Введение

Формование волокна включает стадии образования тонких струй прядильной жидкости, их отверждение с образованием филаментов, а также последующее ориентационное растяжение и фиксацию структуры, определяющей комплекс эксплуатационных свойств полученного материала.

Отверждение струй прядильных растворов и расплавов волокнообразующих полимеров, осуществляемое в условиях их растяжения, определяется комплексом процессов тепло- и массопереноса, переноса количества движения, рядом физико-химических явлений и сопровождается сдвигом фазовых равновесий в системе «прядильная жидкость-среда».

Процессы нитеобразования могут быть осуществлены «расплавным» и «растворными» методами, характеризуемыми способом перевода волокнообразующих полимеров во вязкотекучее состояние. «Растворные» методы нитеобразования реализуются в двух вариантах:

- «сухом», основанном на удалении растворителя высушиванием (как без изменения фазового состояния, так и со сдвигом фазового равновесия);

- «мокром», заключающемся в осаждении полимера в форме волокна.

Кроме того, формирование волокнистых структур может быть проведено растяжением прядильных жидкостей в интенсивных аэродинамических полях («раздувом»), в электростатических полях, растягиванием высокодисперсных капель прядильных жидкостей в высоко интенсивных гидродинамических полях с одновременным осаждением полимера, каталитическим синтезом (по аналогии с образованием природных волокон) и др.

Основной целью «нитеобразования» является реализация таких условий истечения прядильной жидкости из капиллярного отверстия фильеры, образования стабильной струи и ее отверждения (с превращением в филамент), при которых геометрические и структурные характеристики всех филаментов были бы одинаковыми. Конечно, достижение этой цели является весьма сложной, многовариантной задачей, решение которой требует как точных знаний о процессе, так и искусства его ведения. Умение оптимизировать такие подходы предопределяет мастерство инженера химика-технолога по производству химических волокон. К сожалению, количественная теория, описывающая влияние всех аспектов процесса нитеобразования на структурно-механические свойства готовых волокон и нитей, в настоящее время еще не построена. Однако, отдельные эмпирические соотношения позволяют определить (по крайней мере полуколичественно) уровни того или иного параметра и сузить поиск оптимальных условий: в этом их польза и целесообразность.

Автор был бы весьма благодарен читателю за замечания и новые предложения, которые помогли бы совершенствованию информационной наполненности предлагаемого раздела «Сборника задач и упражнений по курсу «Физико-химические основы формования химических волокон».

1 Термины и определения

1.1 Тепло- и массоперенос

1.1.1 Терминология психрометрии

1.1.1.1 Объем влажного воздуха, м³.

Объем 1 кг сухого воздуха и содержащегося в нем водяного пара.

1.1.1.2 Объем насыщенного влагой воздуха, м³. Объем влажного воздуха, когда он насыщен водяным паром.

1.1.1.3 Психометрическое соотношение (в системе СИ):

.

Здесь: α_то - коэффициент теплоотдачи; Вт(м²град)^-1;

- коэффициент массоотдачи; кг(м²град)^-1;

С_{р, а} - теплоемкость влажного воздуха; кДж(кг·град)^-1.

1.1.1.4 Абсолютное влагосодержание воздуха:

.

Здесь: Р_п - парциальное давление водяного пара;

Р₀ - общее давление;

Р_н - давление насыщенного пара при данной температуре;

φ - относительная влажность воздуха.

Обозначив через и влагосодержание ненасыщенного и насыщенного пара соответственно, имеем:

.

1.1.1.5 Относительная влажность (степень насыщения) воздуха при данной температуре, Т:

,%.

1.1.1.6 Температура насыщения – «точка росы», Т_р.

Температура, при которой данная смесь воздуха с водяным паром становится насыщенной. Это температура, при которой давление пара над чистой водой равно наружному давлению в данной системе.

1.1.1.7 Температура «мокрого термометра», Т_м.т.

Температура динамического равновесия на поверхности раздела фаз «вода-воздух», когда скорость теплоотдачи конвекцией к ее поверхности равна скорости массоотдачи от ее поверхности (испарению).

Если: q_i - теплота испарения, Джкг^-1;

Р_н - давление насыщенного пара, Па, при температуре «мокрого» термометра, Т_м.т;

Р_п - парциальное давление водяного пара, Па, в окружающем воздухе;

Т и Т_м.т - температура «сухого» и «мокрого» термометра, соответственно,⁰С;

Р_п и Р_н << Р₀, то разность влагосодержаний равна:

.

На каждую единицу разности ( - ) имеем α^/_{м о} = 1,6  α_{м о}

1.1.1.8 Теплоемкость влажного воздуха, С_р,а, кДж(кгград) ^-1.

Теплоемкость смеси 1 кг сухого воздуха и x кг водяного пара

С_р,а = 1,01 + 1,93х

1.1.1.9 Теплосодержание влажного воздуха:

I= 0,24Т + 0,46   Т + 595  .