Анализ режимов технологического процесса формования химических волокон из раствора

Вестник ТвГУ. Серия "Химия". 2016. № 1. 
 
190 
УДК 532.+ 678.01 
АНАЛИЗ РЕЖИМОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА 
ФОРМОВАНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ВОЛОКОН ИЗ РАСТВОРА 
А.Л. Калабин, Э.А. Пакшвер
Тверской государственный технический университет
Показана ключевая роль фазовой диаграммы системы полимер – раство-
ритель – осадитель для гелеобразования при формовании химических 
волокон из растворов полимеров с учетом трех механизмов образования 
геля: диффузионного, термотропного и механотропного. Проведено мо-
делирование режимов гелеобразования для системы ПАН–ДМФ–вода. 
Определен режим гелеобразования при минимуме диффузии, когда за-
висимость толщины геля Rg(t) от времени близка к линейной и скорость 
гелеобразования почти постоянная. Такой режим обусловливает одно-
родную структуру волокна. 
Ключевые слова:
 
моделирование, фазовая диаграмма, система полимер 
– растворитель – осадитель, гелеобразование, формование химических 
волокон. 
Целью фундаментального изучения технологий переработки по-
лимеров является определение количественных зависимостей между 
условиями технологических процессов производства и свойствами по-
лучаемого материала. Параметры технологических процессов опреде-
ляют структурные параметры волокон, которые, в свою очередь, обу-
словливают все их свойства [1]. Для переработки ПАН и гидратцеллю-
лозного волокон в углеродные волокна особенно важна равномерность 
распределения структур полимера вдоль и поперек волокна, которая 
формируется при гелеобразовании. Гелеобразная фаза, являясь первич-
ной структурой волокна, в значительной степени определяет его свой-
ства. Представляется актуальным исследование гелеобразования из рас-
творов полимеров от основных параметров технологического процесса 
формования с учетом влияния фазовой диаграммы на процесс нитеобра-
зования [2]. 
В [3] получена зависимость времени полного гелеобразования t
g
от следующих параметров формования: концентрации осадителя в ван-
не C
g 
и в растворе полимера C
0
; температуры раствора в ванне T
s
. Диа-
пазон изменения этих величин выбран близким к реализуемому на 
практике. Приведенные результаты получены на основе математиче-
ской модели для «мягкого» режима формования в системе ПАН – ДМФ 
– вода при значениях параметров из [3] при начальных концентрациях 
раствора ПАН – 20% + ДМФ – 80% и осадительной ванны ДМФ – 80% 
Вестник ТвГУ. Серия «Химия». 2016. № 1. С. 190–194. 
 
 

Вестник ТвГУ. Серия "Химия". 2016. № 1. 
 
191 
+ вода – 20%. Приняты следующие значения параметров процесса: ра-
диус фильеры R
0
(0)= 0.05 мм; начальная температура раствора T
n
= 
50
 

С и в ванне T
s
= –10 

С. Математическая модель гелеобразования 
при формовании химических волокон из растворов полимеров предло-
жена в [3]. Для этих условий рассчитана зависимость толщины геля 
R
g
(t) (рис. 1a) и скорость гелеобразования dR
g
(t)/dt (рис. 2a) от времени t. 
В условиях промышленного производства волокна при проекти-
ровании новой или оптимизации имеющейся технологии, изменении ас-
сортимента возникает необходимость эмпирически подбирать техноло-
гию на промышленном оборудовании. Имея фазовую диаграмму систе-
мы полимер – растворитель – осадитель и адекватную математическую 
модель процесса гелеобразования, можно быстро менять ассортимент 
волокна и технологические режимы его формования в рамках имеюще-
гося оборудования, не прибегая к опытным дорогостоящим работам. 
Будем определять условия формования, обеспечивающие макси-
мальную однородную поперечную структуру волокна при фиксирован-
ной его толщине. Будем считать, что однородность структуры нити со-
ответствует постоянной скорости гелеобразования v
g
=R
0
/t
g
, поэтому за 
критерий предлагается взять функционал вида 



g
t
g
g
dt
t
t
R
t
R
0
2
0
.
min
)
/
)
(
(
Можно говорить о некоторых закономерностях связи характери-
стик гелеобразования и структуры волокна. Так, скорость протекания 
гелеобразования обусловливает его однородность. Поэтому представле-
ние о динамике развития процесса позволяет прогнозировать макро- и 
микро- структуру получаемого волокна. Вызывает интерес анализ 
dR
g
(t)/dt – скорости изменения толщины геля во времени, обусловлен-
ного только диффузией (рис. 2а,b), и её отличия от термотропного ме-
ханизма (рис. 3а,b). Можно предположить, что при термотропном геле-
образовании структура волокна будет более однородной в поперечном 
направлении волокна и соответственно оно будет более подходить для 
преобразования его в прочное углеродное волокно. 
В соответствии с этим предположением определен режим при 
минимуме диффузии при гелеобразовании. Значения параметров: C
0
= 
2% – начальная концентрация осадителя в растворе полимера; C
g
=20% 
– концентрация осадителя в осадительной ванне; T
g 
= –10

С.– темпера-
тура в осадительной ванне,
 
T
0 
= 50

С – начальная температура 

Вестник ТвГУ. Серия "Химия". 2016. № 1. 
 
192 

Вестник ТвГУ. Серия "Химия". 2016. № 1. 
 
193 
раствора. При этом скорость гелеобразования почти постоянная, а зави-
симость толщины геля R
g
(t) от времени соответственно близка к линей-
ной (рис. 4а,b). Такой режим также может обусловить однородную по-
перечную структуру волокна. 
В
ЫВОДЫ
- Рассмотрен процесс формования раствора полимера с позиции ма-
тематической модели при изменении фазового равновесия в формуемой 
системе под воздействием изменения концентраций, температур. Каче-
ственный вид зависимости толщины геля R
g
(t) и скорости гелеобразова-
ния dR
g
(t)/dt от времени различен для диффузионного и термотропного 
гелеобразования. Порядок времен полного гелеобразования и их скоро-
сти для диффузионного и термотропного процесса отлично примерно на 
порядок t
c 
 / t
t 
~10. 
- Определен режим гелеобразования при минимуме диффузии, при
котором скорость гелеобразования почти постоянная, а зависимость 
толщины геля Rg(t) от времени близка к линейной. Такой режим может 
обусловить однородную структуру волокна.