Оборудование для формования волокон и нитей — формовочные устройства

Формовочные устройства (ФУ) (головки, блоки) являются основными узлами машины формования. Они предназначены для разделения расплава полимера на струи (жидкие нити) путем дозирования и продавливания его через отверстия фильеры. В общем случае ФУ включает дозирующий насос, фильерный комплект и при необходимости дополнительные элементы для обеспечения работы в процессе образования нити. К формовочным устройствам предъявляются следующие требования:

• должна быть обеспечена равномерность температуры расплава;
• время пребывания расплава должно быть минимальным и одинаковым для каждого формовочного устройства;
• должны обеспечиваться возможность замены дозирующих насосов и фильерных комплектов и удобство выполнения этих операций;
• должна обеспечиваться абсолютная герметичность стыков расплавопроводящих каналов с формовочным устройством;
• материал деталей, контактирующих с расплавом полимера, должен быть кислотои жаростойким.

Формовочные устройства могут быть выполнены в виде индивидуального блока, когда они предназначены для функционирования одного рабочего места формовочной машины (рис. 7, а, б, г), либо скомпонованы в формовочную секцию (рис. 7, в), предназначенную для функционирования нескольких рабочих мест (позиций). В зависимости от поточности дозирующего насоса на одной позиции может формоваться от 1 до 12 нитей.

Рис. 7. Схемы компоновки фильерных комплектов и дозирующих насосов на одной позиции формовочного устройства: 1 – вал привода насоса; 2 – дозирующий насос; 3 – фильерный комплект; 4 – фильера

1. Комплектация формовочных устройств

В зависимости от вида перерабатываемого полимера и назначения формуемых нитей дополнительными элементами формовочных устройств могут быть статические гомогенизаторы, устройства для отсасывания НМС и продуктов разложения полимера, замораживающие клапаны и др.

Отсасывающие устройства как элемент конструкции входят в состав формовочных блоков (рис. 8) или термокамер. Отсос паров НМС из подфильерного пространства осуществляется за счет разрежения, создаваемого водоструйным эжектором в отводящем патрубке.

Рис. 8. Формовочное устройство с отсосом НМС: 1 – насосный блок; 2 – расплавоподводящий канал; 3 – корпус формовочного устройства; 4 – полость для отсоса НМС; 5 – формующиеся нити; 6 – патрубок отвода загрязненной воды; 7 – трубопровод подачи воды; 8 – полости для циркуляции ВОТ; 9 – фильерный комплект

Рис. 9. Подача пара в подфильерное пространство

Иногда в подфильерное пространство (рис. 9) с помощью устройства 6 подается горячий газ или перегретый пар. Эта  среда препятствует охлаждению и загрязнению фильеры 1, окислению формуемых нитей 2 на выходе из фильеры в охлаждающую шахту 4, предотвращает отложение НМС на стенках отсасывающего устройства 3, термокамеры 5 и позволяет таким образом сократить количество чисток фильеры, уменьшить отходы производства.

Формовочные устройства SР40, SР50 и SР60 фирмы Barmag могут оснащаться защитной газовой системой, предотвращающей попадание кислорода в подфильерное пространство. Азот подводится к фильерному комплекту через трубу в формовочной балке для нагрева до температуры теплоносителя и распределяется по кольцевому трубопроводу.

При конструировании формовочного устройства важным является вопрос выбора высоты подфильерного пространства. При большой высоте неудобно чистить зеркало фильеры и производить смену фильерного комплекта, если он устанавливается снизу. При малой высоте возникает опасность охлаждения фильеры и нарушения процесса формования нитей.

При формовании нитей из высоковязких расплавов полимеров высоту подфильерной зоны увеличивают примыкающей к ней термокамерой с индивидуальным обогревом или без него. Назначение термокамер – замедлить процесс охлаждения нитей на выходе из фильеры с целью достижения более низкой предварительной ориентации. В необогреваемых термокамерах источником тепла для нагрева среды внутри камеры служит тепло от формовочного устройства и формуемых нитей. В обогреваемых термокамерах среда дополнительно нагревается либо от электрически обогреваемых стенок термокамеры, либо от нагретого газа или пара, подаваемого в полость термокамеры. Для удобства обслуживания термокамеры делают раскрывающимися.

2. Дозирующие насосы

В технологии химических волокон используются в основном шестеренчатые насосы, выполняющие функции нагнетания, выгрузки, дозирования расплава полимера (рис. 10).

Классификация насосов осуществляется по назначению: дозирующие подают расплав в фильерный комплект; напорные – к дозирующим насосам, обеспечивая необходимый подпор в их камере всасывания. Часто используются насосные блоки – в одном блоке соединены напорный и дозирующий насосы,

Рис. 10. Шестеренчатые насосы на линии прямого формования

имеющие общий привод. Первый насос создает необходимый подпор в камере всасывания дозирующего насоса, а второй подает расплав полимера к фильере. Такое сочетание двух насосов обеспечивает стабильность формуемой нити по линейной плотности. Напорные насосы могут не применяться, если подпор перед дозирующими насосами создается другими средствами (например, экструдером).

2.1. Типы и устройство дозирующих насосов

В качестве дозирующих насосов применяются исключительно шестеренчатые насосы с эвольвентным профилем зубьев

внешнего зацепления и одинаковым числом зубьев шестерен благодаря простоте конструкции, надежности в эксплуатации, долговечности и компактности. Принцип работы насосов заключается в следующем:

• расплав полимера поступает по каналу в камеру всасывания и заполняет впадины между зубьями;
• вращающиеся шестерни переносят расплав из камеры всасывания в камеру нагнетания, откуда он подается к фильерам;
• смазка насосов обеспечивается протекающим по зазорам и каналам расплавом.

Шестеренчатые насосы можно разделить на две категории – прямоугольного и планетарного типа. Классические насосы прямоугольного типа представлены двумя конструкциями – две или три зубчатые шестерни на одном уровне. Четырехструйный насос содержит два комплекта шестерен (на двух уровнях). Устройство планетарного шестеренчатого насоса менее сложное и требует меньше комплектующих (рис. 11).

Планетарный насос имеет «солнечную» передачу: ведущую шестерню в центре и ведомые шестерни, равномерно расположенные вокруг ведущей.

Особенности планетарных насосов:

• круглая форма и маленькая высота насоса способствуют оптимальному интегрированию в формовочной балке и эффективной передаче тепла на насос;
• благодаря упрощенной схеме каналов, централизованному входу расплава и симметричному распределению потока расплава внутри корпуса время пребывания полимерных потоков одинаковое, что способствует их большей однородности;
• незначительное повышение температуры полимера внутри насоса происходит в основном из-за трения на центральной пластине;
• используется меньше комплектующих деталей, все планетарные насосы оснащены центрирующей втулкой, что обеспечивает их несложный монтаж.

Рис. 11. Планетарный дозирующий насос

Основной характеристикой дозирующих насосов является подача расплава за один оборот, которая приводится в их условном обозначении. Например, НШ-0,6Л, НШ-0,6К – насос шестеренчатый, количество расплава, подаваемое за один оборот, равно 0,6 см3. Буквы после чисел обозначают рабочую среду: К – расплав ПА, Л – расплав ПЭТ.

Шестеренчатые насосы, применяемые в производстве синтетических нитей и волокон из расплавов, по числу выходных отверстий подразделяют на однопоточные и многопоточные.

В однопоточном насосе (рис. 12) две шестерни 4 и 7 расположены в средней пластине 2. Ведущая шестерня 7 вращается с валом 6, а ведомая шестерня 4 вращается на оси 5. Шестерни закрыты пластинами 3 и 1. На нижней пластине 3 расположены отверстия для входа и выхода расплава из насоса, на верхней пластине 1 – элементы привода и уплотнения вала насоса. Отверстие входа расплава в насос соединено с полостью входа 8, а отверстие выхода – с полостью выхода 9.

Рис. 12. Однопоточный шестеренчатый дозирующий насос: а – продольный разрез; б – поперечный разрез

К дозирующим насосам предъявляются следующие основные требования:

• должны обеспечивать заданную подачу с необходимой точностью;
• подача должна быть равномерной во времени, периодические и непериодические колебания подачи насоса не должны превышать установленного для каждого типа насоса значения;
• должны сохранять в заданных пределах величину подачи независимо от изменений давления перед насосом и после него;
• должны быть герметичными при давлении расплава на выходе до 15 МПа, в некоторых случаях и до 100 МПа;
• детали насосов не должны терять заданной геометрической формы при многократных нагревах до 400 °С, материал деталей должен быть инертным по отношению к дозируемому полимеру;
• должны быть простыми по конструкции и иметь малые габаритные размеры.

Конструкция и производительность дозирующих насосов определяются реологическими свойствами расплавов полимера. Повышение скорости насоса приводит к повышению скорости сдвига расплава, что влечет за собой повышение температуры и возможное разложение полимера, следовательно, повышенную обрывность нити на формовании или во время последующего вытягивания. Кроме того, увеличение числа оборотов ведет к более быстрому износу деталей насоса.

Основными показателями качества работы дозирующих насосов являются неравномерность подачи и пульсация подачи расплава.

Неравномерность подачи – это коэффициент, учитывающий изменение подачи за определенное число оборотов ведущего вала при изменении противодавления в камере нагнетания. Неравномерность подачи (U, %) определяют по формуле

U = (Qmax – Qmin)/Qmax – 100,

где Qmax, Qmin – максимальная и минимальная подача насоса за определенное число оборотов, но при разных противодавлениях; их определяют на специальных стендах для испытания насосов. Неравномерность подачи не должна превышать для нитей текстильного ассортимента 0,8−1,5 %, для нитей технического назначения – 3−5 %.

Пульсация подачи – коэффициент, учитывающий неравномерность подачи раствора или расплава полимера одной парой сцепляющихся зубьев дозирующих шестерен за время их нахождения в зацеплении. Пульсация потока у всех насосов не должна превышать 25 %. Пульсация жидкости уменьшается с увеличением числа зубьев, поэтому при проектировании дозирующих насосов стремятся применять колеса с числом зубьев 20−30. От величины пульсации подачи зависит неравномерность формуемых нитей по линейной плотности.

Частоту вращения дозирующих насосов (N, об/с), требуемую для формования нитей данного вида, определяют по формуле

N = Q/q,

где Q – подача расплава на насос, м3/с; q – подача расплава насосом, м3/об.

Подачу расплава на рабочее место машины формования можно определить по формуле

Q = Т К_сК_уV_фn /10⁶ ρ,

где Т – линейная плотность формуемой (принимаемой на паковку) нити, текс; Кс=0,98−0,99 – коэффициент проскальзывания нити; Ку=0,95−0,98 – коэффициент усадки формуемой нити; Vф – скорость формования (приема нити на паковку), м/с; n – число нитей, формуемых на одном рабочем месте; ρ – плотность расплава при температуре формования, кг/м3.

Привод дозирующих насосов осуществляется от электродвигателей через планетарные редукторы и семиступенчатые коробки скоростей, с помощью которых обеспечивается независимая регулировка частоты вращения дозирующего насоса.

Для современных высокоскоростных и высокопроизводительных машин формования требуются многопоточные дозирующие насосы, чтобы сократить общее число насосов и приводов. Классический многопоточный насос объединил два или более отдельных шестеренчатых насоса в одном корпусе с общим входом и отдельными выходами для каждого дозированного потока (рис. 13).

Рис. 13. Многопоточный шестеренчатый насос

2.2. Контроль подготовки дозирующих насосов к работе

Дозирующие насосы проверяются на испытательном стенде. Измеряются производительность и изменение производительности при различных значениях давления (пропускная способность) при заданной частоте вращения и продолжительности испытания.

Испытания проводятся при следующих условиях: температура масла 19−21 °С; избыточное давление всасывания 0,2 МПа – для первого и второго испытания; избыточное давление нагнетания 0,3 МПа – для первого испытания; избыточное давление нагнетания 2 МПа – для второго испытания; испытательная жидкость – силиконовое масло.

При испытаниях измеряется количество перекачиваемого масла. Пропускная способность насоса (L, %) рассчитывается по формуле

L = [(Q₁ – Q₂) · 100] / Q₁ ,

где Q1 – количество масла при первом испытании; Q2 – количество масла при втором испытании.

В результате испытаний насосы группируются по пропускной способности: L = 0−2 % – 1-я группа; L = 2−4 % – 2-я группа; L = 4−6 % – 3-я группа; L = 6−8 % – 4-я группа; L > 8 % – брак.

В формовочную секцию по возможности устанавливаются насосы одной группы. Насосы 4-й группы использовать не рекомендуется, если требуется высокое качество продукции.

На каждый дозирующий насос, пригодный к использованию, составляется паспорт с указанием пропускной способности насоса, группы насоса, даты, номера насоса и места его установки.

3. Фильерные комплекты

Фильерные комплекты (ФК) предназначены для закрепления фильеры в рабочем положении, для равномерного распределения потока расплава, подаваемого дозирующим насосом, по всему сечению фильеры, для гомогенизации и окончательной фильтрации расплава от посторонних примесей перед формованием. Поскольку фильерный комплект состоит из нескольких компонентов, то для предотвращения перетекания и утечки расплава в комплекте используются прокладки и уплотнения.

Каждое рабочее место формовочной машины оснащается датчиком давления расплава перед фильерным комплектом. При достижении значительного перепада давления фильерный комплект требует замены.

3.1. Комплектующие фильерных комплектов

Основные компоненты современного фильерного комплекта: корпус, распределительная пластина, фильтрующая система, решетка, фильера.

Корпус фильерного комплекта. Выбор материала для изготовления корпуса ФК очень важен, так как комплект постоянно работает при высоких температуре и давлении. Корпус ФК изготавливается из легированной или закаленной нержавеющей стали.

Распределительная пластина. Функция распределительной пластины состоит в том, чтобы принимать расплав полимера и равномерно распределять его по всей поверхности. Она сконструирована для предотвращения попадания потока в зону фильтрации в виде струи, обеспечивая идентичное время пребывания расплава в отверстиях фильеры и отсутствие «мертвых» зон.

Обычно пластина содержит несколько отверстий одинакового диаметра. Для обеспечения равномерного распределения расплава по всем отверстиям пластины общая площадь их поперечного сечения должна создавать сопротивление поступающему полимеру.

Фильтрующая система. Цель фильтрования – удаление из расплава полимера любых загрязнений, а также неоднородностей в виде гель-частиц, которые закупоривают отверстия в фильере. Поверхность фильтрации определяет максимальную пропускную способность фильерного комплекта.

Решетка. Предназначена для поддержания вышележащего фильтрующего пакета и разгрузки фильеры от усилия, создаваемого давлением расплава. Она представляет собой жесткую перфорированную пластину, форма которой определяется конструкцией фильерного комплекта.

Фильеры. На фильерах происходит разделение подаваемого дозирующим насосом общего потока расплава полимера на отдельные струйки, которые после охлаждения в обдувочной шахте превращаются в одиночные нити большой длины, образующие затем комплексные нити или жгуты.

3.2. Устройство и типы фильерных комплектов

Широко распространены круглые одинарные ФК для наилучшей симметрии при нагреве и распределении расплава по фильере (прил. 8, 9). Для формования волокна с высокой производительностью используются массивные прямоугольные ФК. В прямоугольном ФК (рис. 14, а) фильера 2 прямоугольной формы установлена в нижней части корпуса 1. На нее уложена прокладка 9 и распределительная решетка 3. Между однослойной 7 и пятислойной 8 сетками засыпан слой фильтрующей насадки 4. Верхняя часть корпуса ФК 5 устанавливается сверху, и вся конструкция скрепляется стяжными болтами 6.

Круглый фильерный комплект (рис. 14, б) содержит корпус 1 (гильзу), в который закладывают уплотнительное кольцо 10 и фильеру 2, затем сверху последовательно сетку 3, опорную решетку 4, распределительную решетку 5, набор фильтрующих сеток 6, фильтрующую насадку 7 (слой песка), распределительную решетку 8, крышку 9. Корпус представляет собой пустотелый стакан, снабженный в нижней части внутренним кольцевым выступом, на который опираются укладываемые

Рис. 14. Типичные конструкции фильерных комплектов: а – прямоугольный; б – круглый

в гильзу элементы ФК, в верхней части имеет внутреннюю трапецеидальную резьбу. Крышка посредством нажимной втулки 11, гайки 12 с наружной трапецеидальной резьбой и уплотнительного кольца 10 принудительно зажимает все детали ФК в корпусе.

Перед установкой ФК помещают в печь для нагрева до температуры теплоносителя в формовочной балке на 3−4 ч. Затем ФК устанавливают в гнездо формовочного устройства и прижимают через прокладку к расплавоподводящему каналу.

Все чаще применяются самоуплотняющиеся ФК (рис. 15), в которых для уплотнения сборочных элементов используется сила давления расплава. При подаче расплава под действием давления сжимается уплотнительная втулка 7, уплотнительная мембрана 8, прокладки 9, 10, которые уплотняют весь комплект деталей (поршень 6 для подачи расплава в грибок, грибок 5 для выпуска расплава под боковой кольцеобразный фильтр 4 типа 3LA, цилиндрический стакан 3, фильеру 2) в корпусе 1 (рис. 15, а). Чем больше будет возрастать давление расплава с течением времени, тем надежнее будет уплотнение. Самоуплотнение фильерного комплекта предотвращает утечку расплава при пуске, во время длительной работы и при высоком давлении. Фильерный комплект состоит всего из 6 деталей (не считая прокладок), которые в процессе сборки просто вкладываются одна в другую и не требуют закручивающих усилий. Комплекты вставляются в камеру нагрева формовочной балки снизу и фиксируются по месту простым поворотом.

Рис. 15. Самоуплотняющиеся фильерные комплекты разных типов (а, б)

На рис. 15, б показан ФК, самоуплотнение в котором достигается при использовании сухаря 5. В сухарном соединении на наружной поверхности стакана 3 имеется два (или более) выступа (различной формы), а у корпуса 1 – внутренний кольцевой паз с прорезями (по числу выступов на стакане). При соединении этих деталей выступы проходят через прорези в кольцевой паз. Детали поворачиваются одна относительно другой, и тем обеспечивается их соединение. В этой конструкции фильтрующим материалом является слой пропанта 4 между двумя сетками – однослойной 9 и двухслойной в обечайке 10. Дополнительная двухслойная сетка 11 с уплотнительным кольцом предохраняет от загрязнения фильеру. Особенно целесообразно использовать самоуплотняющиеся ФК для формования кордных, технических нитей, т.е. в тех случаях, когда усилие от давления расплавленного полимера достигает значительной величины – около (0,3−0,4) 105 Н.

Фильерные комплекты различаются по способам установки (сверху или снизу) и крепления в формовочном устройстве. ФК в гнезда современных машин формования чаще устанавливаются снизу, при этом не возникает необходимости снимать верхнюю изоляционную крышку гнезда, что предотвращает неравномерное охлаждение в результате эффекта «печной тяги» (рис. 16, 17).

На рис. 17 показан механизм втягивания фильерного комплекта в формовочное устройство.

Вместе с тем установка снизу более трудоемкая и небезопасная, так как она проводится в зоне с повышенной температурой, увеличенным содержанием НМС, требует применения подъемных механизмов в случае установки массивных комплектов. В расплавах полимеров всегда присутствуют инородные включения в виде механических примесей (пыли, песка, частиц металла, окалины и др.) и так называемых гель-частиц (неплавкие сгустки более вязкого, более кристаллического, «сшитого» полимера). Эти включения вызывают преждевременные отказы фильерных комплектов и повышают обрывность нитей при вытягивании. Затраты на замену фильерных комплектов на одной формовочной машине в течение 4−5 лет могут достигать стоимости самой машины.

Очистка расплава от посторонних примесей является непременным условием повышения качества продукции и рентабельности процесса. В связи с этим машины формования должны снабжаться центральными фильтрами предварительной очистки расплавленного полимера, а в фильерных комплектах необходимо проводить окончательную тонкую фильтрацию расплава.

Рис. 16. Механизм установки фильерного комплекта снизу: 1 – корпус; 2 – штанга; 3 – направляющая; 4 – пневмоцилиндр; 5 – формуемые нити; 6 – обдувочное устройство; 7 – прокладка; 8 – полость для ВОТ; 9 – винт; 10 – теплоизоляция; 11 – расплавопровод; 12 – прокладка; 13 – фильерный комплект

Рис. 17. Механизм втягивания фильерного комплекта: 1 – пневмоцилиндр; 2 – штанга; 3 – теплоизоляция; 4 – дозирующий насос; 5 – алюминиевый блок; 6 – кожух, обогреваемый ВОТ; 7 – фильерный комплект

В конструкции фильерного комплекта необходимо использовать принцип объемной фильтрации. Сущность этого принципа заключается в том, что фильтрующий пакет в верхней своей части должен задерживать лишь крупные частицы загрязнений. Для этого в фильтрующем пакете используют сетки с различными размерами ячеек. Сетки и насадки должны быть расположены таким образом, чтобы размеры ячеек уменьшались по ходу движения расплава. Каждая фильтрующая сетка должна опираться на свою каркасную сетку, размеры ячеек которой не должны превышать более чем в 5 раз размеры ячеек фильтрующей сетки, чтобы затруднить ее разрыв под действием перепада давления.

Конструкция ФК не должна допускать образования застойных зон и газовоздушных «подушек». Элементы ФК не должны смещаться относительно друг друга. Необходимо обеспечить простоту сборки, разборки и транспортирования ФК, так как эти операции повторяются многократно. Особое внимание должно быть уделено герметичности соединений элементов ФК. В фильерных комплектах должны быть обеспечены:

• равномерность температуры по местам машины с отклонением не более чем ± 1 °С;
• равномерность температуры по поверхности фильеры, чтобы не возникало расхождений по вязкости полимера (различия по температуре на фильере в 1 °С вызывают изменение производительности приблизительно на 5 %).

3.3. Фильтрующие материалы для фильерных комплектов

Фильерный комплект должен содержать материалы, выполняющие две функции – удаление из полимерной массы включений, способных вызвать обрыв элементарных нитей, и гомогенизацию расплава под действием сдвиговых напряжений.

Для того чтобы обеспечить длительную работу ФК и надежную очистку расплава от посторонних примесей, фильтр-материал должен отвечать ряду требований – он должен быть термостойким и химически нейтральным к полимеру, прочным, чтобы не разрушаться под действием перепада давления и не засорять расплав, желательно обеспечивающим возможность многократного использования. Структура насадки должна обладать хорошей проницаемостью, большой пористостью и грязеемкостью. Поры насадки должны быть извилистыми и иметь незначительный разброс по пропускной способности.

В качестве фильтрующей насадки могут применяться: кварцевый песок или карбид кремния определенного гранулометрического состава, сферические частицы шлака или стекла, металлокерамические вставки, наборы из проволочных сеток, изготовленные методом спекания, нетканый наполнитель из металлических волокон и др.

Широкое распространение из-за дешевизны и доступности имел кварцевый песок. Однако, несмотря на тщательную предварительную подготовку песка (кипячение, промывка кислотой и водой, сушка, просеивание), при сжатии в фильерном комплекте образовывались мелкие осколки и пыль. Кроме того, из-за бесформенности частиц песка пропускная способность пор очень неоднородна, что снижает степень очистки расплава.

Часто применяется карбид кремния в виде мелких зерен неопределенной формы с размерами частиц от 0,5 до 2,0 мм. Металлический порошок имеет острые углы, которые эффективно разрезают микрогели полимера. Было установлено, что для многих областей применения металлический порошок по сравнению с песком продлевает срок службы ФК. Он прочнее кварцевого песка, однако неоднородность пропускной способности пор находится на том же уровне, что и у кварцевого песка.

Неплохие результаты дают насадки из металлокерамики, но они не поддаются регенерации и дорогостоящие.

Насадки из тонких металлических проволочек по своим фильтрующим свойствам превосходят все другие виды фильтрующих материалов, так как содержат очень извилистые поры. Чем более извилистыми являются поры насадки, тем лучше они задерживают включения, и тем тоньше может быть фильтрующий слой при прочих равных условиях.

Наиболее распространенный и недорогой способ фильтрации полимера – через фильтровальный пакет, который собирается из комплекта сеток, расположенных одна над другой. Для увеличения эффективности фильтрации пространство сверху сетки заполняется песком, карбидом кремния или металлическим спеченным порошком и укладывается опорная сетка, предотвращающая выдавливание фильтрующего материала в расплав. Иногда при формовании высокопрочных кордных нитей используется два фильтровальных пакета – три комплекта сеток и два слоя фильтрующей насадки между ними. Разделение фильтрующей насадки на два слоя с различной пропускной способностью пор способствует более полному улавливанию сгустков окисленного полимера. Такой фильтр задерживает посторонние включения по всей своей толщине.

Комплект сеток состоит из фильтрующей и каркасной сетки. Сечения ячеек каждого комплекта уменьшаются в направлении движения расплава. Сечения ячеек последней каркасной сетки должны быть меньше сечения отверстия фильеры, чтобы в случае разрыва фильтрующей сетки в отверстия фильеры не могли попасть частицы загрязнений, способные закупорить капилляры.

Установлено, что в начальный период работы ФК качество очистки расплава хуже, чем в последующий период. С течением времени происходит постепенное закупоривание пор насадки. Так как шестеренчатый насос обеспечивает постоянную объемную подачу расплава, давление в ФК повышается, увеличивается напряжение сдвига расплава в порах насадки, приводящее к раздроблению сгустков расплава и отделению от них мелких частей, которые уносятся к выходу.

Чем регулярнее форма и меньше размеры частиц насадки, тем интенсивнее идет очистка расплава. При фильтрации расплава через насадку, частицы которой имеют произвольную форму, повышения чистоты фильтрата с течением времени не наблюдается.

Фирмой Oerlikon Ваrmag запатентован фильерный комплект 3LA (Long Life Large Area – долговечный с большой площадью фильтрации), в котором используется гофрированный фильтровальный картридж (см. рис. 15, а). Картридж, представляющий собой пустотелый цилиндр, изготовлен из нескольких гофрированных слоев нетканого материала из металлических волоконец. Фильтрующая площадь гофрированного фильтра больше в 5 раз, поэтому срок службы ФК значительно увеличивается. Благодаря большой фильтрующей поверхности давление расплава в течение всего срока эксплуатации растет медленно, что обеспечивает большее постоянство температуры ФК. В связи с этим и качество расплава на разных формовочных позициях с фильерными комплектами разных «возрастов» мало различается. Фильтр многократного использования, регенерируемый при обработке в печи пиролиза, обеспечивает тонкость фильтрации до 12 мкм.

3.4. Фильеры

Конструкции и типы фильер. Конструкции фильер в первую очередь определяются величиной рабочего давления в ФК. При формовании расплавов полимеров, имеющих вязкость в сотни Па·с, рабочие давления достигают 10,0−50,0 МПа, поэтому фильеры выполняются, как правило, в виде плоских пластин круглой, овальной или прямоугольной формы толщиной 10−20 мм и более (прил. 10,12). Фильеры должны обладать достаточной механической прочностью, чтобы донышко фильеры и форма отверстий не деформировались в процессе длительной эксплуатации.

Фильеры подвергаются в процессе эксплуатации постоянному нагреву. Они должны выдерживать жесткий процесс последующей очистки при еще более высокой температуре и противостоять коррозии, поэтому современные фильеры изготавливают из высококачественной легированной нержавеющей жаропрочной стали с высокой коррозионной стойкостью, используется и специальная обработка (нанесение верхнего слоя, придание твердости и т.д.).

Основными параметрами фильер являются: габаритные размеры; размеры и форма капилляра; шероховатость зеркала (рабочей поверхности) фильеры и внутренней поверхности капилляра; количество отверстий.

Количество, диаметр и форма отверстий в фильере зависят от ассортимента волокна (нити). Для получения мононитей используют фильеры с одним отверстием. Массовые ассортименты волокон и нитей производят на фильерах с капиллярами круглого поперечного сечения. Наряду с круглыми отверстиями используются и отверстия сложной формы для получения профилированных волокон и нитей. Особые фильеры используются для формования бикомпонентных волокон и нитей*.

Приведем значения диаметров отверстий фильер (мм) в зависимости от ассортимента производимой продукции:

• текстильные нити – 0,20−0,30;
• технические нити – 0,23−0,48;
• волокна – 0,20−0,50;
• ковровые нити – 0,25−0,80;
• мононити – 0,20−1,80.

На рис. 18 представлены наиболее типичные продольные профили отверстий фильер для формования волокон и нитей круглого сечения.

Рис. 18. Различные формы формующих капилляров фильер (ав)

Заходный конус 1 выполняется для того, чтобы увеличить площадь активной поверхности фильтрующей сетки, лежащей на фильере. Направляющее отверстие 2 служит для подвода расплава к капиллярам 4. Диаметр таких отверстий обычно составляет 1,6, 2,5 или 3,0 мм. Отношение длины направляющего отверстия к его диаметру находится в пределах 2−10.

Направляющие отверстия соединяются с капилляром 4 переходным конусом 3, иногда двумя усеченными конусами. Для профильных капилляров направляющее отверстие делают без переходного конуса (рис. 18, б). Переходный конус служит для снижения величины входового эффекта до уровня, обеспечивающего устойчивое формование нити путем рассредоточения поглощаемой расплавом энергии входа.

В оптимальном профиле (рис. 18, в) заходная зона 1 выполняется в виде гиперболоида. Считается, что так обеспечиваются наиболее благоприятные гидродинамические условия, исключается возникновение вихревых потоков, которые могут дестабилизировать процесс формования. Достоинства этих фильер особенно отчетливо проявляются при высокоскоростном формовании. Чем больше молекулярная масса перерабатываемого полимера и больше объемный расход расплава через формующее отверстие, тем большее значение приобретает правильный выбор формы переходного конуса. При обычных условиях формования переходной конус изготавливается с углами конусности от 45 до 120°.

На устойчивость формования и качество получаемого волокна существенное влияние оказывает величина отношения длины (h) капилляров круглого сечения к их диаметру (d). В производстве химических волокон чаще всего применяются фильеры с соотношением h/d ≥ 1. Увеличение этого отношения до 2−3 повышает стабильность формования, особенно высокоскоростного процесса или формования микрофиламентов.

В случае профилированных капилляров дно канала фильеры плоское, ровное, поперечное сечение одинаковое по всей длине канала, которая обычно составляет 0,4−0,6 мм.

Формующие капилляры располагают по возможности равномерно по всей поверхности фильерной пластины: по концентрическим окружностям или в шахматном порядке – для круглых фильер, рядами – для сегментных, овальных и прямоугольных фильер (прил. 11, 12). Равномерное расположение формующих отверстий необходимо для создания одинаковых условий охлаждения по сечению пучка формуемых филаментов.

Требования к качеству фильер. Понятие качество фильеры включает в себя комплекс показателей: размеры, состояние и шероховатость поверхностей фильеры; форма, размеры отверстий и шероховатость стенок формующих капилляров, точность изготовления.

Отклонения размеров отверстий фильер от номинальных обусловливают разброс значений линейной плотности филаментов. Для волокон допустимый разброс, как правило, больше, чем для текстильных и технических нитей, поэтому и допуски на геометрические размеры отверстий фильер выше. Известно, что точность выдерживания геометрических размеров капилляров фильер даже в пределах допусков может привести к изменению перепада давления до 30 %. В условиях эксплуатации за счет износа фильер эта величина может достигать еще большего значения. Таким образом, влияние размеров отверстий фильер на неравномерность формования может оказаться значительно выше, чем влияние точности дозирования насосами. Допуски на размеры отверстий постоянно ужесточаются, так как возрастают требования к равномерности нитей. При диаметре отверстий 0,2−0,4 мм отклонение не должно превышать ± 0,004 мм. При ВСФ отклонение по диаметру не должно превышать 0,0025 мм, а по высоте канала – 0,03 мм. Некоторые зарубежные фирмы по специальным заказам изготавливают фильеры с отклонениями по диаметру капилляров, не превышающими ± 1,0 мкм, несмотря на их более высокую стоимость. Изменились в сторону ужесточения и требования по шероховатости поверхностей капилляров и фильер. Шероховатость поверхности создает условия для накопления трудноудаляемых посторонних включений из расплава, что затрудняет течение расплава в капилляре, снижает срок службы фильер до отказа, затрудняет их очистку.

Рис. 19. Расположение рабочей поверхности фильеры

Рабочая плоскость фильеры, на которую выходят капиллярные отверстия, так называемое зеркало фильеры 2 (рис. 19), должна быть обработана до величины среднего арифметического абсолютных значений отклонений профиля от средней линии в пределах базовой длины (Ra) не более 0,16 мкм. Верхняя поверхность фильеры 1 – до Ra не более 1,25 мкм.

Разработаны, хотя и используются только в особых случаях, методы еще более качественной обработки поверхностей фильеры и капилляров, что позволяет добиться шероховатости не более 0,1 мкм.

Кромки капилляров со стороны зеркала фильеры не должны иметь повреждений и заусенцев, радиус закругления кромок не должен превышать 5 мкм. На «зеркале» фильеры не допускаются забоины, а также риски глубже 0,05 мм, проходящие на расстоянии менее 3 мм от края капилляра, чтобы не затруднять очистку фильер и не создавать условий для растекания расплава полимера по рабочей поверхности фильеры.

Практически срок службы фильер определяется внешними механическими повреждениями, нанесенными при сборке и разборке комплектов, прогибом донышка фильеры при превышении давления на формовании, засором и «разнашиваемостью» отверстий. Таким образом, решение задачи существенного увеличения срока службы фильер достигается более мягкими условиями обработки фильер после формования (в пиролизной печи), чистотой расплава, соблюдением установленных параметров процесса, а также переходом на новые сплавы, обеспечивающие более высокую твердость и износоустойчивость конструкционного материала фильер, и на новые, более точные методы изготовления отверстий.