Kemiallisten kuitujen muodostus on monimutkainen prosesseja, jotka tapahtuvat muodostettaessa alkuainefilamentteja ohuista sulate- tai polymeeriliuosvirroista, jotka virtaavat kehruuputken rei'istä, ja rakenteen muodostusprosesseja kovetetussa kuidussa. Muotoilu on yksi teknologisen prosessin kriittisistä vaiheista ja sillä on ratkaiseva vaikutus syntyvän kuidun rakenteeseen ja ominaisuuksiin.
Polymeeri on kuitua muodostavaa, eli siitä voidaan saada kuitu, jos seuraavat ehdot täyttyvät samanaikaisesti:
On olemassa seuraavat tavat muodostaa kemiallisia kuituja:
Polyolefiini, polyesteri, polyamidi ja muut kuidut saadaan polymeerisulasta polymeerisulanmuodostusmenetelmällä, asetaatti- ja polyakryylinitriilikuidut muodostetaan polymeeriliuoksesta kuivamenetelmällä, viskoosi, polyakryylinitriili, polyvinyylikloridi jne. märkämenetelmä, polyesterit.
Kuitujen kehruuun sulamenetelmällä soveltuvat vain ne polymeerit, joiden hajoamis- ja sulamislämpötilojen ero on yli 20°C, koska muuten kehruuun liittyy polymeerin huomattavaa hajoamista, mikä puolestaan huonontaa kuitua. tuloksena olevan kuidun laatu. Toinen välttämätön edellytys kuitujen saamiseksi sulatuksesta on polymeerin riittävä lämmönkestävyys ja mittapysyvyys 150°C:n luokkaa oleville lämpötiloille (tekstiilien tulee olla stabiileja silitettäessä). Nämä tekijät rajoittavat sulakehrään soveltuvien polymeerien määrää.
Sulakehruussa filamentit muodostuvat jäähdyttämällä polymeerisulan virtoja sen sulamislämpötilan alapuolelle. Muodostettavasta filamentista poistetaan lämpö puhaltamalla siihen jäähdytysilmaa. Muovausnopeus on 600-1200 m/min.
Sulakehruuta käytetään seuraavan tyyppisten lankojen ja kuitujen saamiseksi:
Sulamuovauksessa käytetään kahta päätyyppiä:
Sulakehrukoneissa on sulatteen syöttölaitteet, muovausakselit, mekanismit filamenttien tai filamenttien kuljettamiseksi (joskus vetämiseksi) ja vastaanottamiseksi. Sula annostellaan pumpulla, suodatetaan lisäksi ja menee kehruuputkeen. Sulasuihkut jäähdytetään pystysuorassa akselissa, joka koostuu kahdesta osasta: puhallus (jäähdytys) ilmastoidulla ilmansyötöllä ja mukana ilman syöttöä. Muodostuneet langat öljytään, viedään pakkaamista varten ja flagellat yhdistetään yhteiseksi nipuksi ja laitetaan säiliöön.
Lankojen venytys ja termodynaaminen käsittely suoritetaan yksitellen kierto- ja vetokoneella. Tekstiililankoja voidaan valmistaa ilman termodynaamista käsittelyä, jos niistä on tarkoitus saada teksturoituja lankoja tai ne on lämpökäsitelty valmiiden tekstiilikankaiden tai -tuotteiden viimeistelyssä. Teollisuuden polyesterilankojen valmistuksessa käytetään 100-200 langan ryhmätyöstöä läpivientiyksikössä, mikä mahdollistaa korkeampien mekaanisten ominaisuuksien saavuttamisen. Myös nippujen venyttely ja termodynaaminen prosessointi suoritetaan jatkuvassa yksikössä, jossa loppuvaiheet ovat evakuointi, aallotus ja tarvittaessa leikkaus.
Yhdistetyn prosessin "muovaus-venytys" käyttö mahdollistaa kuidun vastaanottonopeuden nostamisen pakkauksissa jopa 3000-4000 m/min [1] . Tämä menetelmä on tarkoituksenmukainen vain, jos ylimääräistä termodynaamista käsittelyä ei tarvita, ja sitä käytetään pääasiassa polyesteri- ja polyamidilankojen valmistuksessa.
High Speed Spinning - kuidun kehruu nopeudella 4500-6000 m/min.
Suurinopeuksisen muovausprosessin ydin on suurten vetojännitysten esiintyminen muovatussa sulavirrassa, jonka vaikutuksesta makromolekyylien käämi suoristetaan virtausta pitkin, mikä varmistaa niiden korkean orientaation, mikä puolestaan indusoi prosessin polymeerin kiteytys. Polymeerin orientaatiokiteytys etenee useita suuruusluokkia nopeammin kuin polymeerin kiteytyminen tavanomaisilla muovausnopeuksilla.
Tämä prosessi toteutetaan pääasiassa tekstiilipolyesterilangoille, jotka on tarkoitettu myöhempään teksturointiin tai käytettäväksi neuleiden valmistuksessa, mikä selittyy tuloksena olevien lankojen lisääntyneellä venymällä.
Sulapuhallusmuovausta käytetään laajalti polyolefiineista, polyamideista ja polyestereista. Muotin rei'istä virtaavia sulasuihkuja venytetään nopealla ilmasuihkulla ja jäähdytetään. Tuloksena olevat langat asetetaan verkkokuljettimelle kuitukangasmuodossa, joka sitten neulataan ja tarvittaessa lämpösidotaan (kalanteroidaan).
Keskipakomuovauksen aikana pyörivästä roottorista irtoavia sulapisaroita venytetään kuitujen muodossa samanaikaisesti ilmajäähdytyksellä.
Sähkökehräyksen aikana kehruuputkesta virtaavat liuossuihkut venytetään sähköstaattiseen kenttään. Suloista sähkökehräyksen aikana muodostuneen polymeerin muuttaminen viskoosivirtaustilaan tapahtuu sulattamalla. Vastaavasti sulamuovaus vaatii suulakkeen ja hartsikammion kuumentamisen, jonka tekee syöttölaite sulatusvalukoneessa, jossa on lämmittimet. Jos liuoksen sähkökehräykseen liittyy rajoituksia, sulakehräys on mahdollista. Sulamenetelmässä käytetyt polymeerit voidaan tavanomaisesti jakaa kolmeen ryhmään. Ensimmäisen ryhmän muodostavat niukkaliukoiset suuritonniiset muovit (polyeteeni, polypropeeni, polyeteenitereftalaatti jne.), joita on vaikea muodostaa liuoksesta. Toinen on lääketieteellisiin tarkoituksiin käytettävät bioyhteensopivia/biohajoavia materiaaleja (polykaprolaktoni, polylaktidi ja sen kopolymeerit jne.), jotka on tarkoituksenmukaista sulakehrätä, koska lopullisessa kuidussa ei ole jäännösliuotinta. Kolmanteen ryhmään kuuluvat polymeeriseokset, joille ei tarvitse valita kaikille seoksen komponenteille sopivaa liuotinta.
Märkäkehräysmenetelmässä polymeeriliuoksesta kuitu muodostuu liuosvirtojen vuorovaikutuksen seurauksena saostuskylvyn komponenttien kanssa. Tässä tapauksessa saostuskylvyn komponentit diffundoituvat liuosvirtaan ja liuotin diffundoituu virrasta saostushauteeseen, mikä johtaa liuoksen koaguloitumiseen ja polymeerin saostumiseen filamenttien muodossa. Joissakin tapauksissa kemialliset reaktiot vaikeuttavat liuoksen koagulaatioprosessia. Muovausnopeus on 30-130 m/min.
Liuosmuovaus märkämenetelmällä sisältää kahden tyyppisiä prosesseja: ilman kemiallisia reaktioita ja niiden esiintymisen kanssa. Ensimmäistä niistä käytetään seuraavien kuitujen ja lankojen saamiseksi:
Märkämenetelmä muodostaa myös monia supervahvoja, superkorkean moduulin ja lämmönkestäviä kuituja, jotka perustuvat aromaattisiin polymeereihin.
Yleensä käytetään jatkuvatoimisia prosessikoneita, joissa on laitteet liuoksen syöttämiseen, pehmittämiseen, venyttämiseen, pesuun, kuivaamiseen ja vastaanottamiseen. Liuos annostellaan pumpulla ja syötetään suodattimen läpi kehruuputkeen. Muovaus tapahtuu vaakasuorassa kaukalossa, vaaka- tai pystyputkissa, joihin syötetään kehruukylpy, johon liuosvirrat virtaavat kehräysputken rei'istä ja muodostuu kuitua.
Muodostuneille langoille ja flagellalle (jälkimmäiset yhdistetään yhteiseksi nipuksi) suoritetaan myöhemmät käsittelyt, mukaan lukien toiminnot: plastisointi, venytys, vastavirtapesu ja kuivaus. Kierteiden öljyäminen suoritetaan jatkokäsittelyn aikana. Nipuille suoritetaan lisäksi ilmailukäsittely, aallotus ja tarvittaessa leikkaus. Lämpövenytys ja lämpökäsittely suoritetaan vain hankittaessa tietyntyyppisiä lankoja ja kuituja teknisiin tarkoituksiin.
Kemiallisten reaktioiden virtauksella muovausta käytetään hydratoitujen selluloosakuitujen (viskoosi- ja kupari-ammoniakikuitujen) valmistuksessa. Niiden muovausprosesseissa ja myöhemmässä käsittelyssä on useita merkittäviä eroja. Siten viskoosikuituja kehrätään kehruukylvyssä, joka sisältää pääkomponentteina rikkihappoa, natrium- ja sinkkisulfaatteja, suuremmilla nopeuksilla kuin muun tyyppisiä märkämenetelmällä saatuja kuituja. Muodostuneille filamenteille tai flagellalle suoritetaan plastisoiva venytys, pesu, rikinpoisto (muovauksen aikana muodostuneen rikin poisto), ilmakäsittely, kuivaus ja tarvittaessa leikkaus.
Kuivakehräysmenetelmässä liuoksesta filamentit muodostuvat liuottimen haihtumisen seurauksena liuoksen virroista, mikä johtuu muodostuvan filamentin puhaltamisesta kuumalla ilmalla tai höyry-ilma-seoksella. Muovausnopeus on 300-600 m/min.
Kuivakehruuta käytetään seuraavan tyyppisten lankojen ja kuitujen saamiseksi:
Kuivamuovauskoneissa on liuoksen syöttölaite, lämmitetyt akselit, mekanismit kierteiden tai flagellan siirtoon ja vastaanottoon. Liuos annostellaan pumpulla, kuumennetaan ja syötetään suodattimen läpi kehruuputkeen. Tuloksena olevat liuossuihkut menevät pystysuoraan kuiluun, johon syötetään kuumaa jäähdytysainetta (yleensä ilmaa) vasta- tai rinnakkaisvirtauksessa ja jossa liuotin haihtuu ja kuitu muodostuu.
Ilmaa syötetään niin paljon, että kaasu-höyryseoksen pitoisuus on räjähdysrajojen ulkopuolella (yleensä tämän alueen alapuolella), mutta riittävän korkea myöhempään liuottimien talteenottoon. Langat otetaan pakkaamista varten tai yhdistetään yhteiseksi nipuksi. Tuloksena saaduille langoille tai köydille (asetaattia ja triasetaattia lukuun ottamatta) suoritetaan termodynaaminen venytys ja termodynaaminen käsittely.
Menetelmää käytetään erittäin ohuiden kuitujen (mikrokuitujen) saamiseksi, jotka perustuvat akryylinitriilin ja vinyylikloridin kopolymeereihin erittäin haihtuvissa liuottimissa (esimerkiksi asetonissa). Kapillaareista virtaavat liuossuihkut venytetään sähköstaattisessa kentässä, liuotin haihtuu niistä ja tuloksena olevat ohuet kuidut levitetään verkkorummulle tai kuljettimelle ohueksi kuitukangaskankaaksi (materiaaliksi).
Sähkökenttä ei toimi vain "muodostuneiden kuitujen kuljetus- ja venytysvälineenä", vaan myös muuttaa merkittävästi polymeeristen nesteiden reologisia ja pintaominaisuuksia, mikä muuttaa kuiturakenteen muodostumismalleja [2] .
Kiinnostus tähän muovausmenetelmään liittyy taloudellisten tekniikoiden optimointiin ja luomiseen ultrasuodatussuodatinmateriaalien valmistamiseksi ilman ja nestemäisten väliaineiden hienopuhdistukseen.
Kun sähkökehrätään liuoksista, muovatun polymeerin siirto viskoosiseen tilaan suoritetaan liuottamalla sopivaan liuottimeen. Joissakin tapauksissa, joissa liuottimen käyttö ei ole optimaalinen, sulatteen sähkökehräys on mahdollista.
Kuiva-märkäkehruu - muovausta kaasu-ilma-kerroksen läpi kehruuputken ja saostuskylvyn pinnan välillä käytetään lankojen saamiseksi korkeaviskoosisista kehruuliuoksista (erityisesti kovaketjuisiin polymeereihin perustuvista [3] ), mikä edellyttää käyttöä spinnerets, joilla on suuri reiän halkaisija ja vastaavasti korkeat arvot kehruuuutteita.
Muovaus suoritetaan ylhäältä alas syvämenetelmällä tai putkissa. Kehruuliuossuihkut kulkevat ilmassa 5-50 mm matkan, jossa pääosa kehruusidosvedosta tapahtuu, minkä jälkeen ne menevät saostuskylpyyn, jossa kuitu muodostuu. Tällä menetelmällä kehruunopeutta voidaan nostaa useita kertoja verrattuna tavanomaiseen märkäprosessiin ja saavuttaa korkeampi kuitujen orientaatioaste. [neljä]
Polymeeridispersiokehräysmenetelmää voidaan käyttää silloin, kun polymeeriä ei ole mahdollista siirtää viskoosiseen tilaan sulattamalla tai liuottamalla, mutta tästä polymeeristä on olemassa merkittävä tarve kuidulle. Tällä tavalla muodostuu fluoria sisältäviä kuituja [5] [6] : polyfeenia , teflonia ja muita.
Kun kehrätään polymeeridispersiosta, kehruukoostumuksesta muodostetaan filamentteja, jotka sisältävät: kuitua muodostavan polymeerin liuoksen, matriisin - halutun polymeerin hienojakoisia partikkeleita suspendoituneessa tilassa ja pinta-aktiivisia aineita. Muovaus suoritetaan kuitua muodostavalle polymeerille ominaisella tavalla, mutta nopean koaguloitumisen edellyttämissä ankarammissa laskeutumisolosuhteissa.
Muodostetaan kuitu, joka on täytetty halutun polymeerin kosketuksissa olevilla hiukkasilla ja jolle suoritetaan korkealämpötilakäsittely (kuitua muodostavan polymeerin poistamiseksi lämpöhajoamisen kautta). Lisääntyneen diffuusioadheesion seurauksena halutun polymeerin hiukkasten välillä tapahtuu sintrausta kuidun muodostuessa.
Geelikehruu [7] - kehruu liuoksesta, jossa faasi hajoaa jäähdytettäessä - käytetään seuraavien kuitujen saamiseksi:
Muotoilu suoritetaan kuilussa jäähdytyksellä tai jäähdytyshauteessa. Kuidut joutuvat plastisointivenytykseen. Liuotin poistetaan varovasti (esim. tyhjiö) kuivaamalla tai pesemällä vapaasti virtaavilla nesteillä, jotka sekoittuvat polymeeriliuottimeen (usein veteen), mitä seuraa kuivaus. Suorita sen jälkeen tarvittaessa termodynaaminen venytys ja lämpökäsittely.
Menetelmä on löytänyt käytännön sovellusta erittäin lujien lankojen muodostamisessa, jotka perustuvat ultrakorkean molekyylipainon polyeteeniin. [kahdeksan]