Производство полиэфирных нитей

Введение

   Промышленность химических волокон возникла на рубеже 20-го  века, в связи с необходимостью в значительном расширении ассортимента текстильных материалов, так как натуральные волокна по количеству, и, что особенно важно по качеству не отвечали  возросшим требованиям.

 Производство химических волокон  началось с выпуска искусственных  волокон, в частности с производства  вискозных волокон и нитей, которые сохраняют свою актуальность  до настоящего времени. В 20-х годах появились ацетатные волокна, а 30-50-х годах появились синтетические волокна (полиамидные, полиэфирные полиакрилонитрильные, галогенсодержащие и полиолефиноавые). В середине 60-х годов промышленностью начали выпускаться малотоннажные волокна со специфическими свойствами (терможаростойкие, высокопрочные, высокомодульные). Развитие производства химических волокон обусловлено ограниченной возможностью расширения сырьевой базы натуральных волокон и высокой технико-экономической эффективностью производства и использования химических волокон. Они стали незаменимыми не только в качестве волокон широкого бытового назначения, но и как ценное техническое сырье. Во многих отраслях современной техники (ракетостроение, космонавтика, авиация и другие) технический прогесс тесно связан с применением химических волокон. В Белоруссии выпускаются

почти все известные химические волокна:

- вискозные (Могилев, Светлогорск)

- полиамидные (Гродно)

- полиэфирные (Могилев, Светлогорск)

- полиакрилонитрильные (Новополоцк)

- полипропиленовые (Могилев, Светлогорск)

Начиная с 1959 года промышленность синтетических волокон развивалась ускоренными темпами. Создание  производства  синтетических   волокон   знаменовало собой новый этап в развитии промышленности химических волокон, так как они обладают универсальными, а в ряде случаев, уникальными свойствами.

    Синтетические полиэфирные волокна, производятся из сложных полиэфиров  – высокомолекулярных веществ, отдельные  звенья макромолекул которых  связанны между собой сложноэфирными  группами – С – О –

                    О

Полиэфиры впервые были получены Гей-Люсаком в 19 веке, но они были непригодны для получения волокон. Волокнообразующие полиэфиры были получены в 30-х годах в США  Карозерсом, но они имели низкие физико-механические показатели. В 1941 году англичане Уинфильд и Диксон продолжая работы Карозерса, получили высококачественный эфир на основе терефталевой кислоты и этиленгликоля, и в 1943 году было впервые получено волокно. В СССР впервые полиэфирное волокно было получено на Курском ПО в 1960 году, а в 1968 году было пущено крупнейшее в Европе предприятие в городе Могилеве.   В настоящее время

промышленный   выпуск  полиэфирных волокон  базируется  на

переработке полиэтилентерефталата – продукта поликонденсации терефталевой кислоты или диметилового эфира с этиленгликолем. Полиэфирные нити и волокна являются наиболее универсальным и массовым сырьем для технических изделий и товаров народного потребления.

Выпускаются полиэфирные:

Текстильные нити, которые используются для тонких тканей, трикотажа, швейных и медицинских ниток.

   Технические  нити для изготовления транспортных лент, шлангов, канатов, приводных ремней, парусов, веревок.

   Объемные нити для тканей, трикотажа, носочно-чулочных изделий.

    А так же выпускается моноволокно, ковровый жгутик, но на 70% выпускается волокно как    жгутовое так и резаное. Выпускается оно матированное и нематированное, окрашенное  в массе или поверхностно и неокрашенное. Отличается по степени полимеризации, физической структуре, профилю поперечного среза, но  все они получаются из одного сырья, имеют один технологический процесс и подобные свойства.  

Наряду с производством полиэфирных волокон, комплексных нитей выпускаются и мононити – это одиночные нити большой длины, неделящиеся в продольном направлении без разрушения и пригодные для непосредственного изготовлении изделий.

Мононити чаще всего используются в виде лески, а так же для изготовления  рыболовных  сетей  и  мукомольных  сит.  Иногда

мононити применяются в различных измерительных приборах.        

характеристика сырья, материалов и полупродуктов

    В производстве полиэфирных мононитей основным сырьем является:

1. Гранулят полиэтилентерефталат (ПЭТФ) - продукт поликонденсации терефталевой кислоты или ее диметилового эфира с этиленгликолем. На основе полиэтилентерефталата получают полиэфирные волокна

.Технические условия фирмы «Уде» ФРГ

Внешний вид: от светло – серого до светло – желтого.

Удельная вязкость в ДХУ кислоте, ед:  825 3

Желтизна и яркость:  max 28   min 24

Массовая доля ТiO2:  0,36% 0,02

Массовая доля влаги:  max 0,1%

Массовая доля пыли:   max 0,06%

Массовая доля непрорезов:  max 0,1%

Массовая доля диэтиленгликоля:  max 0,8%

Содержание карбоксильных групп:  max 30мг/экв/кг

Желтизна по методу Эмрефа, ед. – 25 3

Белизна по методу Эмрефа, ед – 54 3

 Размер гранул мм:   4 3; 5 5,0

 Точка размягчения: 261   2ºС

 Массовая доля посторонних включений: 0,001%

2. Азот

Технические условия фирмы «Уде» ФРГ

Его используют для создания инертной среды и предотвращения термоокислительной деструкции расплава.

Избыточное давление МПа(бар) - 0,5-0,6 (5-6)

Массовая доля кислорода – не более 0,0005%

Точка росы – (- 40ºС)

3. Замасливатель (специальный)

Технические условия фирмы «Уде» ФРГ

Применяется при формовании нитей текстильного и технического назначения для снижения электризуемости, придания нитям мягкости, скольскозти,  уменьшения поверхностного трения, возникающего при прохождении нити через нитепроводящую гарнитуру, компактности.

Внешний вид – прозрачная , светложелтая жидкость

Плотность – 0,8613 г/см3

Температура плавления – 18ºС

Температура кипения -350-406ºС

  4. Динил

Технические условия фирмы «Уде» ФРГ

 Теплоноситель для создания повышенных температурных режимов

( до 280 – 300ºС). Высококипящий, органический теплоноситель для обогрева экструдера.

Внешний вид – прозрачная слегка желтоватая жидкость с запахом герани.

Температура кипения – 256-258ºС

Температура плавления – 12,3ºС

Плотность при 20ºС – 0,8613 кг/м3

Молекулярный вес – 166

Массовая доля влаги при 20ºС – 0,02%

Температура вспышки – 115ºС

Абсолютная диэлектрическая проницаемость при20ºС – 3,30 Ф/м 2

Электрическое сопротивление при 20ºС – 1,32 10 – 1 Ом/см2

ОПИСАНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ

В настоящее время большинство прядильных машин для формования полиэфирных нитей осращаются плавильно-формовочными устройствами экструдерного типа.

  Плавильно-формовочные  устройства экструдерного типа отличаются высокой производительностью по расплаву, небольшой продолжительностью пребывания расплава (от 20 до 60с) при высоких температурах, возможностью переработки высокомолекулярного полиэтилентерефталата, простотой и надежностью в эксплуатации, возможностью передачи расплава от одного плавильного устройства (экструдера) на несколько прядильных мест – фильерных комплектов. При формовании текстильной нити малой линейной плотности от одного экструдера расплав подается одновременно на всю машину. Экструдийные устройства устанавливаются над прядильной машиной в горизонтальном положении.

Горизонтальный экструдер для переработки гранулята ПЭТФ.

Движение полимера по экструдеру происходит с помощью шнека, который вращается в обогревательном цилиндре. Цилиндр обогревается с внешней стороны при помощи трубок Беккера . Это создает условия для постоянного  плавления гранулята и нагревания расплава полимера во время его движения. На конце обогреваемого цилиндра находится фланец, к которому крепится

расплавопровод для распределения расплава по местам формования прядильной машины. Каждое формовочное место имеет дозирующий насосик. Загрузка крошки в экструдер производится через воронку. Чтобы предотвратить налипание гранул в загрузочном отверстии и образование “сводов”, препятствующих подаче гранул в экструдер, зона загрузки снабжена рубашкой охлаждения. В качестве охладителя используется вода.

В экструдере различают три рабочие зоны, расположенные по длине червяка: первая зона – зона загрузки, вторая зона – зона сжатия, третья  зона – зона дозирования.

В зоне загрузки полимер разогревается до температуры плавления. В этой зоне самый интенсивный подвод тепла как от теплоносителя, так и за счет трения в шнековом цилиндре при транспортировке гранул (Т = 250-252ºС).

В зоне дозирования расплав перемещается при постоянной температуре. Эта часть экструдера работает как винтовой насос. Температура в зоне поддерживается до 300-310ºС

В зоне сжатия происходит плавление полимера, то есть полимер переходит из твердого состояния в жидкое (Т= 280ºС)

Шнеки для переработки полиэфира имеют довльно длинные зоны загрузки и сжатия. Давление на выходе из экеструдера в среднем составляет 392266- 1176798 Па.

Для получения мононитей используют агрегат на котором последовательно проводятся операции: плавление, формование, вытягивание, термообработка, калибровка и намотка.

Плавление  гранулята   ПЭТ  осуществляется  в  экструдере   с

диаметром шнека 50мм и производительностью соответственно70кг/час. Фильера имеет 15 отверстий, а диаметр их зависит от линейной плотности формуемой мононити и у меня равен 0,25мм. С тем чтобы избежать овальную форму в поперечном сечении мононити лавсан, особенно больших диаметров (более 0,8мм), соотношение длины к диаметру капилляра отверстия фильеры должно быть 10. Выходящие   из  фильеры со   скоростью

30 м/мин  струйки расплава охлаждаются  в закалочной ванне, где поддерживается  температура воды 60ºС. Далее мононити  вытягиваются в две стадии  при общей кратности 5 при температуре  160ºС. При необходимости получения мононитей с отклонением по диаметру не выше ± 0,01мм одновременно с процессом ориентационной вытяжки осущестрвляют колибровку (волочение) мононити. Термообработка в зависимости от заданной усадки и уровня структурно-механических свойств мононитей проводится под натяжением или в свободном состоянии. Скорость приема готовых мононитей на двухфланцевые катушки – 120м/мин (масса паковки – 1,5-2,0кг)

ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО

ПРОЦЕССА

   По своему строению ПЭТФ типичный волокнообразующий полимер без разветвлений и сшивок. При нагревании выше 80ºС ПЭТФ кристаллизуется, теряет прозрачность, превращается в вещество с плотностью – 1,38- 1,40г/ см3.

   Производство полиэфирных  мононитей  осуществляется  по технологической схеме в которой совмещены в одной непрерывной линии операции формования, ориентационной вытяжки, термообработки и намотки.  Для плавление гранулята ПЭТФ использую плавильные устройства с принудительной подачей гранулята. Экструдер установлен над прядильной машиной в горизонтальном исполнении. При формовании мононитей от одного экструдера расплав  подается одновременно на всю прядильную машину.

Машина изолирована стеклянной ватой и заключена в теплоизоляционный кожух.

 В данном экструдере  шнек приводится во вращение от электродвигателя через электромагнитную муфту скольжения и планетарный редуктор. Гранулы полиэфира поступают в загрузочный бункер с помощью пневмотранспорта из сушилки, установленной  над бункером. Далее гранулят по распределительному патрубку поступает в плавильное устройство. Основная   задача плавильного устройства – перевод полимера

из твердого в вязкотекучее состояние. Плавление происходит в шнеке на плавильной решетке. Цилиндр обогревается при помощи трубок Беккера, установленных в блоке и имеет несколько зон обогрева с различной температурой.  Зонный обогрев цилиндра позволяет создать наилучшие условия для постепенного,  равномерного и полного плавления гранулята,  и нагревания  расплава ПЭТ при движении его по каналам, а так же минимальную деструкцию ПЭТ, достигаемую при температуре формования 290ºС и минимальной продолжительности нахождения расплава при этой температуре  шнека. Полученный расплав  из экструдера поступает внутрь стояка через запорное устройство пробкового типа к дозирующему насосику,  нагнетающему расплав через канал   к нитеобразователю – фильере. Для формования полиэфирных нитей применяют фильеры круглого профиля с количеством отверстий 15. Диаметр отверстий фильеры равен 0,25мм  На линии движения расплава между плавильным устройством (экструдером) и прядильным блоком  устанавливается аппарат с двумя комплектами фильтрующих материалов( во время работы одного другой подвергается  чистке и отпадает необходимость останова машины  во время засорения фильтра). В качестве фильтрующих материалов используются сетки из мелкозернистого металла, нетканый материал из тонкой металлической проволоки.

Общая продолжительность пребывания полимера в расплавленном состоянии составляет в целом 4 минуты, поскольку полиэтилентерефталат    недостаточно     термостабилен     при

высоких температурах.

Вязкость расплава зависит от СП получаемого полимера и в моем проекте составляет 500Пас. Чем выше СП, тем прочнее нить.

После получения расплава полимера осуществляется формование, то есть продавливание расплава через отверстия фильеры с последующим образованием струек и превращением их в нити с помощью охлаждения.

Формование – это важнейшая стадия технологического процесса химических волокон, определяющая в основном  их структуру и свойства.

Параметрами процесса формования являются следующие:

 Температура плавления гранулята устанавливается – 290ºС.

 Температура расплава- 290ºС.

 Время пребывания в плавильной головке - 4 минуты.

 Скорость формования - 30м/мин.

Выходящие из отверстий фильеры со скоростью 30м/мин струйки расплава быстро застывают на воздухе и превращаются в твердые нити примерно на расстоянии 5см от поверхности фильеры. Для ускорения процесса затвердевания  струйки расплава  охлаждают  в закалочной ванне, где поддерживается температура 70ºС.

С целью получения плотной компактной нити и снятия электростатических зарядов охлажденную мононити обрабатывают замасливающими препаратами, представляющими собой  водную эмульсию смесей сульфированных жирных кислот с продуктами оксиэтилирования силиконовых масел. Препарацию наносят на нити, с помощью двух вращающихся шайб в количестве  2% от массы волокна. Далее   мононити    вытягиваются   в две     стадии

при общей кратности  5 и температуре 100ºС. Вытягивание полиэфирных  мононитей проводится при повышенной температуре, которая должна быть выше температуры стеклования полимера на 30ºС, но ниже температуры кристаллизации. Температура стеклования составляет 65-70ºС. Обе нагревательные камеры, через которые проходит нить, для получения ориентационной вытяжки  заполнены, кипящей водой.  В результате вытягивания мононитей значительно повышается не только их прочность, но и величина модуля эластичности. Одновременно с процессом ориентационной вытяжки осуществляют калибровку (волочение) мононитей.

  Затем нити проходят  термообработку для устранения  усадки и выравнивания напряжения  в вытянутом волокне. Термообработка  осуществляется  паром в котле при температуре 125ºС в течение

30 минут. После чего нити наматываются на катушки. Для устранения электризуемости и обеспечения хорошей сматываемости нити со шпуль при дальнейшей переработке на нити   наносится в процессе намотки  замасливатель в количестве 2% от массы нити.

Скорость приема мононити на двухфланцевые катушки (паковки  весом 2кг)  равна 130м/мин. Затем нить сортируется согласно ГОСТу и упаковывается.

   Основной характеристикой  этих нитей является :

Прочность – 50 сН/текс

Удлинение при разрыве не более – 35%

Замасливатель – 2%

Влажность - 0,6%

КОНТРОЛЬ И АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

   На стадии жизненного  цикла продукции одной из функции  комплексной системы управления  качеством продукции является  контроль качества и испытание  продукции. Эта функция должно  быть обеспечена нормативно-технической  документацией (НТД), то есть ГОСТами, ТУ (техническими условиями), картами контроля, необходимым оборудованием, приборами, материалами и обученным персоналом.

Функция контроля направлена на предотвращение выпуска продукции несоответствующей НТД. На разработку и внедрение новых методов контроля, на новых технических средств, на использование автоматизации, вычислительной техники, компьютеризации, на совершенствование методов контроля, на выявления продукции и процессов уровень которых несоответствует требованиям, и причин отклонений от требований.

   Эта работа складывается 

- из внедрения и соблюдения  стандартов и ТУ

- метрологического обеспечения 

- входного контроля сырья и  материалов

-  управление качеством оборудования.

- котроль и управление качеством  полупродуктов

- котроль качества готовой продукции 

- организация обратной связи  с потребителями продукции.

- управление качеством технологических  процессов.

На любом предприятии существует две формы контроля: системный и внесистемный. Для проведения системного контроля составляется карта. В карте указывается:

• Контролируемые параметры
• Установленные пределы по этим параметрам
• Контроль продукции или стадии технологического процесса
• Периодичность контроля
• Метод контроля

К внесистемному контролю относятся: разовые анализы качества сырья, обследования, поверочные анализы, представильные анализы, арбитражные анализы.

      Методами  контроля  качества могут быть:

1. Визуальный, то есть оценка в результате осмотра на глаз или на ощупь
2. Аналитический, то есть выполнение различных анализов в соответствии с разработанными методиками, внесенными в ГОСТы и ТУ, в СТП.
3. Приборный – это замер того или иного параметра по показаниям приборов.
4. Автоматический – то есть определение параметров с помощью автоматических систем, или приборов с записью показаний, а в некоторых случаях и с регулировкой параметров

Таблица1   Таблица контроля

продолжение таблицы 1

продолжение таблицы 1

Тахометр – для измерения скорости формования  и линейной скорости. Действие основано на центробежном эффекте. Центробежный тахометр- это механизм с кольцевым грузом и четырьмя сосредоточенными грузами. В механизме с кольцевым грузом центробежные силы стремятся навернуть кольцо.

Оно связано с осью шарнирным соединением. При небольшом повороте плоскость кольца становится перпендикулярно ведущей оси механизма. Противодействующий момент создаст спиральная пружин, один конец которой укреплен на оси, другой на кольце. Пружина стремится расположить плоскость кольца вдоль ведущей оси вращения. Поворот кольца посредством тяги и зубчатой передачи передается стрелке прибора.