Ориентационная вытяжка

Термодинамически равновесному состоянию соответствует изотропное расположение структурных элементов субстрата полимерного тела (сегментов, макромолекул, их ассоциатов на различных уровнях надмолекулярной организации).

Достижение необходимых физико-механических свойств волокон возможно лишь при оптимальной одноосной ориентации этих структурных элементов в процессе ориентационной вытяжки. Заданная степень (кратность) ориентационной вытяжки, l, достигается пропусканием нити (жгута) между парой вытяжных устройств (галетами, дисками, валами): первым – «питающим», линейная скорость которого V₁, и вторым –«приемным», линейная скорость которого V₂. Очевидно, что

l₁ = V₂ / V₁. (45)

Задаваемая кратность ориентационной вытяжки достигается лишь при отсутствии проскальзывания нити (жгута) по поверхности вытяжных устройства. Это может быть осуществлено либо реализацией соответствующего усилия прижима вытягиваемой нити (жгута) к поверхности вытяжного устройства, либо 3,5 витками нити (жгута) вокруг него, что соответствует обхвату цилиндрических поверхностей нитью не менее 1260.

Ориентационная вытяжка может быть реализована при затрате энергии на перевод структуры полимера из изотропного в ориентированное состояние. Основные условия осуществления этого процесса следующие:

- напряжение при вытяжке, s_L, должно быть меньше напряжения при разрыве, т.е. s_L < s_Р;

- ориентационная вытяжка должна осуществляться при условии перевода полимерного субстрата в высокоэластическое состояние, т.е.

Т_с < Т_в < Т_пл, где Т_в – температура волокна.

Ориентационная вытяжка - обратимый процесс, определяемый соотношением скоростей ориентации и дезориентации структурных элементов полимерного субстрата, протекающих под влиянием релаксационных процессов. При этом происходит:

- изменение геометрических размеров (утонение) волокон, однако форма поперечного сечения при этом практически не изменяется;

- изменение напряженности структуры волокна, проявляющееся в его способности к усадке;

- изменение («обеднение») конформационного набора макромолекул волокнообразующих полимеров;

- изменение плотности упаковки структурных элементов полимерного субстрата;

- изменение степени упорядоченности (кристалличности) и ориентации аморфных и кристаллических областей полимерного субстрата;

- интенсификация межмолекулярных взаимодействий.

Ориентационная вытяжка может осуществляться в условиях перевода полимерного субстрата в высокоэластическое состояние в присутствии растворителя («пластификационная» вытяжка) и в отсутствии растворителя (за счет нагревания волокна – «горячая вытяжка). Путь, на котором реализуется ориентационная вытяжка, включает:

- зону «пластификации», протяженность которой определяется временем, необходимым для перевода волокнообразующего полимера в высокоэластическое состояние (см. рис. 8):

- зону вытяжки, включающую область роста градиента скорости вытяжки и зону стабилизации структуры;

- зону релаксации, в которой реализуются релаксационные процессы при данных температурно-временных условиях.

Пример. При получении полиэфирной (РЕТ) текстильной (POY) нити задается горячая ориентационная вытяжка l_d = 2,5. Скорость «питания» V₁ = 250 м × мин^-1. Линейная плотность нити после прядильной машины Т_t,₁ 25 текс f 30.

Вычислить скорость приема V₂ и линейную плотность нити после вытяжки, Т_t,2.

Решение: Вычисляем скорость приема нити: V₂ = l_d × V₁ = 2,5 × 250 = 625 м × мин^-1.

- Вычисляем линейную плотность готовой нити:

Т_t,2 = Т_t,₁ /l_d = 25/2,5 = 10 текс.

Линейная плотность филамента Т_t, _f,2 = 10/30 = 0,333 текс.

Ответ. Линейная плотность вытянутой нити Т_t 100 дтекс f 30.

По мере увеличения кратности ориентационной вытяжки изменяется комплекс физико-механических свойств волокна (рис. 9, 10), повышается прочность, s_р, снижается удлинение при разрыве, e_р, увеличивется модуль упругости, Е. По мере увеличения l_d возрастает степень ориентации структурных элементов на всех уровнях надмолекулярной организации полимерного субстрата. Изменяется также плотность, r, волокна, причем изменение r происходит экстремально. (рис. 11).

Некоторое снижение r при больших l_d происходит в результате нарушений сплошности полимерного субстрата и появления эффекта «трещин серебра». Максимальные значения r достигаются при тем больших значениях l_d, чем более гибки макромолекулы волокнообразующего полимера.

а) «горячая» вытяжка;

б) пластификационная вытяжка

Зоны:

I – «пластификации»;

II - развития продольного градиента (вытяжки);

IIа – вытяжки;

IIб – стабилизации структуры;

III – релаксации.

1 - скорость, V, м ∙ с^-1;

2 - градиент скорости, ∙с^-1.

Рисунок 8 - Динамика ориентационного вытягивания

Деформация, ε

l_d = l₁< l₂ < l₃ < l₄< l₅

Рисунок 9 - Кривые «нагрузка – удлинение» (s -e) волокон, подвергнутых различной кратности вытяжки li при одинаковой температуре и скорости.

100 200 300 400 500 600 Ориентационная вытяжка, %

1 - напряженность структуры, s_m (по кривым КИН)

2 - температура механического стеклования, Т_мс

3 - модуль упругости, Е

4 - относительная прочность, s_р

5 - удлинение при разрыве, e_р

6 - степень ориентации

Рисунок 10 - Влияние ориентационной вытяжки (при постоянной температуре и скорости деформации) на физико-механические свойства волокна

1 - гидратцеллюлозное (CV)

2 - полиакрилонитрильное (PAN)

3 - поливинилхлоридное (CLF)

4 - полипропиленовое (РР)

Рисунок 11 - Влияние кратности ориентационной вытяжки на плотность волокон

Очевидно, что ориентационную вытяжку целесообразно осуществлять лишь до l меньше тех, при которых начинает проявляться эффект «трещин серебра». Появление этого эффекта обусловлено подавлением сегментарной подвижности макромолекул в результате уплотнения молекулярной упаковки при ориентации структурных элементов и интенсификации межмолекулярных взаимодействий. Такое ограничение сегментарной подвижности макромолекул обусловливает «механическое стеклование» полимерного субстрата, определяя температурную область «механического стеклования», Т_мс.

При ориентационной вытяжке при данной температуре с заданной скоростью нить может быть растянута вплоть до достижения Т_мс (т.е. до появления «трещин серебра»). Эта кратность вытяжки иногда называется «естественной вытяжкой».

Для того, чтобы осуществить дальнейшую ориентационную вытяжку, необходимо вновь перевести полимер в высокоэластическое состояние соответствующим дополнительным нагреванием.

В процессе формования нить (волокно) может подвергаться как одноосной вытяжке, так и усадке.

Пример. Вычислить линейную плотность готовой нити фторлон (на основе сополимера винилфторида и винилиденфторида), если технологическая схема ее получения следующая.

V5

1 - осадительная ванна;

2-4 - промывные ванны;

5 – приемное устройство.

V₁ = 10 м × мин^-1; V₃ = 25 м × мин^-1;

V₂ = 30 м × мин^-1; V₄ = 50 м × мин^-1; V₅ = V₄.

Линейная плотность нити фторлон после осадительной ванны Т_t,₁ = 40 текс.

Решение: - Ориентационная вытяжка формуемой нити осуществляется во 2-ой и в 4-ой промывных ваннах, а в 3-ей промывной ванне происходит ее регулируемая усадка.

Поэтому V₂/ V₁ = 30/10 = 3; V₃ / V₂ = 25/30 = 0,83; V₄ / V₃ = 50/25 = 2,0

- Общая кратность вытяжки нити составит:

λ = (3 ×0,83 ∙2) = 5,0 или (5 - 1) × 100 = 400%

Поэтому линейная плотность готовой нити будет равна
Т_t =40/5,0 @ 8,0 текс

Ответ. Линейная плотность готовой нити фторлон равна ≈ 8,0 текс.