МАШИНА ДЛЯ ФОРМОВАНИЯ ВОЛОКОН И НИТЕЙ Российский патент 1998 года по МПК D01D5/08 

Изобретение относится к производству волокон и нитей, в частности к оборудованию для формования указанных материалов и может быть использовано в химической промышленности для получения волокон и нитей из волокнообразующих материалов - органических, неорганических, металлов в условиях невесомости: в космосе и на земле и даже в обычных земных условиях.

Формование является одной из важнейших и ответственейших операций при получении различных волокон и нитей. Именно при формовании формируются структурные и внешнии формы готовой продукции. В то же время существующее оборудование для формования крайней ограничено в своих технологических пределах и повторяет давно выбранные технологические и конструктивные схемы, которые и повторяются в машинах для формования во всем мире со всеми основными недостатками этих схем. При этом новые подходы при компоновке машин для формования практически отсутствуют, и даже возможность использования в будущем условий невесомости, сверхбольших перегрузок, давлений и т.д. пока не сказывается при разработке новых технологий и оборудования для получения волокон и нитей. Хотя эти факторы могут привести к созданию совершенно новых технологий, оборудования и материалов для обеспечения человечества в будущем всеми необходимости волокнистыми материалами и на земле, и в космосе.

Известна машина для формования волокна и нитей-МФ-300ЛШ 24 (Агрегаты и машины для формования химических нитей из расплава, под ред. И.И.Матюшева, Ленинград, "Машиностроение" 1989 г., с. 28 - 34) - [1], состоящая из несущей все узлы рамы (каркаса, станины, основания), обеспечивающей многократное размещение на ней по вертикали и горизонтально в ряд 24-х формующих нити мест. Каждые 6 мест объединены в формовочную балку (формующий блок), к которой подведен расплавопровод, делящийся затем на 6 новых расплавопроводов, а они уже подсоединяются каждый к дозирующим насосом и фильерным комплектам, которые размещают в формовочной балке (блоке). В свою очередь в фильерном комплекте имеются распределители расплава, фильтры, уплотнители и плоская фильера. Под каждой фильерой размещают охладительную (обдувочную, сопроводительную) камеру. Ниже на раме закрепляют нитеприемную гарнитуру (ролики), объединяющие все нити, выходящие из фильер, в жгут, который при помощи нитеприемного узла (тянущих вальцев, раскладчика) подает жгут в тару (контейнер). При этом все элементы машины стационарно размещены относительно оси машины, некоторые из них могут иметь вращающиеся узлы, обеспечивающие транспортирование перерабатываемого в нити материала (полимера) и самих и самих нитей - дозирующие насосы, ролики, или другие узлы могут сниматься с машинами для замены, но при остановах машины.

Такая классическая схема размещения основных узлов машины имеет следующие недостатки:
- структурные и ориентационные процессы внутри формуемой нити происходят только за счет продольной деформации нити по мере изменения внутренней температуры нити и разности скоростей истечения полимера из капилляра отверстия фильтры и формования (при приемке нити на паковку), так называемой фильерной вытяжки, что, естественно, ограничивает возможность достижения самых разнообразных эксплуатационных характеристик получаемых нитей и волокон, например прочности, усталостных параметров и т.д.; очень громоздкая схема машины мало перспективна в будущем при формовании нитей как на земле, так и особенно в космосе.

Известна машина для формования волокон и нитей (патент РФ 2073367, кл. 6 D 01 D 5/08, 5/06, БИ 4, 10.02.97 г.)-[2], выбранная нами в качестве прототипа, которая состоит из рамы, полимеропровода, фильерного комплекта, охлаждающей камеры, нитепроводящей гарнитуры и узлов приемки нитей. При этом рама выполнена в виде барабана, торцы которого соединены стержнями, полимеропровод соединен с барабаном и фильерным комплектом посредством стыкующих элементов, расположенных по меньшей мере на одном из торцов по оси барабана, а фильерный комплект имеет цилиндрическую или призматическую фильеру, коаксиально установленную внутри барабана, причем нитепроводящая гарнитура и узлы приема нитей размещены на стержнях, а охлаждающая камера расположена внутри барабана. Эта машина может эксплуатироваться и в космосе, и на земле, однако и она имеет недостатки: структурные и ориентационные процессы внутри формуемой нити происходят только за счет продольной деформации нити по мере изменения внутренней температуры нити и утонении нити при фильерной вытяжке в результате разности скоростей истечения перерабатываемого в нить вещества из капилляра отверстия фильеры и формования (при приемке нити на паковку), что, естественно, ограничивает возможности изменения структуры полимера внутри нити и, соответственно, ухудшает самые разнообразные эксплуатационные характеристики получаемых волокон и нитей, например прочность, усталостные параметры и т.д.

Целью данного изобретения является расширение технологических возможностей новых машин для формования волокон и нитей, в т.ч. в космическом пространстве (например, на спутниках) и на Земле.

Поставленная цель достигается тем, что машина для формования волокон и нитей содержит раму, полимеропровод, фильерный комплект, сопроводительную камеры, нитепроводящую гарнитуру и узлы приема нитей, причем рама с закрепленными на ней узлами выполнена вращающейся вокруг общей оси, проходящей через фильерный комплект таким образом, что вокруг этой оси вращается фильера и сопроводительная камера, которая располагается радиально по отношению к общей оси вращения рамы с закрепленными на ней узлами и внутри которой могут быть размещены вытяжные элементы, например ролики с направляющими пальцами или системы вальцев, а также нагревательные элементы, обеспечивающие растяжение нитей при прохождении ее через сопроводительную камеру. Кроме того, сопроводительная камера может быть выполнена в двухсекционном варианте, позволяющем нити перемещаться в камере в двух прямо противоложных направлениях.

На фиг. 1 изображена машина для формования волокон и нитей с цилиндрической или призматической фильерой, ось вращения рамы совпадает с осью фильеры. На фиг. 2 - то же, но вид сбоку и с вытяжными и нагревательными элементами внутри сопроводительной шахты. На фиг. 3 показана машина для формования с плоскостной рабочей поверхностью фильеры (плоская фильера). На фиг. 4 изображена машина с вариантом двухсекционной сопроводительной камеры и перемещением нити внутри ее в прямо противоположных направлениях, а также с приемом нити на бобину или в контейнер.

Машина состоит из рамы 1 (каркаса), внутри которой размещают фильерный комплект 2 с цилиндрической или призматической фильерой 3 (фиг. 1 - 2) или какой-то другой (например плоской) фильерой 3 (фиг. 3). В последнем случае фильерный комплект 2 закрепляют в формовочной балке 4. К ней или к фильерному комплекту 2 (см. фиг. 1 - 4) подведен полимеропровод 5. Под зеркалом- наружной рабочей поверхностью - фильеры 3 располагают сопроводительную камеру 6 с или без нагревательными 7 и вытяжными 8 элементами (фиг. 1 - 4). На стержнях 9 рамы 1 крепят нитепроводящую гарнитуру 10. Узлы приема 11 нити 12 могут быть смонтированы как на стержнях 9, так и вне рамы 1. Сопроводительная камера 6 может быть выполнена по-разному, в т.ч. и, например, в двухсекционном варианте, когда нить 12 перемещается по камере 6 в прямопротивоположных направлениях (см. фиг. 4). В наземных условиях при отсутствии невесомости требуется постоянная работа привода 13, обеспечивающего постоянное вращение рамы 1 и закрепленных на ней узлом машины, в первую очередь фильеры 3 с фильерным комплектом 2 и сопроводительной камеры 6 вокруг общей оси вращения. В условиях космоса или в наземных, воспроизводящих невесомость условиях, работа привода 13 может быть разовой или периодической. Естественно, наиболее предпочтительно использовать в ближайшем будущем заявляемую машину будет в космосе, ибо в этом случае можно достичь наибольшего эффекта, который обуславливается воздействием центробежной силы на двигающуюся по радиусу вращения и внутри сопроводительной камеры 6 нить 12. При этом в каждой точке движения нить подвергается поперечному воздействию с все возрастающей силой, ибо линейная скорость точки при вращении есть произведение угловой скорости на длину радиуса вращения, т.е. она будет непрерывно возрастать: чем больше будет радиус - дальше будет удаляться нить 12 от фильеры 3 и выше угловая скорость, а это легче реализовать в космосе, тем выше будет линейная поперечная скорость конкретного участка (точки) нити. Так как масса нити крайне мала в каждой конкретной точке, то возрастание центробежной силы обуславливается именно угловой скоростью вращения и длиной сопроводительной камеры 6. Благодаря вращению камеры 6 нить 12 подвергается не только растягивающему продольному воздействию в результате фильерной вытяжки или ориентационного вытягивания, но и поперчному сжимающему, уплотняющему, деформирующему воздействию, т.е. нить в этом случае будет подвергаться как бы поперечной "перегрузке". Если на земле удалось достичь "перегрузки" до 40 g, то в космосе на Тороидальных Космических Объектах (ТКО) с механически связанными и вращающимися вокруг оси тора спутниками (см. материалы 27 - 32 Циолковских Чтений) "перегрузки" могут быть во много порядков больше, а это значит изменение структуры полимера при таких "перегрузках" может быть очень значительным. Располагая вращающуюся вокруг общей оси машины фильеру 3 в зону невесомости, например в ТКО, а сопроводительные камеры 6 на механически связанных, вращающихся вокруг и удаленных, например, на десятки и сотни метров от оси тора спутниках, можно добиться того, что по мере продвижения нити от зеркала фильеры к нитепроводящей гарнитуре нить будет подвергаться все возрастающему объемному деформированию от почти нулевой перегрузки вблизи зеркала фильеры до, например, 40 g и намного порядков более при выходе с нитепроводящей гарнитуры. Причем это воздействие (от нуля до максимума) непрерывно, т.к. каждый участок нити последовательно проходит вдоль длины сопроводительной камеры 6.

На фиг. 1 показано схематично как меняется линейная скорость от Va до Vc - соответственно, поперечное воздействие на полимер- при удалении нити от фильеры 3 к нитепроводнику 10 (от точки A к точке C). Узлы приема 11 нити 12 могут быть размещены на машине по-разному, что и показано на фиг. 1 - 4. На фиг. 4 представлены даже варианты приема индивидуальных нитей на каждую паковку- бобину или же всех нитей с машины в единую тару - контейнер.

Машина работает следующим образом. Внутрь рамы 1 вводят собранный фильерный комплект 2 с фильерой 3 (другие детали комплекта на фиг. 1 - 4 не показаны). Подсоединяют комплект 2 при использовании цилиндрической или призматической фильеры 3 (см. фиг. 1, 2, 4) или формовочную балку 4, в которой размещают комплект 2 при формовании на плоских фильерах 3 (см. фиг. 3) с полимеропроводом 5 и подают полимер на формование. Выходящие из капилляров отверстий фильеры 3 струйки полимера пропускаются через сопроводительную камеру 6 и далее через нитепроводящую гарнитуру 10 принимаются на узлы приема 11 нити 12. Гарнитура 10 и узлы 11 крепят на стержнях 9 рамы 1 (см. фиг. 1 - 3), но могут размещаться и вне рамы (на фиг. 1 - 4 не показано), например вдоль оси рамы, причем при формовании как жгутового волокна, так и комплексных или мононитей. Сопроводительная камера 6 может выполнять разнообразные функции: охлаждать нить при обработке хладоагентом (на фиг. 1 - 4 не показано), нагревать нить при помощи нагревательных элементов 7, продольно вытягивать нити за счет вытяжных элементов 8 или подвергать нить, например химической модификации-пластификации (на фиг. 1 - 4 не показано). Сопроводительная камера 6 размещается радиально по отношению к оси вращения рамы 1. Вокруг оси вращения рамы 1 может быть расположено разное количество сопроводительных камер 6, что определяется конструктивными особенностями фильеры 3, фильерного комплекта 2, формовочной балки 4 (см. материалы заявки, а также патент РФ 2073367), но не менее одной камеры 6. Заправляют нить 13 на узел приема 11. После того, как все узлы машины обеспечивают непрерывное и стабильное формование, включают привод 13, обеспечивающий вращение рамы 1 с закрепленными на ней узлами, из которых самое главное место отводится сопроводительной камере 6 - одной или нескольким, где и реализуется основное предназначение этой машины - процесс обычного продольного растяжения нити 12 под действием фильерной или ориентационной вытяжки и процесс поперечного деформирования - уплотнения полимера за счет центробежных сил. Модифицируя полимер за счет температуры или химических обработок, меняя угловую (соответственно и линейную) скорость, длину (а значит максимальный радиус вращения нити вокруг оси врашения рамы 1) сопроводительной камеры 6 и даже обеспечивая возврат нити в зону, близкую к оси вращения рамы, в том числе и при помощи двухсекционной сопроводительной камеры 6, создают благоприятные условия для объемного перераспределения макромолекул и напряжений внутри нити при деформации полимера. При обычной компоновке машин для формования нитей, а также вытяжных машин реализуется только линейная деформация полимера.

Реализация изобретения позволит значительно расширить технологические возможности машин для формования волокон и нитей, т.к. при формовании, совмещенном формовании и вытягивании, а также только ориентационном или неориентационном вытягивании (без формующих узлов-фильер, комплектов) создаются благоприятные условия для объемного перераспределения макромолекул, их образований как на аморфном, так и на кристаллическом уровнях, и напряжений внутри нити при деформации - объемной - полимера, что несомненно позволит существенно улучшить качественные и эксплуатационные показатели готовой продукции, расширить ассортимент выпускаемой продукции, могут появиться совершенно новые подходы для решения самых разнообразных задач.

Машина содержит полимеропровод, раму с закрепленными на ней узлами : фильерным комплектом, сопроводительной камерой, нитепроводящей гарнитурой, общей осью, проходящей через фильерный комплект. Машина имеет узлы приема нитей. Согласно изобретению сопроводительная камера размещена радиально по отношению к общей оси, а рама выполнена вращающейся вокруг последней. Внутри сопроводительной камеры размещены вытяжение элементы. Сопроводительная камера может быть выполнена двухсекционной для обеспечения движения нити в ней в двух противоположных направлениях. Изобретение позволяет расширить технологические возможности машины. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Машина для формования волокон и нитей, содержащая полимеропровод, раму с закрепленными на ней узлами фильерного комплекта, сопроводительной камеры, нитепроводящей гарнитуры, с общей осью, проходящей через фильерный комплект, и узлы приема нитей, отличающаяся тем, что сопроводительная камера размещена радиально по отношению к общей оси, при этом рама с закрепленными на ней узлами выполнена вращающейся вокруг общей оси. 2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что внутри сопроводительной камеры размещены вытяжные элементы. 3. Машина по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что сопроводительная камера выполнена двухсекционной для обеспечения движения нити в ней в двух прямо противоположных направлениях.