CC BY
8
УДК 621.763
DOI: 10.17122/bcj-2018-2-76-80
В. М. Святский (к.т.н, доц.)
ГИПОТЕЗА ВОЛОКНООБРАЗОВАНИЯ И ОЦЕНКА ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ВОЛОКНИСТОГО МАТЕРИАЛА ИЗ ТЕРМОПЛАСТА
Воткинский филиал Ижевского государственного технического университета им. М.Т.Калашникова, кафедра «Технология машиностроения и приборостроения» 427430, г. Воткинск, ул. Шувалова, 1; тел. (34145)51500, e-mail: svlad-2000@yandex.ru
V. M. Svyatskii
HYPOTHESIS OF FIBER PRODUCTION AND ESTIMATION OF FIBER MATERIAL QUALITY INDICATORS FROM
THERMOPLAST
Votkinsk Branch of Kalashnikov Izhevsk State Technical University 1, Shuvalova Str., 427430, Votkinsk, Russia; ph. (34145)51500, e-mail: svlad-2000@yandex.ru
Обсуждается гипотетический механизм процесса получения волокнистого материала из термопласта дутьевым способом, а также представлена методика расчета среднего диаметра йв и длины 1в элементарных волокон. Согласно представленным расчетам, величина среднего диаметра элементарных волокон йв зависит от скорости воздушного потока, истекающего из дутьевой головки в зоне волокнообразования. Чем больше скорость воздушного потока Ур, тем меньше диаметр элементарных волокон. Длина элементарных волокон 1в зависит от их диаметра йв и переменного угла у диффузора дутьевой головки. Чем меньше диаметр элементарных волокон йв и больше переменный угол у, тем меньше длина элементарных волокон. При 7=0 град волокно получается бесконечной длины, с увеличением угла у длина волокна становится фиксированной.
Ключевые слова: вертикальный и горизонтальный способ раздува расплава; волокнообра-зование; методика расчета среднего диаметра и длины элементарных волокон; плавление термопласта.
Волокнистые материалы, производимые из первичных или вторичных термопластов, применяются в различных областях деятельности человека. Основное назначение таких материалов в технической сфере — создание композиционных материалов с особыми свойствами: фильтрация жидкостей, сорбция нефти и нефтепродуктов, тепло- и звукоизоляция различных видов энергетического и транспортного оборудования и др. 1-3.
Дата поступления 10.03.18
The article describes the hypothesis of obtaining elementary fibers from the melt of a thermoplastic by the blowing method, as well as the method of calculation of their average diameter dB and length lg. The average diameter dg of the filaments varies depending on the speed of the airflow flowing from the blow head in the fiber-forming zone. The higher the air speed Vp, the smaller the diameter of the filaments. The length of the elementary fibers depends on the diameter of the elementary fibers and the variable angle of the diffuser of the blow head. The smaller the diameter of the filaments dB and the larger the variable angle y, the smaller the length of the filaments. At y = 0, the filament is of infinite length, with increasing angle y the fiber length becomes fixed.
Key words: fiber formation; method of calculating the average diameter and length of filaments; thermoplastic melting; vertical and horizontal melt blowing method.
При проектировании промышленного оборудования для производства волокнистого материала из термопластов дутьевым способом ставится задача — определение таких геометрических и энергетических параметров технологического процесса, при которых будет обеспечено получение волокнистого материала с заданными показателями качества и, в первую очередь, имеющего требуемый средний диаметр йв и длину 1в элементарных волокон.
У вертикально-дутьевого способа (рис. 1а), процесс преобразования расплава термопласта, истекающего из плавильного агрегата
под гидростатическим давлением, в волокно основан на предположении, что образующийся в дутьевой головке с кольцевым соплом поток воздуха выполняет двойную роль: вытягивание струи расплава за счет сил поверхностного трения и ее отрыв. По первой гипотезе - за счет аэродинамических сил в турбулентном потоке; по второй гипотезе — за счет сил поверхностного трения. Ниже по течению воздушного потока происходит дальнейшее движение элементарных волокон, под действием турбулентного потока воздуха, при котором, в результате охлаждения волокон температура уменьшается ниже точки плавления материала, и процесс волокнообразования прекращается 4.
Рис. 1. Расчетные схемы для определения среднего диаметра йв и длины 1в элементарных волокон: а —
вертикальный способ (вертикально-дутьевой способ); б — горизонтальный способ ( экстру зионно-дутьевой способ).
У экструзионно-дутьевого способа (рис. 1б), процесс получения элементарных волокон из термопластов при горизонтальном раздуве включает плавления и транспортирование исходного сырья экструзионным способом. При этом струя расплава из фильеры распространяется горизонтально. За счет силы тяжести струя расплава принимает искривленную в вертикальной плоскости форму, а также увеличивается на 15—25 % в поперечном направлении за счет уменьшения скорости течения, и далее, за счет вязкотекучего состояния расплава, диаметр струи постепенно уменьшается. Струя воздуха, истекающая из щелевого сопла дутьевой головки, воздействует на струю расплава в зоне пластичного состояния, деформируя ее, вследствие чего она отгибается, вытягивается и разрывается на элементарные волокна за счет сил поверхностного трения. Дальнейшее перемещение элементарных волокон под действием турбулентного потока воздуха, в результате их охлаждения процесс волокнооб-разования прекращается 5.
Теоретическое изучение процесса истечения расплава, представленного на рис. 1а,б, показало, что характер истечения расплава зависит от многих факторов, которые влияют на качество получаемого волокна, и является функцией:
¿в , 1в = I (ф , ГР V ) (1)
где Уф — скорость истечения расплава через фильеру, м/с;
Ур — скорость потока воздуха на выходе из дутьевой головки, м/с;
Ув — скорость движения волокна в момент отрыва, м/с.
Расчетная схема получения волокнистого материала вертикальным раздувом истекающей под гидростатическим давлением струи расплавленного термопласта представлена на рис. 1а. Из плавильного агрегата происходит истечение струи расплавленного термопласта, затем эта струя входит во взаимодействие с потоком сжатого воздуха, истекающего из дутьевой головки. Диаметр единичной нити, которая образуется при взаимодействии потока воздуха со струей расплавленного материала, можно определить с помощью уравнения неразрывности:
Ох = Охх (2)
Определяем объемный расход струи расплава в сечениях I и II, где О1 — расход на срезе фильеры и Оп — расход в зоне вытягивания до отрыва струи путем сдвига 6.
О = V
жёф
& = V
пй,
(3)
(4)
СП в 4 ,
где Уф — скорость истечения расплава через фильеру, м/с;
Ув — скорость движения волокна в момент отрыва, м/с;
^ф — диаметр фильеры, м;
йв — средний диаметр элементарных волокон, м.
Скорость движения волокна в момент отрыва Ув зависит от средней скорости воздушного потока Ур, истекающего из дутьевой головки. Можно предположить, что скорость движения волокна Ув будет меньше скорости воздушного потока Ур, это уменьшение можно учесть коэффициентом К
V = V К
* V * .
(5)
4
Расход струи расплава в двух сечениях примем равным QI = QII, при этом коэффициент Кг<1 зависит от сил, необходимых для разрыва сплошной струи расплавленного материала, а также от геометрической формы сопла дутьевой головки и условий образования элементарных волокон. Тогда уравнение неразрывности можно записать в виде:
кйф, 2 = К, в
(6)
4 г ' 4 .
Следовательно, из уравнения (6) можно определить средний диаметр элементарного волокна:
(7)
Так как скорость движения волокна зависит от скорости движения потока воздуха, то из формулы (7) можно выразить коэффициент Кг :
Гф й ф К, = -
V й2
р в
(8)
Скорость воздушного потока Ур в зоне образования элементарных волокон в дутьевой головке была исследована и определена в рабо-
тах
5, 7
Скорость истечения расплава из плавильного агрегата Уф можно определить по формуле:
у=-Я-
(9)
где рр — плотность расплавленного ПЭТ-материала, (рр=1300 кг/м3) 3;
5 — площадь фильеры, которая определяется: 5 = пй2ф14 , м3;
О — объемная производительность плавильного агрегата, кг/с.
Методика определения объемной производительности плавильного агрегата гидростати-
о
ческого типа представлена в .
Результаты расчетов коэффициента Кг представлены в табл. 1.
Кроме вытягивания элементарной нити из расплава полимера и изменения ее диаметра за счет потока воздуха в дутьевой головке, здесь также присутствует сила отрыва ¥отр, благодаря которой и образуются элементарные волокна, Н.
,рК иву)
(10)
^ = СБ-
отр
2
где Сх — коэффициент лобового сопротивления нити;
Уср — средняя скорость потока воздуха на выходе из кольцевой щели дутьевой головки, м/с;
5 — площадь элементарного волокна, м2, которая определяется, как 5 = йв1в; рв — плотность газа, кг/м3; tgY — переменный угол, который влияет на формирование полимерного волокна по длине 1в.
Зная силу отрыва ¥отр, запишем условия прочности этой элементарной нити.
В соответствии с первой гипотезой, отрыв элементарных волокон происходит за счет аэродинамических сил в турбулентном потоке, где напряжение при растяжении определяется как отношение силы отрыва ¥отр на площадь поперечного сечения элементарного волокна.
4 ^
отр
(11)
Таким образом, подставив выражение (10) в (11), получим общую структуру формулы: 4Сх1рр№)
~ (12)
а =■
р
Рпй
В момент отрыва элементарных волокон напряжение при растяжении нити должно
Таблица 1
Результаты расчетов диаметра волокна dв и коэффициента К,
Характеристики Характеристики Результаты расчетов
дутьевой головки плавильного агрегата ха рактеристи к
Ро, кПа Ур, м/с dф, м Уф, м/с dв, м У в, м/с К
50 81 0.0025 0.014 0.000094 32.4 0.4
0.0035 0.017 0.000140 32.4 0.4
100 163 0.0025 0.014 0.000024 144 0.90
0.0035 0.017 0.000038 144 0.90
150 258 0.0025 0.014 0.000017 254.8 0.98
0.0035 0.017 0.000028 254.8 0.98
быть больше или равной допустимому напряжению ор ^ [ор ].
Из формулы 12 можно выразить длину элементарного волокна /в:
1В =-
[о ]2я^в
(13)
4СЖР и;
Из формулы (13) следует, что чем больше диаметр волокна йв, тем больше увеличивается длина волокна /в с увеличением потока воздуха Уср на выходе из кольцевой щели дутьевой головки.
Для определения длины волокна /в примем предел прочности при растяжении в момент отрыва элементарных волокон из полиэтилен-терефталата ор =49—59 МПа 3; коэффициент
лобового сопротивления нити Сх
0.026. В
4
были исследованы семь конструкций диффузоров с углом в = 0; 3; 5; 8; 10; 12; 14 о.
Результаты расчетов длины волокна 1в в зависимости от переменного угла у и диаметра волокна йв представлены в табл. 2.
Из расчетов видно, что при угле у = 0 о образуется бесконечная полимерная мононить, но чем больше угол у, тем полимерные волокна в процессе их раздува воздухом становятся фиксированной длины /в.
В результате натурных испытаний процесса получения волокнистого материала с применением вторичного полиэтилентерефталата, показало, что при истечении расплава с температурой Ь = 270—280 оС через фильеру диаметром йф = 0.0025 м и воздействии на образующуюся мононить потока воздуха в рабочей зоне дутьевой головки при Р0 = 50 кПа, образуется волокнистый материал со средним диаметром йв от 0.000080 до 0.000107 м и длинной /в от 0.1 до 0.5 м при угле >=12 о. При йф = 0.0035 м, угле >=12 о и Р0=50 кПа средний диаметр волокон йв составил от 0.000097 до 0.000128 м и длинной /в от 0.3 до 0.7 м. После увеличения давления воздуха в дутьевой головке до Ро=100 кПа средние диаметры волокон составили при йф = 0.0025 м, йв от 0.000010 до 0.000027 м; при йф = 0.0035 м соответственно йв от 0.000015 до 0.000034 м. В случае последних двух вариантов длина волокон /в составила от 0.004 до 0.1 м при угле >=12 о.
Подробные экспериментальные исследования дутьевой головки с кольцевым сходящимся соплом и процесса волокнообразования представлены в работах 4' 5.
Представленные методики расчета среднего диаметра йв и длины /в волокна при получении волокнистых материалов вертикально-дутьевым способом показали следующее:
Таблица 2
Результаты расчетов длины волокна 1в
Р0, кПа бе, м к 0 Длина волокна 1е, м бе, м Длина волокна 1е, м
0 нить стремится к ^ ГО
1 1.902 4.101
3 0.664 1.374
50 0.000094 5 0.382 0.000140 0.821
8 0.236 0.506
10 0.186 0.406
12 0.156 0.336
14 0.133 0.281
0 ГО ГО
1 0.0319 0.0533
3 0.0102 0.0178
100 0.000024 5 0.0061 0.000038 0.0106
8 0.0038 0.0066
10 0.0030 0.0052
12 0.0025 0.0043
14 0.0021 0.0037
0 ГО ГО
1 0.0060 0.0166
3 0.0021 0.0056
150 0.000017 5 0.0012 0.000028 0.0033
8 0.00077 0.0021
10 0.00061 0.0016
12 0.00051 0.0014
14 0.00043 0.0012
Средний диаметр элементарных волокон dв меняется в зависимости от скорости воздушного потока, истекающего из дутьевой головки в зоне волокнообразования. Чем больше скорость воздушного потока Ур, тем меньше диаметр элементарных волокон. Расхождение результатов расчета среднего диаметра волокон с их реальными значениями не превышает 13%, что, учитывая сложность технологического процесса, можно считать удовлетворительным.
Литература
1. Шиляев А.И., Широбоков К.П., Сентяков Б.А. 1 и др. Технология и оборудование для производства волокнистых материалов способом вертикального раздува.— Ижевск: изд-во ИжГТУ, 2008.- С.248.
2. Сентяков Б.А., Широбоков К.П., Святский В.М. Волокнистый сорбент для сбора нефти на 2 основе полиэтилентерефталата // Предотвращение аварий зданий и сооружений: Сб. науч. тр., вып. 9.- М., 2010.- С.631-634.
3. Янков В.И., Жиганов Н.К., Пирог Н.И. Переработка волокнообразующих полимеров. Т. 7. Формование волокон из расплавов полимеров.-Москва-Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2006.- С.452. 3
4. Сентяков Б.А., Святский В.М., Святский М.А. и др. Процессы получения и практического использования полиэтилентерефталатного волокна из вторичного сырья.- Старый Оскол: Изд-
во «ТНТ», 2014.- 162 с. 4
5. Святский В.М., Сентяков К.Б., Сентяков Б.А. Расчет средней скорости и моделирование воздушного потока в рабочей зоне дутьевой головки // Автоматизация и современные технологии.— 2013.- №6.- С.20-24.
6. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика.-М.: Наука, 1986.- С.736.
7. Широбоков, К. П., Святский В.М. Исследова ние влияния конструктивных параметров диффузора на характеристику устройства волокно-образования // Вестник ИжГТУ.- 2010.-№3.- С.42-44.
8. Сентяков Б.А., Святский В.М., Широбоков К.П. Определение производительности плавильного агрегата при производстве волокнис- 6 тых материалов из расплава термопластов // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование.- 2010.- №2.- С. 36-40.
Длина элементарных волокон 1в зависит от диаметра элементарных волокон dв и переменного угла у. Чем меньше диаметр элементарных волокон ёв и больше переменный угол у, тем меньше длина элементарных волокон. При т=0 о волокно получается бесконечной длины, а с увеличением угла у длина волокна становится фиксированной.
References
Shilyaev A.I., Shirobokov K.P., Sentyakov B.A. Tekhnologiya i oborudovanie dlya proizvodstva voloknistykh materialov sposobom vertikal'nogo razduva [Technology and equipment for the production of fibrous materials by vertical blowing]. Izhevsk, 2008, 248 p.
Sentyakov B.A., Shirobokov K.P., Svyatskii V.M. Voloknistyy sorbent dlya sbora nefti na osnove polietilentereftalata [Fibrous sorbent for collecting oil based on polyethylene terephthalate]. Predotvrashcheniye avariy zdaniy i sooruzheniy [Preventing accidents of buildings and structures: Collection of scientific papers], 2010, no.9, pp.631-634.
Yankov V.I. Zhiganov N.K. Pirog N.I. Perera-botka voloknoobrazuyuschikh polimerov [Forming fibers from polymer melts]. Moscow-Izhevsk: SRC «Regular and chaotic dynamics», 2006, p.452.
Sentyakov B.A., Sviatskii V.M., Sviatskii M.A., Shirobokov K. P., Fonareva K.L. Protsessy polucheniya i prakticheskogo ispol'zovaniya polietilentereftalatnogo volokna iz vtorichnogo syr'ya [Processes of obtaining and practical use of polyethylene terephthalate fiber from secondary raw materials]. Stary Oskol: TNT Publishing House, 2014, 162 p.
Sviatskii V.M. Sentyakov K.B. Sentyakov B.A. Raschyot srednei skorosti i modelirovanie vozdushnogo potoka v rabochei zone dut'evoi golovki [Calculation of average speed and modeling of airflow in the working zone of the blow head]. Avtomatizatsiya i sovremennyye tekhnologii [Automation and modern technologies], 2013, no.6, pp.20-24.
Landau L.D. Lifshitz E.M. Gidrodinamika [Hydrodynamics]. Moscow, Nauka Publ., 1986, 736 p.
Shirobokov K.P. Svyatskii V.M. Issledovanie vliyaniya konstruktivnykh parametrov diffu-zora na kharakteristiku ustroistva voloknoobra-zovaniya [Investigation of the influence of the design parameters of the diffuser on the characteristics of the fiber-making device]. Vestnik ISTU, 2010, no.3, pp.42-44. Sentyakov B.A., Svyatskii V.M., Shirobokov K.P. Opredelenie proizvoditel'nosti plavil'nogo agre-gata pri proizvodstve voloknistykh materialov iz rasplava termoplastov [Determination of the productivity of the melting unit in the production of fibrous materials from the melt of thermoplastics]. Modern technologies. System analysis. Modeling. [Sovremennyye tekhnologii. Sistemnyy analiz. Modelirovaniye.]. Scientific journal, 2010, no.2, pp.36-40.
5.
7.
8
