Основные физико-химические закономерности получения пленок из растворов полимеров (стр. 3 из 4)

Для водных растворов понижение упругости пара достигается путем вакуумирования. Для летучих растворителей этот способ непригоден, так как их испарение вызовет изменение концентрации раствора и нарушение технологического процесса получения пленки.

Для подобных растворов рекомендуется нагревание раствора с последующим отстаиванием. Нагретый теплообменнике до температуры кипения растворителей раствор попадает в расширительный сосуд - термостат-отстойник, где вскипает. Вскипающий растворитель увлекает за собой растворенные газы и пузырьки воздуха, которые при нагревании увеличиваются в объеме и лопаются по выходе на поверхность раствора. Пары растворителя конденсируются и возвращаются в раствор, а газы удаляются.

Для нагревания используют теплообменники типа «труба в трубе» с эмалированной внутренней поверхностью. Термостат-отстойник представляет собой герметически закрытый цилиндрический сосуд с коническим днищем, снабженный водяной рубашкой (для охлаждения раствора) и предохранительным клапаном (для регулирования давления внутри термостата). Подача раствора в простейших термостатах-отстойниках осуществляется по направляющему зонту либо под уровень раствора во избежание разбрызгивания раствора и образования пузырьков.

Термостаты-отстойники располагают таким образом, чтобы раствор из них самотеком поступал в фильеру отливочной машины. При этом необходимо соблюдать постоянный напор, обеспечивающий равномерное поступление раствора на формование, а следовательно, равнотолщинность пленки.

Формование пленок из раствора производится с помощью фильеры, конструкция которой выбирается в зависимости от вязкости раствора и толщины пленки. На рис. 3 представлены три типа фильер: мажущая - для растворов вязкостью 250-350 П; льющая - для растворов вязкостью 120-150 П; фильера с валиком, используемая для производства тонких пленок. Все типы фильер представляют собою корытообразные устройства со щелевым отверстием внизу, зазор которого в некоторых случаях может регулироваться. Раствор, вытекающий из мажущей фильеры, задерживается установленной у задней стенки фильеры планкой, создавая некоторый запас. Планка с тщательно отшлифованным нижним краем, прикрепленная к передней стенке фильеры, служат для размазывания раствора по всей ширине поверхности отливки. Расстояние от края планки до поверхности регулирует толщину отливаемого слоя.

У фильеры с валиком толщина слоя регулируется расстоянием меж-ду, валиком и поверхностью отливки, а также скоростью вращениявалика. Это позволяет создать более или менее равные условия фор-мирования верхнего и нижнего слоя пленки, что особенно важно длятонких пленок.

У льющей фильеры количество вытекающего раствора регулируют шириной раскрытия щели, изменяя положение передней стенки фильеры с помощью установочных и микрометрических винтов. Деление фильеры на запасную (I) и рабочую (II) камеры обеспечивает равномерное поступление раствора на поверхность отливки. Отливку, раствора из фильеры производят на вращающийся барабан или непрерывно движущуюся ленту. Отливочный барабан представляет собой стальной цилиндр- шириной 1,2-1,5 м и диаметром от 1,5 до 5,4 м. Поверхность барабана покрыта тонким зеркальным слоем серебра или никеля. Во внутренней полости цилиндра циркулирует вода для обеспечения равномерной температуры поверхности отливки". В герметизированный, концент-рично установленный кожух подается теплоноситель с температурой, заданной режимом сушки.

Отливочная часть машины ленточного типа (рис. 4) состоит из двух барабанов, на которые натянута бесконечная медная лента шириной от 0,7 до 1,4 м и длиной от 28 до 86 м. Ось заднего, направляющего, барабана может перемещаться в горизонтальной плоскости.

Рис. 4

Это позволяет регулировать натяжение ленты и ее положение на барабанах. Передний барабан имеет рубашку с циркулирующей в ней холодной водой, охлаждающей ленту.

Оба барабана и лента заключены в герметичный кожух, образующий вдоль бесконечной ленты сушильные каналы.

Существенное значение имеет поверхность, на которую отливается пленка. Поэтому на барабан или ленту отливочных машин наносят жесткое полимерное покрытие с высокоглянцевой поверхностью, так называемый зеркальный слой. Первоначально для зеркального слоя использовали желатину, от которой позднее отказались из-за недолговечности покрытия и длительности изготовления. В настоящее время в качестве зеркального слоя используют покрытия из производных целлюлозы, главным образом йз омыленного ацетата целлюлозы. Зеркальный слой должен иметь хорошую адгезию к металлической поверхности барабана или ленты и плохую - к отливаемой пленке, обеспечивая легкое снятие. Зеркальное покрытие наносится в три слоя и подвергается дополнительной обработке - омылению.

Омыление верхнего слоя достигается обработкой его спиртовым раствором щелочи с последующей промывкой. Из-за большей изнашиваемости верхний слой приходится возобновлять вдвое чаще, чем нижний, срок службы которого примерно 8 месяцев.

Сушка пленки

В основном происходит одновременно с процессом пленкообразования.

Кинетика испарения растворителей при пленкообразовании связана, с одной стороны, с характеристикой самих растворителей, а с другой - с тенденцией полимера образовывать на поверхности пленки более плотный слой. Скорость испарения растворителей должна обеспечивать необходимую производительность процесса- при условии получения пленки с однородной, равновесной структурой. Чем больше толщина пленки, тем труднее выполнить это условие. Это объясняется тем, что при пленкообразовании из раствора по толщине пленки образуются три слоя, отличающиеся своей микроструктурой.

Первый слой возникает при соприкосновении раствора с движущейся поверхностью отливочной машины. В этом слое происходит ориентация структурных элементов вдоль движения поверхности отливки, вследствие чего он отличается неравновесной, анизотропной структурой.

Поверхностный слой, соприкасающийся с нагретым воздухом, характеризуется плотной упаковкой цепных макромолекул, равно-, весной и изотропной структурой, образовавшейся в результате более или менее длительной диффузии растворителей через этот слой.

В промежуточном слое - равновесная, изотропная микроструктура, отличающаяся повышенной рыхлостью из-за присутствия остаточного растворителя.

Высокая концентрация полимера в поверхностном слое затрудняет как диффузию растворителя из нижних слоев к поверхности пленки, так и испарение.

Чтобы получить пленку с более однородной структурой и ускорить диффузию растворителя из глубинных слоев, замедляют поверхностное испарение, применяя циркуляцию теплоносителя с повышенным содержанием паров растворителя.

Если концентрация паров летучего растворителя в сушильных каналах не достигает нижнего предела взрывоопасности, можно использовать в качестве теплоносителя нагретый воздух. В противном случае лучше пользоваться инертным газом (азотом).

Циркуляция теплоносителя осуществляется либо открытым способом, либо по замкнутому циклу, что зависит от характера пленкообразовании. Открытый способ применяют тогда, когда не требуется повышенного содержания растворителей в верхнем сушильном канале. В этом случае чистый сухой воздух (содержание влаги не более 8 г/кг) после насыщения парами растворителя полностью отсасывают из сушильных каналов и направляют на рекуперацию.'

В технологической практике чаще используют замкнутый цикл, при котором теплоноситель (смесь азота с парами растворителя) циркулирует в замкнутой системе, включающей сушильные каналы отливочной машины, вентилятор, калорифер, фильтр, конденсатор. Две точки отсоса обеспечивают интенсивную циркуляцию в верхнем и нижнем каналах.

При большом объеме паровоздушной смеси (за счет теплоносителя) используют схему циркуляции теплоносителя по двум самостоятельным циклам. В этом случае наиболее насыщенная парами растворителя смесь из верхнего сушильного канала поступает (через теплообменник) в конденсатор, а смесь из нижнего канала после подогрева возвращается в сушильные каналы машины. Регулированием обоих потоков добиваются заданной концентрации паров растворителя в теплоносителе.

Отсасываемая вблизи фильеры парогазовая смесь, содержащая максимальное количество паров растворителя, поступает в конденсатор, где часть паров конденсируется и самотеком поступает в специальный сборник. Несконденсировавшаяся часть парогазовой смеси и малонасыщенная смесь из точки отсоса вблизи направляющего барабана, пройдя калорифер, подаются в нижний сушильный канал машины, что сокращает непроизводительные расходы. Теплоноситель вводят у ведущего барабана машины, где сформированная пленка уже не может деформироваться струей газа.

В зависимости от состава пленкообразующего раствора и условий процесса пленка, выходящая из отливочной части машины, может содержать различное количество остаточного растворителя. Так, например, в пленке из частично омыленного триацетата целлюлозы содержание растворителя составляет от 15 до 25 %, тогда как в пленке из вторичного ацетата целлюлозы оно равно примерно 10%.

Образование жидкой пленки

Жидкая пленка образуется при выдавливании раствора полимера на барабан, непрерывную ленту или непосредственно в осадительную ванну через щелевую фильеру, размеры отверстия которой определяются концентрацией раствора и заданной толщиной готовой пленки. Если, например, толщина готовой пленки целлофана составляет 20 мк, то с учетом того, что в исходном растворе содержится 8% целлюлозы, щель в фильере должна иметь размер около 0,3 мм. Усадка по ширине в процессе формования достигает приблизительно 40-50% от исходного размера. При отливе пленки на барабане (или непрерывной ленте) ширина готовой пленки равна исходной, поэтому размер щели фильеры при заданной толщине готовой пленки зависит только от концентрации раствора и поправки на усадку не требуется.