренг; при структуре 185/1/3 кордная нить состоит из трех стренг и т. д."
Маркировка кордной нити включает цифры и буквы. Например, 17В, 22В. Первые две цифры перед буквой обозначают прочность (разрывная нагрузка, кгс), буква после цифр — природу волокна (в данном случае буква В указывает, что это вискозный корд).
Юл. ОСОБЕННОСТИ ПРОИЗВОДСТВА ВИСКОЗНОЙ КОРДНОЙ нити
Вискозная кордная нить по сравнению с текстильной нитью имеет значительно большую линейную плотность, повышенную прочность и пониженное удлинение. Прочность кордных нитей со- Ставляет 380—450 мН/текс, а удлинение— 10—16%.
Для высокопрочной нити характерны мелкокристаллическая структура и высокая степень ориентации элементов структуры вдоль оси волокна. Кроме того, сверхпрочная вискозная нить меньше набухает в воде (170—180 вместо 250%) и меньше теряет прочность в мокром состоянии (29 вместо 55%), характеризуется более низкой потерей прочности при кручении, высокими эластическими свойствами и лучшими показателями усталостной прочности.-
Мелкокристаллическая структура получается в результате изменения состава осадительной ванны и увеличения степени ориентации элементов структуры вдоль оси нити, достигаемого изменением условий вытягивания свежесформованной нити.
Для получения высокопрочной кордной нити применяется высококачественное сырье (едкий натр, серная кислота, сульфат цинка и пр.), содержащее минимальное количество примесей. Особенно жесткие требования предъявляются к целлюлозе.
Применяемая для производства кордной нити целлюлоза должна быть однородной по фракционному составу и иметь высокое содержание а-целлюлозы (не менее 96,5%) и минимальное количество вредных примесей: солей железа, кальция, кремния и марганца. Содержание низкомолекулярных фракций не должно превышать 1,2—1,3%; в противном случае это может привести к понижению прочности и ухудшению усталостных характеристик вискозной нити.
Эти требования вызваны особыми условиями формования высокопрочных нитей. Даже незначительные примеси этих компонентов при формовании нити в ваннах с высоким содержанием сульфата цинка и низкой концентрацией серной кислоты приводит к ускорению засорения фильер, что ведет к обрыву формующейся элементарной нити. Устойчивость формования в этих условиях может быть достигнута только при применении вискозы высокой степени чистоты и добавке модификаторов и поверхностно-активных веществ в вискозу и осадительную ванну. Как отмечалось выше, основное назначение модификаторов, добавляемых в вискозу, заключается в замедлении процесса диффузии вискозы в нить и разложения ксантогената целлюлозы. Заметим, что действие модификаторов особенно проявляется при высоком содержании ZnSO4 и низкой концентрации H2SO4 в осадительной ванне.
Высокопрочную нить формуют из молодых вискоз. Ксантоге- нирование щелочной целлюлозы ведут при увеличенном количестве сероуглерода (не менее 40% CS2 от содержания а-целлюлозы), чтобы получить ксантогенат с высокой степенью этерификации. Растворение ксантогената проводится при более низких температурах. Рекомендуется применять высоковязкую вискозу, обеспечивающую получение нити со степенью полимеризации целлюлозы 500—600.
Формование высокопрочной кордной нити осуществляется на машинах непрерывного процесса. Скорость формования высокопрочной кордной нити по сравнению со скоростью формования вискозной текстильной нити значительно снижена и составляет
40—50 м/мин (по готовой нити). Следовательно, при 100%-ном вытягивании скорость формования на первом диске достигает всего 20—25 м/мин.
Как уже указывалось, состав осадительной ванны в производстве вискозной кордной нити существенно изменился. Снизились общая кислотность ванны и содержание сульфата натрия, резке повысилась концентрация сульфата цинка. Повышение концентрации сульфата цинка в ванне приводит к увеличению толщины оболочки волокна. Например, при концентрации 40 и 80 г/л площадь оболочки составляет соответственно 45 и 65% от площади поперечного сечения. Большая концентрация сульфата цинка в ванне способствует получению волокна с мелкокристаллической структурой и приводит к замедлению процесса разложения ксантогената, что позволяет сильнее вытягивать нить при формовании.
Однако с возрастанием содержания ZnSO4 в осадительной ванне в большом количестве образуется ZnS, который осаждается на фильерах, увеличивая их засоряемость. Для устранения этого явления в ванну добавляют различные поверхностно-активные вещества, например лаурилпиридинсульфат. Кроме того, в целях уменьшения засорения фильер часто применяют предфильеры— пластинки, изготовленные из того же металла, что и фельера, но с большим числом отверстий. Предфильеры устанавливаются в фильерном комплекте на пути движения вискозы между фильтровальным материалом и фильерой. Основная их задача — задержать загрязнения, прошедшие ферез фильтрующий материал, и не допустить засорения фильер. При хорошо налаженном производстве засорение фильер не превышает 1 %/сут.
Ниже приводятся примерные параметры технологического процесса получения вискозной кордной нити прочностью 380— 450 мН/текс и удлинением 10—16% (степень вытягивания нити при формовании составляет 100—105%).
Осадитель-
Пластифи-
Закреди-
ная
кационная
тельная
ванна
ванна
ванна
Состав, г/л
серная кислота . . . .
80-110
20—30
30-40
сульфат цинка . . . .
60-80
10—15
6—20
сульфат натрия . . . .
180-220
25-35
15-40
поверхностно-активные
вещества
0,3—1,0
—
"1 —
Температура, °C
50—60
97—98
97—98
Содержание а-целлюлозы в вискозе составляет 6—7%, едкого натра — 6,5—7%, зрелость вискозы по NaCI— 10—14.
Ю.2. АППАРАТУРНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ ПРОЦЕССА
ПРОИЗВОДСТВА ВИСКОЗНОЙ КОРДНОЙ нити
Формование и отделка. Кордная нить в основном формуется на Машинах непрерывного процесса.
По конструкции машины непрерывного процесса подразделяются на две группы: вертикальные и горизонтальные. Первые
более сложны по устройству, но занимают меньшую производственную площадь.
Вертикальная машина непрерывного процесса ПН-ЗОО-ИЗ (рис. 10.1) широко применяется в производстве вискозной кордной нити. Это двусторонняя (на рисунке показана одна сторона) трехэтажная машина, число рабочих мест составляет 108 или 120. На верхнем этаже размещена формовочная часть машины, на среднем — отделочная часть, на нижнем — сушильная и крутильная части машины.
Вискоза поступает по вискозопроводу 1, на котором смонтированы общие стойки 2 для дозирующих насосов и фильтр- пальцев. Нить заправляется на нижний прядильный диск 4, затем спускается под ролик 5, помещенный в корыте пластификационной ванны, и, пройдя определенное расстояние в ванне, направляется на верхний
Рис. 10.1. Схема одной стороны вертикальной машины непре- 'рывного процесса ПН-ЗОО-ИЗ для получения кордной нити: /—вискозопровод; 2—стойка для насосов и фнльтр-пальцев; 3—фильера; 4— инжиий прядильный диск; 5— ролик; 6 — верхний прядильный диск; 7—пластнфнкационная труб ка; 8—10—пары отделочных цилиндров; // — сушильные цилиндры» 12— механизм (ролик с ванночкой) для замасливания нити; 13—коль- цекрутильное веретено.
рис. Ю.2. Схема движения нити на парных цилиндрах машины ПН-ЗОО-ИЗ.
диск 6. Благодаря разности окружных скоростей верхних и нижних дисков формуемая нить, находясь в пластичном состоянии, вытягивается на заданную величину (обычно 80—100% к первоначальной длине).
Сойдя с верхнего диска, нить по пластификационной вертикальной стеклянной трубке передается на второй этаж машины.
В этой трубке, заполненной пластификационной ванной, происходит довосстановление нити. В отличие от данной схемы заправки имеются машины, где в пластификационной трубке осуществляется также и вытягивание нити.
По выходе из пластификационной трубки нить заправляется на первую пару отделочных цилиндров 8 (первый ряд механизмов непрерывного перемещения). Оси обоих цилиндров расположены под некоторым углом друг к другу (обычно 1—2°), благодаря чему при вращении достигается непрерывная раскладка нити на требуемое количество витков (рис. 10.2). Шаг витка h определяется по формуле
h = Hotga
где Яо —среднее расстояние между центрами цилиндров, мм; а — угол между осями цилиндров, градусы.
Общая длина непрерывно движущейся нити L на парных цилиндрах определяется по приближенной формуле
-L = 0,001 (лО + 2Я0) Uh
Для машины ПН-ЗОО-ИЗ при 0=150 мм, Но — 300 мм, I = 300 мм и й = 3 мм общая длина нити составит:
L = 0,001 (Л150 + 2 • 300) -^ = 107 м
На отделочных цилиндрах 8—10 (см. рис. 10.1) свежесформо- ванная и вытянутая нить промываются водой. Первая пара цилиндров 8 имеет конусность, благодаря чему нить усаживается и освобождается от возникших внутренних напряжений (релаксиру- ется). На следующих отделочных цилиндрах сохраняется жесткая схема прохождения нити.
После отделки нить направляется на первый этаж машины, гДе она попадает на сушильные цилиндры // (разных диаметров), обогреваемые паром. На этих цилиндрах нить испытывает допол-' Стельное натяжение вследствие стремления ее к усадке в процес- С сушки. Конусность большого сушильного цилиндра позволяет Ити несколько усаживаться (но не полностью). Поэтому при суш- Р нити на машине ПН-ЗОО-ИЗ сохраняется относительно жесткая
схема заправки и прохождения нити. При увеличении конусность сушильного цилиндра прочность нити несколько снижается, а уд, линение возрастает.
Высушенные нити проходят замасливающий механизм (стеклянный ролик с ванночкой) 12 (см. рис. 10.1) и заправляются на кольцекрутильные веретена 13 диаметром 140 мм, на которых по- мещены фланцевые катушки (масса намотки — до 1900 г). Нить получает предварительную крутку, равную 70—80 виткам/м. Частота вращения веретена 2400—3870 об/мин. Скорость формования нити по готовому волокну — от 40 до 100 м/мин. Производительность машины — до 200 кг/сут.
Горизонтальные машины (агрегаты) непрерывного процесса для производства кордной нити, сконструированные по типу агрегатов для выработки волокна с отделкой в жгуте (проходные аппараты), получили широкое распространение в последние годы. Агрегаты представляют собой группу односторонних одноэтажных машин. На заправочной стороне машины расположена вся формовочная часть: корыто осадительной ванны, дозирующие насосы, свечевые фильтры и фильерные комплекты (фильера и предфильера). Нить из фильеры поднимается на первый вытяжной ролик, проходит через горизонтальную пластификационную трубку (температура ванны 92—95°C) и вытягивается вторым вытяжным роликом, находящимся на задней стороне машины. Благодаря различной окружной скорости первого и второго вытяжных роликов нить получает необходимую вытяжку. Выделяющиеся при пластификации пары сероуглерода и воды могут быть направлены на регенерацию или на газоочистку (совместно с вентиляционным воздухом).
Нить после второго вытяжного ролика направляется по гребенке вдоль машины. У конца прядильной машины образуется лента, состоящая из 60—72 нитей (в зависимости от количества прядильных мест на машине), которая проходит через ряд ванн (закрепительных, промывочных и авиважных), представляющий собой длинные и узкие желоба по типу барок проходных аппаратов для отделки жгута (рис. 10.3).
Для уменьшения потерь технологических растворов между желобами и за прядильной машиной установлены отжимные вальцы для снятия излишков ванны с нити.
Первая барка является довосстановительной, или закрепительной, и по составу ванны и температуре (95 °C) приближается к пластификационной ванне.
Рис. 10.3. Схема отделочной машины для жгута:
1—верхний ролик; 2—нижиий ролик; 3-отжимной ролик н вытяжной валнк.
Следующие две барки служат для промывки нити и содержат слабый раствор бикарбоната натрия (до 0,5 г/л при 50°C), последняя— авиважные препараты (8 г/л при 50°С). Нити отжимаются на вальцах и поступают на сушку.
Нить сушится на цилиндрах, обогреваемых горячей водой, при температуре до 65°C.
Высушенная нить поступает на кольцекрутильную машину, являющуюся завершающей частью всего агрегата непрерывного процесса получения кордной нити. Здесь нить получает предварительную крутку (порядка 80 витков/м) и направляется в крутильный цех. Масса выходной паковки — около 3 кг.
Формование нити в трубках. Для повышения скорости формования нити в последние годы применяют прядильные машины, где нить формуют в горизонтальную или вертикальную трубку, в которой течет осадительная ванна со скоростью, близкой к скорости формующейся нити. Благодаря этому формование протекает спокойно, без завихрений осадительной ванны, снижается гидродинамическое сопротивление, уменьшается обрывность элементарных нитей в комплексной нити и улучшается ее качество. Появляется возможность улучшить санитарно-гигиенические условия труда в цехе и одновременно сократить расход сероуглерода.
Кручение. Основная цель кручения кордной нити — повышение ее усталостной прочности. Обычно кордная нить подвергается двум кручениям. Первое кордное кручение проводится на кордных кольцекрутильных машинах К-128-И для хлопчатобумажной пряжи (диаметр колец 89 мм, частота вращения веретен 3780— 5000 об/мин, высота подъема планки 190 мм). На этих машинах нити сообщается дополнительная крутка (примерно 400 витков/м). Перед вторым кручением крученую пряжу рекомендуется перегнать на специальных перегонных машинах для выравнивания крутки и некоторого снижения удлинения.
Второе кручение осуществляется на кордной кольцекрутильной машине К-176-2 для хлопчатобумажной пряжи (диаметр колец 176 мм, частота вращения веретен 2500—3200 об/мин, высота подъ- . ема планки 203 мм). На этой машине происходит одновременное трощение двух нитей (общая величина крутки каждой нити около 480 витков/м) и кручение их в обратную сторону. При этом нити сообщается крутка около 400 витков/м. Получаемая трощеная и крученая нить называется кордной нитью.
При первом кручении в результате укрутки длина нити уменьшается на 16—19%, а толщина нити увеличивается.
При втором кручении вследствие того, что оно проводится в Противоположном направлении, длина нити увеличивается примерно на 4% и соответственно уменьшается толщина.
Для уменьшения затрат труда на кручение кордной нити разработаны однопрессные крутильные машины, которые стали в
Рис. 10.4 Схема кручения и трощения кордной нити на однопроцессной ма- 'инне:
/ — исходные пако ки; 2— веретена первой крутки; 3— рогульки; 4 — нитенаправляющий глазок; 5—7 и 10 — нитепроводники; 8—ци. линдры питающего прибора; 9— самогрузный валик; II— приемная катушка на веретене; /2 —кольцевая планка с бегунком.
последнее время широко применяться в кордном производстве. Принципиальное отличие этих машин от описанных заключается в совмещении первого и второго кручения. Каждый комплект на такой машине состоит из трех веретен. В верхней части машины установлены веретена без кольцевого кручения с рогульками, на которых выполняется первая крутка. В нижней части машины находятся обычно кольцевые веретена для второго кручения нити. Эти кольцевые верете
на несут выходные паковки. На двух верхних горизонтальных паковках нить получает первую крутку и после трощения поступает на третье веретено (вертикальное), вращающееся в обратную
сторону.
Схема кручения и трощения кордной нити на однопроцессной крутильной машине изображена на рис. 10.4. Нить с исходной паковки / идет через глазок рогульки и 3 и нитенаправляющий глазок 4, огибает нитепроводники 5—7 и поступает в питающий прибор, состоящий из двух цилиндров 8 с самогрузными валиками 9. Затем две нити соединяются (тростятся) и через нитепро- водник 10 поступают на кольцекрутильное веретено, где осуществляется вторая крутка. Выходная паковка с однопрессной крутильной машины для корда представляет собой двухфланцевую катушку с намотанной крученой кордной пряжей (масса пряжи 2,2—3,1 кг).
Применение однопроцессных машин позволяет повысить производительность труда рабочих крутильных цехов более чем в 2 раза. При этом себестоимость кручения корда снижается на 1,7%’ уменьшаются также капитальные затраты, так как однопроцессные машины занимают на 60% меньше производственной площади.
Для кручения кордной нити применяют также веретена двойного кручения, на которых .за один оборот веретена нить получает два кручения*.
Ткачество. Как уже указывалось выше, корд (кордная ткань) состоит из сравнительно толстых, довольно плотно расположенных основных нитей (кордных нитей), переплетенных тонкими и редко расположенными уточными нитями хлопчатобумажной пряжи тол- диной от 25 до 16,6 текс. Такое строение ткани объясняется тем, чТо в каркасе покрышки основную работу должны выполнять только основные кордные нити, а уток нужен лишь для того, чтобы довести ткань в компактном виде до обрезинивания. После этого уток становится лишним и может даже ухудшить работу шины, так как он, не сообщая покрышке дополнительной прочности, при качении шины перетирает основные нити и тем самым вызывает излишнее теплообразование и преждевременный износ покрышки.
В отечественной промышленности вискозный корд вырабатывается на автоматических ткацких станках АТ-175-К или на ткацких станках тяжелого типа ТТ-160 со шпулярником.
У этих станков заправочная ширина по берду составляет 160—170 см, число ударов— 135—145 в 1 мин, диаметр рулона ткани достигает 1000 мм (при работе с выносной стойкой), длина ткани в рулоне —540 м.
Глава И
вискозное волокно
Волокно выпускается с различной степенью извитости, окрашенное в массе, шерстеподобное, для ковровых изделий, мешковины и т. д.
В смесях вискозное волокно (старое название — «штапельное волокно») с успехом заменяет дорогие сорта длинноволокнистого хлопка, повышает прядомость коротковолокнистого хлопка и облагораживает хлопковую пряжу.
В суконных смесях волокно заменяет более дорогую шерсть и дает возможность получать тонкую и мягкую пряжу из более грубых сортов шерсти. Особенно эффективно применение вискозного волокна в урано-вигониевом производстве, где его применение дает возможность значительно улучшить так называемую искусственную шерсть, получаемую из старых шерстяных изделий.
Пряжа с вискозным волокном (в смеси с хлопком или шерстью) с Успехом применяется также в трикотажной промышленности.
Ассортимент изделий из вискозного волокна или из смесей его ^Другими волокнами значительно шире, чем из вискозной нити. ‘'■Роме плательных и бельевых тканей из вискозного волокна м°Жно вырабатывать одежные ткани, различные трикотажные КзДелия, а также ковры, мешковину и т. д.
ОСОБЕННОСТИ ФОРМОВАНИЯ ВИСКОЗНОГО ВОЛОКНА
Принцип формования вискозного волокна мало чем отличается от описанного метода формования текстильной вискозной нити. Основное отличие состоит в том, что на прядильной машине нити, выходящие из каждой фильеры, собираются в один толстый жгут. Толщина нитей, образующих жгут, зависит от их назначения и соответствует толщинам натуральных волокон. Так, для смесей с шерстью вырабатываются более толстые, а для смесей с хлопком — более тонкие нити.
Чем больше нитей входит в состав жгута, тем больше его масса и тем больше производительность прядильной машины.
Потребность народного хозяйства в вискозном волокне очень велика, поэтому заводы вискозного волокна по сравнению с дру. гими заводами по производству химических волокон имеют большие мощности. Вследствие этого прядильные машины для формования вискозного волокна должны обладать высокой производительностью. Производительность прядильных машин может быть повышена путем применения фильер с большим числом отверстий и установок дозирующих вискозу насосов большей мощности. Кроме этого, производительность прядильных машин может быть повышена увеличением скорости формования волокон.
Более простым методом является применение фильер с большим числом отверстий. В настоящее время освоено формование вискозного волокна на фильерах с 25 000—40 000 отверстий, что позволило создать штапельные агрегаты с производительностью 25—50 т/сут.
Вискозное волокно вырабатывается нескольких видов: для смесей с шерстью требуется волокно с прочностью 180—220 мН/текс при удлинении порядка 20—22%, обладающее хорошей извитостью и имеющее толщину 0,333—0,400 текс. Такое волокно режется на отрезки равной длины (65—90 мм). Для переработки с хлопком производится волокно толщиной 0,167—0,200 текс с длиной резки 36—40 мм, с прочностью 250—300 мН/текс и удлинением 16—18%. По требованию потребителей вырабатываются и более грубые волокна, например для ковровой промышленности
В зависимости от ассортимента вискозного волокна изменяется и заправка жгутиков на прядильной машине. Для выработки волокна шерстяного типа применяется упрощенная заправка жгутиков: жгутики, выходящие из каждой фильеры, принимаются на прядильный диск и через фарфоровый или ситалловый жгутопро*- водник присоединяются к общему жгуту, проходящему вдоль всея машины, и направляются к вытяжным мощным вальцам, междУ которыми жгут вытягивается для придания волокнам нужной прочности. Иногда эта операция проводится в пластификационноИ ванне при температуре 96—98°C: здесь же происходит отгонка сероуглерода из жгута. В этом случае между вытяжными валы цами ставится герметически закрытый желоб или специальны6 трубы, в которых циркулирует пластификационная ванна, соДеР'
жашая 10—15 г/л серной кислоты. Отгонка сероуглерода из све- ^есформованного жгута является очень важной операцией, так как дает возможность возвращать в производство 50—60% сероуглерода, затраченного при приготовлении вискозы. Одновременно уменьшается загазованность сероуглеродом воздушной среды.
При получении вискозного волокна с прочностью, превышающей 240—250 мН/текс, применяют более сложные схемы заправки. Жгут вытягивается между двумя прядильными дисками, вращающимися с разными скоростями и устанавливаемыми для каждого прядильного места или же для небольшой группы прядильных мест. В зависимости от производительности на каждое прядильное место устанавливают шестеренчатые дозирующие насосы, подающие за 1 оборот от 6 до 75 мл вискозы.
Большая производительность фильер требует иного способа подвода осадительной ванны. Было показано, что для выработки 1 кг текстильной нити необходимо подать к фильере 910 л осадительной ванны, что обеспечит перепад концентрации осадительной ванны по кислотности 2 г/л. При формовании волокна можно допустить больший перепад по кислотности осадительной ванны (порядка 5—7 г/л). При таком перепаде кислотности на 1 кг волокна потребуется подать около 300 л свежей осадительной ванны, а если штапельная машина будет вырабатывать 25 т/сут волокна, то подача осадительной ванны на одну машину составит 312 м3/ч, что связано с большими трудностями. Из-за недостаточного или неравномерного подвода осадительной ванны ко всем формующимся нитям могут возникнуть склейки нескольких нитей между собой, что является нежелательным, так как приводит к снижению качества волокна.
Склейки могут получаться при наличии полузасоренных отверстий в фильере, так же как и при формовании текстильной нити.
Состав осадительной ванны может изменяться в широких пределах в зависимости от назначения и качества вискозного волокна, а также от особенностей аппаратуры для формования. Наиболее часто применяется осадительная ванна, характеризуемая следующими показателями:
Состав, г/л
серная кислота110—140
сульфат натрия 300—340
сульфат цинка 6—20
Плотность, кг/м3 1320—1350
Температура, °C . ■ 45—48
При подводе большого количества осадительной ванны на прядильную машину нужно стремиться к тому, чтобы течение жидкости не нарушило движения формующихся струек вискозы и чтобы свежая осадительная ванна омывала равномерно все нити, вы- х°Дящие из фильеры. В зависимости от ассортимента отгонка сероуглерода проводится из жгута волокон при одновременном вытягивании или же, жгут вытягивается без пластификации 'если нужно получить извитое волокно) и сейчас же после вытя-
гивания режется на штапельки, которые погружаются в горячую воду в герметически закрытом аппарате (танке). При обработке горячей водой (95—97°C) нити релаксируют, при этом на них появляется извитость, а сероуглерод при этой температуре отго- няется и отсасывается из танка в виде паровоздушной смеси.
Технологические расчеты. Ниже приводится примерный расчет расхода компонентов осадительной и пластификационной ванн при их полной регенерации (выпарке и кристаллизации сульфата натрия) и извлечении солей цинка из сточных вод.
Для расчета принимаем следующие условия:
Характеристика вискозы:
Состав, % а-целлюлоза ..7,5
едкий натр 6,5
сера 2.0
вода 84,0
Плотность, кг/м3 ,.М2
Характеристика осадительной ваины:
Состав, г/л серная кислотаПО
сульфатнатрия 240
сульфатцинка60
вода870
Плотность; кг/м3 . . . , ..1,28
Содержание H2SO4 в пластификационной ванне, г/л15
Серную кислоту в пластификационную ванну не добавляют. Концентрация в этой ванне, равная 15 г/л H2SO4, создается за счет уноса (четырехкратного) жгутом осадительной ванны и последующего разбавления пластификационной ванны горячей водой. Условно принимаем, что 88% осадительной ванны, приносимой жгутом, остается в пластификационной ванне, а 12% уносится им после пластификации в отделочные барки. Это количество пластификационной ванны после отделочных операций поступает в канализацию.
Выпаривание воды из осадительной ванны проводится с учетом баланса воды, чтобы исключить увеличение объема ванны. Из пластификационной ванны воду выпаривают до достижения концентрации сульфата натрия 160 г/л и плотности ванны 1100 кг/м3. Впоследствии концентрат используют в системе осадительной ванны.
При кристаллизации избытка сульфата натрия из 1 л ванны выкристаллизовывается 80 г безводного сульфата натрия. Полуфабрикат (глауберова соль) содержит: 40% Na2SO4, 2% H2SO4, 1% ZnSO4 и 27% воды.
Весь расчет ведется в кг на 1 кг готовой продукции.
Принимаем, что на 1 кг вискозного волокна расходуется 12,07 кг вискозы приведенного выше состава с содержанием 0,905 кг а-целлюлозы.
Материальный баланс сульфата натрия. В процессе формования образуется Na2SO4 в количестве:
1,393 кг1,393 кг12,07-6,5-142 _
1,393 кг
1,393 кг
100-40-2"
где 6,5—содержание едкого натра в вискозе (%); 142 и 40—соответственно молекулярная масса сульфата натрия и едкого натра; 2 — число молекул NaOn> приходящихся на одну молекулу H2SO4 и участвующих в реакции нейтрализации^ Количество Na2SO4, уносимого жгутом в пластификационную ванну (п° условию 3), составит:
240 • 4 ПОА■W = 0’96w
Из этого количества 88% возвращается с концентратом после выпаривания воды в осадительную ванну, т. е.:
0,960-0,88 = 0.845 кг
0,5 • 0,2400,5 • 0,240= 0,094 кг= 0,094 кгможно составить баланс сульфата натрияможно составить баланс сульфата натрияНекоторое количество (0,5 кг) осадительной ванны теряется при промывке фильтров и аппаратуры и из-за неполной герметичности трубопроводов (0,25 кг) а также при выпарке (0,25 кг). Суммарные потери сульфата натрия при этом составляют:
0,5 • 0,240
0,5 • 0,240
= 0,094 кг
= 0,094 кг
можно составить баланс сульфата натрия
можно составить баланс сульфата натрия
' 1,28
Пользуясь полученными данными, (в кг):
ПриходОбразуется при формовании Возращается с концентратом Итого. . .ПриходОбразуется при формовании Возращается с концентратом Итого. . .РасходРасход1,3931,3930,8452,2380,8452,238Уносится жгутом . . . 0,960Потери0,094Уносится жгутом . . . 0,960Потери0,094Итого. ,Итого. ,1,0541,054
Приход
Образуется при формовании Возращается с концентратом
Итого. . .
Приход
Образуется при формовании Возращается с концентратом
Итого. . .
Расход
Расход
1,393
1,393
0,845
2,238
0,845
2,238
Уносится жгутом . . . 0,960
Потери0,094
Уносится жгутом . . . 0,960
Потери0,094
Итого. ,
Итого. ,
1,054
1,054
6.6.0,5 • 0,061,280,5 • 0,061,28= 0,024 кг.= 0,024 кг.
6.
6.
0,5 • 0,06
1,28
0,5 • 0,06
1,28
= 0,024 кг.
= 0,024 кг.
Из этих данных видно, что образуется избыток сульфата натрия, равный 2,238—1,054 =1,184 кг, который должен быть утилизирован путем кристаллизации. При этом (по условию 5) получится глауберовой соли:
1,184-0,4 = 2,96 кг
Следовательно, на кристаллизацию необходимо направить (по условию 5) осадительной ванны:
1,184:0,08= 14,8 л
Общие потери сульфата натрия составят:
0,96 — 0,845 + 0,094 = 0,209 кг
Материальный баланс сульфата цинка. Из осадительной ванны жгутом уносится следующее количество ZnSO^
0,060 • 4 = 0,24 кг
После выпаривания пластификациоиной ванны возвращается в осадительную ванну:
0,24-0,88 = 0,211 кг
Потери ZnSO4 с осадительной ванной при промывке фильтров и аппаратуры, из-за подтечки трубопроводов и при выпарке составляют:
В глауберовой соли (по условию 5) содержится ZnSO4:
1,184- 1401,184- 140= 0,03 кг= 0,03 кг
1,184- 1
40
1,184- 1
40
= 0,03 кг
= 0,03 кг
На основании этих данных составляем баланс сульфата цинка (в кг):
к
Приход
Возвращается с концентратом 0,211
Итого. .
0.211
Расход
Уносится жгутом . . . Потери
с ванной
с глауберовой солью
Итого. . .
0,240
0,024
0,030
0,294
Из приведенных данных видно, что требуется добавить ZnSO4:0,294 — 0,211 =0,083 кг
Удельный расход товарного сульфата цинка ZnSO4-7H2O (99%-ного) с уче.
Том 3% потерь при транспортировании составит: 0,083-1,03.287з]
—0,99-161 - = °']54кг
где 287 и 161—соответственно молекулярная масса ZnSO4*7H2O и ZnSO4. Этот расход уменьшится, если возвращать в производство сульфат цинка, регенерируемый из сточных вод. В канализацию попадает ZnSO4:
0,240 - 0,211 + 0,024 = 0,053 кг
При регенерации сульфата цинка из сточных вод удается уловить 70%, т е.:
0,053 • 0,7 = 0,037 кг
Следовательно, расход 100%-ного ZnSO4 составит: 0,083 — 0,037 = 0,046 кг5
Расход технического ZnSO4 с учетом 3% потерь:= ’
0,046-1,03 - 287.1,01-11
■= 0,086 кг4 ;
В этом случае удельный расход сульфата цинка составит: 0,154 -0,086 = 0,068 кг
Материальный баланс серной кислоты. На 1 кг волокна затрачивается 12,07 кг вискозы, содержащей 6,5% едкого натра. На нейтрализацию NaOH (мол. масса 40) требуется H2SO4 (мол. масса 98):
12,07 - 6,5 - 98....
100-2-40 “0,96 КГ
лоты:лоты:Из осадительной ванны жгутом (по условиям 2 и 3) уносится серной кис
лоты:
лоты:
0,11 ■ 4 = 0,44 кг
В сточные воды с ванной (при промывке фильтров и аппаратуры, из-за подтекания трубопроводов и при выпарке) попадает H2SO4:
0,5-0,11
—^=0,042 кг.
В глауберовой соли (по условию 5) содержится серной кислоты
1,184-2
—= 0,059 кг40
С -концентратом пластификационной ванны возвращается в осадительную
ванну серной кислоты:
0,110 - 4 - 0,88 = 0,387 кг
Пользуясь полученными Приход
Возвращается с концентратом
данными, составляем баланс серной кяслоты (в кг).
Расход
На нейтрализациюЯ
0,387NaOH0,961■
Уносится жгутом . . . . . 0,440 Потери■
в ванной 0,042
с глауберовой солью . 0,059
Итого . . .
0,387Итого. . .1,502
Эти данные показывают, что для поддержания заданной концентрации пла- стификационной ванны необходимо добавить серной кислоты:
1,502 — 0,387= 1,115 кг
Следовательно, удельный расход технической серной кислоты, содержащей 92,5% H2SO4 с учетом 3% потерь при транспортировании составит:
1,115-1,03,
—№5—= 11241 КГ
Без регенерации (выпарки) пластификационной Ванны удельный расход технической серной кислоты равен:
(1,115 + 0,387)-1,03, „
6^925= 1167 КГ
Отсюда можно сделать вывод, что при регенерации пластификационной ваины удельный расход кислоты уменьшается на:
1,67- 1,241 =0,429 кГ
Материальный баланс воды. С вискозой в осадительную (по условию 1) вносится воды:12,07-84."Лоо10114 кгПри нейтрализации едкого натра, содержащегося в вискозе, выделяется12,07 - 6,5 • 2 ■ 18....--Ю0-2-4001354 Югде 18 и 40 — соответственно молекулярная масса НгО и NaOH; 2 — число кул, участвующих в реакции нейтрализации.С химикатами в осадительную ванну вносится следующее количествос серной кислотой концентрации 92,5%:1,241 - 0,075 = 0,093 кгс цинковым купоросом ZnSO4-7H2O:0,154-126 АААА—28701062 ”"Материальный баланс воды. С вискозой в осадительную (по условию 1) вносится воды:12,07-84."Лоо10114 кгПри нейтрализации едкого натра, содержащегося в вискозе, выделяется12,07 - 6,5 • 2 ■ 18....--Ю0-2-4001354 Югде 18 и 40 — соответственно молекулярная масса НгО и NaOH; 2 — число кул, участвующих в реакции нейтрализации.С химикатами в осадительную ванну вносится следующее количествос серной кислотой концентрации 92,5%:1,241 - 0,075 = 0,093 кгс цинковым купоросом ZnSO4-7H2O:0,154-126 АААА—28701062 ”"ваннуваннуводы:воды:моле-моле-воды:воды:или всего:или всего:0,093 + 0,062 = 0,155 кгТаким образом, приход воды составит:10,14 + 0,354 + 0,155 = 10,649 кгВода уносится жгутом вместе с осадительной ванной (по условиям 2 и 3) 1 колячестве:0,87 • 4 = 3,480 кгПускается в канализацию вместе с потерями ванны в количестве:0,093 + 0,062 = 0,155 кгТаким образом, приход воды составит:10,14 + 0,354 + 0,155 = 10,649 кгВода уносится жгутом вместе с осадительной ванной (по условиям 2 и 3) 1 колячестве:0,87 • 4 = 3,480 кгПускается в канализацию вместе с потерями ванны в количестве:0,5 ■ 0,870,5 ■ 0,871,281,280,338. кг0,338. кг
Материальный баланс воды. С вискозой в осадительную (по условию 1) вносится воды:
12,07-84.
"Лоо10114 кг
При нейтрализации едкого натра, содержащегося в вискозе, выделяется
12,07 - 6,5 • 2 ■ 18....
--Ю0-2-4001354 Ю
где 18 и 40 — соответственно молекулярная масса НгО и NaOH; 2 — число кул, участвующих в реакции нейтрализации.
С химикатами в осадительную ванну вносится следующее количество
с серной кислотой концентрации 92,5%:
1,241 - 0,075 = 0,093 кг
с цинковым купоросом ZnSO4-7H2O:
0,154-126 АААА
—28701062 ”"
Материальный баланс воды. С вискозой в осадительную (по условию 1) вносится воды:
12,07-84.
"Лоо10114 кг
При нейтрализации едкого натра, содержащегося в вискозе, выделяется
12,07 - 6,5 • 2 ■ 18....
--Ю0-2-4001354 Ю
где 18 и 40 — соответственно молекулярная масса НгО и NaOH; 2 — число кул, участвующих в реакции нейтрализации.
С химикатами в осадительную ванну вносится следующее количество
с серной кислотой концентрации 92,5%:
1,241 - 0,075 = 0,093 кг
с цинковым купоросом ZnSO4-7H2O:
0,154-126 АААА
—28701062 ”"
ванну
ванну
воды:
воды:
моле-
моле-
воды:
воды:
или всего:
или всего:
0,093 + 0,062 = 0,155 кг
Таким образом, приход воды составит:
10,14 + 0,354 + 0,155 = 10,649 кг
Вода уносится жгутом вместе с осадительной ванной (по условиям 2 и 3) 1 колячестве:
0,87 • 4 = 3,480 кг
Пускается в канализацию вместе с потерями ванны в количестве:
0,093 + 0,062 = 0,155 кг
Таким образом, приход воды составит:
10,14 + 0,354 + 0,155 = 10,649 кг
Вода уносится жгутом вместе с осадительной ванной (по условиям 2 и 3) 1 колячестве:
0,87 • 4 = 3,480 кг
Пускается в канализацию вместе с потерями ванны в количестве:
0,5 ■ 0,87
0,5 ■ 0,87
1,28
1,28
0,338. кг
0,338. кг
* испаряется с открытых поверхностей 0,095 кг (по фактическим данным); уносится кристаллами глауберовой соли (по условию 5):
1,184:0,57 = 2,07
Следовательно, расход воды составляет:
3,48 + 0,338 + 0,095 + 2,07 = 5,983 кг
Избыток воды в осадительной ванне, подлежащей выпариванию (прв отсут. ствии регенерации пластификационной ванны), достигает:
10,649 — 5,983 = 4,666 кг
В случае регенерации пластификационной ванны и возврата концентрата в осадительную ванну следует выпаривать больше воды. Подсчитаем это количество.
С концентратом пластификационной ванны в осадительную ванну возвращается 0,845 кг сульфата натрия (см. баланс NazSOj. Это значит (с учетом условия 4), что в осадительную ванну возвращается концентрата:
0,845-1000.1,1....
1б6——5’800 кг
Вместе с концентратом в осадительную ванну возвращается следующее ко-
личество химикатов:
NaaSCh ....... 0,845
ZnSO40,211
H2SO4 0,387Я
Истого...1,443 кг
Следовательио, с концентратом возвращается воды:
5,800— 1,443 = 4,357 л
Эту воду надо дополнительно выпарить. В этом случае количество воды, noj жащей выпарке, составит:
4,666 + 4,357 = 9,023 лV
Кроме того, выпарке подлежит вода из пластификационной ванны. Вода добавляется в пластификационную ванну для того, чтобы сохранить в ней постоянную концентрацию серной кислоты (15 г/л), т. е. для уменьшения концентрации серной кислоты, увлекаемой жгутом из осадительной ванны. Из осадительной ванны жгутом приносится 0,44 кг H2SO4 (см. баланс H2SO4). Для ее разбавления до концентрации 15 г/л потребуется воды:
0,44:0,015 = 29,2 л
Принимаем, что количество воды, внесенное жгутом в пластификационную ванну вместе с осадительной ванной, равно количеству воды, уносимой жгутом из пластификационной ванны.
Таким образом, из пластификационной ванны следует выпарить 29,2 л воды на 1 кг волокна.
ОТГОНКА И РЕГЕНЕРАЦИЯ СЕРОУГЛЕРОДА
Большая производительность заводов вискозного волокна и значительная концентрация производства на относительно небольших площадях позволяют сравнительно легко осуществить регенерацию сероуглерода из свежесформованного волокна.
Свежесформованная нить содержит примерно 60—70% °т всего количества затраченного сероуглерода. При хорошо налаженных установках для регенерации сероуглерода в производство возвращается до 50—60% израсходованного сероуглерода. Следовательно, в этом случае расход сероуглерода снижается с 350—400 до 180—200 кг на 1 т волокна.
Рис. ИЛ. Схема регенерации сероуглерода из жгута:
/—желоб для регенерации сероуглерода; 2—предварительный холодильник (охлаждение до 20 ®С); 3—окончательный холодильник (охлаждение до 0 °C); 4—смотровой фонарь; 5—приемные баки для сероуглерода.
В производстве вискозного волокна сероуглерод часто регенерируется методом конденсации *. Нити в жгуте после первой вытяжной установки или в резаном виде (после резки кислого жгута) поступают в герметично закрытый сосуд, заполненный горячей водой. В этих условиях достаточно 8—10 с, чтобы почти полностью удалить сероуглерод из волокна. Освобожденное от сероуглерода волокно выходит из сосуда через гидравлический затвор. Такие затворы на выходе и входе обеспечивают достаточную герметичность сосуда.
Образующаяся паровоздушная смесь содержит пары воды и сероуглерода, сероводород (4—5% от объема паров сероуглерода) и диоксид углерода (1 —1,5%), а также некоторое количество воздуха. При хорошем состоянии системы и нормальной ее эксплуатации содержание H2S, СО2 и воздуха составляет около Ю% (объемн.). Однако на практике концентрация их в смеси значительно выше, в результате чего уменьшается выход сероуглерода, так как часть его уносится этими газами.
Для успешной отгонки сероуглерода и для получения доброкачественного волокна необходимо температуру пластификацион- кой ванны поддерживать в пределах 95—97 °C. Кислотность ванны На выходе из аппарата не должна превышать 15 г/л, поэтому часть пластификационной ванны выводят из оборота, добавляя Свежую воду.
* Регенерация СЗг методом конденсации неприменима, если проводилось Секционное вытягивание нитей. В этом случае пары удаляются вместе с венти- СШонным воздухом из прядильных машин и могут быть уловлены на воздухо- Чистительных установках.
Рис. 11.2. Схема прохождения жгута при отгонке сероуглерода в трубах:
1— стальные освинцованные коробки; 2—труба; 3—жгутоводнтелн; 4—перегородки; 5—патрубки; 6—коллектор: 7—вентиль; S—уравнительная трубка.
Для регенерации сероуглерода из паровоздушной смеси можно применять следующие методы:
конденсацию паров, если паровоздушная смесь содержит более 100 г/м3 CS2, что имеет место в производстве вискозного волокна;
адсорбцию паров маслом (метод масляной адсорбции) при содержании в паровоздушной смеси от 20 до 100 г/см3 CS2;
адсорбцию паров активизированным углем или силикагелем при концентрации CS2 от 2 до 30 г/м3.
Схема регенерации сероуглерода из жгута изображена на рис. 11.1. Жгут с прядильной машины проходит желоб /, где обрабатывается циркулирующей горячей водой. Желоб закрыт сверху колпаком, опущенным в воду (гидравлический затвор). Выделяющиеся из жгута пары сероуглерода вместе с парами воды поступают в предварительный холодильник 2, орошаемый водой. Сконденсированная вода из холодильника возвращается в желоб. Пары сероуглерода направляются в окончательный холодильник 3, где сероуглерод конденсируется, охлаждается и стекает через смотровой фонарь 4 в баки 5, находящиеся в изолированном помещении. Из этих баков сероуглерод под давлением воды периодически передается в склад сероуглерода, откуда снова направляется в производство.
Для отгонки сероуглерода из жгута вместо желобов применяют также трубы (рис. 11.2). Жгут с первых вальцов поступает через фарфоровые жгутоводители 3 в трубу 2 для пластификации, постоянный уровень жидкости в которой поддерживается с помощью перегородки 4. Часть жидкости уносится из первой коробки во вторую (выходную). Для устранения этого нежелательного явления служит уравнительная трубка 8. Паровоздушная смесь через патрубки 5 и коллектор 6 направляется на конденсацию.
Проведению пластификации жгута в трубах препятствуют трудности заправки его в трубы и недопустимость резких повор0-
ТОв и изгибов жгута в трубе, так как при этом возможны обрывы нитей, что приведет к появлению коротких волоконец в жгуте при последующей резке и ухудшению равномерности волокна но длине.
Сероуглерод из резаного вискозного волокна отгоняется в герметично закрытом ящике (танке) с наклонным сетчатым дном, ^щик устанавливают непосредственно за резательными машинами. Отдельные штапельки сначала всплывают на поверхность горячей воды, затем погружаются в нее, опускаются на наклонное сетчатое дно и постепенно удаляются из ящика через соответствующий гидрозатвор. Эти установки очень компактны; сероуглерод отгоняется почти полностью.
Применение того или иного способа для отгонки сероуглерода зависит от выбранной схемы производства вискозного волокна.
РЕЗКА ЖГУТА
При выпуске волокна в резаном виде жгут подвергается резке на резательной машине (жгуторезке). Отклонения по длине отдельных штапельков не должны превышать ±2,5%.
Ниже приводится описание жгуторезки наиболее распространенного типа— РЖ-540-И (рис. 11.3).
Агрегат состоит из собственно жгуторезки и привода, смонтированных на общих салазках. Жгуторезка имеет набор шестерен, передающих вращение по двум перпендикулярным направлениям: в одном направлении вращаются два стальных гуммированных делительных колеса (в одной плоскости), а в другом (перпендикулярном первому) вращается ножевая головка. Делительные колеса имеют на ободах прорези. Каждая машина снабжена набором делительных колес с различным числом прорезей (от 24 до 70) и комплектом сменных шестерен с числом зубьев от 48 до 140. Колеса надеваются на концы валов и специальными пружинами прижимаются ободами так, что прорези на них точно совпадают.
Жгуторезка имеет ножевую головку, в которую устанавливаются ножи особого профиля. Ножи можно устанавливать в ножевой головке комплектно (один, Два, три и шесть ножей) таким образом, что при одновременном вращении головки и делительных ко- лес ножи проходят через совпадающие между собой прорези. Например, при установке двух ножей они пРоходят через каждую третью про- Резь. При установке одного ножа
Рис. Н.З. Жгуторезка РЖ-540-И:
Зрительные колеса с прорезями; 2—вал; ножи; 4—ножевая головка.
он проходит через каждую шестую прорезь. Изменяя число ножей в комплекте и число прорезей на делительных колесах, можно получить штапельки любой длины.
Жгут режут следующим образом. Его пропускают между двумя делительными колесами, вращающимися в разные стороны и он плотно зажимается зубцами колес в месте их соприкосновения. Таким образом, скорость движения жгута при резке всегда точно соответствует окружной скорости вращения делительных колес. При вращении головки ножи проходят сквозь совпадающие прорези в обоих колесах и режут жгут.
При работе жгуторезки описанной конструкции могут появиться следующие дефекты.
Длина некоторых волокон меньше установленной. Это обусловлено большим натяжением жгута перед машиной, вследствие чего жгут буксует и окружная скорость делительных колес превышает скорость поступления жгута или жгут прилипает к делительным колесам и волокна режутся вторично. В последнем случае надо обдуть колеса сжатым воздухом или смыть налипшие волокна струей воды.
Длина волокон больше установленной. Этот вид брака может получиться из-за неровности (взлохмаченности) жгута, петлистости, повреждения ножей или неправильной установки их (один или несколько ножей короче других и поэтому не режут жгут). Повреждение ножей может быть вызвано неправильной установкой делительного колеса или попаданием в жгуторезку металлических предметов или больших узлов. Для улавливания последних перед жгуторезкой ставят автоматический узло- улавливатель.
Встречаются жгуторезки, принцип работы которых основан не на разрезании жгута, а на рубке. Жгут, лежащий на поверхности барабана, разрубается ножами фрезы, при этом ножи несколько врезаются в эластичное покрытие барабана, что обеспечивает точное прорезывание всех нитей жгута. Эластичное покрытие барабана набирается из фибровых или картонных дисков; его периодически необходимо шлифовать или заменять новым.
На каждый штапельный агрегат (две прядильные машины, одна отделочная и одна сушильная машина) обычно устанавливают четыре резательных машины, причем две из них — запасные.
ОСОБЕННОСТИ ОТДЕЛКИ ВИСКОЗНОГО ВОЛОКНА
Как уже указывалось при описании производства вискозной текстильной нити, отделка проводится для удаления кислоты, солей и различных загрязнений, содержащихся в волокне, прошеД- шем осадительную и пластификационную ванны, в том чисЛе и серы, адсорбированной на волокне в количестве от 1 до 1,2® от сухого волокна, а также для придания волокну мягкости, белизны и необходимого грифа. При отделке волокна проводят^ следующие основные операции:
отмывка (от кислот и солей, уносимых волокном из осадительной или пластификационной ванны);
десульфурация (удаление серы с волокна) и отмывка от реагентов десульфурационной ванны;
кисловка (для растворения солей кальция, железа и других соединений, придающих волокну желтоватый оттенок) и отмывка от кислоты;
авиваж (для улучшения мягкости, рассыпчатости и грифа).
Промывают волокно умягченной водой с температурой 50— 80°С (в зависимости от установленного оборудования и выбранного технологического режима). При более высокой температуре воды ускоряется промывка, но увеличивается расход тепла.
В производстве вискозного волокна большое внимание уделяют выбору способа водооборота, повторному использованию промывных вод и утилизации тепла из отработанных растворов, сливаемых в канализацию. Обычно на заводах вискозного волокна при рациональном водообороте расход подогретой умягченной воды составляет около 180—250 л на 1 кг волокна.
Для десульфурации вискозного волокна применяют те же растворы, что и для текстильной нити.
Наибольшее применение нашел раствор едкого натра, причем зачастую используют так называемую канализационную щелочь, получаемую в виде отходов на регенерационных установках едкого натра.
Наличие свободного едкого натра вызывает сильную усадку во- . локна, повышая тем самым его извитость и сцепляемость.
Для кисловки применяют серную кислоту с концентрацией 0,5—1 г/л при 20—50°C.
Для производства специальных видов волокна, предназначенных для крашения в светлые тона, вводится дополнительная one- ! рация — отбелка гипохлоритом натрия или другими белящими веществами (хлорит натрия, пероксид водорода и т. п.).
АППАРАТУРНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ ПРОЦЕССА
Для отделки резаного вискозного волокна применяют исключительно машины оросительного типа. На этих машинах движущийся слой волокна обрабатывают реагентами путем орошения его через сетки соответствующим раствором. Для каждой жидкости предусмотрена своя сетка.
В зависимости от принципа транспортирования волокна отделочные машины подразделяются на сеточные, лонжеронные и др.
Сеточная машина является наиболее распространенной машиной для отделки волокна в резаном виде. Она имеет три или четыре транспортера, выполненных в виде мелкой проволочной сетки Из нержавеющей стали или из синтетических волокон (например, волокна капрон). На этих траспортерах вискозное волокно орошается водой и отделочными растворами из сит.
Из жгуторезки волокно выходит в виде отрезков жгута, которые надо разбить на отдельные волокна и уложить ровным слоем на сетку. Для этого применяют каскадные башни с качающейся разливочной трубой-раскладчиком или с системой труб-змеевиков. И в том и в другом аппарате куски волокон подвергают гидравлической размывке.
В начале первой сетки отделочной машины происходит образование слоя резаного волокна толщиной 30—40 мм. Избыток воды стекает под сетку. При перемене операций отделки раствор, унесенный волокном, отжимается валами, находящимися между сетками или на сетке.
Рабочая ширина сеток составляет 3200 мм. Скорость движения сеток регулируется бесступенчатым вариатором в пределах от 0,5 до 2,5 м/мин. При этом скорость движения последующей сетки больше предыдущей на 6—7%.
Жидкость, пройдя слой волокна, стекает в корыта-сборники, установленные под машиной (или в подвале), откуда насосом передается снова на машину. Расход жидкости на одно сито составляет около 20 м3/ч.
Примерный режим обработки вискозного волокна на сеточной 'машине приводится в табл. б.
Производительность сеточной машины составляет от 20 до 30 т готового волокна в сутки.
К недостаткам этой машины можно отнести сложность конструкции, возможность перекосов сеток и повреждения их краев. При правильной эксплуатации и тщательном профилактическом осмотре машины работают удовлетворительно.
Таблица 5. Примерный режим отделки вискозного волокна на сеточной машине
Секция
Оросительные сита
Операция
Концентрация, г/л
Температура, °C
1
—
Образование слоя на сетке и сброс воды с каскадной башни
—
60
1
Сток воды
—
1
1,2
Промывка свежей умягченной водой
60
2
3-6
Десульфурация раствором NaOH
4
75 4х
3
7,8
Промывка оборотной водой из оросительных сит 9 и 10
55
4
9,10
Промывка свежей умягченной водой
—
60
4
11,12
Кисловка раствором серной кислоты
0,5
20 .«
4
13,14
Промывка оборотной водой из оросительных сит 15 н 16
55
5
15,16
Промывка свежей умягченной водой
—
60 Д
5
17,18
Промывка раствором бикарбоната натрия
2
60 ■
6
19,20
Промывка оборотной водой из оросительных сит 21 и 22
—
55 ■
6
21,22
Промывка свежей умягченной водой
—
60 ■
Грабельно-мыловочная машина предназначена для замаслива- ния и авиважа резаного вискозного волокна. Обычно она устанав- дивается после отделочной машины оросительного типа, так как, до мнению многих специалистов, авиваж волокон на этих маши- Нах происходит недостаточно полно. На описываемой машине касса погружается в раствор, благодаря чему она хорошо размывается и равномерно пропитывается авиважным раствором.
Грабельно-мыловочная машина состоит из барки для рабочего раствора, над которой размещена рама с граблями, совершающая возвратно-поступательное движение в горизонтальном и вертикальном направлениях. Волокно, попадающее в барку по наклонной плоскости, разбивается граблями и превращается в однородную плавающую массу, перемещающуюся к выходному транспортеру. Слой волокна, подхваченный роликовым транспортером, подводится под мощные отжимные вальцы и затем передается в сушилку.
Отделочные машины для жгута. В этой машине жгут движется в ванне (желобе), отжимается под роликами или неподвижными пластинами и по выходе из барки. Такие машины применяются на многих заводах. Недостатком их является очень большая длина, преимуществом — простота заправки и обеспечение сохранения параллельности нитей в жгуте.
На этой машине жгут вытягивается из барки вальцами, которые приводятся в движение от электродвигателей постоянного тока с бесступенчато-регулируемой частотой вращения, что позволяет на ходу изменять как скорость перемещения жгута в агрегате, так и скорость отдельных вальцов. Такое изменение осуществляется достаточно плавно. Электрическая схема машины очень сложна, так как она должна обеспечивать плавную регулировку скоростей всех валов одновременно и каждой пары (тройки) валов в отдельности. Нити на вальцы заправляют S-образно во избежание скольжения. Машина состоит из 14—18 барок, общая длина ее (без прядильной машины) составляет 100—125 м.
После машин для отделки жгута устанавливают резательно- грабельно-мыловочную машину с башней для гидравлической размывки отрезков жгута и придания извитости волокнам.
И.6. СУШКА И УПАКОВКА ВИСКОЗНОГО ВОЛОКНА
Сушка. Перед сушкой вискозное волокно рыхлится на рыхли- тельно-трепальной машине.
Сушилки для волокна имеют разнообразную конструкцию. Наибольшее распространение получили ленточные сушилки, в которых ®°локно сушится на ленточных транспортерах, обтянутых сеткой. Имеются одно-, трех- и пятиленточные сушилки. В целях интенси- ^Икации процесса устанавливают последовательно несколько су- илок (чаще всего три); целесообразно также ставить между пер- в°и и второй сушилками аппарат для дополнительного рыхления
Так же как и в сушилках для нити, вискозное волокно сушится циркулирующим горячим воздухом, подогреваемым в калориферах. Циркуляция воздуха осуществляется вентиляторами. Температура воздуха в начальных зонах сушилки поддерживается в пределах 100—105 °C.
Ниже приводится описание сушилки СЛШ-240-И для сушки резаного вискозного волокна. Это одноярусная секционная сушилка, оборудованная ленточным транспортером непрерывного действия шириной 2400 мм. Воздух проходит через слой волокна толщиной до 100 мм сверху вниз. Производительность сушилки 20—25 т/сут. Высушенное волокно содержит до 10% влаги.
Высушенное волокно подвергают кондиционированию. Для этого за сушилкой СЛШ-240-И устанавливают камеру кондиционирования КЛШ-24 0-И, где влажность волокна доводится до кондиционной. Воздух увлажняется водой, распыленной в форсуночной камере, и вентилятором прогоняется через слой волокна (сверху вниз). Машина имеет семь секций, ширина транспортера составляет 2400 мм, температура в камере поддерживается в пределах 20—25°C. В конце камеры установлен пневморыхлитель, который подает волокно в бункер-конфузор, попутно разрыхляя его. Из бункера волокно транспортируется по трубопроводу вентилятором к упаковочным прессам.
В производстве волокна применяют также сушилки других систем, в частности барабанные, работающие под вакуумом.
Сушилки для жгута имеют несколько отличную конструкцию. На некоторых заводах для сушки жгутового вискозного волокна приспособили обычные ленточные сушилки. В таких сушилках на ленту спиралеобразно укладывают жгуты мелкого развеса в шесть рядов (по ширине ленты). Пройдя сушилку и камеру кондиционирования, жгуты при помощи специального приспособления снимаются с ленты и наматываются в клубки на клубочной машине или укладываются в ящики и прессуются для уменьшения объема.
Упаковка. Из сушилки резаное волокно пневмотранспортом, оканчивающимся конденсором или циклоном, подается в отделение упаковочных прессов, где оно хранится в бункерах и по мере надобности направляется к упаковочному прессу.
Ниже приводится описание двух упаковочных прессов, применяемых на отечественных заводах.
Упаковочный электрический пресс ПУ-75-И имеет два прессующих механизма (один для предварительной прес' совки и второй — для окончательной^ и три ящика, расположенные на равном расстоянии друг от друга и вращающиеся вокруг цен?' ральной оси пресса. В первый (свободный) ящик закладываю^ холстины из грубой ткани, которая служит оболочкой (мешк°^ . для кипы. Во втором ящике производится предварительное, третьем — окончательное прессование.
Кипа массой 125 кг имеет следующие размеры: 980X620X73° м ‘
Плотность прессования составляет 270 кг/м3, производительность пресса — 7 кип/ч (20т/сут.).
Упаковочный гидравлический пресс Б - 3 7 4 А предназначен для упаковки хлопка, но его применяют и для упаковки вискозного волокна. Пресс имеет два ящика: один для наполнения, другой для прессования. Подъем прессового устройства производится при помощи трехплунжерного гидравлического насоса. Производительность этого пресса составляет 72 т/сут, или 15 кип по 200 кг в 1 ч; размеры кипы — 960X 655X 595 мм, плотность прессования — 574 кг/м3.
ПОЛИНОЗНЫЕ И ВЫСОКОМОДУЛЬНЫЕ ВОЛОКНА
Путем регулирования физической структуры .полимера (изменением соотношения между кристаллической и аморфной фракциями, ориентацией элементов структуры вдоль оси волокна и др.) можно в широких пределах изменять комплекс физико-механических свойств химических волокон. Современные методы формования вискозного волокна и приготовления прядильного раствора позволяют регулировать структуру полимера и тем самым получать волокна с желаемыми свойствами. В последние годы получен ряд новых гидратцеллюлозных волокон. Среди них особый интерес представляют полинозные волокна и высокопрочное вискозное волокно с высоким модулем в мокром состоянии (ВВМ волокно).
Полинозные волокна. По физико-механическим свойствам поли- нозное волокно приближается к хлопку (хлопкоподобное).
Для полинозного волокна характерна высокая кристалличность, большие размеры надмолекулярных кристаллических образований, высокая ориентация элементов структуры вдоль оси волокна и большая поперечная упорядоченность. Это волокно обладает рядом ценных свойств, в частности оно характеризуется большой прочностью и высоким модулем.
Одним из отличительных признаков производства полинозного волокна является раздельное проведение коагуляции и омыления ксантогената целлюлозы при формовании волокна, т. е. двух- ванное формование. В первой ванне происходит коагуляция Или коагуляция с частичным омылением ксантогената целлюлозы, а во второй — окончательное омыление и вытягивание волокна. Во всех случаях коагуляция ксантогената протекает равномерно по всему сечению вискозной струйки, вытекающей из отверстия фильеры. В результате получается структурно-однородный гель ксантогената целлюлозы — ксантогенатное волокно, которое может быть подвергнуто значительному вытягиванию во второй ванне (пластификационной). При этом происходит ориентация элементов структуры вдоль оси нити, приводящая к увеличению прочности и модуля.
Полинозные волокна . характеризуются повышенной степенью Полимеризации, достигающей 600—800 (степень полимеризации
обычного вискозного волокна равна 350—400). Поэтому предсо- зревание щелочной целлюлозы проводится в очень мягких условиях в течение небольшого времени (например, 2 ч при 18—20°C), При приготовлении щелочной целлюлозы непрерывным методом процесс мерсеризации ведется при 45 °C. Ксантогенат целлюлозы должен иметь высокую степень этерификации, что достигается повышением количества сероуглерода (до 50%) при ксантогенирова- нии. Ксантогенат для полинозных волокон получают методом мокрого ксантогенирования, т. е. после окончания подачи сероуглерода в аппарат вводят воду или раствор едкого натра. Вследствие большой вязкости получаемой вискозы для формования волокна применяют сильно разбавленные прядильные растворы. Например, прядильный раствор, содержащий 4—5% а-целлюлозы, имеет вязкость 50—60 Па-с, что примерно в 10 раз больше, чем у обычно используемых вискоз.
Как уже указывалось, формование волокна проводится в особых условиях из очень молодой вискозы высокой вязкости.
Формование проводят в низкокислотной осадительной ванне (до 300 г/л H2SO4), содержащей небольшое количество сульфатов натрия и цинка. Сформованное волокно подвергают 100%-ному вытягиванию в горячей серной кислоте.
На стадиях получения вискозы и формования волокна широко применяют модификаторы и различные поверхностно-активные вещества. Полученная при формовании характерная для полинозных волокон структура волокна закрепляется последующей обработкой.
Как правило, полипозные волокна выпускаются только тонковолокнистые (порядка 0,15 текс и ниже). Полипозные волокна обладают большой прочностью в сухом (от 300—500 мН/текс) и в мокром состоянии. При мокрых обработках прочность этого волокна снижается на 30% (вместо 50% у обычных вискозных волокон). Удлинение у них небольшое, не превышающее 7—12% в кондиционных условиях и 10—15% в мокром состоянии. Сравнительно небольшое изменение механических свойств в мокром состоянии обусловлено тем, что структура этих волокон мало изменяется под влиянием воды.
Важным отличительным свойством полинозных волокон является достаточно высокое упругое восстановление, особенно в мокром состоянии. При действии нагрузки в 45 мН/текс в мокром состоянии доля упругого восстановления составляет 95%, тогда как у обычного вискозного волокна она не превышает 65%. Благодаря этому при эксплуатации достигается стабильность форм и размеров изделий, особенно в мокром состоянии.
Для полинозного волокна характерен также высокий начальный модуль. Этот показатель свидетельствует о малых деформациях волокна при его нагружении. Следовательно, это свойство полинозного волокна также способствует сохранению форм и размеров изделий при их эксплуатации. Высокий модуль обусловливает также меньшую сминаемость тканей. Основным недостатком полинозных волокон является хрупкость, что затрудняет их переработку- 198
Полинозные волокна обладают также высокой стойкостью к щелочным обработкам.
Высокомодульное вискозное волокно. Для получения высокомо- дульного волокна, так же как и для высокопрочного вискозного корда, применяют сульфитную или сульфатную целлюлозу высших сортов, с содержанием «-целлюлозы не менее 95%. Лучшие результаты получаются при использовании сульфатной целлюлозы, содержащей 97% «-целлюлозы со степенью полимеризации около 1000. Остальные виды сырья и химикаты также должны быть улучшенного качества.
Вискоза для формования высокомодульных волокон обычно содержит 6% целлюлозы и 7% NaOH, а также около 5% модификаторов (от содержания а-целлюлозы). Формование волокна осуществляется в осадительную ванну, имеющую следующие характеристики:
Состав, г/л
серная кислота • 80—90
сульфат натрия . 120—130
сульфат цинка60—65
Температура, °C . . . ' 30
Сформованные волокна подвергают вытягиванию во второй пластификационной ванне, содержащей 15—20 г/л серной кислоты при температуре 95 °C.
Полученные волокна имеют прочность в кондиционном состоянии 350 мН/текс при удлинении 15%, а в мокром состоянии—. 200 мН/текс.
Высокомодульное волокно по сравнению с полинозным обладает меньшей стойкостью к щелочным обработкам, но имеет значительно лучшие эластические свойства.
Вследствие высокого модуля эти волокна меньше обычных вискозных волокон подвержены сминанию, а готовые изделия из этих волокон лучше сохраняют приданную их форму и не усаживаются.
/Глава 12
вискозная пленка
Прозрачная гидратцеллюлозная пленка, полученная из виско- ЗЬ1> называется целлофаном.
Целлофан выпускается в рулонах и листах различной толщи- Rbi. Между массой 1 м2 листа целлофана и его толщиной сущест- вУет следующая зависимость:
Масса 1 м2, г304560
Толщина, мм0,020,030,04
. Прозрачные пленки можно изготовлять не только из вискоз- 1Х> Но и из медноаммиачных растворов целлюлозы (купрофан) и
ацетата целлюлозы. Тонкие пленки из ацетилцеллюлозы называются ацетофаном, толстые листы — целлоном.
Целлофан легко окрашивается прямыми красителями в любой цвет. Благодаря красивому внешнему виду, прозрачности и сравнительно невысокой стоимости целлофан широко применяется для различных целей.
■ В больших количествах целлофан используется для упаковки пищевых продуктов, парфюмерии, табачных изделий, отдельных видов галантереи, фармацевтических препаратов и пр. Целлофан применяют также для декоративных целей, изготовления детских игрушек'и елочных украшений. Обрезки целлофана используют для изготовления плетеных корзин, женских шляп и других целей,
ВИСКОЗА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПЛЕНКИ
Целлофан формуется из вискозы, приготовленной обычным способом, но обладающей несколько отличными свойствами от вискозы, используемой для производства волокна. В частности, для формования пленки применяют более зрелую вискозу (3—5 мл по NH^Cl вместо 10—12), а соотношение между NaOH и целлюлозой в вискозе может быть снижено до 0,6.
Применение зрелой вискозы обеспечивает более быструю коагуляцию вискозы и, главное, более полное разложение ксантогената в процессе формования, что необходимо для получения прозрачного и гладкого целлофана. Кроме того, использование такой вискозы позволяет увеличить скорость формования и получать более толстую пленку (с массой 1 м2 до 60 г). Однако из менее зрелой вискозы получаются пленки с лучшими физико-механическими показателями, в особенности по прочности.
Физико-механические показатели пленки находятся в прямой зависимости от состава вискозы. Установлено, что при повышении содержания в вискозе а-целлюлозы с 7,5 до 8,5% уменьшается усадка пленки; при одной и той же толщине получается более широкая (на 4—7%) пленка.
По мере повышения концентрации целлюлозы в вискозе улучшаются также физико-механические показатели пленки.
Для производства целлофана применяют вискозу с вязкостью 30—40 с.
ФОРМОВАНИЕ ПЛЕНКИ
Для производства целлофана применяется так называемая неф лофановая машина (рис. 12.1), представляющая собой сложный агрегат, состоящий из формовочной и отделочной частей, сушилк» и приемного механизма, наматывающего готовую пленку в руЛ°‘
ны.
Формовочная и отделочная части целлофановой машины пред ставляют собой проходной аппарат, состоящий из ряда барок, °° рудованных системой направляющих роликов 4, по которым пл®
рис. 12.1. Схема целлофановой машины:рис. 12.1. Схема целлофановой машины:/—тарельчатый фильтр; 2 —фильера; 3 —передаточные валы для пленки; 4—направляющие ролики в барках; 5—отжимные валы; 6—сушильные цилиндры; 7—приемный механизм./—тарельчатый фильтр; 2 —фильера; 3 —передаточные валы для пленки; 4—направляющие ролики в барках; 5—отжимные валы; 6—сушильные цилиндры; 7—приемный механизм.
рис. 12.1. Схема целлофановой машины:
рис. 12.1. Схема целлофановой машины:
/—тарельчатый фильтр; 2 —фильера; 3 —передаточные валы для пленки; 4—направляющие ролики в барках; 5—отжимные валы; 6—сушильные цилиндры; 7—приемный механизм.
/—тарельчатый фильтр; 2 —фильера; 3 —передаточные валы для пленки; 4—направляющие ролики в барках; 5—отжимные валы; 6—сушильные цилиндры; 7—приемный механизм.
ка проходит внутри барок, и передаточными 3 и отжимными 5 валами (диаметром 205 мм), передающими пленку из одной барки в другую и отжимающими жидкость во избежание попадания ее в другие барки.
Фильера (рис. 12.2) представляет собой массивный чугунный корпус /, в нижней части которого расположены тщательно отполированные пластины 8 и 9 из материала, стойкого к действию кислот и щелочей. Пластины обычно изготовляют из никеля или хромоникелевого сплава с добавкой молибдена, кремния и меди. Обе пластины образуют щель, из которой при формовании пленки вытекает вискоза.
Зазор между пластинами можно легко регулировать с точностью до 0,01 мм при помощи специального устройства. Передняя стенка 4 шарнирно прикреплена к фильере. Вращая маховичок верхнего винта 6, можно пластину 9 приближать или удалять от пластины 8, увеличивая или уменьшая тем самым щель. Верхним винтом ширина щели может регулироваться с точностью до 1 мм. Регулировка щели с точностью до 0,1 мм осуществляется при помощи среднего ряда винтов, сжимающих стенки фильеры. Окончательная регулировка ширины щели с точностью до 0,01 мм производится нижними винтами 7. Обычно ширина щели составляет 0,3 мм, длина — почти в два раза больше ширины готовой пленки, сходящей с сушильных барабанов, так как во время отделки и сушки пленка усаживается в поперечном направлении в среднем на 43—46%.
Фильера устанавливается таким образом, чтобы нижний конец ее был погружен в осадительную ванну на глубину около 20 мм.
По выходе из щели фильеры, вискоза коагулирует и образует пленку, которая
Рис. 12.2. Фильера целлофановой машины:
(“■корпус; 2—полость фильеры; 3—щель; 4—передняя стенка шарнирного механизма; 5—ось маховика; 6—верхний Регулирующий винт; 7—нижние регулирующие винты; 8 и '"“пластины, образующие щель фильеры.
принимается на вращающийся в осадительной ванне нижний вад и передается на верхний вал и в следующую барку. Иногда вместо принудительно вращающегося вала для приема пленки в первой барке ставят две направляющие — стеклянные стержни диаметром около 50 мм.
Во всех случаях ось симметрии фильеры должна совпадать с касательной к первому валу или направляющему стержню. В про- / тивном случае пленка, выходящая из фильеры, прижимается к одной стороне щели, и нарушается правильность формования: с одной стороны фильеры вискоза вытекает за край щели, не коагулируя, с другой стороны фильеры она начинает коагулировать еще до выхода из щели.
Для получения высококачественного целлофана поверхность пластин, образующих щель фильеры, должна быть тщательно отполирована. Без такой полировки невозможно получить гладкий прозрачный целлофан без продольных штрихов и полос, которые образуются в том случае, когда поверхность пластин шероховата.
Большое значение имеет форма краев пластин, образующих щель фильеры. Нижние края пластин обычно делаются не острыми, а закругленными. При такой форме краев легче избежать образования на целлофане царапин и штрихов. Зеркальная отделка краев щели фильеры достигается, шлифованием пластин на специальном станке наждачной бумагой, пропитанной минеральным маслом, и полировкой их бумагой с крокусом.
Для подачи вискозы перед машиной устанавливают дозирующий зубчатый насос и рамный или тарельчатый фильтрпресс.
Машина работает от одного электродвигателя, движение от которого передается через два редуктора двум продольным валам. От одного из них приводятся в движение механизмы сушильной части, от другого — направляющие валики проходного аппарата. Благодаря наличию редукторов можно регулировать скорости в отдельных частях машины таким образом, чтобы не препятствовать свободной усадке пленки на каждой технологической операции.
Сушильная часть машины состоит из обогреваемых цилиндров, на поверхности которых сушится влажная пленка, и не обогреваемых Цилиндров для охлаждения пленки.
По выходе из сушильной части машины целлофан наматывается на бумажную гильзу (бобину), которая приводится во вращательное движение от главного вала машины через фрикционную передачу. Если фильера выполнена в виде кольца, то вместо листового целлофана получается трубка, которую используют как оболочку для колбасных изделий.
В этом случае осадительная ванна должна подаваться не только к наружной поверхности, но и внутрь оболочки, а образующиеся внутри оболочки газы выпускаются наружу через прорези в оболочке,
Таблица 6. Ускоренный режим формования и отделки целлофана
Барки
Операция
Состав ванны
Температура ванны, °C
компонент
концентрация, %
1
Формование
H2SO4
Na2SO4
12
19
46
2, 3
Дополнительное восстановление
H2SO4
Na2SO4
2,5-2,75
Не нормируется
75
4, 5
Промывка
H2SO4
0,18
92,5
6
Десульфурация
NaOH
0,35
95
7, 8
Промывка
Умягченная вода
—.
35
9—11
Вода из 12-й и 13-й барок
—-
30
12, 13
>
Свежая умягченная вода
—-
35
14
Пластификация
Глицерин
5-6
35-45
Вискозная пленка, как и вискозное волокно, формуется однованным способом в ванне, содержащей серную кислоту и сульфат натрия.
Примерный состав осадительной и отделочных ванн для ускоренного режима формования пленки толщиной 15—20 мкм из вискозы со зрелостью 5—6 по NH4C1 приведен в табл. 6.
Свежую кислоту добавляют только в первую барку. Состав ванны во второй и третьей барках определяется тем, сколько кислоты уносится пленкой из предыдущей барки. Интенсивный подогрев жидкости паром в первой барке ведут только в начале процесса, так как выделяющегося при формовании тепла (вследствие экзотермичности реакции нейтрализации NaOH) достаточно для поддержания нужной температуры ванны. Дополнительный расход пара сравнительно невелик; пар расходуется главным образом для более точного регулирования температуры.
Процесс формования пленки может быть ускорен при повышении температуры или кислотности ванны, а также при увеличении зрелости вискозы.
В настоящее время формование целлофана проводят при скорости 75—100 м/мин.
ОТДЕЛКА ПЛЕНКИ
При отделке пленки проводят в основном те же операции, что и при отделке вискозного волокна (промывка, десульфурация, отбелка и кисловка с промежуточными и окончательными отмывками). Для упрощения технологического процесса из числа отделочных операций при производстве целлофана часто исключают процесс отбелки, а иногда и кисловки.
Процесс отделки целлофана включает одну дополнительную операцию, которая не применяется при отделке вискозного волок-
на,— пластификацию пленки. Пластифицированная пленка более эластична и имеет повышенную прочность при изгибе.
В первой группе барок пленка промывается водой с целью удаления кислоты и солей, а также для частичного вымывания из нее серы. Во второй группе барок проводится десульфурация. По выходе из осадительной ванны свежесформованная пленка содержит до 1% серы. Часть серы смывается с пленки теплой водой. Окончательно сера удаляется обработкой раствором NaOH. Обычно применяют разбавленные растворы едкого натра (3—4 г/л) при температуре 95 °C. После обработки пленка содержит около 0,07% серы.
В десульфурационной ванне пленка сильно набухает, прочность ее резко понижается, поэтому обрывы происходят главным образом именно на этой стадии процесса.
После десульфурации и последующей промывки пленка остается прозрачной, хотя обладает серовато-желтоватым оттенком. Чтобы сделать пленку совершенно бесцветной, ее иногда отбеливают раствором гипохлорита натрия, содержащим около 2—3 г/л активного хлора. Процесс отбелки пленки, как и волокна, ведут при 20—25 °C. Далее пленка поступает на промывку водой и на кисловку раствором серной кислоты (2,5 г/л) для разложения оставшегося в пленке гипохлорита.
При отсутствии отбелки кисловку применяют для дополнительного удаления с пленки следов железа, которые придают ей бледно-желтую окраску. Иногда исключают также и операцию кисловки.
Ускоренный режим формования (75 м/мин) и отделки целлофана без отбелки и кисловки)—см. табл. 7.
Скорость циркуляции осадительной ванны в первой барке составляет 30 м3/ч, отделочных растворов и воды — 4—6 м3/ч.
В качестве пластификатора применяют глицерин. Обычно целлофан, употребляемый для упаковки, содержит 12—16% глицерина. С увеличением содержания глицерина прочность пленки снижается, но значительно увеличивается ее эластичность.
Если требуется цветная пленка, ее окрашивают в процессе изготовления на целлофановой машине растворами прямых красителей при 60—80 °C.
При получении пленок, окрашенных в темные цвета, концентрация красителей должна составлять от 1 до 3 г/л. Под красильную ванну занимают барки, которые обычно служат для промывки пленок.
СУШКА И НАМОТКА ПЛЕНКИ В РУЛОНЫ
По выходе из барки, в которой проводится пластификация глицерином, целлофан поступает в сушильную часть машины, состоящую из двух рядов сушильных барабанов (верхних и нижних), обогреваемых изнутри горячей водой. Число цилиндров зависит от скорости формования пленки.
Таблица 7. Режим сушки целлофана
Сушильная зона
Число цилиндров
Температура, °C
греющей воды
подаваемого воздуха
1
2
3
4
50
35
15
15
75
50-55
35-40
Не обог
50
40
30
зевается
Ниже приводится описание сушильной части целлофановой машины, состоящей из 100 цилиндров. Она имеет три сушильные зоны, примерный режим сушки в которых приведен в табл. 7.
Пленка сушится нагретой поверхностью цилиндров и воздухом, циркулирующим под капсулой машины. Приведенный в таблице 8 режим сушки обеспечивает получение высококачественного целлофана, так как при таком ступенчатом нагреве пленки исключается возможность местного пересушивания и появления трещин.
По выходе из третьей (сушильной) зоны пленка поступает на цилиндры, не обогреваемые водой, на которых она охлаждается.
Для питания сушильной части целлофановой машины горячей водой поблизости устраивается бойлерная установка, где постоянно циркулирующая вода нагревается до требуемой температуры.
Пленка, поступающая в сушильную часть машины, содержит около 350% влаги (от массы сухой целлюлозы), а высушенная — 6-13%.
В процессе формования, отделки и сушки вискозная пленка усаживается. Усадка по ширине зависит от состава и зрелости вискозы, условий формования (состава и температуры осадительной ванны), толщина пленки и ряда других факторов и достигает 40—50%. Наибольшая усадка происходит в осадительной ванне и в двух первых барках; здесь она составляет около 25%, а при сушке — около 10%. Это необходимо учитывать при технологических расчетах.
По выходе из сушилки пленка наматывается на бумажную гильзу, надетую на деревянную палку или на деревянную бобину Длиной 1,2—1,3 м, которая приводится во вращение от главного вала машины через фрикционную передачу.
Масса рулона составляет 200—300 кг. При массе 1 м2 целлофана 35 г и ширине 1,25 м количество пленки в таком рулоне достигает около 4600—7000 м.
*2.5. РЕЗКА И СОРТИРОВКА ЦЕЛЛОФАНА
Целлофан выпускается в основном в больших рулонах массой ‘00—300 кг (длина 1,2—1,3 м, диаметр около 1 м), реже — в ма- ЛЫХ рулонах (бобинах) длиной 100—200 мм, или разрезается на ленты требуемого размера.
Большие рулоны, выходящие с целлофановой машины, наира, вляют потребителю преимущественно без обрезки. Иногда края пленки обрезают, чтобы удалить неровный слой, на целлофановой машине специальным приспособлением, установленным перед намоточным механизмом.
На многих предприятиях, использующих целлофан в значительных количествах (главным образом на кондитерских фабриках), установлены автоматы для завертывания штучного товара. Для таких потребителей целлофан разрезают на специальных резательных машинах на полосы определенной толщины, длиной в 1000 м, которые закатывают на маленькие бобины.
Если на заводе имеется цех резки и разделки целлофана, то целесообразно организовать при нем производство, использующее отходы пленки, обрезки и вырезанные бракованные места для выработки целлофановой стружки, соломки и т. д.
Целлофан, используемый для упаковки продуктов, должен иметь следующие показатели:
Влажность, % Ю—U
■ Содержание глицерина, % 11— 13
Прочность при разрыве, МПа, не менее в продольномнаправлении 65
в поперечномнаправлении 35
Удлинение, % не менее в продольномнаправлении 13
в поперечномнаправлении 25
12.6. ЛАКИРОВКА ЦЕЛЛОФАНА
Одним из самых существенных недостатков целлофана являет- ея его большая водопроницаемость и высокая гигроскопичность. При погружении в воду целлофан через 24 ч поглощает около 100% (об.) воды, теряет прозрачность и механическую прочность (на 65—70%). Во влажной атмосфере целлофан деформируется, | что портит внешний вид упаковки.
Пищевые продукты с высоким содержанием влаги, упакованные в целлофан, при хранении высыхают.
Для увеличения влагостойкости целлофан с одной или с обеих сторон покрывают лаковыми пленками толщиной от 2 до 4 мкм Для лакировки используют разбавленные растворы лаков, обладающих хорошей адгезией (сцеплением) к вискозной пленке (например, растворы коллоксилина, различных поливиниловых соединений и др.)
Лакированный целлофан становится гидрофобным — влаго- проницаемость составляет 1—1,5 вместо 300—1000 г/(м2-ч) у обычного целлофана — и может склеиваться при 130°C без применения клея. Это позволяет отказаться от применения декстринового или желатинового клея, способствующего появлению плесени при хранении упакованных продуктов в среде с повышенной влажностью.
Установка для лакировки целлофана состоит из питающего аппарата с тремя гнездами для рулонов целлофана’ 206
камеры подготовки целлофана, в которой производится кондиционирование целлофана; лакировочного шкафа, где наносится лак на пленку; вертикальной шахты для сушки пленки (испарения растворителя) горячим воздухом; шахты для увлажнения лакированного целлофана; устройства для охлаждения пленки и наматывающего приспособления.
Воздух в сушильную шахту подается вентилятором через калориферы. Горячий воздух в шахте насыщается парами растворителя, отсасывается вентилятором и направляется в установку для рекуперации летучих растворителей.
Ниже приводится режим лакировки пленки на списаиной машине:
Скорость лакировки, м/мин 20—60
Расход лака, г/м2 4,2
Температура, °C пленки перед лакировкой 55
в сушильной шахте в нижней части 80—90
в верхней части .. ,70—80
в шахте для увлажнения пленки..75—80
Относительная влажность воздуха, % при кондиционировании пленки перед лакировкой . •■75
в шахте для увлажнения лакированной пленки . . .75
Готовый лак содержит 10% твердого вещества и 90% растворителей, например смеси этилацетата, бутилацетата и толуола в соотношении 6:1:3. Регенерируется примерно 90% смеси, которая вновь используется для приготовления лака.
Глава 13
СПОСОБЫ УМЕНЬШЕНИЯ ВРЕДНОСТИ
ВИСКОЗНОГО ПРОИЗВОДСТВА
При формовании вискозного волокна выделяются в значительных количествах сероуглерод и сероводород, которые являются ядовитыми веществами, вредными для здоровья человека. Эти вещества отравляют воздух заводских помещений и окружающей Местности. Кроме того, на заводе вискозного волокна образуется большое количество сточных вод, содержащих щелочь, серную кислоту и различные соли, загрязняющих водоемы.
Дальнейшее развитие промышленности вискозных волокон в значительной степени определяется проблемой обезвреживания производств, сокращения удельного расхода минерального сырья и воды и защиты водоемов и атмосферы от загрязнений.
Уменьшение вредности вискозного производства решается в оо* новном по двум направлениям — совершенствованию технологического процесса и внедрению санитарно-технических мероприя-
тий. Технологические методы снижения вредности производства описаны в соответствующих разделах и здесь следует их лишь просуммировать:А
сокращение расхода сероуглерода на ксантогенирование
счет снижения его расходования на побочные реакции;Я
внедрение непрерывных методов получения вискозы и волокон, повышение стабильности процессов формования нитей и волокна, исключающей их обрывность;
создание процессов и оборудования с локальными выделениями загрязнений в газовую фазу;
использование осадительных ванн не содержащих токсичные компоненты (например, цинк);
создание водооборотных технологических циклов с минимальным сбросом загрязнений;
внедрение локальных установок регенерации технологически растворов в замкнутых контурах;
внедрение автоматизации и механизации технологического процесса.
Основными санитарно-гигиеническими мероприятиями являются:
повышение герметичности технологического оборудования;
разработка технических решений по м.аксимальному отводу вредных веществ в газовую или жидкую фазу;
создание рациональных систем вентиляции оборудования и производственных помещений.
Важнейшими из этих мероприятий являются оборудование цехов мощной вентиляцией и капсулирование прядильных машин, очистка вентиляционного воздуха от сероводорода и сероуглерода и тщательная очистка сточных вод от вредных загрязнений.
ОЧИСТКА ВЕНТИЛЯЦИОННОГО ВОЗДУХА
В настоящее время на всех новых заводах запроектированы мощные установки для очистки выбрасываемого вентиляционного воздуха.
Существуют установки, объединяющие очистку воздуха от сероводорода и сероуглерода. Но преимущественно применяются установки с раздельной очисткой. Эти установки имеют лучшее аппаратурное оформление и более эффективны. В таких установках очистка воздуха от сероводорода основана на поглощении H2S суспензией реагентов (хемосорбция), а сероуглерода — на адсорбции CS2 неподвижным (стационарным) или подвижным (кипящим) слоем активированного угля.
Очистка воздуха от сероводорода. Суспензия, применяемая для поглощения H2S (железо-содовым способом), представляет собой взвесь гидроксидов двух- и трехвалентного железа (2,5%) в воде с небольшим содержанием Na2CO3, NaHCO3, Na2S2O3 и Na2SO4> образующихся в результате поглощения H2S.
Водную суспензию приготовляют путем смешения 10%-ного раствора карбоната натрия с 18%-ным раствором железного купороса:
FeSO4 + Na2CO3 + Н2О —> Fe(OH)2 + Na2SO4 + СО2
Барботированием воздуха через полученный раствор переводят железо (II) в железо (III):
Fe(OH)2 + О2 + Н2О —► Fa(OH)3
Воздух, содержащий сероводород, промывают полученной суспензией. При этом протекают следующие реакции:
Na2CO3 + H2S —> NaHS + NaHCO3
NaHS + Fe(OH)3 —> Fe2S3 + NaOH + H2O
NaHS + Fe(OH)3 —► FeS + S + NaOH + H2O
Поглотительный раствор (суспензию) регенерируют путем пропускания через него воздуха. При этом кислород взаимодействует с отработанным раствором по схеме:
Fe2S3 4- Н2О 4* О2 —> Fe(OH)3 4- S
FeS + Н2О + О2 —> Fe(OH)3 + S
NaHCO3 + NaOH —► Na2CO3 + Н2О
NaHCO3 —► Na2CO3 4“ CO2 4- H2O
В результате основное количество поглощаемого сероводорода переводится в элементарную серу, а часть (примерно 30%) окисляется до тиосульфата натрия:
NaHS 4~ О2 —^ Na2S2O3 4™ Н2О 4™ СО;
Накапливание тиосульфата натрия в растворе снижает поглотительную способность раствора и ухудшает очистку. Для предотвращения этого часть раствора после фугования спускают в канализацию.
Кроме описанного метода широко применяется гидрохиноновый способ: гидрохинон кислородом воздуха легко окисляется до хинона, который окисляет сероводород до серы и сам восстанавливается до гидрохинона и т. д.
Очистка вентиляционного воздуха от сероводорода осуществляется в двух параллельно работающих горизонтальных скрубберах, каждый из которых состоит из абсорбционной камеры, первичного брызгоулавливателя, промывной камеры и вторичного брызгоулавливателя.
Абсорбционная камера представляет собой стальной горизонтальный скруббер, установленный на железобетонном поддоне, внутренняя поверхность камеры защищена битумом, а поддон кислотоупорными плитками. Камера снабжена большим числом (240 шт.) форсунок, расположенных в два ряда.
Первичный брызгоулавливатель примыкает к абсорбционной Камере и состоит из 280 изогнутых пластин из нержавеющей
стали, образующих зигзагообразные каналы. Далее по ходу воздуха расположены промывная камера и вторичный брызгоулавли- ватель, аналогичные по конструкции и размерам абсорбционной камере и первому брызгоулавливателю.
Очищаемый воздух последовательно проходит абсорбционную камеру (через завесу брызг поглотительной жидкости, создаваемую форсунками), в которой происходит абсорбция сероводорода и регенерация поглотительного раствора кислородом воздуха. Затем воздух поступает,в зигзагообразные узкие каналы первичного брызгоулавливателя, проходя которые шесть раз, изменяет направление своего движения. Благодаря этому происходит отделение воздуха от капель поглотительной суспензии.
Из первичного брызгоулавливателя воздух попадает в промывную камеру, орошаемую водой. Здесь он отмывается от остатков поглотительной суспензии и поступает во вторичный брызгоулав- ливатель, где улавливаются капли промывной воды.
Освобожденный от сероводорода воздух направляется на установку для очистки от сероуглерода.
Поглотительная суспензия из канала абсорбционной камеры поступает в приемный резервуар, где происходит окончательная регенерация поглотительной суспензии и флотация выделенной серы. Полученная сера (после подсушивания или переплавки) может быть использована для производства серной кислоты или сероуглерода.
Очистка воздуха от сероуглерода. Установка для очистки воздуха от CS2 состоит из нескольких адсорберов с активированным углем.
На установке с неподвижным слоем адсорбента адсорберы работают периодически. Производственный цикл работы включает чаще всего четыре стадии: адсорбцию, десорбцию CS2, пропарку и охлаждение.
Очищенный воздух собирается в коллектор и выбрасывается в окружающую атмосферу.
В процессе адсорбции сероуглерод частично окисляется. Продукты окисления не удаляются при десорбции, и, накапливаясь в активированном угле, снижают его адсорбционную способность. Поэтому часть угля постоянно выводят из цикла и направляют на регенерацию.
Десорбированные пары сероуглерода и воды поступают в холодильники для конденсации. Сконденсированный сероуглерод в сепараторах отделяется от воды и направляется в резервуары для хранения.
Получаемый на установке сероуглерод без дополнительной очистки может быть снова использован на производстве для выработки волокна.
Описанная система позволяет очистить вентиляционный воздух от вредных газов на 85—90% и возвратить в производство 30-^ 40% (от затраченного) сероуглерода при производстве кордноИ нити и до 60% —при производстве вискозного волокна.
ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Количество и состав сточных вод вискозных производств колеблется в широких пределах в зависимости от вида вырабатываемого волокна, принятого технологического режима и оборудования, а также от степени утилизации отходов.
Кислые стоки, образующиеся при формовании и отмывке волокна, в основном содержат серную кислоту, сульфаты натрия и цинка, сероуглерод, сероводород и органические вещества; щелочные воды из содовой станции содержат едкий натр и низкомолекулярные фракции целлюлозы; вискозные стоки — вискозу или продукты ее разложения (целлюлоза, CS2, NaOH) и т. д. Например, в сточных водах завода вискозного волокна мощностью 50 т/сут. содержится до 10 т серной кислоты, до 20 т сульфата натрия и от 1 до 10 т сульфата цинка.
Сточные воды вискозных производств загрязняют естественные додоемы и оказывают губительное действие на флору и фауну. К наиболее вредным веществам следует отнести соли цинка,, сероуглерод, вискозу и продукты ее разложения, поверхностно-активные вещества, а также сульфиды, потребляющие кислород и придающие воде неприятный запах.
Применяемые в настоящее время методы очистки сточных вод вискозных заводов сводятся к удалению вискозы путем ее коагуляции и разложения при смешении с кислыми водами, к осаждению взвешенных веществ и нейтрализации избыточной кислотности. При этом соли цинка переводятся в нерастворимые соединения Zn(OH)2, ZnCO3 или ZnS и удаляются в виде осадка.
Заводы вискозного волокна имеют обычно не менее трех канализационных сетей промышленных стоков —для кислых, щелочных и вискозных сточных вод. Помимо этого, на заводе монтируется сеть хозяйственно-фекальных сточных вод, очищающихся по обычной схеме методом биологической очистки и сеть условночистых вод, в которую зачастую спускаются ливневые воды с территории завода.
В качестве примера ниже приводится описание часто применяемой схемы очистки сточных вод с тремя потоками (вискозные ми, щелочными и кислыми стоками) без регенерации солей цинка.
Вискозные воды направляются в смеситель, куда добавляется часть кислых стоков (с pH 2—2,5). Вискоза при этом довольно быстро разлагается с образованием хлопьев целлюлозы, осаждающихся в первичных отстойниках (за 18—24 ч выпадает более 90% хлопьев целлюлозы и других механических примесей).
Осветленные таким образом вискозные стоки направляются в следующий смеситель, куда поступают и другие промышленные сточные воды (щелочные и остальная часть кислых). В этот смеситель подается известковое молоко. Образовавшаяся в результате нейтрализации взвесь осаждается в отстойниках-нейтрализато- Рах в течение 12—18 ч. При pH 9,5—10,5 концентрация солей цин- снижается на 60—80%.
При применении известкового молока для нейтрализации сточных вод осаждающиеся соли цинка сильно загрязняются солями кальция и железа, что затрудняет выделение цинка в чистом виде для повторного использования в производстве.
После отстойников-нейтрализаторов сточные воды направляются в пруды-отстойники на 5—10 и более суток. Здесь происходит окончательная очистка воды от взвеси, удаление в атмосферу сероуглерода и сероводорода и насыщение сточных вод кислородом. Практика эксплуатации подобных отстойных прудов показала, что свободный кислород в этих водах появляется через 3—4 сут. Следует отметить, что в зимнее время условия очистки ухудшаются из-за образования ледяной корки.
Если позволяет рельеф местности, то вместо отстойных прудов устраиваются открытые стоки значительной протяженности (1 — 2 км) с порогами и перепадами, улучшающими перемешивание и аэрацию отстоенных вод, благодаря чему значительно ускоряется самоочищающая способность воды.
Для улучшения процесса очистки сточных вод и повышения рентабельности производства в настоящее время разработан способ очистки стоков с регенерацией сульфата цинка, который вновь используется в производстве.
Для регенерации солей цинка применяется трехступенчатая очистка сточных вод. На первой ступени все цинкосодержащие сточные воды обрабатывают раствором карбоната натрия до pH 5—6 с целью выделения солей железа. На второй ступени очистки промышленные стоки подщелачивают содой до pH 9,5—10,5. Основная масса цинка выделяется в виде Zn(OH)2. Осадок отделяют декантацией и фильтрацией и растворяют в осадительной ванне. Получаемый раствор, содержащий ZnSO4 и другие компоненты осадительной ванны, применяется для добавок в осадительную ванну. Третья ступень очистки включает обработку сточных вод сульфидом натрия для улавливания остатков цинка. Эту воду пропускают через кварцевые фильтры, которые отфильтровывают сульфат цинка.
Вискозные стоки очищают от вискозы методом осаждения целлюлозы в кислой среде (pH 2). Для этого стоки подкисляют серной кислотой во избежание засорения их солями цинка. Обезвоживание осадков проводят в вакуум-фильтрах. Дегазацию сточных вод проводят воздухом, который после продувки поступает на газоочистку.
Сточные воды из цеха очистки, находящегося на территорий завода, направляются на городские (поселковые) очистные сооружения совместно с общими хозяйственно-фекальными стоками для биологической очистки, после чего сбрасываются в водоем.
Схема технологического процесса в цехе очистки сточных воД с регенерацией солей цинка изображена на рис. 13.1.
Очистку сточных вод от солей цинка можно проводить также на катионитовых фильтрах, аналогичных применяемым ДЛЯ 212
Рис. 13.1. Схема очистки сточных вод с регенерацией солей цинка: 1—приемный резервуар; 2—смеситель; 3 —отстойник; 4 —декантатор для используемого осадка; 5—бак-мешалка; 6 и 20 — вакуум-фильтры 7—транспортеры; 8 —автомашина; 9 —приемные резервуары; 10 — дегазаторы; 11, 13 и 77 —смесители; 12 и 14 — осветители, 15 — песочный фильтр: 16 резервуар очищенной сточной воды; 18 — декантаторы для регенерируемого осадка; 19 — бак с мешалкой для осадка; 21— реактор для растворения солей цинка; 22—отстойники для раствора сульфата цинка; 23—барка для сбора раствора сульфата цинка.
Остеит
"сточные бов»
извлечения ионов меди из сточных вод производства медноамми- ачного волокна.
Однако все методы очистки сточных вод вискозных заводов не решают полностью задач, связанных с необходимостью эффективной защиты естественных водоемов от загрязнения. Поэтому помимо совершенствования этих методов необходимо также обра- щать внимание на уменьшение количества сточных вод и снижение степени их загрязнения. Это может быть достигнуто:
усовершенствованием технологических процессов, чтобы исключить образование сточных вод или уменьшить их загрязнение вредными веществами;
полной регенерацией осадительной и пластификационной ванн , включая кристаллизацию избытка сульфата натрия (при Производстве кордной нити и вискозного волокна);
возможно более полной регенерацией сероуглерода;
рациональным использованием отходов вискозы;
повторным использованием промывных вод, а также использованием условно-чистых вод для технологических целей.
В конечном итоге стремятся к тому, чтобы сточные воды после очистки можно было использовать для технологических целей и только очень небольшое количество воды спускалось в водоёмы для естественной очистки. ,
Глава 14
МЕДНОАММИАЧНЫЕ ВОЛОКНА
Медноаммиачные волокна получают из высоковязких растворов целлюлозы в аммиачном растворе гидроксида меди.
Производство медноаммиачных волокон начало развиваться лишь после применения водного способа формования медноаммиачных нитей в воронках (патент Тиле, 1901 г.). Ускорение движе ния воды в воронках из-за уменьшения живого сечения вызывает постепенное и сильное вытягивание формующихся нитей, благодаря чему получается тонковолокнистая текстильная нить высокого качества.
Долгое время медноаммиачные волокна, полученные этим способом формования, выделялись среди других искусственных волокон своей мягкостью, приятным грифом, хорошей носкостью, отсутствием «стеклянного» блеска, меньшей потерей прочности 8 мокром состоянии и т. п. Однако по мере совершенствования методов производства других волокон, в частности после освоения
выпуска тонковолокнистой вискозной текстильной нити, медноаммиачные волокна утратили свои преимущества.
Медноаммиачные волокна получают по следующей схеме. Целлюлозу в виде рыхлой массы смешивают с основной солью меди или с гидроксидом меди в присутствии концентрированного раствора аммиака. Образующийся вязкий раствор после фильтрации, удаления избытка аммиака и обезвоздушивания направляют на формование. Нить получают двухванным способом формования. В качестве осадительной ванны применяют воду (формование ведется в воронках). Во второй ванне нить обрабатывают разбавленной серной кислотой (2—3%-ной), которая разрушает продукт взаимодействия целлюлозы с куприаммингидратом. Полученные гидратцеллюлозные нити промывают, обрабатывают разбавленным раствором серной кислоты для полного удаления меди, снова промывают, подвергают мыловке и сушат.
Преимущество описываемого метода производства искусственных волокон перед вискозным заключается в устойчивости медно- аммиачного прядильного раствора, достаточно полной регенерации основных химикатов и значительно меньшей вредности (предельно допустимая концентрация аммиака в воздухе 0,02 мг/л, а сероуглерода — 0,001 мг/л).
ИСХОДНОЕ СЫРЬЕ
Целлюлоза. Для производства медноаммиачных волокон может применяться как хлопковая, так и древесная целлюлоза. Так как в приготовления медноаммиачного раствора гемицеллюлозы не удаляются, то для получения медноаммиачных волокон высокого качества следует применять целлюлозу с повышенным содержанием а-целлюлозы (96%). Отметим, что медноаммиачные волокна, полученные не из древесной, а из хлопковой целлюлозы, обладают более высокой прочностью (на 5—10%).
Применяемая в производстве искусственных волокон хлопковая целлюлоза получается из коротковолокнистого хлопкового пуха (линта), остающегося на семенах хлопка после снятия хлопкового волокна. Хлопковый пух является отходом при очистке семян хлопка на маслозаводах.
Химическая очистка хлопкового пуха проводится на заводах хлопковой целлюлозы, а на предприятия искусственных волокон обычно поступает уже готовая отбеленная целлюлоза.
Соли меди. Гидроксид и основную соль меди получают взаимодействием сульфата меди с едким натром или содой;
CuSO4 + 2NaOH —► Cu(OH)2 + Na2SO4
4CuSO4 + 3Na2CO3 + 3H2O —► CuSO4 • 3Cu(OH)2 + 3Na2SO4 + 3CO,
Основная соль меди может быть получена также при взаимодействии -сульфата меди с аммиаком, '
Таким образом, исходным сырьем для получения солей меди
является сульфат меди, к которому предъявляются определенные требования. Он должен содержать (%):
CuSO4 • 5Н2О, не менее . . , 98,2 'Железо, не бо-CuSO4 • 5Н2О, не менее . . , 98,2 'Железо, не бо-леелее0,060,06Мышьяк, не более . . . . . 0,015Мышьяк, не более . . . . . 0,015Нераствори- мый в воде остаток, не более 0,1Нераствори- мый в воде остаток, не более 0,1
CuSO4 • 5Н2О, не менее . . , 98,2 'Железо, не бо-
CuSO4 • 5Н2О, не менее . . , 98,2 'Железо, не бо-
лее
лее
0,06
0,06
Мышьяк, не более . . . . . 0,015
Мышьяк, не более . . . . . 0,015
Нераствори- мый в воде остаток, не более 0,1
Нераствори- мый в воде остаток, не более 0,1
При содержании в сульфате меди солей железа выше нормы его подвергают очистке. Эта операция сводится к продувке через горячий раствор воздуха, в результате чего соединения железа (II) окисляются до оксидных. Последние гидролизуются, и в осадок выпадают гидроксид и основная соль железа.
Аммиак. В производстве медноаммиачных волокон применяют 25—30%-ный раствор аммиака в воде.
ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
Процесс производства медноаммиачных волокон основан на способности целлюлозы образовывать комплексные соединения с куприаммингидратом.
В промышленности медноаммиачные растворы получают двумя способами — через гидроксид и через основную соль меди.
При добавлении концентрированного раствора аммиака к гидроксиду меди образуется основная соль — куприаммингидрат:
Cu(OH)2 + mNH3 ^ [Cu(NH3)m]2+ + 2ОН'
При взаимодействии концентрированного раствора аммиака с основной солью меди получается комплексное соединение, содержащее кроме куприаммингидрата куприамминсульфат Cu(NH3)4SO4:
5Cu(OH)2 • 2CuSO4 + 7mNH3 <^ [Ca(NH3)m]2+ + 2SO24" + 10OH"
С целлюлозой вступает во взаимодействие только основаиие (куприаммингидрат); нейтральная соль (куприамминосульфат) с целлюлозой не реагирует. Для полного использования меди, расходуемой при приготовлении медноаммиачного раствора, на взаимодействие с целлюлозой, необходимо куприамминсульфат перевести в куприаммингидрат. Для этого после окончания первой стадии растворения целлюлозы добавляют едкий натр:
Cu(NH3)m(OH)2 • 2Cu(NH3)mSO4-|-4NaOH —> 7Cu(NH3)m(OH)2 + 2Na2SO4
Применение при растворении целлюлозы основной соли меди вместо гидроксида меди имеет свои преимущества и недостатки; Главное преимущество заключается в большей стойкости основной соли по сравнению с гидроксидом, который при хранении легко дегидратируется и превращается в оксид меди, Поэтому проДоД'
жительность хранения основной соли меди больше, чём гидроксида меди. Недостаток применения основной соли меди заключается в замедлении процесса растворения целлюлозы, протекающего в две стадии (вместо одной стадии при использовании гидроксида меди), и меньшей устойчивости получаемого прядильного раствора из-за наличия в нем электролитов (сульфата натрия).
При приготовлении прядильного раствора целлюлоза растворяется, как уже указывалось, в результате ее взаимодействия с мед- ноаммиачным комплексным соединением Си (NH3)m(OH)2. Этот процесс мало изучен, поэтому дать обоснованную схему протекающих реакций пока не представляется возможным. Наиболее вероятно, что гидроксид меди реагирует одновременно с двумя гидроксильными группами, находящимися в макромолекуле целлюлозы при втором и третьем атомах углерода элементарного звена. При взаимодействии целлюлозы с медноаммиачным комплексом Cu(NH3)m(OH)2 значение т понижается (максимально т = 4), и из комплекса частично выделяется аммиак.
В обычных производственных условиях для растворения 1 кг целлюлозы расходуется в среднем 0,35—0,4 кг меди.'
СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ МЕДНОАММИАЧНОГО ПРЯДИЛЬНОГО РАСТВОРА
От качества медноаммиачного раствора зависит дальнейший ход технологического процесса, в первую очередь формование мед- ноаммиачной нити.
Раствор должен быть прозрачным, синего цвета с фиолетовым оттенком, не содержать видимых под микроскопом обрывков нитей или гелеобразных комков и иметь хорошую прядомость.
Как уже отмечалось, медноаммиачный прядильный раствор может быть получен с использованием основной соли или гидроксида меди.
Получение медноаммиачного прядильного раствора с использованием основной соли меди. Исходными продуктами при этом способе являются:
хлопковая или древесная целлюлоза;
водный раствор аммиака, не ниже 22,5%-ной концентрации (0,8—1 кг аммиака на 1 кг целлюлозы);
основная соль меди с содержанием около 30% Си(0,42 кг на 1 кг целлюлозы);
сульфит натрия в количестве 1—2% от массы абсолютно сухой целлюлозы (в зависимости от вязкости исходной целлюлозы);
раствор едкого натра (НО г/л NaOH) 100—104% от теоретически необходимого для полного перевода основной соли куп- Риамминсульфата в куприаммингидрат.
Получение основной соли меди. Сульфат меди растворяют (из расчета 1,4—1,6 кг на 1 кг абсолютно сухой целлюлозы)
Рис. 14.1. Схема растворителя с билами для получения медноаммиачног раствора целлюлозы:
/—корпус растворителя; 2—люки для загрузки; 3—билы (лопасти мешалки); 4—у по] 5 — штуцер для выгрузки раствора.
в деревянных или освинцованных чанах с мешалкой, с обогревающим змеевиком.
Для полного использования солей меди из отходов производства для приготовления раствора сульфата меди используют отработанные воды, образующиеся при отделочных операциях. В них содержится 60—80 г/л солей меди.
Полученный раствор сульфата меди после отстаивания и декантации спускают через хлопчатобумажный мешочный фильтр в осадитель, где раствор нагревают до 75—95 °C. Здесь осаждается основная соль раствором соды или аммиачной воды. По окончании процесса соль 2—3 раза промывают умягченной водой от растворимых сульфатов и передают на нутч-фильтр.
Растворение целлюлозы. Основную соль меди во влажном состоянии загружают в предварительно охлажденный 25%-ный раствор аммиака. В полученный раствор медноаммиач- ного комплекса при охлаждении и помешивании небольшими порциями вносят измельченную целлюлозу.
Растворение целлюлозы происходит в две стадии. На первой стадии целлюлоза набухает; только после того как она полностью набухнет, переходят ко второй стадии процесса — растворению целлюлозы: к смеси при постоянном помешивании постепенно приливают требуемое количество едкого натра. Перемешивание ведется до полного растворения целлюлозы.
Медноаммиачный раствор целлюлозы получают в растворителе с билами на валу и контрбилами на обечайке (рис. 14.1) или в аппаратах ВА.
Билы продвигают массу вперед и весьма интенсивно размешивают раствор, особенно в начальный период введения щелочи, когда раствор бывает наиболее вязким.
Готовый раствор разбавляют водой до получения требуемой концентрации в самом растворителе или в гомогенизаторе, в ко- тОрый передают несколько партий растворенной целлюлозы.
г Получение медноаммиачного прядильного раствора с использованием гидроксида меди. Гидроксид меди получают в две стадии: на первой стадии осаждается основная соль меди, которая на второй стадии переводится в гидроксид меди.
н Осаждение основной соли проводят в осадителях, емкость которых рассчитана на получение количества гидроксида, достаточного для приготовления одной партии медноаммиачного прядильного раствора. В раствор сульфата меди (300 г/л) при перемешивании и подогревании до 85—90°C вливают 30%-ный раствор соды, подогретый до той же температуры. Продолжительность осаждения составляет около 40 мин.
После отстаивания и промывки полученная суспензия основной соли спускается по трубе в осадитель гидроксида меди, куда добавляют раствор щелочи с концентрацией 300 г/л NaOH.
Осаждение гидроксида ведется при перемешивании и при температуре не выше 20 °C, для чего осадитель охлаждается с помощью латунных змеевиков. Полученный гидроксид меди передается непосредственно в растворитель целлюлозы.
Растворение целлюлозы. В вертикальный растворитель заливают концентрированный водный раствор аммиака (25%), охлажденный до —6°C, загружают партию гидроксида меди, а затем целлюлозу. Расход аммиака и меди составляет соответственно 0,85 и 0,39 кг на 1 кг целлюлозы. Загружают поочередно один из двух рабочих растворителей. Процесс загрузки каждого растворителя и перемешивание продолжаются 190 мин. Через каждые 95 мин масса из одного растворителя перекачивается в смесители, установленные последовательно. Имеется четыре таких смесителя. Из первого смесителя раствор перекачивается во второй, из второго— в третий, из третьего — в четвертый.
Таким образом, каждая партия находится в растворителе 190 мин и в четырех смесителях -по 95 мин. За вычетом времени загрузки и перекачки продолжительность растворения каждой партии составляет около 8 ч.
Из последнего смесителя медноаммиачный прядильный раствор зубчатым насосом передается в первый гомогенизатор, в котором разбавляется (до заданной концентрации—10—10,5% целлюлозы) предварительно обезвоздушенным раствором, приготовленным на умягченной воде и содержащим 7 г/л едкого натра и 6,5 г/л виннокаменной кислоты (из расчета 33 г на 1 кг целлюлозы). Процесс разбавления ведется при 33°C. Температура раствора в растворителях, смесителях и гомогенизаторах повышается с—6 до 25 °C, поэтому аппараты не охлаждаются.
После первого гомогенизатора прядильный раствор передается eiUe в три последовательно соединенные гомогенизаторы, где он дополнительно перемешивается для лучшей гомогенизации и снижения вязкости.
ПОДГОТОВКА МЕДНОАММИАЧНОГО ПРЯДИЛЬНОГО РАСТВОРА К ФОРМОВАНИЮ НИТЕЙ
Подготовка медноаммиачного прядильного раствора к форме, ванию заключается в фильтрации, удалении воздуха и избытка аммиака. Эти операции аналогичны операциям, которым подвер. гается вискоза.
Фильтрация. Медноаммиачные растворы фильтруют на фильтр, прессах, снабженных сетками из никелевой проволоки или капро. на.
Фильтрация проводится последовательно через все более плот- ные сетки. Для первой фильтрации применяют сетки № 100—120 для второй — № 150—180, для третьей — № 250.
Скорость фильтрования колеблется от 20 до 60 л/(м2-ч) в за
висимости от вязкости раствора, его чистоты и давления, под которым он фильтруется. Для очистки раствора вполне достаточно трех фильтраций. Фильтр-прессы применяют такого же типа, как и в вискозном производстве. Чистка сеток производится после фильтрации 8000—10000 л раствора.
В момент перезарядки фильтров или в результате утечки мед
ноаммиачного раствора выделяется значительное количество аммиака. Поэтому помещение, где установлены фильтры-прессы, в мед- ноаммиачном производстве оборудуется мощной вентиляционной системой.
Удаление аммиака и воздуха. После первой или второй филь
трации из медноаммиачного раствора отсасывают аммиак и воздух. Избыток свободного аммиака вызывает непрерывное пониже
ние вязкости раствора и, кроме того, вредно отражается на процессе формования, ухудшая условия коагуляции раствора в осадительной ванне. Пузырьки воздуха вызывают обрыв отдельных нитей в момент формования. Аммиак и воздух удаляются из рас
твора под вакуумом.
После удаления избытка аммиака и обезвоздушивания раствор подается в рабочий бак, где он отстаивается в течение 12 ч и пос
ле анализа направляется на формование нитей.
Ниже приводятся показатели готовых растворов:
Содержание, %
целлюлоза10—12
аммиак4—7
медь . . . .. 3—4
Вязкость*, с110—130
* Диаметр шарика 15,8 мм.
Стабильность медноаммиачных прядильных растворов удовлет- ворительная. Но она до некоторой степени зависит от возможны? окислительных процессов целлюлозы, проходящих под влияние?' кислорода воздуха. В результате деструкции целлюлозы снижается вязкость раствора. Для замедления этого процесса в раствор Д0' бавляют восстановители: сульфит натрия, виннокаменную кисЛ°" ту, глюкозу и т. п,
ФОРМОВАНИЕ И ОТДЕЛКА МЕДНОАММИАЧНЫХ НИТЕЙ
В промышленности медноаммиачные волокна получают двухванным способом. В первой ванне происходит только высаживание соединения целлюлозы с куприаммингидратом, а во втором — разложение этого соединения, т. е. регенерации целлюлозы.
Для высаживания целлюлозы используют воду (водный способ формования) и едкий натр (щелочной способ формования), т. е. в первом случае осадительной ванной служит вода, а во втором — раствор NaOH. Щелочной способ формования нитей применяется, крайне редко.
Разрабатывается кислотно-солевой способ формования медно- аммиачных нитей при котором высаживание и разложение медно- аммиачного соединения целлюлозы происходит в одной ванне. Этот метод интересен тем, что при его применении возможно использование оборудования, применяемого для получения вискозного волокна с большим числом отверстий в фильере и, следовательно, большей производительности.
Продукт взаимодействия целлюлозы с куприаммингидратом растворим только в концентрированном растворе аммиака, поэтому при разбавлении прядильного раствора водой это соединение высаживается и частично разлагается по схеме:
[C6H7O2(OH)3]Cu(NH3)n(OH)2 + НОН —> С6Н7Ог(ОН)3 + Си(ОН)2 + mNH,
Высаженная в первой ванне нить поступает во вторую ванну (разбавленный раствор серной кислоты, иногда горячая вода),где в результате разложения молекулярного соединения целлюлозы с куприаммингидратом целлюлоза регенерируется по приведенной выше схеме.
Формование. Медноаммиачную нить формуют в конических воронках из концентрированных (до 12%) и высоковязких растворов целлюлозы.
МедноаммиачныйМедноаммиачныйМедноаммиачный раствор поступает в воронку (рис. 14.2) через фильеру 1. Вода, подаваемая через патрубок 2, увлекает струйки раствора, высаживает из раствора медно- аммиачное соединение целлюлозы (условно на участке АБ), вытягивает пластичную нить (на участке БВ) благодаря ускорению течения воды, вызываемому изменением диаметра воронки, и выталкивает ее сквозь нижнее отверстие воронки 3. Пройдя воронку, нить направляющим приспособлением отводится в сторону, а прядильная вода сливается в желоб, откуда поступает в сборные баки.
Медноаммиачный
Медноаммиачный
Рис. 14.2. Схема формовочной воронки:
1 —фильера; 2—патрубок для подвода воды; 3—воронка.
В воронке формование нити не заканчивается, поэтому для завершения этого процесса нить направляют в следующую ванну, разбавленную H2SO4 и нагретую до 55—65 °C. Здесь же полностью удаляется аммиак и нить отмывается от продуктов деструкции целлюлозы.
Прядильные машины для нити имеют 60 фильер с числом отверстий от 2400 до 3200 диаметром 0,8 мм. Скорость формования медноаммиачной нити не превышает 35—42 м/мин.
Отделка. С прядильных машин нить в форме жгута направляется для отделки на проходной аппарат, где в первых шести-семи барках происходит полное разложение молекулярного соединения целлюлозы с куприаммингидратом, а в последующих полученная гидратцеллюлозная нить обрабатывается различными жидкостями.
Отдельные жгуты с прядильных мест (с одной или нескольких машин) собираются в общий жгут. Этот общий жгут по желобу с водой или по системе ленточных транспортеров подается в отделочный аппарат. Над ваннами расположены барабанчики, при помощи которых жгут передается из одной ванны в другую. С верхнего вращающегося барабанчика жгут свободно опускается вниз на дно барки, где остается в течение некоторого времени.
Между каждыми двумя барками расположена пара отжимных вальцов для предотвращения уноса большого количества жидкости в следующую барку.
Барки проходного аппарата, где происходит регенерация целлюлозы, заполнены серной кислотой (концентрация 55—60 г/л, температура 35—40°C), которая движется навстречу жгуту и постепенно насыщается медью..Из первой барки вытекает слабокислый раствор сульфата меди (состав: 50—70 г/л CuSO4 и 3—4 г/л H2SO4), который отводится на регенерацию.
В следующих барках проводится тщательная отмывка жгута умягченной водой, а в последней барке — авиважная обработка. После этого жгут сушится при 55—60 °C.
Производительность прядильных машин определяется так же, как в вискозном производстве.
РЕГЕНЕРАЦИЯ МЕДИ И АММИАКА
Медноаммиачные волокна не содержат ни меди, ни аммиака. Эти вещества должны быть возвращены в производство. При правильно организованном производстве регенерируется не менее 95— 98% меди и 70% аммиака, затраченных на получение медноамми- ачных волокон.
Регенерация меди. Соединения меди содержатся в прядильной воде и в кислых растворах после промывки «синего» жгута. Прядильная вода подвергается кипячению, медь при этом выпадает в осадок в виде СиО и Си(ОН)2. Из кислых растворов медь осаждается аммиаком в виде 5Cu(OH)2-2CuSO4; осадок отфильтровывается на нутч-фильтре. Фильтрат содержит некоторое количество меди, которая улавливается при пропускании фильтрата через ионитовые фильтры.
рис. 14.3. Схема регенерации меди и аммиака из прядильной воды:
{—прядильные машины; 2—отстойник для отделения взвешенных частиц и гидроксида меди; 5—теплообменник (подогрев до 50 °C); 4— вакуум- выпарной аппарат с подогревом; 5— отстойник для отделения оксида меди; 6—холодильник для конденсации аммиачной воды; 7— вакуум-насос для улавливания аммиака; 8— сборник с барометрической трубой; 9 — абсорбер для улавливания аммиака; 10— напорная барка для осадительной ваины.
Осадок, полученный при отстаивании прядильной ванны (так называемый шлам), после предварительного прокаливания (для разрушения органических веществ) используется после растворения его в серной кислоте.
Регенерация аммиака. Аммиак улавливается при его удалении из медноаммиачного прядильного раствора (20—35% от общего количества) и из прядильной воды (50—70% от общего количества).
Из медноаммиачного прядильного раствора аммиак отсасывается вакуум-насосами, пропускается через адсорбционные колонки с насадками из фарфорбвых колец, орошаемых умягченной водой. При рециркуляции и охлаждении абсорбента (воды) до 10 °C можно получить 15%-ную аммиачную воду. Эта вода и другие разбавленные аммиачные воды, полученные при регенерации аммиака на других стадиях процесса, направляются в ректификационную колонку для укрепления раствора аммиака до требуемой концентрации.
Из прядильной воды аммиак отгоняется путем нагревания ее в многокорпусных вакуум-выпарных аппаратах. Сконденсированная смесь в этих аппаратах содержит 8—10% аммиака. Этот раствор также поступает в ректификационную установку для укрепления.
Прядильная вода, имеющая в своем составе ценные компоненты (виннокаменную кислоту, карбонат натрия, едкий натр), подвергается кипячению в вакуум-аппаратах при 65—70 °C, в результате чего медноаммиачный комплекс разлагается, медь выделяется в виде черного осадка оксида меди, а аммиак вместе с водяными парами отгоняется. Конденсат (1,5—2%-ную аммиачную воду) направляют далее на ректификацию.
Схема регенерации меди и аммиака из прядильной воды при- недена рис. 14.3.
Глава 15
ацетатные волокна
Описанные в предыдущих главах искусственные волокна — ви- к°зные и медноаммиачные — состоят из регенерированной целлю- °зы (гидратцеллюлозы). Ацетатные волокна значительно отлича-
ются по своим свойствам от гидратцеллюлозных волокон. Эти от- личин в основном вызваны тем, что ацетатные волокна состоят на из регенерированной целлюлозы (гидратцеллюлозы), а из сложно! го уксуснокислого эфира целлюлозы — ацетата целлюлозы!
Производство ацетатных волокон возникло после первой миро! вой войны 1914—1918 гг. на базе производства ацетатных лаков" получившего широкое развитие в тот период. Высокое качество ацетатных волокон, усовершенствование технологического ^процесса и снижение стоимости сырья, в частности синтетической уксусной кислоты и ацетангидрида, привели к быстрому развитию про- изводства ацетатного волокна.
Значительное развитие производство ацетатных волокон получило в последние два десятилетия и в СССР. Первый завод начал выпуск продукции в начале пятидесятых годов. В шестидесятые годы были построены крупные предприятия по производству диацетатных и триацетатных волокон. В последние годы проведена реконструкция этих заводов и строительство новых крупных производств ацетатных волокон, особенно наиболее перспективных, на которых вырабатывается триацетатная нить и сигаретный ацетатный жгут.
Развитие производства ацетатных волокон обусловлено в основном их специфическими ценными свойствами, экономической эффективностью и относительной безвредностью производства.
Несмотря на то, что из вторичного ацетата (диацетата) целлюлозы получаются менее прочные нити, чем вискозные (10—13 ЮО—130 мН/текс вместо 160—200 мН/текс), эксплуатационные свойства изделий из ацетатных нитей выше, что объясняется большей эластичностью диацетатных нитей (обратимое удлинение примерно в 2 раза больше). Общее удлинение диацетатных нитей также несколько выше, чем вискозных, и составляет 23—30% в сухом и зо—38% в мокром состоянии. Кроме того, диацетатные нити значительно меньше, чем вискозные, набухают в воде. Плотность ацетатных волокон (1280—1320 кг/м3) ниже, чем вискозных (1520 кг/м3), что является дополнительным их преимуществом.
Диацетатная текстильная нить обладает приятным грифом, тонкие нити перерабатываются в ткани, по внешнему виду не уступающие натуральному шелку. В большом количестве выпускаются высокообъемные ацетатные нити, которые могут быть получены различными способами благодаря термопластичности ацетата целлюлозы. Такие нити используют в основном для производства верхних трикотажных изделий._
Триацетатные текстильные нити, подвергнутые термической обработке, приобретает новые ценные качества — высокую термо- и светостойкость, а также стойкость к действию микроорганизмов- Изделия из триацетатных нитей хорошо сохраняют приданную им форму (складки, гофрировку) и не усаживаются после мокрый обработок (например,стирки).
Существенным преимуществом изделий из триацетатных воли кон является их малая сминаемость как в процессе носки, так 224
при стирке. После стирки и сушки изделия из триацетатных волокон в большинстве случаев не требуют глажения; после стирки они быстро сохнут, прочность триацетатных волокон после многократных стирок уменьшается незначительно (гораздо меньше, чем прочность диацетатных, вискозных и ряда синтетических волокон).
Триацетатные волокна, обладающие хорошими электроизоляционными свойствами в атмосфере сухого и влажного воздуха, успешно используют в технике для электроизоляции проводов.
В последние годы широкое развитие находят новые области при менения ацетатных волокон — для сигаретных фильтров (в виде специально подготовленного гофрированного жгута) и для мембранного разделения жидких смесей (в форме полых ацетатных волокон). Ацетатные волокна по сравнению с другими обладает повышенной сорбцией вредных веществ (особенно концерогенных), табачного дыма, продукты горения этих волокон безвредны, они сравнительно дешевы. Поэтому большую часть сигарет в мире изготовляют с фильтрами из ацетатных волокон.
С помощью полых ацетатных волокон можно разделять жидкие смеси методами обратного осмоса, ультрафильтрации и диализа. При этом используются как ди- и триацетатные волокна, так и гидратцеллюлозные, полученные омылением ацетатных волокон. Такие ацетатные волокна (полупроницаемые или разделительные) могут быть использованы для опреснения солоноватых и морских вод, ультрафильтрационного разделения жидких смесей, в аппаратах для диализа крови («искусственная почка»).
Недостатками диацетатных волокон являются низкая устойчивость к истиранию и высокая электризуемость, затрудняющая текстильную переработку. Диацетатные волокна из вторичного ацетата целлюлозы недостаточно теплостойки. Они начинают деформироваться при температурах выше 140—150 °C, что нужно учитывать при эксплуатации изделий (при глажении). Кроме того, диацетатные волокна обладают повышенной сминаемостыо при стирках по сравнению с триацетатным и некоторыми синтетическими волокнами.
Производство ацетатных волокон, как уже отмечалось, экономичнее производства вискозных волокон, причем преимущества возрастают с уменьшением линейной плотности нити. Например, по сравнению с капитальными вложениями в производство текстильной ацетатной нити линейной плотности 6,67 текс капитальные, вложения в производство вискозной нити той же линейной плотности составляют 158%, а затраты труда— 160%.
Высокая экономичность производства объясняется в первую °передь тем, что технологический процесс получения ацетатных волокон значительно проще, чем вискозных. Благодаря высокой концентрации ацетатных прядильных растворов резко уменьшает-* Ся объем баковой аппаратуры, скорость сухого формования в несколько раз превышает скорость мокрого. При производстве аце- Зтных волокон отпадают такие трудоемкие и сложные операции, ак многочисленные мокрые обработки при отделке и сушка.
Важнейшим преимуществом ацетатных волокон является Относительная безвредность производства, так как при получении этих волокон не выделяются вредные для здоровья человека газы, а пары растворителей почти полностью улавливаются и возвращаются в производство.
МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ АЦЕТАТОВ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ
При взаимодействии целлюлозы и ацетангидрида в присутствии катализатора образуется сложный эфир целлюлозы и уксусной кислоты, так называемой триацетат целлюлозы:
[С6Н7О2(ОН)3]П + Зп(СН3СО)2О —► [С6Н7О2(ОСОСН3)з% + ЗпСН3СООН
Получающийся по этому уравнению триацетат целлюлозы должен содержать 62,5% связанной уксусной кислоты. Практически же получается так называемый первичный ацетат — с более низким содержанием уксусной кислоты (61—62%), у которого некоторые гидроксильные группы целлюлозы остались непроацетили- рованными.
Триацетат целлюлозы не растворяется в ацетоне. Для производства ацетатных волокон используют растворимый в ацетоне вторичный ацетат целлюлозы (содержащий 53,5—55,0% связанной уксусной кислоты), который получается частичным омылением первичного ацетата целлюлозы. Для получения ацетатных волокон применяют также первичный ацетат целлюлозы с возможно большей степенью замещения. Ацетатные волокна, полученные из первичного и вторичного ацетата целлюлозы, будем соответственно называть триацетатными и диацетатными .
Исходным сырьем для получения ацетатов целлюлозы служит хлопковый пух, подвергнутый предварительной химической очистке, или облагороженная древесная целлюлоза, содержащая не менее 97% а-целлюлозы.
Перед ацетилированием целлюлозу обрабатывают ледяной или разбавленной уксусной кислотой. Эта операция называется активацией целлюлозы. При такой обработке целлюлоза набухает, в результате чего облегчается диффузия ацетилирующей смеси внутрь целлюлозы, что обеспечивает получение более равномерного продукта ацетилирования.
При использовании для активации разбавленной уксусной кислоты целлюлоза набухает быстрее, но остающаяся в целлюлозе после активации вода должна быть удалена, например, промывкой ледяной уксусной кислотой, чтобы предотвратить большой расход ацетангидрида на побочную реакцию с водой.
Ацетилирующая смесь состоит из этерифицирующего агента, катализатора и растворителя (растворяющего образующийся ацетат целлюлозы) или разбавителя.
В качестве этерифицирующего агента в промышленности применяют ацетангидрид, стоимость которого определяет в основном стоимость конечного продукта — ацетатных волокон. Поэтому, пока уксусную кислоту получали путем сухой перегонки дерева и уксусно-кислым брожением спиртосодержащих жидкостей, не было предпосылок для широкого развития производства ацетатных волокон. В настоящее время ацетангидрид получают более экономичными методами, перечисленными ниже:
Из ацетальдегида (уксусного альдегида), который синтезируется из этилена (каталитическим окислением) и из ацетилена. Из ацетилена ацетальдегид получается гидратацией C2H2 в присутствии солей ртути:
СН=СН + Н8О —► СНзСНО
Затем путем прямого окисления из ацетальдегида получают в зависимости от условий реакции уксусную кислоту или смесь, состоящую из уксусной кислоты и ацетангидрида:
2СН3СНО + Оа —► 2СН3СООН2СН3СНО + О8 3^- (СН3СО)2О
Дегидратацией уксусной кислоты над катализатором (триэтилфосфат) при 700—750 °C с образованием в качестве промежуточного продукта кетена:
+ снзсоон
СНзСООН ;—>■ СН2=СО >■ (СН3СО)8О
Взаимодействием уксусной кислоты с кетеном:
СНзСООН + СН2=СО —> (СНзСО)8О
Помимо этих наиболее распространенных способов получения ацетангидрида и уксусной кислоты имеются и другие: из этанола, бутана, ацетона (через кетен) и т. д. :
Ацетилирование целлюлозы всегда начинается в гетерогенной среде, а заканчивается либо в гомогенной среде (при этом ацетат целлюлозы растворяется в ацетилирующей смеси), либо в гетерогенной среде. В первом случае в качестве растворителя обычно применяют уксусную кислоту или хлорированные углеводороды (чаще всего метиленхлорид).
При этерификации в гетерогенной среде в качестве разбавителя используют вещество, не растворяющее целлюлозу и триацетат Целлюлозы, не реагирующее с компонентами ацетилирующей смеси и легко удаляемое при отгонке. Практически в качестве разбавителя применяют бензол, толуол или четыреххлористый углерод.
Вторичный ацетат целлюлозы получается омылением ацетильных групп первичного ацетата, получаемого ацетилированием в гомогенной среде.
При омылении первичного ацетата:
н8зо4 '
[С6Н7О8(ОСОСН3)зЬ + «Н,0 >■ [С8Н7О8(ОСОСНз)8ОН]п + «СНзСООН
содержание ацетильных групп уменьшается до 53,5—55,0%. Одновременно при омылении разрушается большая часть сульфоэфиров, которые менее стабильны, чем ацетоэфиры целлюлозы.
Основное количество ацетатов целлюлозы получают этерификацией в гомогенной среде. По этому способу синтезируют как вторичный, так и первичный ацетат. Полученный после ацетилирования в гомогенной среде раствор ацетата целлюлозы в ацетилирующей смеси можно использовать для формования нитей (жгутовк,
.1.1. Получение ацетатов целлюлозы , И в гомогенной среде ) |
Активация. Первой стадией периодического процесса получения ацетатов целлюлозы в гомогенной среде является активация целлюлозы (рис. 15.1). Для этого целлюлозу обрабатывают ледяной уксусной кислотой (40—100% от массы целлюлозы) в течение 3— 4 ч при 20 °C. При повышении температуры кислоты до ПО °C продолжительность процесса сокращается до 20—30 мин. Ледяная уксусная кислота должна содержать не менее 98% СН3СООН,так как наличие воды вызывает дополнительный расход ацетангидрида при ацетилировании целлюлозы в результате его взаимодействия с водой.
Активация целлюлозы проводится в активаторе, представляющем собой футерованный внутри стальной горизонтально расположенный аппарат, снабженный лопастной мешалкой и рубашкой для темперирования.
Ацетилирование. Ацетилирующая смесь состоит из этерифици- рующего агента — ацетангидрида, растворителя и катализатора.
Ацетангидрид расходуется на реакцию с целлюлозой и на взаи-
Рис. 15.1. Схема получения ацетатов целлюлозы ацетилированием в гомогенной среде периодическим способом:
1 — активатор; 2— ацетилятор; 3 — высадитель; 4—дробилка; 5 —промыватель; 6—флотатор.
7 — центрифуга; 8 — сушилка.
содействие с водой, содержащейся в целлюлозе и уксусной кислоте. Количество ацетангидрида, вводимого в аппарат для ацетилирования (ацетилятор), составляет около 300% от массы целлюлозы.
В качестве растворителя можно использовать уксусную кислоту дли метиленхлорид. При применении уксусной кислоты ограничивается возможность увеличения емкости аппарата периодического действия (загрузка целлюлозы не более 200 кг), так как при больших объемах невозможно обеспечить отвод тепла, выделяющегося при реакции этерификации, взаимодействии ацетангидрида с водой и в результате превращения механической энергии в тепловую при перемешивании. Местные перегревы реакционной массы приводят к деструкции целлюлозы и ацетата целлюлозы и к неравномерной скорости ацетилирования в разных участках аппарата. Так как при использовании уксусной кислоты в качестве растворителя нельзя получить крупные партии ацетатов целлюлозы, этот растворитель при ацетилировании периодическим способом не применяется.
Ниже мы более подробно остановимся на ацетилировании с применением в качестве растворителя метиленхлорида.
При использовании метиленхлорида производительность аце- тилятора можно значительно увеличить и загружать в аппарат до 2000 кг целлюлозы. Это объясняется тем, что температура кипения метиленхлорида составляет только 40—42 °C (температура кипения уксусной кислоты — 118°C), поэтому в процессе ацетилирова-' ния не возникает перегрева в отдельных зонах аппарата и температура этерификации не намного превышает 42 °C. Ацетилятор интенсивно охлаждают холодной водой или рассолом, циркулирующим в рубашке аппарата. Применение метиленхлорида позволяет упростить процесс регенерации растворителя и разбавленной уксусной кислоты (образующейся при ацетилировании целлюлозы, взаимодействии ангидрида с водой и внесенной с активированной целлюлозой), так как при нагревании смеси выше 42 °C метиленхлорид быстро испаряется и объем кислоты значительно уменьшается. Количество растворителя, используемого при ацетилировании, составляет 500—600% от массы целлюлозы.
В качестве катализатора процесса ацетилирования наиболее часто применяется серная кислота. При ацетилировании в среде Уксусной кислоты периодическим способом расходуется 8—12% Серной кислоты от массы целлюлозы, в присутствии метиленхлорида— только 1—2%. Недостаток применения серной кислоты—1 образование в процессе этерификации наряду с ацетатными небольшого количества сульфатэфиров целлюлозы. Эти эфиры мало стабильны, и при омылении выделяется серная кислота, вызывающая разложение ацетата целлюлозы, особенно при повышенных температурах (понижение термостабильности). Поэтому при при- енении большого количества серной кислоты обязательной опера- цией является стабилизация ацетатов целлюлозы — разложение
сульфатных эфиров и удаление выделяющейся при этом серной кислоты. Стабилизация проводится путем обработки ацетата цел- люлозы 0,1—0,2%-ным раствором серной кислоты при 80—90°с в течение 1—2 ч и последующей отмывки от H2SO4.
При применении в качестве растворителя метиленхлорида катализатором может служить хлорная кислота (0,2—0,5% от массы целлюлозы), которая не образует нестабильных эфиров целлюлозы. При использовании в качестве растворителя уксусной кислоты хлорная кислота вызывает желатинизацию раствора и поэтому не применяется.
Ацетилирование в гомогенной среде проводится при 40—45 °C; продолжительность процесса — 8—10 ч; модуль ванны — 8—Ю.
Ацетиляторы представляют собой горизонтальные цилинд. рические аппараты, снабженные мощной мешалкой и рубашкой для охлаждения. Вследствие агрессивности среды (ацетилирующей смеси) эти аппараты изготовляют из специальных сортов кислотоупорной стали или фосфористой бронзы.
Частичное омыление. Для получения ацетата целлюлозы, растворимого в ацетоне, триацетат целлюлозы частично омыляют в присутствии катализатора — серной кислоты — и небольшого количества воды, которую вводят в реакционную смесь по окончании процесса ацетилирования. Чем больше воды содержится в омыляю- щей смеси, тем быстрее (но менее равномерно) протекает омыление. Поэтому содержание воды в омыляющей смеси не должно превышать 10%.
Серная кислота употребляется в количестве до 15% от массы исходной целлюлозы. При таком большом количестве серной кислоты не образуются сульфатные эфиры; в этих условиях серная кислота служит катализатором их омыления, так как присутствует омыляющий агент-—вода.
Продолжительность омыления зависит от требуемого содержания связанной уксусной кислоты в ацетате целлюлозы и температуры. При 40—45 °C процесс длится 8—10 ч. Обычно омыление проводят при непрерывном перемешивании и подогреве в двух аппаратах. Первая стадия омыления — так называемый гидролаз под давлением — проводится в ацетиляторе, вторая стадия омыления — открытый гидролиз — в высадителе (бак с якорной мешалкой и рубашкой), в котором затем происходит высаживание ацетата целлюлозы. Продолжительность первой стадии составляет 3—5 ч, второй — 5—7 ч.
По окончании омыления находящуюся в растворе серную кислоту нейтрализуют ацетатом натрия и отгоняют метиленхлориД путем обогрева высадителя горячей водой (через рубашку). Пары метиленхлорида конденсируются в холодильнике, и конденсат возвращается в производство.
Высаживание. Ацетат целлюлозы можно высаживать водой. Однако лучше для этой цели использовать разбавленную кислотУ' так как при этом создаются более мягкие условия для равномеР' 230
його высаживания эфира целлюлозы. Поэтому высаживание вторичного ацетата целлюлозы проводят путем постепенного добавления 10%-ного раствора уксусной кислоты. После высаживания концентрация уксусной кислоты составляет 35%. При уменьшении концентрации СН3СООН выход продукта увеличивается, но одновременно возрастает количество низкомолекулярных фракций и затрудняется регенерация уксусной кислоты. Общий цикл работы высадителя составляет 13—15 ч. Иногда после высаживания ацетат целлюлозы измельчается.
Промывка. Ацетат целлюлозы после высаживания подвергают многократной ступенчатой промывке холодной и горячей водой в специальном аппарате — промывателе. Сначала продукт промывают водой, ранее использованной для промывки, содержащей большое количество уксусной кислоты, затем — промывными водами с малым содержанием кислоты и, наконец, чистой водой. Промывные воды (за исключением промывных вод первой промывки) снова используют для промывки очередной партии ацетата целлюлозы.
Промывные воды первой промывки соединяют с разбавленной уксусной кислотой, оставшейся после высаживания ацетата целлюлозы, и подаются в цех регенерации. Концентрация СН3СООН при этом составляет 20—25%. Уксусная кислота регенерируется экстракцией уксусноэтиловым эфиром (этилацетатом). Этот процесс проводят в эстракционных колоннах. Полученный экстракт подвергают дистилляции (перегонке). Легколетучий компонент — этилацетат — конденсируется и используется для следующего цикла экстракции. Кубовым остатком является ледяная уксусная кислота, которая после вакуумной перегонки вновь возвращается в производство. Поскольку уксусной кислоты получается больше,, чем это необходимо для производства ацетатов целлюлозы, значительное количество СН3СООН выпускается в виде товарной продукции или путем каталитической дегидратации превращается в ацетангидрид, который используется для ацетилирования. '
При ацетилировании целлюлозы в среде метиленхлорида (катализатор— 1—2%-ная H2SO4) стабилизации ацетата целлюлозы не требуется.
Сушка. После промывки ацетат целлюлозы поступает на цент- Рифугу непрерывного действия для удаления большей части воды. Затем ацетат целлюлозы, содержащий 50—70% влаги, направляется в сушилку. Для более интенсивной сушки и предотвращения Разложения ацетата применяют вакуумную сушилку, представляющую собой горизонтальный цилиндрический аппарат с паровой Рубашкой и гребковой мешалкой (на гребках укреплены паровые змеевики). При разрежении 0,086 МПа температура сушки составляет 60—65 °C, продолжительность — 7—8 ч, загрузка сушилки — *500 кг (в пересчете на сухой ацетат целлюлозы).
Непрерывный способ получения ацетатов целлюлозы. На неко- ТоРых заводах проводится полунепрерывный процесс получения
1— аппарат для получения суспензии целлюлозы. 2 —-аппарат для разбавления суспензии целлюлозы; 3— промежуточный бак; 4— фильтр противоточной промывки ледяной кислотой; 5— аппарат для отжима и измельчения пеллюлозы; 6— ацетилятор, 7—аппарат для связывания избытка уксусного ангидрида; 8 — аппараты для частичного омыления триацетата целлюлозы; 9—аппарат для осаждения ацетата целлюлозы и связывания H2SO4; 10—аппарат для окончательного осаждения; И — фильтр противоточной промывки ацетата целлюлозы; 12 — центрифуга непрерывного действия; 13 — сушилка
ацетатов целлюлозы, т. е. непрерывно осуществляется некоторые операции (например, активация целлюлозы, промывка ацетата целлюлозы на движущихся сетках, непрерывное высаживание, сушка и т. д.). Разработан и внедрен в производство также и непрерывный процесс получения ацетатов целлюлозы (рис. 15.2).
Для аппаратурного оформления процесса получения ацетатов целлюлозы по непрерывному способу, нужно значительно сократить продолжительность основных операций, прежде всего ацетилирования. Продолжительность ацетилирования сокращается (до 0,5—1 ч и менее) путем эффективной активации целлюлозы или за счет повышения температуры при ацетилировании. Более целесообразно улучшать активацию целлюлозы, т. е. увеличивать ее набухание перед ацетилированием. В этом случае в результате ацетилирования получают равномерный по свойствам продукт достаточно высокого качества.
Для лучшей активации целлюлозы (повышения набухания) обычно используют водный 80—90%-ный раствор уксусной кислоты. Затем проводят противоточную промывку набухшей целлюлозы с помощью ледяной уксусной кислоты, измельчение и отжим целлюлозы. Максимальное удаление воды необходимо для уменьшения расхода наиболее дорогого реагента ацетилирования — ацетангидрида на побочную реакцию с водой.
Суспензию в водном растворе уксусной кислоты получают в цилиндрическом аппарате, на дне которого быстро вращается турбинка. Это единственная периодическая операция в процессе. Противоточную промывку проводят на фильтре, представляющем собой непрерывную резиновую перфорированную ленту с сеткой из
кислотоупорной стали, под которой расположены секции с подводом вакуума. В первых секциях проводят отсос 80—90%-ной кислоты из суспензии. В последнюю секцию подается ледяная уксусная кислота (желательно 100%-ная) в количестве 300—350% от массы целлюлозы. Эта кислота, промывающая целлюлозу на выходе из фильтра, подается на орошение целлюлозы над предпоследней секцией, отсасывается и подается на предыдущую секцию и т. д. После каждой секции имеется каток для отжима целлюлозы. Отработанная кислота вновь используется для получения суспензии целлюлозы и других операций. Содержание воды в целлюлозе после отжима не превышает 1%.
В ацетилятор кроме целлюлозы непрерывно дозируются также уксусная кислота, ацетангидрид и катализатор — серная кислота (4—5% от массы целлюлозы). При непрерывном способе возможно применение в качестве растворителя уксусной кислоты, так как в каждый момент в аппарате ацетилируется небольшое количество целлюлозы и ацетилирование проходит очень быстро (обычно до 0,5 ч), что обусловливает большую суточную производительность аппарата. Кроме того, обеспечивается быстрый отвод тепла, выделяющегося при ацетилировании и побочных реакциях. Ацетилятор непрерывного действия — цилиндрический горизонтальный аппарат со шнеком. В нем предусмотрено несколько секций охлаждения в корпусе и охлаждение полого вала шнека.
Концентрация триацетата целлюлозы в образовавшемся после ацетилирования сиропе составляет около 15%. Сироп зубчатым насосом непрерывно подается в аппарат для связывания избытка ацетангидрида водой. Превращение ацетангидрида в уксусную кислоту проводят в мягких условиях — добавлением 80%-ной уксусной кислоты при перемешивании рамной мешалкой.
Затем раствор фильтруется через сетку из нержавеющей стали и поступает на омыление. Частичное омыление триацетата целлюлозы проводят в аппаратах специальной конструкции с мешалками. Требуемая степень замещения регулируется числом аппара- тов, через которые пропускают сироп, или температурой омыления. Омыление проводят водой, содержащейся в 30%-ной уксусной кислоте, в присутствии катализатора (серная кислота), после чего сироп подается в аппарат, аналогичный по конструкции аппарату Для связывания избытка ангидрида. В этот аппарат непрерывно поступает ацетат натрия для связывания серной кислоты. Затем проводят высаживание ацетата целлюлозы с помощью разбавленной (15—17%) уксусной кислоты.
Противоточная промывка проводится на фильтре, аналогич- ом по конструкции фильтру, в котором происходит вытеснение ^оды ледяной кислотой после активации. В первых секциях отса- Ывается кислота, а затем производится противоточная промывка, Ричем концентрация кислоты уменьшается от секции к секции, и а выходе ацетат целлюлозы орошается чистой водой. Уксусная, ислота после промывки (с концентрацией 25—30%) направляет- 4 в цех регенерации,
Промытый ацетат целлюлозы отжимается на центрифуге непрерывного действия или на отжимных валах и сушится в туннельной или ленточной сушилке. Все оборудование, соприкасающееся с кислотами, изготовляют из кислотоупорной стали.
.1.2. Получение триацетата целлюлозы ■ в гетерогенной среде Я
При ацетилировании целлюлозы в гетерогенной среде получается первичный ацетат целлюлозы, который может быть использован для получения триацетатных волокон. В этом случае конечный продукт реакции (триацетат целлюлозы) не нужно высаживать из раствора, что значительно упрощает процесс, однако концентрированные растворы такого продукта обычно имеют большую вязкость, чем из триацетата, полученного ацетилированием в гомогенной среде. Поэтому метод ацетилирования не находил широкого применения, несмотря на его простоту. В последние годы разработан метод регулируемого снижения вязкости растворов триацетата целлюлозы в основном за счет уменьшения молекулярной массы добавлением по окончании ацетилирования серной кислоты (0,5— 0,6% от массы исходной целлюлозы). Активация целлюлозы при ацетилировании ее в гетерогенной среде проводится так же, как и перед ацетилированием в гомогенной среде периодическим способом.
При этерификации в гетерогенной среде ацетилирующая смесь содержит 45—50% ацетангидрида, 15—20% уксусной кислоты, около 35% разбавителя (бензол или толуол) и до 1% (от массы целлюлозы) катализатора (хлорная кислота). Модуль ванны значительно больший (15—20), чем при этерификации в гомогенной среде, что позволяет сравнительно легко осуществлять отвод тепла и выдерживать необходимую температуру (30—35°C). Применение ванн с большим модулем возможно только при ацетилировании в гетерогенной среде, так как при этерификации целлюлозы в гомогенной среде после высаживания ацетата целлюлозы образуется разбавленная уксусная кислота, следовательно, резко возрастают затраты на ее регенерацию.
Продолжительность этерификации составляет 3—4 ч, т. е. в 2— 3 раза меньше, чем при ацетилировании в гомогенной среде периодическим способом. Ацетилирование, а часто и все остальные операции, проводят в вертикальных баках с рубашкой или во вращающихся барабанах.
По окончании ацетилирования продукт тщательно промывают разбавителем для удаления ацетангидрида. Затем разбавитель отгоняют с водяным паром. Триацетат целлюлозы промывают водою отжимают на центрифуге и сушат.
Освоен и непрерывный процесс получения триацетата целлюДО' зы ацетилированием в гетерогенной среде.
Ниже сопоставляются операции и порядок их проведения при производстве ацетатов целлюлозы в гомогенной и в гетерогенной средах:
Операция * Гомогенная Гетерогенная среда среда
Активация целлюлозы 11
Ацетилирование 22
Частичное омыление (для получения вторичного ацетата целлюлозы) . . . .3—
Промывка разбавителем.- —3
Отгонка разбавителя илирастворителя44
Высаживание 5 '—
Промывка водой . 65
Отжим 76
Сушка . . . 87'
Измельчение 98
* Цифрами обозначен порядковый номер операции; прочерк означает отсутствие операции в этих процессах.
.1.3. Требование к ацетатам целлюлозы, применяемым для производства ацетатных волокон
Ацетаты целлюлозы, применяемые для производства ацетатных волокон, должны отвечать определенным требованиям.
Степень этерификации зависит от назначения ацетата целлюлозы (вида ацетатных волокон). Содержание связанной уксусной кислоты во вторичном ацетате целлюлозы составляет 53,7—54,9%, что соответствует степени этерификации, равной 232—241. Однако для получения прядильных растворов высокого качества необходимо, чтобы содержание связанной уксусной кислоты находилось в более узком пределе — 54—54,8% (у=235—240), т. е. требуется большая однородность ацетата целлюлозы по этому показателю.
Содержание связанной уксусной кислоты в триацетате целлюлозы, применяемом для производства ацетатных волокон, должно составлять 61,3—61,8% (у=290—294).
Средняя степень полимеризации ацетатов целлюлозы должна составлять 240—280. Из ацетатов целлюлозы с меньшей степенью полимеризации получаются ацетатные волокна со значительно худшими физико-механическими показателями (особенно по прочности и устойчивости к истиранию и многократным изгибам). Некоторое повышение степени полимеризации приводит к определенному улучшению этих показателей, однако приготовление прядильных растворов и формование нитей усложняется вследствие увеличе ния вязкости раствора при одной и той же концентрации ацетата Целлюлозы.
Химическая однородность и однородность по молекулярной мас- Се ацетатов целлюлозы имеет существенное значение для получе- Ния ацетатных волокон высокого качества. Часто при одинаковых. п°казателях отдельные партии ацетатов целлюлозы резко разли- Чаются по своим свойствам, что объясняется их химической неод- НоРодностью.
Под химической неоднородностью понимается различное рас- пределение ацетильных и гидроксильных групп в макромолекуле ацетата целлюлозы при определенном среднем значении у, а также наличие макромолекул с различной степенью этерификации
Непосредственное получение химически однородного растворимого в ацетоне ацетата целлюлозы с 53—55% связанной кислоты в гомогенной, или в гетерогенной среде до сих пор считается невозможным. Только при омылении триацетата целлюлозы в растворе получается достаточно однородный вторичный ацетат целлюлозы, растворимый в ацетоне. Отсюда следует, что химическая одноро^- ность ацетата целлюлозы оказывает большое влияние на его растворимость.
Химическая неоднородность является одним из факторов, влияющих на вязкость концентрированных растворов ацетата целлюлозы. Поэтому применяемые при производственном контроле определения вязкости концентрированных (25—26%-ных) и разбавленных (0,25%-ных) растворов служат известной характеристикой химической однородности продукта. Чем ниже вязкость концентрированных растворов при одной и той же вязкости разбавленных растворов или, наоборот, чем выше вязкость разбавленных растворов при одной и той же вязкости концентрированных растворов, тем более однороден ацетат целлюлозы по химическому составу. Достаточно простых прямых способов определения химической однородности ацетатов целлюлозы не имеется.
Для триацетата целлюлозы достаточно высокой степени замещения химическая неоднородность имеет меньшее значение.
Важное значение имеет неоднородность ацетатов целлюлозы по молекулярной массе. Особенное влияние на свойства ацетатных волокон оказывает содержание низкомолекулярных фракций (со степенью полимеризации меньше 100—120). Содержание этих фракций в ацетатах целлюлозы не должно превышать 5—6%. При более значительном содержании резко ухудшаются физико-механические показатели ацетатных волокон.
Фильтруемость, прозрачность и прядомость растворов ацетатов целлюлозы оказывают решающее влияние на процесс подготовки прядильного раствора к формованию и процесс формования нитей (жгутов). Загрязнение раствора ацетата целлюлозы механическими примесями и присутствие в нем набухающих, но нерастворимых комочков ацетатов целлюлозы, так называемых гель-ча- стиц, значительно ухудшает фильтруемость растворов.
Чем выше прозрачность раствора вторичного ацетата целлюлозы в ацетоне или триацетата целлюлозы в метиленхлорпде, тем выше качество прядильного раствора и тем легче он фильтруется. Прозрачность 10%-ного раствора ацетата целлюлозы в ацетоне должна быть не ниже 17—20 см (по методике измерения высоты столба жидкости, при которой становится невидимым черное пятно)-
Прядомость концентрированного раствора определяется по его способности образовывать тонкую нить. Для этого из раствор3 ацетатов целлюлозы формуют нить при разных скоростях и ра3 236
личной фильерной вытяжке. Чем большую скорость формования нити или большую фильерную вытяжку можно применить, тем лучше прядомость раствора ацетатов целлюлозы.
Зольность ацетатов целлюлозы должна бытр минимальной. Остаток после сжигания образца — не более 0,1%.
Кислотность ацетатов целлюлозы должна быть не более 0,02%. Чем выше кислотность, тем больше опасность коррозии трубопроводов и аппаратуры и попадания в прядильный раствор солей железа и других металлов.
Термостойкость — стойкость ацетатов целлюлозы к действию высоких температур, определяется путем постепенного нагревания образца и определения температуры, при которой начинается его потемнение (начало разложения). Чем выше.эта температура, тем меньше в ацетатах целлюлозы менее стойких сульфоэфирных групп (которые омыляются при повышенной температуре, образуя серную кислоту, вызывающую разложение ацетатов целлюлозы) и выше термостойкость ацетатных волокон.
Термостойкость ацетатов целлюлозы, применяемых для производства диацетатных или триацетатных волокон, должна быть не ниже 210 °C.
ПОЛУЧЕНИЕ ДИАЦЕТАТНОЙ НИТИ
Приготовление прядильных растворов
Процесс приготовления раствора для формования диацетатной нити включает следующие операции: смешение нескольких партий ацетата целлюлозы, растворение его, фильтрование и обезвозду- шивание раствора.
Смешение ацетата целлюлозы. Для получения более однородного по составу прядильного раствора, ацетаты целлюлозы различных партий, поступающие для производства диацетатной нити, смешиваются в башнях силосного типа.
Хранить и смешивать ацетат целлюлозы лучше всего на специальном складе. Такой склад состоит из башен силосного типа, в которых проводится непрерывное смешение ацетата целлюлозы в количестве, обеспечивающем месячный запас. В башни ацетат целлюлозы загружается при помощи шнеков (винтовых конвейеров) или пневмотранспортом. Смешанный ацетат целлюлозы из башен подается к загрузочным бункерам периодически, по мере надобности. В результате длительного (многодневного) смешения ацетат целлюлозы настолько измельчается, что дополнительного измельчения не требуется.
Растворение. Для формования нитей из вторичного ацетата целлюлозы применяется концентрированный (24—26%-ный) раствор ацетата целлюлозы в смеси, состоящей из ацетина (95%) и во- Аы (5%).
Рис. 15.3. Вертикальный растворитель для ацетатов целлюлозы:
1 — фланцевый электродвигатель; 2—редуктор; 3—загрузочный люк; 4 — крышка из биметалла (внутренняя поверхность —нержавеющая сталь); 5 — штуцер для ввода горячей воды; 6— штуцер для ввода холодной воды; 7— штуцер для отвода холодной воды; 8— штуцер для отвода горячей воды; 9— корпус из биметалла (внутренняя поверхность— нержавеющая сталь); 10 — рубашка для обогрева или охлаждения; 11 — штуцер для подачи растворящей смеси; 12— лопасти мешалки;
13 — вал мешалки; 14—-штуцер для взятия пробы раствора; 15— штуцер для выгрузки раствора.
Необходимость использований бинарного растворителя связана с химическим строением вторичного ацетата целлюлозы (наличие ацетильных и гидроксильных групп). В случае применения в качестве растворителя одного ацетона растворы получаются значительно более структурированные и вязкие, нить в процессе формования менее пластична, что осложняет техноло
гический процесс; при избыточном количестве второго компонента (воды) ухудшается качество раствора и полученных из него нитей.
Растворение ацетата целлюлозы проводится в вертикальных (рис. 15.3) или горизонтальных растворителях с лопастными или винтовыми мешалками. Растворители как и все остальное оборудование химического цеха изготовляют обычно из стали, защищенной от коррозии эмалью, керамическими плитками или оцинковкой. Покрытия необходимы для защиты аппаратуры от коррозии, возникающей под действием следов свободной кислоты, содержащейся в растворе, а главное, с целью предотвращения образования солей железа, оказывающих вредное действие при их попадании в раствор. При применении оцинковки требуется, чтобы кислотность раствора не превышала установленной нормы.. Иногда растворители изготовляют из биметалла. В этом случае их внутренняя поверхность покрывается нержавеющей сталью. Растворитель снабжен рубашкой для подогрева или охлаждения раствора.
Растворение обычно проводится следующим образом. Включают мешалку и с помощью счетчиков-дозаторов заливают определенное количество растворителя. Затем постепенно загружают точно взвешенный ацетат целлюлозы. При перемешивании вязкого раствора выделяется значительное количество тепла (в результате перехода механической энергии в тепловую), раствор сильно нагревается, поэтому аппарат охлаждают водой с тем, чтобы температура раствора не превышала 40—45 °C. В случае необходимости на первой стадии растворения раствор подогревают до 40 °C. Если концентрация ацетата целлюлозы в растворе отклоняется от заданной более, чем на 0,25%, в растворитель добавляют ацетон или
ацетат целлюлозы, после чего раствор перемешивают от 20 мин (при добавлении ацетона) до 2 ч (при добавлении ацетата целлюлозы). Продолжительность процесса растворения составляет 5—7 ч, общий цикл работы растворителя с учетом времени, затраченного на загрузку и выгрузки — 7—9 ч, вязкость раствора — 700—900 с.
Из растворителя прядильный раствор поступает в промежуточные баки, в которых создается запас прядильного раствора перед первой фильтрацией. Фильтрация раствора из промежуточного бака более целесообразна, чем из дорогостоящего растворителя. При наличии промежуточного бака, растворитель быстро освобождается и может быть использован для проведения следующего цикла растворения. Продолжительность нахождения прядильного раствора в промежуточных баках зависит от скорости фильтрования и емкости бака. Для передачи прядильного раствора из растворителя в бак и создания давления перед фильтрованием используются зубчатые или трехплунжерные насосы.
Использование отходов. Отличительной особенностью производства ацетатных волокон является возможность утилизации бракованных нитей (отходов) путем их растворения вместе с ацетатом целлюлозы. Отходы (около 5% от общего выпуска) добавляют к ацетату целлюлозы при его растворении. Туда же может добавляться раствор, стекающий на поддоны во время перезарядки фильтр-прессов.
Фильтрование. Для улавливания случайных крупных механических загрязнений раствор перед фильтрованием пропускают через фильтр-ловушку, представляющую собой фильтр с корзинообразной сеткой.
Для фильтрования ацетатных растворов, более вязких, чем вискоза, применяют рамные фильтр-прессы, рассчитанные на фильтрование при повышенном давлении. Такой фильтр-пресс имеет чередующиеся плиты и рамы и нержавеющие сетки между ними. Поверхность фильтрации составляет 24—50 м2. Плиты и рамы изготовлены из оцинкованного чугуна. Обычно раствор подвергается трех-, четырехкратной фультрации.
Применение тканых фильтровальных материалов и невысоких Давлений экономически невыгодно, так как в этом случае невозможно проводить фильтрование при высоких скоростях и получать чистые растворы. На современных заводах ацетатных волокон применяют бумажные фильтровальные материалы и фильтр-прессы, рассчитанные на высокое давление до 3,6 МПа, создаваемое Дрехплунжерными насосами. В качестве фильтровальных материалов при первой фильтрации используется гофрированная бумага, прессованная вата, которая равномерно распределена между двумя слоями марли, и хлопчатобумажная ткань типа миткаля или бязи, которая имеет вспомогательное значение (облегчает очистку пресса во время смены фильтровальных материалов), а на второй и третьей фильтрациях — гофрированная бумага между двумя слоями хлопчатобумажной ткани. Для первой, второй и третьей фильтрации употребляется соответственно 20—30, 30—40 и 40—50
слоев бумаги. Скорость фильтрования одинакова на всех стадиях фильтрования и достигает 30 л/(м2-ч). Начальное давление составляет 0,6—0,8 МПа. Смена фильтровальных материалов производится при повышении давления до 2,4 МПа. Раствор перед фильтрованием не подогревается. Поступающий на первую фильтрацию прядильный раствор имеет температуру 40—45 °C. В химическом цехе поддерживается температура 27—28 °C. При этой температуре и проводят вторую и третью фильтрации, так как при более высокой температуре проскакивают гелеобразные частицы.
На некоторых заводах для улучшения чистоты профильтрованного раствора применяют вспомогательное вещество, представляющее собой измельченную листовую целлюлозу, которое замешивают при растворении ацетата целлюлозы. Прядильный раствор циркулирует через фильтр-пресс, при этом на фильтровальном материале образуется слой вспомогательного вещества.
Профильтрованный раствор начинают отбирать с фильтр-пресса после того, как образуется дополнительный, достаточно равномерный и плотный слой фильтровального материала. Этот метод более целесообразно используется при фильтровании триацетатных растворов, которые почти не содержат воды, вызывающей набухание вспомогательного вещества. Целлюлозу, обычно поставляемую на завод в виде листов, измельчают и пневмотранспортом через циклон подают в растворитель в виде волокон длиной 2—3 мм и диаметром 20—30 мкм. Обычно добавляют от 1 до 2% таких волокон от массы триацетата целлюлозы. При фильтровании образуется слой из вспомогательного вещества, причем на 1 м2 фильтрующей поверхности наносится не менее 1 кг вспомогательного вещества.
Обезвоздушивание. Воздух из прядильного раствора удаляется I при нормальном давлении, что связано с большой летучестью ацетона. При хорошей герметичности оборудования и циркуляции прядильного раствора после перезарядки фильтр-прессов попадание воздуха в прядильный раствор значительно уменьшается. Поэтому продолжительность эвакуации воздуха из раствора (в вертикальных баках) составляет не более 5—7 ч.
Обезвоздушивание растворов на заводах ацетатных волокон обычно проводят не путем периодического заполнения, выстаивания и затем опорожнения бака, а при непрерывной подаче и отборе раствора из заполненных баков.
Матирование и крашение в массе■
Если требуется уменьшить блеск сформованных нитей, в пр™ дильный раствор вводят матирующее вещество — двуокись титана. Двуокись титана подается в растворитель в виде сухой крошки а чаще всего она смешивается с ацетатом целлюлозы. Однако при этом необходимо учесть, что влажность вторичного ацетата пел-
* Сухая крошка представляет собой смесь ацетата целлюлозы и двуокиси титана.
люлозы должна быть не выше 3%. В противном случае распределение частиц TiO2, вызванное электростатическим притяжением, будет неравномерным. Содержание двуокиси титана в сформованной нити составляет от 0,5 до 2%.
В ряде случаев экономически целесообразно получать окрашенную нить непосредственно на заводах ацетатных волокон. При этом крашение в масле производится теми же способами, что и крашение в масле вискозных волокон, т. е. введением красителя при приготовлении прядильного раствора (в растворителе) или же добавлением его в прядильный раствор непосредственно перед формованием при помощи так называемого закрашивающего аппарата.
Применение первого метода целесообразно в случае, если планируется выпуск ацетатной нити определенного цвета в течение длительного времени, так как при переходе на выпуск нити, окрашенной в другой цвет, требуется предварительная тщательная очи-, стка всей системы. Для крашения используются как ацетонорастворимые красители, так и пигменты в виде крошки или вальцованной массы (так называемой вальцмассы), которые вводятся в растворитель одновременно или после загрузки в него соответствующего количества отфильтрованного прядильного раствора. Затем на 4:—7 ч включается мешалка. По окончании работы мешалкн включается насос для циркуляции раствора. Общий цикл растворения красителя составляет 8—10 ч. После фильтрования и обезвоздуши- вания окрашенный раствор подается в коллектор прядильной машины.
Иногда готовят раствор красителя (с концентрацией 5—10%) в ацетоне, содержащем некоторое количество ацетата целлюлозы (например, 12%), а затем смешивают этот раствор с неокрашенным и нематироваиным прядильным раствором.
Применение пигментов в виде крошки (вальцмассы) обеспечивает стабильность высокодисперсной суспензии красителя и равномерность распределения его в прядильном растворе. Для получения крошки пигмент смешивают с сухим ацетатом целлюлозы в течение 15 мин, добавляют ацетон и перемешивают еще 1—2 ч, затем дают возможность испаряться ацетону в течение 1—2 ч. Ацетат целлюлозы, пигмент и ацетон берут в соотношении 2:2:3. Для полного Удаления ацетона полученную крошку сушат глухим паром в том же аппарате. Иногда для образования стабильной суспензии краситель смешивают сначала с водным раствором стабилизатора (например, с препаратом ОС-20), а затем с раствором ацетата Целлюлозы в ацетоне. После отгонки ацетона пластичную' смесь иногда вальцуют и превращают в крошку.
В случае крашения раствора в массе с помощью закрашивающего аппарата маточный раствор красителя смешивается с нема- ированным прядильным раствором перед поступлением на пря- Дильную машину.
В затиратель закрашивающего аппарата непрерывно подается °чно дозируемое количество прядильного раствора и маточного Раствора красителя, которые смешиваются в нем, затем окрашен-
ный раствор также непрерывно подается на прядильную машину. При этом способе труднее получить равномерно окрашенную нить, но проще обеспечить широкую гамму цветов и переход на другой цвет. При крашении с помощью закрашивающего аппарата употребляются только ацетонорастворимые красители, так как пигментные красители в маточном растворе выпадают в осадок.
Обычно на заводе выпускают одновременно нити не более 8—10 цветов. Целесообразно в числе заданных цветов вырабатывать нить, окрашенную в черный цвет. Это позволяет использовать бракованные цветовые нити, растворять их и добавлять полученный раствор в прядильный раствор для формования нити черного цвета.
Техника безопасности. Приготовление прядильного раствора ацетата целлюлозы связано с применением ацетона, пары которого- легко воспламеняются. В связи с этим в химическом цехе ацетатного производства должны быть приняты все необходимые меры для устранения возможности воспламенения паров ацетона. Вся аппаратура и трубопроводы заземляются, а электрооборудование и осветительная арматура должны быть во взрывобезопасном исполнении. Технологические операции в аппаратах, содержащих ацетон или прядильный раствор, проводятся в среде инертного газа. Помещения химического и прядильного цехов оборудуются спринклерной системой, которая при повышении температуры в цехе (возгорании) автоматически включается, при этом окружающее пространство орошается водой.
Формование диацетатной нити
Диацетатная нить формуется в основном сухим способом, т. е. элементарная нить образуется в результате испарения растворителя из струек раствора, вытекающих из отверстий фильеры.
Формование нити проводят в закрытой шахте, через которую продувают подогретый воздух. Сформованная нить по выходе из шахты принимается на вращающийся приемный диск или бобину. Химический состав полимера при формовании не изменяется.
По сравнению с мокрым формованием нити из растворов (например, из вискозы, медноаммиачного раствора) метод сухого формования имеет ряд преимуществ.
Для формования нити можно применять более концентрированные (в 2—3 раза) растворы. При этом уменьшается емкость баковой аппаратуры, снижается объем и удельный расход регенерируемого растворителя, сокращаются производственные площади химического цеха и отделения регенерации растворителя.
Нить формуется со значительно более высокой скоростью (в 5—10 раз). При мокром способе скорость формования в основ; ном ограничивается гидравлическим сопротивлением осадительной ванны и увеличением разбрызгивания жидкости мокрой нитью- При сухом формовании это ограничение отпадает. Благодаря боль-। шим скоростям формования увеличивается производительн0СТу| ,242■
прядильных машин и соответственно снижаются затраты труда на их обслуживание, сокращаются производственные площади цехов.
Сформованную нить не требуется подвергать мокрым обработкам и сушке. Поэтому отпадает необходимость в отделочно-су- щильном цехе.
Резко сокращается себестоимость ацетатных волокон благодаря упрощению технологического процесса.
При формовании сухим способом нить движется сверху вниз, а подогретый воздух снизу вверх, т. е. навстречу нити. Этот способ подачи воздуха называется противоточным.
Такой способ подачи воздуха является наиболее рациональным, так как он обеспечивает эффективное испарение растворителя. Это объясняется тем, что формующаяся нить в верхней части шахты встречается с несколько остывшим в результате испарения растворителя воздухом (60—65°C), насыщенным парами растворителя, благодаря чему создаются мягкие условия формования, т. е. растворитель испаряется относительно медленно. Сформованная нить встречается в нижней части шахты со свежим горячим воздухом (80—85°C), не содержащим паров растворителя. Этим создаются наилучшие условия для удаления следов растворителя из нити. В описанном случае можно обеспечить высокие скорости формования при сравнительно небольшой высоте шахты.
' Однако наряду с противоточным часто применяется прямоточный способ, предусматривающий подачу подогретого воздуха в верхнюю часть шахты параллельно вытекающим струйкам прядильного раствора.
Применение такого способа, несмотря на его недостатки (большая высота шахты машины, достигающая 5—7 м; пониженная скорость формования, необходимость подогрева воздуха по ходу движения нити при помощи обогревающих рубашек), связано с трудностями, возникающими при создании прядильных машин, работающих по противоточной системе подачи воздуха (трудность заправки нити при обратном токе воздуха). В конструкциях машин, применяемых на современных заводах, эти затруднения устранены.
Следует отметить, что при использовании некоторых систем растворителей и формовании по прямоточной схеме получают нить, обладающую улучшенными механическими свойствами (в частности, повышенной прочностью), так как нить в течение более Длительного времени находится в пластифицированном состоянии, при котором за счет продольных напряжений возможна некоторая ориентация макромолекул и их агрегатов *.
Иногда применяют также прядильные машины, работа которых основана на принципе комбинированной подачи воздуха. В этом случае свежий нагретый воздух подается в нижнюю часть шахты, свежий воздух с более низкой температурой — в верхнюю часть ^ахты, а отбор газовоздушной смеси производится примерно на
Сир * Триацетатные нити чаще формуют на прядильных машинах с прямоточной "«-темой подачи воздуха.
Рис. 15.4. Схема машины ПА-240-И для формования диацетатной нити:
/ — растворопровод; 2—фильтр-па лец; 3—прядильная головка* 4—прядильная шахта; 5 — шахтная коробка; 6 — линия подачи газовоз, душной смеси на регенераиию- 7 — замасливающее устройство* 8— приемный диск; 9—электровере- теио; 10—кольцо; 11— траверса; 2—механизм лодьема веретен
'/з высоты шахты, считая от ее верха. При комбинированной подаче воздуха можно регулировать температуру в более широком диапазоне в наиболее ответственной фазе— при выходе раствора из фильеры.
Прядильные машины для формования ацетатной нити. Ниже описывается устройство прядиль-' ной машины, работающей по системе подачи воздуха противотоком.
Машина ПА-240-И для формования диацетатной нити (рис. 15.4) представляет собой двухэтажную, двухстороннюю машину с проходом. На каждой стороне машины
имеется 50 прядильных мест. Механизмы, расположенные на каждой стороне машины, работают обособленно со своими приводом насосного вала, приемными дисками, замасливающими шайбами, а также вентилятором для подачи технологического воздуха. Это дает возможность не останавливать машину при ремонте.
Профильтрованный и обезвоздушенный раствор подается в растворопровод машины зубчатым насосом производительностью 250 см3 за 1 оборот. Затем через насосную стойку раствор зубча- । тым насосом (производительностью 1,75 см3 за 1 оборот) подаетсяЦ в фильтр-палец с фильтрующей поверхностью 300 см2 Раствор пе-И ред подачей к фильере подогревается в змеевиковом теплообмен-■ нике водой с температурой 75—78 °C.Я
• Каждое прядильное место снабжено поршневым насосом, кото-И рый приводится в действие вручную и служит для кратковремеВ'И ного увеличения давления перед фильерой. Это необходимо в мо*Д
мент заправки, чтобы обеспечить быстрое продавливание и предотвратить растекание раствора по ее поверхности.
Воздух (очищенный.через ватный фильтр) подается в нижнюю часть шахты и удаляется из верхней. Давление в воздуховоде после вентилятора составляет 5,6—6,0 кПа. На этой машине нить легко заправляется, несмотря на то, что воздух подается в нижнюю часть машины. Во время заправки люк с отверстием для прохода нити открывается, и поток воздуха направляется в образовавшееся большое отверстие, не препятствуя движению нити. Затем люк закрывается, и поток воздуха устремляется в направлении, обратном движению нити (в верхнюю часть шахты).
Высота шахты составляет 3 м, диаметр—150 мм, расстояние между шахтами — 240 мм.
По выходе из шахты нить замасливается с помощью двух стальных шайб. Нижняя шайба погружена в замасливатель и фрикционно вращает верхнюю шайбу, которая состоит из двух дисков и имеет U-образную поверхность и зазор. Проходя через зазор, нить замасливается. Количество наносимого на нить замас- ливателя регулируется путем изменения частоты вращения замасливающих дисков и зазора верхней шайбы.
После замасливания нить принимается на приемный диск и через нитепроводник поступает на кольцекрутильную часть машины (рис. 15.5).
Приемный диск является элементом, определяющим скорость формования нити. Он синхронно связан с приводом дозирующего насоса таким образом, что с изменением скорости формования (например, из-за колебания напряжения в сети) соответственно
рис. 15.5. Кольцекрутильная (нижняя) часть машины ПА-240-И для формования диацетатной нити:
бобина; 2— приемный диск; 3— запасная бобина.
изменяется скорость подачи раствора. Благодаря этому линейная плотность формуемой нити не изменяется.
Индивидуальные электроверетена могут вращаться с частотой 6000, 8000 и 10 000 об/мин. На валу электроверетена укреплен бо- бинодержатель. Бобина изготовлена из анодированного алюминия с пластмассовым кольцом в верхней части. Высота бобины — 203 мм, масса нити на бобине — 800—850 г, крутка— 10— 15 витков/м.
На кольцо подается смазка через фитиль. Так как скорость вращения приемного диска' остается постоянной, а толщина намотки возрастает, крутка в конце намотки несколько уменьшается. Движение в вертикальном направлении совершают веретена с бобинами, а кольцевая планка остается неподвижной. Это очень важно для образования устойчивого постоянного баллона (уменьшается возможность обрыва нити) и для упрощения заправки. Бобины движутся в вертикальном направлении с помощью гидропривода.
В последние годы большинство прядильных машин для формования ацетатных нитей реконструировано, в результате чего удалось повысить скорость формования и массу нити на паковке. Скорость формования достигает 650—700 м/мин за счет небольшого увеличения высоты шахты (на 0,5—1 м) и некоторого изменения параметров формования. Масса нити на паковке составляет 1800 г. Для приема нити используют бобину большей высоты, увеличивают длину хода траверсного механизма. Увеличение массы паковки позволяет повысить производительность труда в цехах формования и текстильной переработки.
Параметры процесса формования. Остановимся на основных параметрах формования, определяющих качество получаемых нитей и экономичность процесса.
Скорость формования зависит от ряда факторов, в частности от высоты шахты и температурного режима в ней, содержания ацетата целлюлозы в растворе и ацетона в шахте, линейной плотности элементарной и комплексной нитей, способа подачи воздуха.
При одном и том же способе подачи воздуха скорость формования тем выше, чем больше высота шахты и выше температура газовоздушной смеси в ней, чем выше содержание ацетата целлюлозы в растворе и ниже концентрация ацетона в шахте, чем выше температура раствора в нагревательной головке и меньше линейная плотность формуемой нити. Однако следует иметь в виду, что значительное повышение температуры газовоздушной смеси и снижение концентрации ацетона в шахте могут привести к очень быстрому испарению ацетона и уменьшению пластичности нити в процессе формования, что вызывает резкое ухудшение ее качества.
Большое влияние на скорость формования оказывает способ подачи воздуха. Так, при приблизительно равной высоте шахты (3—3,5 м) скорость формования на прядильных машинах с про-
тивоточной системой подачи воздуха составляет 500—600 м/мин, на прядильных машинах с прямоточной подачей воздуха — 250—300 м/мин. Для повышения скорости формования на прядильной машине с прямоточной подачей воздуха, приходится, как уже указывалось, увеличивать высоту шахты до 5—7 м, что влечет за собой увеличение высоты прядильного цеха и усложнение обслуживания машины.
На прядильных машинах с противоточной подачей воздуха при таком увеличении высоты шахты скорость формования нити достигает 900—1000 м/мин.
В последние годы большая часть прядильных машин типа ПА-240 реконструирована; скорость формования нитей на этих машинах достигает 700 м/мин. При реконструкции или создании новых машин увеличение скорости формования должно сопровождаться изменением других параметров, в частности уменьшением фильерной вытяжки и улучшением качества прядильных растворов, а следовательно и исходного ацетата целлюлозы.
Концентрация паров ацетона в шахте. При установлении параметров процесса формования необходимо учитывать, что ацетон образует с воздухом смесь, которая при концентрациях 60—290 мг/л взрывоопасна. Обычно концентрация паров ацетона в шахте составляет 25—45 мг/л, т. е. меньше нижнего предела взрывоопасности. При дальнейшем понижении содержания ацетона в воздушной смеси увеличивается расход пара и электроэнергии, снижается эффективность регенерации растворителя, ухудшаются условия формования нити (получается хрупкая нить). Концентрация паров ацетона в шахте регулируется изменением количества подаваемого воздуха. Расход воздуха при заданной концентрации зависит от скорости формования и линейной плотности нити и составляет обычно для одной шахты 8— 30 м3/ч. Очень важно, чтобы количество воздуха, подаваемого на всю машину и на каждую шахту, оставалось постоянным.
Температурный режим в шахте зависит от спосэба подачи воздуха. При прямоточном способе в верхнюю часть шахты подается воздух с температурой 38—42°C. Для компенсации тепла, расходуемого на испарение ацетона из формующихся нитей, и для постепенного повышения температуры паровоздушной смеси по ходу нити шахты обогреваются горячей водой (80— 85°C). При этом температура паровоздушной смеси в шахте повышается до 56—60°C. В случае противоточного способа подачи воздуха, как уже указывалось, создаются наиболее благоприятные Условия для испарения остаточного растворителя. Температура подаваемого и удаляемого из шахты воздуха составляет соответственно 80—85 и 50—60°C, т. е. температура у фильеры выше, Чем при прямоточном способе благодаря более высокому содержанию паров растворителя в паровоздушной смеси.
При одном и том же способе подачи температура воздуха, поступающего в шахту, тем выше, чем ниже концентрация ацетата Целлюлозы в прядильном растворе, выше концентрация паров
растворителя в шахте, больше скорость формования, ниже высота прядильной шахты, больше линейная плотность получаемой нити и ниже температура раствора после прядильной головки. При понижении температуры воздуха элементарные нити склеиваются, при повышении температуры воздуха ухудшаются свойства нити, которая получается менее прочной и более ворсистой вследствие неравномерной структуры элементарных нитей, получающейся из-за интенсивного испарения ацетона.
Фильерная вытяжка зависит прежде всего от скорости формования. При увеличении скорости формования фильерную вытяжку уменьшают для более устойчивого формования (уменьшения обрывности). Так, при скорости формования 250— 260 м/мин фильерная вытяжка при диаметре отверстий фильеры 0,07 мм на прядильных машинах с прямоточной подачей воздуха составляет 90—100%. При повышении скорости формования до 500—700 м/мин для уменьшения фильерной вытяжки применяют фильеры с отверстиями меньшего диаметра (0,045—0,060 мм); фильерная вытяжка при этом составляет 15—40% (в зависимости от линейной плотности нити). Очевидно, что при уменьшении диаметра отверстий фильеры необходимо более тщательно фильтровать прядильный раствор.
Температура раствора в прядильной головке также оказывает существенное влияние на процесс формования. Перед поступлением прядильного раствора в фильеру его подогревают для того, чтобы снизить вязкость раствора и облегчить тем самым придавливание его через небольшие отверстия фильеры, ускорить испарение ацетона при формовании элементарных нитей и улучшить качество получаемой комплексной нити. В прядильных машинах с прямоточной подачей воздуха (диаметр отверстий фильеры 0,07 мм) электрообогрев обеспечивал повышение температуры раствора до 58—61 °C при давлении до 1,5 МПа. В прядильных машинах с противоточной подачей воздуха используют фильеры диаметром 0,045—0,060 мм (обычно 0,056 мм), что позволяет поднять давление перед фильерой выше 2 МПа и температуру до 75—80°C (при. таком давлении ацетон не кипит). Раствор подогревается водой с температурой 80—85 °C. jj
Последующая обработка диацетатной нити Я
Замасливание диацетатной нити проводится для снижения электризуемости, уменьшения трения о нитепроводящие детали и получения более компактной комплексной нити (придания связности элементарным нитям).
Для замасливания применяют водные препараты типа неввол, а чаще безводные — на основе минеральных масел (содержащие в своем составе алкилфосфаты и некоторые другие компоненты)-
Применение безводного замасливателя более целесообразно, так как при использовании водной эмульсии нить увлажняется, 248
вследствие чего возрастает ее обрывность при последующей переработке.
Нить, обработанная безводным антистатическим замасливате- лем, меньше электризуется и поэтому лучше перерабатывается на текстильных фабриках, чем нить, замасленная водным препаратом. На нить обычно наносится до 3% замасливателя.
Кондиционирование полученной ацетатной нити происходи! в буферной камере, где она выдерживается в течение 1—2 сут для удаления удержанного растворителя и выравнивания содержания ацетона, замасливателя и влаги в нити различных слоев паковки. От правильности проведения этой операции зависит в первую очередь равномерность готовой нити. В буферной камере производится также первичный контроль бобин и комплектация партий.
Крутка. Полученная ацетатная нить подвергается крутке. В от- 'личие от вискозной нити при повышении крутки до критической физико-механические свойства ацетатной нити, за исключением небольшого повышения прочности, не только не улучшаются, но даже ухудшаются (уменьшается устойчивость к истиранию и снижается число двойных изгибов, выдерживаемых нитью). Кроме того, повышенная крутка невыгодна и с экономической точки зрения: из-за трудоемкости и необходимости иметь большой парк крутильных машин (скорость питания крутильных машин в 8— 10 раз меньше скорости формования). Поэтому большая часть ассортимента текстильной нити выпускается с круткой до 80 витков/м.
Крутку ацетатных нитей обычно проводят на этажных крутильных машинах, позволяющих получать такие паковки ацетатных нитей, которые не нуждаются в дополнительной перемотке (так называемые товарные паковки). При этом учитывают также и то обстоятельство, что по сравнению с вискозной ацетатная нить обладает пониженной абсолютной прочностью из-за меньшей линейной плотности и меньшей относительной прочности. Кольцекрутильные машины для ацетатных нитей применяют реже. Они могут быть использованы в тех случаях, когда выходная паковка не является товарной, а применяется на заводах ацетатных волокон для приготовления основ.
Целесообразно использовать нити с минимальной круткой (10—15 витков/м), полученной на прядильных машинах. Операцию сновки этих нитей выгоднее проводить на заводах ацетатных волокон, а не на текстильных фабриках, так как транспортирование полых бобин (с прядильных машин) нецелесообразна. В настоящее время нить с исходной круткой, полученной после формования, успешно применяется в трикотажной промышленности.
До недавнего времени нить после крутки с браком намотки (15—20% от общего числа паковок) перематывали на конические Шпули на бобинажно-перемоточных машинах. Нить с устранимым браком намотки более целесообразно перематывать на ткацкие Или трикотажные навои.
Применение операции сновки на заводах ацетатных волокон, Ц а не на текстильных фабриках позволяет устранить некоторые; I технологические операции (перемотка, крутка), повысить благо- даря этому качество нити, использовать угары и отходы нитей i (повторное растворение), улучшить механизацию транспортире-Я вания благодаря замене мелкоштучного груза на крупноштуч-Я ный и т. д.'■
В последние годы используется новый метод придания ком- ” пактности ацетатным нитям — аэродинамический, заключающийся в периодическом перепутывании отдельных участков нити непосредственно по выходе ее из шахты прядильной машины. Такая нить в ряде ассортиментов текстильных изделий успешно заменяет обычную крученую ацетатную нить.
Ацетатные нити термопластичны, поэтому из них, также как и из синтетических, могут быть получены высокообъемные нити. Однако диацетатные и триацетатные нити стали использовать для производства'объемных нитей сравнительно недавно, после того как изделия из синтетических высокообъемных нитей уже получили всеобщее признание.
Наибольшее распространение для производства высокообъемной ацетатной нити получил метод ложной крутки. Принцип этого метода состоит в том, что нить вначале подвергают крутке в одну сторону. Это высокая крутка закрепляется (фиксируется) при повышенной температуре. Затем нить крутят в противоположную сторону. Так как первоначальная крутка была зафиксирована, то возникшие напряжения после крутки в противоположную сторону придают волокнам нити неопределенную по форме извитость, благодаря чему нить становится упругой, способной сильно вытягиваться, причем отдельные нити при этом становятся параллельными (отсюда термин «ложная крутка»).
Для получения высокообъемной диацетатной или триацетатной нити используют способ ложной крутки.
Поскольку ацетатные волокна имеют сравнительно невысокую прочность, в ряде случаев целесообразно получать комбинированные высокообъемные нити, в которых ацетатная нить сочетается с более прочной синтетической (например, полиамидной или полиэфирной) нитью (обычно мононитью). Этим же вызвана мень- • шая частота вращения вьюрка при ложной крутке ацетатных нитей (обычно не выше 100 000 по сравнению с 400 000 об/мин для синтетических нитей). Крутка, сообщаемая вьюрком, составляет ‘ 1500—3000 витков/м. Рабочая температура в термокамере в зависимости от способа нагрева и типа машины находится в пределах 170—200 °C.
Известны и другие способы получения извитых ацетатных нитей. Например, на прядильной машине с помощью специальной фильеры получают комплексную нить, каждая элементарная нить которой по всей длине состоит из ацетата целлюлозы и полимера,
имеющего другую усадку. Поэтому в результате гидротермической обработки (кипячение) нить извивается.
После описанных операций нить сортируется, упаковывается и отправляется потребителям.
Улавливание летучих растворителей
Производство ацетатных волокон может быть рентабельным только при достаточно полном улавливании и возврате летучих растворителей, применяемых для получения прядильного раствора.
Методы рекуперации растворителей, применяемые в производстве ацетатных волокон, могут быть подразделены на три группы.
К первой группе относятся методы адсорбции, основанные на , поглощении растворителя твердыми пористыми телами с высокоразвитой поверхностью (активированный уголь, силикагель); ко второй группе — методы абсорбции, основанные на поглощении растворителей жидкостями, в частности водой; в третьей группе — методы конденсации, которые включают способ охлаждения паров растворителя до —70°C и комбинированный способ, заключающийся в охлаждении (до —10°C) с одновременным сжатием паровоздушной смеси.
Наибольшее распространение получил метод рекуперации растворителя активированным углем. Газовоздушную смесь, отсасы- ■ ваемую из шахт прядильных машин, фильтруют, охлаждают в холодильнике до 25 °C и направляют в адсорбер — вертикальный или горизонтальный аппарат, заполненный активированным углем.
Большинство отечественных заводов диацетатных и триацетатных волокон оснащены адсорберами с кольцевым слоем угля. Благодаря развитой поверхности слоя угля, при одной и той же емкости уменьшается продолжительность всех фаз цикла адсорбции и увеличивается производительность аппарата. Общая продолжительность трехфазного цикла работы такого адсорбера в зависимости от марки угля колеблется обычно от 1,5 до 2 ч.
Продолжительность адсорбции составляет 50—60 мин, после чего подачу паровоздушной смеси переключают на второй адсорбер.
Насыщенный активированный уголь регенерируется и вновь используется. Отгонка поглощенного растворителя — десорбция — проводится водяным паром (обычно при избыточном давлении 0,21 МПа и температуре 135СС); температура угля при этом не превышает 120 °C. После отгонки смесь паров воды и ацетона конденсируется в конденсаторе-холодильнике. В процессе Десорбции возможно образование агрессивных муравьиной и уксусной кислот. Поэтому перед ректификацией их нейтрализуют обычно 2%-ным раствором NaaCO3. Полученную водно-ацетоно- вУю смесь подвергают разгонке на ректификационных колпачковых колоннах непрерывного действия.х
После десорбции уголь сушат нагретым воздухом (45—60°C), при этом уголь охлаждается. Такое совмещение двух операций позволяет использовать сокращенную трехфазную схему вместо классической четырехфазной (адсорбция, десорбция, сушка и охлаждение). При адсорбции активированным углем улавливается не менее 95% ацетона, поступившего на рекуперацию.j
ПОЛУЧЕНИЕ ТРИАЦЕТАТНОЙ НИТИj
' Из триацетата целлюлозы также получают нити высокого чества, используемые для производства предметов народного требления и технических изделий.4
В пятидесятых годах отечественной промышленностью выпускали триацетатные волокна из триацетата целлюлозы,, полученного ацетилированием целлюлозы в гетерогенной среде. Формование проводилось мокрым способом в метиловый спирт при температуре —20 °C.
Этот метод технически несовершенен и обладает многочисленными недостатками (небольшие скорости формования, наличие процесса сушки нити, использование токсичного метанола, низкая температура осадительной ванны, обусловливающая необходимость применения холодильных установок. Усовершенствованный метод сухого формования основан на использовании раствора триацетата целлюлозы, полученного ацетилированием в гомогенной среде, в смеси метиленхлорида и метанола или этанола спирта (91 :9); Концентрация триацетата целлюлозы в таком растворе достигает 20—22%. Формование нити проводят в токе горячего воздуха. Приготовление прядильного раствора, формование и последующая обработка нити могут осуществляться на оборудовании, аналогичном применяемому для получения нити из вторичного ацетата целлюлозы; однако оно должно быть выполнено из материалов, обладающих большей коррозионной стойкостью.
Процессы производства триацетатных нитей сухим способом и диацетатных нитей имеют некоторые различия.
Триацетат целлюлозы и метиленхлорид должны содержать соответственно не более 1 и 0,1% воды, так как вода ухудшает растворимость триацетата целлюлозы и осложняет процесс формования нити. Кроме того, метиленхлорид в присутствии воды вызывает коррозию черного металла.
Растворы триацетата целлюлозы в смеси метиленхлорида и спирта более вязкие, чем растворы вторичного ацетата целлюлозы той же концентрации в смеси ацетона и воды. Поэтому для формования применяют менее концентрированные (на 3—5%) растворы.
Для улучшения условий формования — предупреждения быстрого высаждения полимера из раствора — нужно обеспечивать ие только пониженное содержание воды (не более 0,5%) в растворе.
но и подавать в шахты подсушенный горячий воздух, содержащий в 1 м3 не более 8 г воды. Это связано с худшей растворимостью триацетата целлюлозы.
Для уменьшения возможности обрыва триацетатной нити, которая в процессе формования менее пластична, чем диацетатная, фильерная вытяжка должна быть очень -малой (близкой к нулю).
Для уменьшения фильерной вытяжки применяют фильеры, размеры отверстий в которых, как правило, меньше, чем при формовании диацетатной нити (менее 50 мкм). За счет уменьшения концентрации полимера в растворе (обычно 20—21% вместо 25%) фильерная вытяжка также может снижаться.
На ряде заводов используются машины с прямоточной схемой подачи воздуха, что, как уже указывалось выше, обеспечивает некоторое повышение прочности нити (по сравнению с противоточной схемой). Большая часть узлов машины аналогична применяемым на машине ПА-240-И, однако растворопроводящие и соприкасающиеся с парами метиленхлорида и свежесформованной нитью детали машин должны быть изготовлены из металлов и сплавов, более стойких к коррозии. В подогревателе раствор нагревается водой с температурой 75—80°C. Так как воздух подается по направлению движения нити, необходимо обеспечить подогрев паровоздушной смеси, охлаждающейся вследствие испарения растворителя. Поэтому большая часть шахты обогревается горячей водой через рубашки, а верхняя часть шахты не имеет рубашки. Узел замасливания аналогичен применяемому на машине ПА-240-И. Масса наработанной на бобину нити составляет 1800 г.
Вследствие более низкой температуры кипения метиленхлорида (40—41 °C) по сравнению с ацетоном (56 °C) формование нити происходит при относительно низкой температуре.
Температура паровоздушной смеси повышается от верхней к нижней части шахты от 30—35 до 75—85 °C (обогрев рубашкой). В зависимости от линейной плотности нити скорость формования на этой машине составляет 400—525 м/мин. В последние годы за счет применения модификаторов, снижающих обрывность нити при формовании, и за счет изменения некоторых параметров (повышение температуры обогревающей рубашки и др.) скорость Формования на этой машине достигла 600 м/мин.
Регенерация летучих растворителей проводится в основном так же, как и ацетона — методом адсорбции активированным уг- Лем с последующей десорбцией и ректификацией.
На адсорбере с кольцевым слоем угля продолжительность.адсорбции не превышает 80 мин, десорбции —20 мин, сушки — и мин (при трехфазном цикле).
Схема разделения смеси метиленхлорид— вода — этанол при- д Дена на .рис 15.6. После десорбции в конденсате образуются а слоя. Верхний слой состоит из воды, метиленхлорида (3%) Этанола (4,5%). Нижний слой содержит метиленхлорид с
Рис. 15.6. Схема разделения смеси метиленхлорид — вода — этанол:
/ — колонна разгонки водного слоя; 2—колонна разгонки (осушения) влажного метиленхлорида; 3 н 4—конденсаторы паров азеотропной смеси.
небольшим количеством этанола (0,6%) и воды (0,5%). Эти два слоя подвергают раздельной разгонке на ректификационных колоннах.
Как уже указывалось, повышенное содержание воды в прядильном растворе триацетата целлюлозы отрицательно влияет на свойства раствора и формующихся нитей, а также на условия формования.
В техническом этаноле всегда содержится вода, поэтому перед разгонкой нижнего слоя (влажного метиленхлорида) к нему добавляют спирт в количестве, несколько превышающем расчетное, чтобы осушить метиленхлорид, который затем используется для приготовления растворяющей смеси.
Разгонка влажного метиленхлорида, при которой происходит его осушка, основана на способности метиленхлорида образовывать с водой и спиртом азеотропную (совместно кипящую при 39 °C) смесь. После ректификации смесь, полученная при конденсации паров из верхней части колонны, разделяется на два слоя, имеющие указанный выше состав. Нижний слой вновь подвергается осушке, а верхний соединяется с верхним слоем, полученным из конденсата после десорбции. Кубовая жидкость, представляющая собой смесь метиленхлорида и этанола с содержанием воды не выше 0,1%, используется в производстве. При ректификации водного слоя также образуется азеотропная смесь метиленхлорида, воды и спирта. Полученный конденсат расслаивается на два слоя указанного состава; нижний слой передается на осуш% в ректификационную колонну, а верхний вновь подвергается реК" тификации на колонне водного слоя.
В отличие от других видов искусственных волокон, триацетатные волокна подвергают термообработке. В результате такой о®' работки значительно повышается степень кристалличности нитей- увеличивается устойчивость к сминанию, снижается усадка, повЫ' шается термостойкость. Термообработка проводится при 180^
2106С в течение 1—3 мин горячим воздухом, паром или водой на нагретых металлических поверхностях, а также инфракрасными лучами.
Термообработанные триацетатные волокна характеризуются следующими показателями.
Механические свойства мало отличаются от механических свойств диацетатных волокон. Прочность триацетатных нитей в мокром состоянии снижается несколько меньше, чем диацетатных. Значительно больший модуль мокрой нити (примерно вдвое больше модуля диацетатной нити и втрое—модуля вискозной нити) является одной из главных причин малой сминаемости триацетатных волокон при стирках. По этому показателю триацетатные волокна превосходят и полиамидные волокна.
Плотность триацетатных волокон составляет - 1280— 1320 кг/м3, т. е. почти такая же, как диацетатных волокон (1320 кг/м3).
Светостойкость триацетатных волокон выше светостойкости диацетатных волокон.
Триацетатные волокна обладают высокой термостойкостью; при нагревании почти не дают усадки и меньше теряют прочность, а также имеет более высокую температуру размягчения по сравнению с диацетатными волокнами.
Кондиционная влажность триацетатных волокон составляет 3,5%, т. е. меньше, чем диацетатных волокон. После стирки они поглощают меньше воды, чем диацетатные волокна, и быстро сохнут.
Триацетатные волокна не разрушаются молью и микроорганизмами, не растворяются и не набухают в органических растворителях, в которых набухают и растворяются диацетатные волокна.
Существенным недостатком триацетатных волокон (как и волокон из вторичного ацетата целлюлозы) является малая устойчивость к истиранию. Кроме того, по сравнению с диацетатными волокнами, триацетатные обладают меньшей гигроскопичностью, большей жесткостью и менее приятным грифом. Эти недостатки несколько ограничивают область их применения, особенно для изготовления изделий народного потребления. В чистом виде или в смеси с другими волокнами триацетатные волокна широко применяются для производства детской одежды, платьев и костюмов, брюк, спортивной одежды, верхнего трикотажа и т. д. Одежда из триацетатных волокон хорошо сохраняет свою форму (например, складки), не усаживается и не вытягивается после мокрых обработок. Широкое применение находят высокообъемные триацетат- нЫе нити, особенно для верхних трикотажных изделий. Триацетатные волокна, обладающие хорошими электроизоляционными Характеристиками в атмосфере сухого и влажного воздуха, ис- Пользуется для электроизоляции проводов, для изготовления массных фильтров для автомобилей и для других технических Целей.
Высокие качественные показатели, эффектный внешний вид изделий, удобство ухода за ними, высокая рентабельность производства способствуют росту выпуска триацетатных волокон.
ПОЛУЧЕНИЕ АЦЕТАТНОГО ВОЛОКНА И СИГАРЕТНОГО ЖГУТА
Производство ацетатного волокна
Ацетатное волокно из ацетатов целлюлозы (особенно триацетатное) нашло применение в текстильной промышленности. Изделия из ацетатного волокна обладают меньшей сминаемостью и теплопроводностью, лучшей носкостью и более приятным внешним видом, чем изделия из вискозного волокна. Однако мировое производство ацетатного волокна в последние годы уменьшилось. Это объясняется не столько конкуренцией ацетатных волокон с другими видами волокон, например полиамидным, полиакрилонитрильным и др., сколько необходимостью быстрого развертывания производства сигаретного жгута. Поскольку сигаретный жгут получают по схеме, близкой к схеме производства ацетатного волокна, некоторые действующие заводы по производству ацетатного волокна стали использовать для производства сигаретного жгута. Это вполне оправдано, так как ацетатное волокно является лучшим материалом для изготовления сигаретного жгута, а в текстильной промышленности ацетатное волокно с успехом может быть заменено другими видами волокна.
Известны три способа производства ацетатного волокна: сухой, мокрый и ацетилирование гидратцеллюлозного волокна.
Способ сухого формования. Этим способом диацетатное или триацетатное волокно получают на прядильных машинах, конструкция которых аналогична конструкциям прядильных машин для текстильной нити. Скорость формования при этом несколько снижается, число отверстий в фильере обычно не превышает 200.
Нити, выходящие из каждой шахты, замасливаются, собираются в общий для каждой стороны прядильной машины жгут, затем жгуты с нескольких прядильных машин соединяют в толстый жгут, который пропускают через гофрировочную камеру для придания волокну извитости (термомеханическим способом) и через камеру фиксации извитка, куда подается горячий .воздух, а растворитель отсасывается и затем передается на регенерацию. Полученный жгут режется или отправляется на текстильную переработку в виде жгута. Резаное волокно уплотняется гидравлическим или механическим прессом, упаковывается в кипы мешковиной, стянутой стальной лентой или проволокой.
Этим способом в настоящее время получают основное количество ацетатного волокна, которое по качеству не отличается текстильной нити, однако из-за снижения прочности волоки в пряже примерно в два раза затрудняет ее переработку.
Кроме того, каждое прядильное место имеет ограниченную про- йЗВодительность. Поэтому в последние годы производство диаце- татного и триацетатного волокна методом сухого формования дальнейшего развития не получило.
Способ мокрого формования. Этим методом получают преимущественно триацетатное волокно. Известны два варианта этого метода.
Первый вариант предусматривает формование жгута из раствора триацетата целлюлозы (например, в смеси метиленхлорида л спирта). Хотя скорости формования невелики, производительность одного места может быть высокой вследствие применения фильер с большим числом отверстий (до 20 000—40 000).
По качественным показателям триацетатное волокно превосходит обычные триацетатные волокна. Например, прочность этого волокна в сухом состоянии составляет 180 мН/текс вместо 100— 120 мН/текс для обычных триацетатных волокон. После термообработки ацетатное волокно становится несминаемым, не дает усадки после мокрых обработок и приобретает высокую термостойкость. Триацетатное волокно, полученное способом мокрого формования, обладает повышенной прочностью по сравнению с волокном, полученным способом сухого формования, поэтому из такого волокна можно вырабатывать более тонкую и прочную пряжу, чем из триацетатного волокна, полученного сухим формованием.
Второй вариант описываемого способа — формование жгута из сиропов, т. е. из растворов ацетатов целлюлозы в ацетилирующей смеси. Раствор ацетата целлюлозы в ацетилирующей смеси, полученный при ацетилировании целлюлозы в гомогенной среде, после стабилизации (ацетатом натрия, триэтаноламином или мочевиной), фильтрации и обезвоздушивания подается на формование. Осадительной ванной при формовании ацетатного волокна из растворов ацетата целлюлозы в метилен- хлориде и уксусной кислоте служит этиленгликоль или изопропанол. Более целесообразно формовать ацетатное волокно из уксуснокислых сиропов ацетата целлюлозы, полученных после ацетилирования непрерывным способом. В этом случае в качестве осадительной ванны используется водный 20—30%-ный раствор Уксусной кислоты (иногда добавляют некоторые соли). Скорость формования — 30—50 м/мин. После формования жгут промываемся, гофрируется, замасливается и режется. Резаное волокно сушится и упаковывается.
Формование триацетатного волокна непосредственно из растворов ацетатов целлюлозы в ацетилирующей смеси является наиболее рациональным способом получения волокна, так как отпадают акие операции, как высаживание триацетата целлюлозы из рас- в°Ра, промывка и сушка триацетата целлюлозы, повторное рас- в°рение его для получения прядильного раствора и регенерация растворителей при производстве ацетатов целлюлозы. Общая Р°ДОлжительность процессов сокращается почти в 2 раза.
Ацетилирование вискозного волокна. Этот способ может быть использован и для получения высокопрочного диацетатного волокна. Для этой цели использует. ся высокопрочное вискозное волокно, которое обрабатывают водными растворами солей и затем высушивают. Сущность этой операции состоит в нанесении на вискозное волокно катализатора ацетилирования — водорастворимой соли (напри- мер, CHsCOONa) или смеси солей.
Высушенное ацетилированное вискозное волокно непрерывно подают на сетке в аппарат, в котором циркулируют нагретые пары уксусного ангидрида. По достижении требуемой степени этерификации (50—52% связанной уксусной кислоты) волокно промывают водой в специальном аппарате, затем отбеливают, за. масливают и сушат.
Прочность ацетилированного вискозного волокна (более 250 мН/текс) намного превосходит прочность обычного ацетатного волокна. В мокром состоянии такое волокно теряет только 20% прочности. Кроме того, ацетилированное вискозное волокно, полученное этим способом, обладает всеми положительными- свойствами обычных триацетатных волокон (безусадочностью, стойкостью к действию повышенных температур, несминаемостыо, способностью сохранять приданную форму и т. п.).
Однако производство ацетилированного вискозного волокна, технологический процесс получения которого включает все этапы производства вискозного высокопрочного волокна, нерационально, так как нецелесообразно подвергать высококачественное вискозное волокно столь сложным дополнительным обработкам.
Производство ацетатного сигаретного жгута
Производство ацетатного жгута для сигаретных фильтров в промышленных масштабах началось в пятидесятых годах. К настоящему времени объем производства ацетатного сигаретного жгута в мире в несколько раз превышает объем производства ацетатного волокна. Производство ацетатного жгута для сигаретных фильтров освоено и отечественной промышленностью.
Схема получения ацетатного жгута для сигарет близка к схеме производства ацетатного волокна, особенно жгутового. Его можно получать как способом сухого, так и мокрого формования. Одной из особенностей процесса является то, что получают жгут малого развеса (по толщине одной сигареты).
Для формования используют фильеры как с круглыми, так и с профилированными отверстиями. Последние позволяют получить ацетатное волокно, имеющее большую поверхность и поэтому обладающее повышенной поглотительной способностью. На прядильной машине проводится обработка жгута пластифицирующей композицией, которая должна способствовать формированию стержня из жгута (операция проводится на сигаретной фабрике)- При применении пластифицирующей композиции размягчаются и частично склеиваются отдельные нити, уменьшается электри- зуемость, затрудняющая переработку жгута. Композиция не должна содержать токсичных веществ и сорбировать вредные компоненты табачного дыма.
После формования жгута проводят следующие операции: гофрировку жгута, фиксацию извитка, укладку жгута в коробки. На сигаретной фабрике из жгута формируют стержень: жгут вначале раздувают сжатым воздухом, затем орошают пластификатор01* при повышенной температуре. Стержень разрезают на отрезК11
(длина их в несколько раз больше длины фильтра), которые поступают в автоматы для изготовления сигарет.
Наиболее целесообразно формовать сигаретный жгут из сиропов, так как при этом сохраняются все экономические преимущества, указанные выше, при изготовлении ацетатного волокна. Важным преимуществом этого способа формования является то, что сироп можно отбирать на любой стадии омыления. Изменяя соотношение гидроксильных и ацетильных групп в ацетатном волокне можно регулировать его избирательную поглотительную способность. При получении сухим методом в жгут соединяют нити, сформованные из нескольких десятков прядильных мест. При формовании мокрым способом можно получить жгут необходимой линейной плотности из одной фильеры с большим числом отверстий. Кроме того, таким способом можно получить ацетатное волокно с большей пористостью, а значит, и с более высокой поглотительной способностью.
Несмотря на преимущества формования ацетатного сигаретного жгута из сиропов, его получают в основном методом сухого формования. Это объясняется тем, что в странах, где было впервые организовано производство сигаретного жгута (прежде всего в США), к этому времени существовало налаженное производство ацетатного волокна. После внесения небольших изменений в технологию эти заводы сравнительно легко были переключены на выпуск жгута. Способ же получения ацетатного волокна формованием из сиропов во многих странах совсем не разрабатывался, а в других не вышел из рамок исследовательских работ.
К ацетатному волокну, применяемому для производства сигаретных фильтров, не предъявляются жесткие требования по механическим свойствам, так как эти фильтры почти не подвергаются механическим воздействиям при использовании. Механические показатели должны только обеспечивать хорошую переработку ацетатного жгута на сигаретной фабрике. Ацетатное волокно должно обладать высокой белизной, поэтому в нем предусматривается повышенное содержание двуокиси титана. К особым требованиям относится избирательная поглотительная способность фильтров при незначительном улавливании никотина, придающего сигарете специфический вкус, максимальное поглощение других вредных компонентов табачного дыма, таких как фенол, некоторые органические кислоты, пирокатехин и особенно канцерогенных, прежде всего 3,4-бензпирена. Следует отметить, что фильтр, обладающий Максимальным избирательным поглощением, не обеспечивает полную очистку табачного дыма от токсичных веществ.
15-5. ПОЛУПРОНИЦАЕМЫЕ ПОЛЫЕ ВОЛОКНА
Ацетатные волокна в форме капилляров (полых нитей) начи- йают успешно использоваться для разделения жидких смесей. Мембранные методы разделения жидких и газовых смесей все бо- Лее широко применяются в различных областях народного
0022ооооооооРис. 15.7. Схема разделения смеси через стенку полого волокна:
0
0
2
2
о
о
о
о
о
о
о
о
хозяйства, поскольку эти методы более просты и энергетически выгодны, чем традиционные методы разделения (выпаривание, конденсация, ректификация и др.). Использование полых волокон по сравнению с плоскими (пленочными) мембранами обес- разделения в одинаковых объемаххозяйства, поскольку эти методы более просты и энергетически выгодны, чем традиционные методы разделения (выпаривание, конденсация, ректификация и др.). Использование полых волокон по сравнению с плоскими (пленочными) мембранами обес- разделения в одинаковых объемах/ — плотная оболочка асимметричной стенки- 2—пористая часть волокна; 3—внутренняя полость. Стрелками показано направление пр^ кладываемого давления, черными кружками -J молекулы отделяемого вещества, белыми вещества с большой проницаемостью.
хозяйства, поскольку эти методы более просты и энергетически выгодны, чем традиционные методы разделения (выпаривание, конденсация, ректификация и др.). Использование полых волокон по сравнению с плоскими (пленочными) мембранами обес- разделения в одинаковых объемах
хозяйства, поскольку эти методы более просты и энергетически выгодны, чем традиционные методы разделения (выпаривание, конденсация, ректификация и др.). Использование полых волокон по сравнению с плоскими (пленочными) мембранами обес- разделения в одинаковых объемах
печивает большую поверхность аппаратов и упрощает их конструкцию.
Разделение жидких или газовых смесей достигается за счет разной скорости проникновения через мембрану компонентов смеси вследствие разницы в размерах молекул, их сродства к полимеру, скорости диффузии и т. д. (рис. 15.7). Поэтому и движущие силы процесса могут быть различны. Так, опреснение морских и солоноватых вод происходит за счет повышения их давления на одной стороне мембраны выше осмотического (процесс называется обратным осмосом) и отвода опресненной воды с другой. Жидкости разделяют также ультрафильтрацией (движущая сила — перепад давления; разделение обеспечивается за счет разницы в размерах разделяемых молекул), диализом (движущая сила — перепад концентраций). Разделение газов происходит вследствие разницы в парциальных давлениях отдельных газов, имеющих различную скорость диффузии через мембрану. В зависимости от состава разделяемой смеси выбирается мембрана из определенного полимерного материала, обладающая требуемой структурой. Так, для разделения методом обратного осмоса смесей, содержащих воду, используются обычно материалы с умеренной гидрофильностью, к числу которых относятся ацетаты целлюлозы. Более гидрофильные полимеры вследствие их высокого набухания в воде не задерживают в достаточной степени соли. Однако, для некоторых процессов это свойство оказывается полезным. Так, в искусственных диализаторах крови используют полые гидратцеллюлозные волокна, полученные омылением ацетатных волокон. Очищение крови происходит за счет диализа солей, карбамида и других вредных веществ через
стенку нити.
Полые нити формуют через специальные фильеры, обеспечивающие образование равномерной бездефектной стенки. Известны три типа конструкций таких фильер (рис. 15.8). Щелевая ФйЛЬ" ера, имеющая одну или несколько перемычек, обеспечивает замЫ'
какие стенки по выходе раствора или расплава из фильеры. Это наиболее простая экономичная фильера, однако при ее применении возможно образование неполностью замкнутого шва. Фильеры этого вида используют для формования некоторых нитей из расплавов и высококонцентрированных растворов полимеров. Фильера со сплошным стержнем в отверстии наиболее часто применяется при формовании сухим методом. При этом капилляр образуется при разрежении в момент отрыва раствора от стержня. Фильера третьего вида предусматривает подачу через внутренний капилляр газа или осадительной ванны. Эта фильера наиболее сложна по конструкции, однако может быть использована при любых способах формования, позволяет в широком диапазоне изменять условия формования, в том числе внутри нити, обеспечивает ее бездефектность.
Важное значение в процессах разделения имеет структура полой нити, зависящая от способа формования. Так, монолитная структура образуется обычно при получении нити из расплавов или при формовании сухим способом из растворов. Пористую структуру получают чаще всего при формовании мокрым способом. Полые волокна с пористой структурой нитей используют для процессов ультра- и микрофильтрации. Весьма эффективны в некоторых процессах разделения полые волокна с так называемой асимметричной структурой стенки (см. рис. 15.7). Нити полых волокон имеют плотную тонкую оболочку (обычно 0,1—1 мкм), армирующую пористую часть, и обеспечивают высокую степень разделения компонентов. Такие полые волокна за счет малой толщины активного слоя и возможности создания сравнительно больших давлений (наличие пористой части) дают возможность существенно увеличить производительность по сравнению, например, с полыми волокнами монолитной структуры. Полые волокна с монолитной и асимметричной структурой стенки чаще всего используют в процессах разделения жидкостей методом обратного осмоса и диффузионного разделения газов.
Асимметричную структуру стенки создают обычно путем формования нити мокрым способом. При этом на первой стадии проводят предформование (сухим способом) нити в шахте, за счет чего обеспечивается образование плотной оболочки на поверхности струйки прядильного раствора. Затем нить попадет в осадительную ванну, где происходит высаживание полимера, при этом большая часть нити (образованная из более разбавленного раствора) имеет пористую структуру.
^ис. 15.8. Форма отверстий фильер для Формования полых волокон:
^Целевое отверстие с перемычками; б —от- »^Стие со стержнем; е—отверстие с капил- *‘яРом.
Полупроницаемые полые волокна получают как из вторичного так и из триацетата целлюлозы. Они имеют различные геометри’ ческие размеры и разделительные характеристики (в зависимости от областей применения). Например, для опреснения солоноватых вод получают ацетатные нити с внешним диаметром 60 и внутренним 30 мкм, уменьшающие содержание NaCl на 95— 98% при производительности 50—60 л/(м2-сут) в пересчете на поверхность нити.
Наряду с ацетатными полыми волокнами для разделения жид. ких смесей используют полые волокна из ароматических полиамидов, полибензимидазолов, полисульфонов, полиакрилонитрила, а для разделения газовых смесей —из полиолефинов, полиэфиров, кремний- и фторсодержащих полимеров. Полупроницаемые полые волокна начинают использовать для деминерализации воды, концентрирования растворов, очистки сточных вод, стерилизации жидкостей и газов, выделения кислорода из воздуха, водорода и гелия из природных или промышленных газовых смесей и для других процессов разделения смесей.
ЧАСТЬ ТРЕТЬЯ
Синтетические волокна
Глава 16
ПОЛИАМИДНЫЕ ВОЛОКНА
Полиамидными волокнами называются синтетические волокна, получаемые из линейных полимеров, макромолекулы которых содержат амидные группы (—NHCO—).
Широкое промышленное развитие получили полиамидные волокна, изготовляемые из алифатических полиамидов. Макромолекулы этих полиамидов, наряду с амидными группами, содержат метиленовые группы (—СН2—).
В последние годы все большее значение приобретают ароматические полиамиды, микромолекулы которых состоят из ароматических циклов, соединенных между собой амидными связями, а также полиамиды других типов *, используемые для производства технических высокопрочных высокомодульных и термостойких нитей со специфическими свойствами.
Полиамиды синтезируют из аминокарбоновых кислот, их лактамов или из диаминов и дикарбоновых кислот. При этом получают полиамиды разной структуры:
HN—(CH2)-CONH—(СН2)х—со
HN—(СН2)Х—NHCO—(СИ2)у—СО— •••
В макромолекулах полиамидов **, полученных из аминокислот или лактамов, между амидными группами находятся цепочки, состоящие из одинакового числа метиленовых групп (—СН2—). В макромолекулах полиамидов, синтезированных из диаминов и дикарбоновых кислот, метиленовые цепочки, разделяющие амидные группы, могут иметь как равное, так и различное число ме- кленовых групп (—СН2—).
Различия в составе и строении полиамидов обусловливают Различие в свойствах полиамидных нитей.
В настоящее время известен целый ряд полиамидных нитей, п°лучаемых из полимеров на основе аминокарбоновых кислот или р * Классификацию полиамидов и волокон на их основе см. в книгах Куд- 197r6B^’’ Носов М. П„ Волохина А. В. «Полиамидные волокна», «Химия»,
'6 и «Термо-; жаростойкие и негорючие волокна», под-ред. Конкина А. А., «Хи- Ия». 1978.
Здесь и далее рассматриваются только алифатические полиамиды.
лактамов (полиамиды'3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12), из полимеров на основе дикарбоновых кислот и диаминов (полиамиды 4,6; 6,6' 6,8; 6,9; 6,10; 6,12 и др.), а также из сополимеров — (полиамиду 6/6,6; 6/10 и др.) .
По комплексу ценных физико-механических свойств, масшта- бам производства и многообразию областей применения полиамидные нити занимают ведущее место в промышленности синтетических волокон. Они широко используются для изготовления изделий технического назначения, главным образом шинного корда, а также в текстильной промышленности для производства многочисленных и разнообразных предметов народного потреб-
ления.
Начало производства полиамидных волокон относится к 1938 г., когда в США было начато строительство первого завода про производству нитей из найлона 6,6; он был введен в эксплуатацию в 1939 г. В последующие годы началось бурное развитие
приводитсяприводитсяпроизводства полиамидных волокон.
приводится
приводится
Рост мирового производства полиамидных волокон
ниже:ГодыОбъем производства, тыс. тниже:ГодыОбъем производства, тыс. т194019402,52,51950195019601960197019701975197562623923921896189624502450
ниже:
Годы
Объем производства, тыс. т
ниже:
Годы
Объем производства, тыс. т
1940
1940
2,5
2,5
1950
1950
1960
1960
1970
1970
1975
1975
62
62
392
392
1896
1896
2450
2450
Основными причинами быстрого развития производства полиамидных волокон явились ценный комплекс их свойств и широкая сырьевая база для их получения.
Из всех видов полиамидных волокон наиболее широко производятся нити и волокна только двух типов: поликапроамидные, получаемые из полиамида 6 полигексаметиленадипамидные, вырабатываемые из полиамида 6,6.
Соответственно полигексаметиленсебацинамидные и полиаминоундекановые нити и волокна, получаемые из полиамидов 6,10 и 11 производятся в относительно небольшом промышленном масштабе. Синтетические нити и волокна из других полиамидов вырабатываются только в опытных или опытно-промышленных масштабах.
Несмотря на то, что число полиамидов, используемых для промышленного производства волокон, невелико, ассортимент полиамидных волокон значителен. Это объясняется тем, что одни и те же полиамидные волокна в различных странах носят различные торговые (фирменные) названия. Например, капрон (СССР), дедерон (ГДР), силон (ЧССР), полан (ПНР), перлон (ФРГ), най- лон 6 (США) и т. д.
В США для всех полиамидов применяется термин «найлон», а отдельные полиамиды обозначаются соответствующим числом после слова «найлон» (см. примечание на с. 264). Например, полимер, полученный из .капролактама, обозначается «найлон 6», полимер, полученный из гексаметилендиамина и адипиновой кислоты— «найлон 6,6», полимер, полученный из гексаметиленди- амина и себациновой кислоты — «найлон 6,10», и т. д. Сополимеры обозначаются дробными числами, а в скобках за ними указывается массовое соотношение исходных компонентов. Например, найлон 6,6/6 (70: 30) синтезирован из соли АГ * (70 масс, ч) и капролактама (30 масс. ч.). Такая система обозначения полиамидов принята и в ряде других стран, но в большинстве случаев полиамидным волокнам дают различные торговые названия.
Технологический процесс производства полиамидных волокон включает следующие основные стадии: 1) получение мономера; 2) синтез полимера; 3) формование комплексных нитей; 4) вы* тягивание; крутка и отделка; 5) сортировка и упаковка нитей.
Первая стадия производства волокна капрон — синтез мономера— осуществляется на химических заводах, все остальные стадии—на заводах синтетических волокон.
Ниже кратко излагается технологический процесс получения капроновых и анидных нитей и волокон.
ПРОИЗВОДСТВО КАПРОНОВЫХ НИТЕЙ и волокон
В СССР первые заводы по производству капролактама и кап* роновых нитей и волокон были введены в эксплуатацию в 1948 г. В настоящее время капроновые нити и волокна производятся в СССР на многих заводах.
Ассортимент нитей, рассчитанный на удовлетворение потреб? ностей различных отраслей народного хозяйства, включает нити' текстильного и технического назначения:
Линейная плотность, текс
Число элементарных нитей в комплексцой нити
Линейная плотность, текс
Число элементарных нитей в комплексной нити
Нити на
копсах
или конических
шпулях
Высокообъемные иити *
1,1 1,67 2,2 3,3 2,2 3,3 5,0 6,7
10,0 29,0 93,5 187
1
1 .
1
1
4
5 или 8
12
12 .
24
80
140
280
2,2/2 3,3/2 5/2
6,7/2 10/2 15/6
4,2 6/2 или 8/2 12/2 12/2 24/2 или 26/2 39/2
^ootro Линейн&я плотность высокообъемных нитей выражается дробью, ^У/уетствует числу сложений.
знаменатель которой
Средняя соль адипиновой кислоты и гексаметилендиамина — НООС (СН2)
I
Кроме капроновых нитей наша промышленность выпускает капроновые кордные ткани различного назначения, широкий ассортимент капроновых волокон, рыболовную леску и другие изделия.
Существует три способа производства капроновых нитей и волокон:
периодический способ — периодический или непрерывный синтез полимера, периодические процессы экстракции и сушки крошки (гранул), формование комплексных нитей;
непрерывный способ с получением крошки — непрерывный синтез полимера, экстракция и сушка крошки, формование комплексных нитей;
непрерывный способ с формованием комплексных нитей непосредственно из расплава (непрерывный синтез полимера и формование комплексных нитей непосредственно из расплава).
Первые два способа производства капроновых нитей состоят из одинаковых технологических стадий, но второй способ выгодно отличается от первого применением непрерывных процессов синтеза полимера, экстракции и сушки крошки, что значительно улучшает технологию производства и повышает качество полимера и нитей.
Третий способ предусматривает совмещение в едином технологическом процессе непрерывного способа получения полимера с формованием нитей из расплава без повторного плавления полимера; при этом коренным образом изменяется технология получения нитей. Непрерывный процесс осуществлен в полном объеме при получении волокон и находит все большее применение в производстве текстильных нитей.
.1.1. Синтез капролактама , ' ™
Капролактам может быть синтезирован из фенола, бензола, анилина, а также из н-бутана, фурфурола, ацетилена, этиленокси- да и дивинила.
Ниже, в качестве примеров, приводится описание способов получения капролактама (лактам е-аминокапроновой кислоты) из фенола, бензола и ацетилена.
Получение капролактама из фенола. При гидрировании фенола - (135—160°С) в присутствии никелевого катализатора образуется циклогексанол:■ Я
ОНОНфеиолфеиолон
ОН
ОН
феиол
феиол
снн2с^ хсн2
Н2С\ /СН2
сн2
циклогексаиол
Дегидрированием
циклогексанола получают кетон-циклогексанон: снонс=о
Н2СХ ХСН2 H2CZ х:н2
Н2СХ /СНа ~Н1 Н2СХ /СН2 сн2сн2
цнклогексанолциклогексанон
Реакция дегидрирования протекает при атмосферном давлении и температуре 400—450°C в присутствии железо-цинкового катализатора.
При взаимодействии циклогексанона с гидроксиламином образуется оксим циклогексанона (циклогексаноксим). Этот процесс называется оксимированием;
с=оC=NOH
Н2С^ ХСН2 nh2oh Н2С/ ^СН2
н2С\ /сн2 н2С\ /сн2сн2СН2
циклогексанонциклогексанонокснм
„Оксимирование проводится при 20°C. В конце процесса при нейтрализации выделяющейся серной кислоты аммиаком температура реакционной массы самопроизвольно повышается до 90 °C.
При действии концентрированной серной кислоты оксим циклогексанона изомеризуется в лактам е-аминокапроновой кислоты (изоксим циклогексанона) происходит перегруппировка атомов в молекуле циклогексаноноксима:
C=NOH Н2С/ ХСН2Н2С\ /СН2сн2C=NOH Н2С/ ХСН2Н2С\ /СН2сн2Н2С—сн2—со
C=NOH Н2С/ ХСН2
Н2С\ /СН2
сн2
C=NOH Н2С/ ХСН2
Н2С\ /СН2
сн2
^NH
Н2С—сн2—сн2
циклогексанонокснмкапролактам
Полученный таким способом капролактам подвергается очистке от примесей экстракцией органическими растворителями (например, трихлорэтиленом) и многократной дистилляции под вакуумом.
Из 1 кг фенола получают 0,65 кг капролактама.
Получение капролактама из бензола. Из бензола капролактам может быть синтезирован несколькими способами, основанными на получении в качестве промежуточного продукта циклогексана (путем гидрирования бензола), который различными методами перерабатывается в циклогексанонокснм и далее в лактам е-амино- Капроновой кислоты. Один из таких способов описывается ниже.
При гидрировании бензола образуется циклогексан:
СН2
н2 Н2СХ ХСН2
Н2С\ /СН2
сн2
бензолциклогексан
При действии азотной кислоты или оксидов азота (нитрований)! циклогексан превращается в нитроциклогексан:• J
СН2GHNO,Я
Н,С/ ХСН, нмоз Н2СХ ХСН,Я
Н,^ /СН, Н,С\ /СН,-Я
сн,сн2Я
циклогексаннитроциклогексаи
Образовавшийся нитроциклогексан восстанавливают водородом в присутствии катализатора в циклогексаноноксим, который затем изомеризуется при действии серной кислоты в капролактам:
CHNO,C=NOHJ
Н2С/ ХСН,н, НзС^ ХСН,■
I I I (—► НМ(СН2)6СО Я
Н2С\ /СН, Н2С\ /СН,1■■
СН2СН,■
иитропикло-циклогексанон-капролактамЯ
гексаноноксимЯ
Получение капролактама из ацетилена. Капролактам из ацети? лена получают по следующей схеме.
Ацетилен при взаимодействии с формальдегидом в присутствии ацетиленида меди образует бутиндиол:
сн,оЯ
сн=сн >■носн,с=ссн,онЯ
Гидрированиембутиндиолаполучают1,4-бутандиол:Я
н,Я
ОНСН,=ССН2ОН ► НО(СН,)4ОНЯ
Дегидратацией 1,4-бутандиола в присутствии фосфорной ки|| лоты получают тетрагидрофуран:р
Н,ССН,«
НО(СН,)4ОН —*IГ1
-н»°Н2СХ /СН,■
°I
В результате взаимодействия тетрагидрофурана с галлоидв! дородными кислотами происходит размыкание цикла и образов] ние 1,4-дихлорбутана:
Н,ССН,■
I I —►С1(СН,)4С1Я
Н,С\ /СН, ,1
< Полученный 1,4-дихлорбутан с цианидами металлов образуй динитрил адипиновой кислоты (адипонитрил):Я
С1(СН,)4С1 —> NC(CH,)4NCЯ
Адипонитрил может быть получен также непосредственно из тетра- гидрофурана при взаимодействии его с цианидом водорода:
Н2ССНа• IIН2С\ /СН2ОН2ССНа• IIН2С\ /СН2ОHCN—Н2ОHCN—Н2ОNC(CH2)4CNNC(CH2)4CN
Н2ССНа
• II
Н2С\ /СН2О
Н2ССНа
• II
Н2С\ /СН2О
HCN
—Н2О
HCN
—Н2О
NC(CH2)4CN
NC(CH2)4CN
Полугидрированием адипонитрила получают нитрил аминокап- роновой кислоты, а затем омылением последнего — капролактам: н2
NC(CH2)4CN > H2N(CH2)5CN —► HN(CH2)5CO
I I
Качество капролактама, применяемого для производства волокна капрон, характеризуется следующими основными показателями:
Внешний вид ". . .Белыекри
сталлы
Молекулярная масса 113,16
Температура, "С кристаллизации 68,8—69,0
кипения 262
Перманганатное число 3%-ного водного раствора, с . . 5000—10000
Содержание летучих основаниймэкв /кг 0,0—0,6
Окраска 50%-ного водного раствора, ед. платиново- кобальтовой шкалы, не более 5,0
Содержание, %, не более циклогексаноноксима 0,002
железа 0,00002
Кислотность мэкв/кг, не более . . . ■. 0,2
Щелочность мэкв/кг, ие более*. « . . .0,05
* мэкв — миллиэквивалеит=1/1000 эквивалента.
Капролактам поступает на заводы синтетического волокна в полиэтиленовых мешках или в бумажных мешках, помещенных в мешки из прорезиненной ткани. Он транспортируется также в расплавленном состоянии в специальных цистернах, покрытых термоизоляцией и снабженных змеевиком для парового обогрева. При транспортировании расплава капролактама достигается значительный экономический эффект, так как отпадает операция плавления капролактама на заводе-потребителе и исключается загрязнение продукта. Расплавленный лактам может храниться в обогреваемых и изолированных емкостях.
или другие соединения, которые в условиях процесса полиамидирования капролактама способны претерпевать химические превращения с выделением воды. Кроме перечисленных соединений очень эффективными активаторами являются щелочи и металлический натрий, которые в десятки и сотни раз сокращают продолжительность реакции полиамидирования. В производственных условиях в качестве активатора процесса полиамидирования капролактама чаще всего применяется вода.
Механизм реакции образования поликапроамида зависит от характера применяемого активатора. В присутствии воды реакция полиамидирования капролактама протекает ступенчато по следующей схеме.
На начальной стадии процесса при взаимодействии капролактама с водой образуется аминбкапроновая кислота:
HN(CH2)BCO + НаО —► H2N(CH2)5COOH ।I
Аминокапроновая кислота соединяется с молекулой капролактама и образуется димер:Ж
H2N(CH2)5COOH + HN(CH2)5CO —> H4N(CH,)8CO—HN(CH2)6COOH Ц
Димер взаимодействует еще в одной молекулой капролактама и образуется тример:
H2N(CH2)5CO—HN(CH2)5COOH + HN(CH2)5—со —>
—► H2N(CH2)5CO—HN(CH2)5CO—HN(CH,)5COOH
Присоединение молекул капролактама происходит до образования поликапроамида:
HN(CH2)5CO—HN(CH2)5CO—HN(CH2)CO
Реакция полиамидирования капролактама является равновесной и обратимой:д
n[HN(CH2)5CO] v=feHN(CHa)6CO—НЫ(СН»)8СО .
В связи с этим капролактам не полностью превращается в по-|| ликапроамид и в полимере всегда содержится некоторое количе-В ство мономера и других низкомолекулярных водорастворимых со- В единений (димера, тримера и капролактама).В
Количество и состав низкомолекулярной фракции, содержа-В щейся в поликапроамиде (рис. 16.1), зависит от температурных В условий проведения процесса. Например, при 180 °C количествоВ низкомолекулярных фракций, состоящих из димера и тримера, ДО-В стигает 2—3%, а при 250—270°С — уже 10—12%, причем пример-Ц но 2/3 составляет мономер и 1/3 — димеры и тримеры капролаК' тама. Низкомолекулярные водорастворимые соединения могут
Температура полиамиВироВания°СТемпература полиамиВироВания°Срис. 16.1. Зависимость содержания низкомолекулярных соединений в поликапроамиде от температуры полиамидирования капролактама.
Температура полиамиВироВания°С
Температура полиамиВироВания°С
быть удалены из поликапроамида экстракцией горячей водой или отгонкой под вакуумом из
расплавленного полимера.
К поликапроамиду, предназначенному для переработки в волокно капрон, предъявляются определенные требования. В частности, он должен иметь достаточно большую молекулярную массу (не ниже 11000) и быть монолитным, т. е. не содержать большого числа пустот и раковин. Кроме того, в полимере не должно быть продуктов окисления (цвет поликапроамида — белый).
Важным показателем способности поликапроамида к волокно- образованию является молекулярная масса или степень полиамидирования. В производственной практике для характеристики молекулярной массы полиамидов и, в частности поликапроамида, определяют относительную или удельную вязкость раствора полимера в определенных растворителях. Для определения относительной вязкости обычно используют 1%-ный раствор полимера в концентрированной серной кислоте, а для определения удельной вязкости— 0,5%-ный раствор полимера в крезоле.
Метод определения степени полимеризации поликапроамида основан на существовании зависимости, близкой к линейной, между относительной вязкостью и средней степенью полимеризации поликапроамида. Молекулярную массу поликапроамида приближенно определяют графоаналитически, зная удельную вязкость раствора.
Наряду с относительной и удельной вязкостью определяют также вязкость расплава полимера.
Обычно для формования текстильных нитей и штапельного волокна применяют так называемые низковязкие полиамиды с относительной вязкостью 2,2—2,5; для формования технических (кордных) нитей используют полимеры с более высокой относительной вязкостью (2,6—2,75). Вязкость расплава поликапроамида составляет 60—100 Па-с (низковязкий) и 140—250 Па-с (высоковязкий).
Заданная молекулярная масса полимера может быть достигнута регулированием условий полиамидирования — температуры, продолжительности процесса и содержания регулятора (стабилизатора).
Регуляторами молекулярной массы полиамидов являются вещества, способные при синтезе полимера взаимодействовать с
одной из концевых групп растущей цепи макромолекулы, прекра. щая ее рост. Чаще всего в качестве регулятора применяют уксус- ную, себациновую или адипиновую кислоты. Для этих целей используют также уксуснокислый н-бутиламин — регулятор двойного действия, способный блокировать обе функциональные группы макромолекулы полиамида. Между содержанием регулятора, вводимого в реакционную систему, и степенью полиамидирования су. ществует следующая зависимость:
СП= —
N
где СП — средняя степень полиамидирования; М — число молей мономера; N — число молей регулятора.
Изменяя количество добавляемого регулятора, можно получить полимер с желаемой молекулярной массой. Чем больше регулятора добавлено к мономеру, тем меньше молекулярная масса полимера.
Волокнообразующая способность поликапроамида, как отмечалось выше, зависит также от таких показателей полимера, как монолитность и содержание продуктов окисления. Наличие в расплавленном полимере пузырьков газообразных продуктов (чаще всего паров воды) является причиной обрывности нити при формовании и вытягивании. К обрывности приводит также частичное (наличие темных точек) или сплошное окисление поликапроамида (полимер имеет коричневый оттенок). Кроме того, при использовании такого полимера на нитях появляются наплывы и невытянутые участки.
Окисление поликапроамида может быть предотвращено при соответствующих усилиях полиамидирования капролактама, обеспечивающих полную изоляцию реакционной массы от воздействия кислорода воздуха. В качестве защитной среды при полиамидировании капролактама и формовании нитей использают азот, содержащий не более 0,0005% кислорода.
Азот, необходимый для этих целей вырабатывают непосредственно на заводах химических волокон. На каждом таком заводе имеется азотно-кислородная установка, на которой методом глубокого охлаждения воздух ожижается, а затем ректификацией разделяется на азот и кислород. Азот, получаемый на этих установках, содержит от 0,2 до 1 % кислорода. Тонкая очистка азота от остатков кислорода достигается пропусканием его через нагретые до 480—500°C контактные печи, наполненные медными стружками. При этом кислород, содержащийся в азоте, связывается медью с образованием оксида меди. Для регенерации меди через контактные печи, периодически пропускают водород. При указанной температуре происходит восстановление меди из оксида меди с образованием воды. Возможен также непрерывный процесс восстановления меди из оксида меди. В этом случае к азоту до его поступл6' ния в контактную печь добавляют некоторое количество водород3*
рис. 16.2. Расплавитель:
у—корпус; 2—рубашка; 3—мешалка.
Очищенный азот сушат в аппаратах, заполненных твердым едким натром.
В последние годы тонкая очистка азота от кислорода проводится каталитическим способом с использованием хлорида палладия в качестве катализатора. И в этом случае к азоту непрерывно добавляют определенное количество водорода до его поступления в контактный аппарат, наполненный гранулами алюмогеля, служащего носителем катализатора. Связывание кислорода водородом в присутствии хлорида палладия с образованием воды протекает при сравнительно низких температурах — до 50 °C.
В промышленности поликапроамид полу
чают двумя способами: периодическим и непрерывным.
Периодический способ получения поликапроамида является первым реализованным в промышленности способом получения этого полимера. Этот способ почти утратил свое значение и постепенно вытесняется более прогрессивным — непрерывным процессом, однако на некоторых заводах он еще применяется и, вероятно, в дальнейшем будет служить основным способом получения высокомолекулярного полимера, а также использоваться в опытнопромышленных условиях для исследовательских целей.
Периодический процесс получения полимера включает следующие операции:
1) расплавление капролактама; 2) полиамидирование капролактама; 3) формование ленты или жилки полимера и дробление!, ее; 4) обработку крошки горячей водой (экстракцию низкомолекулярных соединений); 5) сушку крошки.
Расплавление капролактама осуществляется в рас- плавителе — вертикальном аппарате 1 из нержавеющей стали, имеющем рубашку 2 (для парового обогрева) и мешалку 3 (рис. 16.2). Емкость расплавителя рассчитана на плавление одной партии капролактама, достаточной для загрузки автоклава для полиамидирования (например, если расплавитель обслуживает автоклавы емкостью 2,5 м3, емкость расплавителя должна составлять 3 м3. На крышке расплавителя имеется люк для загрузки капролактама, штуцеры для подачи воды, уксусной кислоты, сжатого азота и штуцер для манометра и воздушника, а также два смотровых стекла — для наблюдения за ходом процесса. В нижней части Расплавителя находится выгрузочный штуцер, с помощью которого
через вентиль, трубопроводы и фильтры распылитель соединен с а автоклавом. Капролактам из мешков засыпают в предварительно 5 нагретый расплавитель в количестве, составляющем одну загрузку (до 2000 кг), затем в расплавитель заливают дистиллированную воду (3—10% от массы капролактама). После окончания загрузки крышку люка закрывают, включают паровой обогрев рубашки расплавителя и через 10—15 мин включают мешалку. Процесс плавления мономера продолжается 2—2,5 ч при работающей мешалке и температуре 85—95 °C. За 10 мин до окончания процесса аппарат соединяют с атмосферой (через воздушник) и из мерника заливают регулятор — ледяную уксусную кислоту (0,1—0,3% от массы капролактама). Аппарат вновь герметизируют; после 5—^ 10 мин перемешивания мешалку останавливают и продувкой азо^й том удаляют воздух из системы (расплавопровода, фильтра и расе плавителя). Для этого используют азот, оставшийся в автоклаве после выгрузки полимера.
Расплавленный капролактам передавливают из расплавителя в автоклав азотом под давлением 0,2—0,3 МПа. В процессе передавливания необходимо следить, наблюдая через смотровое стекло, за тем, чтобы из расплавителя не был удален весь расплав — в горловине выгрузочного штуцера должен оставаться лактам.
В противном случае неизбежно попадание азота, загрязненного кислородом, из расплавителя в автоклав. При этом пленка полимера, имеющаяся всегда на стенках автоклава, окислится и, попадая в расплав полимера, загрязнит его.
• Во время передавливания капролактам подвергается фильтрации. Для этого обычно применяют фильтр свечевого типа. В качестве фильтровального материала используют шифон и свансбой. Фильтр обогревается паром через рубашку. Лактамопровод обогревается паровой линией, уложенной параллельно лактамопроводу в общей теплоизоляции. Более целесообразно для обогрева расплавителя, фильтров и коммуникаций лактамопроводов применять горячую воду, а не пар, чтобы исключить возможность местных перегревов и превышения заданной температуры. Продолжительность цикла приготовления одной партии расплава составляет 3—4 ч.
В последние годы на новых заводах вместо описанных выше расплавителей используют установки непрерывного действия для централизованного плавления капролактама. Схема такой установки (УЦП-14,5) показана на рис. 16.3. Капролактам из мешков через дробилку 2 загружается в бункер /, откуда после рыхления забирается питателем 3 и непрерывно подается в расплавитель 4. Расплавленный лактам собирается в лактамосборнике 5, откуда забирается центробежным насосом б и через фильтр 7 передается в цех полиамидирования в промежуточный аппарат-смеситель-до- затор типа растворителя.
В этом аппарате к расплаву капролактама добавляется вода и регулятор. После непродолжительного перемешивания гомогенный расплав капролактама подается в один из аппаратов для по-, лиамидирования (автоклав или аппарат непрерывного процессам 274*
Рис. 16.3. Схема установки централизованного непрерывного плавления капролактама УЦП-14,5:
Г—бункер; 2—дробилка; 3—шнековый питатель; 4—расплавитель; 5—лактамосборник;
6— насос; 7—фильтр; 8 —фильтр-ловушка.
которые обслуживаются несколькими (в зависимости от мощности Цеха полиамидирования) попеременно работающими смесителями- дозаторами.
На установках УЦП-14,5 плавление капролактама проводится при 85—95 °C в среде азота. Все аппараты и трубопроводы обогреваются горячей водой. Производительность установки (максимальная — 14,5 т/сут) регулируется автоматически в зависимости от расхода расплавленного капролактама.
Плавление капролактама на установках непрерывного действия, размещаемых на складе капролактама, значительно улучшает Условия работы, повышает производительность труда и культуру производства.
Полиамидирование. Автоклав для полиамидирования (рис. 16.4) капролактама представляет собой цилиндрический со- СУД с коническим днищем. Аппарат выполняется из нержавеющей Стали с мешалкой или без мешалки, в зависимости от объема (при
Рис. 16.4. Автоклав для полиамидироваиия капролактама:
—корпус; 2 ^-рубашка; 3—змеевик; 4—штуцер для крепле иия литьевой головки.
объеме до 2,5 м3 без мешалки), с внешней рубашкой 2 и змеевиком 3 для обогрева парами высококипящего органического теплоносителя (ВОТ)*.
На крышке автоклава имеется несколько штуцеров: для загрузки расплава капролактама, соединения автоклава с гидрозатвором, установки манометра, крепления гильз для термопар и др. В конусном днище автоклава имеется штуцер 4, к которому крепится разгрузочный вентиль, и устройство для формования ленты или жилки (литьевая головка).
Автоклав обогревается парами теплоносителя ВОТ, который подается от централизованной котельной установки или отдельного котла. Нижняя часть автоклава обогревается парами ВОТ от отдельного котла. Литьевая головка и вентиль чаще всего обогреваются электронагревательными устройствами.
Расплавленный капролактам передавливают из смесителя-дозатора через фильтр в автоклав, заполненный чистым азотом и нагретый до 245—255 °C. При загрузке капролактама вентиль открывается настолько, чтобы возникающее в аппарате давление водяных паров при загрузке не превышало давления азота в расплавителе и продолжительность передавливания всей партии капролактама не превышала 20—25 мин. После загрузки мономера температура в автоклаве самопроизвольно снижается с 245—255 °C (температура полиамидирования) до 140—150 °C. Затем включают систему обогрева автоклава на полную мощность до достижения заданной максимальной температуры (256 + 3 °C) полиамидирования. На начальной стадии процесса давление водяных паров в автоклаве поднимается до 0,5—1,4 МПа вследствие испарения воды, содержащейся в капролактаме. Поэтому, после того как давление поднимается до заданного (0,5 МПа), приоткрывают вентиль, соединяющий автоклав с гидрозатвором, настолько, чтобы при дальнейшем повышении температуры реакционной массы давление не превышало установленного технологическим регламентом. После достижения заданной, максимально допустимой температуры процесса реакционную массу выдерживают в течение 1—2 ч и начинают постепенно снижать давление в автоклаве до 50 кПа, а затем до атмосферного. С этого момента начинается заключительная
стадия процесса — так называемая дегазация (обезвоживание) — при полностью открытом вентиле на линии гидрозатвора и постоянной температуре в автоклаве. Во время этой операции недопустимо резкое колебание температуры, так как при ее снижении может создаться разрежение в автоклаве (при достаточно полном удалении воды), вследствие чего воду из гидрозатво'ра засосет в аппарат. Продолжительность подъема температуры до максимальной составляет около 5 ч, продолжительность дегазации — 3—4 ч.
По окончании полиамидирования в автоклаве азотом создается давление 0,3—0,5 МПа, необходимое для выгрузки полимера. Процесс разгрузки поликапроамида сочетают с формованием его в виде ленты или жилки. Жидкий поликапроамид выливают из автоклава через фильеру, присоединенную к разгрузочному штуцеру, в ванну с водой. В воде плоские струи поликапроамида затвердевают в виде лент или жилок.
Капроновые нити, предназначенные для изготовления изделий народного потребления и некоторых технических изделий, выпускаются матированными. В качестве матирующего средства применяют диоксид титана. Для получения матированного поликапроамида диоксид титана в виде водной суспензии с концентрацией 20—25% (размер частиц 0,1—2 мкм), стабилизированной поверхностно-активными веществами, вводят в автоклав непосредственно после загрузки капролактама или в процессе полиамидирования в количестве, соответствующем его содержанию в полимере (0,3— 0,4%). Для получения окрашенных нитей краситель вводится в полимер (крашение в массе) аналогично матирующему агенту. Более приемлемыми способами получения окрашенных нитей является формование их из крошки, опудренной красителем (сухое крашение) или окрашенной водными растворами красителей.
Получение крошки. Размеры и форма крошки имеют существенное значение при получении капроновых нитей и во многом определяют условия проведения основных технологических процессов (экстракции и сушки крошки, формования нитей) и влияют на качество полимера (содержание низкомолекулярных соединений и влажность) и физико-механические свойства нитей. Если из полимера с хорошими волокнообразующими свойствами недостаточно полно удалены низкомолекулярные соединения и влага или крошка неоднородны по размерам и содержат значительное число мелких частиц, качество полученных нитей низкое.
В результате перехода на выпуск узких лент и применения нового станка для их измельчения, работающего на принципе резания, а не дробления, получают крошку правильной формы и однородную по размеру. Из такой крошки более равномерно экстрагируются низкомолекулярные соединения. Кроме того, эту крошку ■Легче сушить, она не содержит мелких частиц, и они почти не обра- 3Уются при транспортировании и обработке измельченного поли- Капроамида. При применении такой крошки повышается стабильность процесса формования нитей и равномерность их свойств.
Однако в последнее время все большее распространение находит капроновая крошка в виде цилиндриков (гранул), получаемых путем резки жилки. Это объясняется тем, что из сравнительно небольших гранул (диаметром 2,5 мм) более равномерно экстрагируются низкомолекулярные соединения и удаляется вода при сушке, что способствует повышению качества нитей.
Формование ленты шириной 5—6 мм и толщиной 2—2,5 мм или жилки производится в водную ванну при 12—16 °C. Для уменьшения длительности процесса выгрузки полимера из автоклава формование проводится с максимальной скоростью (до 75 м/мин) при максимальном числе жилок (до 20 штук) или лент (до 6 штук).
Из ванны пучок лент или жилок выбирается тянущими вальцами и направляется на рубильный станок, на котором отрезаются от ленты кусочки длиной 7—8 мм (от жилки — 2—3 мм). Полученная крошка пневмотранспортом подается в промежуточную емкость, а затем в экстрактор для удаления из полимера низкомолекулярных водорастворимых соединений.
Экстракция низкомолекулярных соединений. Как указывалось ранее, реакция полиамидирования капролактама является равновесной и обратимой. При температуре реакции 250— 260 °C содержание мономера и других низкомолекулярных водорастворимых соединений достигает 10—12%. Если полимер, из которого эти соединения экстрагированы, подвергнуть действию высокой тепературы в течение достаточного времени, то в нем вновь образуются низкомолекулярные соединения. Такой процесс протекает при повторном плавлении полимера перед формованием нитей. Поэтому стремятся путем обработки крошки горячей водой наиболее полно удалить низкомолекулярные соединения. Это необходимо еще и потому, что полимер при формовании нитей находится в расплавленном состоянии значительно меньшее время, чем это необходимо для образования такого количества указанных соединений, которое соответствовало бы равновесному состоянию системы полимер — мономер при температуре формования. В этих условиях особое значение приобретает содержание низкомолекулярных примесей, находящихся в полимере до его плавления. Чем меньше их содержится в полиамиде, тем меньше, при прочих равных условиях, будет общее содержание низкомолекулярных соединений в поликапроамиде в момент формования нитей.
Особенно отрицательное влияние на процесс получения капроновых нитей оказывает присутствие в поликапроамиде капролактама, так как формование нитей из крошки, как правило, осуществляется при температурах, значительно превышающих (на 15—30°C) температуру кипения капролактама (262°C). В расплавленном полимере капролактам находится в растворенном и частично в парообразном состоянии в виде мельчайших пузырьков. -С повышением содержания мономера полимер все больше насыщается пузырьками, вследствие чего значительно ухудшаются его 278
прядомость и качество нитей. Кроме того, в результате удаления капролактама из полимера и его регенерации из экстракционных вод снижается расход мономера и уменьшается себестоимость вырабатываемой продукции. Поэтому во всех случаях целесообразно наиболее полно удалять низкомолекулярные соединения из поликапроамида.
Экстракция низкомолекулярных соединений из полимера горячей дистиллированной водой проводится в аппарате, снабженном мешалкой, называемом экстрактором (эмалированном или из нержавеющей стали) емкостью до 10 м3 с внутренним обогревающим устройством в виде стакана с двойными стенками (теплоноситель — водяной пар при давлении до 0,2 МПа). На крышке экстрактора расположены люк для загрузки крошки и штуцер для подачи воды; в коническом днище аппарата имеется разгрузочный штуцер с вентилем для спуска воды и выгрузки крошки.
В экстрактор загружают обычно 3,5 т полимера и 5 м3 дистиллированной воды. В зависимости от назначения полимер подвергают трех- или четырехкратной экстракции при температуре около 100 °C. При получении нитей технического назначения полимер подвергают четырехкратной экстракции.
Для первой и второй экстракции используют воду соответственно после второй и третьей промывок предыдущей партии полимера, а для третьей — свежую воду. При экстракции оборотной водой в ней накапливается до 5% низкомолекулярных соединений, после чего ее направляют на регенерацию капролактама. Продолжительность первой, второй и третьей экстракции составляет соответственно 2, 3 и 3 ч. Продолжительность смены промывной воды — 30 мин.
нанаПо окончании третьей экстракции и слива воды крошка, содержащая 0,8—1,5% низкомолекулярных соединений (при четырехкратной экстракции 0,3—0,5%), выгружается на водоотделительный лоток и пневмотранспортом или самотеком направляется на сушку. В промышленности применяют также экстракторы более простой конструкции — без мешалок и внутреннего обогревающего устройства. Интенсивное движение в них^воды и крошки осуществляется за счет рециркуляции центробежным насосом промывной воды снизу вверх. При этом вода проходит через специальный теплообменник для ее нагрева и поддерживания температуры заданном уровне.
на
на
Сушка. Крошку сушат во вращающихся вакуумных барабанных сушилках периодического действия емкостью до 12 м3. Сушилка снабжена внешней и внутренней трубчатой системой для обогрева водяным паром. Температура сушки составляет 115— *25 °C, остаточное давление равно 665 Па. В сушилку загружается До 4 т продукта. Продолжительность сушки составляет 24—36 ч, влажность не должна превышать 0,03—0,05%.
Продолжительность сушки зависит от температуры, глубины Вакуума, размеров гранул, устройства сушилки, исходной и конеч- вой влажности крошки.
экстракции и сушки крошки полиамида:экстракции и сушки крошки полиамида:Рис. 16.5. Схема линии непрерывнойРис. 16.5. Схема линии непрерывной1— аппарат полиамидирования; 2—ваина для формования жилки; 3—рубильный станок; 4— барка двухсекционная; 5— массонасос; 6— бункер; 7 — загрузочное устройство; 8— экстрак- тор; 9— разгрузочное устройство; 10 — смеситель; 11 и 12—иасосы; 13—бак; 14—ловушка; 15—бункер-водоотделитель; 16—сушилка; 17—дозатор; 18—бункер; 19—буикер-охладитель.1— аппарат полиамидирования; 2—ваина для формования жилки; 3—рубильный станок; 4— барка двухсекционная; 5— массонасос; 6— бункер; 7 — загрузочное устройство; 8— экстрак- тор; 9— разгрузочное устройство; 10 — смеситель; 11 и 12—иасосы; 13—бак; 14—ловушка; 15—бункер-водоотделитель; 16—сушилка; 17—дозатор; 18—бункер; 19—буикер-охладитель.
экстракции и сушки крошки полиамида:
экстракции и сушки крошки полиамида:
Рис. 16.5. Схема линии непрерывной
Рис. 16.5. Схема линии непрерывной
1— аппарат полиамидирования; 2—ваина для формования жилки; 3—рубильный станок; 4— барка двухсекционная; 5— массонасос; 6— бункер; 7 — загрузочное устройство; 8— экстрак- тор; 9— разгрузочное устройство; 10 — смеситель; 11 и 12—иасосы; 13—бак; 14—ловушка; 15—бункер-водоотделитель; 16—сушилка; 17—дозатор; 18—бункер; 19—буикер-охладитель.
1— аппарат полиамидирования; 2—ваина для формования жилки; 3—рубильный станок; 4— барка двухсекционная; 5— массонасос; 6— бункер; 7 — загрузочное устройство; 8— экстрак- тор; 9— разгрузочное устройство; 10 — смеситель; 11 и 12—иасосы; 13—бак; 14—ловушка; 15—бункер-водоотделитель; 16—сушилка; 17—дозатор; 18—бункер; 19—буикер-охладитель.
Высушенная крошка из сушилки выгружается в конический, бункер, откуда, пройдя устройство для обеспыливания, самотеком поступает в специальные герметичные бочки или пневмотранспортом в среде горячего азота направляется в бункера-хранилища, находящиеся в прядильном цехе.
В последние годы, наряду с периодическими процессами экстракции и сушки крошки, в промышленность полиамидных волокон внедряются непрерывные процессы экстракции и сушки. В качестве примера описывается поточная линия обработки крошки, состоящая из экстрактора и сушилки непрерывного действия (рис. 16.5). От рубильного станка 3 крошка поступает в наполненную лактамной водой емкость 4, откуда массонасосом 5 подается в бункер 6, где отделяется избыточная вода, и через перелив крошка возвращается в емкость 4. С помощью специальных загрузочного 7 и выгрузочного 9 устройств крошка с водой вводится и выводится из экстрактора 8, работающего под давлением 0,5— 0,6 МПа. Перемещаясь в экстракторе в водной среде сверху вниз с определенной скоростью крошка проходит через несколько температурных зон (заданная температура в каждой зоне поддерживается с помощью рециркуляционного контура, состоящего из насоса и теплообменника). Температура в верхней части аппарата поддерживается на уровне 90 °C, в средней — около 120—125 °C; в нижней части аппарата температура снижается вследствие наличия в этой зоне контура охлаждения и поступления свежей деминерализованной или умягченной воды. Отработанная вода отводится из верхней части аппарата и поступает в емкость 1, откуд3
капролактамная вода направляется на регенерацию капролактама.
Из экстрактора крошка с содержанием низкомолекулярных соединений 0,5—1,5% попадает в смеситель 10, откуда поступает в водоотделитель 15 и самотеком в сушилку непрерывного действия 16. В сушилке крошка сушится при ее движении сверху вниз в среде нагретого до 150 °C азота. Высушенная крошка с влажностью 0,01—0,03% выгружается из сушилки дозатором 17 и, пройдя промежуточный бункер 18 и бункер-охладитель 19, с температурой 30—35 °C пневмотранспортом передается в прядильный цех.
Непрерывные процессы экструзии и сушки поликапроамидной крошки имеют ряд технико-экономических преимуществ по сравнению с периодическими процессами. Наряду с улучшением качества крошки, в результате снижения содержания в ней низкомолекулярных соединений и влажности, обеспечивается возможность применения оборудования большой единичной мощности (до 40 т/сут) и автоматизации процессов, что способствует значительному повышению производительности труда.
Регенерация капролактама. Наряду с усовершенствованием технологического процесса одним из основных методов повышения экономической эффективности производства капроновых нитей и снижения расхода основного сырья является регенерация капролактама из экстракционных вод и отходов полимера, образующихся при формовании и дроблении ленты, а также из отходов нитей, получающихся при формовании и последующей их обработке.
Регенерация капролактама из экстракционных вод, содержащих 3—5% лактама, проводится методом выпаривания на трехкорпусной вакуум-выпарной установке. Каждый корпус имеет испаритель и нагревательную камеру. Для обогрева первого корпуса применяется технологический пар, для обогрева второго и третьего— вторичный пар. Выпарка происходит при остаточном давлении 1064—1330 Па. Упаренный экстракт представляет собой лактам с примесью димеров и тримеров; содержание в нем воды составляет 2—5%. Этот экстракт подвергают дистилляции в присутствии твердого едкого натра при 140°С и остаточном давлении 1330 Па. В этих условиях капролактам отгоняется, а димеры и тримеры остаются (10—15% от массы загрузки). Из этих соединений, как и из отходов полимера и нитей, лактам может быть также регенерирован путем деполимеризации (расщепления), осуществляемой в автоклаве (в присутствии твердого едкого натра при 270°С и остаточном давлении 1330 Па). Полученный капролактам очищают дистилляцией в присутствии концентрированной фосфорной кислоты.
Капролактам, регенерированный из экстракционных вод, после очистки применяется для получения нитей, а капролактам, регенерированный из отходов (вследствие более низкого качества) используется в производстве пластмасс.
Расход капролактама на 1 кг текстильной капроновой нити при регенерации капролактама составляет 0,98—1,12 кг, без регене-' рации — 1,16—1,18 кг.
Непрерывный процесс получения поликапроамида. Этот способ является наиболее прогрессивным как с точки зрения постоянства и равномерности свойств получаемого полимера, так и возможности максимальной механизации и автоматизации производства.
Кроме того, непрерывный процесс получения поликапроамида сделал возможным совмещение в едином технологическом потоке процессов синтеза полимера и формования нитей непосредственно из расплава полимера (так называемое прямое формование нитей). Штапельное волокно и некоторые текстильные нити, получаемые
этим способом, формуются из расплава полимера, содержащего до 10—11% низкомолекулярных соединений.
При непрерывном способе получения поликапроамида и фор- ' мования нитей (рис. 16.6) исключается ряд операций, связанных с получением крошки, удалением низкомолекулярных соединений из крошки и сушки ее. Кроме того, значительно упрощается конструкция машины для формования нитей, так как используются прядильные головки, не имеющие плавильных устройств — формовочные головки.
Особенно перспективным является усовершенствованный непрерывный способ получения поликапроамида, при котором осуществляется удаление низкомолекулярных соединений из расплава, т. е. происходит демономеризация расплава полимера. В капроновых нитях, сформованных из расплава такого полимера, содержание низкомолекулярных соединений не превышает нормы, принятой для промытых нитей. Такой способ полиамидирования можно назвать универсальным, так как он позволяет синтезировать полимер, из которого можно получить любые капроновые нити, включая нити технического назначения.
Для непрерывного полиамидирования капролактама в промышленности используют аппараты различной конструкции. Аппарат НП (непрерывного полиамидирования) состоит из трех основных узлов: 1) дозатора для непрерывной загрузки расплавленного капролактама с необходимыми добавками; 2) вертикальной трубы или системы сообщающихся труб, в которых происходит процесс полиамидирования; 3) устройства для выгрузки расплава полимера и передачи его на машину для формования нитей или ленты (жилки) и получения крошки. К таким аппаратам относятся прямоточные аппараты, U-аппараты , АНП-10 и др.
Прямоточный аппарат НП является наиболее простым - по конструкции. Он (рис. 16.7) состоит из одной вертикальной трубы, в которой реакционная масса самотеком медленно и равномерно перемещается сверху вниз. Обычно труба, имеющая высоту до 11 м и диаметр 0,8 м, состоит из двух-трех секций, причем каждая секция имеет рубашку для обогрева парами ВОТ от общей котельной или от местных котлов ВОТ, обогреваемых электронагревательными трубками.
Внутри аппарата имеется насадка, регулирующая относительную скорость движения массы по сечению трубы и препятствующая проникновению капролактама в слои готового полимера. Такая насадка представляет собой набор перфорированных дисков, укрепленных на общем стержне с расстоянием между ними 250—300 мм.
Прямоточные аппараты чаще всего используются для получения полимера в виде крошки. Для формования ленты (жилки) и Резки ее в крошку применяют обычную аппаратуру.
Рис. 16.7. Аппараты непрерывного процесса? полиамидирования капролактама:
а—прямоточный аппарат; б—U-аппарат.jj
U-Аппарат (рис. 16.7,6) использу^И ется для получения крошки, штапельного^ волокна и нитей. Он представляет собой j аппарат НП, состоящий из трех вертикальных труб. Вследствие разности уровней в трубах реакционная масса в этом аппарате совершает сложный путь (на рисунке показан стрелками). Вначале
масса движется сверху вниз, затем снизу вверх и вновь сверху вниз, т. е. совершает путь в виде буквы U. Нормальная работа U-аппаратов обеспечивается автоматическим регулированием дозировки капролактама с добавками и разности уровней в трубах в зависимости от расхода готового полимера.
Аппарат АНП-10 производительностью до 12 т/сут поликапроамида конструктивно отличается от описанных ранее. Аппарат представляет собой цилиндрический сосуд с днищем и крышкой, разделенный на секции концентрически размещенными цилиндрическими перегородками. В секциях находятся трубчатые теплообменники, обогреваемые ВОТ.
Реакционная масса поступает сверху периферической секции, опускается в ней и поднимается в следующей, перетекает из секции в секцию, смывает теплообменники и полимеризуется при заданной температуре. Расплавленный поликапроамид затекает тонким слоем в центральную секцию — трубу, из которой он выгружается из аппарата. Влага и низкомолекулярные соединения, выделяющиеся из полимера, отводятся из аппарата в гидрозатвор че
рез штуцер в крышке.
Работа аппарата регулируется автоматически в зависимости от расхода полимера и уровня его в центральной трубе. Полезная емкость аппарата— 10,3 м3; диаметр — 2800 мм; высота — 5650 мм; масса — 7,82 т.
Реакция полиамидирования капролактама в описанных аппаратах НП протекает при атмосферном давлении в присутствии тех же активаторов процесса (вода, соль АГ, аминокапроновая кислота и др.) и регуляторов (уксусная, бензойная или адипиновая кислота), что и при автоклавном способе полиамидирования. Чаще всего в качестве активатора применяется вода, а в качестве регулятора — адипиновая или бензойная кислота. Температура процесса составляет 245—270 °C, продолжительность — 20—32 ч.
Производительность аппарата НП Q (т/сут) зависит от его емкости V и продолжительности процесса полиамидирования t и может быть подсчитана по формуле: 4
I•1000 ■
где р — плотность полимера, 284
Рис. 16.8. Аппарат НП с вакуумированием расплава: плавильный котел; 2—обогревающая рубашка; 3—насосы; 4—шнек; 5 фильер6-C6°P™K АЛЯ вакуумирования Расплава; 7—штуцер дляРис. 16.8. Аппарат НП с вакуумированием расплава: плавильный котел; 2—обогревающая рубашка; 3—насосы; 4—шнек; 5 фильер6-C6°P™K АЛЯ вакуумирования Расплава; 7—штуцер для
Рис. 16.8. Аппарат НП с вакуумированием расплава: плавильный котел; 2—обогревающая рубашка; 3—насосы; 4—шнек; 5 фильер6-C6°P™K АЛЯ вакуумирования Расплава; 7—штуцер для
Рис. 16.8. Аппарат НП с вакуумированием расплава: плавильный котел; 2—обогревающая рубашка; 3—насосы; 4—шнек; 5 фильер6-C6°P™K АЛЯ вакуумирования Расплава; 7—штуцер для
Пример. Емкость аппарата АНП-10 составляет 10,3 м3; плотность полимера — 1120 кг/м3; продолжительность процесса полиамидирования — 26 ч.
Производительность аппарата составит:
_10,3.1120.24... ,
°2671000
Регулирование параметров процесса. Регулирование молекулярной массы для получения полимера, пригодного для формования текстильных или технических нитей, как и при автоклавном способе, достигается изменением условий полиамидирования и добавкой соответствующего количества регулятора. Так, увеличение молекулярной массы полимера может быть достигнуто уменьшением количества регулятора и увеличением продолжительности процесса. Для более значительного увеличения молекуляр-. ной массы необходимо также несколько повысить температуру. При этом понижается вязкость реакционной массы и создаются соответствующие условия для перемещения ее в аппарате с необходимой скоростью и удаления пузырьков водяного пара и газов. Следует иметь в виду, что само по себе повышение температуры при прочих равных условиях приводит к снижению молекулярной массы полимера.
—перф орированиая вакуумной линии;
Рис. 16.9. Аппараты для удаления мономера из расплава:
я—струйного типа; б— пленочного типа;
^штуцер вакуумной линии; 2—фильера для подачи расплава; 3—пена; 4—поплавок-регулятор уровня расплава; 5 — штуцер отбора расплава; 6—направляющие поверхности; 7оас- Плав.•
Регулирование температуры в аппаратах НП различной конструкции осуществляется по секциям или зонам. Как правило, наиболее высокая температура поддерживается в средней зоне аппарата, в первой зоне — самая низкая, в последней зоне — несколько ниже, чем в средней. Такое распределение температур в аппарате НП соответствует оптимальным условиям, при которых достигается максимально возможная скорость полиамидирования при минимальном содержании в полимере низкомолекулярной водорастворимой фракции.
Для получения непрерывным способом поликапроамида с небольшим содержанием низкомолекулярных соединений используется более сложный агрегат НП (рис. 16.8), в котором имеется вакуумная камера 6. При движении через эту камеру расплавленного полимера непрерывно отгоняются низкомолекулярные соединения (в основном капролактам). В результате значительно снижается содержание низкомолекулярной фракции в поликапроамиде. Для нитей, полученных из такого поликапроамида, не требуется промывка, так как они содержат допустимое количество низкомолекулярных соединений.
Демономеризация расплава поликапроамида, получаемого непрерывным способом, может производиться и в отдельном аппарате, входящем в состав агрегата НП. Существует несколько типов таких аппаратов, принцип действия их основан на создании развитой поверхности раздела расплав — газ и удалении под вакуумом или обработкой азотом или перегретым паром низкомолекулярных соединений, главным образом капролактама. Отличаются эти аппараты методом создания развитой поверхности расплава полимера — в виде капель, пленки или струек — аппараты пленочного, струйного типа и др. (рис. 16.9).
Поликапроамид в виде крошки, применяемый для формования капроновых нитей, должен удовлетворять следующим требованиям:
20821510-110,8-1,5 0,3-0,5 0,5-1,520821510-110,8-1,5 0,3-0,5 0,5-1,52,2—2,52,6-2,75114011202,2—2,52,6-2,75114011204,20,03—0,05500-7004,20,03—0,05500-700Температура плавления, °C
208215
10-11
0,8-1,5 0,3-0,5 0,5-1,5
208215
10-11
0,8-1,5 0,3-0,5 0,5-1,5
2,2—2,5
2,6-2,75
1140
1120
2,2—2,5
2,6-2,75
1140
1120
4,20,03—0,05500-700
4,20,03—0,05500-700
до экстракции
после экстракции,. . .
Содержание низкомолекулярных соединений, % до экстракции
после трехкратной экстракции . .
после четырехкратной экстракции
после непрерывной экстракции . . .
Относительная вязкость 1%-ного раствора полимера в концентрированной серной кислоте
для текстильной нити в штапельного волокна . . .
для кордной нити
Плотность, кг/м3
твердого полимера
расплава .. . .
Влажность, %
равновесная (при относительной влажности возду
ха 65%) ;
после сушки
Насыпная плотность крошки, кг/м8
Рис. 16.10. Прядильное место!
/ — бункер с крошкой! 2 —кран; 3 — компенсатор; 4—патрубок; 5 —плавильная решетка; 6 — паровая рубашка: 7 —расплавленный полимер; 8— дозирующий насос; 9— напорный насос; 10— насосный блок; 11 — фильерный комплект; 12— фильера; 13— обдувочная шахта; 14— прядильная шахта; 15 — препарационные шайбы; 16 — прижимной ролик; 17 и 18 — прядильные (приемные) диски; 19 — нитераскладчик; 20— шпуля; 21— фрикционный цилиндр; 22 — теплоизоляция.
16.1.3. Формование нитей16.1.3. Формование нитейСпецифические свойства многих волокнообразующих полиамидов, способных плавиться без разложения с образованием термически устойчивых вязкотекучих расплавов, позволили разработать способ формования нитей из расплава. Этот способ является наиболее высокопроизводительным из всех известных способов формования химических волокон. Ближе всего по оформлению он подходит к сухому способу формования, выгодно отличаясь от него более высокими скоростями формования (350—1500 м/мин).
16.1.3. Формование нитей
16.1.3. Формование нитей
Принцип формования комплексных нитей из расплава заключается в продавливании расплава полимера с помощью дозирующего насоса через тонкие отверстия фильеры. Вы- . ходящая из каждого отверстия фильеры струйка расплава полимера, охлаждаясь на воздухе, затвердевает и превращается в элементарную нить. Соединенные в пучок эле
ментарные нити образуют комплексную нить, которая наматывается на бобину.
Для формования нитей из расплава характерна вертикальная схема при движении нити сверху вниз.
Машина для формования капроновых нитей комплектуется из ряда прядильных мест. Каждое прядильное место (рис. 16.10) состоит из трех основных узлов: узла плавления поликапроамида (крошки) и нитеобразования; зоны отверждения струек расплава и образования элементарных и комплексной нитей; устройства для намотки сформованной комплексной нити.
Узел плавления полимера и формования струек расплава состоит из бункера и прядильной головки. В бункере в среде азота хранится запас крошки, необходимый для непрерывной работы в течение 2—6 сут. Бункер — вертикальный цилиндрический сосуд из алюминия с люком в верхней части для загрузки крошки и коническим днищем со смотровым стеклом для Ваблюдения за расходом крошки (рис. 16.11), В конической части бункера крепится кран, соединяющий бункер через компенсатор и патрубок с прядильной головкой. К верхней части бункера
Рис. 16.11. Прядильная головка: 9 / — патрубок; 2— плавильная решетка;! 3—дозирующийнасос; 4—теплоизсь ■
ляция; 5—насосиый блок; £—корпус - головки; 7— рубашка; 8 —фильерный комплект; 9—гильза термопары; 10—на- ] пориый иасос.Й
подведены коммуникации для подачи азота и ваку- умирования. После загрузки крошки и герметизации бункера из него удаляют воздух, для чего несколько раз попеременно создают разрежение и наполняют бункер азотом.
Прядильная (или плавильно-формовочная) головка состоит из обогревающей рубашки, плавильной решетки и насосного блока. Плавильная решетка
(рис. 16.12) представляет собой плоский, спиралевидный, трубчатый змеевик, обогреваемый изнутри парами ВОТ. Насосный блок (рис. 16.13) снабжен двумя шестеренчатыми насосами — напорным и дозирующим (рис. 16.14) и фильерным комплектом, состоящим из фильтрующего приспособления (металлические сетки и кварцевый песок) и фильеры — массивной пластины с отверстиями диаметром 0,20—0,25 мм (для мононити до 0,5 мм). Плавильная решетка и насосный блок находятся в рубашке прядильной головки, обогреваемой парами или жидким ВОТ от общей котельной или при помощи местного электронагревателя.
Рис. 16.12. Плавильная решетка: 1—корпус; 2—змеевик.Рис. 16.12. Плавильная решетка: 1—корпус; 2—змеевик.//Из бункера крошка самотеком через кран, компенсатор и патрубок поступает на плавильную решетку, где при 265—290°С происходит плавление крошки. Расплавленная смола собирается в коническом пространстве под решеткой, откуда забирается нагнетательным насосом и передается к дозирующему насосу. Дозирующий насос нагнетает расплав под избыточным давлением до
Рис. 16.12. Плавильная решетка: 1—корпус; 2—змеевик.
Рис. 16.12. Плавильная решетка: 1—корпус; 2—змеевик.
/
/
Рис. 16.13. Насосный блок с плавильной решеткой.Рис. 16.13. Насосный блок с плавильной решеткой.Рис. 16.14. Шестеренчатый прядильный (напорный и дозирующий) насос.
Рис. 16.13. Насосный блок с плавильной решеткой.
Рис. 16.13. Насосный блок с плавильной решеткой.
Рис. 16.15. Нижняя часть прядильной головки с обдувочной шахтой: 1—торец прядильной головки; 2—обдувочная шахта; 3—нить.
МПа, продавливая его через фильтр и фильеру, откуда он вы* ходит в виде тонких равномерных струек (рис. 16.15).
Все детали прядильной головки (решетка, блок, насосы), с ко* торыми соприкасается расплавленный полимер, сделаны из леги* рованной жаростойкой стали.
Для избежания окисления полимера при плавлении над плавильной решеткой непрерывно продувается азот, содержащий ие более 0,0005% кислорода. Количество подаваемого азота строго контролируется, так как избыток азота даже при указанном со* держании кислорода в нем вызывает окисление полимера.
Наряду с описанными применяются также и другие конструкции плавильных решеток и прядильных головок, обогреваемых жидким ВОТ и электричеством (рис.
16.16 и 16.17).
На современных прядильных машинах функцию прядильной головки
выполняют два устройства: плавильная головка, состоящая из плавильной решетки и насосного блока с напор- f ным насосом, и собственно прядильная | головка, состоящая из блока с дозирующим насосом (или дозирующими Насосами, если головка предназначена для формования нескольких ни- тей) и фильерного комплекта. Пла-
^ис. 16.16. Плавильная W-образная решетка с блоком, обогреваемая жидким ВОТ:
^Плавильная решетка; 2—переходник: 3—насосный л°к: 4 — напорный насос; 5 — расплавопровод.
Рис 17 Прядильная головка, обогреваемая электричеством.Рис 17 Прядильная головка, обогреваемая электричеством.3—теплоизо*3—теплоизо*Рис 16.18. Схема шнекового расплавителя (экструдера).4—шнек- 5—з°ва/—цилиндрический сосуд; 2- загрузочное устройство; 3-электроиагреватели, 4 шнек.плавления; 6—зона темперирования, 7—зона выгруРис 16.18. Схема шнекового расплавителя (экструдера).4—шнек- 5—з°ва/—цилиндрический сосуд; 2- загрузочное устройство; 3-электроиагреватели, 4 шнек.плавления; 6—зона темперирования, 7—зона выгру
Рис 17 Прядильная головка, обогреваемая электричеством.
Рис 17 Прядильная головка, обогреваемая электричеством.
3—теплоизо*
3—теплоизо*
Рис 16.18. Схема шнекового расплавителя (экструдера).4—шнек- 5—з°ва
/—цилиндрический сосуд; 2- загрузочное устройство; 3-электроиагреватели, 4 шнек.
плавления; 6—зона темперирования, 7—зона выгру
Рис 16.18. Схема шнекового расплавителя (экструдера).4—шнек- 5—з°ва
/—цилиндрический сосуд; 2- загрузочное устройство; 3-электроиагреватели, 4 шнек.
плавления; 6—зона темперирования, 7—зона выгру
рис. 16.19. Шнековый расплавитель РВШ-63:
/ — загрузочный патрубок; 2 —воронка; 3 —штуцер для воды; 4—гильза; 5 — шнек; 6 — электронагреватели; 7 —фланец; 8 —датчик температуры; 9 и /2—рубашки охлаждения; 10 — ворошитель; 11 и /5—штуцера для подачи азота; 13—редуктор; 14—электродвигатель.
вильная головка может обслуживать одну (машина ПП-1000-И) или несколько (машины ПП-600-И) прядильных головок.
Другим видом плавильного устройства является шнековый расплавитель— экструдер (рис. 16.18), обеспечивающий высокую производительность, минимальную продолжительность пребывания полимера в расплавленном состоянии, что обусловливает минимальное увеличение содержания низкомолекулярных соединений в полимере в процессе формования нитей, интенсивное перемешивание расплава, что очень важно для усреднения его свойств и создает достаточное давление, необходимое для транспортирования расплава к прядильным головкам. Такая плавильная головка обеспечивает работу группы прядильных головок. Нить, сформованная из крошки, расплавляе
мой с помощью экструдеров (содержащая 0,5—0,8% низкомолекулярных соединений и 0,05% влаги) содержит до 2% низкомолекулярных соединений, которые не требуется экстрагировать.
Шнековый расплавитель марки РВШ-63 (рис. 16.19) представляет собой цилиндрический сосуд с охлаждаемым устройством Для непрерывной загрузки крошки полимера из бункера и нагревателями 6; в цилиндре вращается от электродвигателя шнек 5 (условно разделенный на участки, называемые зонами), транспортирующий полимер от зоны загрузки через зону плавления (см. Рис. 16.18) 5 и темперирования 6 к зоне выгрузки 7; этот участок Шнека соединен расплавопроводом с прядильными головками. В шнековом расплавителе автоматически поддерживается задан- Ная температура. Производительность шнека регулируется изменением частоты вращения электродвигателя в зависимости от изменения давления в зоне выгрузки, обусловливаемого расходом полимера, поступающего на формование нити.
Шнековый расплавитель марки РВШ-63 установлен на машине ^Ф-600-КШ—24 (см. ниже).
Зона отверждения струек расплава и образования элементарных и комплексной нити состоит из обдувочной и прядильной (сопроводительной) шахт. Выходящие из отверстий фильеры струйки расплава полимера застывают в виде элементарных нитей, где они соединяются в пучок, образуя комплексную нить, ко- . торая поступает к приемно-намоточной части машины.
целью прядильная шахта лодной водой.целью прядильная шахта лодной водой.я намотки сформованнойя намотки сформованнойОбдувочная шахта размещается непосредственно под фильерой и служит для создания равномерного потока воздуха в направлении, перпендикулярном движению элементарных нитей. Благодаря этому фиксируется движущийся пучок элементарных нитей (комплексная нить) в определенном положении и исключается возможность колебания их и образования утоненных и утолщенных участков. Для обдувки применяют кондиционированный воздух. Из обдувочной шахты комплексная нить попадает в прядильную шахту, которая служит для ограждения формующейся нити от влияния случайных воздушных потоков и для дополнительного охлаждения в случае формования технических нитей. С этой снабжена рубашкой для охлаждения хо-
целью прядильная шахта лодной водой.
целью прядильная шахта лодной водой.
я намотки сформованной
я намотки сформованной
Устройство ДЛ комплексной нити. Выходящие из прядильной шахты нити касаются увлажняющих и замасливающих устройств (шайб) и, проходя через два прядильных диска, поступают на приемную бобину, которая приводится во вращение фрикционным валом.
Прядильные диски служат для удобства заправки нити и, кроме того, способствуют устойчивому режиму формования нити с постоянной скоростью, предотвращая колебания элементарных нитей в зоне отверждения, вызываемые возвратно-поступательным
движением нитераскладчика.
Элементарные нити, выходящие из прядильной головки, практически не содержат влаги; на пути от фильеры к приемной бобине комплексная нить не успевает увлажниться влагой воздуха. Для предотвращения увлажнения нити на прядильной бобине в процессе намотки, что привело бы к сползанию волокна с бобины и порче его, ее увлажняют до поступления на бобину. Кроме того, в отделении намотки комплексных нитей воздух кондиционируется по температуре и влажности (температура 18—20 °C, относительная влажность 45—55%); таким образом, специально создается пониженная влажность, что предотвращает набухание нити и способствует сохранению формы намотки.
Одновременно с увлажнением или непосредственно после него на нить наносится замасливатель (препарация). Эта операция необходима для облегчения процесса вытягивания и для снижения трения нити о детали машин при операциях вытяжки и крутки.
В последнее время все большее применение находит совмешеН' ный способ увлажнения и замасливания нити при формовании- В этом случае применяют замасливатель в виде водной эмульсии, содержащей 5—20% препарирующих веществ.
Ниже приводится состав (в %) замасливателя БВ, применяемого при формовании нитей текстильного и технического назначения:
63,0 1.010,5 4,5 7,8 0,9 2,71,18,563,0 1.010,5 4,5 7,8 0,9 2,71,18,5Минеральное масло (велосит или С-9) Сульфированные спирты кашалотового жира
63,0 1.0
10,5 4,5 7,8 0,9 2,7
1,1
8,5
63,0 1.0
10,5 4,5 7,8 0,9 2,7
1,1
8,5
Сульфированный рыбий жир
Сульфированное касторовое масло ............ Аммонийная соль олеиновой кислоты . .
Этанол
Циклогексаиол Сульфаты и хлориды
Вода
Составы замасливающих препаратов могут изменяться в соответствии с требованиями потребителей, а также в результате синтеза более эффективных антистатических, замасливающих и эмульгирующих веществ.
Параметры процесса формования. Основные параметры процесса формования нитей — температура и скорость — определяются свойствами полимера, толщиной элементарных и комплексных нитей, назначением и заданными свойствами нитей.
Температура формования нити обычно соответствует температуре плавильной решетки. Последняя изменяется в пределах 265—290°C в зависимости от молекулярной массы полимера. Чем она больше, тем выше температура формования нити. Температура рубашки обычно ниже температуры решетки на .2-5 °C.
Скорость формования, изменяется в пределах 350— 1500 м/мин и зависит от производительности плавильного устройства, вязкости расплава полимера (молекулярной массы полимера и температуры формования), толщины элементарных и комплексной нитей.
Комплексные нити толщиной 29, 93,5 и 187 текс формуют со скоростью от 350 до 600 м/мин, комплексные нити толщиной 15,6; 6,7; 5; 3,3; 1,67 — со скоростью от 700 до 1500 м/мин.
Машины для формования капроновых нитей. Для формования капроновых нитей различных толщин в производстве используют несколько типов машин.
Для формования тонких нитей (15,6; 6,7; 5; 3,3 и 1,67 текс) применяют машины марки ПП-350-И, ПП-350-ИЗ, ПП-350-ИЗ (выпуска 1961 г.), ПП-600-И и МФ-600-КШ-24. Для формования технических нитей используют машины ПП-700-И (нити толщиной 29 текс), ПП-1000-И, ПП-1000-ИМ и ПП-1000-ИР (нити толщиной 93,5 и 187 текс).
В табл. 16 приводится краткая характеристика машин, приме- йяемых для формования капроновых нитей.
До последнего времени типовой прядильной машиной для формования капроновых нитей являлась машина марки ПП-700-И.
этой машине формовали капроновые нити всех типов, включая ^ити толщиной 29 текс,
Машина ПП-700-И состоит из двух независимых сторонок, объединенных общей станиной, по 24 прядильных места на каждой сторонке. На сторонке имеются: два привода насосов —один для дозирующих насосов, другой — для напорных; общая приводная головка для прядильных дисков и фрикционного вала, вращающего бобины с нитями; два приводных устройства для двух штанг нитераскладчиков (каждая на 12 мест); одно приводное устройство для препарационных шайб.
Машина типа ПП-350-И аналогична машине ПП-700-И и отличается от нее только числом прядильных мест.
Машина ПП-350-ИЗ снабжена групповыми плавильными головками (одна головка на восемь прядильных мест). Для каждой групповой плавильной головки имеется свой бункер для крошки емкостью 1,5 м3.
На машине ПП-350-ИЗ (выпуска 1961 г.) установлены групповые бункеры для крошки (один бункер емкостью 6 м3 на восемь плавильных головок). Каждая плавильная головка этой машины обслуживает четыре прядильных места. На этой машине впервые применена пневматическая система раздачи крошки к бункерам в токе азота.
Машина ПП-600-И (рис. 16.20). На этой машине сохранен общий привод для дозирующих насосов прядильных головок (56 насосов на сторонке); привод каждого напорного насоса и каждого прядильного диска и фрикционного вала осуществляется от отдельных электромоторов. Эта машина работает значительно спокойнее, без вибрации, несколько экономичнее с точки зрения расхода электроэнергии и значительно проще в обслуживании. Отдельные прядильные места можно ремонтировать без останова всей машины. Машина рассчитана на одновременное формование до 224 нитей. Плавильная решетка 1К-образной формы обогревается жидким ВОТ.
Машина МФ-600-КШ-24 предназначена для формования нитей текстильного ассортимента линейной плотности 1,1 —15,6 текс; принципиальной особенностью этой машины является наличие шнековых расплавителей. Машина односторонняя, имеет 24 прядильных места, сгруппированных по четыре в одной прядильной балке, обогреваемой ВОТ от местного электронагревателя. Две балки, соединенные расплавопроводом, обеспечиваются расплавом от одного шнекового расплавителя, питаемого крошкой от двух последовательно соединенных бункеров. Вспомогательный малый бункер (емкостью 0,25 м3), размещенный непосредственно у шнекового расплавителя обеспечивает бесперебойную работу его на время отключения большого бункера (емкостью 6 м3) для заправки крошкой с помощью пневмотранспорта в токе азота. На каждом прядильном месте в зависимости от толщины одновременно формуется от 4 до 8 комплексных нитей. Соответственно"
Приемная часть машины обеспечивает приемку до 192 нитей — на-Я мотку 48 бобин с двумя паковками или 48 бобин с четырьмя па-Я ковками.Я
Машина ПП-1000-И сконструирована для формования техни-Я ческой (кордной) нити линейной плотностью 93,5 текс. МашинаЯ односторонняя, с 18 прядильными местами. Каждое прядильноеЯ место имеет свою плавильную головку с решеткой ^-образной формы. Каждые 6 плавильных головок имеют один бункер для крошки емкостью 6,0 м3.
Машина ПП-1000-ИМ представляет собой модернизированную модель машины ПП-1000-И, отличается от базовой наличием индивидуальных электроприводов на всех рабочих элементах (прядильных дисках, фрикционных цилиндрах и др.), новой конструкцией обдувочной шахты, устраняющей пульсацию нити, применением системы отсоса низкомолекулярных соединений от фильеры на каждом прядильном месте и другими конструктивными особен- ■ ностями.
Машина ПП-ЮОО-ИР разработана на основе машин ПП-1000-И и ПП-1000-ИМ; она предназначена для формования технических нитей линейной плотностью 93,5 и 187 текс. Машина оснащена высокопроизводительным плавильным устройством в виде плоской алюминиевой электрообогреваемой решетки с принудительной подачей крошки с помощью шнека, прядильным узлом новой конструкции с электрообогревом. Эти и другие конструктивные изменения позволили в два раза увеличить производительность машины и улучшить качество получаемых нитей.
Как отмечалось выше, прядильные машины, предназначенные для формования комплексных нитей непосредственно из расплава полимера, не имеют бункера для крошки и конструктивно они несколько отличаются от прядильных машин, перерабатывающих крошку для получения комплексных нитей. Отличие только в конструкции прядильной головки; отсутствует плавильное устройство, и функции прядильной головки сводятся только к темперированию и дозировке расплава, поступающего на фильеру, из аппарата ЯП по обогреваемому ВОТ расплавопроводу.
Формование нитей непосредственно из расплава осуществляется с помощью только одного дозирующего насоса.
При формовании капроновых нитей из расплава аппараты НП устанавливаются в прядильном цехе вблизи прядильных машин. В этом случае химический и прядильный цехи объединяют в единый цех, занимающий значительно меньшие площади, чем прядильный и химический цехи в обычном производстве. '
Качество сформованной нити в прядильном цехе контролируется по следующим показателям: полновесность бобин; линейная плоткость нити; содержание влаги и замасливателя.
Капроновые нити, как и большинство других синтетических нитей, после формования еще не обладают комплексом свойств, требуемых для дальнейшей текстильной переработки, вследствие большого удлинения при разрыве и малой прочности. Для достй'
жения требуемых свойств они должны быть подвергнуты операциям вытяжки (в 3—6 раз) и крутки.
Свойства готовых нитей (прочность удлинение и др.) зависят от многих факторов. Требования к нитям определяются в основном областью их применения. Как правило, нити, предназначенные для изготовления текстильных изделий, должны- обладать большим удлинением (26—34%), чем нити технического назначения (12—16%). Поэтому последние подвергаются более сильному вытягиванию. Способность полиамидных нитей вытягиваться дает возможность получать их с заданными свойствами и удовлетворять требования различных потребителей. Капроновая нить одной и той же толщины может быть получена с различным удлинением в зависимости от назначения. Например, нить, предназначенная для переработки в трикотажной промышленности, должна иметь несколько более высокое удлинение (26—34%), чем нить той же толщины, применяемая в ткачестве (26—32%).
В этих условиях заправка машины для получения комплексных нитей, удовлетворяющих всем требованиям потребителя (по толщине, прочности, удлинению и т. и.), достаточно сложна. На практике при заправке машины поступают следующим образом. Для нити данной толщины задаются степенью вытяжки, расчетным путем определяют необходимую подачу насоса и частоту его вращения при заданной скорости формования.
Подачу насоса Q (в г/мин) находят по-формуле
«МТ
1000
где и —скорость формования, м/мин; М— степень вытягивания нити; Т — линейная плотность нити, текс.
При ориентировочных расчетах поправки, учитывающие содержание влаги и замасливателя в готовой нити, разницу в содержании низкомолекулярных соединений в свежесформованной и готовой нити, а также усадку при отделке и укрутку, можно не принимать во внимание.
Частоту вращения насоса п (об/мин) определяют, пользуясь следующим соотношением:
иасоса заиасоса загде р —плотность расплавленного полимера; q — производительность один оборот.
иасоса за
иасоса за
После определения значений Q и п проводят опытное формование нити на нескольких прядильных местах машины; сформованную нить вытягивают с возрастающей кратностью до получения нити с заданными показателями по прочности и удлинению. Если при этом получается нить с отклонением по линейной плотности, проводится корректировка линейной плотности сформованной нити соответствующим изменением подачи насоса; после этого вновь Повторяют'опытное формование и вытягивание нити до получения готовой нити с заданными свойствами.
Текстильная обработка капроновых нитейЯ
Бобины с невытянутыми нитями, поступающие из прядильного? цеха, выдерживают в буферной камере или в текстильном цеха в кондиционных условиях (температура 21—23 °C, относительная влажность 55—65%) не менее 12 ч. Это необходимо для усредне- ния свойств нити на бобине по слоям паковки и для равномерного распределения влаги и замасливателя. Характер текстильной обработки (степень вытяжки и крутки) капроновых нитей зависит от ее толщины и назначения.
Ниже приводится последовательность проведения операций обработки капроновых нитей текстильного назначения:
вытяжка;
крутка с перемоткой на перфорированные бобины;
отделка (удаление низкомолекулярных соединений и фиксация крутки);
сушка;
кондиционирование;
перемотка на конические патроны;
сортировка.
Капроновые нити, предназначенные для производства различных технических изделий, выпускают с завода на конических бобинах и подвергают тем же операциям последующей обработки. Технические (кордные) нити линейной плотности 93,5 и 187 текс почти полностью перерабатываются на заводе в кордную ткань. В этом случае в комплекс текстильных операций входят операции крутки кордных нитей и ткачества кордной ткани.
До последнего времени обработка капроновых нитей (как и других полиамидных нитей) начиналась с операции предварительной крутки. До вытяжки нити в зависимости от толщины сообщалась крутка от 50 до 100 витков/м. Предварительная крутка придает нити компактность, что облегчает процесс ее вытяжки, при этом уменьшается обрывность элементарных и комплексных нитей и повышается равномерность свойств вытянутых нитей. В последние годы операция предварительной крутки исключена на всех заводах капронового волокна в результате более строгого контроля параметров всех технологических процессов, использования ис- ходного сырья более высокой степени чистоты и применения соответствующих замасливающих составов на машинах. При этом значительно сократились производственные площади и уменьшились затраты труда.
Кольцевые крутильные машины марки К-136-ИЗ, применявшиеся для предварительной крутки нитей, теперь используются для трощения несортных нитей (объединения совместной круткой двух, трех или большего числа нитей в одну).
Вытяжка нитей. Эта операция осуществляется на крутильновытяжных машинах (рис. 16.21). Из всех операций технологического процесса получения капроновых нитей вытяжка нитей явля; ется одной из самых ответственных. Эта операция в значительной $98
Рис. 16.21. Крутильно-вытяжная машина КВ-150-И4:
/ — паковка с невытянутой нитью; 2 — ните- проводник; 3 — грузовой валик; 4 — нитево- дитель; б — питающий цилиндр; 6 — тормозная палочка; 7—ролик для раскладки нити; 8—галета; 9 —крючок; 10— ограничитель баллона нити; 11— паковка вытянутого волокна; 12—кольцедержатель; 13 — цилиндр для намотки заправочных концов нити; [4—веретено; 15 — помост для обслуживания.
степени определяет качество и свойства нитей и как бы контролирует все предыдущие стадии процесса. Это связано С тем, что равномерность вытягивания, а следовательно, и равномерность свойств вытянутой нити зависят от многих факторов: молекулярной массы полимера, содержания низкомолекулярных соединений, условий формования (температура и скорость), влажности количества замасливателя, на
несенного на нить, и др.
Свойства нитей характеризуются не только абсолютными значениями физико-механических показателей, но в значительной степени и равномерностью этих показателей. Колебания температуры и скорости формования, влажности и температуры воздуха в цехе, изменение условий увлажнения и замасливания нити и других параметров технологического процесса приводят к получению нити, отдельные участки которой имеют неодинаковые свойства. Естественно, что при вытягивании такой нити отдельные ее участки будут по-разному вытягиваться, и вследствие этого готовая нить будет обладать неравномерными физико-механическими показателями. Поэтому так важно строгое соблюдение параметров технологического процесса.
Принципиальная схема крутильно-вытяжного механизма машины КВ-150-И4 показана на рис. 16,22.
Невытянутая нить с паковки 1 через нитепроводники 2 и 3 и Нитеводитель 4 подается питателем 5, состоящим из фрикционно- го вала и прижимного ролика, с заданной линейной скоростью на вытяжное устройство — ролик 7 и вытяжной диск (галету) 8. Последний приводится во вращение с постоянной линейной скоростью, а Ролик 7 вращается нитью. Ролик устанавливают на машине таким образом, чтобы ось его находилась под некоторым углом к °си вращения галеты. Благодаря этому нить на ролике 7 и гале- Те 8 располагается по винтовой линии, при этом число витков Должно быть таким, чтобы обеспечивалось движение нити без
меров, наблюдаетсямеров, наблюдаетсяРис. 16.22. Схема крутильно-вытяжного механизма: ' 1—паковка с невытянутой нитью; 2 и 3—иитепроводники; 4— ннтеводитель; 5 —питатель; б — тормозная палочка: 7—ролик для раскладки нити; 8— галета; 9 — ограничитель баллона нити; 10— патрон.
меров, наблюдается
меров, наблюдается
скольжения. Нить вытягивается в результате разности линейных скоростей вращения питателя и галеты. Степень вытягивания (от 1 : 2,5 до 1 : 6) регулируется изменением скорости вала питателя 5. Сходящая с галеты нить принимается на алюминиевый патрон 10, сидящий на веретене, которое вращается с частотой 8000—10 000 об/мин. Постоянная частота вращения галеты обеспечивает получение нити с постоянной круткой, независимо от степени вытягивания.
При вытягивании полиамидных нитей, как и многих других синтетических нитей, получаемых из кристаллизующихся поли- характерный эффект образования шейки, образования шейки и повышения равномер-
Для фиксации места ности вытягивания нити между питателем и галетой (в поле вытя-,Для фиксации места ности вытягивания нити между питателем и галетой (в поле вытя-,гивания) установлена круглая тормозная палочка 6 из твердого материала (агат, корунд и др.), вокруг которой нить делает один оборот. В результате непрерывного трения нити палочка сильно разогревается (до 80°C). Таким образом, образование шейки на нити (при сходе с палочки) обусловлено притормаживанием и нагреванием ее палочкой.
Для фиксации места ности вытягивания нити между питателем и галетой (в поле вытя-,
Для фиксации места ности вытягивания нити между питателем и галетой (в поле вытя-,
Тормозная палочка применяется, как правило, при получении технических нитей; тонкие нити можно вытягивать и без палочки.
Описанный процесс называется холодным вытягиванием.
Для вытягивания и кручения текстильных нитей линейной плотностью от 1,67 до 15,6 текс используется 164-местная крутильно-вытяжная машина КВ-150-И4, рассчитанная на кратность вытяжки 2,42 — 4,90 и скорость выпуска вытянутой нити до 750 м/мин; масса выходной паковки составляет до 400 г. Для этих же целей применяется более совершенная 120-местная крутильно- вытяжная машина КВ-180-К с кратностью вытяжки 2,48 — 5,52 и скоростью выпуска вытянутой нити до 1220 м/мин. Машина снабжена программным регулированием частоты вращения веретена и скорости выпуска нити, которые зависят от принятого технологического режима вытягивания и кручения нити. Масса выходной паковки — до 3 кг.
Капроновые нити технического назначения линейной плотностью 93,5 и 187 текс подвергаются комбинированному вытягиванию: холодному и горячему (рис. 16.23). При этом в зону вытягивания помещают приспособление для нагревания нитей до 150— 180 °C. i
Рис. 16.23. Схема механизма холодного и горячего вытягивания технической нити машины К.В-300-И:'Рис. 16.23. Схема механизма холодного и горячего вытягивания технической нити машины К.В-300-И:'
Рис. 16.23. Схема механизма холодного и горячего вытягивания технической нити машины К.В-300-И:'
Рис. 16.23. Схема механизма холодного и горячего вытягивания технической нити машины К.В-300-И:'
1 — паковка с невытянутым волокном, 2—натяжные нитепроводники; 3— нитеводитель; 4—питающее устройство; 5—тормозная палочка; 6—верхний вытяжной диск; 7—нагреватели; 5—нижний вытяжной диск; 9 — иитепроводник; 10—копе; 11—кольцо с бегунком; 12—веретено.
Рис. 16.24. Поперечный разрез крутильной машины К.Э-200-И2:
/—веретено с паковкой иитн; 2—иитепроводник; 3—полированныЙ. прут; /—нитеводитель; 5—перфорированная бобина; 6—фрикционный цилиндр.
Для вытягивания и кручения технических нитей толщиной 93,5 и 187 текс применяется машина КВ-300-И, имеющая нагреватели в виде двух пустотелых цилиндров, обогреваемых силиконовым наслои, и машина KB-III-250-K с обогревателями в виде пластин (утюжков), обогреваемых электричеством. Кратность вытяжки на первой машине составляет в первой зоне до 6 и во второй — до 6. Кратность вытяжки на второй машине равна 4 в первой зоне и 6 — во второй. Масса выходной паковки с нитью, сходящей с этих машин, соответственно равна 1,8 и 2,85 кг.
Комбинированный способ вытягивания позволяет значительно Повысить кратность вытяжки, благодаря чему повышается прочность и снижается удлинение нити. Скорость вытягивания
капроновой нити зависит от ее линейной плотности й Составляет для технических нитей 150—400 м/мин.
Крутка нитей. В результате вытягивания и кручения нитей на крутильно-вытяжных машинах получают нить с величиной крутки от 50 до 110 витков/м в зависимости от скорости вытягивания и частоты вращения веретен.
Капроновые нити текстильного ассортимента в зависимости от назначения выпускаются с пологой (до 200 витков/м) и с повышенной круткой (более 200 витков/м). Нормы повышенной крутки для различных нитей текстильного ассортимента неодинаковы— скорость кручения увеличивается с понижением линейной плотности нити:
Линейная плотность, текс 29 15,6 6,7 5 3,3
Величина круткн, витки/м 200 200 600 800 1000
Докручивание вытянутого капронового волокна до заданной крутки, т. е. окончательное кручение капроновой нити, проводится на этажных крутильных машинах КЭ-200-И2 (рис. 16.24) и КЭ-200-И6М. На этих машинах патроны с вытянутой подкрученной нитью устанавливают на веретена 1, расположенные в два яруса по высоте машины. Нить, сходя с быстро вращающегося патрона, получает крутку, проходит центральный нитепроводник2, огибает полированный прут 3, переходит через нитеводитель 4 и наматывается на цилиндрическую перфорированную бобину 5, приводимую в движение фрикционным цилиндром 6. Таким образом, нити докручиваются и одновременно перегоняются на перфорированные бобины с образованием паковки, соответствующей по характеру раскладки нити, плотности и форме намотки требованиям отделки нити на бобине.
Скорость движения нити на этажной крутильной машине при пологих крутках составляет 60—90 м/мин, частота вращения веретена 900—12 000 об/мин. Для получения нити с повышенной круткой могут применяться крутильные машины с веретенами двойного кручения и соответственно более низкими скоростями движения нити.
Для кручения технических капроновых нитей линейной плотности 93,5 и 187 текс, предназначенных для изготовления корда, используются различные схемы кручения и применяются разные крутильные машины. Двухпроцессное кручение кордных нитей осуществляется на двух кольцекрутильных машинах первой и второй крутки. По двухпроцессному способу изготавливают кордную нить в два и большее ч.исло сложений. Для этих же целей применяются кольцекрутильные машины с веретенами двойного кручения.
Для однопроцессного способа кручения кордных нитей, при котором первая и вторая крутки осуществляются на одной машине, используются машины с каркасными веретенами (первая крутка) и кольцекрутильными веретенами (вторая крутка), а также маши- ны, оснащенные веретенами двойного кручения.
Рис. 16.25. Коллекторный аппарат для отделки капроновой нити: /—ванна;2 —коллектор;3—свеча;
4—зажимная головка; 5—прокладки; 6—бобина с волокном.
Для изготовления капроновой ткани применяются различные машины для получения навоя, вытягивания и термофиксирования кордных нитей и автоматические ткацкие станки.
Отделка нитей. Отделка капроновых нитей проводится для удаления из них низкомолекулярных соединений путем обработки горячей водой, нанесения на нити замасливающего препарата и фиксации величины крутки. Капроновая вытянутая нить, не подвергнутая термической обработке, обладает способностью в свободном состоянии усаживаться в горячей воде на 8—15% (в зависимости от температуры воды и продолжительности воздействия). Вследствие усадки нити увеличивается ее толщина, снижается прочность и повышается удлинение нити. Обработка нити горячей водой под на
тяжением на жесткой паковке способствует снятию напряжений в нити, фиксации свойств и получению нити с резко пониженной способностью к усадке. При последующих обработках такой нити в горячей воде в свободном состоянии усадка ее не превышает 3—3,5%.
Для отделки капроновых нитей на бобинах применяют коллек* торные аппараты, моечные ящики и отделочные агрегаты ОИК-2. Перечисленные аппараты аналогичны по принципу действия; отличаются они по конструкции и по степени механизации процесса. Коллекторный аппарат (рис. 16.25) состоит из ванны 1, на дне которой проложен коллектор 2 с 60—80 патрубками. К каждому патрубку на фланцах крепится перфорированная труба (свеча) 3, заканчивающаяся стержнем с крупной резьбой. На каждую свечу, одна над другой, устанавливают 4—6 бобин с нитью, разделенные
резиновыми уплотняющими прокладками. Верхняя бобина закрывается крышкой, и все бобины прижимаются плотно друг к другу зажимающей головкой 4, навертываемой на стержень свечи. Отделочный аппарат вместе с барками для промывных жидкостей, теплообменниками и насосами составляет отделочный агрегат.
. Отделочная жидкость под давлением до 0,3 МПа по коллектору поступает в свечи и, пройдя сквозь толщину намотки нити, поднимается в ванне, откуда самотеком переливается в барку. Достаточно полное вымывание низкомолекулярных соединений из нити достигается при скорости циркуляции промывной воды (при 80— 90°C) не менее 2,5 л/мин на одну бобину и продолжительности отделки 1—2 ч.
Для равномерности промывки бобин, установленных на аппара-. те, необходимо тщательно осмотреть все бобины и отбраковать неполновесные бобины и бобины с неправильной намоткой. Если на свече имеется неполновесная бобина или бобина с неправильной намоткой (оголена часть перфорации бобины), то такая бобина будет оказывать меньшее сопротивление поступающей жидкости и, естественно, большая ее часть пройдет через дефектную бобину, а остальные окажутся недостаточно промытыми. После промывки горячей водой и обработки отделочной жидкостью нить кратковременно промывают холодной водой для устранения возможного выделения капролактама на поверхности намотки и образования пятен на ней. Регенерация капролактама из промывных вод затруднена из-за присутствия в воде замасливающих веществ, нанесенных на нити при формовании и вымытых при отделке, и поэтому не проводится. Отработанные промывные воды спускаются в канализацию.
Отделочные ванны используют многократно; периодически их укрепляют добавкой препарирующих веществ.
После отделки нить на бобинах отжимается в отделочном аппарате путем продувки пара (или воздуха) или на специальных центрифугах. При этом влажность волокна снижается с 30 до 10%.
Ниже приведен примерный режим работы отделочного аппарата (мин): у
Загрузка Промывка Отжим . ... « Загрузка Промывка Отжим . ... « 10Охлаждениеперед вы-
Загрузка
Промывка
Отжим . ... «
Загрузка
Промывка
Отжим . ... «
60—120грузкойЮ
25Выгрузка 10
При отделке капроновой нити повышенной крутки, описанный режим фиксации крутки не применяется. Для фиксации крутки такие нити подвергаются термической обработке острым паром при 125—130°C. Примерно так же, как коллекторный, устроен и работает моечный аппарат. Последний отличается размерами ящика, наличием герметичной крышки, открывающейся и закрывающейся механически, и другими конструктивными особенно
стями.
Отделочный агрегат ОИК-2 состоит из 16 отделочных ящиков размещенных в два ряда. Каждый ряд ящиков имеет крановую
тележку для загрузки, выгрузки и транспортирования пакетов бобин к перевалочному пункту, где производится их сборка и разборка. Пакет состоит из коллектора с посадочным фланцем и закрепленных на нем 24 свечей, на которые устанавливаются бобины. В каждый ящик помещаются одновременно три пакета.
Сушка и кондиционирование нитей. Нити на бобинах сушат в течение 3—4 ч в туннельных двухзональных сушилках при 85— 90°C. Высушенные нити на бобинах выдерживают не менее 18 ч в специальной камере при относительной влажности воздуха 55— 65% До достижения равновесной влажности 3,5—4,5%.
Перемотка нитей. Полученные капроновые нити перематывают с бобин на конические шпули для получения удобной товарной паковки трехконусной формы с крестовой намоткой. Эта операция проводится на бобинажно-перемоточных машинах. Некоторые виды капроновой нити при перемотке замасливаются. При этом на нить наносится до 4—6% безводного замасливателя, например следующего состава (в %):
Вазелиновое масло . . . . .84,0Препарат ОП-46,0
Олеиновая кислота3,0Стеарокс или ОС-20 6,0
Триэтаноламин 1,0
Перемотка нити на бобинажно-перемоточных машинах осуществляется при постоянной линейной скорости, которая составляет обычно 250—400 м/мин. Плотность намотки нити на конических паковках имеет большое значение для выравнивания свойств нити по слоям паковки. Чем меньше плотность намотки (мягкая намотка), тем лучше выравниваются свойства. Регулируют плотность намотки соответствующим изменением натяжения нити при перемотке. Однако плотность намотки должна быть достаточной для обеспечения сохранности паковки, предотвращения самопроизвольного сползания нити при транспортировании и переработке волокна, а также при изменении его влажности. Плотность намотки регламентируется и должна составлять 600—700 кг/м3 для гладких нитей и 500—600 кг/м3 —для высокообъемных нитей. При перемотке нити удаляются дефектные участки, концы связываются и выводятся узлы на верхний торец бобины. Масса паковки достигает 600 г.
Сортировка нитей. После отделки и перемотки готовую нить' сортируют в строгом соответствии с требованиями ГОСТ на данный вид продукции. Сортность нити устанавливают по наихудшему физико-механическому показателю, внешним признакам и внутри- паковочным дефектам. Бобины с нитью, качество которой удовлетворяет требованиям ГОСТ, обертывают плотной мягкой упаковочной бумагой. Предварительно внутрь каждой бобины вкладывают ярлык с указанием толщины нити и номера перемотчицы. Бобины укладывают в картонные коробки с прокладками для каждой бобины. Коробку перевязывают и помещают в контейнер Кли деревянный ящик.
Получение капронового волокна
Непрерывный способ получения поликапроамида и формования нити непосредственно из расплава впервые был применен в производстве волокна. В настоящее время для получения волокна используются два способа: непрерывный — с отделкой резаного волокна и поточный — с отделкой жгута.
Первый способ реализован в промышленном масштабе на агрегатах ШАК-15-И производительностью 15 т/сут.
Агрегат ШАК-15-И состоит из установки централизованного плавления капролактама УЦП-14,5; четырех аппаратов АНП-5,5 непрерывного полиамидирования капролактама; четырех прядильных машин ПВК- 1500-И; четырех машин для вытягивания и резки жгута; двух грабельно-мыловочных машин в комплекте с сушилками, рыхлителями и упаковочными прессами (рис. 16.26).
Расплавленный капролактам при температуре 85—95 °C с установки УЦП-14,5 поступает в бак-смеситель 3, где смешивается с добавками — активатором (1—2% воды от массы капролактама) и регулятором молекулярной массы (0,2—0,3% адипиновой кислоты от массы капролактама). Реакционная смесь, пройдя фильтр 4, поступает в расходный бак 5, откуда погружным насосом перекачивается в дозаторы (черпачкового типа) 9 и затем в аппарат АНП-5,5 10. Одновременно из бака 14 с помощью дозатора 8 в аппарат подается матирующий агент — суспензия двуокиси титана в водном растворе капролактама. Процесс полиамидирования капролактама в аппарате АНП-5,5 протекает при 245—265 °C в течение 26—28 ч. Расплав полимера, содержащий 9—10% низкомолекулярных соединений, забирается из аппарата АНП-5,5 шестеренчатым насосом и нагнетается в расплавопровод семиместной прядильной машины ПВК-1500-И. Прядильная головка каждого прядильного места оборудована четырьмя фильерами, и на каждую фильеру расплав подается своим дозирующим насосом. Сфор- ' мованные со скоростью 350—500 м/мин нити с четырех фильер, пройдя шахту 16, собираются в жгутик (600—800 элементарных нитей), который после нанесения препарации вытягивается и режется на машине (рис. 16.27).
Полученное волокно отсасывается вентилятором 17 (см. рис. 16.26) и поступает в циклон 20, собираясь в его нижней части. Из циклона волокно поступает на грабельно-отделочную машину, где в первых двух секциях 21 и 22 последовательно промывается оборотной и свежей горячей умягченной водой для удаления низкомолекулярных соединений. После отжима на вальцах волокно обрабатывается водным раствором препарации в секции 23 машины, вновь отжимается на вальцах и колковым питателем 37 подается в сушилку 25, откуда пневмотранспортом передается в пресс 27 для упаковки в кипы.
Существенным недостатком капронового волокна, получаемого на установках ШАК-15-И, является сравнительно большое удлинение, фиксированные перегибы (уголки) и отсутствие извитости. 306
Рис. 16.26. Схема непрерывного процесса получения капронового волокна:
j —бак для раствора адипиновой кислоты; 2—мерник; «?—бак-смеситель для смешивания капролактама с добавками; 4 —фильтр; 5 —расходный бак для расплавленного капролактама; 6—гидрозатвор; 7—конденсатор капролактама; 8 —дозатор суспензии диоксида титана; 9—дозатор капролактама; 10 — аппарат АНП-5,5; 4J —насос для расплава полнкапроамнда; 12 и 13 — котлы ВОТ; 14— бак для суспензии диоксида титана; 15— прядильная головка; 16 — прядильная шахта; 17 —вентилятор для транспортирования штапельного волокна на отделку; 18 — препарационная шайба; 19 — машина для вытягивания и резки волокна; 20— циклон; 21 и 22 — секции грабельно-отделочной машины для удаления низкомолекулярных соединений из волокна; 23 — секция машины для обработки волокна препарационным составом; 24— рыхлитель; 25 —сушилка; 26 — вентилятор для подачи штапельного волокна на упаковку; 27 —упаковочный пресс; 28. 32 и 40—фильтры; 29» 33 н 39—теплообменники; 30, 34 и 38 —насосы; 31— бак зля оборотной воды; 35—бак для свежей воды; 35—бак для препарацнонной ванны; 37 —кодовый питатель; 41 — кипа штапельного волокна.
Для получения извитого волокна, не имеющего перечисленных Недостатков, разработан поточный способ производства волокна с отделкой в жгуте, состоящий из двух потоков: для получения жгута и для отделки жгута. В состав поточной линии производства Извитого волокна входят: установка УЦП-14,5 для централизованного плавления капролактама, аппарат АНП-5,5 для непрерывного Полиамидирования капролактама, эвакуатор ЭП-743— аппарат
Для удаления низкомолекулярных соединений из расплава поликапроамида отгонкой водяным паром до остаточного содержания 4—5%, реконструированная прядильная машина, на которой вместо машины для вытягивания и резки нитей в качестве приемного механизма установлены вальцы для съема нитей со всей прядиль- , ной машины в виде единого жгута и пантограф-механизм для упорядоченной укладки жгута в контейнеры или механизм для намотки жгута на бобину и агрегат для отделки жгута.
Непрерывный процесс отделки волокна в жгуте состоит из следующих операций: обработки жгута горячей водой, термовытяжки, гофрировки, термообработки (релаксация, фиксация извитости, сушка), охлаждения жгута, нанесения антистатика и замасливате^ ля, укладки жгута в тару или резки его и упаковки штапельной! волокна в кипы.Я
Для отделки волокна в жгуте применяется несколько типов регатов. Ниже описывается работа агрегата ША-5К производи! тельностью до 5 т/сут волокна.■
Жгут развесом 20—60 г/м, укомплектованный из прядильных" жгутов, находящихся в контейнерах или на бобинах, пройдя вальцы, поступает в ванну с горячей водой. После увлажнения и частичного вымывания низкомолекулярных соединений жгут отжимается вальцами и поступает на установку двухступенчатой термовытяжки, состоящей из вытяжных станов с температурой вальцов 120 °C, разделенных двумя термокамерами с температурой 150°C, расположенных в зоне вытяжки. Затем жгут, вытянутый с кратностью 1 :3—1 :5 за счет разной линейной скорости вальцов вытяжных станов, поступает со скоростью 60—120 м/мин в машину для гофрирования. Гофрировка производится путем прессования
Рис. 16.27. Машина для вытягивания и резки капронового волокна: 1 и 2—диски; 3—крючки; 4 — прижимные диски; 5 —дисковый нож.Рис. 16.27. Машина для вытягивания и резки капронового волокна: 1 и 2—диски; 3—крючки; 4 — прижимные диски; 5 —дисковый нож.
Рис. 16.27. Машина для вытягивания и резки капронового волокна: 1 и 2—диски; 3—крючки; 4 — прижимные диски; 5 —дисковый нож.
Рис. 16.27. Машина для вытягивания и резки капронового волокна: 1 и 2—диски; 3—крючки; 4 — прижимные диски; 5 —дисковый нож.
нагретого до НО °C жгута в щелевидную камеру. После гофрировки жгут раскладчиком укладывается на транспортер, движущийся в камере машины термофиксации, и в течение 10—25 мин потоком горячего во духа при 120 °C подвергается релаксации, фиксации извитка и сушке. Затем горячий жгут поступает в устройство для охлаждения и в установку для нанесения препарации (антистатика и замасливателя).
плот-35—плот-35—Описанный агрегат для отделки штапельного волокна в жгуте обеспечивает выпуск штапельного волокна, упакованного в кипы, или в виде жгута, упакованного в мешки и подлежащего резке у потребителя. Поэтому агрегат снабжен резательным станком, рыхлителем и упаковочным прессом, а также устройством для укладки жгута в тару. В зависимости от назначения капроновое волокно выпускается различной длины (от 35 до 150 мм) и линейной ностью 0,15—1,11 текс. Прочность волокна составляет 38 сН/текс, удлинение при разрыве достигает 100%.
плот-
35—
плот-
35—
Примеры технологических расчетов
капро-капро-Ниже приводятся примеры технологических расчетов в производстве новых нитей и штапельного волокна.
капро-
капро-
Расчет расхода капролактама
Определить расход капролактама на 1 кг капроновой текстильной нити линейной плотностью 3,3 текс, если выпуск такой нити, содержащей 5% влаги и 5% замасливателя, составляет 5000 кг/сут. -
Для определения расхода капролактама необходимо знать потери на всех технологических операциях и определить массу теряемого.при этом полимера.
Обозначим массу полимера буквой G, а потери — буквой g.
Содержание полимера в готовой нити Gt составляет:
Gi = 5000 • 0,9 = 4500 кг
Потерн в сортировочном цехе достигают 0,05%. Следовательно, содержание полимера О2 в нити, поступающей в сортировочный цех, составляет
G2 = 4500-1,0005 = 4502,25 кг
Потерн полимера в сортировочном цехе составляют:
£2 = 2,25 кг
Потери при перемотке нити на бобинажно-перемоточных машинах составляют 1,2%, поэтому в перемоточный цех поступает полимера:
Оз = 4502,25 ■ 1,012 = 4556,28 кг
ПотерИ.полимера в перемоточном цехе составляют
g3 = 4556,28 — 4502,25 = 54,03 кг
В результате вымывания низкомолекулярных соединении потери прн отделке Достигают 3%. Следовательно, на отделку поступает поликапроамнда (в виде Нити):
Gt = 4556,28 • 1,03 = 4692,97 кг
Потери в виде низкомолекулярных соединений составляют:
gt = 4692,97 - 4556,28 = 136,7 кг
Поскольку регенерация капролактама Из воды после промывки волокна не проводится, указанные потери являются безвозвратными.
При окончательной крутке (крутке с перемоткой нити на перфорированные бобины) потери составляют 2%. Содержание полимера в нити, поступающей на эту операцию, составляет:
Gs = 4692,97 • 1,02 = 4786,83 кг5
Потери полимера при окончательной крутке составляют:'
g5 = 4786,83 - 4692,97 = 93,86 кг
На крутильно-вытяжных машинах потери составляют 3% и около 2% несортной нити отбраковывается (скрытый брак прядильного цеха). На эту операцию поступает нить, в которой содержится полимера:
G6 = 4786,83 • 1,05 = 5026,17 кг
Потери полимера составляют ge = 143,60 в виде вытянутой нити и g? = 95,74 кг в виде невытянутой нити.
В прядильном цехе потери полимера составляют 6%. Из них 3,8% теряется в виде отходов невытянутого волокна (эти отходы образуются при смене бобин; возвратимые потери), 1,5%— в виде слитков, образующихся при смене фильер и при проверке подачи насосов (возвратимые потери) и 0,7%—при смене деталей прядильной головки (безвозвратные потери, так как при обжиге деталей полимер сгорает). Следовательно, в прядильный цех для получения нитей поступает полимер в виде крошки в количестве:
G7 = 5026,17 - 1,06 = 5327,74 кг
Возвратимые потери в виде невытянутого волокна составляют:
58 = 5026,17 • 0,038= 191,00 кг, н в виде слитков:
g9 = 5026,17 • 0,015 = 75,39-кг
Безвозвратные потерн полимера равны:
gio = 5026,17 • 0,007 = 35,18 кг
Потерн полимера при сушке крошки составляют 0,1% или
gn = 5327,74 • 0,001 = 5,33 кг
Таким образом, на сушку поступает полимера:
G8 = 5327,74-1,001 = 5333,07 кг
При экстрагировании крошки теряется 7,5% (в основном в виде капролактама); это составляет:
g,2 = 5333,07 • 0,075 = 399,97 кг
Следовательно, иа экстракцию поступает полимера:
G9 = 5333,07 • 1,075 = 5733,05 кг
При плавлении и полнамндированин капролактама потери составляют 2,5%:
g13 = 5733,05 - 0,025 = 143,32 кг
Масса капролактама, поступающего на плавление, при влажности его 0,4% составляет:
Gio = (5733,05 + 143,32) - 1,004 = 5899,87 кг
Потери за счет влажности капролактама составляют:
gH = 5899,87 — 5733,05 - 143,32 = 23,50 кг
В итоге получается, что для производства 5000 кг капроновой ннтн в сутки необходимо 5899,87 кг капролактама.
Расход капролактама на I кг нити без учета использования отходов н регенерации капролактама из экстрагированных вод равен:
5899,87 : 5000= 1,18 кг
В связи с тем, что часть отходов используется, фактический расход капролактама будет значительно ниже.
Для определения удельного расхода капролактама с учетом использования отходов нужно подсчитать массу отходов, возвращаемых в производство. Общая масса таких отходов составляет:
ОтходыОперацияМасса, кг
Вытянутая нитьСортировка .........2,25
Перемотка 54,03
Окончательная крутка ....93,86
Крутка с вытяжкой143,60
Всего...293,74
НевытянутаянитьКрутка с вытяжкой95,74
Формование191,00
Всего.,..286,74
ПолнкапроамидФормование 75.39
Полиамидированне. . ..z..143,25
Всего л . .218,61
Отходы вытянутой инти перерабатываются в штапельные волокна, при этом теряется 15% отходов н получается штапельного волокна:
Оц = 293,74 - 0,85 = 249,64 кг
Отходы невытянутых нитей и отходы полимера составляют:
0,2 = 286,74 + 218,64^505,38 кг
Эти отходы подвергаются деполиамндированию (щелочному расщеплению); 30% отходов теряется. Регенерируется капролактама (возвращаемого в производство) :
0,3 = 505,38 * 0,7 = 353,76 кг
Воды после экстракции крошки, поступающие на вакуум-выпарку, содержат 399,97 кг капролактама. При регенерации теряется 15% мономера. Следовательно, возвращается в производство капролактама:
О14 = 399,97 - 0,85 = 340,00 кг
Всего возвращается в производство в виде штапельного волокна и капролак тама:
0,5 = 249,64 + 353,76 + 340,00 = 943,40 кг
Таким образом, расход капролактама на 1 кг нити с учетом использования отходов составляет:
5899,87 — 943,40
5000°’" Кг
Расчет некоторых видов основного технологического оборудования
Рассчитать необходимое оборудование для получения 10 000 кг/сут крученой (190 + 20 витков) капроновой нити толщиной 3,3 текс, содержащей 5% влаги н 5% замасливателя, в том числе 5000 кг ннтн, окрашенной в массе.
5,50,95,50,9210152101520202,50,841015142,50,84101514
5,5
0,9
5,5
0,9
21015
21015
20
20
2,50,8
41015
14
2,50,8
41015
14
Расчет оборудования для получения поликапроамида. Для расчета обору, дорания, необходимого для синтеза поликапроамида, принимаем:
полимер получают на аппаратах непрерывного полиамидирования капролактама (НП);
окрашенный полимер получают периодическим способом в автоклавах;
для расплавления капролактама используют установку непрерывного дей-
ствия УЦП-14,5.
Расчет числа аппаратов НП.
Исходные данные:
Емкость аппарата НП V, м3
Коэффициент заполнения у аппарата НП
Содержание добавок в капролактаме (активатор — вода или 40%-ный водный раствор соли АГ), %
Плотность расплавленного капролактама р, кг/м3 ...... Продолжительность процесса полнаминирования капролактама у, ч
Масса капролактама, необходимого для заполнения аппарата НП, равнаО, = Кур-0,98 = 5,5-0,9-1015-0,98 =.4923 кг
Суточная производительность аппарата НП с учетом 2,5% потерь составляет?
„Gi-24.0,9754923-24-0,975
01 ==20= 5760 КГ
Для получения 5000 кг/сут нити при норме расхода 1,15 кг полимера на 1 кг нити требуется поликапроамида:
63 = 5000- 1,15 = 5750 кг
Число аппаратов НП (п) составляет:
_ Оз _ 5750 _П <5г5760 * ,
Расчет числа автоклавов, необходимых для получен
окрашенного в массе поликапроамида.
Исходные данные:
Емкость автоклава V, м3
Коэффициент заполнения автоклава у
Содержание воды в расплавленном капролактаме, % . Плотность расплавленного капролактама р, кг/м3 . . . Продолжительность одного цикла автоклава т, ч . . .
Масса капролактама с добавками стабилизатора и красителя, загружаемое в автоклав, составляет:
О4 = Кур • 0,96 = 2,5 • 0,8 ■ 1015 • 0,96 == 1950 кг
Суточная производительность одного автоклава с учетом 2,5% потерь составляет:
G6G63257 кг3257 кг64 - 24 • 0,9751950 • 24 • 0,975
G6
G6
3257 кг
3257 кг
SS14
S
S
Для получения 5000 кг текстильной нити, окрашенной в массе, при норме расхода 1,15 кг полимера на 1 кг нити потребуется полимера:
- G6 = 5000-1,15 = 5750 кг
Число необходимых автоклавов (nJ равно:
. - О6 5750, „
1)8
В работе всегда необходимо иметь 2 автоклава.
Расчет числа смесителей-дозаторов. Ёмкость смесителя-дозатора равна 3 м3, загрузка его соответствует разовой загрузке автоклава и в рассматриваемом примере составляет:
О7 = О4= 1950 кг
Продолжительность одного цикла работы смесителя-дозатора т слагается из продолжительности загрузки капролактама, воды (активатора), уксусной кислоты (регулятора молекулярной массы) и красителя (20 мин), продолжительности перемешивания перечисленных компонентов (20 мин) и продолжительности выгрузки аппарата (20 мин) и составляет 1 ч.
Суточная производительность смесителя-дозатора составляет
„ О7 • 241950-24
О8 = —;= 46 800 кг
т1
Для производства 5000 кг в сутки окрашенной нити при норме расхода капролактама 1,18 кг на 1 кг нити необходимо-иметь капролактама:
Gg = 5000-1,18 = 5900 кг
Число смесителей-дозаторов (п2) равно:
и _ О9 _ 5 900 _п,2 "О?"46800°’13
Для обеспечения заданной производительности окрашенной нити достаточно иметь 1 смеситель-дозатор.
Расчет числа установок УЦП-14,5. Суточная производительность установки Сю составляет 14 500 кг расплавленного капролактама.
Для производства 10 000 кг нити при норме расхода 1,18 кг капролактама на
кг нити необходимо иметь капролактама:
Gii = 10 000-1,18 = 11 800 кг
Необходимое число установок УЦП-14,5 (пэ) составит:
G„ _ 11800
3 Glo 14 500°’8
Для расплавления капролактама требуется установка УЦП-14,5.
Аналогично определяют необходимое число экстракторов и вакуум-барабан- ных сушилок.
Расчет числа прядильных машин. При расчете необходимого числа прядильных машин принимаем:
Скорость формования V, м/мнн .860
Число формуемых нитей п .112
Масса нити на бобине, кг 1,5
Кратность вытяжки, М ............3,6
Линейная плотность сформованной нити 70 равна:То = ТКМ = 3,3 • 0,9 • 3,6 = 10,8 тексЛинейная плотность сформованной нити 70 равна:То = ТКМ = 3,3 • 0,9 • 3,6 = 10,8 тексКоэффициент полезного использования машины т]0,9
Линейная плотность сформованной нити 70 равна:
То = ТКМ = 3,3 • 0,9 • 3,6 = 10,8 текс
Линейная плотность сформованной нити 70 равна:
То = ТКМ = 3,3 • 0,9 • 3,6 = 10,8 текс
где То и Т — линейная плотность нити до и после вытяжки (в текс); К = 0,9 — суммарный коэффициент, учитывающий содержание влаги и замасливателя в готовой нити и низкомолекулярных соединений в невытянутом и готовом волокне, а также усадку нити при отделке.
Суточная производительность одного прядильного места составляет:
Ут) - 60 • 24Т0 _ 860 - 0,9 - 60 • 24 • 10,8
Q121000-10001000-1000". 1 кг
Производительность одной прядильной машины равна:
Gia = Ou • п = 12,1 • 112 = 1355,2 кг
Для производства 10 000 кг нити (с учетом 11,3% отходов, образующихся на всех последующих стадиях технологического процесса переработки сформован- ной нити, а также содержания влаги и замасливателя в готовой ннтн — всего: 10%) необходимо получить невытянутой нити:
Gu = 10 000 • 1,113 ■ 0,9 = 10 017 кг
Следовательно, число необходимых прядильных машин составит:
Gu 10017 .
4 Gig 1355,2
С учетом резерва на случай ремонта следует иметь 8 прядильных машин.
Расчет числа крутильно-вытяжных машин *. Для расчета принимаем:
Число веретен на машине п ............. Частота вращения веретена, об/мин Скорость вытянутой нити V, м/мин Коэффициент полезного использования машины t] . . Продолжительность работы машины в сутки т, ч . .
Производительность одной крутильно-вытяжной машины
164, 4500—80003600,9
21
составляет:
Кц • SOSnT 015 " 1000-1000 —
360-0,9-60-21 • 164-3,3 = 220 кг
1000-1000
Масса нити, подлежащей вытягиванию с учетом 2% несортной продукции (скрытый брак прядильного цеха) равна:
Gls = Gi4-0,98= 10 017-0,98 = 9 817 кг
Число крутнльно-вытяжных машин составит:
G169817...
Необходимое число крутильно-вытяжных машин составляет 45.
Расчет числа машин окончательной крутки *. Для этого расчета принимаем
Число веретен на машине п
Частота вращения веретен, об/мин Коэффициент полезного использования 'машины т) Продолжительность работы машины в сутки т, ч .
2205000-14000
0,9
21
Вначале находим величину крутки (число витков на 1 м) ннтн, поступающей
на окончательное кручение.
На крутильно-вытяжных
v = 360 м/мнн и крутку:
частоте вращения
Для придания ного кручения она
машинах при скорости движения вытянутой иитн * веретена 8000 об/мин нить приобретает -
8 000
Z1 “ 360
22 внтка/м
ннтн заданной крутки (210 витков/м) на машинах окончател должна получить дополнительно:
Zi = 210 — 22 = 188 витков/м
При частоте вращения веретена, равной 14 000 об/мин, скорость движения
ннтн составит:
ДМ = 74,5 м/мнн
* При расчете не предусматриваются резервные машины на случай ремонта, так как продолжительность работы крутнльно-вытяжных машин составляет 21 ч в сутки.
Производительность одной машины для окончательного кручения нити равна:
PrjSn • 607 _ 74,5 • 0,9 • 21 • 220 • 60 ■ 3,3 __ 1000-10001000-1000—61.КГ
На окончательное кручение с учетом 2% потерь при вытягивании поступают нити, имеющие массу:
О18 = О16.0,98 = 9 817 • 0,98 = 9620,7 кг
Для окончательного кручения необходимо иметь машин:
Необходимое число машин для окончательного кручения составляет 158.
ПРОИЗВОДСТВО АНИДНЫХ НИТЕЙ
Полиамидные анидные нити по химическому составу и свойствам подобны нитям, получаемым из найлона 6,6, производство которых широко распространено в большинстве промышленно развитых странах мира.
Анидные нити вырабатываются из полигексаметиленадипами- да, который является продуктом поликонденсации гексаметилендиамина и адипиновой кислоты, используемых в виде так называемой соли АГ.
Синтез мономеров
Адипиновая кислота и гексаметилендиамин могут быть получены из тех же исходных веществ, что и капролактам. В качестве примера ниже приводится способ получения из фенола адипиновой кислоты, которая в свою очередь служит сырьем для получения гексаметилендиамина. При гидрировании фенола образуется циклогексанол, который окисляется 65—68%-ной азотной кислотой в присутствии катализатора; при этом получается адипиновая кислота:
ОН
снон
Н2 Н2СХ ХСН2 hnO3
—►I |► НООС—(СН2)4—соон
Н2С\ /СН1
С Нг
Для получения гексаметилендиамина из адипиновой кислоты пары адипиновой кислоты и аммиак пропускают над катализатором при 330 °C. Образуется динитрил адипиновой кислоты:
НООС—(СН2)4СООН + 2NH3 —^> NC—(СН2)4—CN
Динитрил адипиновой кислоты восстанавливают (при 160 °C и Давлении 2 МПа) в гексаметилендиамин:
н2
NC—(СНг)4—CN ► H2N—(СН2)6—NH2
Получение соли АГ. Для синтеза полигексаметиленадипамида Ц вместо отдельных компонентов (адипиновой кислоты и гексаме- И тилендиамина), как правило, используют их среднюю соль. В част- И ности, при использовании соли АГ достигается точное эквимоль- Я ное соотношение адипиновой кислоты и гексаметилендиамина, благодаря чему (при добавлении определенного количества ■ регулятора молекулярной массы) удается получить полиамид за- Ц данной молекулярной массы. При синтезе полимера из отдельных ■ компонентов, даже незначительный избыток одного из них приво- ■ дит к образованию низкомолекулярного продукта. Чем больше ■ избыток одного из компонентов, тем ниже молекулярная масса по- ■ лучаемого полимера. Кроме того, соль АГ в обычных условиях ■ является достаточно стойкой, не изменяется при длительном хра- ■ нении, в то время как гексаметилендиамин легко разлагается на ■ воздухе, окрашивается продуктами разложения в темный цвет и становится непригодным для получения полимера.
Соль АГ получают смешением растворов адипиновой кислоты и гексаметилендиамина, которые хорошо растворимы в метаноле и воде, в то время как соль АГ плохо растворима в этих растворителях. Образующаяся при смешении метанольных или водных растворов исходных компонентов соль АГ выпадает в осадок в виде довольно крупных кристаллов, которые отделяются от ма- , точника и после промывки на фильтре сушатся на воздухе. ■ Соль АГ представляет собой белое кристаллическое вещество с молекулярной массой 262; температура плавления ее 192—193°C. I Соль АГ, используемая для получения анидных нитей, должна ,1 удовлетворять следующим требованиям:
1,0 7,65 0,0006 0,0020 0,00021,0 7,65 0,0006 0,0020 0,0002Окраска 25%-ного водного раствора (по количеству 0,0005%-ного раствора индикатора), см3, ие более . . . . pH 10%-ного водного раствора
1,0 7,65 0,0006 0,0020 0,0002
1,0 7,65 0,0006 0,0020 0,0002
Содержание механических примесей, % не более . . . . Зольность, %, не более.
в мешках.в мешках.Содержание железа, %, не более
в мешках.
в мешках.
Соль АГ, как и капролактам, поступает на завод
Однако транспортирование соли' АГ в твердом виде не является единственным и наиболее рациональным способом ее перевозки. В зависимости от дальности перевозки и способа получения (метанольный или водный) соль АГ может перевозиться в виде водного 38—48%-ного раствора в цистернах из нержавеющей стали.
Технологический процесс получения анидной нити
,! Технологический процесс производства анидных нитей включает следующие стадии: 1) растворение соли АГ; 2) поликонденсацию соли АГ; 3) получение крошки; 4) сушку крошки; 5) формование нити; 6) последующую обработку нити.
При сопоставлении технологических схем производства анидных и капроновых нитей первая схема представляется более про-
стой. Незначительное содержание в полимере водорастворимых низкомолекулярных соединений исключает необходимость многократных обработок горячей водой полимера и нитей. В связи с этим упрощаются процессы сушки полимера и отделки нитей, последняя сводится только к фиксации крутки в паровой среде. Однако технологические процессы получения полимера и формования нити значительно сложнее, чем в капроновом производстве.
Синтез полигексаметиленадипамида. Как уже указывалось выше, полигексаметиленадипамид получают поликонденсацией соли АГ:
nH2N(CHg)6NH2-HCOO(CH2)4COOH
—>HN(CH2)6NH—ОС(СН2)4СО—HN(CH2)6NH—ОС(СН2)4СО— -
Полимер с заданной молекулярной массой получают при достаточно полном удалении реакционной воды (реакция поликонденсации обратима) и добавлении соответствующего количества регулятора молекулярной массы — уксусной или адипиновой кислоты. Механизм действия регулятора тот же, что и в случае полиамидирования капролактама.
При поликонденсации соль АГ полностью превращается в полимер, поэтому полиамид и получаемые нити почти не содержат низкомолекулярных веществ и не требуются технологические операции, связанные с их удалением.
Сложность процесса получения полигексаметиленадипамида (анида) по сравнению с получением поликапроамида обусловлена .сравнительно низкой термостабильностью полимера в расплавленном состоянии и небольшой разницей между максимально возможной температурой синтеза полиамида (при которой не наблюдается заметное разложение полигексаметиленадипамида) и температурой его плавления. Для полиамида анид этот интервал температур составляет 20—25 °C, для поликапроамида — более 50°C.
Растворение соли АГ. Первой операцией технологического процесса получения полиамида анид является растворение соли АГ в дистиллированной или деминерализованной воде при 90— 95°C. Для растворения соли АГ можно применять аппараты для приготовления партий раствора соли АГ, соответствующих загрузке одного автоклава, используемого для синтеза полимера, или аппараты для приготовления раствора соли АГ в количестве, необходимом для загрузки нескольких автоклавов. Процессы растворения соли АГ в этих аппаратах различаются незначительно. Так, при использовании растворителя небольшой емкости соблюдается следующий порядок загрузки. Отмеренное количество дистиллированной воды (например, 50% от массы соли АГ) заливают в растворитель и после разогрева до 40—45 °C при работающей мешалке (частота вращения 80 об/мин) загружают отвешенное количество соли АГ. Обычно загрузка соли АГ не превышает 1000 кг. После достижения температуры 90—95 °C растворение продолжается еще 30 мин. Затем добавляют регулятор молекулярной ' Массы полимера — уксусную или адипиновую кислоту, — и после
10 мин перемешивания раствора процесс растворения соли АГ | считается законченным. Продолжительность цикла растворения ? соли АГ составляет около двух часов.;
При использовании растворителя большой емкости в аппарат заливают нагретую воду. Вода нагревается вне аппарата в теплообменнике, обогреваемом паром. Отвешенное количество соли АГ : загружается специальным питателем, снабженным устройством для измельчения комков слежавшейся соли АГ. Раствор доводится 1 до заданной температуры с помощью внутреннего теплообменника (змеевика) при непрерывно работающей мешалке. Получение од- ! дородного по концентрации раствора соли АГ достигается систе-^] мой рециркуляции раствора.
При применении растворителей малой емкости автоклав загру.^И жают непосредственно из растворителя. Для загрузки растворители ля большой емкости применяют дозатор, емкость которого соот-™ ветствует емкости автоклава. Добавление регулятора в дозатор производйтся перед передавливанием раствора в автоклав.
Поликонденсация соли АГ. Исходя из основных требований к волокнообразующим полимерам (достаточно высокая молекулярная масса, монолитность и отсутствие продуктов окисления) при проведении технологического процесса необходимо обеспечить:
постоянство соотношения гексаметилендиамина и адипиновой кислоты (по массе) в процессе реакции; 2) достаточно полное удаление воды, выделяющейся в процессе реакции; 3) исключение возможности термической деструкции полимера (с заметным выделением газообразных продуктов разложения); 4) полную изоляцию реакционной массы от воздействия кислорода воздуха.
Эти условия достаточно полно выполняются при периодическом процессе поликонденсации соли АГ в три стадии. Первая | стадия осуществляется в водной среде под давлением 1,5—1,9 МПа, I вторая — в расплаве при атмосферном давлении, третья — в расплаве в токе азота или при разрежении. Поликонденсация соли ' АГ проводится обычно в автоклаве, конструкция которого принципиально не отличается от обычного (см. стр. 276). В отличие от автоклава для получения поликапроамида автоклав для получения анида должен быть подключен к вакуумной установке для проведения последней стадии процесса под вакуумом.
Водный раствор, содержащий 60—66% соли АГ, под давлением азота 0,3—2 МПа загружают в нагретый до 230—270 °C автоклав, который соединен с атмосферой через гидравлический затвор для снижения растущего во время загрузки противодавления(при загрузке под давлением выше 1 МПа нет необходимости в снижении противодавления). После загрузки раствора закрывают загрузочный вентиль и вентиль на линии, соединяющей автоклав с гидравлическим затвором, и разогревают реакционную массу.
Первая стадия. На этой стадии реакция протекает в водной среде под давлением 1,5—1,9 МПа до достижения температуры реакционной массы, равной 260 °C. Для этого температуру с 200 до 260 °C повышают с определенной скоростью.
318I
Необходимость выполнения этих условий диктуется особенностями реакции поликонденсации соли АГ, протекающей при относительно низких температурах со значительной скоростью. При 220 °C в течение 40 мин образуется полимер с молекулярной массой около 5000, имеющий такую же температуру плавления, как и высокомолекулярный продукт (около 255 °C). Следовательно, подъем температуры в интервале от 200 до 260°C должен проводиться с такой скоростью, чтобы вода, применявшаяся в качестве реакционной среды, не была бы отогнана раньше, чем будет достигнута температура реакции, равная температуре плавления полимера.
В этом случае вся масса образующегося полиамида диспергирована в воде и по достижении температуры -плавления переходит в расплав. Если же скорость разогрева реакционной массы недостаточна, то, поддерживая давление на уровне 1,5—1,9 МПа, всю воду из автоклава удаляют раньше, чем температура реакционной массы достигнет температуры плавления полимера,-и в автоклаве образуется твердый блок полимера.
На первой стадии процесса поликонденсации соли АГ после достижения температуры 260°С молекулярная масса получаемого- полиамида составляет примерно 7000 и при выдерживании в этих условиях почти не изменяется.
Вторая стадия. Эта стадия процесса состоит из следующих операций: отгонки воды при снижении давления в автоклаве до атмосферного и выдерживания реакционной массы при атмосферном давлении.
Первая операция должна проводиться весьма осторожно во избежание вспенивания реакционной массы, попадания ее в линию гидрозатвора и резкого снижения температуры. Поэтому практически при поликонденсации больших количеств соли АГ температура реакционной массы к началу спуска давления должна быть доведена до 262—265 °C.
Точное выдерживание указанного температурного предела чрезвычайно важно, так как при более низкой температуре возникает опасность образования блока полимера даже при полном включении обогрева автоклава из-за большого расхода тепла, связанного с испарением значительного количества воды. При более ■ высокой температуре реакции к началу отгонки воды (выше 265 °C) температура реакционной массы самопроизвольно поднимается до 280°C (и выше), и до конца всего процесса поликонденсации понизить ее не удается даже при полностью выключенном обогреве автоклава. В этом случае происходит термическая деструкция полимера и ухудшаются его показатели.
Вторая операция заключается в выдерживании реакционной массы при атмосферном давлении в течение некоторого времени. Это позволяет достаточно полно отогнать реакционную воду, что обеспечивает возможность последующего (на третьей стадии)со-
здания разрежения в автоклаве до 0,093—0,096 МПа, не вызыва при этом вспенивания полимера.
Третья стадия. Последняя стадия получения полимера осуществляется под вакуумом. Давление в автоклаве снижается равномерно (с определенной скоростью) в течение 1 ч. За это время достигается максимальное значение заданного разрежения. После некоторой выдержки расплава полимера под вакуумом реакция заканчивается и полимер выгружается из автоклава с помощью сжатого азота под давлением 0,2—0,3 МПа. Общая продолжительность третьей стадии процесса 3 ч. На этой стадии температура в автоклаве поддерживается в пределах 275—278 °C.
Суммарная продолжительность второй и третьей стадий должна быть не менее 5 ч, так как только в этом случае удается обеспечить высокую степень завершенности реакции и получить полимер с требуемой молекулярной массой.
Суммарная потеря гексаметилендиамина при трехстадийном процессе не превышает 0,13% (мол.), благодаря чему можно получить полимер практически с любой молекулярной массой. Например, для получения нитей толщиной 29 текс используется полимер, 0,5%-ный раствор которого в крезоле имеет удельную вязкость 0,72—0,75. Такой полимер может быть получен описанным методом с применением в качестве регулятора уксусной кислоты в количестве 1/77 моль на 1 моль соли АГ.
Продолжительность выгрузки полимера из автоклава составляет 30—60 мин; продолжительность цикла получения полимера достигает 8—10 ч.
Технология формования ленты или жилки, а также сушки крошки и аппаратурное оформление этих процессов аналогична применяемым в капроновом производстве.
Весь процесс получения полигексаметиленадипамида, включая растворение соли АГ, может быть полностью автоматизирован с. применением программного регулирования параметров технологического режима по стадиям.
Непрерывный процесс; До недавнего времени получение полигексаметиленадипамида непрерывным способом считалось маловероятным вследствие относительно низкой термостабильности этого полиамида.
В последние годы появились сообщения о получении нитей из найлона 6,6 непрерывным способом. По этому способу синтез полимера и получение из него нитей осуществляются непрерывно, т. е. полимер, получаемый в виде расплава, по окончании процесса поликонденсации передается непосредственно на прядильную машину.
Агрегат для производства полигексаметиленадипамида непрерывным способом включает растворитель соли АГ, выпарной аппарат, подогреватель раствора, реактор, испаритель и аппарат для окончательной поликонденсации. Кроме того, при синтезе полимера, предназначенного для получения текстильной нити или волокна, агрегат дополняется установкой для приготовления суспензий
двуокиси титана. Суспензия вводится в реакционную массу при передаче ее из реактора в испаритель. Все аппараты связаны общей системой автоматического управления и контроля от централизованного пульта управления.
Кристаллическая соль АГ, деминерализованная вода и уксусная кислота в определенном соотношении отдельными дозаторами непрерывно загружаются в растворитель. Из растворителя 48%-ный раствор соли АГ при 90 °C центробежным насосом подается в выпарной аппарат, где температура раствора повышается до 106°C, а концентрация раствора доводится до 60% в результате частичного испарения воды. Затем в подогревателе раствор нагревается до 208 °C и поступает в реактор.
В реакторе температура реакционной массы поднимается до 232 °C, и в условиях непрерывной отгонки воды интенсивно протекает поликонденсация соли АГ. Из реактора реакционная масса, состоящая из 85% полимера и 15% воды, шестеренчатым насосом подается в испаритель, где при 275 °C происходит дальнейший рост молекулярной массы полимера и отгонка основного количества реакционной массы.
В аппарате окончательной поликонденсации при 277—280°C реакция завершается и удаляются следы реакционной воды из тонкой пленки полимера. Готовый полимер дозирующими насосами передается по расплавопроводу на прядильные машины.
Продолжительность непрерывного процесса получения поли- гексаметиленадипамида составляет 7—8 ч.
Свойства полиамида анид. Полигексаметиленадипамид, применяемый для формования комплексной нити, обладает еле' дующими свойствами:
Температура плавления, °C . .255
Содержание низкомолекулярных соединений, % . . ,До 1
Удельная вязкость 0,5 % -ного раствора полимера в три*
крезоле, применяемого для получения текстильной нити 0,60—0,65
кордной нити .0,7—0,80
Плотность, кг/м3' 1140
Влажность, %
равновесная (при относительной влажности воздуха 65%) 3,8
после сушки 0,1—0,05
Формование анидной нити. Комплексная нить из полигексамети- ленадипамида, как и из других полиамидов, температура плавления которых ниже температуры их разложения, формуется из расплава.
Процесс формования анидной нити в технологическом отношении мало отличается от процесса формования нити из поликапроамида. Однако в аппаратурном оформлении процесса имеются отличия, которые обусловлены ограниченной термостабильностью полигексамётиленадипамида и более низкой гигроскопичностью нити из этого полиамида.
И Зак. 559
Для формования айидных нитей могут быть использованы прядильные головки с плавильной решеткой и шнекового типа. Плавильные устройства для формования должны обеспечить два основных условия: минимальную продолжительность пребывания полимера в расплавленном состоянии и минимальную температуру расплава. Наиболее полно эти условия выполняются при формо^ вании на прядильных машинах, оборудованных головками шнев нового типа, в которых высокая производительность плавильного устройства сочетается с хорошими условиями теплопередачи и м™ нимальной продолжительностью нахождения полимера в расплаве ленном состоянии. Другой отличительной особенностью процесс! формования анидных нитей, обусловленной более низкой их гим роскопичностью по сравнению с капроновыми нитями (равновесЯ пая влажность этих нитей при относительной влажности воздуха1 65% соответственно равна 3,8 и 4,2%), является необходимость применения обогреваемой сопроводительной шахты с подачей острого пара внутрь шахты. Паровая среда улучшает условия увлажнения нити до поступления ее на бобину, что способствует получению стабильной формы паковки при более высокой (50— 60%) относительной влажности воздуха в приемно-намоточном отделении прядильного цеха, чем при получении капроновой нити (40—50%). Операции замасливания и увлажнения анидной нити на прядильной машине технологически и аппаратурно не отличаются от аналогичных операций, применяемых для капроновой нити.
Наряду с обычными прядильными машинами для получения нити из найлона 6,6 применяют также прядильные машины, снабженные устройством для термической вытяжки и паровой камерой для фиксации вытянутой нити. На такой прядильно-вытяжной машине свежесформованная нить на выходе из шахты, после нанесения препарации, подвергается горячей вытяжке с кратностью 1:3, а затем после фиксации в паровой камере наматывается на бобину. Окончательная термическая вытяжка нити (до конечной кратности 1 :5,5) проводится на отдельной крутильно-вытяжной машине, снабженной нагревателем нити в поле вытяжки. Такой процесс обеспечивает получение высокопрочной нити (прочность порядка 85 сН/текс и разрывное удлинение 14%).
Текстильная обработка анидной нити (вытяжка и крутка) технологически и аппаратурно полностью совпадает с текстильной обработкой капроновой нити. Анидная нить после формования содержит незначительное (до 1 %) количество низкомолекулярных соединений, поэтому при ее отделке не требуется обработка горячей водой. Для фиксации крутки нить подвергают термической обработке на стальных бакелитизированных перфорированных бобинах при 125—130°С в среде водяного пара в горизонтальных автоклавах. Для лучшего проникновения острого пара в толщу намотки в аппарате попеременно создается разрежение и давление пара до 0,3 МПа. После фиксации нить выдерживают 6—8 ч в кондиционных условиях перемоточного цеха. Затем нити
текстильного назначения перематывают (с замасливанием) на конические патроны, а кордную нить — на фланцевые катушки.
Кордная нить далее подвергается крутке и поступает на ткачество корда. Анидная нить сортируется и упаковывается так же, как капроновая.
ПОЛУЧЕНИЕ ТЕКСТУРИРОВАННЫХ НИТЕЙ
Полиамидные нити отличаясь высокими физико-механическими свойствами, обладают и рядом недостатков — гладкой стеклообразной поверхностью, малой гигроскопичностью и низкими теплозащитными свойствами, снижающими их ценность в качестве сырья для производства платяного ассортимента и других изделий текстильной и трикотажной промышленности.
Текстурированные (высокообъемные) нити, получаемые термомеханической обработкой обычных нитей или формованием профилированных и бикомпонентных нитей почти лишены перечисленных недостатков. Такие нити обладают пушистостью, хорошей растяжимостью, способностью восстанавливать деформацию после снятия нагрузок, хорошими теплозащитными свойствами и другими потребительскими свойствами. Ткани из этих нитей характеризуются мягким грифом и драпируемостью.
Изделия из объемной пряжи (чулки, носки, трикотажное белье, свитера, блузки, спортивная одежда, одеяла и др.) обладают исключительно ценными свойствами, не уступая изделиям из натуральной шерсти.
Среди объемных нитей наибольшее применение нашли так называемые нити эластик и хеланка. Объемность этим нитям придается методами действительного или ложного кручения и термообработкой.
Для получения объемной нити эластик пригодны синтетические нити, обладающие термопластичностью, поэтому эластик производится в основном из полиамидных и полиэфирных нитей. Процесс изготовления эластика заключается в раскручивании термофиксированной крученой нити. Сущность этого процесса состоит в том, что напряжения, возникшие в нити в результате первой крутки, снимаются термической обработкой и возникают вновь при раскручивании нити. Благодаря этому нить приобретает стабильную извитость спиралевидной формы, придающую ей пушистость.
Обычный процесс получения нити эластик включает следующие операции: крутку, термофиксацию крутки, раскрутку нити, трощение и крутку двух нитей.
Крутка нити производится на крутильных машинах, снабженных обычными веретенами или веретенами двойного кручения. При крутке нить перематывается на перфорированные бобины, которые устанавливают на тележки и направляют в горизонтальные автоклавы на термофиксацию.
Термофиксация нити проводится при 120—130 °C водяным паром. Для лучшего проникновения пара в толщу намотки нити
попеременно через каждые 20 мни в течение 1,5 ч создается разре-^И жение и производится впуск пара.
Термически обработанная нить с фиксированной круткой под-^И вергается раскручиванию, после чего производится трощение двум^И таких нитей левого и правого кручения в одну нить, которой сооб- щается небольшая крутка порядка 100 витков/м. Эта операция Я осуществляется на тростильно-крутильной машине. Далее на бо- ■ бинажно-перемоточных машинах нить перематывается на кониче- ские бобины и в таком виде отправляется потребителю.
Описанный многостадийный процесс получения нити эластш^^И экономически малоэффективен и использовался только на началь-^И ной стадии производства объемных нитей. В настоящее время^И в промышленности применяют специальные однопроцессные ма- : шины различной конструкции, работа которых основана на прин- 5 ципе ложной крутки нити. На этих машинах совмещены операции | крутки, фиксации крутки и раскручивания нити. Полученная | с такой машины нить дублируется на тростильно-крутильной ма- | шине и перематывается.J
Помимо описанных способов получения объемных нитей, об- | ладаюших спиралевидной извитостью (типа эластик и хеланка), | в настоящее время вырабатывают объемные нити с неравномер- | ной зигзагообразной извитостью — типа бан-лон. Такая извитость | достигается путем гофрирования нити между двумя быстро вра- * щающимися валиками, с помощью которых нить плотно наби- у вается в термическую камеру, где происходит термическая фикса- | ция извитости нити.|
Производство .объемных нитей интенсивно развивается. Внед- | рение новых технологических процессов и высокопроизводитель- | ного специализированного оборудования позволит в ближайшее 5 время еще больше расширить ассортимент и масштабы произвол- д ства, а также области применения этого нового вида текстильного I материала.i
СВОЙСТВА ПОЛИАМИДНЫХ НИТЕЙ и волокон
Полиамидные нити являются ценным материалом, широко применяемым для производства высококачественных товаров народного потребления (чулки, носки, трикотаж, тонкие ткани и т. п.) и технических изделий.
Полиамидные волокна используются главным образом в смеси с шерстью или хлопком для повышения носкости изделий. Добавка 10—12% полиамидного волокна к шерсти для изготовления технических сукон и платяных тканей повышает срок их службы в несколько раз.
Полиамидные нити широко используются в технике главным образом как каркасный материал в различных резиновых технических изделиях (тяжелые транспортерные ленты длиной в несколько сотен метров, приводные ремни и т. п.) и пневматических 324
авто- и авиашинах (уточный и безуточный корд). Из этих нитей изготавливаются легкие и очень прочные канаты, заменяющие тяжелые стальные тросы, рыболовные сети и снасти (не гниющие и невидимые в воде). По мере увеличения производства полиамидных нитей области их применения непрерывно расширяются.
Исключительно быстрый рост производства полиамидных нитей обусловлен их ценными физико-механическими свойствами. Ниже приводятся свойства, обеспечивающие широкое их применение в народном хозяйстве.
Прочность. Прочность высокопрочной полиамидной нити (70—80 сН/текс) превосходит аналогичный показатель большинства химических нитей, некоторых металлов (алюминий, медь) и не уступает прочности стали. Сочетание высокой прочности полиамидных нитей с малой плотностью (1140 кг/м3) очень важно для производства легких и прочных изделий.
Полиамидные нити, в отличие от некоторых других видов химических нитей, обладают большой прочностью «в петле», «в узле» и в мокром состоянии. Потеря прочности в мокром состоянии составляет всего около 5—10% при незначительном повышении удлинения.
Удлинение полиамидных нитей и волокон может изменяться в широких пределах и определяется назначением изделий и условиями их эксплуатации. Так, удлинение кордной нити составляет 12—16%, текстильной нити — 25—35% и волокна — 50—100%'. С повышением удлинения нити соответственно понижается прочность его, однако нити, имеющие предельно большое удлинение, ‘все'же остаются достаточно прочными (35—40 сН/текс). Изменение прочности и удлинения полиамидных нитей достигается регулированием молекулярной массы полимера, условий формования и вытягивания нити.
Эластичность. Высокие эластические свойства полиамидных ни-' тей являются одной из их отличительных особенностей. При нагрузке до 30% от разрывной доля полностью обратимых удлинений составляет 90—95% от общего удлинения.
Устойчивость к многократному изгибу. Полиамидные нити обладают весьма высокой устойчивостью к многократным деформациям при изгибе — примерно в 100 раз большей, чем вискозные нити, и примерно в 10 раз большей, чем хлопок и шерсть. По этому показателю полиамидные нити превосходят натуральные и большинство других синтетических.
Устойчивость к истиранию. Высокая устойчивость к истиранию, как и устойчивость к многократным изгибам, определяет исключительную потребительскую ценность полиамидных нитей. По этому показателю они в 10 раз превосходят хлопок, в 20 раз Шерсть, в 50 раз вискозное штапельное волокно и во много раз все другие синтетические нити.
Небольшие добавки полиамидного волокна к натуральным волокнам и к некоторым химическим волокнам резко повышают Устойчивость изделий к истиранию. Например, при добавлении
15% капронового волокна к шерсти устойчивость ткаии к истиранию повышается более чем в 4 раза.
Стойкость к низким и высоким температурам. Полиамидные ни- нити сохраняют свои свойства при низких температурах (до —60°C). Однако при повышенных температурах (порядка 140— . 180 °C) прочность их значительно снижается (на 60—80%). После кратковременного воздействия высоких температур необратимая потеря прочности составляет 40—60% от первоначальной.
Термостабильность полиамидных нитей может быть значи-.! тельно повышена при добавлении небольших количеств органических или неорганических веществ (антиоксидантов), например со~ лей меди, иодида калия, фосфорной кислоты М.М'-ди-рД'-нафтил- и-фенилендиамина и т. д. Как правило, эти добавки не влияют на степень снижения прочности полиамидных нитей, измеренную при - высоких температурах, но предотвращают термическую и окисли- . тельную деструкции, устраняя тем самым необратимые потери прочности. Термостабилизация технических полиамидных нитей значительно повышает эксплуатационные свойства изделий на их основе. Так, срок службы или, как говорят, ходимость шин, изготовленных из термостабилизированного капронового корда, уве-j личивается в несколько раз.J
Описанные свойства являются общими для всех видов поли-^ амидных нитей, однако из этого не следует полная их равноцен-1' ность. В производстве предметов народного потребления капроновые и анидные нити могут быть использованы в равной степени. Однако при изготовлении изделий технического назначения следует учитывать их специфические особенности. Для производства того или иного технического изделия необходимо использовать полиамидные нити, свойства которых наиболее полно соответствуют условиям эксплуатации изделия. Так, учитывая ряд свойств (температуру плавления и размягчения, работоспособность в широком диапазоне низких и высоких температур, модуль упругости, эластические свойства и влагостойкость), анидные нити предпочтительнее использовать для производства транспортерных лент и других резиновых технических изделий, чем капроновые.
Глава /Я
ПОЛИЭФИРНЫЕ ВОЛОКНА1
Название данного вида синтетического волокна определено химической природой полимера — сложного полиэфира, из которого получают эти волокна. К сложным полиэфирам относятся высокомолекулярные вещества с общей формулой (OR'OOCR^CO)^ макромолекулы которых состоят из элементарных звеньев, соединенных между собой сложноэфирной связью —С—О.
О к 1
Этот класс веществ включает как натуральные (янтарь, шеллак и др.), так и синтетические полиэфиры. На основе последних Изготавливают пластмассы, пленки, лаки и волокна. Синтетические сложные полиэфиры были синтезированы еще в начале XIX столетия Гей Люссаком при конденсации молочной кислоты. Первые волокнообразующие сложные полиэфиры получил Каро- зерс в начале 30-х годов нашего столетия при поликонденсации алифатических оксикислот, а также дикарбоновых кислот с двухатомными спиртами — гликолями. Однако указанные сложные полиэфиры ввиду низких температур плавления (65—95 °C) и устойчивости к гидролизу оказались непригодными для изготовления синтетических волокон.
Для получения полиэфирных волокон нашли практическое применение полимеры на основе ароматических кислот и алифатических гликолей. В настоящее время промышленный выпуск полиэфирных волокон в основном базируется на переработке полиэтилентерефталата (ПЭТ)—продукта поликонденсации терефталевой кислоты или ее диметилового эфира с этиленгликолем. Впервые волокнообразующий ПЭТ был синтезирован в 1941 г. английскими учеными Уинфилдом и Диксоном. В 1943 г. фирмой Calico Printers Association (Англия) были получены в опытном объеме первые образцы полиэфирного волокна на основе ПЭТ. Впервые промышленное производство полиэфирного волокна в СССР под названием лавсан было освоено в 1960 г. на Курском комбинате. В 1968 г. начало работать одно из крупнейших в Европе предприятий по производству полиэфирного волокна ‘ в г. АТогилеве.
В настоящее время доля производимых в мире полиэфирных нитей и волокна примерно одинаковы и в 1977 г., например, составили, соответственно, 2,8 и 2,7 млн. т/год. Полиэфирные волокна преимущественно в форме жгута (развесом 50—200 г/м) или волокна с длиной резки 35—ПО мм различной линейной плотности (эт 0,1 до 10 текс) вырабатывают блестящим, матированным и окрашенным в массе или поверхностным способом. Полиэфирные комплексные нити выпускают в очень широком ассортименте, в том числе технические нити линейной плотностью 28— ' 222 текс, текстильные (от 3 до 30 текс), из которых более 80% падает на долю текстурированных нитей, мононити диаметром от 0,15 до 2,0 мм, ковровый жгутик (300—500 текс). В настоящее время полиэфирные нити и волокна являются наиболее массовым и универсальным сырьем для технических изделий и товаров народного потребления. Мировой выпуск их стремительно растет, опережая как по темпам, так и объему производства все известные типы химических волокон. Ожидается, что к 2000 г. производство полиэфирных волокон достигнет 16 млн. т/год, что составит около 20% от всего баланса текстильного сырья в мире.
Полиэфирные волокна на основе полиэтилентерефталата (ПЭТ) выпускают под названием лавсан (СССР); терилен (Англия); дакрон, фортрел (США); тетерон курарэй (Япония);
тревира, диолен (ФРГ); гризутен (ГДР); элана, торлен (ПНР); терленка (Голландия); терел (СРР); тергаль (Франция); ямболен, (ВНР); териталь (Италия) и т. д.Полиэфирные волокна производят также на основе химически модифицированного полиэтилентерефталата^ (сополиэфирные волокна): викрон, дакрон-62 и 64 (США); грилен (Швейцария); велана, тесал (ЧССР); лавсан-И (СССР); тревира 350, 550 и 560 (ФРГ); тетерон-89 (Япония) и т. д. В Советском Союзе в опытном и промышленном объеме разработана технология получения со- полиэфирных волокон, по которой модификация ПЭТ осуществляется с помощью дополнительно вводимых компонентов, например 2—10% диметиловых эфиров изофталевой, фталевой, суль- фотерефталевой, адипиновой и им подобных ароматических или алифатических кислот. Другие полиэфирные волокна, отличающиеся по химическому составу от перечисленных выше, известны под торговым наименованием кодель (США), вестан (ФРГ), А-телл (Япония) и т. д. К полиэфирным относятся волокна, получаемые из поликарбонатов, например лексан (США), продуктов переработки лигнина — ванилина и протокатеховой кислоты (Япония), щавелевой кислоты (США).тревира, диолен (ФРГ); гризутен (ГДР); элана, торлен (ПНР); терленка (Голландия); терел (СРР); тергаль (Франция); ямболен, (ВНР); териталь (Италия) и т. д.Полиэфирные волокна производят также на основе химически модифицированного полиэтилентерефталата^ (сополиэфирные волокна): викрон, дакрон-62 и 64 (США); грилен (Швейцария); велана, тесал (ЧССР); лавсан-И (СССР); тревира 350, 550 и 560 (ФРГ); тетерон-89 (Япония) и т. д. В Советском Союзе в опытном и промышленном объеме разработана технология получения со- полиэфирных волокон, по которой модификация ПЭТ осуществляется с помощью дополнительно вводимых компонентов, например 2—10% диметиловых эфиров изофталевой, фталевой, суль- фотерефталевой, адипиновой и им подобных ароматических или алифатических кислот. Другие полиэфирные волокна, отличающиеся по химическому составу от перечисленных выше, известны под торговым наименованием кодель (США), вестан (ФРГ), А-телл (Япония) и т. д. К полиэфирным относятся волокна, получаемые из поликарбонатов, например лексан (США), продуктов переработки лигнина — ванилина и протокатеховой кислоты (Япония), щавелевой кислоты (США).| Нефть | п -Ксилол || Этилен I|гликоль I | Диметил-l। mepetpmanam| Нефть | п -Ксилол || Этилен I|гликоль I | Диметил-l। mepetpmanamАзотная кислота| Метанол |Азотная кислота| Метанол |Формованиеиз расплаваФормованиеиз расплаваФормование из расплаваФормирование ж^утаФормование из расплаваФормирование ж^утаСуткаГ^—IСуткаГ^—IСвежесфОрмо- ваннай нитьСвежесфОрмо- ваннай нитьВытягива-ние ЛВытягива-ние ЛВытягиваниеВытягиваниеГофрировка ■!!■Гофрировка ■!!■SS
тревира, диолен (ФРГ); гризутен (ГДР); элана, торлен (ПНР); терленка (Голландия); терел (СРР); тергаль (Франция); ямболен, (ВНР); териталь (Италия) и т. д.
Полиэфирные волокна производят также на основе химически модифицированного полиэтилентерефталата^ (сополиэфирные волокна): викрон, дакрон-62 и 64 (США); грилен (Швейцария); велана, тесал (ЧССР); лавсан-И (СССР); тревира 350, 550 и 560 (ФРГ); тетерон-89 (Япония) и т. д. В Советском Союзе в опытном и промышленном объеме разработана технология получения со- полиэфирных волокон, по которой модификация ПЭТ осуществляется с помощью дополнительно вводимых компонентов, например 2—10% диметиловых эфиров изофталевой, фталевой, суль- фотерефталевой, адипиновой и им подобных ароматических или алифатических кислот. Другие полиэфирные волокна, отличающиеся по химическому составу от перечисленных выше, известны под торговым наименованием кодель (США), вестан (ФРГ), А-телл (Япония) и т. д. К полиэфирным относятся волокна, получаемые из поликарбонатов, например лексан (США), продуктов переработки лигнина — ванилина и протокатеховой кислоты (Япония), щавелевой кислоты (США).
тревира, диолен (ФРГ); гризутен (ГДР); элана, торлен (ПНР); терленка (Голландия); терел (СРР); тергаль (Франция); ямболен, (ВНР); териталь (Италия) и т. д.
Полиэфирные волокна производят также на основе химически модифицированного полиэтилентерефталата^ (сополиэфирные волокна): викрон, дакрон-62 и 64 (США); грилен (Швейцария); велана, тесал (ЧССР); лавсан-И (СССР); тревира 350, 550 и 560 (ФРГ); тетерон-89 (Япония) и т. д. В Советском Союзе в опытном и промышленном объеме разработана технология получения со- полиэфирных волокон, по которой модификация ПЭТ осуществляется с помощью дополнительно вводимых компонентов, например 2—10% диметиловых эфиров изофталевой, фталевой, суль- фотерефталевой, адипиновой и им подобных ароматических или алифатических кислот. Другие полиэфирные волокна, отличающиеся по химическому составу от перечисленных выше, известны под торговым наименованием кодель (США), вестан (ФРГ), А-телл (Япония) и т. д. К полиэфирным относятся волокна, получаемые из поликарбонатов, например лексан (США), продуктов переработки лигнина — ванилина и протокатеховой кислоты (Япония), щавелевой кислоты (США).
| Нефть | п -Ксилол |
| Этилен I|
гликоль I | Диметил-l। mepetpmanam
| Нефть | п -Ксилол |
| Этилен I|
гликоль I | Диметил-l। mepetpmanam
Азотная кислота
| Метанол |
Азотная кислота
| Метанол |
Формованиеиз расплава
Формованиеиз расплава
Формование из расплава
Формирование ж^ута
Формование из расплава
Формирование ж^ута
СуткаГ^—I
СуткаГ^—I
СвежесфОрмо- ваннай нить
СвежесфОрмо- ваннай нить
Вытягива-ние Л
Вытягива-ние Л
Вытягивание
Вытягивание
Гофрировка ■!!■
Гофрировка ■!!■
S
S
Комплекснаянить
Рис. 17.1. Принципиальная схема производства полиэфирных волокон и нитей-
Полиэфирные волокна в зависимости от химического состава, физической структуры, текстильных свойств, профиля поперечного сечения, числа элементарных нигей, типа и количества вводимых добавок, содержания пигментов, молекулярной массы полимера и т. п. выпускаются разнообразнейших типов (под одним наименованием с различными цифровыми индексами). Так, в США, ФРГ и Японии известно более 1000 типов нитей и волокна. Далеко не всегда число типов полиэфирного волокна определяют технический уровень производства или расширяет области применения полиэфирного волокна. Часто эти данные имеют конъюктурный рекламный характер.
Полиэфирные волокна на основе ПЭТ выпускаются в более широком масштабе, чем волокна других вышеупомянутых типов и несмотря на многообразие последних волокна на основе ПЭТ характеризуются общими исходным сырьем, технологическим процессом производства, физико-химическими и механическими свойствами, способностью к текстильной переработке и эксплуатационными характеристиками.
При дальнейшем изложении под полиэфирными волокнами мы будем подразумевать волокна на основе полиэтилентерефта- лата, принципиальная схема получения которого показана на рис. 17.1.
17.1. ПОЛУЧЕНИЕ И СВОЙСТВА ИСХОДНЫХ МОНОМЕРОВ
Сырьевая база. Для производства полиэфирных волокон исходными продуктами являются терефталевая кислота (ТФК) или ее диметиловый эфир — диметилтерефталат (ДМТ); этиленгликоль (ЭГ) или оксид этилена (ОЭ).
Несмотря на то, что ПЭТ впервые синтезирован из ТФК, до последнего времени для производства полиэфирных волокон использовали не ТФК, а ее диметиловый эфир (ДМТ). Это объясняется тем, что для получения ПЭТ требуется сырье высокой степени чистоты, а промышленность не располагала надежными методами очистки ТФК от примесей, которые она легко адсорбирует. Обычные способы перекристаллизации и дистилляции в этом случае неприменимы, так как ТФК практически нерастворима ни в одном доступном растворителе, а возгонка (субликация) ее, проходящая при высокой температуре (300°C), сопровождается частичной деструкцией. Терефталевая кислота требуемой степени чистоты (содержание основного вещества выше 99,99%), начиная с 1963 г. была освоена в промышленном объеме несколькими фирмами США, Англии и Японии. В Советском Союзе также разработан технологический процесс производства ТФК высокой степени чистоты.
Однако до сих пор значительную часть полиэфирных волокон производят на основе диметилтерефталата, соотношение производства которого к производству ТФК составляет 7:3 (в перспективе предполагается изменить это соотношение в пользу ТФК — соот- ретртвенно 4:6). Как будет показано ниже, при использовании
ТФК для производства полиэфирного волокна заметно упрощаются схемы синтеза сырья и его переработки в ПЭТ: исключаются стадии получения ДМТ и его очистки, а также ректификация метанола, выделяющегося при одной из последующих технологических операций переэтерификации ДМТ этиленгликолем (следовательно, уменьшается взрывоопасность). Кроме того, расход исходного сырья снижается на 30%, а выход готового продукта в расчете на единицу загружаемого мономера повышается на 15% (ввиду различных значений молекулярной массы ТФК и ДМТ).
Исходным сырьем для получения ТФК и ДМТ могут служить некоторые ароматические углеводороды: бензол, толуол, о-, м- и /г-ксилолы, /г-диэтилбензол, /г-цимол, /г-диизопропилбензол и т. п. Схема синтеза ТФК и ДМТ из указанных углеводородов представлена на рис. 17.2. В качестве основного сырья для производства ТФК и ДМТ чаще всего используют /г-ксилол, имеющий симметричное расположение групп СН3 в ароматическом кольце, /г-Ксилол выделяют из технической смеси ксилолов, получаемой в процессе коксохимического производства или при крекинге нефти. Техническая смесь содержит 17—20% /г-ксилола, 45—52% л-ксилола, 18—24% о-ксилола, до 18% этилбензола и небольшое количество толуола, парафинов и некоторых ароматических веществ. Выделение /г-ксилола из смеси ксилолов с помощью известных способов разделения (дистилляции, ректификации) не представляется возможным, так как температуры кипения ксилолов близки между собой (130—140°C). Для выделения /г-ксилола применяют метод фракционной кристаллизации при низких температурах (до —70°С). Этим методом удается выделить 70% /г-ксилола от общего количества его в смеси и получить продукт с содержанием 97—98% основного вещества.
Терефталевая кислота. Из методов промышленного производ- .ства ТФК наибольший интерес представляет метод одностадийного жидкофазного окисления /г-ксилола:
СН3 СООН
СНз СООН
Окисление /г-ксилола проводят на воздухе при 200 °C и избыточном давлении 1,5 МПа, в среде уксусной кислоты в присутствии солей марганца или кобальта, активированных бромом или его солями. Сырую ТФК (выход более 99%) подвергают дополнительной очистке перекристаллизацией . Расход сырья и химикатов
На 1 т ТФК составляет в (кг): м-ксилола— 650; уксусной кислоты—100; соединений кобальта—1. Для получения ТФК очень высокой степени чистоты (99,9999%) используют процессы диспропорционирования солей фталевых кислот (методы Хенкеля
(I)
COOK (II)
I и II), сущность которых заключается в перегруппировке калие- : солей ароматических карбоновых кислот в инертной среде
вых при мия
400—450°C в присутствии катализаторов (чаще всего, кад- и его соединений) с образованием терефталатов калия:
COOK
COOK
—> коос
ИЛИ
COOK
—COOK + I
COOK
COOK
KOOC
Выход терефталата калия по приведенным схемам составляет около 90%. Продукт реакции растворяют в воде, катализатор от' фильтровывают, а ТФК осаждают из раствора (например, раз- Ч бавленной серной кислотой).
Диметилтерефталат. Традиционной схемой производства ДМТ является этерификация ТФК метанолом при 200—300°С и давлении 10—20 МПа. Выход продукта при этом составляет 90%.
Для получения ДМТ в настоящее время широко используют
двухступенчатое жидкофазное окисление ц-ксилола кислородом воздуха в присутствии нафтенатов кобальта. Этот способ состоит и этерификации, проводи-
из чередующихся мых совместно на
СНз
процессов окисления каждой стадии:
СНз
СН, п-ксилол
соон
п-толуиловаякислота
СООН
СООСНз
монометнл-терефталат
CH.
СООСНз
монометил-толуилат
соосн.
СООСНз дмт
o2
Принципиальная технологическая схема производства ДМТ приведена на рис. 17.3. Процесс окисления протекает при 160°С,
Рис. 17.3. Технологическая схема производства ДМТ.
давлении 0,5—0,7 МПа в течение 10 ч; процесс этерификации — при 260—270 °C под давлением 2,5 МПа. Полученный продукт отличается высокой степенью чистоты.
Этиленгликоль. Вторым компонентом,, участвующим в синтезе полимера для полиэфирного волокна, является этиленгликоль (ЭР). Эмпирическая формула этиленгликоля — С2Н6О2; структурная— НОСН2СН2ОН. В настоящее время ЭР получают несколькими способами, различающимися только методом получения промежуточного продукта — оксида этилена.
Гипохлорирование этилена (при температуре 80—90°C):
Са(ОН)2
Н2С=СН2 + С12 + Н2О —> НОСН2— СН2С1 *
этиленэтиленхлоргидрии
—► Н2ССН2 + СаС12 + Н2О
V
оксид этилена
Прямое окисление воздухом или чистым кислородом на серебряном катализаторе при 150—300 °C:
Н2С—СН2 + ViOz —> Н2С—сн2
Этот .способ является наиболее распространенным в промышленном производстве оксида этилена; выход конечного продукта достигает 60%.
Этиленгликоль получают при гидратации оксида этилена в кислой среде (0,1%-ной серной или щавелевой кислоте) при 160— 200 °C и давлении 1—2 МПа:
Н2С—СН2 + Н2О —► НОСН2СН2ОН
Для производства полиэфирного волокна лавсан применяют ЭГ марки «А».
Сравнительно недавно в ряде стран (и в первую очередь в Японии) созданы промышленные установки синтеза ПЭТ, где в качестве исходного сырья используют оксид этилена (ОЭ).
Оксид этилена получают по одной из вышеприведенных схем (1 или 2). Чистый продукт требует осторожного обращения ввиду его высокой взрыво- и пожароопасности.
Ниже приведены основные свойства мономеров, используемых в производстве полиэфирных волокон и нитей:
Показатели
ТФК
ДМТ
эг
ОЭ
Внешний вид
Белый кристаллический
Прозрачная
Газообразное
порошок
жидкость
вещество
Плотность, кг/м3 -
1510
1283
1110
850
Температура кипения, °C Сублимирует
288
197,6
10,7
начиная с
300 °C
Температура плавления, °C
425-430
15,6
-113,3
(в запаянном
140,6
капилляре)
Содержание основного вещества, %, не менее
99,99
99,9
99,8
99,9
Теплота сгорания, кДж/моль
3191
24032
1186
1264
Теплота испарения,
131 (при
355
799
26 (при
кДж/моль
119-152 °C)
(прн 288 °C)
(при 197,6)
10,5-10,7 °C)
Относительная молеку-
166
194
62
44
лярная масса
17.2 ПОЛУЧЕНИЕ ПОЛИЭТИЛЕНТЕРЕФТАЛАТА
Синтез полиэтилентерефталата осуществляется в две стадии: синтез дигликолевого эфира терефталевой кислоты (ДГТ) и поликонденсация ДГТ.
Синтез дигликольтерефталата
В настоящее время известны три промышленных метода получения ДГТ: переэтерификация ДМТ этиленгликолем, этерификация ТФК этиленгликолем, оксиэтилирование ТФК. Из перечисленных методов первый является наиболее распространенным вследствие тщательной разработки технологии получения ПЭТ и ДМТ; в перспективе предпочтение будет отдано второму, базирующемуся на использовании ТФК.
Переэтерификация диметилтерефталатл этиленгликолем
Сущность этой реакции заключается во взаимодействии сложного эфира (ДМТ) и двухатомного спирта (ЭР), в результате чего происходит обмен эфирных групп, в данном случае замена метильных групп на оксиэтильные (гликолевые):
СООСНзСООСН2СН2ОН
[^J] +2НОСН2СН2О ^=h j^J]+ 2CH3OH
^ООСНзСООСН2СН2ОН
' ДМТ 'эгДГТметанол '
Поскольку реакция обратима, для смешения равновесия в правую сторону вводят избыток ЭГ. Обычно на 1 моль ДМТ берут 2,3—2,5 моль ЭГ, что соответствует соотношению (по массе) ДМТ: ЭГ — 1 : 0,8. Другим условием смешения равновесия в сторону образования ДГТ является интенсивное удаление метанола из зоны реакции, что осуществляется, как будет показано ниже, при непрерывной отгонке и конденсации паров метанола.
Реакция переэтерификации протекает при 160—200 °C. Для увеличения скорости реакции применяют катализаторы, которые должны удовлетворять следующим требованиям: хорошо растворяться в растворе (расплаве) мономеров и полимера и не ускорять течение побочных реакций (вредно действующих на качество готовой продукции); обеспечивать получение полиэфира с высокой молекулярной массой; не способствовать образованию линейных, и особенно циклических олигомеров; не вызывать термодеструкцию ДМТ и конденсацию ЭГ; не оказывать влияния на температуру плавления ПЭТ и его окраску, а также на термическую устойчивость его при повторном расплавлении. С этой точки зрения наиболее пригодны ацетаты двухвалентных металлов, в частности кальция, марганца, кобальта, цинка, свинца и др. Часто катализаторы приготовляют в виде смеси различных веществ, например, ацетатов кальция, марганца и цинка; или ацетатов кобальта, марганца и свинца. Катализаторы обычно вводят в реакционную смесь в количестве 0,02—0,08% от массы ДМТ.
Степень завершенности процесса переэтерификации можно контролировать по количеству выделяющегося метанола. Целесообразно для сокращения продолжительности реакции вести процесс до выделения и отгонки 75—90% расчетного количества метанола. Остальное количество метанола выводится из реакции при совместной отгонке с избытком этиленгликоля при 200—240°C. В некоторых случаях реакция переэтерификации может быть интенсифицирована проведением ее в токе проходящего инертного газа (азота, диоксида, углерода и др.), но практического применения такие схемы не имеют. Чаще интенсификация (сокращение
цикла) процесса переэтерификации достигается путем подбора оптимального состава катализаторов, изменения конструкции аппаратов, проведения форсированного температурного режима и т.п.
Этерификация терефталевой кислоты этиленгликолем
■ Этерификация ТФК является обычной реакцией образования сложного эфира (ДГТ) при взаимодействии кислоты (ТФК) и спирта (ЭГ):
СООНСООСН2СН2ОН
+ 2НОСН3СН3ОН ^М+2Н2О
У У
СООНСООСН2СН2ОН
ТФКдгт
В том случае, когда этерификация ТФК этиленгликолем проводится при атмосферном давлении (температура «200 °C), используют мольное соотношение исходных компонентов ТФК:ЭГ, равное 1 :(1,5—2,0), что соответствует соотношению по массе 1 : (0,60,8); в качестве катализаторов используют ацетаты двух
валентных металлов, тетрабутоксититан, фосфористую кислоту и т. д. Продолжительность реакции обычно составляет 6—8 ч. Для ускорения реакции ее проводят при 220—240 °C в среде олигомеров— продуктов этерификации, предварительно введенных в аппарат. Проведение процесса этерификации под избыточным давлением 0,2—1 МПа при 240—280°C более предпочтительно, так как осуществляется при меньших затратах сырья (мольное соотношение ТФК:ЭГ не превышает 1:1,5); при этом не требуется применение катализатора и продолжительность процесса сокращается до 2—4 ч. Выход ДГТ и олигомеров ПЭТ составляет 95—98%.
Оксиэтилирование тетрафталевой кислоты
В отличие от рассмотренных выше процессов реакции ТФК и оксида этилена не сопровождается выделением побочного продукта, является обратимой в меньшей степени и позволяет получить ДГТ с меньшим содержанием олигомеров:
СООНСООНСООСН2СН2ОНСООСН2СН2ОН+ 2Н2С—СН2+ 2Н2С—СН2ЬэЬэСООНСООН■ СООСН2СН2ОН■ СООСН2СН2ОНТФКТФК' дгт' дгт
СООН
СООН
СООСН2СН2ОН
СООСН2СН2ОН
+ 2Н2С—СН2
+ 2Н2С—СН2
Ьэ
Ьэ
СООН
СООН
■ СООСН2СН2ОН
■ СООСН2СН2ОН
ТФК
ТФК
' дгт
' дгт
Реакцию взаимодействия ТФК и оксида этилена проводят в водной или органической среде в присутствии различных катализаторов, чаще аминного типа. Процесс, осуществляемый фирмой Ниппон Сода (Япония) позволяет проводить эту реакцию в гетерогенных условиях без растворителя; в этом случае ТФК диспергируется в виде твердого вещества в жидком оксиде этилена. Условия проведения этого процесса: температура — от 90 до 130 °C, давление — от 2—3 МПа, продолжительность — от 0,5 до 4 ч. Выход ДГТ (при содержании в нем олигомеров не более 0,5%) зависит от мольного соотношения компонентов; так при соотношении ТФК: оксид этилена, равном 1:8, выход достигает 50%.
Представляет интерес использование для оксиэтилирования неочищенный ТФК. Полученный в результате этой реакции неочищенный ДГТ очищают перекристаллизацией из воды (в которой он хорошо растворим при 80—90 °C) до достижения степени чистоты, необходимой для получения волокна.
Ниже приведены физико-химические свойства ДГТ (эмпирическая формула — Ci2Hi4O6, молекулярная масса 254):
Количество гидроксильных групп, экв/г 7874 ■ 10'8
Кислотное число, мг КОН/г, не более 0,02
Число омыления, мг КОН/г 438,28
Температура плавления, °C 109—112
Плотность расплава, кг/м3 при 150 °C 1190
при 200 °C Н50
Вязкость расплава, при 200 °C, Па-с 0,004
Растворимость в воде, % при 85 °C -Неограниченная
при 15 °C 0>7—1,0
Поликонденсация дигликолевого эфира терефталевой кислоты
При поликонденсации ДГТ выделяется ЭГ и образуется ПЭТ со степенью полимеризации 100—150. Схему этой реакции (например, для п моль ДГТ) можно записать следующим образом:
—СН2СН2ОН + (П - 1) НОСН2СН2ОН
ЭГ
Из приведенного уравнения видно, что данная реакция является классическим случаем обратимой поликонденсации. В нашем случае это обусловлено постоянным присутствием в зоне реакции ЭР, который приводит к обрыву растущей полимерной цепи по сложноэфирным группам. С целью эффективного снижения протекания обратимых процессов необходимо максимально полно и быстро удалять из реакционного пространства образующийся ЭР. Для этого реакционная масса энергично перемешивается при повышенной температуре (270—290°C) и высоком вакууме (53,2— 133 Па). По мере уменьшения давления паров ЭР над расплавом полимера молекулярная масса ПЭТ непрерывно увеличивается. Это соответствует уравнению СП—aJ^, согласно которому при неизменной константе реакции поликонденсации (Д) степень полимеризации (СП) тем выше, чем меньше число молей выделяющегося ЭР (па), приходящегося на одно элементарное звено полимера, находится в реакционном пространстве.
С целью ускорения реакции применяют катализаторы, которые вводят в количестве 0,02—0,06% (от массы полимера) перед началом поликонденсации, когда концентрация гидроксильных групп минимальная. В промышленности в качестве катализаторов чаще всего используют триоксид сурьмы и диоксид германия. Хотя увеличение количества катализатора способствует повышению ско- ■ рости реакции, при введении его в количестве более 0,1% ухуд- шаются термостабильность расплава ПЭТ, цвет последнего, проходимость волокна при текстильной переработке и, в конечном итоге, свойства готовой продукции. Поэтому всегда выбирается оптимальное содержание катализатора определенного типа для введения его в реакционную систему.
Одновременно с ростом молекулярной массы полиэфира проте кает независимый процесс термоокислительной деструкции (раз рушение молекулярных цепей) ПЭТ, глубина которого зависит о' ряда факторов — продолжительности и температуры поликонден сации, вида и количества применяемого катализатора, присутствш кислорода и влаги, интенсивности перемешивания продукта и т. д Для повышения термической стойкости (термостабпльности) по лучаемого расплава ПЭТ применяют стабилизаторы, например фосфористую кислоту или ортофосфорную кислоту и их эфиры (трифенилфосфат, полигликольфосфат, три-и-трет-бутилфенил фосфат и др.), трикумилфенол, топанол и т. п., вводимые в коли честве 0,01 — 0,05% от массы твердого мономера — ТФК или ДМТ. Перечисленные стабилизаторы оказывают полезное дей ствие не только на термостабильность расплава, но и одновременно повышают термо- и светостойкость готового полиэфира и волокна на его основе, Волокна, полученные с использова нием таких добавок, имеют также повышенную теплостойкость и белизну.
A
17.3. СТРУКТУРА И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛИЭТИЛЕНТЕРЕФТАЛАТА
Физическая структура полиэтилентерефталата
ОII>—Ссн2 о\ / \ / \о сн2 сIIоОII>—Ссн2 о\ / \ / \о сн2 сIIоС помощью различных методов исследования выявлена структурная формула ПЭТ:
О
II
>—Ссн2 о
\ / \ / \
о сн2 с
IIо
О
II
>—Ссн2 о
\ / \ / \
о сн2 с
IIо
о
1—с сн2 о
\/ \ / \
о сн2 с
о
По своему строению ПЭТ — типичный линейный волокнообразующий полимер, не имеющий разветвлений и сшивок, поэтому выше температуры стеклования Тс (70—75 °C) макромолекулы (или их агрегаты — домены, фибриллы и т. п.) сравнительно легко ориентируются вдоль оси волокна при вытягивании.
Полиэтилентерефталат и волокна на его основе могут быть получены в двух различных фазовых состояниях полимера: в аморфном и кристаллическом. Обычно ПЭТ состоит из смеси кристаллических и аморфных участков, соотношение которых зависит от способа получения полимера и составляет обычно 4 :6. Аморфный ПЭТ можно получить при резком охлаждении расплава, например, при литье его в холодную воду. При этом получается твердый прозрачный продукт с легким серовато-желтым оттенком (плотность 1330 кг/м3). При нагревании выше 80°С - ПЭТ кристаллизуется, теряя прозрачность и превращаясь в матовое вещество с плотностью 1380—1400 кг/м3. Максимальная скорость кристаллизации полимера лежит в области температур 180—200°С. Закристаллизованный ПЭТ имеет плотность 1450— 1470 кг/м3. Полупериод кристаллизации ПЭТ при заданной температуре Т Щг, мин) можно рассчитывать по формуле
* Ч W ~'Мт (т/М’]
где Тс и Тпл — соответственно температуры стеклования и плавления полимера, °C.
Температура плавления ПЭТ ввиду жесткости макромолекулярной цепи, обусловленной наличием малоподвижных бензольных колец, довольно высока и составляет 255—260 °C. Для получения волокна и текстильной нити используют ПЭТ с молекулярной массой 20 000—25 000, при получении технических высокопрочных нитей — ПЭТ с молекулярной массой более 30 000.
Молекулярную массу (М) ПЭТ можно приблизительно рассчитать по данным измерения удельной вязкости (Луд) его 0,5%-ного раствора в трикрезоле при 20°C:
М = (Пуд - 0,05) • 10=
Свойства расплава полиэтилентерефталата
В процессе получения полимера (на стадии поликонденсации) и волокна (на стадии его формования) ПЭТ определенное время ;
' находится в расплавленном состоянии. Плотность расплава ПЭТ; при 280°С равна 1200 кг/м3. Для стабильного режима формования полиэфирного волокна необходима оптимальная вязкость; расплава (обычно в пределах 200—700 Па-с). Измеренные значения вязкости расплава т)Р можно использовать для определения, молекулярной массы ПЭТФ:;
10,55+1g г]ряг-1
М =—1
4,7-Ю-0■
При выдерживании полиэфира при высоких температурами (270—300 °C) вязкость его непрерывно снижается и тем больше^И чем выше температура расплава, содержание в нем влаги и кисЩ лорода воздуха. Этот процесс протекает вследствие уменьшения^ молекулярной массы полимера за счет термического, гидролитического и окислительного разрушения макромолекул. Особенно . сильно воздействует на полимер влага, вызывающая гидролиз сложноэфирных связей ПЭТ:
Н2О
О
/~\—с—он + носн2сн2
Расплав ПЭТ имеет сравнительно" высокую (по сравнению, например, с поликапроамидом) стойкость к кислороду. Несмотря на это, для предотвращения термоокислительной деструкции на всех стадиях получения полимера и волокна, где ПЭТ находится в расплавленном состоянии, предусмотрена подача максимально чистого и сухого азота или другого инертного газа.
ПЭТ сравнительно стоек к действию ультрафиолетового света, рентгеновских и у-лучей, потока протонов. К полиэтилентерефтала- ту, направляемому в производство волокна, предъявляются сле
0,0130 • 10е0,8-1,50.10,0130 • 10е0,8-1,50.1дующие требования:
0,01
30 • 10е
0,8-1,5
0.1
0,01
30 • 10е
0,8-1,5
0.1
Влажность гранулята, %, не более
Содержание
концевых карбоксильных групп, г/экв, не более . . . диэтиленгликолевых звеньев с простыми эфирными группами, %
пыли, %, не более
Термостабильность (снижение молекулярной массы при выдерживании расплава в токе азота 20 мин при 270°C), %, не более
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПЙОЦЁСС ПРОИЗВОДСТбА
ПОЛИЭФИРНЫХ НИТЕЙ И ВОЛОКНА
Процесс производства полиэфирных нитей или волокна можно разделить на три самостоятельные стадии: получение полимера — полиэтилентерефталата (смолы лавсан), формование из него нитей и волокна и переработка их в готовую продукцию. Эти три процесса осуществляются соответственно в трех основных цехах: химическом, прядильном и штапельном (или текстильном — при производстве комплексных нитей).
Технологическая схема производства полиэтилентерефталата
Технологическая схема производства ПЭТ может быть осуществлена как периодическим, так и непрерывным способом.
Несмотря на то что в последние годы в мировой практике, в том числе и в отечественной промышленности, преимущественное развитие получили непрерывные процессы получения ПЭТ с использованием в качестве исходного сырья терефталевой кислоты, ниже будет подробно рассмотрен остающийся и поныне традиционным и наиболее понятным для усвоения материала процесс получения смолы лавсан по периодической схеме с использованием в качестве исходного сырья диметилтерефталата и этиленгликоля. Такие производства в настоящее время широко эксплуатируются на отечественных предприятиях в Курске и Могилеве.
Основным технологическим оборудованием химического цеха являются автоклавы — аппараты, рассчитанные на рабочее давление до 0,3—0,4 МПа.
Автоклав представляет собой цилиндрический сосуд с коническим днищем, стенки которого изготовлены из нержавеющей стали (рис. 17.4). Аппарат снабжен мешалкой и рубашкой, в которой циркулирует теплоноситель. Для поддержания в ратуры 130—150°С обычно подают в рубашку аппарата острый пар под давлением 0,4— 0,6 МПа. Водяной пар с избыточным давлением 2,5—4 МПа может быть использован для поддержания более высоких температур, например в аппарате переэтерификации (160—240°С).
Однако чаще для создания повышенных
температурных режимов (до 280—300 °C) применяют высококипящие органические теплоносители (ВОТ): динил, мобильтерм-600, АТМ-300
и Т. д.
Рис. 17.4. Автоклав:
автоклавеавтоклаветемпе-темпе-6 5^!1гДель’ 2—редуктор; 3—муфта; 4—штуцер; 5—рубашка; ronnnvaV ®лектР°нагРевателей; 7—разгрузочный штуцер (литьевая головка), 8—мешалка; 9—загрузочный люк.
автоклаве
автоклаве
темпе-
темпе-
Рис. 17.5. Аппарат для непрерывного 5 расплавления ДМТ: | а —общий вид; б —разрез: 1 /—внутренний змеевик; 2—наружный змее- | вик. . JРис. 17.5. Аппарат для непрерывного 5 расплавления ДМТ: | а —общий вид; б —разрез: 1 /—внутренний змеевик; 2—наружный змее- | вик. . Jдва способа обогрева аппаратов: местный, ко;два способа обогрева аппаратов: местный, ко;Применяют „ .
Рис. 17.5. Аппарат для непрерывного 5 расплавления ДМТ: | а —общий вид; б —разрез: 1 /—внутренний змеевик; 2—наружный змее- | вик. . J
Рис. 17.5. Аппарат для непрерывного 5 расплавления ДМТ: | а —общий вид; б —разрез: 1 /—внутренний змеевик; 2—наружный змее- | вик. . J
два способа обогрева аппаратов: местный, ко;
два способа обогрева аппаратов: местный, ко;
да жидкий теплоноситель, залитый в рубашку автоклава, разогрев вается с помощью установленных там же пакетов электронагреИ вателей (трубок Баккера) мощностью 5—10 кВт каждый, и централизованный, когда теплоноситель циркулирует в системе нагреватель (котел)—насос — рубашка автоклава — конденсатор-нагреватель. Как правило, в производстве полиэтилентерефта- лата для поддержания в аппаратах температур ниже 230—240°С применяют жидкий ВОТ, выше 250°C — парообразный ВОТ или жидкий ВОТ под давлением.
Иногда вместо обогревающей рубашки аппараты снабжены
внутренним и внешним змеевиком, куда поступает жидкий или парообразный теплоноситель. Один из таких аппаратов, применяемый для непрерывного расплавления ДМТ, изображен на рис. 17.5. Нередко конструкция аппаратов, особенно непрерывного действия, где ограничено время пребывания продукта и требуется значительный подвод тепла, предусматривает обогрев ВОТ одновременно через рубашку и внутренний змеевик.
Периодический процесс получения ПЭТ (рис. 17.6) включает пять основных стадий: растворение (или-расплавление) ДМТ в этиленгликоле, переэтерификацию ДМТ; поликонденсацию ДГТ; литье расплава и гранулирование ПЭТ; сушку гранулята.
Растворение. Этиленгликоль со склада сырья центробежными' насосами подают в автоклав-растворитель 2 через подогреватель 1, ■ в котором он подогревается до 130—140 °C. Растворитель перед загрузкой нагревают до этой же температуры (или на 20—30 °C ни- ' же). Как уже говорилось ранее, на 1 т ДМТ загружают 800 кг ЭГ. Если ДМТ поступает на производство в виде твердых чешуек (чаще всего в мешках массой 25—40 кг, или в пластмассовых контейнерах массой 1—2 т), транспортирование его к растворителю осуществляется пневмотранспортом в токе азота. Установка для пневмотранспортировки ДМТ состоит из приемного бункера 26, ячеистого дозатора 25, газодувки 24, взвешивающего бункера 4 и фильтров для азота 3. ДМТ подается во взвешивающий бункер, а отделяемый в сепараторах азот через пылеулавливающие фильтры возвращается в систему. Из бункера 4 ДМТ с помощью шнекового питателя ссыпают в растворитель, в котором уже находится горячий ЭГ. Растворение ДМТ в ЭГ происходит при перемешивании (частота вращения мешалки — от 40 до 60 об/мин) в течение 3—5 ч, в зависимости от загрузки и объема аппарата, при 150—160 °C. Для предотвращения преждевременного начала реакции переэтерификации, . а также для полного растворения установлен обратный холодильник, который конденсирует и возвращает в автоклав частично образующиеся пары метанола и ЭГ.
После окончания растворения, контролируемого визуально через смотровое стекло аппарата, однородный раствор под давлением азота 0,15—0,2 МПа передавливают по обогреваемому трубопроводу через свечевые фильтры 5 в аппарат переэтерификации. Свечи фильтров обтянуты мелкой сеткой из нержавеющей стали или изготовлены из пористого металла или сплава. После передавливания нескольких партий раствора ДМТ через фильтр комплект свечей заменяют чистым, а старые фильтры обрабатывают паром и сжатым воздухом или горячим ЭГ (промывка последним исключает частую разборку и сборку фильтров). Обычно на .установке предусмотрено два фильтра, из которых один находится в работе, другой в резерве.
Помимо рассмотренной схемы растворения ДМТ в ЭГ известна и другая, по которой ДМТ периодически или непрерывно плавят при 150—160 °C в аппаратах-расплавителях (см. рис. 17.6) и расплав подают с помощью поршневых или центробежных насосов (нередко установленных внутри аппарата) непосредственно в автоклавы переэтерификации 6, куда одновременно поступает и нагретый до заданной температуры ЭГ. Продолжительность выдерживания ДМТ в расплавителях и расплавопроводах не должна превышать 40—50 ч. В противном случае становится заметной термическая деструкция продукта, характеризуемая ростом кислотного числа ДМТ.
Более эффективной схемой транспортирования ДМТ является подача его в.виде расплава или раствора в ЭГ по обогреваемому трубопроводу из склада сырья. В этом случае отпадает необходимость в применении громоздкой установки пневмотранспорта ДМТ,
Рис. 17.6. Технологическая схема получения полиэтилентерефталата (смолы Лав- саи):
. 1— подогреватель; 2 —растворитель (расплавнтель); 3 — фильтр; 4 —взвешивающий бункер; 5—фильтр для раствора (расп 1ава); б—переэтерификатор; 7— электронагревательный элемент; 8 — колонна с кольцами Ришта; 9 и /5 —холодильники; 10— мерный сборник; // — сопла; /2—пароэжекторный насос, i3 — бункер для готовой смеси гранулята; 14 — днстнлляцнониый куб; 15 — емкость для слива смеси гликоль—метанол; 16 — сборники чистого метанола и гликоля; 17 — холодильник; 18 — дефлегматор; 20 — вакуум-сборник; 2Z —мельница-дробилка: 22— взвешивающий бункер; 23 — барабан смеситель; 24 — газодувка (компрессор); 25—ячеистый дозатор; 26 —приемный бункер ДМТ; 27 —полнконденсатор.
эксплуатация которой осложняется из-за частых забивок, создания взрывоопасной концентрации и т. д.
Наиболее экономична и удобна схема, когда цеха производств ДМТ и полимера расположены на одной заводской площадке. Это позволяет чистый мономер в виде расплава (без перевода в твердый гранулят) передавать по эстакаде прямо в отделение переэтерификации.
Переэтерификация — технологический процесс обработки диме- тилтерефталата этиленгликолем для получения дигликолевого эфира терефталевой кислоты. Перед поступлением раствора или расплава ДМТ в переэтерификатор 6 (см. рис. 17.6), последний предварительно разогревают до 150—160 °C. После приема партии продукта в автоклав через специальный штуцер вводят катализатор в виде раствора или суспензии в ЭГ, причем обязательно при работающей мешалке (частота вращения 60—200 об/мин). Температуру в автоклаве в течение 1 —1,5 ч поднимают до 180—200 °C и в этом температурном интервале проводят основную часть процесса переэтерификации. При переэтерификации из сферы реакции вместе с парами метанола частично уносятся пары ЭГ и возгоняющегося при этих температурах ДМТ. Чтобы вернуть в аппарат необходимые для процесса (с точки зрения равновесия реакции и количественного выхода ДГТ) вещества — ДМТ и ЭГ, сверху автоклава устанавливается специальная колонна 8 (рис. 17.6). Она состоит из двух частей: нижней (насадочной) части, заполненной примерно на 2/3 высоты керамическими или металлическими кольцами Рашига или Палля, и верхней — где установлен холодильник-дефлегматор. Температура выходящих в верхней части колонны паров метанола поддерживается не выше 67—70°C. При превышении этой температуры автоматически увеличивается количество орошаемой флегмы холодного метанола через форсунку, установленную внутри колонны. Диметилтерефталат, имеющий температуру возгонки 141 °C, конденсируется и оседает на кольцах Рашига, а пары ЭГ (темп. кип. 196,6 °C) конденсируются в холодильнике. Сконденсировавшийся гликоль, стекая вниз, смывает ДМТ с колец и возвращается в аппарат. Таким образом, во время реакции отгоняется почти чистый (94—96%) метанол, который собирается
в сборник 10. При помощи уровнемера, установленного на этом сборнике, фиксируется количество отгоняемого метанола и таким образом контролируется ход процесса переэтерификации. После отгонки 85—90% от теоретически необходимого количества метанола (375—395 л на 1 т ДМТ), на что затрачивается в зависимости от технологических и конструктивных причин от 2 до 5 ч, реакцию переэтерификации можно считать законченной.
После окончания реакции переэтерификации необходимо полностью или частично отогнать из реакционной массы избыточный этиленгликоль (0,2—0,5 моль), не вошедший в реакцию, что достигается постепенным (за 0,5—2 ч) повышением температуры в аппарате от 200 до 240 °C. Пары ЭГ, минуя колонну 8, поступают непосредственно в холодильник 9, откуда жидкий ЭГ сливают в сборник 10. Объем отгоняемого ЭГ обычно составляет 150—200 л на 1 т загружаемого ДМТ. Эта операция может быть проведена и на последующей стадии — в аппарате поликонденсации. После отгонки избыточного ЭГ образовавшийся продукт содержит ДГТ (20— 25%) и олигомеры ПЭТ со степенью полимеризации, равной 2— 4. Этот продукт при температуре 230—240°C и избыточном давлении 0,15—0,2 МПа передавливают по обогреваемому (до 250 °C) расплавопроводу в автоклав для поликонденсации. Различные добавки, предназначенные для термо- и светостабилизации, матирования или крашения в массе полимера, вводят, как правило, в аппарат переэтерификации, чаще всего до или после отгонки избыточного ЭГ. Красители иногда вводят перед началом переэтерификации в виде суспензии в этиленгликоле; органические нетермо- стойкие красители вводят на завершающей стадии поликонденсации. Количество вводимых двуокиси титана составляет 0,3—0,6% (для сильно матированной текстильной нити — до 2,0%), а красителей — 1—3% от массы ДМТ. Для приготовления тонких диспер- ’сий матирующих веществ и красителей суспензии этих продуктов в ЭГ (с концентрацией 10—30, чаще 20%) неоднократно пропускают через коллоидные и шаровые мельницы, где продукт измельчается. После этого суспензии дают отстояться. Верхний однородный слой суспензии направляют в автоклав. Вводимые добавки должны характеризоваться высокой степенью дисперсности (величина частиц не более 1—3 мкм), устойчивостью к длительному пребыванию при высоких температурах, хорошей совместимостью с 'промежуточными и конечными продуктами синтеза ПЭТ.
Поликонденсация — технологический процесс образования поли- этилентерефталата из дигликолевого эфира терефталевой кислоты.
Температура в аппарате поликонденсации 27 (см. рис. 17.6) перед загрузкой ДГТ и олигомерами должна быть не менее 245— 250 °C. После загрузки 1—3 т продукта температуру в аппарате поднимают в течение 1—2 ч до 280—290 °C. Одновременно в автоклаве с помощью пароэжекторных насосов 12 создается вакуум. Ввиду высокой температуры уже в самом начале процесса происходит бурное выделение паров ЭГ и интенсивное вспенивание массы. Резкое повышение вакуума в автоклаве недопустимо, так как 346 1
Рис. 17.7. Технологический режим работы аппарата поликонденсации: /—температура процесса. °C; 2—мощность мешалки.
может привести к выбросу массы в вакуумную линию. Кроме того, быстрое испарение ЭГ, сопровождаемое отводом значительного количества тепла, неизбежно связано с застыванием расплава в автоклаве (образование «козла»). Поэтому на практике вакуум создают постепенно в течение 1,5—2,0 ч следующим образом: до 6,65 кПа со скоростью 7 мм/мин; 6,65 до 0,053—0,133 кПа за 30— 60 мин. Выделяющиеся пары ЭГ конденсируются в холодильнике 19 и жидкий гликоль собирается в вакуум-сборнике 20. Интенсивность выделения ЭГ (или, иначе говоря, скорость поликонденсации) максимальная в первые 1—2 ч после набора глубокого вакуума, в течение последующего времени она резко снижается (рис. 17.7). Для удаления расчетного количества ЭГ (около 300 л на 1 т полимера) расплавленный продукт выдерживают еще в течение нескольких часов при глубоком вакууме и интенсивном перемешивании. При проведении процесса мешалка вращается в постоянном (20—40 об/мин) или переменном скоростном режиме (частота вращения изменяется от 20—40 до 6—10 об/мин). При проведении двухскоростного режима (особенно при большой массе загружаемого продукта и при получении высоковязкого полимера) удается избежать сильного перегрева и термического разрушения ПЭТ, в результате чего повышается качество готовой продукции. Переключение двухскоростного привода мешалки с большой частоты вращения на малую проводят по достижении глубокого вакуума (0,053—0,133 кПа) и заданной температуры поликонденсации (280—290 °C).
Расход электроэнергии, потребляемой приводом мешалки на перемешивание массы, при постоянной частоте вращения зависит от сопротивления среды (вязкость расплава), которая в свою очередь повышается с ростом молекулярной массы ПЭТ. Поэтому протекание процесса поликонденсации контролируют по расходу электроэнергии. Такая взаимосвязь (расход электроэнергии — вязкость расплава — молекулярная масса) не отражает истинного
изменения молекулярной массы полимера, но позволяет надежно контролировать производственный процесс поликонденсации. Характер изменения температуры в автоклаве поликонденсации и количества расходуемой электроэнергии на перемешивание массы расплава приведен на рис. 17.7. Общая продолжительность поликонденсации в зависимости от конструкции аппарата и мешалки, полезного объема продукта, количества передаваемого тепла, заданного уровня молекулярной массы и др. составляет от 5 до 8 ч. Продолжительность поликонденсации можно сократить на 1,0— 1,5 ч, применив двухстадийный температурный режим: через 3 ч после начала поликонденсации устанавливается максимальная температура в аппарате (до 290°C), которая поддерживается на этом уровне 30—40 мин до достижения глубокого вакуума и 15—20 мин при вакууме 0,053—0,133 кПа, а затем понижается до 280 °C.
Сигналом к завершению процесса поликонденсации служит приближение показаний приборов (киловаттметра или амперметра) к постоянному значению. Дальнейшее выдерживание расплава ПЭТ в автоклаве при высокой температуре, которая к концу процесса произвольно (за счет перехода механической энергии в тепловую) поднимается на 5—10 °C, может вызвать значительную деструкцию полимера, сопровождаемую снижением молекулярной массы и потемнением продукта. Поэтому расплав необходимо выгружать как можно быстрее (1 т полимера в течение 30—40 мин.)
Известны промышленные способы повышения молекулярной массы ПЭТ в расплаве или в твердом состоянии. По первому из них на завершающей стадии процесса поликонденсации (примерно при 70—80%-ной конверсии) вводят в небольших количествах (0,5—1%) функциональные активные добавки, например дифениловый эфир терефталевой или нафталиновой кислоты, которые обоими концевыми группами сшивают две молекулярные цепи в одну удлиненную:
R—ОН + НООС— Ri—С ООН + НО—R——г*
—► ..._R—ООО—Ri—COO—R
При этом молекулярная масса увеличивается на 30—40%, а’продолжительность реакции поликонденсации может быть сокращена до 1 ч. Твердофазную поликонденсацию ПЭТ проводят во вращающихся (типа «пьяной бочки») или стационарно установленных (с интенсивным перемешиванием гранулята мешалкой или инертным газом) аппаратах, при температурах, близких к рекристаллизации полимера (200—240°С) в течение 6—10 ч. При использовании вращающихся горизонтальных аппаратов процесс обычно проводят при глубоком вакууме; в стационарно установленных вертикальных аппаратах чаще применяют гранулят в «кипящем» слое с помощью нагретого до заданной температуры азота. Скорость твердофазной поликонденсации зависит от температуры продолжитель- 848
ности реакции, остаточного давления и количества циркулирующего инертного газа, а также размера частиц полимера. Например, для порошка ПЭТ реакция заканчивается через 1—2 ч.
Литье расплава и гранулирование ПЭТ. Для разгрузки аппарата поликонденсации в нем создают давление инертного газа (азота) 0,5—0,6 МПа. Расплав ПЭТ выдавливают в виде ленты шириной 400—600мм через щелевую фильеру на вращающийся барабан диаметром 1800—2000 мм или на передвижной ленточный транспортер длиной 6—8 м, охлаждаемые снаружи и изнутри водой. На металлической поверхности барабана или ленточного транспортера поддерживается температура 70—80 °C, обеспечивающая получение пластичного и не прилипающего к металлической поверхно- ■ сти материала. Далее лента полимера, охлаждаясь водой в горизонтальной ванне, через направляющие диски подается в гранулятор (резательную машину). После продольной и поперечной резки лента превращается в гранулы правильной формы размером 4 X X 4 X 3 (±0,5 мм). Наряду с этим в полимере содержится 1—2% полимерной пыли и до 5—10% непрорезанных гранул увеличенного размера. Производительность грануляторов достигает в среднем 2 т/ч.
Наиболее перспективным является так называемый «подводный» гранулятор фирмы «Бармаг» (рис. 17.8), который может перерабатывать до 15 т/ч полимера. При этом получаются равномерные
Рис. 17.8. «Подводный» гранулятор .фирмы «Бармаг»:Рис. 17.8. «Подводный» гранулятор .фирмы «Бармаг»:1—труба для ввода расплава; 2—обогреваемая рубашка; 5 —резательный диск (нож); 4—ванна с холодной водой; 5—привод; 6 —штуцер для выхода готового гранулята.
Рис. 17.8. «Подводный» гранулятор .фирмы «Бармаг»:
Рис. 17.8. «Подводный» гранулятор .фирмы «Бармаг»:
Рис. 17.9. Сушильный аппарат с псевдоожиженным слоем:
/ — сушильная камера; 2—дозатор; 3—загрузочный бункер; 4 и 11— клапаны; 5—пылеулавливатель; 6 н 7— вентиляторы; 8 н 12—нагреватели воздуха; 9—аппарат для окончательной досушки полимера; 10— заглушка.
Рис. 17.10. Схема установки сушки полимера и формования полиэфирных волокон:
/—сушилка; 2—распределитель гранулята; 3—загрузочные бункера прядильных машин; 4— промежуточные (питающие) бункера; 5—плавильно-формовочные устройства (головки); 6—обдувочные устройства; 7 —шахты; 8—приемная часть; 9 —тележка с бобинами свеже- сформованной нити; 10—контейнер со свежесформованным волокном.
гранулы шаровой или эллипсоидной формы, в которых практически отсутствует пыль и такой брак, как «непрорезы».
Широкое распространение также получили грануляторы, сконструированные западногерманской фирмой «Автоматик». В этом случае в нижней части аппарата поликонденсации устанавливается фильера, имеющая 20—40 круглых отверстий диаметром около 3— 5 мм каждая. Выходящие из отверстий струйки расплава поступают в вертикальные пластмассовые трубки длиной 4—6 м, заполненные холодной водой. После охлаждения жилки режут в поперечном направлении. Количество пыли и непрорезов при этом невелико. Охлаждение жилок может быть осуществлено и в горизонтальной водяной ванне аналогично схеме, принятой для литья поликапроамидной смолы из аппаратов непрерывного действия.
В силу того, что в рассмотренных выше способах охлаждение ленты ПЭТ проводят при прямом контакте с водой, получаемый
таким образом гранулят имеет повышенную влажность (0,5—1,0%). Для того, чтобы содержание влаги довести до 0,01—0,02%, гранулят высушивают.
Сушка гранулята полиэтилентерефталата. Для сушки ПЭТ используют сушильные аппараты различных конструкций. В вакуум- барабанных сушилках периодического действия (загрузка полимера за цикл — 2—3 т) сушка проводится 10—20 ч при 110—130 °C и остаточном давлении 0,133—0,399 кПа. Сушилка обогревается' острым паром через рубашку и с помощью змеевика, находящегося внутри аппарата. Для сушки полиэфирной смолы применяют также воздушные сушилки непрерывного действия. В этих аппаратах гранулят высушивают током горячего воздуха при 160—170 °C. Производительность таких сушилок достигает 0,4—1,0 т/ч. В настоящее время положительные результаты достигнуты при сушке ПЭТ в аппаратах с псевдоожиженным слоем (рис. 17.9). Хотя производительность этих сушилок невысока (200—600 кг/ч), высушенный полимер отличается большой однородностью по степени кристалличности (40%) и по влажности (не более 0,005%). Метод псевдоожижения с помощью инертного газа можно использовать также для поликонденсации ПЭТ в твердом состоянии при температурах на 10—20 °C ниже температуры плавления полимера, достигая при этом увеличения молекулярной массы ПЭТ в 1,5—2,0 раза (М — более 50 000). Перед твердофазной поликонденсацией гранулят должен быть частично закристаллизован, с тем чтобы предотвратить слипание частиц.
При передаче пневмотранспортом высушенного гранулята на формование, несмотря на все меры предосторожности (дополнительную сушку азота, герметизацию линии и т. п.), полимер увлажняется. Поэтому рекомендуется устанавливать сушилки в прядильном цехе, прямо над загрузочными бункерами прядильных машин. Возможная схема такого расположения сушилки приведена на рис. 17.10.
Непрерывный процесс синтеза полиэтилентерефталата с прямым формованием нитей
Кроме периодического (автоклавного) процесса получения ПЭТ в настоящее время широко внедряются непрерывные схемы производства ПЭТ с прямым формованием нитей из расплава. Преимущество таких схем заключается в сокращении целого ряда операций (литье смолы, гранулирование, сушка, смешение и хранение гранулята) и уменьшении количества оборудования по сравнению с периодическим процессом. В случае производственной необходимости или при остановке прядильной машины полимер с непрерывной линии выделяют в виде гранулята. Линии непрерывного действия отличаются высокой производительностью (до 25—80 т/сут). Каждый аппарат, входящий в состав такой линии, обеспечивает непрерывность процесса— от загрузки мономеров до формования нитей.
Рис. 17.11. Непрерывнее схемы производства ПЭТ с прямым формованием полиэфирного волокна из расплава:
а — получение штапельного волокна из ДМ Г;
/ — емкость для приготовления катализатора; 2— бункер ДМТ; 3—ленточный транспортер; 4— расплавитель ДМТ; 5—сублиматор; 6—насадочная колонна; 7 и 9 —конденсаторы-холоднль* никн; 8 и 10— сборники метанола и ЭГ; // — пароэжекторный насос; 12— прядильная машина; /3—*поликонденсатор; 14—шестеренчатый насос; /5—форполнкоиденсатор; 16—переэтерифика- тор; 17—центробежный насос; 18 — расходная емкость для ЭР; б—получение высокопрочной технической нити нэ ТФД:
/—бункер ТФК: 2 — расходная емкость для ЭГ; 3—сборник воды и ЭГ; 4—смеситель; 5—пря дильная машина; 6— разгрузочный шнек; 7—второй полнконценсатор; 8—иасос; 9— первый поликонденсатор; 10—предполиконденсатор; ZZ— этерификаторы; 12—подогреватель пасты;
13—пастосмеситель; 14— весовой дозатор ТФК-. .
Непрерывный процесс получения полиэфирного волокна в равной мере может быть осуществлен при использовании в качестве сырья как ДМТ, так и ТФК.
На рис. 17.11 приведены схемы непрерывного получения полиэфирного штапельного волокна из ДМТ (рис. 17.11, а) и высокопрочной технической нити из ТФК (рис. 17.11,6), разработанные фирмой «Виккерс-Циммер». При использовании в качестве исходного продукта ДМТ сохраняются те же технологические стадии синтеза ПЭТ, что и при периодическом методе. Для проведения переэтерификации ДМТ этиленгликолем используют горизонтальный каскадный реактор, который может иметь до семи реакционных зон. В этот аппарат непрерывно дозируют расплав ДМТ и смесь ЭГ с катализатором. Мольное соотношение ДМТ: ЭГ равно 1,7—1,8, т. е. в данном случае количество взятого ЭГ меньше эквимольного. Температура реакционной массы на входе в переэтерификатор достигает 160—180 °C, а на выходе — 245 °C. Продолжительность пребывания компонентов в реакционной зоне составляет 4 ч. Поликонденсация ДГТ и олигомеров осуществляется в нескольких аппаратах (в двух или трех) специальной конструкции, которая обеспечивает создание тонкого слоя при интенсивном перемешивании расплава и минимальное время пребывания полимера в зоне реакции. Для получения штапельного волокна требуется ПЭТ со средней молекулярной массой (22000—25000), поэтому в данную схему (рис. 17.11л) включено только два аппарата поликонденсации. При предварительной поликонденсации в первом аппарате поддерживается невысокий вакуум (остаточное давление 3,3—6,6 кПа и температура 265—270°C). Продолжительность пребывания продукта в аппарате около 2 ч. Окончательная поликонденсация протекает во втором реакторе при 275—280 °C и вакууме 0,066—0,133 кПа. Готовый расплав выгружается из аппарата с помощью вертикального шнека или шестеренчатого насоса и транспортируется в течение 8—10 мин по обогреваемому расплавопроводу к прядильной машине. В этот момент в полимер вводят различные добавки, а также матирующие (двуокись титана) и окрашивающие агенты.
Непрерывная схема производства полиэфирной нити из ТФК (рис. 17.11,6) отличается от рассмотренной выше схемы на основе ДМТ. Терефталевая кислота в виде порошка непрерывно дозируется с помощью ленточных весов в пастосмеситель, куда одновре-
менно подается ЭГ с различными добавками и катализатором поликонденсации. При смешении обоих мономеров получается суспензия в виде пасты, которая после подогревателя 12 последовательно . проходит через три аппарата этерификации, работающих под избыточным давлением (соответственно от 1 до 0,2 МПа) при 270 °C. В двух последующих аппаратах, аналогичных по конструкции первым трем, проводят предварительную поликонденсацию в вакууме . и получают форполимер с молекулярной массой 5000—6000. Для получения ПЭТ с молекулярной массой 35 000—40 000 окончательную поликонденсацию проводят в двух последовательно установ- . ленных аппаратах 9 и 7, работающих при одинаковых вакууме j (0,066—0,135 кПа) и температуре (280 °C). Расплав ПЭТ, получен- ; ный по такой схеме, имеет высокую вязкость, поэтому требуется ) большое избыточное давление (10,0—20,0 МПа) для его передачи 1 на прядильную машину.
Непрерывный процесс получения ПЭТ и нитей на его основе 1 имеет следующие преимущества: при прямом формовании поли- 1 эфирных нитей расплав подается непосредственно на прядильные блоки (головки), отпадает необходимость в применении громозд- ( ких загрузочных бункеров, сложных и энергоемких плавильных ) устройств, достигается возможность переработки ПЭТ практически / любой молекулярной массы, поскольку не требуется повторного' плавления полимера.
Высокопроизводительные непрерывные схемы производства с) прямым формованием полиэфирного волокна из расплава наиболее: эффективны при получении однотипной массовой продукции. Од-• нако использование таких схем при выпуске широкого ассорти- ; мента продукции (например, текстильных нитей различной линей-^ ной плотности или окрашенного в массе волокна и т. п.), где предъ- 1 являются различные требования к полимеру и требуется большое ) число прядильных машин, сопряжено с большими производствен- : ными потерями при переходе с одного ассортимента на другой. ) Поэтому в настоящее время значительная часть полиэфирных : волокон (особенно текстильные и технические нити, специальные; типы волокна и жгутов) получают путем выделения ПЭТ по периодическому или непрерывному способу в виде гранулята с дальнейшей переработкой последнего на плавильно-формовочных устройствах.
Формование полиэфирных нитей
Принципиальная технологическая схема формования полиэфир ных нитей с расположением отдельных узлов оборудования в прядильном цехе показана на рис. 17.10.
Гранулят полимера поступает в загрузочные бункера прядиль ной машины с помощью пневмотранспорта из смесительных аппа ратов (барабанов) химического цеха или непосредственно из су шилок, установленных над бункерами 3 и 4 прядильных машин Далее гранулят по распределительным трубам подается на пла
Рис. 17.12. Плавильно-формовочное устройство с поддавливающим шиек-порш- нем и плоской алюминиевой решеткой:рРис. 17.12. Плавильно-формовочное устройство с поддавливающим шиек-порш- нем и плоской алюминиевой решеткой:р/ фильерный комплект; 2 —формовочный блок; 3—теплоизоляция; 4—нагревательный блтг. м Pn™eJn 3 п 6~ШНеК: 7—Ре«УктоР; «—электромагнитная муфта скольжения; 9—стаивда-’ 10—привод дозирующего насоса. * инна»/ фильерный комплект; 2 —формовочный блок; 3—теплоизоляция; 4—нагревательный блтг. м Pn™eJn 3 п 6~ШНеК: 7—Ре«УктоР; «—электромагнитная муфта скольжения; 9—стаивда-’ 10—привод дозирующего насоса. * инна»
Рис. 17.12. Плавильно-формовочное устройство с поддавливающим шиек-порш- нем и плоской алюминиевой решеткой:р
Рис. 17.12. Плавильно-формовочное устройство с поддавливающим шиек-порш- нем и плоской алюминиевой решеткой:р
/ фильерный комплект; 2 —формовочный блок; 3—теплоизоляция; 4—нагревательный блтг. м Pn™eJn 3 п 6~ШНеК: 7—Ре«УктоР; «—электромагнитная муфта скольжения; 9—стаивда-’ 10—привод дозирующего насоса. * инна»
/ фильерный комплект; 2 —формовочный блок; 3—теплоизоляция; 4—нагревательный блтг. м Pn™eJn 3 п 6~ШНеК: 7—Ре«УктоР; «—электромагнитная муфта скольжения; 9—стаивда-’ 10—привод дозирующего насоса. * инна»
вильно-формовочные устройства 5, где происходит плавление полимера и продавливание расплава с помощью специальных насосиков через фильеру (формование нитей). Основная задача плавильного устройства — перевод полимера из твердого в вязкотекучее "состояние. При этом и способ и конструкция обогрева плавильного устройства должны обеспечивать равномерное и полное плавление гранулята, а также минимальную деструкцию ПЭТ, достигаемую при оптимальных температурах формования (280—320°C) и минимальной продолжительности нахождения расплава при этих температурах (от 1 до 5 мин). Для формования полиэфирных нитей из гранулята средней и высокой молекулярной массы (25000—35000) используют различные плавильно-формовочные устройства с принудительной системой подачи полимера и расплава. Широко распространено плавление ПЭТ на спиральных и колковых решетках или на ребристых и плоских пластинах из алюминиевого сплава или серебра. Полимер к пластине или решетке, на которой происходит расплавление, подается вертикально установленным шнек- поршнем (рис. 17.12.). Этот же поршень, создавая давление около 0,6 МПа, обеспечивает принудительное поступление расплава к дозирующему насосу. Подача гранулята в плавильно-формовочное устройство обеспечивается постоянным вращением шнека-питателя, частота вращения которого регулируется с помощью электромагнитной муфты. Необходимая температура на плавильной пластине достигается с помощью электронагревательных трубок сопротивления; в формовочном устройстве (прядильном блоке), где расположен фильерный комплект / — с помощью электрообогрева или теплоносителя (динил, АМТ-300 и т. п.), чаще всего разогреваемого
трубками Баккера, установленными непосредственно в прядильном блоке. В прядильном блоке расплав приобретает заданную температуру формования, которая должна равномерно поддерживаться в очень узких пределах — не выше ±2 °C.
Обогрев прядильного блока высококипящим теплоносителем надежнее, чем электрический. Последний имеет ряд существенных недостатков, главные из которых — неравномерное выдерживание температуры по пути движения расплава полимера от плавильной пластины (или головки экструдера) до фильеры, наличие опасных зон перегрева продукта, необходимость регулирования температуры на каждом рабочем месте и др. Производительность одной плавильной пластины (решетки) по расплаву в зависимости от ее размера и материала, из которого она изготовлена, колеблется от 200 до 1000 г/мин. В настоящее время большинство прядильных машин для формования полиэфирных нитей оснащается плавильно-формовочными устройствами экструдерного типа. Такие устройства отличаются высокой производительностью по расплаву, небольшой продолжительностью пребывания расплава (от 20 до 60 с) при высоких температурах, возможностью переработки высокомолекулярного ПЭТ (что в первую очередь необходимо для получения технических или кордных нитей с повышенными прочностными и усталостными характеристиками), простотой и надежностью в эксплуатации, возможностью передачи расплава от одного плавильного устройства (экструдера) на несколько прядильных мест — фильерных комплектов. При формовании текстильной нити малой линейной плотности от одного экструдера расплав подается одновременно на всю машину, имеющую до 96 рабочих мест. Экструзионные устройства (рис. 17.13) устанавливаются над прядильной машиной в горизонтальном или вертикальном исполнении. Плавление происходит в шнеке 2 (отношение длины шнека к диаметру
Загрузил
Рис. 17.13 Экструдер для переработки полиэфирного гранулята:
/ — загрузочный бункер; 2—шнек; 3— обогреваемый цилиндр; 4 — подсоединнтельный фланец;
5— электродвигатель.
Рис. 17.14. Вертикальный экструдер с быстроходовым шнеком:
/—двигатель; 2 —привод; 3—прнжимиая пружниа; 4—загрузочный бункер; 5—шнек; 6—электрообогрев; 7—«болото» с расплавом; 8—дозирующий насос; 9 —фильерный комплект.
обычно равно 20—30), вращающемся в цилиндре 3. Цилиндр обогревается с внешней стороны при помощи трубок Баккера или пластинчатых элементов и имеет несколько зон обогрева с различной температурой. Зонный обогрев цилиндра позволяет создать наилучшие условия для постепенного плавления гранулята и нагревания расплава ПЭТ при движении его по каналам шнека. Кроме того, такие устройства дают возможность регулировать продолжительность
нахождения расплава при высокой температуре и не требуют специального темперирования расплава в «болоте» насосного блока. Вследствие того что транспортирование гранулята и расплава полимера в экструдере происходит принудительно (избыточное давление на выходе достигает 10—15 МПа), на таких устройствах можно перерабатывать ПЭТ практически любой молекулярной массы, причем при сравнительно низких температурах (270—290°C), обеспечивающих минимальную деструкцию полимера при формовании нитей. Производительность одного экструдера \составляет от 1 до 6 кг/мин по расплаву, в зависимости от диаметра и частоты вращения шнека, температуры и числа зон обогрева. Целесообразно применять небольшие по размерам экструзионные устройства с быстровращающимся (до 400 об/мин) «плавающим» шнеком и производительностью по расплаву до 300—500 г/мин (рис. 17.14). Этот экструдер работает в режиме адиабатического саморазогрева, когда тепло, выделяемое при механическом трении полимера о стенки шнека и цилиндра, расходуется на плавление полимера. Продолжительность пребывания расплава в таком экструдере не превышает 10 с. Для рассмотренных выше плавильноформовочных устройств, характеризуемых принудительной подачей расплава к прядильным блокам, как правило, не требуется применения напорных насосиков. В этом случае устанавливается только дозирующий насосик, отдельно или вместе с фильерным комплектом. В зависимости от заданных производительности фильерного комплекса и типа сформованной нити чаще всего используют шестеренчатые насосики марок НШ-1,2; НШ-2,4; НШ-4 8 НШ-10; НШ-20 и НШ-30. В состав фильерного комплекта входят один или несколько слоев фильтрующего материала и собственно нитеобра- зователь — фильера. Фильтрующими материалами служат мелкий кварцевый песок (лучше строго определенной шарообразной или эллипсоидной формы), стеклянные или шлаковые шарики диамет-
Рис. 17.15. Разрез аппарата для централизованной фильтрации расплава ПЭТ:
/ — резервный фильтр; 2 — корпус аппарата для фильтра; 3—патрубок для подвода неочищенного расплава; 4—фильтрующий материал; 5—патрубок для выхода очищенного расплава.
3
ром 1—2 мм, карбид кремния и т. п., а также металлические сетки с числом отверстий (меш) от 1000 до 15 000 на 1 см2.
В последнее время все чаще применяется централизованная
система фильтрования расплава ПЭТ. На линии движения расплава между плавильным устройством (экструдером) и прядильными блоками устанавливается аппарат с двумя комплектами фильтрующих материалов (во время работы одного другой подвергается чистке, и отпадает необходимость останова машины во время засорения фильтра). Производительность таких фильтров, один из которых (конструкция фирмы «Флойд Динамике») изображен на рис. 17.15, сопряжена с производительностью одной секции или всей машины и достигает от 1 до 5 т/сут. В качестве фильтрующих материалов используются решетки из мелкозернистого металла, нетканый материал из тонкой металлической проволоки, десятипятнадцатислойные сетки и т. п. По данным японской фирмы «То- рэй», засоряемость фильерных комплектов с использованием централизованной фильтрации расплава уменьшается в 2—3 раза. Это становится особенно важным в технологии высокоскоростного формования полиэфирных нитей. Кроме указанных факторов принимают во внимание и объемную скорость течения расплава по каналу фильеры, от величины которой зависит продолжительность эксплуатации без засорения отверстий фильеры. В частности, для работы без засорения в течение более 10 сут необходимо обеспечить приведенные ниже условия зависимости вязкости расплава полиэфира (г]р, Па-с) от минимальной объемной подачи Q (мл/мин-мм2).
Q > (21,5 — 0,0004-Пр>
Для формования полиэфирных волокон применяют фильеры круглого, прямоугольного и овального профилей (рис. 17.16). Число отверстий в фильере в зависимости от линейной плотности нити (жгута) составляет: при формовании волокна — от 400 до 2000 (фирма «Тойобо» начала применять фильеры с числом отверстий от 3000 до 4000), технической нити — от 140 до 280, текстильной нити— от 8 до 100. Диаметр отверстий в фильерах, применяемых в производстве полиэфирных волокон, подбирается таким образом, чтобы он был примерно в десять раз больше диаметра получаемой элементарной нити. Диаметр отверстий фильеры d может быть также рассчитан по формуле; п?=(0,5 [г|]—0,05) ±0,02 мм, где [г]] —
характеристическая вязкость ПЭТ в О-хлорфен0ле, дл/г. Толщина фильеры обычно рассчитывается исходя из давления расплава в - фильерном комплекте (от 5 до 10 МПа), соотношения длины капилляра отверстия! к его диаметру d, размера и «живого» сечения нитеобразователя. Поэтому чем больше Ud, число и размер фильеры, тем больше толщина последней. Например, при увеличении числа отверстий в фильере от 8 до 800 толщина фильеры соответственно изменяется от 5 до 20 мм. Соотношение l]d в фильерах для формования полиэфирных нитей и жгута (при получении волокна) обычно колеблется от 3 до 10. Помимо фильер со «сплошным» распределением отверстий по всей площади фильеры(см. рис.17.16,а—а), применяются фильеры с концентрическим расположением отверстий по желобу фильеры (рис. 17.16,а). Толщина таких фильер, изготовленных из специальных твердых сплавов, не превышает 1 мм, а отношение lid менее 2. Вытекающая из капилляра фильеры струя расплава нередко испытывает колебания, расплав прилипает
Рис. 17.16. Фильеры, применяемые для формования полиэфирного волокна:
а—круглые; б—овальные; в—прямоугольные; г—с расположением отверстий по желобу.
Рис. 17.17. Схемы обдувочных устройств:
а —поперечная обдувка:
1 — фильерный комплект; 2—боковая распределительная сетка; 3—обду вочная шахта: 4—пучок нитей: 5 —направляющее устройство; б—сопроводительная шахта;
б — радиальная обдувка:
1 — фильера: 2—пучок нитей; 3— распределительная решетка; 4— направляющие ролики: 5 — трубопровод для подачи воздуха; б — ротаметр; 7 —воздушная камера.
-к поверхности фильеры, образуются капли, непрерывность формования нарушается из-за так называемого «завара» фильеры. Для предотвращения этого нежелательного явления зеркало фильеры обрабатывается силиконовыми составами. Выходящие из отверстий
фильеры струйки расплава быстро застывают на воздухе и превращаются в твердые нити на расстоянии примерно 5 см от поверхности (зеркала) фильеры. Для ускорения процесса затвердевания струек расплава "и охлаждения нити последнюю обдувают холодным воздухом в направлении перпендикулярном (боковом, аналогично применяемому для полиамидных волокон) или радиальном к оси волокна. Радиальная обдувка (рис. 17,17,6), осуществляемая с внешней или с внутренней стороны пучка нитей, способствует получению свежесформованной нити с высокой равномерностью структурно-механических свойств, особенно при формовании волокна из фильер с количеством отверстий 500 и выше. При формовании технической нити и волокна, где применяют фильеры с большим числом отверстий, на каждую фильеру устанавливают индивидуальную обдувочную шахту. Для производства текстильной нити применяют так называемый метод многониточно- го формования, когда в одну обдувочную шахту поступают пучки нитей из нескольких (чаше от 4 до 16) фильер (рис. 17.18). Расход холодного кондиционированного воздуха (температура 20—25°C, относительная влажность воздуха 60 ±5%) зависит от ассортимента получаемого волокна, производительности фильерного комплекта, числа филаментов в пучке нитей, температуры расплава и составляет для одного прядильного места от 30 до 200 м3/ч при скорости воздушного потока 0,3—0,5 м/с. Помимо обдувочной шахты, расположенной непосредственно под фильерой, пучок сформованных нитей охлаждается в сопроводительной (прядильной) шахте (см. рис. 17.10, 7). Охлаждение проводится холодным воздухом, поднимающимся по шахте навстречу нити, или хо-
лодной водой, циркулирующей в рубашке шахты.
С целью получения плотной компактной комплексной нити («склеивания» элементарных нитей) и снятия электростатических зарядов охлажденную полиэфирную нить обрабатывают замасливающими препаратами типа синтокс, стеарокс-920, лаурокс-6, теп- рем, БВ, ОС-20 и т. п., представляющими собой чаще всего водные эмульсии смесей сульфированных жирных кислот с продуктами оксиэтилирования силиконовых масел или спиртов. Препарации наносят на пучок элементарных нитей, распрямленный в ленту, с помощью одной или двух вращающихся шайб в количестве 1—2% от массы волокна (в расчете на «активную» жировую часть). При формовании технических нитей для повышения прочности их связи (адгезии) с резиной на тех же замасливающих шайбах нити обрабатывают препарацией ЛА, представляющей собой 20—25%-ную водную дисперсию или эмульсию блокированного фенолом 2,4-толуилендиизоцианата и эпоксидной смолы с общей формулой R—О—СН2—СП—СН2 в компонентах прядильного замасливателя
О
тепрём или оксанол. Расход блокированного диизоцианата и эпоксидной смолы при этом составляет около 1 кг на 1 т нити. Скорость формования на прядильной машине определяется условиями охлаждения, заданными линейной плотностью и уровнем пред- ориентации (коэффициент двойного лучепреломления у невытянутой нити лавсан равен 3-103—10-2 и составляет: для технической нити 600—1000, для текстильной нити — 800—1500, для волокна— 800—1800 м/мин. Производительность современных прядильных машин для указанных ассортиментов составляет соответственно 8—12, 1—3 и 12—24 т/сут. В последние годы некоторыми зарубежными фирмами (например, фирмой «Бармаг», ФРГ) созданы высокоскоростные прядильно-намоточные машины для
Рис. 17.18.' Многониточное формование полиэфирной текстильной иити в одну обдувочную шахту.'.
Рис. 17.19. Общий вид приемно-намоточной машины фирмы «Бармаг» для высокоскоростного формования полиэфирных текстильных нитей.
формования текстильной нити на скоро- j сти от 3000 до 6000 м/мин, одна из кото- рых (типа SWS4D) показана на рис. | 17.19. Постоянство натяжения нити вдоль | оси раскладки обеспечивается за счет | изменения глубины прорезей в гумиро- | ванном барабанчике, плотно прилегаю- j щем к плоскости намотки нити. На одно ] рабочее место можно принимать от од-.| ной до восьми паковок общей массой до 1 60 кг. Нити, сформованные при указан- 1 ных выше скоростях, имеют очень высо- | кую предориентацию, что позволяет их | в дальнейшем перерабатывать на маши- | нах совмещенного процесса вытяжки с 1 текстурированием.|
Свежесформованные технические и | текстильные. нити, как правило, прини- | маются на фрикционно вращающиеся i цилиндрические патроны (бобины) с 1 ia одной бобине соответственно 8—24 и J
5—13 кг. При многониточном формовании текстильной нити на 1 одном приемном цилиндре может быть получено несколько (от 1 двух до четырех) индивидуальных паковок нити (рис. 17.20). При J производстве волокна лавсан свежесформованные нити в виде | жгута (поджгутика) развесом 5—20 г/м, собранного с 10—24 пря- 1 дильных мест, укладываются в металлические контейнеры (тазы) | высотой 1200—1500 мм и диаметром 900—1300 мм. Масса жгута 1 в контейнере в зависимости от размера последнего и плотности укладки в нем жгута колеблется от 200 до 1000 кг. Раскладка < поджгутика в контейнере (тазе) производится либо электронным j устройством, применение которого ограничено скоростью формо- ^ вания до 1000—1200 м/мин, либо с помощью пары шестеренчатых j колес (рис. 17.21), которыми оборудованы практически все новые I высокопроизводительные прядильные машины для полиэфирного 1 жгута. Основными показателями свежесформованного невытяну- 1 того полиэфирного жгута, требующими контроля, являются: отклонение толщины, содержание замасливателя и величина предориентации. Величина предориентации свежесформованных нитей в жгуте, оцениваемая по коэффициенту двойного лучепреломления или по усадке в кипящей воде, и характеризует способность нити к последующей технологической операции — ориентационному вытягиванию. От точного выдерживания величины предориентации во многом зависит стабильность процесса вытягивания, и следовательно равномерность свойств полиэфирного волок-
Рис. 17.20. Приемный механизм при многониточном формовании комплексной нити.
на. Предориентация свеже- сформованных нитей в жгуте может быть косвенно охарактеризована величиной фильерной вытяжки, рассчитываемой по формуле-
РиРигде Уф — скорость нитей, м/мин; Уи — скорость истечения расплава из отверстий фильеры, м/мнн.
Ри
Ри
„Для полиэфирных нитей при расчете фильерной вытяжки, равной обычно 10000—15000%, можно пользоваться упрощенной формулой:
950«<Z2w Т
где п число отверстий в фильере; d — диаметр отверстий фильеры, мм; Т — линейная плотность сформованных нитей, текс. -
После формования нити или жгуты рекомендуется хранить на бобинах или в контейнерах при комнатной температуре и относительной влажности воздуха 70—80% не более двух-трех суток. Затем их подвергают ориентационному вытягиванию.
Рис. 17.21. Механизм для укладки полиэфирного жгута на прядильной машине 1 — направляющие ролики; 2—шестеренчатый укладчик; 3—контейнер; 4—устройство для пе ремещения контейнера по эпюре укладки жгута.Рис. 17.21. Механизм для укладки полиэфирного жгута на прядильной машине 1 — направляющие ролики; 2—шестеренчатый укладчик; 3—контейнер; 4—устройство для пе ремещения контейнера по эпюре укладки жгута.Ориентационное вытягивание полиэфирных волокон — основная стадия формирования его механических свойств (линейной плотности, прочности, удлинения и т. д.). Несмотря на значитель-
Рис. 17.21. Механизм для укладки полиэфирного жгута на прядильной машине 1 — направляющие ролики; 2—шестеренчатый укладчик; 3—контейнер; 4—устройство для пе ремещения контейнера по эпюре укладки жгута.
Рис. 17.21. Механизм для укладки полиэфирного жгута на прядильной машине 1 — направляющие ролики; 2—шестеренчатый укладчик; 3—контейнер; 4—устройство для пе ремещения контейнера по эпюре укладки жгута.
Рис. 17.22. Машина совмещенного процесса формования н вытягивания полиэфирной комплексной нити:
1—бобина с готовой нитью; 2—вытяжной механизм; 3 —замасливающие ролики.
ные различия в технологических па- раметрах и конструктивном оформлении процесса вытягивания комплексных нитей и волокна, общим для ориентационного вытягивания всех видов волокна являются: 1) переход полимера из аморфного стеклообразного состояния в высокоэластическое, сопровождаемый ориентацией молекулярных цепей (или их агрегатов) с одновременной кристаллизацией ПЭТ; 2) проведе
ние этого процесса при повышенных температурах (100—150°С), на 20—70°С выше температуры стеклования (Тс) ПЭТ; 3) применение двух- и трехстадийного нагрева; 4) диапазон кратности вытяжки — 1 : (3,5—5,5). Операции формования и вытягивания полиэфирных волокон в большинстве случаев разделены и проводятся на отдельных машинах (агрегатах) — прядильной и вытяжной. Однако в последние годы разработаны процессы совмещенного формования и вытяжки на одной машине, преимущественно для производства комплексных нитей. Скорость приема готовой вытянутой нити на таких машинах достигает 3000—5000 м/мин. Существуют различные схемы заправки нитей на машинах совмещенного процесса формования и вытяжки. По одной из них (рис. 17.22) свежесформованная нить принимается на первую пару вращающихся цилиндров, затем непрерывно вытягивается между второй и третьей парой цилиндров, нагреваемых соответственно до температур 100—120 и 130—180 °C. По другой схеме — нагревательным элементом служит плоская пластина (утюг), а зоны формования и вытягивания волокна расположены последовательно. Вытянутую нить принимают на цилиндрический патрон (масса паковки 6—12 кг), вращение которого осуществляется с помощью индивидуального привода или фрикционного валика. Несмотря на очевидное преимущество этого способа (совмещение двух основных технологических операций на одной машине) широкое применение его ограничено из-за низкой скорости формования на первой паре цилиндров (особенно при получении текстильных нитей малой линейной плотности).
Производстао полиэфирного волокна
Процесс получения полиэфирного волокна состоит из следующих операций: 1) комплектования невытянутого жгута; 2) ориентационной вытяжки жгута; 3) гофрировки жгута; 4) термофикса- 364
ции жгута; 5) резки жгута и упаковки готового волокна в кипы. Все эти операции совмещаются в одном технологическом потоке на штапельных агрегатах, один из которых схематично представлен на рис. 17.23.
Комплектование невытянутого жгута. Жгут комплектуется из отдельных нитей (поджгутиков), выбираемых из каждого контейнера (таза), в отделении шпулярников штапельного цеха. Шпу- лярник / включает два- четыре ряда контейнеров с нитью (обычно один — два ряда оставляют резервными для перезаправки) и верхнюю металлическую раму, где происходит формирование невытянутого жгута. В конце шпулярника установлен жгутообразо- ватель, объединяющий отдельные нити («поджгутики») в общий Жгут. Он сострит из двух-трех вальцев и направляющих устройств. В зависимости от заданного развеса вытянутого жгута (обычно равного 30—100 г/м) жгут собирают из 20—60 контейнеров.
Ориентационная вытяжка жгута. Выше было уже отмечено, что вытягивание полиэфирного волокна проводится при нагревании, в результате чего невытянутая аморфная нить переводится из стеклообразного в высокоэластическое состояние с ориентацией структурных элементов и кристаллизацией ПЭТ. Однако интенсивный равномерный прогрев и последующая вытяжка жгута, состоящего из 200 000 — 500 000 элементарных нитей довольно сложная задача. На промышленных штапельных агрегатах жгут вытягивают в одну или две стадии соответственно между двумя или тремя вытяжными станами (см. рис. 17.23). Каждый вытяжной стан оборудован семью — восемью цилиндрами, вращающимися с одинаковой скоростью. Цилиндры первого стана (питающего) подогреваются до 50—80 °C циркулирующими внутри их горячей водой или теплоносителем. При двухстадийной вытяжке подогреваются также цилиндры второго стана (до 100—150°C). Цилиндры последнего стана не подогреваются (иногда даже охлаждаются водой). Основной нагрев жгута осуществляется острым паром или горячим воздухом в специальных камерах 4 и 5, расположенных между вытяжными станами. Иногда жгут подогревают на гладкой металлической поверхности (утюге) или пропускают через ванну с горячей водой. Со жгутообразователя жгут в виде тонкой равномерной по толщине ленты шириной 200—500 мм проходит через ванну (с температурой 40—60°C) для отмывки от прядильной препарации (или нанесения антистатической препарации) и поступают на горячие цилиндры первого стана, где подогревается. Далее жгут попадает в обогреваемую камеру между первым и вторым станом, нагретую до 130—200 °C, а затем на цилиндры второго стана. При двухстадийной вытяжке температура во второй камере обычно на 20—50 °C выше, чем в первой. Усилие для вытяжки полиэфирного жгута развесом 30—100 г/м колеблется соответственно от 4 до 15 кН. Кратность вытяжки волокна, устанавливаемая по отношению частоты вращения цилиндров первого и последнего вытяжного стана, составляет в зависимости от типа штапельного волокна 1 : (3 — 5). При двухстадийном процессе жгут вытягивают на300—
400% между первыми двумя станами и на 50—100%—между вторым и третьим станами. Линейная скорость выхода жгута с вытяжной машины составляет 100—200 м/мин, иногда — до 400 м/мин. В некоторых случаях, когда требуется получить волокно с низким удлинением (до 30—40%) и небольшим отклонением механических свойств от заданной величины, жгут после вытяжки подвергают дополнительной операции — так называемой стабилизации удлинения, которая проводится в обогреваемой до 200°C камере при растяжении на 2—4% (или усадке на 1—2%).
Гофрировка жгута. Гофрировкой жгута называется технологический процесс придания волокну извитости. Шерстеподобные свойства полиэфирного волокна и способность его к переработке как в смеси с шерстью, хлопком и другими волокнами, так и в чистом виде во многом зависят от формы отдельных элементарных нитей, в частности от степени и устойчивости их извитости. Обычно степень извитости штапельного волокна лавсан составляет 3—7 из- витков на 1 см. Жгут гофрируется в специальной машине 8 (см. рис. 17.23), в которой он захватывается двумя плотно прижатыми друг к другу металлическими вальцами и направляется в набивочную камеру. Сила прижима вальцов достигает 10—12 МПа.
Вальцы непрерывно напрессовывают в камеру отрезки жгута, которые периодически выталкиваются оттуда вновь поступающими нитями. Извитость волокна проявляется в результате механического сжатия и прессования жгута в камере. Устойчивость извитости можно дополнительно повысить предварительной обработкой жгута острым паром перед поступлением его в гофрировоч- ную машину. Для равномерного нанесения гофра на волокно жгут должен подаваться в камеру под определенным и постоянным натяжением. Постоянство натяжения создается системой компенсирующих роликов 7 (см. рис. 17.23), один из которых свободно лежит на жгуте, и по его относительному перемещению регулируется скорость гофрировки.
Термофиксация жгута проводится для получения устойчивой формы извитка; снижения температурной усадки (особенно при тепловых обработках готовых изделий); снятия внутренних напряжений в волокне, возникающих при ориентационном вытягивании; стабилизации физической структуры ПЭТ; повышения равномерности при поверхностном крашении и улучшения эксплуатационных характеристик волокна, в частности несминаемости тканей и изделий из них. Из гофрировочной камеры жгут по специальному лотку выталкивается в жгутораскладчик, который равномерно, перпендикулярно оси движения транспортера раскладывает жгут на металлическую сетчатую ленту. Жгут на ленте находится в свободном (без натяжения) состоянии. Лента с небольшой скоростью (0,6—1,0 м/мин) движется в горизонтальный аппарат термофиксации длиной от 10 до 20 м. Аппарат разделен на несколько (пять- семь) зон обогрева, где при циркуляции горячего воздуха поддерживается температура ПО—150 °C. Продолжительность сушки (после гофрировки жгут содержит до 10—20% влаги) и термо-
фиксации обычно составляет 15—20 мин. При этих условиях волокно усаживается на 15—17%. Остаточная усадка готового волокна в кипящей воде не превышает 1—3%. Сушку и термофиксацию полиэфирного жгута можно проводить и в аппаратах барабанного типа 9 (см. рис. 17.23). Внутри таких аппаратов имеется от пяти до десяти барабанов диаметром 600—800 мм с перфорированной металлической поверхностью. Жгут в свободном состоянии раскладывается по длине барабанов и перемещается при их вращении. Горячий воздух проходит через толщу жгута внутрь барабана, прижимая волокно к его поверхности.
Процесс термофиксации волокна лавсан в резаном виде в производственном масштабе встречается крайне редко, поскольку в этом случае нарушается непрерывность схемы переработки жгута на штапельном агрегате и снижается производительность последнего. Кроме того, при резке нетермофиксированного жгута заметно снижается извитость волокна, а длина штапельков отличается значительной неровнотой.
Для устранения электризации полиэфирного волокна при текстильной переработке жгут после термофиксации и охлаждения обрабатывают из форсунок антистатическими препаратами (например, ОС-20, ОП-10, альфоноксом, карбоноксом и др.), содержание которых на готовом волокне должно быть не ниже 0,3— 0,5%. Обработку антистатическими препаратами можно проводить перед гофрировкой жгута или после его тепловой обработки.
Резка жгута и упаковка волокна. Выходящий из аппарата термофиксации жгут перед поступлением в резательную машину должен быть охлажден для устранения склеивания отдельных волоконец при резке и предотвращения быстрого выхода ножей из _ строя. Жгут, проходя по воздуху расстояние около 10—15 м^ охлаждается. Длина резки волокна регулируется числом ножей на вращающихся дисках, числом прорезей на делительных колесах и частотой вращения дискового ножа. Длина волокна лавсан, предназначенного для переработки с хлопком, составляет 35 40 мм, а для переработки с шерстью и льном — 65 мм и выше. Скорость резки полиэфирного волокна зависит от конструкции машины и развеса исходного жгута и поэтому колеблется в широких пределах: от 70 до 250 м/мин. Созданы машины для резки жгутов очень больших развесов (до 500 г/мин). Если резательная машина расположена внизу, на одном уровне с упаковочным прессом, то шта- пельки засасываются вентилятором в трубу пневмотранспортом и подаются в пресс, где волокно упаковывается в кипы определен- ' ного размера и массы (до 150—200 кг). Производительность одного пресса с двумя упаковочными камерами до 25 30 т/сут. После резки волокно свободно ссыпается в пресс для упаковки. Значительная часть полиэфирного волокна линейной плотностью 0,333 и 0,420 текс, предназначенного для переработки в камвольной промышленности на пассифик-конверторах, выпускается в виде суровых и окрашенных жгутов развесом 30—70 г/м. Жгуты упаковывают в картонные коробки, рассчитанные на 80 100 кг волокна.
Технологический расчет. Рассчитать расход терефталевой кислоты н этиленгликоля для производства 10 000 т/год волокна лавсан по непрерывному способу
Определяе’м удельный расход сырья на 1 т волокна. Согласно приведенному выше уравнению реакции (см. с. 463), из 1 моль ТФК (молекулярная масса 166) образуется 1 моль ДГТ и соответственно одно элементарное звено ПЭТ (молекулярная масса 192).
Следовательно, из 1 т ТФК теоретически можно получить ПЭТ:
192: 166 = 1,61 т
Для определения удельного расхода ТФК на 1 т волокна учитываем привес волокна и потери производства полиэфирного волокна. Коэффициент, учитываю- шип привес волокна, равен 1,02. Потери (отходы) производства полиэфирного волокна составляют около 6%. Следовательно, коэффициент,, учитывающий потери производства, равен:
1 — 0,06 = 0,94
Выход волокна нз 1 т ТФК составит:
1,16 -1,02-0,94= 1/1 з
Отсюда, расход ТФК на 1 т волокна равен:
1 : 1,1 = 0,91 т
Для выпуска 10 000 т/год волокна лавсан потребуется ТФК:
0,91 -10 000 = 9 100 т/год
Рассчитаем требуемое количество этиленгликоля. В образовании одного элементарного звена ПЭТ участвует 1 моль ЭГ. Отсюда, теоретический расход ЭГ на 1 т ПЭТ составляет:
62:192 = 0,323
По условиям реакции этерификации на 1 моль ТФК расходуется 1,5 моль ЭГ (молекулярная масса 62), т. е. потребуется в 1,5 раза больше ЭГ:
0,323-1,5 = 0,485 т
Общие потери ЭГ в технологическом цикле составляют 18%. С учетом этих потерь и коэффициента привеса волокна расход ЭГ на 1 т волокна составит:
0,323- 1,18- 1,02 = 0,388 т
Для производства 10 000 т/г волокна лавсан небходнмо переработать (баланс по этиленгликолю:)
0,485 - 10 000 = 4 850 т
На 10 000. т волокна расходуется этиленгликоля:
0,388-10 000 = 3 880 т
На ректификацию возвращается этиленгликоля:
4 850 — 3 880 = 970 т
Производствотехнических и кордных нитей
Технические нити высокой прочности выпускают в основном трех линейных плотностей: 34, 94 и 222 текс.
Технологический процесс получения кордных нитей включает следующие операции: 1) ориентационную вытяжку свежесформо- ванных нитей; 2) перемотку нитей на товарные паковки; 3) тро-
Рис. 17.24. Схемы обогревающих элементов вытяжных машин: а—ролики, б—пластина (утюг);.
/ — питающие диски; 2—вытяжные диски.
щение и крутку; 4) окончательную крутку кордных нитей; 5) получение кордной ткани.
При производстве технических нитей, применяемых главным образом в промышленности РТИ, технологический процесс включает только две первые операции.
Вытяжку технической нити осуществляют на крутильно-вытяжных машинах тяжелого типа (SZ-3, SW-7, SZ-16 фирмы «Бармаг», НДТ-2 и НДТ-3 фирмы «Добсон Барлоу», КВ2-250-Л и др.), имеющих обычно 80—100 рабочих мест с расстоянием между ними 200—250 мм. Бобины с невытянутой нитью устанавливают в несколько рядов наверху машины (в шпулярнике) *. Каждая нить, пройдя систему питающих вытяжных дисков и нагревательных элементов, поступает на индивидуальное
приемное место.
Применяют две схемы вытяжки полиэфирных нитей, представленные на рис. 17.24. В обоих случаях кратность вытяжки, лежащая в пределах 4,5—5,5, определяется отношением питающего и вытяжного дисков. По первому варианту (рис. 17.24, а) прогрев нити осуществляют на металлических роликах диаметром 30—40 мм. Для постепенного прогрева нитей устанавливают различную температуру роликов: 100—140 °C— для нижнего (первого по ходу нити) и 150—180 °C —для верхнего. Такая конструкция нагревательного элемента имеет существенный недостаток: из-за малой поверхности теплообмена нить прогревается недостаточно и поэтому проходит по цилиндрической поверхности под большим натяжением, образует два резких изгиба, что отрицательно сказывает-
Рис. 17.25. Схема совмещенного процесса вытягивания и термообработки технической нити лав
сан:
/ — паковка с невытянутой нитью; 2—прижимные направляющие ролики; 3— питающий диск; 4 — нагреватель зоны вытягивания; 5 —вытяжной диск; 6 — нагреватель зоны термообработки; 7—диск зоны термообработки; S—приемный механизм.
ся на проходимости нити (повышается ее обрывность). Большая часть производственных машин для вытяжки полиэфирных нитей оборудована нагревательными устройствами (утюжками), выполненными в виде металлической пластины малой кривизны (рис. 17.24,6). При вытяжке технических нитей длина утюжка составляет 400—500 мм, ширина — около 30 мм. Температура по всей поверхности пластины поддерживается одинаковой (150— 180°С)±3°С. Часто в качестве дополнительного обогревающего устройства используют верхний питающий диск, нагреваемый обычно до температуры 70—100 °C. В этом случае ориентацион- ная вытяжка нити частично (до 60—80%) происходит на обогреваемом диске, а дополнительная вытяжка и термофиксация ' (снижение у усадки) на утюжке Между верхней вытяжной галетой и нагревательным устройством рекомендуется устанавливать керамическую палочку диаметром 8—10 мм, которая фиксирует точное положение точки вытяжки и тем самым способствует повышению равномерности свойств готовой нити. Для получения малоусадочных (с усадкой 3—6% при 150 °C на воздухе) технических нитей применяют специальную схему, по которой предусмотрено совмещение процессов вытяжки и термообработки на одном рабочем месте (рис. 17.25). При прохождении нитей по обеим сторонам элемента 6, температура поверхности которого составляет 200—220 °C, не требуются дополнительные трудоемкие и малопроизводительные операции термообработки крученых нитей (например, на машинах типа «Кидда») или тканей. В зоне термообработки
нити устанавливается заданная релаксация (так называемая отрицательная вытяжка волокна) за счет разности диаметров дисков 5 и 7. Обогрев описйнных выше элементов вытяжной машины проводится с помощью жидких теплоносителей или электронагревателей.
Линейная скорость вытягивания технической нити составляет 150—500 м/мин при частоте вращения приемного веретена 5000—8000 об/мин. Нить, принимаемая на вертикальный цилиндрический патрон (копе), имеет крутку 20— 40 витков/м; масса выходной паковки составляет от 2 до 6 кг. На намоточновытяжных машинах (например, фирмы
Рис. 17.26. Намоточно-вытяжная машина фирмы «Бармаг»:
z-z-/7-прижимные направляющие ролики; 2 —питающий диск; 5'—натяжное устройство для регулирования постоянства линейной скорости намотки; 4—нагревательный элемент Утюг); 5—вытяжной диск; 6— приемный механизм.
z-
z-
«Бармаг», ФРГ) нить принимают не на металлический или пластмассовый копе, устанавливаемый на веретено, а на горизонтальный картонный патрон, вращающийся с помощью индивидуального привода (рис. 17.26). Получаемая таким образом нить имеет нулевую крутку, масса выходной паковки со строго цилиндрической раскладкой волокна составляет до 12 кг. Паковка технической нити, вырабатываемая на крутильно-вытяжной, либо на намоточно-вытяжной машине, может являться товарной и непосред-. ственно направляться потребителю — в текстильную и резино-техническую промышленность. Нередко после крутильно-вытяжных машин нить перематывают со скоростью 400—1000 м/мин на машинах типа ПКВ-2 на конические шпули; масса готовой паковки достигает 2—3 кг, а на машинах типа БП-400-ТВ ■— до 6 кг. Большой практический интерес представляет технологическая и аппаратурная схема, предложенная фирмой «Удэ-Хёхст» (ФРГ) для производства высокопрочной малоусадочной полиэфирной нити с повышенной адгезией к резине (рис. 17.27). Для повышения молекулярной массы ПЭТ применяется качающаяся (типа «пьяной» бочки) сушилка 2, работающая под глубоким вакуумом. Операции вытягивания, термообработки, адгезионной отделки и намотки нити проводят на горизонтальном агрегате Г=16, в котором одно-
Рис. 17.27. Схема получения высокопрочной малоусадочной полнэфириой нити с повышенной адгезией к резине:
1 — бункер сырого гранулята; 2—качающаяся сушилка; 3—вакуумная система; 4—бункер суточного хранения сухого гранулята; 5—экструдер; 6—формовочные головки; 7— приемно* намоточная часть прядильной машины; 8 —тележка с иевытянутой нитью; 9— шпулярник; 10—направляющая гребенка; 11 — вытяжные станы; 12—термокамеры для вытягивания во* локиа; 13—установка для термообработки; /4—устройство для нанесения отделочного препарата; 15 — устройство для разделения готовых нитей; 16 — приемно-мотальные головки.
временно проходят 200—250 нитей. Скорость приема 150— 200 м/мин. В качестве нагревательных служат камеры 12 длиной 4—8 м, куда принудительно подается горячий воздух с температурой 180—240 °C. Приемный механизм крестовой мотки обеспечивает получение товарной паковки массой 6—10 кг, не требующей дальнейшей перемотки.
Для изготовления полиэфирного шинного корда нить после вытягивания подвергают предварительному ’ трощению и крутке, окончательному кручению (до 350—400 м/мин) со скоростью 10—15 м/мин и ткачеству. Параметры ткачества и типы полиэфирной кордной ткани во многом аналогичны ранее описанным кордным полиамидным тканям. Для шинной промышленности наиболее пригодна ткань марки ЗОЛ на основе кордной нити структуры 111/2/2 текс; для ткани 12Л используют нить структур 111/1/2 текс.
Производство текстильных нитей z
Текстильные нити лавсан средней прочности выпускают в широком диапазоне линейных плотностей: от 3,0 до 28 текс.
Технологический процесс производства текстильных нитей лавсан складывается из следующих операций (рис. 17.28): 1) ориентационной вытяжки свежесформованной нити; 2) окончательной крутки; 3) термофиксации; 4) перемотки. Нередко между операциями вытягивания и окончательной крутки нить с копсов подвергают перегонке на двуфланцевые катушки.
Ориентационная вытяжка. Технологическая и конструктивная системы ориентационной вытяжки полиэфирных текстильных нитей принципиально не отличаются от рассмотренной выше схемы процесса вытяжки технических нитей (см. рис. 17.24 и 17.26). Для этой операции используют крутильно-вытяжные и намоточно-вытяжные машины легкого типа (КВ2-150-ЛШ, МДТ-3, МДТ-6, SZ-1 и т. д.) на 140—200 рабочих мест с расстоянием (шагом) между ними 130—150 мм. Температуру нагревательных элементов выбирают в зависимости от заданной линейной плотности нити и скоростного режима машины. Обычно на верхнем (питающем) диске поддерживают температуру 60—80 °C, а на нагревательных пластине (утюге) или паре роликов (последние применяются реже) — от 100 до 160 °C. Длина утюга не превышает 300 мм. Кратность вытяжки зависит от исходной предориентации невытянутой нити, которая тем больше, чем выше скорость формования. Поэтому с повышением скорости формования кратность вытяжки полиэфирной нити снижается. Обычно кратность вытяжки текстильной нити лавсан средней прочности лежит в пределах от 1 :3,2 до 1 :4,2. Линейная скорость приема нити на копе в зависимости от ассортимента нити и конструкции машины составляет 600— 1400 м/мин при частоте вращения веретена 8000—15 000 об/мин. При этом нить получает крутку 10—20 витков/м. Масса выходной паковки — от 1 до 3 кг. Полиэфирная текстильная нить при вытя-
я я
Б
»Я Ф Я
я
ч X
X
X X я
X X
5 м я я*3
и
3
2 я л
8 S я
»я о я л ч X
ж Ф
»я о я а я
S
к ч ч
ч <и 5 я
X X
•& “
§ ?
ч « О ч
К( X О о га
S ”
S. 3
В я
Ь 3s ш X ^
3
$ я
м § «
За
у 3 35 н X Ч и ЕС о 2 о р.
X X о с к х
s s 2 к л
ад Т а “ ч
§ 5 S й й Я 8 = 3 - 6
ж со ж и <и ВТ Я
о ч о я х ф
00
<м
S
а ° 5 S 8 s
3
я ? 82
ч з
Е о ф а и и
3 я =
S и О-
х х
Q s
“ | х
is х р “
гивании, как и техническая нить, принимается на горизонтальный цилиндрический патрон с индивидуальным электроприводом (см. рис. 17.26). В этом случае нить не получает крутки, а масса паковки с волокном увеличивается до 4—5 кг.
Вытянутая нить лавсан с малой или нулевой круткой пригодна для переработки в объемную пряжу (методом термомеханического текстурирования) и для производства некоторых видов трикотажных изделий. В некоторых случаях, например для нитей гардинно-тюлевого ассортимента, дополнительная крутка может быть заменена на пневмоперепутывание элементарных нитей турбулентными потоками воздуха, которое проводится с помощью специальных пневмосоединяющих устройств (ПСУ), монтируемых на крутильно-вытяжных машинах между нижним вытяжным диском и приемным веретеном (над верхней точкой баллона). Необходимый эффект — 20—60 пневмоперепутываний («узлов») на 1 м — достигается подачей в ПСУ предварительно очищенного сжатого воздуха давлением 0,2—0,3 МПа. Такие нити, эквивалентные по перерабатывающей способности нитям с круткой 200 вит- ков/м, после крутильно-вытяжной машины, минуя перегонку, крутку, термофиксацию и перемотку, поступают непосредственно на сновку и отправляются на сновальных валиках с массой 10— 15 кг потребителю (в частности, нить лавсан линейной плотностью 7 текс — в гардинно-тюлевую промышленность). Однако для основной массы нитей, предназначенной для использования в текстильной промышленности, требуется высокая крутка (100— 300 витков/м).
Дополнительная крутка. Перед стадией дополнительной (окончательной) крутки, нить с копсов перематывают при скорости 600—1000 м/мин на специальных перегонных машинах (например, типа «Ратти», Италия) на двухфланцевые катушки, с массой волокна на последних 1,5—2,0 кг. При использовании отечественных крутильно-этажных машин марки КЭ-200-И или тростильно-крутильных машин марки ТК-250-И окончательная крутка нити может проводиться непосредственно после вытяжной машины с коп- Сов (см. рис. 17.28). Однако при таком способе (использование в качестве входной паковки копсов, а не двухфланцевых катушек) увеличиваются габариты крутильно-этажных машин и снижается их производительность, особенно при повышенных крутках (выше 200 витков/м). Производительность крутильно-этажных машин неодинакова. Обычно она тем выше, чем больше линейная плотность нити и ниже величина заданной крутки. Скорость приема нити на этих машинах колеблется от 60 до 150 м/мин. Нить принимает на эластичные металлические (чаще с перфорированной поверхностью), резиновые или бумажные патроны, рассчитанные на прием до 2 кг нити.
Термофиксация полиэфирной текстильной нити осуществляется после операции окончательной крутки. Назначение термофиксации— снятие механических напряжений, возникающих при деформировании нити в процессе крутки; снижение температурной усадки
в процессе дальнейших тепловых обработок тканей или изделий; закрепление формы крученой нити, которое положительно сказывается на способности нитей к текстильной переработке и внешнем виде готовых изделий. Термофиксацию текстильной нити лавсан проводят чаще всего в запарных котлах при 100—130°С в течение 20—40 мин. В один котел на специальных тележках II (см. рис. 17.28) помещают 400—500 бобин с нитью; котел плотно закрывают и по автоматически установленной программе регулируют подачу острого пара. В процессе термофиксации нить необратимо усаживается на 5—7%. Если стенки бобины будут жесткие, усадка по толщине намотки нити будет неравномерна: верхние слои будут усаживаться сильнее, чем нижние. Это приведет к перепутыванию («врезанию») нитей по слоям намотки (а в дальнейшем— к повышенной обрывности при перемотке) и заметной неравномерности текстильных и механических свойств. Поэтому целесообразно применять эластичные бобины. С этой точки зрения эффективными оказались бобины с двойными бумажными стенками. При массе нитей на паковке от 1 до 2 кг при использовании таких бобин удается достичь как низкой величины усадки в кипящей воде (1,0—1,5%), так и высокой равномерности показателей готовых нитей. Другим преимуществом использования бумажных бобин является и то, что сразу после термофиксации получают товарную паковку с достаточно плотной и устойчивой намоткой, не требующей дополнительной перемотки волокна на конические шпули.
Перемотка. На конические картонные и пластмассовые шпули с устойчивой крестовой намоткой перематывают либо нетермофиксированные нити, либо термофиксированные нити с бобин с жесткими металлическими стенками или со съемным эластичным (например, резиновым) верхним каркасом.
На этих бобинах форма намотки неустойчивая. Кроме того, они вмещают всего от 0,3 до 0,8 кг волокна, поэтому такие паковки не могут быть товарными и нить требуется перемотать.
Перемоточные машины типа Поликон, Конрапид, Лиссон и т. п., которые используют в производстве полиэфирной текстильной нити в СССР и за рубежом, работают при скоростях 400— 1000 м/мин; масса нити на паковке —от 1 до 5 кг.
Для устранения электризации нити лавсан и обеспечения хорошего сматывания ее со шпуль на перерабатывающих предприятиях на нить в процессе перемотки наносят замасливатель типа НО-2 в количестве 2—3% от массы волокна. (
Получение текстурированных нитей -1
Текстурированием называется технологический процесс полу] чения объемной текстильной нити путем придания элементарным нитям устойчивой извитой формы. Из общего объема производ! ства полиэфирных нитей около 70% падает на выпуск ее в текстурированном виде. Поэтому на изучение этой технологии следует обратить серьезное внимание.
Рис. 17.29. Машина ГК-4С фирмы «Бармаг» для производства полиэфирной текстурированной нити.
/и 9 — исходные паковки с вытянутой нитью соответственно на цилиндрических бобинах и на копсах; 2 —первая нагревательная камера; 3, 5 и 8 — питающие ролики; 4—механизм «ложной крутки» (вьюрок); 6 — вторая нагревательная камера для термофиксации текстурнроваиной нити; 7— паковка готовой текстурированной нити»
Из известных методов придания объемности для полиэфирных нитей наибольшее применение получил метод ложной крутки (получение нитей кримплен, малану Этот метод относится к методам термомеханического текстурирования, в результате которого нить приобретает высокую и устойчивую извитость. Принципиальная схема машины для текстурирования нити лавсан методом ложной крутки показана на рис. 17.29. Вытянутая нить (обычно линейной плотностью 5—34 текс) с копсов или бобин через направляющие устройства поступает в первую рабочую зону, где ей придается крутка (2000—5000 витков/м) с одновременной термофиксацией. Затем нить в конечной зоне нагревательного элемента и на выходе из него раскручивается в обратную сторону с помощью вьюрка, вращающегося со скоростью 300 000—800 000 об/мин. Полученная таким образом извитая (объемная) нить наматывается со скоростью 80—200 м/мин на цилиндрический патрон. Масса паковки волокна составляет от 0,5 до 2,0 кг. Для получения малорастяжимой (типа кримплен, мэлан) и равномерно окрашенной нити ее подвергают термостабилизации. Эту операцию проводят непрерывно на машинах для текстурирования (типа Суперсет,
Рис. 17.30. Технологическая схема машины FTF-70 фирмы «ARCT» (Франция) для совмещенного процесса вытягивания, текстурирования и термостабнлизацнн полиэфирной нити:Рис. 17.30. Технологическая схема машины FTF-70 фирмы «ARCT» (Франция) для совмещенного процесса вытягивания, текстурирования и термостабнлизацнн полиэфирной нити:1 шпулярник с предориеитированиой нитью; 2, 7 и 10—питающие и вытяжные ролики; 3—направляющая трубка; 4—первый нагреватель; 5—зона охлаждения нити; 6—агрегат для ложной крутки; 8 — второй нагреватель; 9 — паковка с готовой нитью.
Рис. 17.30. Технологическая схема машины FTF-70 фирмы «ARCT» (Франция) для совмещенного процесса вытягивания, текстурирования и термостабнлизацнн полиэфирной нити:
Рис. 17.30. Технологическая схема машины FTF-70 фирмы «ARCT» (Франция) для совмещенного процесса вытягивания, текстурирования и термостабнлизацнн полиэфирной нити:
ТК-500-Р2, FK-4C и др.), где установлено дополнительное нагревательное устройство 6, или в термофиксационных котлах периодического действия. Затем текстурированная нить направляется на трощение и крутку (60—80 витков/м) и перемотку на товарные паковки.
В связи с широким использованием полиэфирных текстурированных нитей в настоящее время развиваются новые прогрессивные методы производства таких нитей. По одному из них, разработанному рядом западных фирм («ARCT», «Бармаг», «Скрэгг» и др.) на одной машине совмещены три важнейшие операции: ориентационное вытягивание, текстурирование и термостабилизация нити (рис. 17.30). Исход
ную нить с повышенной пред- ориентацией получают на машине высокоскоростного формования, изображенной на рис. 17.19. Со шпулярника 1 (рис. 17.30) нить через питающий ролик 2, направляющую трубку 3, нагреватель 4 длиной от 1 до 3 м, обогреваемый до 180—200 °C электрически или с помощью ВОТ (последний
Рис. 17.31. Фрикционные агрегаты для проведения ложной крутки.
Рис. 17.32. Автоклав для крашения полиэфирных нитей под давлением.
вариант предпочтительнее ввиду возможности поддержания отклонения температуры ±1°С), поступает в механизм ложного кручения 6 вьюркового или фрикционного типа. Современные высокопроизводительные машины типа FK-6-900-HF (фирмы «Бармаг»), SDS-8 (фирмы «Скрэгг»), FTF-70 (фирмы «АИСТ»), SZ-48 (фирмы «Хаберляйн» и др.) большей частью укомплектованы механизмами фрикционного типа (рис. 17.31), обеспечивающими скорость кручения до 4—5 млн. об/мин при линейной скорости приема нити
700—900 м/мин.700—900 м/мин.зано на рис. 17.31, фрикционный агрегат состоит из
700—900 м/мин.
700—900 м/мин.
Как пока- трех вту-Как пока- трех вту-лок с регулируемым межосевым расстоянием, на которых закреплены керамические диски со специально разрабатываемыми составом материала, формой и шероховатостью поверхности. Ориентационное вытягивание нити происходит в зоне нагревателя 4 за счет разности частоты вращения роликов 2 и 7 и таким образом совмещено с процессом ложного кручения (так называемый способ «симультан-процесс»). Термостабилизация нити (в случае получения малорастяжимого материала) осуществляется на втором нагревателе 8 длиной 1—1,5 м при'200—220 °C. Частота вращения роликов 7 и 10 устанавливается таким образом, чтобы достигнуть необходимую усадку («нагон») нити, обычно равную 10—12%, обеспечивающую заданную степень и устойчивость извитости. Готовая текстурированная нить принимается на бумажные или пластмассовые патроны 9 (см. рис. 17.30); плотность намотки составляет 0,8—1 г/см3, масса паковки 3—5 кг. Если по технологической схеме предусмотрено крашение нити, то она принимается на эластичные, чаще пружинные патроны. При этом плотность намотки и масса паковки становятся примерно в два раза меньше, чем для указанных выше суровых текстурированных нитей. На рассмотренных типах машин при желании можно провести трощение нескольких нитей в одну путем соединения нитей на шпуляр- нике 1 (см. рис. 17.30) или после ролика 10. Но при этом трощеная нить остается нескрученной. Для трощения и крутки (обычно до 100 витков/м) полиэфирных текстурированных нитей наиболее целесообразно применять машины двойного кручения типа ДЛ39 (фирмы «Бармаг»), а для их перемотки — отечественные машины марки БП-340-0, работающие на скорости 400—600 м/мин при массе паковки 2—3 кг.
Как пока- трех вту-
Как пока- трех вту-
Рис. 17.33. Процесс высокотемпера-4 турного крашения полиэфирной те-| кстурированной иити: j
1—стадия заполнения раствором красителя; 2—крашение; 3—слив раствора при высокой температуре; 4—восстановление;
5 — промывка; 6 — отделка (обработка препарацией);
— X - X—ускоренное крашение с повышенной начальной температурой; ~О~О~ускоренное крашение; нормальное крашение.
Поскольку до настоящего времени основная часть полиэфирных текстурированных нитей перерабатывается в трико-- тажной промышленности , эти нити должны быть окрашен-
ними. Рассмотренные выше методы крашения полиэфирных нитей в массе для этих целей оказываются неприемлемыми по технико-экономическим причинам. Для крашения полиэфирных гладких и, особенно, текстурированных нитей предпочтительным является поверхностный способ крашения дисперсными красителями. Крашение полиэфирных нитей по данному способу производят в специальных автоклавах (рис. 17.32), куда одновременно загружается 400—600 паковок («муфов») на эластичных патронах, устанавливаемых пакетами на металлические перфорированные стержни. Процесс идет при 120—140 °C и давлении 0,15—0,2 МПа в течение 2,5—3 ч. Для сокращения цикла крашения и повышения глубины окраски в красильную ванну добавляют переносчики («кар- риэры») — вещества, вызывающие набухание ПЭТ. Однако большая часть переносчиков, например галоидзамещенные ароматические соединения, являются токсичными продуктами, что осложняет очистку сточных вод, поэтому от их использования, ПО-ВОЗМОЖНОСТИ, нужно отказаться. Лучшим решением является разработанный фирмой «Удэ-Хёхст» (ФРГ) ускоренный режим крашения (рис. 17.33), при котором за счет предварительного подогрева красильной ванны до 80—120°C удается провести полный цикл крашения примерно за 1 ч.
Получение бикомпонентных нитей
Бикомпонентными называются нити, в которых каждая элементарная нить состоит из двух или более полимеров, чаще всего близких по химическому строению. Такие нити удается получить при использовании фильерных комплектов специальной конструкции (рис. 17.34).
Полиэфирные бикомпонентные нити любой линейной плотности получают преимущественно из следующих пар компонентов: ПЭТ
Рис. 17.34. Расположение полимерных пар в поперечном сечении бикомпонентных нитей:
а—бок о бок; б—ядро—оболочка; а—эксцентричное.
различной молекулярной массы (например, 25 000 и 30 000); ПЭТ и сополиэфир, содержащий 8—10% этиленизофталатных звеньев. Формование и вытягивание бикомпонентных нитей проводят на том же оборудовании, что и при получении обычных текстильных полиэфирных нитей. Компоненты бикомпонентных нитей имеют различную склонность к температурной усадке, что при соответствующих условиях термообработки нити (пряжи или готового изделия) приводит к созданию высокой и устойчивой спиральной извитости. В зависимости от химического и количественного состава компонентов, а следовательно и от величины их относительной разноусадочности, можно регулировать размер и периодичностьиз- витка, степень растяжимости и устойчивость первоначальной формы материала. Важным преимуществом использования полиэфирных бикомпонентных нитей в производстве объемных трикотажных изделий является резкое сокращение таких сложных и дорогостоящих операций, как текстурирование, стабилизация, трощение, крутка и перемотка.
■17.4.9. Получение мононитей
Полиэфирную мононить диаметром 0,2—1,5 мм получают по технологической схеме, в которой совмещены в одной непрерывной линии (рис. 17.35) операции формования, ориентационной вытяжки, термообработки и намотки. Производительность одной
Рис. 17.35. Общий вид установки для получения моионитей лавсан:
1 — загрузочный бункер; 2—экструдер; 3—закалочная ванна; 4—нагревательные камеры* 5—вытяжные механизмы; 6— устройство для приемки мононитей.
линии в среднем составляет 200—300 т/год. Плавление гранулята ПЭТ осуществляется в экструдере с диаметром шнека от 30 до 60 мм и производительностью соответственно от 15 до 120 кг/ч. Фильеры имеют 5—20 отверстий, а диаметр их зависит от линейной плотности формуемой мононити и обычно равен 0,5—2,0 мм. С тем, чтобы избежать овальную форму в поперечном сечении мононити лавсан, особенно больших диаметров (более 0,8 мм), соотношение //d капилляра отверстия выбирается около 10. Выходящие из фильеры со скоростью 20—30 м/мин струйки расплава (жилки) охлаждаются в закалочной ванне, где поддерживается температура воды 50—70°C. Далее мононити вытягивают в две стадии при общей кратности 4,5—5,0 и температуре в пределах 140—200°C. При необходимости получения мононитей с отклонением по диаметру не выше ±0,01 мм одновременно с процессом ориентационной вытяжки осуществляют калибровку (волочение) мононити. Термообработка в зависимости от заданной величины усадки и уровня структурно-механических свойств мононитей проводится под натяжением (непрерывно, в псевдоожиженном слое инертной насадки при 220°C) или в свободном состоянии (при фиксации на эластичных бобинах или мотках горячим воздухом либо в паровом котле при 125°C в течение 30 мин). Скорость приема готовых мононитей на двухфланцевые катушки (масса паковки— до 1,5—2,0 кг) равна 80—130 м/мин.
17.4.10 Переработка отходов производства полиэфирных нитей и волокна
В производстве полиэфирных нитей и волокна образуются отходы как на стадии получения гранулята, так и при переработке его до готового волокна. При выпуске нитей и волокна I и II сортов образуется около 6—12% отходов: минимальное количество — при производстве волокна и максимальное — при производстве текстильной нити. Эти отходы условно можно разделить на две группы: волокнистые отходы, используемые в резаном виде без дополнительной химической обработки, и отходы, подлежащие регенерации до исходного сырья ДМТ или ТФК (иногда — до чистого ДГТ или олигомеров). К первой группе относятся кольцевые мотки волокна, образующиеся на прядильных дисках намоточной части машины; забракованные нити (волокно) на бобинах (в контейнерах); вытянутые нити в виде спутанных пучков, появившиеся при заправке вытяжных, крутильных и других машин; небольшие отрезки нитей (после срезания неполновесных и нестандартных паковок) и т. п. Невытянутые отходы подвергают вытягиванию различными способами, затем вместе с вытянутыми отходами режут на штапельки различной длины. Такое волокно (самых различных оттенков, цветов и внешнего вида) применяют для набивки матрасов, диванных подушек, в качестве прокладочного материала для зимней одежды, спальных мешков и палаток, 382
как термо- или хладоизоляционный материал в качестве среднего и нижнего слоя для напольных покрытий и т. п.
К отходам второй группы относятся нестандартный гранулят и слитки полимера, фильерная «рвань», спутанные невытянутые нити, и т. д. Нестандартный гранулят, обладающий достаточной чистотой и требуемой молекулярной массой, может быть переработан в смеси с другими термопластичными полимерами (полиамидами, полиолефинами и т. д.) в литьевые изделия: облицовочные плитки, канализационные и поливные трубы, посуду и т. д., а также в качестве вторичного гранулята — в синтетические лаки и другие полимерные покрытия. В некоторых случаях чистые отходы смолы, нитей и волокна загружают в аппарат переэтерификации, где наряду с основной реакцией протекает процесс расщепления отходов избыточным количеством этиленгликоля с образованием мономера — ДГТ. В дальнейшем процесс получения полимера не отличается от обычного. Введение чистых отходов в количестве не более 5% от массы ДМТ не сказывается на качестве получаемых нитей и волокна. При получении окрашенных в массе нитей и волокна доля таких отходов может быть увеличена до 10%. Основная часть отходов второй группы подвергается химическому расщеплению до выделения чистого мономера (ДГТ) или исходного сырья (ДМТ).
Регенерацию ДГТ осуществляют путем расщепления полимера и волокна из ПЭТ этиленгликолем (реакция гликолиза). Процесс идет при кипячении (около 200°C) отходов в трехкратном (по отношению к твердому продукту) количестве этиленгликоля в течение 3—5 ч в присутствии катализаторов, например карбонатов двухвалентных металлов. ДГТ выделяют путем отгонки избыточного этиленгликоля или добавлением в раствор холодной воды. Расплав ДГТ-и олигомеров отфильтровывают и направляют на поликонденсацию. Готовый продукт сохраняет желтоватый цвет. Поэтому из ДГТ и олигомеров, выделенных при гликолизе отходов, целесообразно получать ПЭТ и нити и волокно на его основе, окрашенные в массе в различные цвета. В СССР разработан метод скоростного гликолиза, при котором расплавленные отходы в виде тонких струек расщепляют этиленгликолем до ДГТ и олигомеров за 5—7 мин. Наиболее развитым в промышленном масштабе методом регенерации является расщепление отходов метанолом при повышенных температурах и давлении. Смесь из 1 ч. (масс.) отходов и 2—3 ч. (масс.) метанола нагревают при 180 °C и давлении 2,6—2,7 МПа в течение 3—6 ч. Образующийся ДМТ подвергают очистке путем перекристаллизации его из 10— 15-кратного количества метанола и дальнейшей дистилляции под вакуумом. После дистилляции горячий конденсат выливают тонким слоем на охлаждаемый барабан — кристаллизатор, с которого затвердевший продукт в виде белых чешуек снимают ножом. Показатели получаемого этим способом ДМТ почти не отличаются от показателей стандартного сырья.
СВОЙСТВА ПОЛИЭФИРНЫХ волокон
Внешний вид. Все рассмотренные выше виды полиэфирных волокон отличаются гладкой поверхностью и круглым поперечным сечением элементарных нитей. Техническую нить и мононить лавсан обычно выпускают блестящими или слабоматированными; текстильную нить — матированной или сильноматированной (до 2% ТЮ2 от массы ПЭТ), редко — окрашенной в массе в черный цвет; волокно и жгут —суровые и окрашенные, чаще всего в массе.
Идентификация. При кипячении волокна лавсан в течение 1 мин в концентрированной фосфорной кислоте оно незначительно усаживается, почти не меняет цвета и внешнего вида. Большинство Других натуральных и химических волокон в этих условиях растворяется или сморщивается и принимает темно-коричневую окраску.
Общие физические свойства. Ниже приводятся основные свойства полиэфирного волокна:
Плотность волокна, кг/м3 невытянутого 1340
вытянутого '1380—1400
Влагосодержание, % при 20 °C и относительной влажности воздуха 65% . 0,4—0,5
при 20 °C и относительной влажности воздуха 95% 0,5-0,7
Коэффициент двойного лучепреломления волокна невытянутого . , 0,003—0,008
вытянутого 0,18—0,22
Температура, °C стеклования 70—80
плавления 255—265
загорания, 560
воспламенения 720
нулевой прочности 248
образога ия липкости 230—240
Интервал раоочих температур, °Cот—70 до 175
Усадка волокна в кипящей воде, % нетермофиксированного 5—15
термофиксированного 1—4
Коэффициент объемного расширения до 60 °C 1,6-10~4
до 90 °C 3,7-10-4
Удельная теплота смачивания, кДж/кг невытянутого волокна 2,38
вытянутого волокна 1,18
Расчетная теплота сгорания, кДж/кг . ". 23,8
Кислородный индекс 20,0
Содержание олигомеров, % на поверхности волокна 0,05—0,1 .
в объеме волокна 0,5—1,0
Термо- и светостойкость. Полиэфирные волокна превосходят по термостойкости все широко доступные натуральные и химические волокна. При кратковременном нагреве до 180°С лавсан сохраняет примерно половину исходной прочности, которая практически полностью восстанавливается при охлаждении до 20 °C. При на-
гревании на воздухе до 150 °C в течение 500 и 1000 ч прочность сохраняется соответственно на 30 и 20% (полиамидные и гидратцеллюлозные волокна в этих условиях полностью разрушаются). При температуре —40°C наблюдается увеличение прочности на 5— 10%, уменьшение удлинения на 30%, а при —100°С прочность возрастает приблизительно на 50, а удлинение снижается примерно на 35% (при этом волокно не становится хрупким).
Обработка лавсана сухим горячим воздухом при 200°C в течение 5 мин и при 220°C в течение 1 мин не оказывает заметного влияния на прочность. При выдерживании волокна в кипящей воде или в среде пара при 100°С скорость падения прочности составляет 0,12%/ч. При повышении температуры паровой обработки на каждые 10 °C скорость гидролитического разрушения ПЭТ увеличивается вдвое, достигая максимального значения при 220°С/
Полиэфирное волокно плавится вблизи огня, но загорается с трудом и гаснет после удаления источника огня; при контакте с искрой и электрической дугой волокно не обугливается. Ткани из обычного ПЭТ часто быстро гаснут, так как плавятся за счет выделяющегося при горении тепла. Однако возможна передача пламени стекающими каплями полиэфира и возникновение, вторичных очагов горения. Полиэфирное волокно сравнительно стойко к атмосферным воздействиям: после пребывания на солнце в течение 600 ч оно теряет прочность на 60% (полиамидные волокна в этих условиях разрушаются). При действии ультрафиолетовых лучей с длиной волны 3000—3200 А волокно подвергается фотохимической деструкции. Термо- и светостойкость волокон, содержащих матирующие и красящие пигменты, ниже тех же показателей блестящих волокон.
Химическая й биологическая стойкость. Полиэфирные волокна- частично растворяются, разрушаясь, в концентрированных серной (выше 83 %-ной концентрации) и азотной кислотах. Снижение прочности при действии горячих концентрированных органических кислот (уксусной, щавелевой, муравьиной и др.) в течение 100 ч не превышает 10—15%• Волокно лавсан полностью разрушается при кипячении в концентрированных растворах щелочей. Волокно характеризуется удовлетворительной стойкостью к щелочам умеренной концентрации (5—10%-ной) при комнатной температуре. Под действием содовых и аммиачных растворов в нормальных условиях свойства лавсана практически не изменяются.
Полиэфирные волокна отличаются высоким сопротивлением к окисляющим и восстанавливающим средствам. Падение прочности при обработке волокна лавсан такими реагентами, как гипохлорит натрия, пероксид водорода и т. и., в течение 10—200 ч при 50— 80°С не превышает 15%.
Крелозы и другие соединения фенольного типа при комнатной температуре вызывают набухание, а при 70— 110°С— растворение волокна. Широко распространенные органические растворители (ацетон, бензол, хлороформ, трихлорэтилен, четыреххлористый углерод, бензин и др.) при комнатной температуре оказывают
незначительное воздействие на полиэфирное волокно. Волокно лавсан не подвержено воздействию моли, плесени, коврового жучка и других микроорганизмов. Питательной средой для этих организмов могут служить только вещества, присутствующие на поверхности полимерного субстрата (замасливатели, антистатики и т. д.). На внешний вид и свойства волокна потовыделение не оказывает никакого влияния.
Механические свойства полиэфирных волокон и нитей можно характеризовать следующими основными показателями:
Прочность, Н/текс волокна
обычного . . . . ^ 300—400
высокопрочного хлопкового типа при удли
нении 25—30% Не менее 550
технической нити 650—800
текстильной нити. .350—450
мононити * -.300—500
Удлинение при разрыве **, % волокна.. . .40—60 ***
технической нити 8—15
текстильной нити 15—30
мононити 20—35
Относительная прочность, % в мокром состоянии 100
в петле 80
в узле 70
крученой корднойнити (400—450 витков/м) . .90
Начальный модуль упругости (при удлинении 1%), МПа волокна 25
технической нити .’ 100-1-140
Модуль деформации при растяжении, МПа волокна .. . 5000—6000
технической нити 14 000—16 000
текстильной нити 10 000
Модуль сдвига при крутке, МПа технической нити 1300—1500
* Чем меньше линейная плотность нити, тем выше прочность.* Чем меньше линейная плотность нити, тем выше прочность.ее относительнаяее относительнаятекстильной нити 800—1100
* Чем меньше линейная плотность нити, тем выше прочность.
* Чем меньше линейная плотность нити, тем выше прочность.
ее относительная
ее относительная
** Для всех указанных видов волокна минимальному удлинению соответствует максимальное значение прочности (и наоборот).
*** Минимальное значение —для волокна хлопкового типа, максимальное— для волокна шерстяного типа.
Степень эластичности при растяжении нити на 4% составляет 100%, а при растяжении на 10% —для текстильной и технических нитей равно соответственно 60 и 70%. Эластичность волокна лавсан близка к эластичности натуральной шерсти, а во влажном состоянии превосходит ее (мокрая ткань из полиэфирного волокна через 15 с после сминания возвращается в прежнее состояние на 85%, а шерстяная — только на 20%). Устойчивость полиэфирного волокна к истиранию ниже, чем у полиамидных волокон; сопротивление многократным изгибам (динамическая выносливость) ниже, чем у полиамидных, но в 2,5 раза выше, чем у гидратцеллюлозных 386
волокон; ударная прочность полиэфирного корда в 4 раза выше ударной прочности полиамидного волокна и в 20 раз выше того же показателя для вискозной кордной нити.
ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛИЭФИРНЫХ ВОЛОКОН
Основная масса полиэфирного волокна применяется в смеси С шерстью (55% лавсана и 45% шерсти), хлопком (соответственно 67% и 33%) и льном (50% и 50%). При использовании полиэфирного волокна в смесях повышается износоустойчивость и прочность, снижается сминаемость и усадочность смешанной ткани, сохраняется красивый внешний вид и форма готовых изделий при эксплуатации. Например, сорочки, изготовленные с применением лавсана, благодаря малой гигроскопичности последнего, легко стираются, быстро высыхают и не требуют глажения. Изделия из лавсана легко плиссируются, и складки не расходятся при стирке и носке. Из полиэфирного волокна в смеси с другими натуральными и химическими (чаще вискозными или полинозными) волокнами вырабатывают костюмные, пальтовые, плащевые, сорочечные, плательные, галстучные и другие ткани. Волокно большой линейной плотности используют для производства искусственного меха и ковров.
Полиэфирное волокно применяется для получения войлока (фетра), который не подвержен дальнейшему свойлачиванию и по термомеханическим характеристикам превосходит войлок из натуральной шерсти. В чистом виде волокно лавсан чаще применяют для технических целей (для изготовления парусов, брезента, фильтровальных, тепло- и электроизоляционных материалов, технических тканей, защитной одежды и т. п.).
Технические высокопрочные, малоусадочные и с повышенной адгезией к резине нити (линейной плотности 28—222 текс) идут на изготовление транспортных лент, приводных ремней, бензо- , и нефтестойких шлангов, рукавов высокого давления, а также брезентов, канатов, парусов, рыболовных сетей, веревок и других технических изделий, в том числе лент для ремней безопасности.
В последнее время полиэфирная техническая ткань нашла широкое применение в производстве шинного корда. Полиэфирный корд имеет самую высокую стабильность формы и наименьшую' ползучесть при переменных температурах и механических нагрузках по сравнению с кордами других типов, вследствие чего снижается шум при езде, лучше держится воздух в камере, при стоянке на протекторе не появляются вмятины (проседание шины).
Полиэфирные текстильные нити линейной плотностью 3,0—28 текс широко используют для изготовления трикотажа, различных тканей (типа тафты, жоржета, крепа и т. д.), тюлей, в качестве швейных и медицинских нитей. Нить лавсан линейной плотностью 4—5 текс, окрашенная в массе, нашла применение для обмотки электрических проводов тонкого сечения.
Высокообъемная пряжа (типа кримплен, мэлан) с круглой и профилированной формой сечения нити нашла широкое примене-
ние при производстве плательных и костюмных тканей, мужских и дамских сорочек, детской одежды, чулочно-носочных и вязаных изделий.
Из мононитей лавсан вырабатывают сетки для бумагоделательных машин; щетки для хлопкоуборочных комбайнов и зерноочистительных машин; струны для роялей и других музакальных инструментов, для теннисных и бадминтоновых ракеток; фильтровальные сетки; хирургический шовный материал, застежки «молния» и т. д.
ПОЛИЭФИРНЫЕ ВОЛОКНА НА ОСНОВЕ ХИЩНИЧЕСКИ МОДИФИЦИРОВАННОГО ПОЛИЭТИЛЕНТЕРЕФТАЛАТА (СОПОЛИЭФИРНЫЕ ВОЛОКНА)
Недостатки полиэфирного волокна на основе ПЭТ — трудность крашения обычными методами; сильная электризуемость, низкая усадочность, склонность к пиллингу, недостаточная усталостная прочность, плохая гидрофильность, жесткость изделий — во многом устраняются при химической модификации полимера, достигаемой введением при синтезе ПЭТ одновременно с основным исходным сырьем других алифатических и ароматических дикарбоновых кислот или эфиров, оксикислот, разветвленных гликолей, соединений с амидной группой (полиамидоэфиры), замещенных аминов, соединений, содержащих свободную сульфо- или карбоксильную группы и т. п. Могут быть также использованы методы привитой сополимеризации на готовые нити или волокно. В зависимости от типа и количества вводимого сомономера возможно, не изменяя принципиального технологического и аппаратурного оформления процесса производства полиэфирного волокна, получить сополиэфирные волокна с ценным комплексом технологических и эксплуатационных свойств, применяемые как в чистом виде, так и смеси с другими химическими и натуральными волокнами. Свойства и области применения сополиэфирных волокон во многом аналогичны свойствам и применению полиэфирных волокон из чистого ПЭТ.
Практический интерес представляют продукты переработки модифицированного ПЭТ с добавками 4—10% диметилового эфира изофталевой кислоты (волокно лавсан-И в СССР, велана в ЧССР, викрон в США, тревира 350 в ФРГ); 2—4% калиевой соли диметилового эфира изофталевой кислоты (волокно дакрон-64 в США, тесил-31 в ЧССР); 2—8% диметилового эфира адипиновой кислоты; 5—10% метилового эфира n-оксиэтоксибензойной кислоты; 1—2% диметилового эфира 5-оксиизофталевой кислоты; 5— 10% диметилового эфира 2,6-нафталиндикарбоновой кислоты и др.
Сополиэфирное волокно, модифицированное добавкой 8% диметилизофталата, отличается повышенной усадкой (25—30% в кипящей воде), что делает его чрезвычайно ценным для получения высокообъемной пряжи в смеси с другими малоусадочными компонентами (шерстью, вискозным и полинозным волокнами). Во-
локно линейной плотностью 0,1 текс сополиэфира с добавкой 10% диметилизофталата имеет очень высокую усадку (50—70% на воздухе при 160°C) и используется для переработки в основу синтетической кожи для верха обуви. Накрашиваемость сополиэфирно- го волокна при введении 8% диметиладипината увеличивается на 20%. Выбираемость красителя при 100°C в процессе крашения с переносчиком и без него одинакова, а глубина окраски идентична тонам, получаемым при крашении обычного лавсана при высокой температуре и давлении. Ткани, полученные из смеси такого сопо- лиэфирного волокна с хлопком, имеют большую прочность при разрыве и истирании, меньше пиллингуются.
Волокно, содержащее в составе полимерной цепи 2—4% калиевой соли этиленсульфоизофталатных звеньев, отличается высоким сродством к основным красителям (глубина окраски при одинаковых условиях крашения примерно в два раза выше, чем у обычного лавсана), повышенной усадкой (40—50% в кипящей воде), пониженным пиллингом. В Советском Союзе в опытно-промышленном объеме разработан способ производства сополиэфир- ного волокна, где в качестве сомономера используется дешевый и доступный продукт — смесь, состоящая в среднем из 70% ДМТ, 20% диметилизофталата (ДМИ) и 10% диметилортофталата (ДМО), выделяемая из кубовых остатков колонн дистилляции ДМТ, которые обычно сжигают. Общее количество очищенной смеси ДМТ, ДМИ и ДМО, пригодной для переработки в волокно, составляет 1,5—2,0% общего объема производства ДМТ. Прочность и удлинение сополиэфирного волокна, содержащего суммарно 6— 10% ДМИ и ДМО, практически не отличаются от тех же показателей волокна из стандартного ПЭТ.
Наиболее перспективным направлением использования очищенных кубовых остатков является производство высокоусадочных нитей и волокон. Тепловая усадка (в кипящей воде) этих волокон может быть получена в широких пределах (от 20 до 70%), главным образом за счет регулирования состава исходных сомономеров в смеси и технологических режимов на стадии ориентационного вытягивания и термообработки. Величина усадки задается в зависимости от назначения сополиэфирных нитей и волокон. Так, например, для получения объемной пряжи она составляет 25—40%, для основы синтетической кожи 50—60%. Эти волокна успешно перерабатываются по хлопчатобумажной, аппаратной и камвольной системам в текстильной промышленности. Полиэфирные высокоусадочные волокна могут частично или полностью заменять шерсть в изделиях (синтетический войлок) без снижения их качества и даже улучшать некоторые характеристики, в частности объемность, теплоизоляционные свойства. Для повышения негорючести полиэфирных волокон, как и других полимерных материалов, вводят антипирены — замедлители горения, которые либо физически смешиваются с ПЭТ, либо химически взаимодействуют с последним. В качестве антипиренов для получения негорючих полиэфирных волокон и нитей нашли применение
галоген и фосфорсодержащие соединения, их смеси, композиции веществ на основе фосфора, галогенов с триоксидом сурьмы, а также с оксидами железа, мышьяка, олова, цинка, свинца, титана и меди. Механические свойства полиэфирных волокон с пониженной горючестью находятся на уровне немодифицированных волокон из обычного ПЭТ.
В процессе получения, текстильной переработки и эксплуатации полиэфирные нити, волокно и изделия из них электризуются, так как ПЭТ хороший диэлектрик. В настоящее время основным методом снятия статического электричества является нанесение волокна или нити антистатической препарации. При этом волокну придают только временные антистатические свойства, вследствие чего в процессе получения и эксплуатации изделий приходится несколько раз проводить обработку антистатиком. Поэтому необходима модификация ПЭТ с целью придания постоянного или хотя бы долговременного антистатического эффекта. Такой эффект может быть достигнут путем получения статических и привитых сополиэфиров и введение антистатика в массу полимера в виде аддитивной добавки. Для придания постоянного антистатического эффекта полиэфирным волокнам и нитям предлагают использовать производные полиалкиленоксида, фосфорной кислоты, соединения, содержащие солевые группы карбоновых, сульфоновых и аминокислот. Известны и другие методы, основанные на металлизации полиэфирных нитей и волокна или введении в готовый материал, например в ковры, металлической проволоки в количестве 0,1—0,3%. Однако перечисленные выше способы химической и физической модификации ПЭТ с целью придания изделиям из него постоянных или долговременных свойств находятся в стадии исследований или опытной проверки.
ДРУГИЕ ТИПЫ ПОЛИЭФИРНЫХ ВОЛОКОН
Кроме чистого или модифицированного ПЭТ для получения полиэфирных волокон могут быть использованы и полиэфиры другого химического строения. Несмотря на то, что промышленный выпуск последних крайне ограничен, приведем наиболее известные типы таких волокон.
Текстильные нити из полиэфира, синтезированного при поликонденсации метилового эфира w-оксиэтоксибензойной кислоты, производятся в промышленном масштабе в Японии под торговым наименованием «А-Телл».
Ниже приведена принципиальная схема синтеза полиэтиленоксибензоата из фенола:
со2>■со2>■—С ООН—С ООНн2с—сн»>н2с—сн»>
со2
>■
со2
>■
—С ООН
—С ООН
н2с—сн»
>
н2с—сн»
>
—► НОСН2СНаО—► НОСН2СНаО—соон—соонсн3онсн3он
—► НОСН2СНаО
—► НОСН2СНаО
—соон
—соон
сн3он
сн3он
НОСН2СН2—НОСН2СН2——> HOCH2CH2O—> HOCH2CH2O—СООСНз—СООСНзСООСНз СН2— )О/ п —1СООСНз СН2— )О/ п —1йолиКонДенсацйй-(п-1) СНзОНйолиКонДенсацйй-(п-1) СНзОН—СООСНз—СООСНз
НОСН2СН2—
НОСН2СН2—
—> HOCH2CH2O
—> HOCH2CH2O
—СООСНз
—СООСНз
СООСНз СН2— )О
/ п —1
СООСНз СН2— )О
/ п —1
йолиКонДенсацйй
-(п-1) СНзОН
йолиКонДенсацйй
-(п-1) СНзОН
—СООСНз
—СООСНз
Прочность (350—450 мН/текс) и удлинение при разрыве (15— 30%) полиоксибензоатного волокна в сухом и мокром состоянии одинаковы, упругое восстановление при растяжении на 3% составляет 95—100%. По сравнению с волокном из ПЭТ оно имеет более высокую устойчивость к истиранию, стойкость к действию щелочей, накрашиваемость и более низкие температуры размягчения и плавления (соответственно 185 и 225 °C) и модуль упругости. По внешнему виду (грифу) это волокно напоминает натуральный шелк. Применяется для изготовления трикотажных тканей, вязаных изделий и т. д.
Из продуктов переработки лигнина — ванилина (I), протокате- ховой кислоты (II) и щавелевой кислоты (III) получают соответственно три типа волокнообразующих полиэфиров:
НО—/ Ч—СООН + ВгСН2СН2ВгНО—/ Ч—СООН + ВгСН2СН2ВгNaOHNaOH—NaBr + Н2О—NaBr + Н2ОНзСО'4 \—ОСН2СН2О-НзСО'4 \—ОСН2СН2О-+ НОСН2СН2ОН поликонденсация+ НОСН2СН2ОН поликонденсация(I)(I)
НО—/ Ч—СООН + ВгСН2СН2Вг
НО—/ Ч—СООН + ВгСН2СН2Вг
NaOH
NaOH
—NaBr + Н2О
—NaBr + Н2О
НзСО'
4 \—ОСН2СН2О-
НзСО'
4 \—ОСН2СН2О-
+ НОСН2СН2ОН поликонденсация
+ НОСН2СН2ОН поликонденсация
(I)
(I)
—СН,СН2ООС—/~Ч—ОСН2СН2О—COO—\-СН2СН2ОН
ноосноос'ОСНз он+ Н2ССН—СН2С1'ОСНз он+ Н2ССН—СН2С1ононооNaOHNaOHNaCl + Н2ОNaCl + Н2Опп
ноос
ноос
'ОСНз он
+ Н2ССН—СН2С1
'ОСНз он
+ Н2ССН—СН2С1
он
он
о
о
NaOH
NaOH
NaCl + Н2О
NaCl + Н2О
п
п
с—ОСН2СН2—7—
Полиэфир (I) на основе ванилина имеет низкую температуру размягчения (80—85°C), что практически исключает его переработку в волокно и нити. Волокно из полиэфира (II) на основе протокатеховой кислоты имеет прочность 400 мН/текс, удлинение при разрыве 40%, температуры размягчения и плавления соответственно 145 и 215°C. Отличительное преимущество бензодиоксанового волокна — самая низкая себестоимость среди всех полиэфирных волокон.
Полиэтиленоксалатные волокна из полиэфира (III) имеют температуру плавления около 170°C и обладают высокой горючестью; легко гидролизуются.
Волокна из продуктов поликонденсации терефталевой кислоты (или ее диметилового эфира) и гексагидрокси- лиленгликоля выпускаются в промышленном масштабе в США (волокно кобель) и ФРГ (волокно вестам). Эти волокна отличаются (от волокон на основе ПЭТ) высокой температурой плавления (290—295°C), пониженной пиллингуемостью, повышенной накрашиваемостью дисперсными красителями и азокрасителями, большей стойкостью к тепловому старению. Плотность этих волокон ниже, чем у лавсана (1220 кг/м3). Ткани из этого волокна можно гладить при температурах до 205—215 °C; потеря прочности пряжи за 1000 ч при 160°C составляет 50%, прочность при 260 °C, тогда волокно из ПЭТ плавится, равна 4,5 мН/текс. Выпускается большей частью в виде волокна для переработки по хлопчатобумажной системе.
Поликарбонатные волокна, выпускаемые в полупромышленном масштабе рядом фирм США, Японии и ФРГ, получают из расплавов или растворов полимера общего строения
и молекулярной массы 30 000—50 000. Поликарбонатные волокна, сформованные из растворов (чаще всего в метиленхлориде или диоксане) по сухому или мокрому способу, по многим показателям (особенно механическим) уступают волокнам, сформованным из расплавов. Например поликарбонатная нить лексел (США), сформованная из расплава, имеет прочность 400 мН/текс, удлинение 36%, температуру плавления 240 °C и характеризуется высокой устойчивостью к ударным нагрузкам, к истиранию и у-излучению, высокой эластичностью и низкой диэлектрической проницаемостью, что позволяет широко использовать его в электротехнике и других специальных областях.
ПОЛИАКРИЛОНИТРИЛЬНЫЕ ВОЛОКНА
Полиакрилонитрильные волокна на основе полимеров и сополимеров акрилонитрила являются наиболее распространенными среди всех карбоцепных волокон. В общем объеме выпуска синтетических волокон полиакрилонитрильные волокна занимают третье место после полиамидных и полиэфирных; их доля в мировом выпуске синтетических волокон составляет около 20%.
В большинстве случаев нити и волокна получают из сополимеров акрилонитрила, так как нити и волокна из чистого полиакрилонитрила отличаются большой хрупкостью и плохо окрашиваются. При введении в макромолекулу полиакрилонитрила других мономерных звеньев (метилакрилата, метилметакрилата, винилацетата, винилпиридина, стирол- или металлилсульфоната; итаконовой кислоты и т. д.) значительно улучшаются свойства получаемых из сополимеров волокон.
Волокна на основе сополимеров акрилонитрила можно подразделить на две группы: 1) полиакрилонитрильные волокна, получаемые из сополимеров, содержащих не менее 85% акрилонитрила; 2) модакриловые волокна, получаемые из сополимеров, содержащих менее 85% (обычно 40—60%) акрилонитрила.
Полученные впервые в конце XIX века полимеры из акрилонитрила не плавились и не растворялись в обычных растворителях. Было сделано предположение о сетчатой структуре полимера, и вопрос об использовании его для получения волокон не возникал. Однако в 1942 г. в США и ФРГ был найден растворитель для полиакрилонитрила— диметилформамид. С этого времени начались интенсивные работы по получению полиакрилонитрильных волокон, и в 1949 г. была пущена опытная установка, а с 1950 г. начато промышленное их производство.
Ценные свойства акрилонитрильных'волокон на основе сополимеров акрилонитрила — прочность, эластичность, малая теплопроводность, высокая светостойкость наряду с дешевизной и доступностью сырья— обусловили быстрое развитие производства этих волокон.
Рост производства полиакрилонитрильных волокон виден из приводимых ниже данных: в 1955 г. мировой выпуск их составил 40 тыс. т, в 1960 г.— 129 тыс. т, в 1970 г. — 932 тыс. т, в 1978 г.— более 1800 тыс. с. Предполагается, что к 1980 г. выпуск полиакрилонитрильных волокон составит около 2000 тыс. т.
В настоящее время полиакрилонитрильные волокна выпускаются под различными названиями: нитрон (СССР); орлон, акрилан (США); куртель (Англия); дралон, долан (ФРГ); великрен (Италия); вольпрюла (ГДР); крилор (Франция); кашмилон, экслан, беслон (Япония).
ИСХОДНОЕ СЫРЬЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ПОЛИАКРИЛОНИТРИЛЬНЫХ волокон
Акрилонитрил
Одним из основных видов сырья для получения полиакрилонитрильных волокон является акрилонитрил. Существует несколько промышленных способов получения акрилонитрила из этилена или ацетилена и синильной кислоты, из полипропилена и аммиака.
Получение акрилонитрила. Синтез акрилонитрила из этилена проводится по следующей схеме:
Этилен окисляют до этиленоксида:
сн2—СН2 + О2 —> Н2С—сн2
Этиленоксид при взаимодействии с синильной кислотой в водной среде в присутствии катализаторов образует этиленциангидрин:
катализатор
Н2СCHa + HCN >- HOCH2CH2CN
При дегидратации этиленциангйдрина получается акрилонитрил:hoch2ch2cn ——> сн2=сн
—н2о।
CN
Очистка акрилонитрила проводится методом ректификации. Описанный способ получения акрилонитрила является наименее экономичным.
До последнего времени наиболее распространенным в промышленности был способ, основанный на взаимодействии ацетилена с синильной кислотой в жидкой среде в присутствии катализаторов:
катализатор
СН=СН + HCN >- сн2=сн
. CN
Процесс протекает непрерывно и более экономичен, чем предыдущий. Однако в акрилонитриле, полученном этим способом, содержится много побочных продуктов, очистка от которых связана с дополнительными расходами.
Наиболее широкое распространение получил способ синтеза акрилонитрила из пропилена и аммиака. Этот способ вытесняет все другие известные способы производства акрилонитрила.
Одностадийный синтез акрилонитрила, впервые осуществленный в 1960 г. в США, основан на каталитическом окислении пропилена и аммиака. Пропилен является относительно дешевым продуктом, который производится в большом количестве из газов нефтепереработки.
Реакция получения акрилонитрила уз пропилена и аммиака протекает по уравнению:
Н2С=СН + NH3 + 1,5О2 —> СН2=СН + ЗН2ОII
СНзCN
Синтез акрилонитрила проводится при 400—500°C в присутствии различных катализаторов, в состав которых входят оксиды металлов переменной валентности: молибдена, кобальта, никеля, вольфрама. Наибольшее распространение в промышленных условиях получили молибдаты висмута и висмутовая соль фосфорномолиб- деновой кислоты. Процесс может протекать в стационарном (неподвижном) и в подвижном (псевдоожиженном) слое катализатора.
В стационарном слое катализатора процесс ведут в реакторах трубчатого типа, в которых катализатор находится в трубах, а межтрубное пространство заполнено высокотемпературным теплоносителем— нитрит-нитратной смесью. Стационарный слой катализатора должен быть очень прочным и термостойким, способным проработать несколько тысяч часов без заметного пыления, чтобы предотвратить рост сопротивления потоку газа в трубках.
При синтезе акрилонитрила выделяется большое количество тепла. Поэтому, во избежание сильных перегревов, диаметр трубки реактора не должен превышать 32 мм; при использовании реактора трубчатого типа достичь большой мощности единичного аппарата не удается.
В реакторах с псевдоожиженным слоем катализатора этот недостаток устраняется. Выделяющееся в процессе синтеза тепло отводится за счет испарения воды в змеевиках, расположенных в зоне реакции. Основным недостатком реакторов этого типа является истирание катализатора и унос мелких частиц его потоком газа, что приводит к потере дорогостоящих молибденовых и висмутовых солей и ухудшению экономических показателей процесса.
При окислительном аммонолизе пропилена кроме основной реакции образования акрилонитрила протекают побочные реакции. Для уменьшения образования таких побочных продуктов, как акролеин, ацетальдегид и ацетон, затрудняющих очистку акрилонитрила, аммиак обычно подают в небольшом избытке.
Технологическая схема производства акрилонитрила включает следующие стадии процесса:
синтез акрилонитрила, нейтрализацию аммиака и выделение смеси продуктов реакции; выделение синильной кислоты и очистку акрилонитрила; выделение товарного акрилонитрила.
Схема первой стадии процесса представлена на рис. 18.1. Жидкий пропилен со склада принимается в емкость /, откуда самотеком поступает в сепаратор 2, из которого жидкая фаза пропилена направляется в трубчатый испаритель 3. Пары из испарителя 3 через сепаратор 2 поступают в смеситель 4 на составление смеси газов, подаваемой в реактор.
Рис. 18.1. Технологическая схема отделения синтеза акрилонитрила аммонолизом пропилена:Рис. 18.1. Технологическая схема отделения синтеза акрилонитрила аммонолизом пропилена:1 — емкость для пропилена; 2 и 7—сепараторы; 3—испаритель пропилена; 4—смеситель; 5—подогреватель реакционной смеси; 6—емкость для аммиака; 8— испаритель аммиака* 9 — пусковой подогреватель, 10—компрессор; 11— фильтр для воздуха; 12 — подогреватель воздуха; 13—реактор; 14—котел-утилизатор; 15— емкость для охлаждающего агента; 16—погружные насосы для циркуляции охлаждающего агента.1 — емкость для пропилена; 2 и 7—сепараторы; 3—испаритель пропилена; 4—смеситель; 5—подогреватель реакционной смеси; 6—емкость для аммиака; 8— испаритель аммиака* 9 — пусковой подогреватель, 10—компрессор; 11— фильтр для воздуха; 12 — подогреватель воздуха; 13—реактор; 14—котел-утилизатор; 15— емкость для охлаждающего агента; 16—погружные насосы для циркуляции охлаждающего агента.
Рис. 18.1. Технологическая схема отделения синтеза акрилонитрила аммонолизом пропилена:
Рис. 18.1. Технологическая схема отделения синтеза акрилонитрила аммонолизом пропилена:
1 — емкость для пропилена; 2 и 7—сепараторы; 3—испаритель пропилена; 4—смеситель; 5—подогреватель реакционной смеси; 6—емкость для аммиака; 8— испаритель аммиака* 9 — пусковой подогреватель, 10—компрессор; 11— фильтр для воздуха; 12 — подогреватель воздуха; 13—реактор; 14—котел-утилизатор; 15— емкость для охлаждающего агента; 16—погружные насосы для циркуляции охлаждающего агента.
1 — емкость для пропилена; 2 и 7—сепараторы; 3—испаритель пропилена; 4—смеситель; 5—подогреватель реакционной смеси; 6—емкость для аммиака; 8— испаритель аммиака* 9 — пусковой подогреватель, 10—компрессор; 11— фильтр для воздуха; 12 — подогреватель воздуха; 13—реактор; 14—котел-утилизатор; 15— емкость для охлаждающего агента; 16—погружные насосы для циркуляции охлаждающего агента.
Жидкий аммиак со склада принимается в емкость 6, откуда самотеком поступает через сепаратор 7 в трубчатый испаритель 8, откуда испарившийся аммиак направляется в смеситель 4.
Воздух, подаваемый компрессором 10, очищается от масла и влаги в фильтре //, смешивается в подогревателе 12 с паром и также поступает в смеситель 4. Смесь газов из смесителя 4 направляется в реактор 13, где при 450—470 °C и давлении 0,4 МПа протекает синтез акрилонитрила. Выходящие из реактора газы поступают в котел-утилизатор [14], где охлаждаются до 250°С. Далее реакционные газы подвергаются нейтрализации и охлаждению.
Свойства акрилонитрила. Акрилонитрил представляет собой бесцветную жидкость, кипящую при 78,5 °C и замерзающую при —83,5 °C. Он обладает слабым специфическим запахом, легко смешивается с большинством органических растворителей в любом соотношении. В воде акрилонитрил растворим ограниченно. Пары акрилонитрила легко воспламеняются и образуют с воздухом в широком диапазоне концентраций взрывоопасную смесь. Акрилонитрил является ядовитым веществом, вызывающим удушье, а при попадании на кожу — ожоги. Предельно допустимая концентрация акрилонитрила в воздухе производственных помещений— 0,5 мг/м3.
Технический акрилонитрил обычно стабилизируют добавлением небольшого количества аммиака, гидрохинона или других веществ для предотвращения самопроизвольной полимеризации, которая может легко происходить при нагревании (со взрывом).
Сомономеры
Подавляющее большинство полиакрилонитрильных волокон получают не из чистого полиакрилонитрила, а из сополимеров акрилонитрила с другими мономерами. Сополимеры бывают двойные и тройные. Свойства сомономеров во многом определяют физические и химические свойства готовых волокон.
Наиболее распространенными сомономерами являются: метилакрилат, винилацетат, итаконовая кислота, винилпиридин, металлилсульфонат, акриловая кислота.
Метилакрилат является одним из наиболее употребляемых мономеров; в промышленном масштабе его получают из акрилонитрила и метанола:
Н2С=-СН + СНзОН —► сн2=сн
CNОСОСНз
Метилакрилат — бесцветная, прозрачная жидкость с резким запахом. Темп. кип. —80,2 °C. Легко полимеризуется.
Винилацетат. В промышленности винилацетат получается при взаимодействии ацетилена с уксусной кислотой:
СН=СН + СНзСООН —> сн2=сн
ОСОСНз ’
Винилацетат представляет собой бесцветную жидкость с темп, кип. 72,3 °C.
Итаконовая кислота. Эту кислоту обычно получают нагреванием лимонной кислоты выше 175 °C.
сн2—соон-СН2СООН
сн2—соон
11
сон—соон ——> с—соон —
1"Н2° II
сн2—соонснсоон
лимоннаяаконитовая.
кислотакислота
с—соон II сн2 итаконовая кислота
Итаконовая кислота — белое кристаллическое вещество; темп. пл. ее 163 °C.
Металлилсульфонат. Металлилсульфонат может быть получен различными способами и, в частности, из изобутилена или его галоидных производных:
СН2=С—СН2С1 +№250з —> СН2=С—CH2SO3Na + NaCl
СНз
Полученные кристаллы металлилсульфоната натрия перекристаллизовывают из спирта и в таком виде применяют для сополимеризации. Темп. разл. металлилсульфоната — 260°C.
Растворители
Существует несколько десятков растворителей полиакрилонитрила. Однако промышленное применение в производстве полиакрилонитрильных нитей и волокон получили только семь: диметилформамид, диметилацетамид, диметилсульфоксид, этилен- карбонат, водные растворы азотной кислоты, роданида натрия и _ хлорида цинка.
Технологические особенности и аппаратурное оформление процесса производства полиакрилонитрильных нитей и волокон в значительной степени зависят от применяемого растворителя полиакрилонитрила. Это связано с различными летучестью растворителей, их способностью растворять полимер и коррозионной активностью.
В Советском Союзе для производства полиакрилонитрильных нитей и волокон применяют два растворителя: роданид натрия и диметилформамид.
Ниже приводится описание способов получения и свойств некоторых растворителей.
Диметилформамид. Один из промышленных способов получения диметилформамида основан на взаимодействии диметиламина с муравьиной кислотой по реакции
(H3C)2NH + НСООН —> НСОМ(СН3)2 + Н2О диметиламин муравьинаядиметилформа-
кислотамид
жидкость со слабым запахомжидкость со слабым запахомДиметилформамид — бесцветная
жидкость со слабым запахом
жидкость со слабым запахом
Хороший растворитель для многих веществ. Диметилформамид
смешивается в любых соотношениях с водой и многими органическими растворителями. Темп. кип. его 153 °C, темп. пл. — 61 °C.
Диметилформамид — токсичное вещество. Предельно допустимая концентрация диметилформамида в воздухе — 0,01 мг/л; в воде — 10 мг/л.
Роданид натрия. В виде 50—52%-ного водяного раствора ро
данид широко применяется как растворитель в производстве полиакрилонитрильных волокон. Наиболее распространен способ получения роданида натрия ,из синильной кислоты, находящейся в отходах коксового производства. Для этого коксовые газы пропускают через абсорбер со щелочью и полисульфидами:
HCN + NaOH + NaSn —э- NaCNS + Na2Srt-i
Полученный роданид натрия проходит многостадийную очистку. Раствор роданида натрия пропускают через активированный уголь для осветления, фильтруют и упаривают. Из упаренного раствора
выделяют кристаллы роданида натрия, которые отделяют на. центрифуге. Готовый продукт представляет собой кристаллы, рас- ' плывающиеся на воздухе, содержащие 68—70% NaCNS.
Диметилсульфоксид. По растворяющей способности диметил
сульфоксид стоит в ряду за диметилформамидом и в качестве ра
створителя полиакрилонитрила применяется в последнее время в довольно широких масштабах. Существует несколько методов
производства диметилсульфоксида: окислением диметилсульфида, улавливаемого из отходов целлюлозного производства; диметокси- лированием щелочного лигнина. Однако наиболее пригодным для производства полиакрилонитрильных нитей и волокон является диметилсульфоксид, полученный методом прямого синтеза из метанола и сероводорода:
CH3OH + H2S —> (H3C)2SO + H2O
Диметилсульфоксид — прозрачная жидкость, замерзающая при 18,45 °C. Темп. кип. ее— 189°C. Диметилсульфоксид гигроскопичен и смешивается с водой. При нормальных условиях он поглощает до 10% воды.
СИНТЕЗ ПОЛИМЕРОВ И СОПОЛИМЕРОВ АКРИЛОНИТРИЛА
Полиакрилонитрил получают полимеризацией акрилонитрила:
СН2=СН —> •••СН2—CH— СН2—СН—СН2— СН।। I I
CNCN CN CN
акрилонитрилполиакрилонитрил -
Акрилонитрил легко полимеризуется под действием тепла или света в присутствии пероксидов или окислительно-восстановительных систем.
Наиболее распространенным промышленным методом получения полиакрилонитрила является инициированная водно-суспен" зионная полимеризация акрилонитрила, которая может осуществ* ляться как по периодической, так и по непрерывной схеме.
Технологический процесс производства полиакрилонитрила, (непрерывный метод) включает следующие стадии: приготовление растворов, полимеризацию акрилонитрила, демономеризацию суспензии и конденсацию акрилонитрила, фильтрацию, промывку и сушку полимера.
Полимеризация акрилонитрила проводится в реакторе 1 (рис. 18.2) непрерывного действия в водной среде в присутствии окислительно-восстановительной инициирующей системы из персульфата калия и метабисульфита натрия.
Акрилонитрил дозируется из напорной емкости 2 в смеситель 3. Водные растворы персульфата калия и метабисульфита натрия готовятся в аппаратах для растворения 4 и 5, из которых они самотеком поступают в напорные емкости 6 и 7, а затем дозируются в смеситель 3. Смесь из аппарата 3 подается непрерывно в реактор полимеризации, имеющий три зоны обогрева (температура полимеризации 30—50°C). Степень превращения мономера в полимер составляет 70—80%.
Полученная суспензия поступает в промежуточную емкость 8, а затем в колонну 9 для отделения непрореагировавшего акрилонитрила (демономеризации) путем отгонки. Демономеризация проводится при 50—60°C и остаточном давлении 6,7—20 кПа.
Пары -акрилонитрила и воды охлаждаются в конденсаторе 10. Конденсат поступает в отстойник 11. Суспензия полимера, из
Рис. 18.2. Схема процесса производства полиакрилонитрила:
/ — реактор; 2—напорная емкость; 3—смеситель; 4 и 5 — аппараты для растворения иннцна- торов; 6 н 7 — напорные емкости; 8—промежуточная емкость; 9 — колонна демономеризацнн; 10— конденсатор для мономеров; // — отстойник; 12— сборник суспензии полимера; 13 н 15—вакуум-барабанные фильтры; 14 — бак для отмывки полимера; 16 — сушилка.
которой выделен акрилонитрил, из колонны демономеризации 9 поступает в сборник 12, откуда подается на вакуум-барабанные фильтры. В баке 14 полимер отмывается от остатков мономера и инициатора. После второй фильтрации полимер с влажностью 80—85% сушат до содержания влаги 0,7—1,5%.
Как уже указывалось выше, полиакрилонитрильные волокна получают в большинстве случаев не из гомополимера, а из сопо-* лимеров акрилонитрила (двойных и тройных). Второй мономер вводится в количестве 5—15% в состав сополимера для улучшения эластичности полиакрилонитрильных волокон, придания им усадочных свойств, а также для облегчения растворения и снижения вязкости прядильных растворов.
Третий мономер обычно вводится в состав сополимеров в небольших количествах (1,0—2,0%) для облегчения крашения волокон или придания им новых свойств.
При получении сополимеров по водно-суспензионному способу технологическая схема (см. рис. 18.2) изменяется незначительно (дополнительно дозируются сомономеры, изменяются условия полимеризации) .
Другим способом полимеризации акрилонитрила является полимеризация в растворителе, в котором растворяются не только мономеры, но и полимер. В результате полимеризации получается прядильный раствор, пригодный для формования комплексных нитей. Для получения сополимеров акрилонитрила в качестве растворителей чаще всего применяют водные растворы роданида натрия, хлорида цинка, диметилформамид и диметилсульфоксид.
Принципиальные схемы производства полиакрилонитрила методом полимеризации в различных растворителях одинаковы, однако из-за различия в физико-химических свойствах растворителей технологическое и аппаратурное оформление процесса полимеризации значительно изменяются в зависимости от применяемого растворителя.
Основными стадиями производственного процесса получения полиакрилонитрила являются: дозирование компонентов, смешение компонентов, полимеризация, демономеризация; в технологический процесс в качестве необходимой стадии включается возврат непрореагировавших мономеров в полимеризационный цикл.
На рис. 18.3 представлена технологическая схема процесса сополимеризации акрилонитрила в водных растворах роданида натрия. Акрилонитрил и другие мономеры со склада направляются в напорные баки /, откуда они самотеком поступают в теплообменник 2, куда подается и растворитель. Температура мономеров и растворителя на выходе из теплообменника составляет 20— 25°C. После теплообменника мономеры и растворитель — концентрированный (50—52%-ный) водный раствор роданида натрия — через счетчики-дозаторы 3 направляют в смеситель 4. В этот же смеситель добавляют необходимое количество инициатора. Полученная реакционная смесь непрерывно подается в нижнюю часть реактора 6, представляющий собой бак с лопастной мешалкой и рубашкой для его обогрева (горячей водой). Полимеризация протекает при 70—80°С. Образующийся раствор полиакрилонитрила непрерывно отводится из верхней части реактора. Обычно степень
Рис. 18.3. Схема сополимеризации акрилонитрила в растворителе с одновременным получением прядильного раствора:
1—напорные баки для мономеров; 2 —теплообменник; 3— счетчики-дозаторы для мономеров и растворителя; 4—смеситель реагентов; 5—фильтр; 6—реактор полимеризации; 7 —демоно меризатор; 8— холодильник; 9— смеситель непрерывного действия; 10 — конденсатор для мономеров; 11— приемный бак для мономеров; 12—промежуточный бак; 13—эвакуатор; 14 — бак для прядильного раствора; 15 — рамный фильтр-пресс; 16 — насос.
превращения мономера не должна превышать 70%, а в некоторых случаях выход полимера снижают даже до 50% (для получения более однородного полимера). Непрореагировавшие мономеры отгоняют под вакуумом в аппаратах непрерывного действия—демономеризаторах 7. Принцип работы и конструкция их аналогичны аппаратам для непрерывного удаления воздуха, ши< роко используемым при производстве вискозных нитей и волокон. Остаточное давление в аппарате поддерживается не выше 10 кПа. Прядильный раствор, из которого удалены мономеры, охлаждается в холодильнике 8 до 20—25 °C и после перемешивания в смесителе непрерывного действия 9 направляется в отделение подготовки растворов к формованию. Отогнанная смесь акрилонитрила с другими мономерами улавливается в конденсаторе 10, стекает по барометрической трубе в приемный бак И и возвращается в производство (если смесь мономеров азеотропна) или направляется на разгонку, после чего мономеры вновь используются для полимеризации.
СВОЙСТВА ПОЛИАКРИЛОНИТРИЛА
Молекулярная масса полиакрилонитрила, используемого для формования нитей (жгута), находится в пределах 40 000—60 000.
Полимер, полученный суспензионным способом, представляет собой белый порошок. Размер и форма частиц определяются условиями полимеризации. При длительном нагревании полиакрилонитрила до 140—160°C он изменяет окраску и становится нерастворимым. При плавлении полимер разлагается. Поэтому формовать полимер можно только из растворов.
В последнее время проводятся исследования' по формованию полиакрилонитрильных нитей из полимера, находящегося в размягченном состоянии.
Сополимеры акрилонитрила, содержащие более 85% акрилонитрила, обладают примерно теми же свойствами, что и гомополимер.
ПОЛУЧЕНИЕ ПРЯДИЛЬНЫХ РАСТВОРОВ
ПОЛИАКРИЛОНИТРИЛА
Прядильные растворы для формования полиакрилонитриль- р ных нитей могут быть получены двумя способами: растворением готового полимера в растворителе или же непосредственной полимеризацией акрилонитрила в растворителе- с одновременным получением прядильного раствора.
Рассмотрим технологический процесс получения прядильных растворов растворением готового полимера.
Процесс включает следующие основные операции: приготовление суспензии полимера в растворителе, растворение, обезвозду- 22 шивание, фильтрацию и усреднение растворов.
Рис. 18.4. Схема процесса Приготовления прядильных растворов растворением полимера:
1 —дозатор полимера; 2— дозатор растворителя; 3—суспензатор; 4— растворитель; 5—эвакуатор; 6—фильтр-пресс; 7—бак для смешения прядильного раствора.
На рис. 18.4 представлена схема получения прядильных растворов. Полимер и растворитель непрерывно дозируются в суспен- затор 3, где происходит сме
шение полимера с растворителем и образование суспензии. Полимер (и особенно сополимеры акрилонитрила) быстро набухает в растворителях. При этом, чем мельче порошок, тем легче набухшие частички полимера слипаются в комок. Образовавшиеся комки очень долго растворяются. Для предотвращения быстрого набуха-
ния полимера растворитель предварительно охлаждают.
Из аппарата 3 суспензия подается в растворитель 4 непрерывного действия, где происходит быстрое нагревание суспензии с одновременным растиранием для ускорения процесса растворения. Растворение проходит при температурах 70—130°C. Учитывая склонность полимера к пожелтению, продолжительность растворения (нахождения полимера в растворе при высоких температурах) должна быть минимальной. Это во многом зависит от конструкции растворителя. В растворителе шнекового типа, где подогрев суспензии происходит в основном за счет тепла, выделяющегося при трении, полиакрилонитрил растворяется при 100— 120 °C за 30—40 с, а сополимеры акрилонитрила — при 80—90 °C за 4—6 с. Из аппарата 4 раствор подается в эвакуатор 5 (аппарат для обезвоздушивания), где удаляются пузырьки воздуха, попадающие в раствор при суспендировании и растворении полимера. Обезвоздушивание проводится при пониженном давлении. Для предотвращения образования пленок вследствие чрезмерного испарения растворителя (диметилформамида, диметилсульфоксида) или испарения и конденсации воды (для растворов роданида натрия) необходимо постоянно поддерживать в эвакуаторе 5 требуемую температуру и вакуум. Обезвоздушенный прядильный раствор направляется на фильтрацию. Известно, что качество фильтрации прядильного раствора имеет большое значение для устойчивого формования. Так как исходные полимеры не содержат посторонних примесей, для очистки прядильных растворов достаточно одной фильтрации. Обычно фильтрацию проводят на рамных фильтр-прессах с большой поверхностью фильтрации. В качестве
фильтровального материала используют например, один слой байки, слой ваты 200—400 г/м2 и слой бязи. После фильтрации прядильный раствор поступает в бак 7 большой емкости с тихоходной мешалкой. В этом баке смешения прядильного раствора происходит гомогенизация и усреднение прядильного раствора по концентрации и температуре, во многом определяющие последующий процесс формования.
СВОЙСТВА ПРЯДИЛЬНЫХ РАСТВОРОВ
ПОЛИАКРИЛОНИТРИЛА
Свойства прядильных растворов, используемых для формования, зависят от способа формования (сухой или мокрый) и от типа растворителя. В табл. 8 приведены данные по вязкости и концентрации прядильных растворов.
Таблица 8. Свойства прядильных растворов полиакрилонитрила
Способ формования
Растворитель
Свойства растворов
вязкость, Па-с
концентрация полимера, .%
Сухой Мокрый
Диметнлформа мнд Диметилформамид Диметилсульфокснд Роданид натрия
80-100
20-40
20-40
30-50
28-32 18-22
16-20
10—12,5
Прядильные растворы, как правило, имеют светло-желтую окраску. Диметилформамидные прядильные растворы склонны к пожелтению; для стабилизации цвета в них вводят до 0,1% щавелевой кислоты.
ФОРМОВАНИЕ ПОЛИАКРИЛОНИТРИЛЬНЫХ
НИТЕЙ (ЖГУТОВ)
Полиакрилонитрильные нити формуют сухим и мокрым способами.
При сухом способе формование ведут в токе горячего воздуха. Высоковязкие 28—32%-ные растворы полиакрилонитрила в диме- тилформамиде продавливаются через фильеру в шахту. Фильеры имеют несколько сот отверстий (максимально). Высота прядильных шахт 6—12 м, стенки шахты обогреваются. Снизу в шахту подается горячий воздух. Скорость формования составляет 200— 400 м/мин. Выходящая из шахты нить подвергается последующей 5—8-кратной вытяжке, а затем промывается, сушится, отделывается, гофрируется и упаковывается. Недостатком сухого способа формования является невозможность применения фильер с большим числом отверстий и необходимость проведения процесса при
Рис. 18.5. Схема прядильно-отделочного агрегата для получения волокна нитрон:
1 —фильера; 2—осадительная ванна; 3 и 4—механизм соответственно для первой и второй вытяжки волокиа; 5 —промывные корыта; 6—ванна для авиважной отделки; 7 —барабанная сушилка; 8—аппарат для термообработки; 9—гофрировочиая машина; 10 —камера для нанесения антистатика; 11—устройство для упаковки жгута; 12—машниа для резкн жгута; 13—упаховочиый пресс.
высоких температурах (вследствие высокой температуры кипения диметилформамида — 153°С).
Наиболее распространенным в настоящее время технологическим способом формования полиакрилонитрильных нитей (жгутов) является мокрый способ. В этом случае можно применять фильеры с большим числом отверстий (до несколько сотен тысяч), что компенсирует недостаток мокрого способа — низкую скорость формования.
Этим способом получают полиакрилонитрильное волокно — наиболее массовый вид продукции.
По мокрому способу формуются растворы полиакрилонитрила в диметилформамиде, диметилацетамиде, диметилсульфоксиде, этиленкарбонате и водных растворах роданида натрия, хлорида цинка и азотной кислоты. В зависимости от растворителя несколько изменяются и условия формования (температура и концентрация осадительной ванны, последовательность операций и т. д.). Например, при использовании в качестве растворителя этиленкар- боната (темп. пл. 36°С) прядильный раствор и осадительная ванна должны иметь температуру 50—60 °C, в то время как при использовании азотной кислоты прядильный раствор и осадительная ванна должны быть охлаждены до температуры 0—5 °C. Чаще всего используют водные осадительные ванны. При использовании этих ванн упрощается система регенерации растворителя и можно осуществить полный ■ противоток в прядильно-отделочном агрегате, начиная с промывки и кончая осадительной ванной.
Ниже будут рассмотрены следующие способы формования полиакрилонитрильных нитей (жгутов):
диметилформамидный — формование из растворов, полимера в диметилформамиде; осадительная ванна — 50— 70%-ный водный раствор диметилформамида;
роданистый — формование из растворов полимера Вводном растворе роданида натрия; осадительная ванна —10— 12%-ный водный раствор роданида натрия;
диметил сульфоксидный'—формование из растворов полимера в диметилсульфоксиде; осадительная ванна — 60— 80%-ный водный раствор диметилсульфоксида.
При формовании перечисленными способами можно получать прядильный раствор из готового полимера или же вести полимеризацию в растворителе, получая в нем раствор полимера, пригодный для формования нити (жгута).
Полиакрилонитрильные жгуты получают на прядильно-отделочных агрегатах (рис. 18.5), включающих прядильные машины, машины для вытяжки, промывки, сушки, тепловой обработки, придания нити (жгуту) извитости, антистатической обработки, резки (если волокно выпускается в резаном виде) и упаковки. Длина агрегатов 80—200 м.
.6.1. Диметилформамидный способ
Прядильные растворы полиакрилонитрила в диметилформами- де поступают по коллектору прядильной машины и насосом продавливаются через фильеру в осадительную ванну — 50—70%-ный водный раствор диметилформамида при температуре 10—11 °C. Формование горизонтальное, путь нити в ванне 500—800 мм, начальная скорость формования 4—8 м/мин.
После формования жгут, содержащий до 300% осадительной ванны, подвергают двухступенчатой вытяжке. На первой ступени кратность вытяжки достигает 1,5—2; на второй — 3—5. Нить (жгут) вытягивают в водно-диметилформамидных ваннах, содержащих 20—25% диметилформамида, при температуре 50—95 °C.
После вытяжки жгут направляют на промывку. Промывка осуществляется противотоком в последовательно расположенных ваннах. После каждой ванны жгут отжимается. Промывные воды и избыток осадительной ванны смешивают и направляют на регенерацию. Промытый жгут подвергают авиважной обработке (для увеличения сцепляемости нитей и сохранения формы жгута при сушке), а затем направляют в барабанную сушилку. Сушилка имеет несколько температурных зон. На входе температура достигает 140°C, на выходе — 85—90°C. Нити (жгута) сушатся без натяжения. При сушке происходит усадка нитей на 15—20%. достигаемая за счет уменьшения частоты вращения барабанов. Несмотря на то, что сушка нитей ведется в условиях свободной усадки, высушенные нити при кипячении усаживаются на 8—10%. Для получения безусадочных нитей их подвергают тепловой обработке (усадке) между металлическими плитами при 200°C.
Для придания нитям (жгуту) извитости проводится гофрировка при повышенных температурах. Полиакрилонитрильные волокна, также как и другие гидрофобные волокна, должны быть обработаны антистатическими препаратами, предотвращающими образова-
ние на них электрических зарядов, возникающих при трении во* время текстильной переработки нитей или при носке изделий. Для антистатической обработки применяют текстильно-вспомогательные поверхностно-активные вещества, приготовленные на основе производных жирных кислот или спиртов.
Готовое волокно нитрон выпускают в виде жгута или в резаном виде. Жгут укладывается специальным жгутоукладчиком в картонные коробки (при этом очень важно, чтобы жгут не перепутывался). Для получения волокна в резаном виде, жгут направляется на резательные машины, а затем резаное волокно упаковывается на автоматических прессах в кипы.
Очень часто для дальнейшей переработки волокна нитрон необходимо иметь волокно с повышенной усадкой, что может быть достигнуто путем дополнительной тепловой обработки. Например, дополнительная термовытяжка жгута позволяет получать волокно с усадкой 20—25%. Смешивая такое усадочное волокно с безусадочным (усадка 0—4%), на текстильных предприятиях получают пряжу, которая при усадке в горячей воде становится объемной. Такая пряжа обладает хорошими теплоизоляционными свойствами, формоустойчивостью; масса изделий, полученных из такой пряжи, невысока.
.6.2. Роданистый способ
При этом способе формования нити в качестве прядильных растворов используют 10—12,5%-ные растворы сополимера акрилонитрила в 51%-ном водном растворе роданида натрия (способ получения этих растворов см. на стр. 401) .
Формование нитей (жгутов) проводится на агрегатах, аналогичных описанному выше (см. рис. 18.5). Прядильно-вытяжная машина имеет пять-шесть секций по три фильеры на каждой секции. Используются фильеры с 26 000, 40 000 и более отверстиями. Начальная скорость формования 3—6 м/мин, температура осадительной ванны (10—12%-ный раствор роданида натрия) 9—11 °C.
Сформованные нити в виде жгута поступают в ванну предварительного нагрева (4%-ный водный раствор роданида), а затем в паровую шахту, где подвергаются вытяжке в 7—10 раз. Дальнейшая отделка жгута проходит так же, как при формовании по диметилформамидному способу. Жгут промывается, обрабатывается авиважным препаратом, сушится, обрабатывается антистатическими препаратами, гофрируется, упаковывается. В случае выпуска резаного волокна оно подвергается резке.
.6.3. Диметилсульфоксидный способ
При использовании в качестве растворителя диметилсульфоксида прядильные растворы получают путем полимеризации в растворителе. Технологический процесс в основном аналогичен процессу полимеризации в роданиде натрия.
При полимеризации в диметилсульфоксиде изменяют конструкцию реактора и увеличивают продолжительность полимеризации. Процесс полимеризации ведут до высоких степеней превращения мономеров (96—98%). В остальном подготовка прядильного раствора к формованию такая же, как и для растворов в роданиде натрия.
Формование нити (жгута) из диметилсульфоксидных растворов осуществляется на тех же агрегатах, что и формование диметилформамидных растворов. Концентрация прядильных растворов составляет 16—20%. Осадительная ванна — 60—80%-ный водный раствор диметилсульфоксида; температура осадительной ванны 18—20 °C. В остальном процесс не отличается от диметилформамидного.
РЕГЕНЕРАЦИЯ РАСТВОРИТЕЛЕЙ
Процессы приготовления прядильных растворов и формования нитей (жгутов) связаны с использованием большого количества растворителя (4—8 кг растворителя на 1 кг растворенного полимера). Все перечисленные выше растворители полиакрилонитрила достаточно дороги, многие из них токсичны. Поэтому для повышения рентабельности производства и улучшения условий труда на всех технологических стадиях растворители улавливаются и направляются на регенерацию. Кроме того, регенерация растворителя нужна для очистки его от накапливающихся в процессе производства различных примесей, которые оказывают отрицательное влияние на весь технологический процесс получения нитей и волокон. Чистый растворитель возвращается в технологический цикл.
Растворитель, находящийся в осадительной ванне и промывных водах, собирается в специальной сборной барке, а затем фильтруется для очистки от различных механических примесей и оборванных нитей.
Регенерация диметилформамида и диметилсульфоксида из 40— 60%-ных водных растворов проводится методом ректификации под вакуумом при температуре не выше 100 °C, чтобы избежать разложения диметилформамида. После ректификации диметилформ- амид содержит около 0,1% воды и может использоваться для приготовления прядильных растворов. По такой же схеме регенерируются водные растворы диметилсульфоксида. Однако для его полной очистки применяется многостадийная ректификация, так как диметилсульфоксид значительно труднее отделяется от воды.
Регенерация роданида натрия, являющегося нелетучим растворителем, более сложна. Основными стадиями процесса регенерации являются выпаривание и очистка упаренных растворов от примесей.
На регенерацию поступает водный раствор, содержащий 9— 12% роданида натрия; кроме того, в нем содержатся остатки мономеров, катализаторов и регуляторов полимеризации, а также другие примеси (до 1%). Этот раствор фильтруется, подогревается 408
И направляется на выпарку. Упаренный раствор содержит 52— 54% роданида натрия и 3—6% различных примесей. Так как примеси, представляющие собой нелетучие соединения, накапливаются в растворителе, их необходимо удалить. Удаление примесей проводят различными путями: осаждением (сульфаты), ионооб- меном (соли тяжелых металлов), переводом растворителя в кристаллы и выделением примесей в маточном растворе или экстракцией (органические примеси).
Последний способ наиболее широко используется для очистки роданида натрия от примесей. Экстракция NaCNS из водных растворов проводится диизопропиловым эфиром. Сначала разбавленный раствор роданида натрия смешивают с раствором серной кислоты для выделения роданистой кислоты по схеме
2NaCNS+H2SO4 —> Na2SO4 + 2HCNS
Получающаяся смесь поступает в абсорбер, через который протекает диизопропиловый эфир. Роданистая кислота экстрагируется эфиром и направляется в следующий абсорбер. Во втором абсорбере роданистая кислота реагирует со щелочью с образованием роданида натрия. Эмульсия роданида натрия в 'эфире направляется в разделительные аппараты, из которых выходит 25%-ный раствор чистого NaCNS и эфир. Эфир снова используется для экстракции роданистой кислоты, а раствор роданида укрепляется свежими кристаллами и вновь возвращается в производство.
Экстракцией можно очищать роданид натрия из растворов осадительной ванны и даже из стоков. Основные недостатки этого способа— большой расход серной кислоты и необходимость ее улавливания из сточных вод, а также взрывоопасность эфира, работа с которым требует осторожности.
РАСХОДНЫЕ НОРМЫ СЫРЬЯ И ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ПОТЕРИ
Ниже приведены примерные данные, характеризующие расход (в кг на 1 кг волокна) основного сырья (мономеры, растворитель) в процессе производства полиакрилонитрильных волокон различными способами:
Диметилфор-Диметилсуль- Роданидный 2мамидный фоксидный
Акрилонитрил и другие сомо
номеры . . . . 1,02—1,06 " 1,02—1,061,02—1,06
Диметилформамид:0.08——
Диметилсульфокснд —0,1—
Роданид натрия .......——0,036
Основные потери мономеров, полимера и растворителя происходят: при демономеризации (вследствие неполной конденсации отгоняемых мономеров); при фильтрации прядильного раствора (потери прядильного раствора при перезарядке фильтров); при формовании нитей (испарение растворителя с поверхности осадительной и вытяжных ванн; мокрые отходы жгута при перезаправке
фильер, обрывах илй намотйх Жгута; буХйе отходы — йри зайрай- ке жгута после сушилки; брак при нарушениях технологического режима).
Уменьшение потерь сырья в процессе производства нитей и волокон достигается, прежде всего, при строгом соблюдении техно- югических режимов на всех стадиях процесса. Перед сменой фильтр-полотен фильтр-прессы продувают для удаления из них прядильного раствора с последующим его использованием. Со снятых фильтр-полотен вымывают растворитель и направляют его на регенерацию.
При формовании нитей (жгута) из растворов в диметилформ- амиде и диметилсульфоксиде предусматривается капсюляция прядильно-вытяжных машин с последующим улавливанием растворителя (и мономеров) из отсасываемого воздуха.
Предусматривается использование отходов волокон. Мокрые отходы могут быть вновь растворены и из полученных растворов :формовано волокно; сухие отходы используют для получения различных изделий (нетканые материалы, ватин и др.). Для уменьшения потерь растворителя при регенерации (вследствие разложения таких растворителей, как диметилформамид и диметилсульфоксид) процесс регенерации проводят в более мягких условиях.
СРАВНЕНИЕ РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБОВ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИАКРИЛОНИТРИЛЬНЫХ волокон
В результате сравнения описанных выше способов получения полиакрилонитрильных волокон можно сделать некоторые выводы.
Лучшим из рассмотренных растворителей является диметилформамид, позволяющий получить прядильные растворы меньшей вязкости с концентрацией 18— 22% (концентрация прядильных растворов при использовании диметилсульфоксида составляет 16—18%, а при использовании роданида натрия — 10—12,5%).
Наиболее агрессивным растворителем является роданид натрия. При применении этого растворителя оборудование необходимо изготавливать из дорогостоящих высоколегированных сталей, в то время как при применении диметилформамида и диметилсульфоксида можно использовать оборудование из обычных нержавеющих сталей.
Наиболее токсичным из рассмотренных растворителей является диметилформамид, наименее токсичным — роданид натрия.
Все три растворителя могут быть использованы для получения прядильных растворов методом полимеризации в растворителе.
Расход роданида натрия в 2 раза меньше, чем диметилформамида или диметилсульфоксида, что объясняется в основном летучестью последних. В то же время способ регенерации роданида натрия более сложный, чем диметилформамида и диметилсульфоксида. Выбор растворителя в производстве полиакрилонитрильных волокон мало отражается на экономических показателях (например, на себестоимости волокна), так как при современных
методах регенерации растворителей их расход не превышает 0,1 кг на 1 кг нити.
Сравнение экономических показателей различных способов производства полиакрилонитрильных волокон (сухой и мокрый, получение растворов полимеризацией в растворителе или растворением готового полимера и т. д.) показывает, что различия в способах производства также мало влияют на себестоимость готовой продукции, которая в значительной степени зависит от стоимости исходного сополимера или мономеров (50—70% общей себестоимости нити или волокна).
СВОЙСТВА ПОЛИАКРИЛОНИТРИЛЬНЫХ волокон И ОБЛАСТИ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ
В зависимости от условий формования, вытяжки, сушки и релаксации, механические показатели полиакрилонитрильных волокон могут находиться в пределах:
Прочность, мН/текс 200—600
Удлинение при разрыве, % . . .2—50
Модуль упругости, ГПа ..... 1,5—15
При повышении кратности вытяжки и термообработке под натяжением увеличивается прочность и модуль упругости, тогда как свободная усадка приводит к увеличению удлинения и эластичности нити (жгута).
Таким образом, изменяя условия получения нитей и волокна или их химический состав, можно получать полиакрилонитрильные волокна, которые удовлетворяют требованиям различных отраслей текстильной промышленности или техники.
Гигроскопичность полиакрилонитрильных волокон очень низка. При относительной влажности воздуха 65% они поглощают только 1% воды. Эти волокна отличаются низкой плотностью (1140—1170 кг/м3), хорошими теплоизоляционными свойствами и высокой морозостойкостью. Достаточно высокий модуль упругости и хорошие эластические свойства обеспечивают изделиям высокую формоустойчивость во время носки.
Полиакрилонитрильные волокна обладают высокой термостойкостью. Они могут длительное время эксплуатироваться при 120—130 °C без снижения прочности. При повышении температуры сверх 150—160 °C нити желтеют, однако термостойкость их повышается; практически полиакрилонитрильные волокна могут быть использованы при температурах до 180°C.
По стойкости к свету и атмосферным воздействиям полиакрилонитрильные волокна занимают первое место среди всех природных и химических волокон, вырабатываемых в промышленном масштабе.
Устойчивость к истиранию у полиакрилонитрильных волокон ниже, чем у полиамидных и полиэфирных. Чем более вытянута нить (жгут) и чем больше ее прочность, тем ниже устойчивость ее
к истиранию. Поэтому нецелесообразно применять такие нити при. изготовлении чулочно-носочных изделий.
Крашение полиакрилонитрильных волокон, полученных из трой7 ных сополимеров, не вызывает особых затруднений. В средние светлые тона можно окрашивать пряжу или готовые изделия. По окраске в темные тона краситель вводят в прядильный раствор (крашение в массе). Однако этот способ крашения экономически оправдан только при выпуске больших партий волокна, окрашенного в 3—4 цвета, так как при частой смене красителя получается большое число переходных партий. В последнее время разработан способ крашения жгута перед сушкой. Жгут после промывки поступает в ванну с раствором красителя, затем проходит 8—10 м по воздуху (для проникновения красителя внутрь нитей), вновь промывается и сушится. Краситель прочно удерживается нитями как вследствие химических связей с активными группами в сомономерах, так и в результате закрытия пор в нитях во время сушки. Таким образом, нити (жгут) могут быть окрашены в светлые и средние тона. Используя всего 4—6 основных красителей и смешивая их в различных соотношениях, можно получить до 120 расцветок нитей. При таком способе крашения переход от одного цвета к другому осуществляется быстро и без потерь нитей.
Большое разнообразие сополимеров акрилонитрила, способов формования и отделки нитей (жгута) объясняет огромное разнообразие появившихся в разных странах типов полиакрилонитрильных волокон, отличающихся названиями; например несколько десятков типов волокна орлон (США), более 14 типов волокна акрилан (США), более 8 типов волокна дралон (ФРГ) и более 20 типов волокна нитрон (СССР).
В последнее время много внимания уделяется модификации полиакрилонитрильных волокон, целью которой является как придание новых свойств, так и устранение недостатков, присущих обычным полиакрилонитрильным нитям и волокну.
К основным недостаткам полиакрилонитрильных волокон следует отнести хрупкость, низкое влагопоглощение и электризуе- мость. Хрупкость проявляется, как правило, в появлении при переработке мелкой пыли (осыпи), которая затрудняет переработку и ухудшает условия труда. Появление осыпи связано с особенностями макроструктуры нити, возникающей в процессе формования. Одним из методов снижения хрупкости может быть тепловая релаксация, приводящая к снятию напряжений и увеличению такого показателя, как прочность нити при разрыве петлей, в 2 раза.
Низкое влагопоглощение и высокая электризуемость присуща всем синтетическим волокнам. Для устранения этих недостатков получают волокна из смесей сополимеров акрилонитрила с гидрофильными полимерными добавками, например, биомассой микроорганизмов. Обработка невысушенных, пористых нитей гидрофильными веществами (например, полиэтиленгликолем и его производными) и последующая сушка (приводящая к закреплению в порах и на поверхности наносимого полиэтиленгликоля) позволяет полу-
чить постоянный (несмываемый после 10—20 стирок) антистатический эффект — электросопротивление нитей снижается на 2—3 десятичных порядка.
Способность полиакрилонитрильных волокон поглощать и, что еще более важно, проводить влагу, может быть достигнута также изменением химической природы сополимеров акрилонитрила, а также созданием специальной высокопористой структуры нитей.
Одним из наиболее интересных типов полиакрилонитрильных волокон, появившихся в последнее время, являются бикомпонентные нити. Эти нити получают одновременным формованием растворов двух различных сополимеров через одно отверстие фильеры. При тепловой обработке бикомпонентных нитей вследствие различ-" ной усадки составляющих их сополимеров образуется постоянная извитость, придающая нитям (жгутам) большую объемность и шерстеподобность.
Полиакрилонитрильные волокна находят широкое применение в различных отраслях текстильной промышленности и в технике.
Волокна (безусадочные, высокоусадочные, извитые) применяют для изготовления гладкой или объемной пряжи в чистом виде или в смеси с шерстью или хлопком, а также для изготовления искусственного меха, ковров, одеял и теплоизоляционных прослоек.
Пряжа (из чистого полиакрилонитрильного волокна или в смеси с другими волокнами) широко применяется для изготовления трикотажных изделий, шерстяных материалов, джемперов, декоративных тканей, обивки для мебели или автомашин и для многих других целей.
Использование разноусадочных или бикомпонентных жгутов позволяет получать объемную пряжу, из которой изготавливают очень легкие трикотажные изделия, отличающиеся высокой теплоизоляционной способностью и хорошей формоустойчивостью (лучшими, чем у изделий из чистой шерсти).
МОДАКРИЛОВЫЕ ВОЛОКНА
На основе сополимеров акрилонитрила, содержащих от 40 до 60% второго мономера, получают модакриловые волокна.
Введение в состав сополимера больших количеств второго мономера нарушает регулярность строения макромолекулы, что приводит к изменению ряда свойств полимера, в частности растворимости (сополимеры растворяются в таком доступном растворителе, как ацетон).
Волокна из сополимеров акрилонитрила (40—60%) и винилхлорида получают в США (волокно CEF), в Японии (канекалон), в Англии (теклан).
Наиболее сложной стадией получения модакрилового волокна является синтез сополимера: трудность сополимеризации акрилонитрила (жидкость) и винилхлорида (газ). Процесс полимеризации периодический. При введении винилхлорида в полимерную цепь снижается термо- и светостойкость сополимера, поэтому процесс проводится в присутствии специальных стабилизаторов.
Для производства волокна сополимер растворяют в ацетоне. После фильтрации и обезвоздушивания раствор сополимера поступает на формование жгута. Осадительной ванной служит водный раствор ацетона (3—5%). Свежесформованный жгут вытягивается на 100—150%, затем высушивается и дополнительно вытягивается на 800% при температуре 125°C. Вытянутый жгут подвергается термообработке (в среде пара или кипящей воды). Волокно выпускается, в основном, в резаном виде.
Существует также сухой способ формования нитей. Этот способ используется для получения непрерывных нитей (виньон Н). Скорость формования 100 м/мин, высота шахты — 6 м. Сформованная нить вытягивается на 800—1000% при повышенной температуре (чаще всего в паре), скручивается, а затем подвергается термообработке.
Модакриловые волокна характеризуются следующими показателями:
Прочность, мН/текс 250—350
Удлинение при разрыве, % .......15—25
Влагопоглощение (при относительной
влажности воздуха 65%), % До 0,5
Плотность, кг/м3... .1280—1320
Как видно из приведенных данных, плотность этих волокон несколько выше, чем волокна нитрон, и гигроскопичность значительно ниже. Волокно виньон Н и канекалон используются как для изготовления изделий технического назначения (спецодежда, фильтр-материалы), так и для производства товаров народного потребления. Так, используя высокую усадку волокна канекалон, оно широко применяется при получении искусственного меха, париков.
В технико-экономическом отношении волокна типа канекалон имеют два существенных преимущества перед полиакрилонитрильными волокнами. Они вырабатываются из более дешевого и доступного сырья (винилхлорид вместо акрилонитрила, ацетон вместо диметилформамида). Второе преимущество заключается в том, что в качестве растворителя используется ацетон, а не диметилформ- амид, в результате чего упрощается процесс получения волокна и регенерации растворителя.
К недостаткам модакриловых волокон по сравнению с полиакрилонитрильными следует отнести повышенную термостойкость и светостойкость. Для повышения последней к прядильным растворам добавляют специальные стабилизаторы (например, 0,5% ди- бутиллаурината олова).
Глава, 19
ПОЛИВИНИЛХЛОРИДНЫЕ
И ПОЛИВИНИЛСПИРТОВЫЕ ВОЛОКНА
ПОЛИВИНИЛХЛОРИДНЫЕ ВОЛОКНА
Из всех синтетических волокнообразующих полимеров (за исключением полиолефинов) поливинилхлорид является наиболее доступным и дешевым. Поэтому использование поливинилхлорида для производства химических волокон представляет значительный интерес. Исходным сырьем для синтеза винилхлорида являются этилен и хлор или ацетилен и хлористый водород. Все эти продукты вырабатываются химической промышленностью в больших количествах.
Ниже приведены две схемы промышленного способа получения винилхлорида.
Из ацетилена винилхлорид получается в результате прямого присоединения хлористого водорода:
СН=СН + НС1 —► СН2=СНС1 ацетиленвинилхлорид,.
Из этилена винилхлорид синтезируется в две стадии по схеме
СН2=СН2 + С12 —> СН2С1—СН2С1
дихлорэтан
Получающийся на первой стадии процесса дихлорэтан подвергают дегидрохлорированию:
СН2С1-СН2С1 —р^> СН2=СНС1
Поливинилхлорид получают полимеризацией винилхлорида. Полимер почти не растворяется в доступных органических растворителях и не плавится, а только размягчается и при дальнейшем нагревании разлагается.
Для получения прядильных растворов в качестве растворителя применяют смесь ацетона и сероуглерода (при формовании комплексных нитей сухим способом на прядильных машинах для ацетатных комплексных нитей); циклогексанон, диметилформамид и тетрагидрофуран (при формовании мокрым способом).
Для повышения растворимости поливинилхлорида в органических растворителях и облегчения его переработки применяют следующие методы:
дополнительное хлорирование поливинилхлорида,
совместную полимеризацию винилхлорида с винилиденхло- ридом в различных соотношениях (например, 15 : 85, 20 :80 или 60:40);
совместную полимеризацию винилхлорида с винилацетатом, в соотношении 6 : 1 или с акрилонитрилом в соотношении 2:3.
Сформованную нить вытягивают при повышенной температуре на 200—800% и подвергают термообработке.
Поливинилхлоридные волокна выпускаются в виде нитей и волокна. Они используются для производства различных изделий технического назначения и товаров народного потребления (пуловеры, купальные костюмы и т. п.). При добавлении к шерсти 30—50% поливинилхлоридного волокна заметно повышается устойчивость изделий к истиранию и улучшаются их теплоизоляционные свойства.
В последнее время получают поливинилхлоридные волокна с повышенной стереорегулярностью. В СССР они получили название ТПВХ (теплостойкие поливинилхлоридные волокна).
Поливинилхлорид для производства ТПВХ получают полимеризацией винилхлорида при температуре —20—40 °C. Полимер, полученный при этих условиях, имеет температуру стеклования 95—105°С. Прядильный раствор готовится растворением полученного полимера как и обычного ПВХ, в циклогексаноне или в ди- метилформамиде. В качестве осадительной ванны в первом случае применяется водная смесь циклогексанона и спирта. Прочность нитей ТПВХ в 1,5—2 раза выше прочности нитей из обычного ПВХ; кроме того, они не дают усадки при температурах 110— 130 °C.
.1.1. Хлориновые волокна
Сырьем для производства хлориновых волокон служит дополнительно хлорированный поливинилхлорид — перхлорвинил.
Полагают, что при хлорировании поливинилхлорида образуется высокомолекулярное соединение:
СН2—СНС1—СНС1—СНС1—СН2—СНС1—СНС1—СНС1
При дополнительном хлорировании поливинилхлорида содержание хлора в полимере повышается с 56,5 до 63—65%. Хлорирование поливинилхлорида можно рассматривать как реакцию замещения атома водорода на атом хлора. При содержании в перхлорвиниле 64—65% хлора полимер полностью растворяется в ацетоне. При дальнейшем введении хлора растворимость продукта уменьшается, а при содержании хлора 72—75% полимер в ацетоне уже не растворяется.
Известны два промышленных способа получения перхлорвинила:
хлорирование растворов поливинилхлорида в тетрахлорэта- не при 80—120°С с последующим охлаждением до температуры —1020 °C и высаживанием полученного продукта в мета
ноле;
хлорирование хлорбензольных растворов полимера с последующим высаживанием продукта в горячей воде и отгонкой хлорбензола с парами воды при 92°C.
Первый способ осуществлен в ГДР, второй — в СССР. Каждый из этих способов имеет преимущества и недостатки. Тетрахлорэтановым способом удается получить , продукт высокой чистоты, 416
так как в процессе осаждения полимера частично вымываются низкомолекулярные фракции. К недостаткам этого способа относится длительность хлорирования (до 48 ч) и применение токсичного метанола. Полученный полимер используется для получения хлориновых волокон. При втором способе продолжительность хлорирования сокращается до 5—8 ч, упрощается и удешевляется технологический процесс (спирт заменен водой и отпадает необходимость в охлаждении), но получается менее чистый продукт, используемый для производства лаков.
Приготовление прядильного раствора. После смешения различных партий поступившего в производство полимера его загружают в растворитель, куда предварительно залит безводный ацетон. При содержании в ацетоне более 0,3% воды полимер перестает в нем растворяться. Поэтому полное обезвоживание ацетона и тщательное высушивание полимера перед растворением является непременным условием получения концентрированных растворов перхлорвинила.
Для формования нитей применяется раствор, содержащий 27,5—28,5% полимера. Свойства раствора в значительной степени зависят от содержания в нем железа. Даже при небольшом содержании железа или его солей может произойти коагуляция или разложение полимера. Поэтому всю аппаратуру и детали машин, которые соприкасаются с прядильным раствором, покрывают бакелитовым лаком, сосуды освинцовывают или лудят, отдельные аппараты (например, фильтр-прессы) изготовляют из бронзы.
Растворитель для приготовления прядильного раствора снабжен мешалкой (частота вращения 35 об/мин). При применении полимера, полученного хлорбензольным способом, растворение продолжается 12—16 ч при 35 °C, а при использовании продукта, синтезированного тетрахлорэтановым методом, раствор подогре-" вают до 40—50 °C. При повышении температуры снижается вязкость раствора и ускоряется процесс растворения.
Прядильный раствор фильтруют последовательно два раза на фильтр-прессах рамного типа, изготовленных из бронзы или чугуна, покрытого бакелитовым лаком. Применяется трехслойный фильтрующий материал из бязи, ваты и батиста. Скорость прохождения раствора при первой и второй фильтрациях составляет соответственно 15 и 30 л/(м2-ч).
Смена фильтровальных материалов производится, если давление при фильтрации поднимается выше 0,5 МПа. Снятые фильтровальные материалы промывают в ацетоне.
После второй фильтрации прядильный раствор поступает в рабочие баки, где темперируется до 20°C при перемешивании в течение 40—48 ч. Затем раствор отстаивается в течение 24—36 ч для удаления пузырьков воздуха, после чего , его направляют на формование, нитей.
Общая продолжительность приготовления раствора для формования нитей составляет 80—90 ч.
Формование текстильной нити. Хлориновую текстильную нить формуют мокрым способом. Осадительной ванной служит разбавленный раствор ацетона в воде.
Прядильный раствор с температурой 20°C по трубопроводу 1 (рис. 19.1) поступает через дозирующий насос 2 и свечевой фильтр 4 в фильеру 6, где продавливается через ее отверстия в стеклянную трубку 8. Как только раствор пройдет через отверстия фильеры включается автомат 7 для подачи воды и трубка 8 заполняется водой, которая увлекает с собой образующуюся нить. Количество подаваемой воды зависит от толщины формуемой нити. Например, для нити толщиной 6,5 и 17 текс скорость циркуляции воды составляет соответственно 40—60 и 60—80 см3/мин. При определении количества подаваемой воды руководствуются тем, что содержание ацетона в отработанной воде должно быть в пределах 3,5— 4,5%. Путь нити в ванне достигает 2 м.
Скорость формования нити в водной среде (в трубке 8) составляет 25—27 м/мин и определяется линейной скоростью диска И. Между дисками 9^11 нить вытягивается на 100—150% и замасливается с помощью приспособления 10. Обычно скорость приема хлориновой нити на бобину 55—57 м/мин (на 5—10% ниже окружной скорости верхнего диска). На бобину наматывают сухую нить (450—480 г).
Свежесформованная нить содержит 39% воды и 6,7% ацетона. Ацетон придает нити способность вытягиваться, что позволяет повышать прочность нити и снижать ее удлинение.
Полученная вытянутая нить сушится в натянутом состоянии (на бобинах) в туннельных сушилках при 45—60°С в течение34— 86 ч. Усадка нити при этом достигает 7—7,5%.
Хлорированную нить подвергают крутке на кольцекрутильной машине. Скорость питания не должна превышать 50 м/мин. При крутке нить подвергается повторному замасливанию для уменьшения трения между нитью и бегунками.
После крутки нить перематывают на конические бобины крестовой намоткой. При перемотке хлориновая нить замасливается третий раз, что облегчает перемотку и последующую ее переработку на текстильных фабриках.
Насыщенная ацетоном вода после формования поступает на рекупер ационную установку, где ацетон отделяется от воды и обезвоживается. Чистые ацетон и воду снова возвращают в производство.
Хлориновую нить можно формовать и сухим способом. В этом случае аппаратурное оформление процесса формования мало отличается от производства ацетатной нити.
Прочность обычной нити хлорин в сухом и мокром состоянии достигает 130—150 мН/текс, удлинение 15—25%. При десятикратной вытяжке хлориновой нити в термопластичном состоянии (в нагретом до 110°С глицерине или растворе хлорида кальция) прочность может быть повышена до 270 мН/текс при удлинении 12-14%.
Рнс. 19.1. Поперечный разрез машины для формования текстильной ннтн хло-
1 -трубопровод для подачи прядильного раствора: 2-насос; 3-соедииительиая трубка- 4—свечевой фильтр; 5-червяк; 6-фильера; 7-автомат для подачи воды с шариковым обратным клапаном; 8-стеклянная трубка для формования; 9 и /7-иижний иверхн^й диски; 10 — замасливающее приспособление; Z2 —бобины; 13 — нитераскладчик. верхний
Рис. 19.2. Схема технологического процесса производства волокна хлорин:
1—прядильный стол; 2—отделочные ванны; 3—триовальцы; 4—компенсатор натяжения; 5—гофрировочная машина; 6—приемный ящик; 7—питающие валики; 8—узлоуловитель; 9—резательная машина; /0—сушилка; //—разрыхлитель; 12—пневмотранспорт; 13 —упаковочный пресс.
Получение хлоринового волокна. Хлориновое волокно получают методом мокрого формования на агрегате, состоящем из машин горизонтального типа (рис. 19.2). Прядильные столы (секторы агрегата) расположены веером. Каждый прядильный стол имеет 12 фильер с 2500 отверстиями диаметром 0,07—0,08 мм. Струйки раствора полимера, попадая в осадительную ванну (вода, содержащая ацетон), коагулируют и превращаются в пучок нитей, которые образуют жгут. Толщина отдельной нити 0,417 текс, толщина жгута с каждого прядильного стола составляет 14 000—15 000 текс. Производительность каждого прядильного стола — около 1 т/сут.
В конце прядильного стола (на выходе) установлена система из восьми металлических полированных стержней, через которую проходит жгут. Между стержнями и первыми триовальцами происходит первая стадия вытяжки жгута; остальные три стадии — между триовальцами соответствующих промывных ванн.
После прядильных столов отдельные жгуты собираются в общий жгут, который поступает в последовательно установленные ванны.
В первых трех ваннах жгут отмывается от ацетона. Отмывка происходит по принципу противотока — свежая вода с температурой не выше 20—22°C поступает в третью ванну, где она омывает жгут, содержащий меньшее количество ацетона, направляется во вторую ванну, затем в первую и переливается-в корыто прядильного стола. Концентрация ацетона в воде постепенно возрастает до 10%. После прядильного стола вода перекачивается на установку для регенерации ацетона. Температура воды на прядильных 42Q
столах должна быть минимальной, так как при этом возрастает прочность формуемой нити.
Установлено, что температура 14—16°C осадительной ванны (воды), поступающей на прядильные столы, является оптимальной.
В четвертой ванне для удаления остатков ацетона жгут промывают водой, подогретой до 50—5,2°C. В пятой ванне жгут замасливается при температуре 45—50°С 5%-ным водным раствором препарата «Новость», содержащим небольшие добавки поташа и некаля.
Жгут из последней ванны триовальцами подается на гофриро- вочную машину, где ему механическим способом придается извитость, а затем на резательную машину. Нарезанное волокно подается транспортером в сушилку. Высушенное волокно пневматическим транспортом передается на разрыхлитель и дальше в пресс, где пакуется в кипы массой 150—200 кг.
Свойства хлориновых волокон и их применение. Перхлорвиниловые волокна гидрофобны, не набухают в воде и при нормальных условиях (относительная влажность 65%) поглощают не более 0,15—0,3% влаги. Они обладают чрезвычайно высокой стойкостью к химическим реагентам — щелочам, кислотам и солям, а также к большинству органических растворителей, за исключением альдегидов, ацетона и других кетонов. Даже царская водка и плавиковая кислота не оказывают на них разрушающего действия. Хлориновые волокна, так же как и все синтетические волокна, не подвержены действию моли и микроорганизмов.
Основными недостатками хлориновых волокон являются их низкая термостойкость и малая светостойкость. Уже при 65— 70°C хлориновые волокна размягчаются и деформируются (наступает резкая усадка). При температуре —20 °C они становятся хрупкими. Под влиянием солнечных лучей и атмосферного воздействия прочность и удлинение хлориновых волокон понижаются.
Ткани из хлориновых нитей и пряжи находят применение во многих отраслях химической промышленности в качестве фильтровальных материалов для любой агрессивной жидкости и для изготовления спецодежды. Из хлоринового волокна в смеси с графитом можно изготовлять сальниковую набивку для насосов, перекачивающих кислоты и щелочи. Вследствие высокой устойчивости хлоринового волокна к истиранию его применяют так же как волокно термовиль для изготовления ковровых изделий и верхней одежды (в чистом виде или в смеси с шерстью).
Благодаря тому что при носке белья, изготовленного из хлориновых волокон (так же как из любых других поливинилхлоридных волокон), возникает трибоэлектричество, это белье применяется, для лечебных целей (от ревматизма).
Однако из-за недостаточной термо- и светостойкости производство хлориновых волокон не является перспективным.
ПОЛИВИНИЛСПИРТОВЫЕ ВОЛОКНА
Поливинилспиртовые волокна в СССР получили название вымол, в Японии— куралон, в США — винал.
Виниловый спирт в свободном состоянии не существует, так как в момент образования он изомеризуется, превращаясь в уксусный альдегид. Поэтому для синтеза поливинилового спирта используется винилацетат (получается из ацетилена и уксусной кислоты), при полимеризации которого получается поливинилацетат;
сн2=сн—► —сн2—сн—сн2—сн
ОСОСНзОСОСНз ОСОСНз
винилацетатполивинилацетат
Полимеризацию проводят в 80%-ном растворе винилацетата в метаноле. Полученный полимер омыляют щелочью (при 60—80 °C в течение 4 ч) в поливиниловый спирт:
—СН2—СН—СН^СН— —► ... сн2—сн—сн2—снОСОСНз ОСОСНз^н он
Уксусная кислота, израсходованная на получение поливинилацетата, регенерируется после образования поливинилового спирта. Таким образом, ее расход сводится только к возмещению неизбежных потерь.
* Поливиниловый спирт, применяемый для производства поливинилспиртовых волокон, имеет степень полимеризации 1200—1700.
Прядильный раствор, содержащий 14—16% полимера, получают растворением поливинилового спирта в воде при 80—90 °C и непрерывном перемешивании. После 2—3-кратной фильтрации прядильный раствор обезвоздушивают при выстаивании (при атмосферном давлении и температуре около 90°C).
Формование нитей из этого прядильного раствора проводится со скоростью 20—25 м/мин в осадительной ванне, содержащей 400—420 г/л сульфата натрия, при 40—45 °C. Для повышения прочности нити вытягивают в солевой ванне в 2—4 раза и затем' сушат и еще раз подвергают вытяжке при повышенной температуре в 2—5 раз. После этого нити подвергают термообработке в течение 5—10 мии при 210—225 °C, затем следует авиважная обработка и сушка. Для получения нитей, нерастворимых в кипящей воде, их в течение 20—40 мин ацеталируют в растворе, содержащем 15—20% серной кислоты, 20% сульфата натрия и 4% формальдегида. После такой обработки нити промывают водой, подвергают авиважной обработке и сушат. Полученные нити имеют следующие показатели:
Плотность, кг/м3 .1260—1300
Линейная плотность, текс 0,33—0,1
Прочность, мН/текс 260—400
Потеря прочности в мокром состоянии, % 15—20
Удлинение при разрыве, %.; 20—26
Комплексные нити для технических целей имеют прочность 700—900 мН/текс при удлинении 9—16%.
Поливинилспиртовые нити технического назначения применяют в основном для производства резиновых технических изделий (транспортерные ленты, шланги и др.); нити винол текстильного назначения используют для выработки тканей широкого потребления, а также тканей технического назначения (например, фильтровальных). Изделия из нитей винол обладают хорошей износоустойчивостью, сохраняют форму и размер при термообработке, быстро высыхают (нити винол при относительной влажности воздуха 65% поглощают всего 5—6% влаги).
Поливинилспиртовые волокна применяют в текстильной промышленности для изготовления различных тканей и трикотажа, постельного и нижнего белья.
Они могут применяться для изготовления различных резиновых технических изделий '(в Японии их применяют для выработки велосипедных и мотоциклетных шин).
Глава 20
ПОЛИОЛЕФИНОВЫЕ ВОЛОКНА И ПЛЕНКИ
К полиолефиновым волокнам в основном относятся полипропиленовые и полиэтиленовые волокна. Производство этих волокон перспективно благодаря ценному комплексу свойств и наличию доступного дешевого сырья — пропилена и этилена, получаемых в больших количествах при нефтепереработке.
Попытки получить нити и волокно из обычного полипропилена и полиэтилена оказались безуспешными вследствие их низкой механической прочности и недостаточной теплостойкости. Реальная возможность получения полиолефиновых волокон с высокими физико-механическими показателями появилась лишь в последние годы, после того как были разработаны методы синтеза и налажено промышленное производство стереорегулярного полипропилена и полиэтилена низкого давления.
Стереорегулярные полимеры резко отличаются по свойствам от полимеров того же химического состава со стерически нерегулярной структурой. Стереорегулярные полимеры характеризуются более вытянутой формой макромолекул, более высокой плотностью, меньшей растворимостью, значительно лучшими механическими свойствами и более высокими температурами плавления и размягчения.
Полипропиленовые нити и волокно. Из полипропилена можно получать текстильную нить, мононить и волокно.
■ Ниже приводится описание одной из схем получения текстиль' ной нити. ■
' Полипропилен в виде гранул загружают в экструдер, где он -расплавляется. Строго определенное количество расплава подается
Дозирующим насосом к фильерному комплекту. Здесь расплав фильтруется через металлические сетки и продавливается через отверстия фильеры. Вытекающие из фильеры струйки расплава попадают в шахту длиной 4—6 м, где они охлаждаются и превращаются в элементарные нити. Пучок элементарных нитей образует комплексную нить, которая наматывается на паковку. Для увеличения прочности сформованную нить подвергают вытяжке (в 6— 7 раз) на крутильно-вытяжных машинах с термоэлементами, аналогичными применяемым в производствах полиэфирных и полиамидных волокон.
Крученая нить подвергается термофиксации путем прогрева острым паром в автоклавах. Эта операция требуется для того, чтобы уменьшить усадку нитей и дополнительно повысить их прочность. После термофиксации и сушки нити перематывают на конические шпули и отправляют потребителю.
При получении полипропиленового волокна невытянутые нити соединяют в общий жгут, который вытягивается при 105—130°С в среде водяного пара. Вытянутый жгут гофрируется, подвергается термообработке, режется на короткие нити и упаковывается в кипы.
, Мононить, так же как и текстильную нить, получают экструзией гранул полимера, но в этом случае охлаждение вытекающих из фильеры струек расплава проводят в воде. Формование, вытягивание и термообработка мононити осуществляются на одном агрегате непрерывного действия.
Полипропиленовые волокна обладают комплексом ценных эксплуатационных свойств. Они легче воды, их плотность меньше плотности других химических и натуральных волокон. Прочность нитей достигает 600—800 мН/текс.
Полипропиленовые волокна стойки к действию щелочей и кислот. Из них можно изготовлять морские канаты и рыболовные сети, не подверженные гниению и набуханию в воде, а также некоторые изделия народного потребления (обивочные ткани, ковры, одеяла и т. п.).
Мономер для синтеза полипропилена (пропилен) получается в количестве десятков и сотен тысяч тонн при крекинге нефти, поэтому при промышленном производстве полипропиленовые волокна должны стать одним из самых дешевых синтетических волокон.
Полиэтиленовые иити. Как уже указывалось выше, выработка этих волокон, обладающих высокими физико-механическими показателями, стала возможна только в результате разработки метода синтеза линейного полимера — полиэтилена низкого давления.
В результате пуска ряда заводов по производству полиэтилена низкого давления в Советском Союзе создана реальная сырьевая база для многотоннажного производства изделий из полиэтилена (пленка, посуда, технические изделия, леска и др.). Полиэтиленовое волокно отечественной промышленностью не выпускается.
Полиэтиленовые нити получают по той же технологической схеме, что и полипропиленовые. Однако формование полиэтилено- 424
вых нитей проводится при более высоких температурах вследствие высокой вязкости расплава полиэтилена. Кроме того, полиэтиленовые нити подвергают более значительной вытяжке — в 10— 15 раз. Другие параметры, по существу, не отличаются от соответствующих параметров технологического процесса получения полипропиленовых нитей.
Полиэтиленовые волокна, так же как и пропиленовые, не набухают в воде и не тонут. В мокром состоянии прочность их не снижается.
По химической стойкости полиэтиленовые волокна превосхо- , дят все известные в настоящее время волокна, уступая лишь фторсодержащим и кремнийорганическим волокнам.
Полиэтиленовые нити можно применять для изготовления фильтровальных тканей, рыболовных сетей, канатов и в качестве армирующего материала для пластиков.
Благодаря низкой стоимости исходного сырья и сравнительно несложной технологии полиэтиленовые волокна наряду с полипропиленовыми являются одними из самых дешевых химических волокон.
Фибриллироваиная пленка. Широкое применение находит фиб- риллированная пленка, получаемая из полиолефинов (полипропилен и полиэтилен) как упаковочный материал. Фибриллирован- ной пленкой называют узенькие полоски полиолефиновой пленки, подвергнутые вытяжке в 6—8 раз.
Для производства фибриллированной пленки создан специальный агрегат, состоящий из экструдера, приемной охладительной ванны, резательного устройства для резки получаемой пленки на узкие полоски, вытяжного механизма, камеры для термофиксаций и намоточного механизма. На этом агрегате получают пленку через щелевую или кольцевую фильеру; пленка режется на полоски, ' которые вытягиваются, термофиксируются и наматываются на бобины. Полиэтиленовая пленка вытягивается на 600—700% ПРИ ПО—130°С. Полипропиленовая пленка вытягивается на 700— 800% при 140—160°C. Ниже приведены физико-механические показатели полипропиленовой пленки:
Толщина, мм0,05—0,08Прочность, гПа . . . ,0,1—0,4
Ширина, мм . .... .3—9Удлинение, % .... .10—25
Глава 21
ФТОРСОДЕРЖАЩИЕ ВОЛОКНА
Полифеновые волокна. Эти волокна получают из политетрафторэтилена, который обладает высокой температуростойкостью и хемостойкостью.
Однако переработка политетрафторэтилена в изделия затрудняется из-за того, что этот полимер не может быть переведен в
расплав без разложения и не растворяется в известных раствот рителях.-
Промышленный способ получения политетрафторэтилена основан на полимеризации тетрафторэтилена, который получается из фтористого водорода и хлороформа:
2HF + СНС13 —> CHF2C1 + 2НС1
Образующийся дифторхлорметан при нагревании до 700 °C отщепляет НС1; при этом получается тетрафторэтилен:
2CHF2C1 —> CF2=CF2 + 2НС1
Тетрафторэтилен способен полимеризоваться в присутствии пероксидов при 70—80 °C и сравнительно высоком давлении (4— 10 МПа):
F F F Fн2о2 1111n(CF2=CF2) с—С—С—С
i i i i
Полимер имеет линейную структуру. Для получения полифеновых волокон пришлось разработать принципиально новый метод, отличающийся от методов получения других синтетических волокон.
В результате полимеризации тетрафторэтилена получается водная дисперсия, которая после концентрирования содержит 58— 62% политетрафторэтилена. В эту дисперсию вводят загуститель— раствор водорастворимого или щелочерастворимого полимера, например раствор поливинилового спирта, или вискозу (1 объем дисперсии на 1 объем загустителя). Получается вязкий прядильный раствор, содержащий 30—40% политетрафторэтилена, из которого можно формовать нити. Политетрафторэтилен является наполнителем в этом растворе, так же, как это получается при введении в прядильный раствор суспензии двуокиси титана при матировании нитей (например, вискозы). При формовании приготовленного таким образом прядильного раствора получаются гидратцеллюлозные или поливинилспиртовые нити с равномерно распределенными в них мельчайшими частицами политетрафторэтилена. Из-за большого содержания наполнителя прочность нитей невысока (8 мН/текс), и они подвергаются дополнительным операциям — спеканию и вытяжке.
В процессе спекания нить (полуфабрикат) подвергается быстрому нагреванию до 380—390 °C при помощи электрических нагревателей. При этой температуре основа нити разрушается и удаляется в виде газообразных веществ, а частицы политетрафторэтилена спекаются, образуя монолитную нить, прочность которой несколько выше прочности нити, поступившей на спекание. При быстром нагревании высокодисперсные частицы спекаются до начала разложения полимера. При нагревании более крупных кусочков политетрафторэтилена спекание их протекает значительно
медленнее и полимер при этом начинает разлагаться. Таким образом, при спекании необходимо иметь полимер в высокодисперсном состоянии, придав ему форму нити.
Упрочнение нити достигается дополнительной вытяжкой его на 300—500% при повышенной температуре (более 300°C). Полученные таким образом полйтетрафторэтиленовые волокна имеют плотность 2200 кг/м3 и прочность 100—150 мН/текс. Гигроскопичность полифеновых волокон ничтожна, и вследствие этого прочность и удлинение нитей в мокром и сухом состояниях не изменяются. Полифеновые волокна обладают хорошей хемо- и термостойкостью.
Благодаря перечисленным свойствам эти волокна нашли широкое применение в различных областях техники. Из них изготавливают ткани для фильтрации горячих газов и сильно агрессивных жидкостей, кислотоупорные набивки для центробежных насосов и другие изделия.
Однако следует учитывать, что сырьевая база для полифеновых волокон ограничена, а стоимость их значительно выше стоимости других синтетических волокон. Поэтому эти волокна и ткани из них целесообразно применять только в тех случаях, когда другие синтетические волокна не могут выдержать условий эксплуатации.
Фторлоновые волокна. Как указывалось выше, недостатком по* лифеновых волокон является сложность технологии их изготовления из-за нерастворимости политетрафторэтилена. Однако известно, что существуют фторсодержащие полимеры — производные- а-олефинов, растворимые в доступных растворителях, например в ацетоне. Получение прядильного раствора в ацетоне значительно упрощает технологический процесс получения нити,так как для формования нитей могут быть использованы существующие методы и оборудование и, кроме того, это дает возможность получить нить более прочную, чем полифеновая.
Текстильная нить из ацетонового раствора фторлона формуется так же, как хлориновая нить, в водно-ацетоновую осадительную ванну, содержащую 4% ацетона, на прядильных машинах, предназначенных для формования текстильных хлориновых нитей.
Прядильный ацетоновый раствор содержит 14—16% полимера. Свежесформованная фторлоновая нить, содержащая значительное количество растворителя, вытягивается на 150—200% между дисками на прядильной машине при комнатной температуре.
Для повышения прочности высушенная нить дополнительно вытягивается в среде глицерина, нагретом до 136—142 °C. Суммарная вытяжка фторлоновой нити может быть доведена до 1500—1600%. Затем нить отмывается от глицерина и сушится с одновременной термофиксацией при 120—130°С в течение 1 ч. При такой обработке удлинение нити повышается с 8—10% до 12—20% без снижения прочности.
Плотность фторлонового волокна составляет 2130 кг/м3. При вытягивании нити на 1500% ее прочность может быть доведена
До 1—1,2 ГПа. Такая высокая прочность фторлоновых нитей не всегда нужна, тем более, что при этом снижается удлинение нити. Поэтому часто оказывается достаточным вытягивать нить на 300— 400%, что значительно упрощает технологический процесс и дает возможность получать нити с прочностью 0,5 ГПа. Удлинение нити можно регулировать в пределах от 8 до 40%, что связано со степенью вытяжки и терморелаксацией нити.
Гигроскопичность фторлоновых волокон очень незначительна, примерно такая же, как полифеновых, поэтому прочность и эластические свойства фторлоновых волокон в сухом и мокром состоянии не изменяются.
Светостойкость этих волокон высокая, равная примерно светостойкости полифеновых волокон и не уступающая светостойкости полиакрилонитрильных волокон. Хемостойкость фторлоновых волокон так же высока, как и хемостойкость полифеновых волокон. Эти волокна устойчивы в концентрированной азотной кислоте как при нормальной, так и при повышенной температуре.
По термостойкости фторлоновые волокна значительно уступают полифеновым. С увеличением степени вытяжки термостойкость их несколько повышается, но даже для высокопрочных фторлоновых волокон максимальная температура, при которой они могут применяться, не превышает 120—130°С.
Как видно из приведенных данных, свойства фторлоновых и полифеновых волокон довольно близки, кроме прочности, которая у фторлоновых волокон в несколько раз больше, чем у полифеновых, и термостойкости, которая у полифеновых волокон значительно выше, чем у фторлоновых волокон.
Технология получения фторлоновых волокон менее сложна, чем полифеновых, но сырьевая база для фторсодержащих волокон ограничена.
Глава 22
ХИМИЧЕСКИЕ ВОЛОКНА СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
По мере развития науки и техники к химическим волокнам предъявляются новые требования, которым не удовлетворяют серийно вырабатываемые волокна. Для ракето- и самолетостроения в большом количестве требуются термостойкие и жаростойкие волокна, которые могут работать при температурах от 300 до 3000°C. Для армирования различных технических изделий нужны волокна с большой прочностью (около 2,5 ГПа) и с начальным модулем 300—400 ГПа.
Для медицинских целей необходимы бактерицидные волокна; ряд отраслей народного хозяйства нуждается в негорючих, ионообменных, водо- и маслоотталкивающих, полупроводниковых и других волокнах со специальными свойствами.
Некоторые волокна вырабатываются в промышленном масштабе (стеклянные волокна); термостойкие, жаростойкие и другие волокна вырабатываются в полупроизводственном масштабе.
ТЕРМОСТОЙКИЕ ВОЛОКНА
Искусственные и синтетические волокна не могут работать при высоких температурах, так как при температуре около 200 °C они плавятся или разлагаются вследствие термической деструкции. Капроновые и лавсановые волокна при 140°C теряют 50% прочности, которая восстанавливается при охлаждении. Обратимые изменения свойств химических волокон характеризуют его теплостойкость. Необратимые изменения свойств химических волокон при высоких температурах, претерпеваемые ими во времени, определяют их термостойкость.
При высоких температурах и длительном действии усилий, значительно меньших разрывных, развиваются деформации, приводящие к разрыву нити вследствие текучести полимера; это явление называется крипом. Структурирование (сшивка) полимера в некоторой степени снижает текучесть при одновременном повышении температуры плавления полимера. Например, при обработке капроновых нитей формальдегидом происходит сшивка макромолекул поликапроамида с отщеплением воды в местах пептидных связей:
СО2NH (CH2)sСО2NH (CH2)sII
СО
2NH (CH2)s
СО
2NH (CH2)s
СОсо
+неон ||
>• N—СН2—N+ Н2О
II
(СН2)5(СН2)5
В результате такой обработки при 200°C капроновые нити сохраняют 42—43% первоначальной прочности; полиакрилонитрильные нити обработанные сульфидом аммония, сохраняют. 62—67% первоначальной прочности.
Повышение температуры плавления полимеров может быть достигнуто введением в цепь макромолекул ароматических или гетероциклических звеньев:
Повышенную температуру плавления имеет и полимер с -сопряженными связями (полифенилен):
Полимеры, содержащие ароматические, гетероциклические или сопряженные связи, отличаются интенсивным межмолекулярным
взаимодействием и очень большой жесткостью макромолекул; Для них характерна высокая температура плавления и стеклования. Многие полимеры такого типа не плавятся и не растворяются, они имеют высокую термическую и химическую стойкость. Получение нитей из таких полимеров сопряжено с большими трудностями, а в некоторых случаях просто невозможно.
Термо- и теплостойкие гетероциклические волокна получают двухстадийным методом. На первой стадии получают линейный полимер, не содержащий гетероциклов и растворяющийся в доступных растворителях; из этого полимера получают нити обычным методом.
На второй стадии проводится химическая или термическая обработка полученных нитей, вследствие чего в полимере происходят дальнейшие превращения, сопровождающиеся образованием гетероциклов, а в некоторых случаях — системы сопряженных связей. Готовая нить после такой обработки становится нерастворимой, не плавится и приобретает высокую тепло- и термостойкость.
Ниже приводится схема получения полипиромеллитимидных волокон. При взаимодействии диангидрида пиромеллитовой кислоты с диаминодифенилоксидом образуется полиамидокислота:
Из полученной полиамидокислоты обычным методом формуют нить, которая после вытяжки подвергается термической или химической циклизации с образованием нерастворимых гетероциклов!
В СССР разработаны технологические процессы получения тепло- и термостойких волокон нескольких типов, из которых практическое применение нашли следующие: аримид, фенилон, сульфон-1
и др. В США выпускают термостойкое волокно, называемое но- макс, с прочностью нитей 450—540 мН/текс; они могут продолжительное время находиться при температурах около 200°C без изменения свойств и более короткое время — до 300 °C. Прочность фе— нилоновых нитей составляет 450 нМ/текс; при 300 °C они сохраняют 42%, а при прогреве около 300 °C в течение 100 ч —54% от исходной прочности. Термостойкое волокно сульфон-Т по термо- и теплостойкости превосходит термостойкое волокно номакс.
Наилучшими свойствами обладает отечественное сверхпрочное синтетическое волокно вниивлон, характеризующееся следующими физико-механическими показателями:
Плотность, кг/м3. 1430
Прочность, ГПа 1,5—1,7
Удлинение при разрыве, % ........ 3—7
Прочность в мокром состоянии, % от исходной 86—96
Термостойкость (сохранение прочности при 300 °C), % . .64—79
Термостабильность (сохранение прочности при выдержи
вании на воздухе в течение 100 ч при 300 °C), % . . . .60—68
ЖАРОСТОЙКИЕ ВОЛОКНА
Жаростойкие волокна могут работать при температурах выше 1000 °C. К ним относятся стеклянные, углеродные, борные, борнитридные, сапфировые и некоторые другие. Широкое применение во многих отраслях народного хозяйства нашли стеклянные волокна. Большой интерес представляют углеродные ■ волокна, так как в зависимости от методов получения их свойства изменяются в большом диапазоне и они применяются для изготовления разнообразных технических изделий. Сырьем для получения углеродных волокон служат целлюлозные, полиакрилонитрильные, поливинилспиртовые и другие волокна, но большая часть углеродных волокон вырабатывается из полиакрилонитрильных и целлюлозных волокон. Углеродные волокна получаются в результате пиролиза исходных волокон. В зависимости от конечной температуры обработки получаемые углеродные волокна подразделяют на 3 группы: частично карбонизованные (400—500°С); углеродные (900— 1500°С) и углеграфитовые (3000°C).
Пиролиз нитей проводится в специальных печах. Наиболее сложен пиролиз гидратцеллюлозных нитей: перед термической обработкой нити подвергают обработке растворами антипиренов (хлорид аммония, фосфат аммония, бура, борная кислота).
В присутствии кислорода углерод сгорает, превращаясь в диоксид и оксид углерода. При этом выход углеродных волокон снижается, поэтому очень важно не допустить сгорания углерода и следить за средой, в которой проходит пиролиз. Обычно его проводят в защитной среде (инертные газы, продукты распада цел-' люлозы, угольная засыпка и др.).
Пиролиз вначале проводят при медленном подъеме температур (до 400°), далее в интервале от 400 до 900 °C температуру постепенно повышают и на последнем этапе (от 900°C и выше) подъем
температуры проводится быстро. Углеродные волокна представляют собой материал,-состоящий из аморфного и кристаллического углерода. При вытягивании нитей во время пиролиза происходит графитация материала, содержание кристаллической фракции увеличивается, совершенствуется кристаллическая решетка графитовой структуры, и прочность нитей значительно возрастает. Прочность углеродных нитей достигает 2,5 ГПа; в отсутствие кислорода воздуха они могут эксплуатироваться при температуре около 3000°C.
СТЕКЛЯННЫЕ ВОЛОКНА
Стеклянные волокна относятся к классу негорючих химических волокон, обладающих высокой термо- и теплостойкостью, высоким модулем упругости, а также прочностью при малом удлинении. Стеклянные волокна с такими физико-механическими свойствами находят широкое применение в различных отраслях народного хозяйства в качестве армирующего материала для изготовления стеклопластиков; как тепло- и звукоизоляционный материал. Из стеклянных нитей изготавливают технические ткани, в том числе фильтровальные, эксплуатирующиеся при высоких температурах в агрессивных средах, и другие изделия.
Сырьем для получения стеклянных волокон служит стекло, представляющее собой аморфное изотропное вещество, получаемое переохлаждением расплавов неметаллических оксидов и оксидов металлов. Для производства стекла применяют материалы, склонные к переохлаждению и переходу в стеклообразное состояние (силикаты, бораты и фосфаты). Наибольшее распространение получили силикатные стекла, представляющие собой химическое соединение кремнезема с другими оксидами.
Физико-химические свойства стекла зависят от его химического состава, условий варки и последующих термической и химической обработок. Процессы стеклообразования, формования изделий и затвердевания стекла протекают в широком интервале значений вязкости (от 10 Па-с при 1400°C до 1014 Па-с при 20°C).
Ниже приводится химический состав стекол для производства стеклянных волокон:
Вид стеклянных волокон
SiO2
Содержание оксидов, %
NajO
AI2O3 В2О3
СаО
MgO
Комплексная нить
54
14,510
16,5
4
1
71
3-
8
3
15
Волокно
55
5-
22
6
11
Стеклянные волокна в зависимости от их.назначения и способа производства изготавливают из стекол различного химического состава. Комплексную нить получают главным образом из безщелоч- ного алюмоборосиликатного стекла. Волокна, работающие при температурах около 1000°C, получают из кварцевого стекла, расплавов каолина и щелочесодержащих стекол, в которых после выщелачивания содержание SiO2 достигает 96—97%. Комплексную нить, 432
предназначенную для защиты от рентгеновских и радиоактивных излучений, получают из свинцово- и боросодержащих стекол. Полупроводящие волокна — из стекол, содержащих одновалентные оксиды меди и серебра.
Стекла для получения волокна разнообразны по составу, но все они отличаются высоким содержанием щелочноземельных оксидов, в то время как содержание SiO2 не превышает 60%, содержание А12О3 колеблется в пределах 2—10 (в редких случаях до 21%), Na2O — до 18%, а содержание Fe2O3 зависит от качества сырья, используемого для приготовления стекол.
Свойства стеклянных волокон зависят не только от состава стекла, но и от способа производства, диаметра нити, состояния и температуры окружающей среды.
Способы выработки стеклянных волокон классифицируют, исходя из двух основных принципов формования стеклянных нитей: утонения струйки стекломассы и превращения ее в непрерывную нить; разделения и расчленения струи расплавленного стекла при одновременной вытяжке коротких нитей.
Из струйки стекломассы нити вытягиваются механическим путем или с помощью воздуха или пара. Каждый из этих способов может быть одностадийным или двухстадийным. При двухстадийном процессе стеклянные нити вырабатываются из стеклоплавиль- ,ных сосудов или печей, питаемых стеклянными шариками, штаби- ками или гранулятом; при одностадийном процессе — из стекловаренных печей, питаемых шихтой.
Для механической вытяжки нити используют барабаны, съемные бобины, вытяжные влики, колеса или прядильные головки; вытяжка воздухом или паром проводится с помощью дутьевой головки.
Разделение струи расплавленного стекла условно'делят на три группы способов: способы раздува, центробежные и комбинированные. К первой группе относятся способы вертикального и горизонтального раздува паром, воздухом или горячими газами; ко второй— центробежный горизонтальный (дисковый) и центробежный вертикальный (многовалковый); к третьей — способ получения ультра- и супертонких нитей, способ центрифугально-дутьевой и центробежно-дутьевой.
В отечественной промышленности стеклянную комплексную нить получают главным образом двухстадийным способом.
Схема установки для получения комплексной нити двухстадийным способом представлена на рис. 22.1. Стеклянные шарики из бункера / автоматически подаются в стеклоплавильный сосуд 3 и -расплавляются в нем. В дне сосуда — фильерной пластине — вварены короткие насадки (фильеры). Стекломасса, вытекающая из фильер, вытягивается в нити при помощи наматывающего механизма 7. Стеклянные нити собираются в комплексную нить в замасливающем устройстве 4 и наматываются с большой скоростью на съемную бобину 6. Этим способом получают комплексную нить, состоящую из элементарных нитей диаметром 3—14 мкм.
Рис. 22.1. Схема агрегата СПА-Зс для получения непрерывного стеклянного волокна двухстадийным способом:
/—бункер; 2 —дозирующее устройство: 3 —стеклоплавильный сосуд; 4 — замасливающее устройство; 5—механизм раскладки; 6 —бобина; 7—наматываю- щий механизм; 3—электродвигатель.
Дозирование расплава стекла, вытекающего из фильер, производится путем регулирования температуры и уровня расплава в стеклоплавильном сосуде. Чем выше уровень расплава в сосуде, тем больше скорость вытекающей струи расплава, а чем выше его температура, тем меньше его вязкость и тем выше скорость течения его через отверстия фильер. Необходимо обеспечить непрерывное поступление стеклянных шариков в сосуд, чтобы компенсировать вытекание стекломассы через фильеры, и точно выдерживать температуру расплава при формовании нити.
Объем стекломассы Q, вытекающей из одной фильеры, определяется из уравнения
Q = ^-
Где /( — константа; d— диаметр отверстия фильеры; Н — уровень стекломассы в сосуде; L — длина канала в фильере; и — вязкость расплава.
Количество расплава стекла, вытекающего через отверстие фильеры, не зависит от скорости вытягивания нити, и поэтому, считая, что поперечное сечение нити круглое, а сама нить представляет собой цилиндр, определяют диаметр нити dH, сформованной при скорости V (м/мин).
Объем отрезка нити, полученной в течение 1 мин, будет равен объему стеклянной массы, вытекающей через фильеру в течение 1 мин, т. е.:
nd2HV
откуда
. 4Qи лУ
В промышленных стеклоплавильных сосудах уровень стекломассы поддерживается в пределах от 10 до 20 см (в зависимости от условий формования); длина фильер — от 0,3 до 0,6 см; диаметр фильер —от 0,08 до 0,35 см. Вязкость стекломассы на выходе из фильеры может изменяться от 10 до 300 Па-с в зависимости от интенсивности охлаждения стекломассы в подфильерной зоне. Скорость вытягивания волокна достигает 60 м/р. Линейная плот-
ность нити регулируется Пу1ем изменений Температуры фильерной пластины и скорости вытягивания нити.
Промышленность стеклянных волокон оснащена стеклопрядильными агрегатами СПА-бс и СПА-Зс, состоящими соответственно из 6 и 12 индивидуальных установок.
Стеклоплавильные сосуды для выработки комплексной стеклянной нити имеют от 50 до 800 фильер. Сосуды изготавливают из . платинородиевого сплава. Срок службы стеклоплавильных сосудов 4—9 месяцев. После выхода сосудов из строя они заменяются новыми, а отработанный металл отправляется на переплавку и очистку от примесей (аффинаж). Стеклоплавильные сосуды разогреваются до рабочих температур (1250—1450°С) проходящим через них электрическим током силой 2000—6000 А при напряжении 3—6 В. Такие параметры тока обеспечивают понижающие трансформаторы марки ТК 12-06 и ТК 16-06. Электрическая мощность, потребляе- _ мая одной установкой, составляет в зависимости от производительности установки 10—25 кВт.
Для замасливания применяют валковые устройства, на которых замасливаются элементарные нити, которые затем соединяют в нить, или роликовые, на которых замасливание и образование нити происходит одновременно.
Наматывающий механизм вытягивает элементарные нити из фильер путем намотки нити на вращающуюся бобину. Бобины устанавливают на двух бобинодержателях поворотного стола и приводят во вращение электродвигателем через клиноременную передачу со смежными шкивами.
Нить укладывается в паковку за счет одновременного вращения и продольного перемещения щелевого раскладчика нити. При вращении раскладчика происходит послойно-крестовая раскладка нити, а при продольном перемещении раскладчика — укладка нити на конус. В зависимости от массы паковки и линейной плотности нити подбирается скорость продольного перемещения раскладчика для получения равновесной паковки.
Производительность отдельной установки колеблется от 6 кг/сут для 100-фильерного сосуда при выработке нити диаметром 3,0 мкм (линейная плотность 1,8 текс) до 300 кг/сут для 400- фильерного сосуда при выработке нити диаметром 10 мкм (линейная плотность 84 текс).
Оператор при обслуживании установки следит за процессами формования элементарных нитей, замасливания и намотки нити на съемную бобину. При пуске установки оператор собирает в пучок грубые невытянутые элементарные нити, образующиеся на всех фильерах, укладывает пучок нитей в нитесборник замасливающего устройства, наматывает грубую нить на край бобины, включает наматывающий аппарат и после набора бобиной заданной скорости вводит нить в раскладчик, после чего начинается намотка нити в паковку, масса которой может достигать 1—5 кг. После завершения цикла намотки нити на бобину стол наматывающего
аппарата поворачивается, бобинодержатель с запасной бобиной устанавливается в рабочее положение и н а нее наматывается нить.
Бобина с намотанной нитью в это же время устанавливается в холостое положение. Оператор снимает с бобинодержателя бобину с нитью и надевает на него пустую бобину. В случае обрыва элементарной нити у любой фильеры, или обрыва нити в замасливающем устройстве или раскладчике оператор останавливает работу наматывающего аппарата и повторяет сначала операции пуска установки. Один оператор одновременно обслуживает 3—4 установки.
Коэффициент полезного времени работы установок составляет 0,75—0,9. От 10 до 25% стекла в виде грубой нити попадает в отходы, которые после измельчения вместе с шихтой загружаются в стекловаренную печь и используются для получения стеклянных шариков.
Разработка комплексной нити проводится в соответствии с заданной линейной плотностью, по качеству склейки элементарных^ нитей и качеству намотки. Отклонения по линейной плотности стеклянной нити допускаются в пределах ±5%. Для поддержания постоянной линейной плотности нити используют регуляторы-температуры типа ВРТ-2, обеспечивающие постоянную температуру фильерной пластины в пределах 1 °C (при значениях температуры 1250—1350 °C).
Все элементарные нити должны быть склеены друг с другом, в противном случае при размотке, крутке и текстильной переработке комплексной нити отдельные элементарные нити разрываются, нить получается ворсистой, физико-механические характеристики и внешний вид изделий из ворсистых нитей ухудшаются.
В качестве замасливателей применяют быстро застывающие эмульсии на основе парафина, водные растворы клеящих веществ, а также другие композиции, облегчающие вытягивание стеклянных нитей. Комплексная нить обычно содержит до 2—3% замас- ливателя. Бракованная нить срезается с бобин и в виде срезов отправляется потребителю.
Схема установки для получения нити одностадийным способом показана на рис. 22.2. Для получения стекломассы в ванную стекловаренную печь 1 загружают шихту в смеси со стеклянным боем. Сваренная стекломасса поступает в фидер 2, в дне которого размещены заборные устройства (струйные трубки) 3, подводящие стеклянную массу к фильерным питателям 4. Стекломасса вытекает из фильер, растягивается в элементарные нити, которые собираются в нитесборнике 5, образуя комплексную нить 6. Нить вытягивается валковым устройством 7, валки которого вращаются навстречу друг другу. Далее с помощью раскладчика 8 (эжекторного типа) нить раскладывается на движущейся сетке конвейера 9. Получающиеся слои нитей 10, линейная плотность которых определяется скоростью движения ленты конвейера, пропитываются клеящим составом и поступают на другой конвейер с сушильной камерой. После сушки получают стеклянный холст 12, служащий армирующим материалом для стеклопластиков.
Рис. 22.2. Схема установки для получения нити одностадийным способом:
/ —стекловаренная печь; 2—фидер; 3—струйная трубка) 4— фильерный питатель; 5—ните- сборник; 6—нить; 7—валковое устройство; 8—раскладчик; Я—конвейер; 10—жгут; //-—сушильная камера; 12—стеклянный холст.
Одностадийным способом получают нити диаметром 9—20мкм. При замене вытяжных валков наматывающими аппаратами на этой же установке можно получать стеклянные элементарные и комплексные нити текстильного назначения.
Получение стеклянного шпона. Из комплексной стеклянной нити может быть получен шпон по следующей схеме. Электропечь со стеклоплавильным сосудом, смонтированная на передвижной каретке, может перемещаться параллельно оси наматывающего аппарата. Наматывающий аппарат имеет барабан диаметром 1,0 и длиной 3,0 м. При одновременном вращении барабана и перемещении печи происходит вытягивание и послойно-крестовая намотка нити на барабан. Перед намоткой нити покрывают при помощи пульверизатора полимерным связующим. После намотки на барабан требуемого числа слоев нити получается цилиндрическая заготовка, которую разрезают по образующей и снимают с барабана в виде плоского листа (шпона).
Получение ультра- (УТВ) и супертонкого (СТВ) волокон. Процесс получения УТВ и СТВ —- двухстадийный (рис. 22.3); он основан на раздуве непрерывных стеклянных нитей потоком раскаленных газов. Из электропечи 1, питаемой стеклянными шариками,, валками 5 вытягиваются нити диаметром 100—200 мкм и подаются в поток раскаленных газов 6, выходящих из сопел камеры сгорания 7 с большой скоростью. Под действием высокой температуры и кинетической энергии газового потока происходит расплавление и расчленение нитей на отдельные элементы, который вытягиваются в тончайшие волокна. Эти волокна уносятся газами в диффузор
Рис. 22.3. Схема получения ультра- и супертонкого волокна:
/—электропечь; 2—стекломасса; 3—фильера; 4—грубое волокно;
5—вращающиеся валки; 6—поток газов; 7—камера сгорания.
и оседают на движущейся сетке приемного конвейера. Получающийся холстик сматывается в рулон. При изготовлении ультра- и супертонкое волокно, покрытое связующим, подвергают термической обработке в камере
сушки и отверждения, а затем маты склеивают алюминиевой
фольгой или синтетической пленкой.
Техника безопасности. В производстве стеклянных волокон наиболее опасным является выделение стеклянной пыли, образующейся на всех стадиях производства. Стеклянная пыль, попадая на
кожу, может вызвать раздражение. Для удаления ее из производственных помещений предусмотрена приточно-вытяжная венти
ляция.
Концентрация стеклянной пыли в производственных помещен ииях не должна превышать 3 кг/м3.
Многие аппараты работают при высокой температуре, поэтому
при нарушении теплоизоляции возникает опасность сильных ожогов; кроме того, ожоги могут возникнуть при попадании на тело расплавленной стеклянной массы. Для предотвращения этой опасности все горячие аппараты необходимо тщательно изолировать, и за состоянием изоляции должно быть установлено повседневное наблюдение.
Для создания нормальных условий работы у горячих аппаратов должны предусматриваться воздушно-душирующие устройства.
Физико-механические свойства и области применения стеклянных волокон. Ниже приводятся основные физико-механические характеристики стеклянных нитей:
Плотность кг/м3 2200—3500
Прочность, ГПа■ 1,8—4
Модуль упругости, ГПа . . . .40—1200
Коэффициент термического расширения в интервале 25—200°С (10-80)■ 10"7
Гигроскопичность, % . 0,1—0,3
Изделия из стеклянных волокон имеют низкую устойчивость к многократным изгибу и истиранию, однако эти показатели могут быть значительно улучшены после пропитки материалов лаками и смолами.
Стеклянные волокна из бесщелочного стекла обладают высокой стойкостью к горячей воде и пару. В кислотных средах хорошо, работают стекловолокнистые материалы из кварцевого и каолинового стекла; в щелочных средах — щелочесодержащие стекловолокнистые материалы.
Адгезия лаков и смол к стеклянным нитям повышается при
обработке их поверхности гидрофобными веществами на основе кремнийорганических соединений.
Электроизоляционные материалы из стеклянных волокон применяются в виде нитей, пряжи, лент, тканей и сеток. По своим электроизоляционным и механическим свойствам они превосходят все материалы из органических волокон и могут применяться в условиях повышенной влажности и температуры.
Фильтровальные материалы, выпускаемые в виде тканей и сеток, ваты, однонаправленных нитей и холстов, отличаются стойкостью к действию агрессивных жидкостей и газов, расплавов ряда солей и металлов в широком интервале температур.
Стеклянные ткани бытового назначения при- . меняются там, где требуется негорючесть, биостойкость, повышенная прочность при растяжении. Их можно использовать для изго- . товления занавесей, портьер, панно, для обивки мебели, отделки интерьеров помещений, вагонов, самолетов, судов и т. д.
Световоды из стеклянных волокон нашли применение для передачи световой энергии или изображения по прямолинейному или криволинейному пути в военной технике, медицине, кинематографии, электронике. На основе световодов создаются принципиально новые сложнейшие приборы для различного рода научных исследований.
Изоляционные изделия из стеклянных волокон благодаря высокопористой структуре обладают повышенными тепло- и звукоизоляционными свойствами.
Стеклопластики — материалы на основе комбинаций различных стекловолокнистых наполнителей (нити, жгуты, ткани, вата и т. д.) и полимерных связующих. Наполнители воспринимают основные нагрузки при работе стеклопластиков, связующее обеспечивает склеивание отдельных нитей и способствует равномерному распределению нагрузки.
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
Айзенштейн Э. ЛЕ, Кубинский О. Р. Производство полиэфирных волокон. М., Высшая школа, 1965. 94 с.
Артеменков М. А. Техника безопасности при производстве химических волокон, М., Химия, 1966. 145 с.
Браверман П. Ф., Чачхиани А. Б. Оборудование и механизация производства химических волокон. М., Машиностроение, 1967. 324 с.
Гарф Е. В., Пакшвер А. Б. Технические расчеты в производстве химических волокон. М., Химия, 1978. 254 с.
Зазулина 3. А., Конкин А. А. Основы технологии химических волокон. М., Химия, 1969. 343 с.
Зернов Е. В. Организация и планирование производства химических волокон. М., Химия, 1966. 305 с.
Кляре Г., Фрицше Э.э Г ребе В. Синтетические полиамидные волокна. М., Мир, 1966. 683 с.
Конкин А. А., Зверев М. П, Полиолефиновые волокна. М., Химия, 1966, 278 с. Контроль производства химических волокон/Под ред. А. Б. Пакшвера и А. А. Конкина. М., Химия, 1967. 606 с.
Костров К). А. Химия и технология ацетатных волокон. М., Химия, 1967. 205 с. Кудрявцев Г. И., Носов М. /7., Волохина А. В. Полиамидные волокна. М., Химия, 1976. 260 с.
Новые поверхностно-активные вещества в производстве химических волокон. Обзорная информация. М_, НИИТЭХИМ, 1978. 31 с.
Новые способы обезвреживания вентиляционных выбросов в производстве искусственного волокна. Обзорная информация. М., НИИТЭХИМ, 1978. 41 с/ Пакшвер А. Б. Физико-химические основы технологии химических волокон. М., Химия. 1973. 430 с.
Пакшвер А. Б., Геллер Б. Э. Химия и технология производства волокна нитрон. М., Госхимиздат, 1960. 147 с.
Производство шинного корда/Конкин А. А., Кудрявцев Г. И., Серков А. Т„ Ку- пинский Р. В. Л., Химия, 1964. 480 с.
Прошков А. Ф. Машины для производства химических волокон. М„ Машиностроение, 1974. 472 с.
Роговин 3. А. Новое в производстве химических волокон. М., Знание, 1977. 64 с. Роговин 3. А. Основы химии и технологии производства химических волокон. М., Химия, 1974, т. I, 517 с.; т. II, 344 с.
Сигал М. Б., Козиорова Т. И. Синтетические волокна из дисперсий полимеров. М„ Химия, 1972. 140 с.
Соколов Г. В. Кручение корда и производство кордных нитей из химических волокон. М., Легкая индустрия, 1965. 248 с.
Филинковская Е. Ф., Серебрякова 3. Г. Текстильно-вспомогательиые вещества в производстве химических волокон. М., Химия, 1970. 204 с.
Фингер Г. Г. Производство вискозы. М., Химия, 1968. 162 с.
Фингер Г. Г. Формование и отделка вискозных волокон. М., Химия, 1969. 182 с. Фишман К. E.t Хрузин Н. А. Производство волокна капрон. М., Химия, 1976 304 с.
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Авиваж 156, 157
Авироль 157
Автоклав
для крашения под давлением 380
— полиамидирования капролактама 275, 276
— получения ПЭТФ 341
Агрегат
для непрерывного полиамидирования капролактама и формования волокна 282
СПА-Зс для получения непрерывного стеклянного волокна 434
Агрегатные состояния полимеров 20
Адипонитрил 268, 269
Акрилан 412
Акрилонитрил 394 сл.
растворители 398
свойства 396
синтез полимеров и сополимеров акрилонитрила 399 сл.
технологическая схема синтеза 396
Активация целлюлозы 226, 228, 232 е-Аминокапроновая кислота 26, 263, 270
Аммиак 216
регенерация из медноаммиачного прядильного раствора 223
Аморфные полимеры 20
Анид 26, 35, 49
свойства 321
формование нитей 321, 322
Анидные нити 315
Анизотропия полимера 20
Антипирены 389
Антистатики 390
Аппарат
АНП-10 284, 285
ВА 94
для непрерывного обезвоздушива- ния вискозы ПО
— — расплавления ДМТ 342
непрерывной полимеризации с ва* куумированием расплава 285.
для отделки капроновых нитей 303 Аппаратура
вискозного цеха 104 сл.
для ксаитогенирования 92 сл.
Аппараты непрерывного полиамидиро* вания капролактама 283 сл.
Атактические полимеры 11
А-Телл 390 сл.
АТМ-300 341
Ацетатные волокна 34, 48, 223 сл., 256 сл.
полые 225
Ацетатный сигаретный жгут 258, 259
Ацетаты целлюлозы 224
методы получения 226, 228
Ацетаты целлюлозы
требования при производстве волокон 235 сл.
Ацетилен 268, 415
Ацетилирование
вискозные волокна 228, 258
целлюлозы 227
Ацетилирующая смесь 226
Ацетиляторы 230
Ацетон 247, 415, 427
Бак-мерсеризатор 66
«Баллон» 171
Бан-лон 324
Белковые волокна 34
Бензодиоксановое волокно 392
Бензол 267, 268
Бикомпонентные полиэфирные нити 380, 381
Биологическая стойкость ' полиэфирных нитей 385, 386
Блочная полимеризация 14
Бобинажно-перемоточная машина 170 Бобинные прядильные машины 139 Бобинный способ формования 121
Вакуум-выпарная установка 151 Вакуум-ксантат-мешалка 92, 93 Винал 422
Винилацетат 397
Винилхлорид 415
Винол 422
Вискоза 34, 89 сл.
для получения пленки 200 обезвоздушивание 109. 110 подготовка к формованию 100 сл* получение 61 сл.
созревание 100 сл.
Вискозная пленка 199 сл.
лакировка 206, 207
отделка 203
резка 205
сушка 204
формование 200 сл.
Вискозные баки 104
Вискозные волокна 48, 181 сл.
ацетилирование 258
кордные нити 172 сл.
Вискозный аппарат см. Аппарат ВА Влажность волокон 43 сл.
кондиционная 43
Внешний вид волокон 47, 50
Вниивлон 431
Вода
жесткость 60
материальный баланс при формовании вискозного волокна 187, 188^
Волокно (определение) 32, 36
Воронка 131
ВОТ 289
Вторичный ацетат целлюлозы 226, 227, 235
Выпарная контактная установка 150 сл.
Высокомодульное (вискозное) волокно 48, 199
Высокомолекулярные соединения (определение) 9
Высокообъемные нити 250, 255, 265
Высокопрочные волокна ацетатные 258 полиэфирные 372, 373
Высокоусадочные полиэфирные волокна 389
Высокоэластическая деформация 22
Высокоэластическое состояние полимера 20
Вытягивание 38 и термообработка технической нити лавсан 370
капронового волокна (штапельного) 308
капроновых нитей 298
полиэфирных нитей 364
Вытяжная машина для полиэфирных нитей 370
Вязкотекучее состояние полимера 20
Галогенсодержащие полимеры 24, 25
Гексаметилендиамин 315
Гемицеллюлоза 55
Гетерополиконденсация 17
Гетероцейные полимеры 10
Гетероциклы 16
Гигроскопичность нити 43
Гидратцеллюлозные волокна 33, 34
Гидроксид меди 219
Гидролитическая полимеризация 17
Гидрофильные волокна 43
Гидрофобные волокна 43
Глобулы 20
Гомополиконденсация 17
Гомополимеры 10
Горизонтальные машины непрерывного процесса для производства кордной нити 178
Гофрировка жгута 367
Грабельно-мыловочная машина 195
Гранулирование полиэтилентерефта- лата 349, 351
Грануляторы
фирмы «Автоматик» 350
— «Бармаг» 349
Дакрон 27, 327
Двуокись (диоксид) титана 240, 277
Двухванное формование 197
Двухтуннельные Сушилки ВТИ 164, 165
Дедерон 264
Деструкция полимеров 18, 19
Десульфурация 155, 156
Деформация полимеров 22, 23
Диализаторы 75, 76
Диацетат целлюлозы 224
Диацетатные волокна 226 нити 237 сл., 242 сл.
Дигликольтерефталат поликонденсация 337 сл. регенерация 382 свойства 337 синтез 334 сл.
Диметилсульфоксид 398, 399, 406 сл.
Диметилсульфоксидный способ формования полиакрилонитрильных , жгутов 406 сл.
Диметилтерефталат 329 сл. переэтерификация 345, 346 расплавление 343 растворение 343, 345 регенерация 382 схемы получения 330, 333
Диметилформамид 398, 406 сл., 415
Диметилформамидный способ формования полиакрилонитрильных жгутов 405 сл.
Динил 276, 341
Дозирующий насос 130, 131
Дралон 393
Едкий натр 56, 57 регенерация 74 сл.
Жаростойкие волокна 431, 432
Жгут
гофрировка 367
полиакрилонитрильный 404 сл.
полиэфирный 363 сл.
резка 191
— дефекты при резке 192
хлориновый 421
Жгуторезка РЖ-540-И 191, 192
Замасливатели
БВ 293
для ди ацетатных нитей 248, 249
НО-2 376
Зольность ацетатов целлюлозы 237
Зрелость вискозы 102
Измельчение щелочной целлюлозы 77 сл.
Измельчитель непрерывного действия 78, 79
Изотактические полимеры И
Ингибиторы полимеризации 12, 14
Инициаторы полимеризации 12, 14 Ионная полимеризация 15 сл.
Искусственные волокна 51 сл.
Итаконовая кислота 397
Камера кондиционирования КЛШ- 240-И 196
Камерный диализатор 76
Канекалон 413
Капролактам 26
способы синтеза' 266 сл.
расход 309 сл.
регенерация 281
Капроновое волокно 35, 49, 264 способы получения текстильных нитей 266
штапельного волокна 306 сл.
I Карбоцепные волокна 35
Карбоцепные полимеры 11
Кашмилон 393
Кислотная станция 144 сл.
аппаратура 147 сл.
схема 146
Классификация волокон 32 сл.
схема 34, 35
- Кодель 392
Комплексная нить (определение) 36
Кондиционирование нитей 165, 305 камера кондиционирования КЛШ- 240-И 196
Кондиционная влажность 43
Кордная нить (определение) 36
Крашение нитей в массе 111, 112, 240 сл.
полиэфирных нитей 379, 380
Кремнийорганические полимеры 28-
Кримплен 377
Кристаллизационная установка для сульфата натрия 153
Кристаллические полимеры 20
Крошка поликапроамида 277 сл., 286
Крутильно-вытяжные машины 167 сл.
КВ-150-И4 299, 300
расчет производительности 168, 169 — числа 314
Крутка
направление 166, 167
степень 166
Кручение нитей 42, 135, 136, 166
ацетатных 249
вискозных кордных 179, 180
капроновых 302, 303
полиэфирных текстильных 375
Ксантат-барабан 92
Ксантогенатор 92
Ксантогенат целлюлозы 34 получение 85 сл. растворение 89 сл. _ .
Ксантогенат целлюлозы — аппаратура 97 степень этерификации 87
Ксантогенирование 77
п-Ксилол 331
Куличи
виды брака 136 сл.
время наработки 135, 136
Куралон 422
Куртель 393
Лавсан 27, 49, 327
Лакировка целлофана 206, 207
Лактамы 263
Линейная плотность (толщина) волокон 39 сл.
Линейные макромолекулы 10
Ложная крутка 250, 323, 377
агрегаты для проведения ложной крутки 378
Макромолекулы, форма 10
Матирование волокна 50, 111, 240 сл., 277
Матирующее вещество 240 Машина
ГК-4С фирмы «Бармаг» для производства полиэфирной текстильной нити 377
КВ-300-И для вытягивания технической капроновой нити 301
ОБ-И 162
ОК-И 158 сл.
ПА-240-И для формования диаце- татной нити 244 сл., 253
ПН-Ш-ИЗ для получения вискозной кордной нити 176 сл.
ПНШ-ЮО-И 141, 142
ПП-600-И для формования капроновых нитей 294, 295 совмещенного процесса формования и вытягивания полиэфирной комплексной нити 364
для формования вискозной текстильной нити 127 сл.
капроновых нитей 293 сл.
текстильной нити хлорин 419
FTF-70 для совмещенного процесса вытягивания, текстурирования и термостабилизации полиэфирной нити 378
Медноаммиачные волокна 48, 214 сл. исходное сырье 215, 216 химические процессы 216, 217
Медноаммиачный прядильный раствор подготовка к формованию нитей 220
способы получения 217 сл.
Мелкованное (горизонтальное) формование 123
Мерсеризационный раствор щелочи 71 сл.
Мерсеризация целлюлозы 61 сл.
Металлилсульфонат 397
Метилакрилат 397
Метиленхлорид 229, 252, 254
Методы испытания химических волокон 38 сл.
Многониточное формование 360, 361 сл.
Мобильтерм-600 341
Модакриловые волокна 413, 414
Модификаторы (замедлители) скорости разложения целлюлозы 113
Мокрое формование из раствора 37 ацетатного волокна 257, 258
Молекулярная масса полимера 9 распределение полимеров по молекулярной массе 10
Мономеры 9, 10
Мононити
лавсан 381, 382
определение 36
Морозостойкость волокна 47
Мэлан 377
Найлон 26
6 35, 264
6,6 35
Намотка сформованной нити 292
Намоточно-вытяжная машина фирмы «Бармаг» 371, 372
Насосный блок 289
Насыпная плотность целлюлозы 77
Натуральные волокна 33
Неввол 157
Непрерывный процесс мерсеризации 64 сл. получения ацетатов целлюлозы 231, 282
— вискозных текстильных нитей 141, 142
фильтрования 108
Нитрон 49, 393
Нить (определение) 32
Номакс 431
Номер 40
Обдувка нитей при формовании 360
Обезвоздушивание
вискозы 109, НО
растворов ацетатов целлюлозы 240
U-образный аппарат непрерывного
полиамидирования 283, 284
Оксид этилена 329
‘ Ориентационная вытяжка жгута 365 сл.
текстильных полиэфирных нитей 373
Орлон 393, 412
Осадительная ванна 116, 123, 124, 144 сл., 150 сл.
Осветление растворов щелочи 73, 74
Отделка
вискозного волокна 192 с л.
вискозных нитей 154 сл., 158 сл. капронового волокна в жгуте 308 капроновых нитей 303 сл.
оборудование для отделки нитей 158 сл.
Отделочные машины для жгута 178, 195
Относительное разрывное удлинение нити 42
Отрицательная вытяжка 371
Очистка
вентиляционного воздуха в вискозном производстве 208 сл.
сточных вод в вискозном производстве 211 сл.
Паковка 168
Пачки 20
Перемотка нитей 169 сл., 305, 376
Переэтерификация диметилтерефтала- та 345, 346
Перлон 264
Перхлорвинил 25, 416
, Плавильная решетка 288, 289
Пластификационная ванна 184, 214
Пластическая деформация 22, 45'
\ Плотность волокон 50
Подшлихтовка 157, 158
Полан 264
Полиакрилонитрил 402 сл.
Полиакрилонитрильные волокна 35, 393 сл.
марки 393
прядильные растворы 402 сл.
свойства 411 сл.
сравнение различных способов получения 410, 411
формование жгутов 404 сл.
Полиамидирование 269 сл., 275 сл.
Полиамидные волокна 35, 263 сл.
свойства 324 сл.
Полиамиды 6, 25 сл.
Поливинилиденхлорид 25 сл.
Поливинилспиртовые волокна 422, 423
Поливинилхлорид 24
Поливинилхлоридные волокна 415 сл.
Полигексаметиленадипамид 26 синтез 317 сл.
Полидисперсность 9
Поликапроамид 25, 26 крошка 277 сл., 286 непрерывный метод получения 282 сл.
периодический способ получения 273 сл.
расчет оборудования при получении 312, 313
синтез 269 сл.
Поликарбонатные волокна 392 Поликонденсация 12, 17 сл.
Полимераналогичные превращения 18
Полимеризация 12 сл.'
в растворе 15
Полимеры 9 привитые 10 Полимочевины 11 Полинозное вискозное волокно 49, 197
Полиолефиновые волокна 423 сл.
Полиолефины 23, 24
Полипиромеллитимидные волокна 430 Полипропилен 24
Полипропиленовые волокна 35, 49, 423, 424
Полистирол 24 .Политетрафторэтилен 25, 425 Полиуретановые волокна 35 Полифеновые волокна 425 сл. Полиформальдегид 27 Полиэнантоамид 26.
Полиэтиленовые волокна 424, 425 Полиэтиленоксалатные волокна 392 Полиэтилентерефталат 27, 327 непрерывный синтез с прямым формованием нитей 351 сл. периодический способ получения 342
поликонденсация 346 сл.
технологическая схема производства 341 сл.
физическая структура 339 фильтрация расплава 358
Полиэфирные волокна 35, 326 сл. свойства 384 сл.
. — мономеров 334 технические и кордные нити 369 сл.
формование 354 сл. штапельные 364 сл.
Полиэфиры 11, 26; 27
Полые волокна (ацетатные) 259 сл. Предварительное созревание щелочной целлюлозы 80 сл.
параметры процесса 81 способы 81 сл.
Препарат БВ 157 ОС-20 241
Прочность нити в петле 46 Прядильная головка 288, 290
Прядильно-отделочный агрегат для
получения волокна нитрон 405
Прядильные машины 127 сл.
коэффициент использования 140
эксплуатация 139, 140
Прядильный насос 289
Равномерность волокна по длине 44
Радиационная полимеризация 13 Радикальная полимеризация 12 сл. Разветвленные макромолекулы 10 «Разрывная длина» 41
Разрывная нагрузка нитей 41
Рамный диализатор 75
Раскладочный механизм 133
Расплавитель 273
Растворители
для акрилонитрила 398, 399
— полиакрилонитрила 408, 409
— получения медноаммначного раствора 218
рекуперация 251, 252
Растворитель (аппарат) 96
для ацетатов целлюлозы 238
Растиратель вискозы 97
Регенерация
едкого натра 74 сл.
диметилтерефталата и терефталевой кислоты 382, 383
осадительной ванны 150 сл. растворителей 408, 409 ' солей цинка 212, 213
Регуляторы молекулярной массы 14, 271, 272
Резка
жгута 368
капронового волокна 308
Релаксация напряжений 22
Ровнота нитей 42, 43
Роданид натрия 398, 407 сл.
Роданистый способ формования полиакрилонитрильных жгутов 406, 407
Световоды из стеклянных волокон 439
Светостойкость волокон 384, 385
Свойства химических волокон 38 сл.
Серная кислота 58, 59
материальный баланс при формовании вискозного волокна 186, 187
Сероуглерод 57, 58, 98, 99
регенерация в вискозном производстве 188 сл.
Сетчатые (пространственные) полимеры 10
Силон 264
Синдиотактнческйе полимеры И
Сиропы 257
Скорость формования 124, 125, 246, 247
Снование нитей 171
Содовая станция 70, 71
Созревание вискозы 100 сл,
параметры процесса 103
Соли меди 215, 216
регенерация из прядильной воды 222 223
Соль АГ 26, 265, 316 сл.
Соляное число 102
Сополимеры 10
акрилонитрила 397
Сополиэфирные волокна 328, 388 ал.
Сортировка нитей 305
Способы получения химических волокон 36 сл.
Старение 19
Стеклообразное состояние полимера
Стеклопластики 439
Стеклянные волокна 432 сл.
свойства и области. применения 438, 439
состав стекол 432
способы получении 433 сл.
Стеклянный шпон 437
Степень
вытяжки 126
отжима щелочной целлюлозы 89
эластичности инти при растиже- нии 46
Степень полимеризации 9
Степень этерификации • ,
ацетата целлюлозы 235
ксантогената целлюлозы 87, 101
Стереорегулярные полимеры 11'
Структура нитей 120
'Сульфат натрия 153
материальный баланс при формовании вискозного волокна 184, 185
Сульфатный метод получения целлюлозы 53, 54
Сульфат цинка 59, 119
материальный баланс при формовании вискозного волокна 185, 186
Сульфитный метод получения целлюлозы 53
Сульфон-Т 430
Суспензионная (капельная) полимеризация 15
Сухое формование из раствора 37 ацетатного (штапельного) волокна 256
диацетатных нитей 242, 244 сл.
триацетатных нитей 252 сл.
Сушилка СЛШ-240-И 196
Сушка нитей 163 сл., 195, 196, 305
Схема заправки инти при мелкованном . формовании 123 кручения нити 168
— и трощения кордной нити 180 линии непрерывной экстракции и сушки крошки полиамида 280
непрерывного процесса получения капронового волокна 307 очистки сточных вод с регенерацией солей цинка 213
первой стадии формования 118 йодготовки вискозы к формованию 105
получения ацетатов целлюлозы 228 производства полиэфирных нитей и волокна 328
регенерации сероуглерода из жгута 189
Сшивание цепей 18
Сшитые полимеры см. Сетчатые полимеры
Сырье вискозного производства 51 сл.
Текс 39
Текстильная обработка нитей анидных 322, 323 капроновых 298 сл.
Текстильно-вспомогательные поверхностно-активные вещества 113
Текстильные нити (определение) 36
Текстурирование 376
Текстурированные нити полиамидные 323, 324 полиэфирные 376 сл. л
Тележки-пакеты для отделки вискозной текстильной нити 160, 161
Температура стеклования 21
Теплоносители 341, 356
Теплостойкость волокон 47, 429
Тергаль 328
Терефталевая кислота 329 сл., 369 оксиэтилирование 336, 337 регенерация 382, 383
Терилен 27, 327
Термическая полимеризация 13
Термовиль 421
Термомеханические кривые полимеров 21
Термообработка нитей 254, 255
Термостабилизация нитей 326
Термостойкость 47, 429
ацетатов целлюлозы 237 полиэфирных волокон 384, 385
Термофиксация 38 жгута 367, 368 полиэфирной текстильной нити 375, 376
Тетерон 327
Технические нити (определение) 36
Технологическая схема
приготовления прядильных растворов растворением полимера 403
производства полиакрилонитрила 400
сополимеризации акрилонитрила 401
Технологические расчеты
при получении вискозного волокна 184
капроновых нитей и волокна 309 сл.
полиэфирных нитей 369
Титр 40
Ткачество 181
Товарная паковка 249
Тревира 328
Триацетат целлюлозы 226,1235, 252 получение в гетерогенной среде 234, 235
Триацетатные волокна 226 формование 252 сл.
Ультра- и супертонкие стеклянные волокна (УТВ и СТВ) 437, 438
Упаковочные прессы для вискозного волокна 196, 197
Упругая деформация 22, 45
Упругость и эластичность волокон 45, 46
Установка
для лакировки целлофана 206, 207
непрерывной мерсеризации целлюлозы 65, 67 сл.
получения стеклянной нити 437 сушки полимера и формования полиэфирных волокон 350
централизованного непрерывного плавления капролактама УЦП-14,5 274, 275
Устойчивость волокон
к истиранию 46, 325
механическим воздействиям 46, 47
— многократному изгибу 46, 325 — сминанию 46, 47
Фенилои 430
Фенол 266
Фибриллированная полиолефиновая пленка 425
Физико-механические свойства волокон 48, 49
Фильерная вытяжка 125, 126, 248, 253, 363
Фильеры 128, 129
для формования полиэфирного во* локна 359
Фильеры
— —■ полых волокон 261, 262 целлофановой машины 201
Фильтр
с намывным фильтрующим слоем 108
для очистки осадительной ванны 149
Фильтрование вискозы 106 сл.
Фильтр-палец (свечевой фильтр) 127,
128
Фильтр-прессы 107
Фильтруемость растворов ацетатов целлюлозы 236, 237
Фильтры для фильтрования воды при отделке нитей 163
Формование 116
анидной нити 311, 322
- вискозной текстильной нити 122 сл.
диацетатной нити 242 жгута из сиропов 257 . капроновой нити 287 сл., 293 сл. мелкованное 123 многоинточное 360 сл.
мокрое (из раствора) 37
и отделка вискозной кордной нити 175
медноаммиачной нити 221, 222
плеики 200
полиэфирной нити 354 сл.
фильеры 359
из расплава 37
способы 37, 38
схема 38
химические и фнзико-химнческие процессы, протекающие при формовании нитей 116 сл. Формовочная воронка для получения медноаммиачных нитей 221 Фотохимическая полимеризация 13 Фракционирование 9 Фторлоиовые волокна 427, 428 Фторсодержащие волокна 425 сл.
Хеланка 323, 324
Химическая модификация 18
Хлопок 49
Хлораммониевое число 102
Хлориновые волокна 416 сл.
свойства 421
формование волокна (штапельного) 420, 421
— текстильной инти 418
Хлороформ 426
Целлофан 199
Целлофановая машина 201
Целлюлоза 27, 28, 52 сл., 215
вязкость 56
ксантогенат 34, 85 сл. мерсеризация 61 сл. методы получения 53 реакционная способность 56 а-цсллюлоза 55 щелочная 61, 80 сл.
Центрифуга 133, 134
Центрифугальная кружка 133 Центрифугальное гнездо 134, 135 Центрифугальные прядильные машины 131 сл.
Центрифугальный способ формования 121
Циклогексаноксим 267 Циклогексанон 415 Циклополнмеризация 16, 17
Червяк 128
Шелк натуральный 49
Шерсть 494
Шнековый расплавитель РВШ-63 290,
291
Штапельная диаграмма 44, 43
Штапельное вискозное волокно см.
Вискозное волокно
Щелочная целлюлоза 61 измельчение 77 сл. предсозревание 80 сл. транспортирование 84, 85
Экструдер для переработки поли
эфирного гранулята 356, 357
Элана 328
Эластик 323, 324
Эластическая деформация 45
Эластичность 325
Электроверетено 134
Элементарная нить (определение) 36
Элементарное звено 9
Элементоорганические полимеры И
Эмульсионная полимеризация 15
Энант 26
Этилен 394, 415
Этиленгликоль 329, 333 сл., 343, 369
Этиленоксид 394
ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА
ХИМИЧЕСКИХ волокон
аа^^ж^гаяв^пяапмжмнянмвмннв!
АЛЕКСАНДР НИКОЛАЕВИЧ РЯУЗОВ
ВАСИЛИЙ АЛЕКСЕЕВИЧ ГРУЗДЕВ
ИГОРЬ ПЕТРОВИЧ БАКШЕЕВ
ЮРИЙ АНАТОЛЬЕВИЧ КОСТРОВ
МАРК БЕР-ВУЛЬФОВИЧ СИГАЛ
ЭМИЛЬ МИХАЙЛОВИЧ АЙЗЕНШТЕЙН
МИХАИЛ ДАВИДОВИЧ ХОДАКОВСКИЙ
ВЛАДИМИР ЛЕОНИДОВИЧ ЦИПЕРМАН
Редактор Н. И. Машинская
Художественный редактор Н. В. Носов
Художник А. Я. Михайлов
Технический редактор Г. И. Косачева
Корректоры С. В. Торопцева^ М. А. Ивлиева
ИВ № 755
Сдано в набор 11.02.80. Подписано в печать 02.09.80, Т-16132. Формат бумаги 60X90716. Бумага тип. № 2. Гарнитура литературная. Печать высокая. Усл. печ. л. 28. уч.-изд. л. 32,56. Тираж 5700 экз. Заказ № 559. Цена 1 р. 30 к. Изд. № 1807.
Ордена «Знак Почета» издательство «Химия». 107076, Москва, Стромынка, 13.
Ленинградская типография № 2 головное предприятие ордена Трудового Красного Знамени Ленинградского объединения «Техническая книга» им. Евгении Соколовой Союзполиграфпрома при Государственном комитете СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли, 198052, г. Ленинград Л-52, Измайловский проспект, 29.
6П7.52
Т 38
УДК. 677.4(075.32)
Технология производства химических волокон: Учебник для техникумов. — 3-е изд., перераб. и доп./Ряузов А. Н., Груздев В. А., Бакшеев И. П. и др. — М.: Химия, 1980. 448 с., ил.
В книге рассматриваются технология производства химических волокон, выпускаемых в промышленном и полупромышленном масштабе, а также применяемое оборудование. Отдельная глава посвящена основам химии высокомолекулярных соединений. В третьем издании (2-е изд. вышло в 1974 г.) отражены изменения, происшедшие за эти годы в промышленности химических волокон. Описаны новые способы приготовления прядильных растворов, новые методы мерсеризации и формо* вания вискозных волокон; современное оборудование (в том числе крупнотоннажное); новые методы очистки загрязненного воздуха, а также сточных вод.
Книга будет полезна инженерно-техническим работникам, занятым в промышленности химических волокон, и специалистам смежных отраслей производства, связанным с переработкой искусственных и синтетических волокон.
448 с., 8 табл., 140 рис., список литературы 25 ссылок.
Авторы: РЯУЗОВ А.Н., ГРУЗДЕВ В. А., БАКШЕЕВ И. Й., КОСТРОВ Ю. А., СИГАЛ М. Б., АЙЗЕНШТЕЙН Э. М„ ЦИПЕРМАН В. Л., ХОДАКОВСКИЙ М. Д.
88СОДЕРЖАНИЕ
8
8
Предисловие