Способ получения ориентированного волокна из термопластичных полимеров
Изобретение относится к переработке полимеров и позволяет повысить эксплуатационные свойства волокна за счет уменьшения фибрилляции. Способ получения ориентированного волокна из термопластичных полимеров включает волочение мононити через волоку при температуре высокой эластичности, мононить после волочения дополнительно волочат через калибрующую волоку, в которой возбуждают ультразвуковые колебания, и волочение осуществляют при амплитуде ультразвуковых колебаний от 5,0 до 15,0 мкм со скоростью 0,2...0,5 м/с. 1 табл.
СОЮЗ СОВЕТСНИХ
СОЦИАЛИСТ ИЧЕСНИХ
РЕСПУБЛИН
46 А1 (19) (11) (51)5 D 01 D 10/00
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Н АВТОРСНОМЪ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ
ПРИ fHHT СССР (21) 4315159/30-12 (22) 09 ° 10.87 (46) 30.04.90. Бюл. № 16 (71) Витебское отделение Института физики твердого тела и полупроводников АН БССР (72) В.В.Клубович, В.В.Гусев, В.П.Ткаченко и И.В.Тихонов (53) 678,7 (088 ° 8) (56) Polymer Eng. Sci, 1980, v. 20, ¹ 18, р.1229-1235.
Изобретение относится к переработ- ке полимеров, а именно к производству высокоориентированного моноволокна и микропластика, и может быть использовано в производстве армированных пластиков в машиностроении и химической промышленности, а также в быту.
Цель изобретения — повышение эксплуатационных свойств волокна за счет уменьшения фибрилляции.
Поставленная цель достигается тем, что.мононить после ориентационного волочения дополнительно подвергают волочению через калибрующую волоку, в которой возбуждают ультразвуковые колебания, и волочение осуществляют при амплитуде ультразвуковых колеба2 (54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОРИЕНТИРОВАННОГО ВОЛОКНА ИЗ ТЕРМОПЛАСТИЧНЫХ ПОЛИМЕРОВ (57) Изобретение относится к переработке полимеров и позволяет повысить эксплуатационные свойства волокна за счет уменьшения фибрилляции. Согласно способу получения ориентированного волокна из термопластичньж полимеров,. включающему волочение мононити через волоку при температуре высокой эластичности, мононить после волочения дополнительно волочат через калибрующую волоку, в которой возбуждают ультразвуковые колебания, и волочение осуществляют при амплитуде ультразву- а е ковых колебаний 5,0-15,0 мкм со скоростью О, 2-0 5 м/с. 1 табл. ний 5,0-15,0 мкм со скоростью 0,20 5 м/с.
Уменьшение и даже исключение фибрилляции являются следствием ультразвуковой обработки мононити в калибрующей волоке, При этом внешняя часть мононити проплавляется и частично разориентируется.
В качестве термопластичных гибкоцепных полимеров используют полиолефины, полиамиды, поливиниловый спирт, полистирол, полимеры производных метакриловой и акриловой кислот, полиэфиры, например лавсан, сополимеры, обладающие термопластичностью, а также смеси и сплавы вышеперечисленных полимеров и сополимеров.
1560646
Кроме того, могут быть использованы полимеры, сополимеры и их смеси, содержащие целевые добавки (пигменты, пластификаторы, стабилизаторы, наполнители и т.п.).
В качестве оборудования для реализации предлагаемого способа используют технологическое оборудование, используемое в волочильном производстве (волочильные станы, цепные станы и т.п.), в качестве волок — волоки, обеспечивающие кратность вытяжки от
О, 1 до 25, а в качестве источника ультразвука — ультразвуковые генераторы, например, типа УЗГ-0,4, УЗДН-2Т и т.п. В каждом конкретном случае выбор технологического оборудования для реализации предлагаемого способа зависит от вида или:типа ориентируемого полимера, от диаметра формуемой мононити и т.п.
Сущность способа заключается в следующем.
При возбуждении ультразвуковых колебаний в волоке на границе контакта двух сред (в данном случае материал волоки — полимер) выделяется тепло, причем интенсивность выделения тепла прямо пропорциональна квадратам амплитуды и частоты ультразвуковых колебаний. При этом происходит разогрев как волоки, так и полимера, и температура на границе раздела сред может достигать высоких значений (например, может быть намного выше температуры плавления полимера).
Температуру волоки в калибровочной зоне (а значит, и степень разогрева полимера) можно регулировать изменением частоты и амплитуды ультразвуковых колебаний, однако, поскольку УЗгенераторы работают на фиксированных частотах, предпочтительнее регулировать амплитуду.
Поскольку материал волоки (спецстали, сверхтвердые материалы, синтетические.и природные алмазы) имеет большую теплопроводность, чем полимер, то тепловой поток, в основном, направлен oт границы контакты двух сред в волоку, однако, развивающиеся температуры могут превысить температуру перехода полимера в вязкотекучее состояние.
Лоток энергии, направленный от границы контакта двух сред к центру мононити,.способен расплавить ориентированный полимер, однако в процессе волочения мононить нагревается до температуры вязкотекучего состояния .
5 только по периферийному слою. и толщина (или глубина) этого слоя зависит только от амплитуды ультразвуковых колебаний и скорости, с которой мононить проходит через калибрующую зону
10 . волоки.
При постоянной температуре на границе контакта двух сред поток тепла, выделяющийся в моноволокно:
2 t,gJ ë,, Т
15 )
1п—
D 2ЬК где ф — теплопроводность полимера;
1 — длина калибрующей зоны;
2Ц к0
Т вЂ” разность температур на,границе контакта сред и на глубине прогрева Д В. полимера до температуры плавления;
D - диаметр волокна.
В то же время количество тепла, необходимое для нагрева полимера до плавления:, 0 п Сч 1 ДТи где С„ - теплоемкость полимера;
m — масса полимера;
АТ„ — разность температур полимера на входе в волоку и расплав-, ленного полимера.
Масса полимера m= pV 0 „ r p3 плотность, „0 - объем полимера:
V06 = LN aR(D AR)3
rye L — скорость волочения, умноженная на время .(длина моноволокна, проходящая через точку за единицу времени), т.е.
06 9Ь0
Подставляя значения и сравнивая, получают
0 = фРЧ,.„- АВ,(О-М) ДТ„=
D-2 dR
После преобразования..
Ткз
Vs
С>РДТ ЬВ.(В-АК) 1п
Э 2АR
Анализ полученного выражения показывает, что скорость волочения полимера для лроплавления его .на заданную глубину зависит от температуры, развивающейся в калибрующей зоне во60646 о е и экструдируют. После выхода полимера иэ сопла (показатель заполнения сопла., полимером) экструзию прекращают и извлекают заготовку. Далее оттянутый
5 конец заготовки заправляют в волоку, волоку помещают в контейнер с обогрео вом, нагревают систему до 104 C u термостатируют при этой температуре.
Свободный конец полимера захватывают зажимом и волочат полимер. Диаметр волоки составляет 1„01 ми. Скорость волочения — О, 1 м/с. Полученную мононить далее заправляют в калибрующую волоку, соединенную с источником ультразвука, и затем волочат. Одновременно в волоке возбуждают ультразвуковые колебания. Температура в калибо ровочной зоне составляет 150 С. Диа20 метр калибрующей волоки 1,000 мм, скорость волочения 0,5 м/с. Амплитуда ультразвуковых колебаний составляет
10 мкм при частоте колебаний 22 кГц.
Прочность мононити ПЗВП до волочения
25 через калибровочную волоку 630 ИПа (63 кг/мм2), после волочения через калибровочную волоку с ультразвуком—
610 ИПа (61 кг/мм ). .Глубина проплавления моноволокна составляет 20 мкм.
После десятикратного изгибания мононити на угол 180 фибрилляции не наблюдается. Иононить после первой во.=, локи фибриллизуется после двухкратноо го изгиба на 180 . Жесткость волокна определяли по ГОСТ 6611. 3-69 (крут" ка)
Пример ы 2-31. Иононить получают и обрабатывают как в примере
1 за исключением того, что изменяют параметры процесса и вид используемого термопласта.
Параметры процесса и физико.-механические характеристики полученных мононитей приведены в таблице.
50
5
1 локи, и температуры полимера на вход в волоку.
Ориентированная структура моноволокна в процессе проплавления разори ентируется на заданную глубину, B результате чего мононить имеет центральный стержень из высокоориентированного полимера, "одетый".в чехол из разориентированного эластичного полимера. Такая структура существенно повьппает поперечную и изгибную.прочность моноволокна. При изгибе моноволокно не расщепляется. (фибрилляция).
Способ осуществляют следующим образом.
Заготовку из полимера, например полиэтилена высокой плотности (ПЗВП), заправляют в волоку и волочат при температуре высокоэластичного состоя-. ния, например при 110 С. Степень ориентации (сов 9) мононити зависит от степени вытяжки и может достигать: значений 0,92-0, 95. На выходе нз во- локи мононить охлаждают до комнатной температуры и заправляют в калибрующую волоку. Далее возбуждают в калирующей волоке ультразвуковые колебания и, непрерывно контролируя температуру волоки в калибрующей зоне, волочат мононить. Температуру калибрующей зоны. поддерживают постоянной, регулируя амплитуду ультразвуковых колебаний.
Температурные условия осуществления процесса поддерживают в определенном интервале, поскольку известно, что ниже температуры плавления процесс оплавления неосуществим, а с другой стороны температуру. калибрующей зоны волоки нельзя повышать вьппе разумного предела, например поддерживать температуру выше или равной температуре деструкции полимера. То же самое можно отнести и к амплитуде ультразвуковых колебаний.
На выходе из калибрующей волоки мононить охлаждают. Дополнительно нить после оплавления может быть подвергнута отжигу.в инертной атмосфере для стабилизации надмолекулярной структуры полимера.
Пример 1. Цилиндрическую заготовку из ПЭВП диаметром 4,0 мм и длиной 150 мм помещают в контейнер для экструзии с коническим соплом (диаметр на выходе 1,00 мм, длина о сопла. 100 мм) и нагревают до 110 С, термостатируют при этой температуре
Предлагаемый способ позволяет по.-. лучать практически не фибриллиэующуюся мононить .с меньшей жесткостью.
При выходе за пределы параметров (скорость волочения и амплитуда) процесса повьппается жесткость или существенно снижается прочность мононитн.
Формула изобретения
Способ получения ориентированного волокна из термопластичных полимеров, включающий волочение мононити через волоку при температуре высокой элас1560646 через калибрующую волоку, в которой возбуждают ультразвуковые колебания, и волочение осуществляют при амплитуде ультразвуковых колебаний 5 0—
15 0 мкм со скоростью 0,2 - 0 5 м/с. тичности, отличающийся тем, что, с целью повышения эксплуатационных свойств волокна за счет уменьшения фибрилляции, мононить пос5 ле волочения дополнительно волочат
ЖестСкорость волочения, м/с
Прочность
Примечание
Диаметр волоки
Полимер кость, с 2 уда
ЗК, мкм ориен" калибтирую- рующей щей мононити, кг/мм2
Не фибриллизуется
Фибриллиэуется
Не фибриллиэуется и и
II и
Фибриллизуется
Не фибриллизуется
tl
ll
II и
tl и и
tt
1I
ПА-6, 6
ff и
It
«и и
Фибриллизуется
Не фибриллизуется
1I и и
Фибриллиэуется
Не фибриллизуется и и и
lt
Фибриллиэуется
Не фибриллизуется
ll
Лавсан
lf и и
t1 и и
If и
Фибриллизуется
Не фибриллизуется
Фибриллизуется
Составитель Т.Астанина .Редактор А.Лежнина Техред A.Kðàâ÷óê
Корректор Л.Бескид.
Заказ 956 Тираж 379 Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5
Производственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина, 101«
1 ПЭВП
tt
3 и
tt
tt
6 и
8
11
12
13
14
16
17
18
19
21
22
23
24
25.
26
27
28
29
1 02
1ь Î2
1,02
1,02
1ь02
1,02
1,02
0 51
0,51
0,51
0,76
0,76
0,76
0 76
0,76
0,76
0,41
0,41
0,41
0,41
0,41
0,41
0,41
1ь03
1,03
1,03
1,03
1,03
1 ь03
1,03
1 03
1,01
1ь01
1ь01
1ь01
1ь01
1,01
1,01
Q,50
0,50
0,50
0,74
0„74
0,74
0,74
0,74
0,74
0,40
0,40
0,40
0,40
0,40
0,40
0,40
1,01
f 01
1ь01
1,01
1,01
1,01
1,01
1,01
0,5
0,5
0,5
0 5
9ь5
0,5
0,5
0,4
Оь4
0,4
0,2
0,2
0,2
0,2
02
0,2
0,2
0,4
0 5
0,15
О,б
0,5
0,2
0,2 ов2
0,2
0,2
0,5
0,2
0,4
0,4
3,5
12.
45 °
17, 5
15
10
18
15.
10.
11
17
17
61,0
62,1
61,4
61,0
60,4
53,2
62 5
61,0
59,3
58,0
58,3
58,.1
57,2
57,0
52,3
62,0
82,3
80,1
8ã,2
70,3
80,0
79,3
84,7
87,2
84,0
83,2
77, 1
79,3
89,1
78,5
89,8
) 7,2
6,3
817
9,9
9,1
13ь5
14,7
1?,2
19,7
22,4
10, 3
14,2
15ь7
17,1
20,7
8,2
18,0
20,1
18,4
25,0
19,3
20,1
12,0
6,1
8,5
9ь3.
11,2
10,8
5 0
10,0
4,3
