Введение. По курсу «Физико-химические основы формования

СБОРНИК

Задач и упражнений

По курсу «Физико-химические основы формования

химических волокон»

Раздел 1. Классификация, геометрия и механические

свойства волокон и нитей.

Для студентов специальности 48 01 02 «Химическая технология органических веществ, материалов и изделий»

Специализации 02 «Технология химических волокон»

(дневной и заочной формы обучения)

Могилев 2004

УДК 677. 494: 677. 46. 0265 (075.8).

Рассмотрен и утвержден на заседании кафедры ХТВМС

Протокол № 7 от 2 апреля 2004 г.

Автор профессор Геллер Б.Э.

Рецензент доцент Петрова-Куминская С.В.

© Могилевский государственный университет продовольствия

Оглавление

Предисловие. 4

Введение. 7

1 Номенклатура волокон. 9

2 Геометрия волокон. 11

2.1 Форма поперечных срезов волокон (филаментов) 11

2.2 Задачи для самостоятельного решения. 19

3 Прочность волокон на разрыв. 22

3.1 Задачи для самостоятельного решения. 24

Список литературы.. 26

Приложение А.. 27

Приложение Б. 34

Приложение В.. 35

Предисловие

Производство химических волокон имеет почти полуторавековую историю. Природа создает натуральные волокна (хлопок, лен, джут, кенаф, шерсть, натуральный шелк), не прибегая к высоким температурам и давлениям. Некоторые физико-химические аспекты этих процессов в настоящее время изучены настолько, что начато создание опытно-промышленных биотехнологических производств новых видов волокнистых материалов.

Еще столетие назад бытовало мнение, что между инженерами и учеными нет ничего общего: ученые-исследователи изучают явления природы и ищут им объяснения, а инженеры-практики занимаются технологическими задачами, изобретая новые материалы и способы их получения, приборы и машины для реализации новых процессов.

Терминологический словарь определяет «технологию» как учение о ремесле или «искусство ремесла» (от греч. tχνη – «техно» - искусство, ремесло; λόγοζ – «логос» - учение, понятие), т.е. совокупность сведений о различных способах переработки сырья и полуфабрикатов в готовые изделия. Сами процессы такой обработки называются технологическими. Технология создавалась и совершенствовалась по мере развития цивилизации еще задолго до того, как в Древнем Египте и в Древней Греции появилась наука. Согласно принятому определению «наука – исторически сложившаяся и непрерывно развивающаяся на основе общественной практики система знаний о природе, об обществе и мышлении, о познании объективных законов их развития».

С древних времен и до нынешних дней технологию держат в секрете, касается ли это способов изготовления натурального шелка, зеркал, пива, дамасской стали, чипов, ракетного топлива, композиционных материалов, способов передачи информации и энергии. Для сохранения этих секретов в настоящее время существует сложная система патентов, лицензий, различных других методов информационной и коммерческой защиты.

Вместе с тем наука не терпит изоляции: в противном случае ей сразу же начинает грозить вырождение. Вот почему ученые стремятся как можно скорее опубликовать свои результаты, сделать их достоянием других. В технологии все не так: публикации по технологии обычно появляются уже после выхода того или иного продукта на рынок.

Вместе с тем современная химическая технология высокомолекулярных соединений, в том числе производство химических волокон, характеризуется органичным слиянием научных и инженерных подходов при решении как познавательных, так и практических проблем. Особенно отчетливо эта особенность проявилась после введения Г. Штаудингером в двадцатых годах минувшего столетия понятия «макромолекула». К началу XXI века прогностические возможности химии и технологий пленко- и волокнообразующих полимеров, равно как и переработки их в изделия, возросли необычайно благодаря достижениям современной информатики.

Принципиальной особенностью технологий синтеза волокнообразующих полимеров и формования на их основе волокон и нитей является временная незавершенность процессов: собственно сами химические волокна являются термодинамически неравновесными образованиями, ибо одноосная ориентация макромолекул обусловливает внутреннюю напряженность структуры волокна.

Процесс формования химических волокон включает перевод волокнообразующего полимера в вязкотекучее состояние плавлением или растворением его, нитеобразование, ориентационное вытягивание и фиксацию структуры, обеспечивающую возможность реализации соответствующих потребительских свойств волокнистого материала при его эксплуатации. Однако каждая стадия процесса формования, каждый технологический переход не доводится до состояния термодинамического равновесия, а завершается после достижения некоторых оптимальных характеристик полупродукта. Поэтому технология – это регулируемая последовательность незавершенных процессов, обеспечивающих возможность получения конечного продукта, характеризуемого строго определенным диапазоном потребительских свойств.

В настоящее время созданы способы формирования количественных моделей сложнейших процессов, что позволяет решать задачи минимизации материало- и энергозатрат, а также экологического прессинга при существенном улучшении количественных характеристик готовой продукции, т.е. повышения ее конкурентоспособности на рынке аналогичных товаров. Очевидно, что возможности создания таких интегральных технологических моделей обусловлены разработкой постадийных моделей и установлением особенностей их количественной взаимосвязи.

Курс «Физико-химические основы формования химических волокон» является базовым для последующего изучения других технологических дисциплин специализации. Методической его особенностью является иллюстрация всех переходов технологического процесса конкретными количественными соотношениями. Изучение этого курса требует освоения методов анализа соответствующих ситуаций. Следует отметить, что необходимость приобретения навыков и умений в решении различных технологических задач в процессе подготовки инженеров химиков-технологов по производству химических волокон обусловила создание более 40 лет тому назад патриархами высшего образования в этой области профессорами А.Б. Пакшвером и А.И. Меосом великолепного учебного пособия «Технологические расчеты в производстве химических волокон» [1]. Современный научно-технический уровень производства химических волокон, появление новых видов волокнистых материалов со специфическими свойствами обусловили важность и необходимость освоения студентами методов решения как традиционных, так и новых задач.

Подготовка высококачественных специалистов для народного хозяйства – важнейшая социальная проблема нашей страны. Это предопределяет постоянное совершенствование содержательных и методических аспектов преподавания учебных дисциплин, в том числе профилирующих и специальных. Эффективным способом усвоения комплекса необходимых знаний и приобретения навыков творческого мышления у студентов – будущих инженеров химиков-технологов – является деятельность, моделирующая научную: это лабораторные практикумы, самостоятельное решение технологических задач и обсуждение проблем на практических (семинарских) занятиях.

В предлагаемом «Сборнике задач» не охвачен учебный материал всего курса «Физико-химические основы формования химических волокон», а приведены лишь примеры, отличные от традиционных расчетных задач. В предлагаемом пособии умышленно отсутствуют ответы на приведенные задачи. Однако задачи построены так, что ответ может быть найден при анализе лекционного материала и рекомендованной учебно-методической литературы [2-4].

«Сборник задач и упражнений по курсу «Физико-химические основы формования химических волокон»» состоит из шести разделов:

- классификация, геометрия и механические свойства волокон и нитей;

- выбор способов перевода волокнообразующих полимеров в вязко-текучее состояние;

- подготовка прядильных растворов и расплавов волокнообразующих полимеров к формованию;

- процессы нитеобразования;

- ориентационная вытяжка в процессе формования;

- терморелаксация и термофиксация химических волокон и нитей.

Среди предлагаемых в «Сборнике задач» имеются некоторые утверждения, нуждающиеся в практическом переосмыслении.

Автор будет признателен за замечания и рекомендации по дальнейшему совершенствованию информационной значимости предлагаемого «Сборника задач и упражнений по курсу «Физико-химические основы формования химических волокон»».

Созданию этого «Сборника задач» способствовало постоянное творческое участие кандидата технических наук, доцента Геллер Алевтины Александровны, а также содействие в техническом оформлении инженеров О.Г. Долженковой и Т.А. Шпаковской, которым автор выражает свою искреннюю признательность.

Автор убежден также, что знания и умения, приобретенные при решении предложенных в «Сборнике» технологических задач, позволят будущему инженеру химику-технологу лучше ориентироваться в его предстоящей деятельности по специальности.

Введение

Производство, переработка и постоянно расширяющееся применение волокнистых материалов во многом характеризует уровень развития всех аспектов жизнеобеспечения человечества на всех этапах его истории. К началу XXI веке, когда численность населения нашей планеты достигла 6,2 млрд чел., уровень годового потребления натуральных и химических волокон составил около 60 млн т.

Анализ тенденций научно-технического развития нашей цивилизации приводит к выводу о том, что максимально достижимые объемы производства всех видов натуральных волокон, обусловленные ростом народонаселения и природными возможностями земли, составляют (30÷32) млн т. Кроме того комплекс потребительских характеристик натуральных волокон весьма ограничен условиями биосферы и не может удовлетворить возрастающие и расширяющиеся технические, в том числе технико-информационные потребности интенсивно развивающейся цивилизации. Высокая технико-экономическая и социальная эффективность применения химических волокон практически во всех видах человеческой деятельности предопределяет качественные и количественные аспекты развития производства химических волокон. В 2003 г. производство всех видов химических волокон достигло 32 млн т. В Беларуси стабильно функционируют предприятия по производству различных видов химических волокон и нитей: вискозных текстильных и технических нитей, полиэфирных волокон, а также текстильных и технических нитей, полиакрилонитрильных, углеродных, арамидных и полисульновых волокон; полиамидных технических нитей.

Общий объем их производства в Беларуси составил в 2003 г. около 220 тыс. т., полностью удовлетворяя внутренние и экспортные потребности страны в этих видах текстильного сырья. Вместе с тем ведутся интенсивные работы по целенаправленной модификации свойств традиционных видов волокон, создаются принципиально новые виды химических волокон и материалов на их основе. Интернационализация информационных потоков, в том числе и относящихся к научным, технологическим и технико-экономическим аспектам производства и изменения химических волокон, является важной тенденцией развития этой отрасли народного хозяйства.

В I разделе «Сборника задач и упражнений по курсу «Физико-химические основы формования химических волокон»» приведена информация о современной номенклатуре, геометрии и физико-механических свойствах основных видов химических волокон и нитей, производимых в настоящее время.

Для решения задач, включенных в первый раздел «Сборника», необходим поиск дополнительной информации, использование приемов творческого мышления и методов научного познания. Большинство приведенных задач являются расчетными.

В них предлагается подставить (принимая во внимание размерности) имеющиеся в условии задачи числа в известную формулу.

Задачи подобного типа способствуют запоминанию расчетных формул, необходимых для повседневной деятельности инженера химика-технолога. Такие задачи нужны для создания «опорных» знаний по специальности; ведь развить способность решения задач можно только одним путем – постоянно их решая.