Formarea fibrelor chimice este un complex de procese care au loc în timpul formării filamentelor elementare din fluxuri subțiri de topitură sau soluție de polimer care curge din găurile unei filiere și procesele de formare a structurii într-o fibră întărită. Fasonarea este una dintre etapele critice ale procesului tehnologic și are o influență decisivă asupra structurii și proprietăților fibrei rezultate.
Polimerul formează fibre, adică se poate obține o fibră din el dacă sunt îndeplinite simultan următoarele condiții:
Există următoarele moduri de formare a fibrelor chimice:
Poliolefine, poliester, poliamidă și alte fibre sunt obținute din topitura polimerului prin metoda de formare a topiturii polimerului; fibrele de acetat și poliacrilonitril sunt formate din soluția de polimer prin metoda uscată; viscoză, poliacrilonitril, clorură de polivinil etc., prin metoda umedă; poliesteri.
Numai acei polimeri sunt potriviți pentru filarea fibrelor prin metoda topiturii, pentru care diferența dintre temperaturile de degradare și topire este mai mare de 20°C, deoarece în caz contrar filarea este însoțită de o degradare vizibilă a polimerului, care la rândul său agravează calitatea fibrei rezultate. O altă condiție indispensabilă pentru obținerea fibrelor din topitură este rezistența suficientă la căldură și stabilitatea dimensională a polimerului atunci când este expus la temperaturi de ordinul a 150°C (textilele trebuie să fie stabile când sunt călcate). Acești factori limitează numărul de polimeri adecvați pentru filarea în topitură.
În filarea în topitură, filamentele sunt formate prin fluxurile de răcire ale topiturii de polimer sub punctul său de topire. Căldura este îndepărtată din filamentul care se formează prin suflarea acestuia cu aer de răcire. Viteza de turnare este de 600-1200 m/min.
Filatura prin topire este utilizată pentru a obține următoarele tipuri de fire și fibre:
Există două tipuri principale de procese utilizate în formarea topiturii:
Mașinile de filat cu topitură au dispozitive de alimentare cu topitură, arbori de turnare, mecanisme de transport (uneori de tragere) și de primire a filamentelor sau filamentelor. Topitura este dozată de o pompă, filtrată suplimentar și intră în filă. Jeturile de topire sunt răcite într-un ax vertical, care este format din două părți: suflare (răcire) cu alimentare cu aer condiționat și însoțire fără alimentare cu aer. Firele formate sunt unse cu ulei, luate pentru ambalare, iar flagelii sunt combinați într-un mănunchi comun și plasați într-un recipient.
Întinderea și prelucrarea termodinamică a firelor se efectuează individual pe o mașină de răsucire și tragere. Firele textile pot fi produse fără tratament termodinamic dacă sunt destinate obținerii de fire texturate sau sunt tratate termic la finisarea țesăturilor sau produselor textile finite. În producția de fire industriale de poliester, se utilizează prelucrarea în grup a 100-200 de fire pe o unitate prin linie, ceea ce face posibilă obținerea de proprietăți mecanice mai mari. Întinderea și prelucrarea termodinamică a fasciculelor se realizează și pe o unitate continuă, unde etapele finale sunt evacuarea, ondularea și, dacă este necesar, tăierea.
Utilizarea procesului combinat „formare – întindere” vă permite să creșteți viteza de primire a fibrelor pe pachete până la 3000-4000 m/min [1] . Acest proces este adecvat numai dacă nu este necesar un tratament termodinamic suplimentar și este utilizat în principal în producția de fire de poliester și poliamidă.
Spinning de mare viteză - filare fibre la viteze de 4500-6000 m/min.
Esența procesului de turnare de mare viteză este apariția unor tensiuni mari de tracțiune în fluxul de topitură turnat, sub acțiunea cărora bobina de macromolecule este îndreptată de-a lungul curgerii, ceea ce asigură orientarea lor ridicată, ceea ce la rândul său induce procesul de cristalizarea polimerului. Cristalizarea orientativă a polimerului are loc cu câteva ordine de mărime mai repede decât cristalizarea polimerului la viteze convenționale de turnare.
Acest proces este implementat în principal pentru firele textile din poliester destinate texturii ulterioare sau utilizării în producția de tricotaje, ceea ce se explică prin alungirea crescută a firelor rezultate.
Turnarea prin suflare prin topire este utilizată pe scară largă din poliolefine, poliamide și poliesteri. Jeturile de topitură care curg din orificiile matriței sunt întinse printr-un jet de aer de mare viteză și răcite. Firele rezultate sunt așezate pe un transportor cu plasă sub formă de material nețesut, care este apoi supus la ascuțire și, dacă este necesar, lipire termică (calandrare).
În timpul turnării centrifuge, picăturile de topitură, care se desprind dintr-un rotor rotativ, sunt întinse sub formă de fibre cu răcire simultană cu aer.
În timpul electrofilării , jeturile de soluție care curg din filă sunt întinse într-un câmp electrostatic. În timpul electrofilării din topituri, transformarea polimerului format într-o stare de curgere vâscoasă se realizează prin topire. În consecință, turnarea prin topire necesită încălzirea matriței și a camerei de rășină, care este realizată de echipamentul de alimentare din mașina de turnare prin topire cu încălzitoare. Acolo unde electrofilarea în soluție prezintă limitări, filarea în topitură este posibilă. Polimerii utilizați în metoda topiturii pot fi împărțiți în mod convențional în trei grupe. Prima grupă constă din materiale plastice de mare tonaj solubile limitat (polietilenă, polipropilenă, tereftalat de polietilenă etc.), care se formează greu dintr-o soluție. Al doilea este materialele biocompatibile/biodegradabile (policaprolactonă, polilactidă și copolimerii săi, etc.) utilizate în scopuri medicale, care sunt oportune să fie filate prin topire datorită absenței solventului rezidual în fibra finală. Al treilea grup include amestecuri de polimeri, pentru care nu este nevoie să se selecteze un solvent adecvat pentru toate componentele amestecului.
În metoda de filare umedă dintr-o soluție de polimer, fibra se formează ca urmare a interacțiunii fluxurilor de soluție cu componentele băii de precipitare. În acest caz, componentele băii de precipitare difuzează în fluxul de soluție, iar solventul difuzează din curent în baia de precipitare, ceea ce duce la coagularea soluției și la precipitarea polimerului sub formă de filamente. În unele cazuri, procesul de coagulare a soluției este complicat de reacții chimice. Viteza de turnare este de 30-130 m/min.
Turnarea în soluție prin metoda umedă include două tipuri de procese: fără apariția reacțiilor chimice și cu apariția acestora. Primul dintre ele este folosit pentru a obține următoarele fibre și fire:
Metoda umedă formează, de asemenea, multe fibre superputernice, cu modul superînalt și rezistente la căldură pe bază de polimeri aromatici.
De obicei, se folosesc mașini de proces continuu, având dispozitive de alimentare cu soluție, plastifiare, întindere, spălare, uscare și recepție. Soluția este dozată cu o pompă și introdusă printr-un filtru într-o filă. Turnarea are loc într-un jgheab orizontal, tuburi orizontale sau verticale, unde este alimentată baia de filare, în care curg fluxurile de soluție din orificiile filierei și se formează fibre.
Firele formate și flagelele (aceștia din urmă sunt combinați într-un mănunchi comun) sunt supuse unor tratamente ulterioare, inclusiv operații: plastificare, întindere, spălare și uscare în contracurent. Operația de ungere a firelor se efectuează în timpul prelucrării ulterioare. Bunurile sunt supuse suplimentar procesării aviatice, ondulare și, dacă este necesar, tăiere. Întinderea termică și tratamentul termic se efectuează numai la obținerea anumitor tipuri de fire și fibre în scopuri tehnice.
Turnarea cu fluxul de reacții chimice este utilizată la producerea fibrelor celulozice hidratate (fibre de viscoză și cupru-amoniac). Procesele de turnare a acestora și prelucrarea ulterioară au o serie de diferențe semnificative. Astfel, fibrele de vâscoză sunt filate într-o baie de filare care conține acid sulfuric, sulfați de sodiu și zinc ca componente principale, la viteze mai mari decât alte tipuri de fibre obținute prin metoda umedă. Filamentele sau flagelele formate sunt supuse întinderii plastifiante, spălării, desulfurării (îndepărtarea sulfului format în timpul turnării), prelucrării aviatice, uscării și, dacă este necesar, tăierii.
În metoda uscată de filare dintr-o soluție, filamentele se formează ca urmare a evaporării solventului din fluxurile de soluție, care se datorează suflarii filamentului formându-se cu aer fierbinte sau un amestec vapori-aer. Viteza de turnare este de 300-600 m/min.
Filatura uscată este utilizată pentru a obține următoarele tipuri de fire și fibre:
Mașinile de formare uscată au un dispozitiv de alimentare cu soluție, arbori încălziți, mecanisme de transport și recepție a filetelor sau flagelilor. Soluția este dozată cu o pompă, încălzită și introdusă printr-un filtru într-o filă. Jeturile de soluție rezultate intră într-un ax vertical, unde un lichid de răcire fierbinte (de obicei aer) este furnizat într-un flux în contracurent sau în cocurent și unde solventul se evaporă și se formează fibra.
Aerul este furnizat într-o asemenea cantitate încât amestecul gaz-vapori să aibă o concentrație în afara limitelor explozive (de obicei sub acest interval), dar suficient de mare pentru recuperarea ulterioară a solvenților. Firele sunt luate pentru ambalare sau combinate într-un pachet comun. Firele sau câlțile rezultate (cu excepția acetatului și triacetatului) sunt supuse întinderii termodinamice și tratamentului termodinamic.
Metoda este utilizată pentru obținerea de fibre ultrasubțiri (microfibre) pe bază de copolimeri de acrilonitril și clorură de vinil în solvenți foarte volatili (de exemplu, acetonă). Jeturile de soluție care curg din capilare sunt întinse într-un câmp electrostatic, solventul se evaporă din ele, iar fibrele subțiri rezultate sunt așezate pe un tambur sau un transportor cu plasă pentru a forma o țesătură (material) nețesă subțire.
Câmpul electric nu servește doar ca „mijloc de transport și întindere a fibrelor formate”, dar modifică și în mod semnificativ proprietățile reologice și de suprafață ale lichidelor polimerice, modificând astfel modelele de formare a structurii fibrelor [2] .
Interesul pentru această metodă de turnare este asociat cu optimizarea și crearea de tehnologii economice pentru producerea de materiale filtrante de ultrafiltrare pentru purificarea fină a aerului și a mediilor lichide.
La electrofilare din soluții, transferul polimerului turnat într-o stare vâscoasă se realizează prin dizolvarea într-un solvent adecvat. În unele cazuri în care utilizarea solvenților nu este optimă, este posibilă electrofilare prin topire.
Filare uscată-umedă - turnarea printr-un strat gaz-aer între filă și suprafața băii de precipitare se folosește pentru obținerea de fire din soluții de filare cu vâscozitate mare (în special pe bază de polimeri cu lanț dur [3] ), ceea ce necesită utilizarea de filiere cu un diametru mare de găuri și, în consecință, valori ridicate ale extractelor de filare.
Turnarea se realizează de sus în jos printr-o metodă profundă sau în tuburi. Jeturile de soluție de filare parcurg o distanță de 5-50 mm în aer, unde are loc cea mai mare parte a tragerii prin filare, după care intră în baia de precipitare, unde se formează fibra. Această metodă face posibilă creșterea vitezei de filare de câteva ori în comparație cu procesul umed convențional și obținerea unui grad mai mare de orientare a fibrelor. [patru]
Metoda de filare cu dispersie de polimer poate fi utilizată atunci când nu este posibilă transferarea polimerului într-o stare vâscoasă prin topire sau dizolvare, dar există o nevoie semnificativă pentru o fibră din acest polimer. În acest fel se formează fibre care conțin fluor [5] [6] : polifen , teflon și altele.
La filarea dintr-o dispersie de polimer, filamentele sunt formate dintr-o compoziție de filare, care include: o soluție de polimer care formează fibre, o matrice - particule fin dispersate ale polimerului dorit în stare suspendată și agenți tensioactivi. Turnarea este realizată într-o manieră caracteristică unui polimer care formează fibre, dar în condiții mai severe de decantare necesare pentru coagularea rapidă.
Se formează o fibră umplută cu particule de contact ale polimerului dorit, care este supus unui tratament la temperatură înaltă (pentru a îndepărta polimerul care formează fibrele prin degradare termică). Ca rezultat al aderenței crescute de difuzie între particulele polimerului dorit, are loc sinterizarea cu formarea unei fibre.
Gel-spinning [7] - filare dintr-o soluție cu descompunere de fază la răcire - se utilizează pentru a obține următoarele fibre:
Formarea se realizează într-un ax cu răcire sau într-o baie de răcire. Fibrele sunt supuse întinderii de plastificare. Solventul este îndepărtat prin uscare ușoară (de exemplu, în vid) sau spălare cu lichide care curg liber, miscibile cu solventul polimeric (în multe cazuri apă), urmată de uscare. După aceea, dacă este necesar, efectuați întindere termodinamică și tratament termic.
Metoda și-a găsit aplicație practică în formarea de fire de înaltă rezistență pe bază de polietilenă cu greutate moleculară ultra-înaltă. [opt]