CC BY
53
общаются. У них будут качественно разные возможности попасть на следующий уровень образования. И коренная для образования функция социального перемешивания будет отринута. Это - слишком дорогая цена для России. Поэтому 4 миллиарда долларов, которые можно, по оценкам экспертов, дополнительно получить от состоятельных семей, не стоят того будущего, которое мы можем уготовить своей стране».
УДК 66. 011
Б.С. Сажин, Л.Б. Дмитриева, В.Б. Сажин
Московский государственный текстильный университет им. А.Н.Косыгина, Москва, Россия Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
ВЛИЯНИЕ ПЛАСТИФИЦИРУЮЩЕГО ДЕЙСТВИЯ ВОДЫ НА ПРОЯВЛЕНИЕ АДГЕЗИОННО-АУТОГЕЗИОННЫХ СВОЙСТВ В ПРОЦЕССЕ СУШКИ ГРАНУЛИРОВАННОГО ПОЛИЭТИЛЕНТЕРЕФТАЛАТА
Рассмотрено воздействие пластификатора (воды) на структуру полиэтилентерефталата и влияние пластифицирующего действия на проявление адгезионно-аутогезионного взаимодействия при сушке гранул в условиях повышенных температур, создающего угрозу образования их агломератов (при снижении температуры стеклования (температуры липкости).
Рекомендованы способы предупреждения возникновения адгезионно-аутогезионного взаимодействия частиц (негативно влияющих на качество готовой продукции и затрудняющих процесс дальнейшей переработки) посредством проведение процесса кристаллизации на стадии сушки полимера, что открывает новые технологические возможности реализации процесса сушки при более высоких температурах (по мере увеличения количества кристаллических областей в структуре ПЭТФ).
В современных технологиях производства химических волокон и переработки волокнообразующих полимеров сушка является одним из самых важных, сложных и энергоемких технологических процессов, во многом определяющим качество готовой продукции [1-3].
Реализация процесса удаления влаги в ряде случаев затруднена различными технологическими осложнениями, обусловленными природой материала, а также особенностями химического строения и структуры объекта сушки [4,5]. В частности, вода оказывает пластифицирующее действие на полиэтилентерефталат (ПЭТФ), снижая температуру стеклования полимера (Тс), а следовательно и температуру липкости (Тл) [6-10].
Установлено [8], что при увеличении содержания влаги в ПЭТФ на 1% температура стеклования полимера снижается примерно на 100С.
Снижение температуры липкости (Тл) полимера в присутствии влаги до 60-80С0 значительно осложняет реализацию процесса сушки при температуре превышающей указанные значения Тл. Это обусловлено проявлением в данных условиях сил адгези-онно-аутогезионного взаимодействия, что приводит к налипанию частиц полимера на стенки аппарата, к слипанию частиц с образованием агломератов, комкованию и т.п. В процессе последующей переработки неравномерные по дисперсному составу гранулы ПЭТФ в процессе плавления будут иметь различное время плавления, что незамедли-
тельно сказывается на однородности расплава и ухудшении качества готовой продукции (волокна, пленки) [4,5,7].
Таким образом, в целях предотвращения негативного возникновения адгезион-но-аутогезионного взаимодействия в процессе обработки полимера и, как следствие, улучшения физико-механических свойств готовой продукции необходимо стремиться повысить температуру стеклования ПЭТФ (Тс).
При пластификации неполярных и малополярных полимеров в первом приближении справедлива следующая зависимость [11]:
АТС = к-у (1)
где АТс= Тс0 - Тс; Тс0 - температура стеклования полимера, не содержащего пластификатор; к - константа; у - объемная доля пластификатора.
Температура стеклования полимера является мерой сегментарной подвижности макромолекул и изменяется в зависимости от степени кристалличности (рк) полимерного субстрата [12-14]. Полиэтилентерефталат (ПЭТФ) по своей структуре является аморфнокристаллическим веществом [6-10]. Сразу после стадии синтеза (исходные компоненты: терефталевая кислота и этиленгликоль (ТФК + ЭГ) либо диметиловый эфир тере-фталевой кислоты и этиленгликоль (ДМТ + ЭГ)) методом подводного гранулирования полученный ПЭТФ в своей структуре содержит большое количество аморфных областей, что значительно усложняет процесс последующей переработки [7].
В целях улучшения физико-механических свойств готовой продукции необходимо в структуре синтезированного ПЭТФ увеличить количество кристаллических областей, посредством проведения дополнительной стадии кристаллизации [6-10].
С точки зрения технологии производства и переработки ПЭТФ технологически целесообразным является объединение стадии кристаллизации (увеличения числа упорядоченных областей в структуре полимера) и стадии сушки (удаление влаги как с поверхности гранул, так и из сложной структуры ультромикропор ПЭТФ) [1,2,7]. Это обусловлено тем, что присутствие воды в полимерном субстрате способствует ускорению процесса самоупорядочения структурных элементов (увеличению количества кристаллических участков в структуре полимера), т.е. возрастанию скорости протекания процесса кристаллизации в ПЭТФ, а также снижению температуры максимальной скорости кристаллизации [15], что в значительной степени отражается на свойствах полимера (в частности для кристаллического ПЭТФ Тл = 240 С0) [10].
Таким образом, повышение количества кристаллических областей в структуре ПЭТФ позволит проводить процесс сушки при более высоких температурах, предотвращая возникновение адгезионно-аутогезионного взаимодействия частиц (угрозу образования агломератов), негативно влияющего на качество готовой продукции и затрудняющего процесс дальнейшей переработки.
На практике технологически целесообразным является объединение стадий кристаллизации и сушки [12-14], поскольку по мере повышения температуры в процессе сушки ПЭТФ происходит увеличение числа упорядоченных элементов структуры, т.е. протекает процесс кристаллизации, сопровождаемый увеличением размеров кристаллов, а содержащаяся в поступающем на сушку полимере влага способствует увеличению скорости протекания процесса кристаллизации в ПЭТФ [5].
Согласно [16] кристаллизация ПЭТФ протекает по механизму зародышеобразо-вания с последующим ростом числа упорядоченных областей на поверхности уже имеющихся зародышей (центров) кристаллизации.
Скорость кристаллизации ПЭТФ зависит от величины молекулярной массы полимера, среды и температурного режима проведения процесса [8]. В частности, в водной среде процесс кристаллизации ПЭТФ начинается при температуре 70,7^75,6 0С, в безводном ПЭТФ - при 95,4^99,3 0С [17]. Максимальная скорость кристаллизации
ПЭТФ молекулярной массы 2,5 -104 — 3 -104 в водной среде достигается при 70-760С, на воздухе - при 180-1900С [8, 18], но снижается в присутствии небольших количеств воды [15].
Установлено [15], что скорость кристаллизации ПЭТФ снижается по мере увеличения молекулярной массы.
Согласно [8] полупериод кристаллизации (^1/2, мин) ПЭТФ при заданной температуре (Т, 0С) можно рассчитать из соотношения (2):
1 137
Ь— = 1,97---------------------1,03
Л/ т — т
'2
т_.
Т — Т
V Тпл 1 J
(2)
где Тс - температура стеклования, 0С; Тпл - температура плавления, 0С.
Существует несколько методов определения степени кристалличности полимера [19]: дифференциального сканирующего калориметра (ДСК); метод, основанный на широкоугольном рентгеноструктурном анализе; на измерении плотности полимера (пикнометром или флотацией) и сравнении её с плотностью кристаллического и аморфного полимера, согласно которому степень кристалличности (К), %, может быть рассчитана по (3) [20]:
К = Р> (р—ра >'100, (3)
Р(Рк — Ра )
3
где рк - плотность кристаллического ПЭТФ (1450-1470 кг/м );
о
ра - плотность аморфного ПЭТФ (1330-1350 кг/м );
3
р- плотность анализируемого ПЭТФ, кг/м , рассчитанная по (4):
т Р — (ОТ2 — т1 р2
т — (ш2 — т )
где т - навеска полимера, г; р1 - плотность воды при температуре опыта, кг/м3; т1 -масса пикнометра с дистиллированной водой при температуре опыта, г; т2 - масса пикнометра с дистиллированной водой и погруженным в нее образцом при температуре опыта, г; р2 - плотность воздуха, кг/м3.
Таким образом, проведение процесса кристаллизации на стадии сушки полимера позволяет открыть новые технологические возможности реализации данного процесса сушки при более высоких температурах (по мере увеличения количества кристаллических областей в структуре ПЭТФ), предупреждая возникновение адгезионно-аутогезионного взаимодействия частиц, создающего угрозу образования их агломератов (при снижении температуры стеклования (температуры липкости) вследствие пластифицирующего действия воды на ПЭТФ), негативно влияющих на качество готовой продукции и затрудняющих процесс дальнейшей переработки.
2
Список литературы
1. Сажин, Б.С. Научные основы техники сушки/ Б.С.Сажин, В.Б.Сажин.- М.: Наука, 1997.- 447 с.
2. Sazhin, B.S. Scientific Principles of Drying Technology / B.S.Sazhin and V.B. Sa-zhin.- New York - Connecticut - Walingford ( U.K).: Begell Hause Inc. - 2007.- 506 p.
3. Сажин, Б.С. Комплексный анализ и классификация дисперсных материалов как объектов сушки/ Б.С.Сажин, М.Б.Сажина, Л.Б.Дмитриева, М.В.Чунаев// Сборник докладов Международной конференции по химической технологии ХТ’07 (РАН), т. 2.-М.:ЛЕНАНД (URSS), 2007.- С. 181- 183.
4. Сажин, Б.С.. Оценка факторов, определяющих адгезионные свойства дисперсных волокнообразующих полимеров/ Б.С.Сажин, Л.Б.Дмитриева, М.Б. Сажина // Известия высших учебных заведений. Технология текстильной промышленности.- М., 2007.- №
4.- С. 89-92.
5. Сажин, Б.С. К вопросу оценки адгезионно-аутогезионных свойств дисперсных волокнообразующих полимеров/ Б.С.Сажин, Л.Б.Дмитриева, М.Б.Сажина // Химические волокна.- М., 2007.- №4.- С. 24-28.
6. Перепелкин, К.Е. Прошлое, настоящее и будущее химических волокон.- М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2004. - 208 с.
7. Зазулина З.А. Основы технологии химических волокон/ З.А.Зазулина, Т.В.Дружинина, А.А.Конкин.- М.: Химия, 1985.- 304 с.
8. Энциклопедия полимеров /Ред. коллегия В.А. Кабанов и др.- Т. 3.- М.: Советская энциклопедия, 1977.- 1152 с.
9. Химическая энциклопедия (в 5 томах) /Под ред. Н.С.Зефирова - Т.4.- М.: Научное издательство «Большая Российская Энциклопедия», 1995.- 639 с.
10. Большой энциклопедический словарь. Химия. /Гл. ред. И.Л.Клунянц, - 2-е (репринтное) издание «Химического энциклопедического словаря» 1983 г.- М.: Научное издательство «Большая Российская Энциклопедия», 1998.- 792 с.
11. Lofgren, E.A. Microstructure of amorphous and crystalline poly(ethylene terephta-late). // Annual Technological Conference. Soc. Plast. End.- 1998.- V.2.- P. 624-628.
12. Woods, D.W. Effects of crystallization on the glass-rubber transition in Polyethylene Ter-ephtalate Filaments // Nature.- London.- 1954.- № 4433.- P.753-754.
13. Липатов Ю.С., Нестеров А.Е., Грищенко Т.М., Веселовский Р.А. Справочник по химии полимеров.- Киев: Наукова думка, 1971.- 536 с.
14. Тагер, А.А. Физикохимия полимеров/ А.А.Тагер.- М.: Химия, 1978.- 544 с.
15. Геллер, Б.Э. Влияние воды на кинетику кристаллизации полиэтилентерефталата/ Б.Э.Геллер, Е.А.Рогова, Г.А.Михеева, А.Т.Калашник, М.М.Иовлева // Химические волокна.- 1991.- №6, С. 57-60.
16. Манделькерн, Л. Кристаллизация полимеров/ Л.Манделькерн.- М.: Химия, 1966.- 336 с.
17. Kolb, H.J. Dilatomeric studies of High Polymers. I. Second-order transition temperature/ H.J.Kolb, E.F. Jzard // J. Appl. Phys.- 1949.- V. 20.- P. 564-571.
18. Gobbs, W.H. Crystallization of Polyethylene Terephtalate / W.H.Gobbs, R.L Burton // J. Polym. Sd.- 1953.- V. 10.- P. 275-283.
19. Аналитический контроль производства синтетических волокон. Справочник/ Под ред. А.С.Чеголи, Н.М.Кваши. - М.: Химия, 1982.- 256 с.
20. Химические волокна: основы получения, методы исследования и модифицирование./ Под ред. Т.В.Дружининой. - М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2006.- 472 с.
