КОМПЛЕКСНЫЙ АНАЛИЗ ВОЛОКНИСТОЙ ХЛОПКОВОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ КАК ОБЪЕКТА СУШКИ
Для обеспечения процесса формования искусственных волокон необходимо прядильный раствор подвергнуть многократной фильтрации, удалить воздух и гель- частиц. Для фильтрации применяются различные ткани, фильтровальные пакеты, изготовленные из хлопка.
В настоящее время, в производстве химического волокна на второй стадии фильтрации используются фильтровальные пакеты, состоящие из 40 слоев фильтровальной бумаги, одного слоя фильтровальной ткани из смеси хлопкового и вискозного высокомодульного волокна. Фильтровальные хлопчатобумажные ткани должны быть изготовлены из длинноволокнистой хлопковой целлюлозы, чтобы при фильтрации не вырывались отдельные волоконца, которые могут загрязнять прядильный раствор.
Для удешевления процесса очистки прядильных растворов при фильтрации растворов применяют пористые листы хлопковой и древесной целлюлозы. В целлюлозном волокне имеются кристаллические области, в которых макромолекулы плотно упакованы и ориентированы строго в одном направлении, а также имеются аморфные области с менее упорядоченной структурой. Волокна целлюлозы, имеющие подобные структуры волоконцев, хорошо работают при фильтрации прядильных растворов в органических растворителях.
Использование целлюлозных материалов, применяемых в изготовлении фильтр- полотен и их регенерация, неразрывно связаны с тепловыми процессами (сушкой), интенсивность которых во многих случаях определяет производительность установок и существенно влияет на показатели качества получаемой продукции. Поэтому анализ целлюлозных материалов как объектов тепло-технологической обработки позволяет определить оптимальные режимы проведения процесса сушки [1] при регенерации фильтр-полотен из целлюлозных материалов.
Целлюлозу получают из хлопкового пуха - линта и проводят предварительную механическую очистку, варку, отбелку и сушку. Сушка целлюлозы является конечной и одной из самых ответственных операций и она сильно влияет на скорость ацетилирования и на качество получаемых ацетатов целлюлозы. Целлюлоза поступает в сушилку с влажностью порядка 80%, конечная ее влажность должна быть не менее, 5-8%. Пересушка материала приводит к так называемому, ороговению целлюлозы, т. е. ухудшению ее реакционной способности и значение температуры ее нагрева должно быть не выше 100°С.
При воздействии влаги, воздуха и водяных обработок, вследствие высокой чувствительности целлюлозы как гидрофильного материала к воде, существенно изменяются ее свойства и, прежде всего, механические характеристики, геометрические размеры и формы.
Гигроскопичность целлюлозы - это постоянное сопутствующее материалу свойство, обусловливающее необходимость изучения сорбционных характеристик целлюлозы, которые представляют большой теоретический и практический интерес, так как дают возможность не только характеризовать структурные изменения волокна, но и выяснить влияние сорбированных жидкостей, в частности воды, на химическое поведение и механические свойства на процесс сушки хлопковой целлюлозы.
Можно рассматривать хлопковую целлюлозу как систему, в которой роль узлов играют участки кристаллитов. А находящиеся между кристаллитами свободные участки макромолекул (аморфные области) способны принимать конфирмацию клубка. Таким образом, молекулы адсорбируемого вещества, проникая внутрь скелета адсорбента, после образования мономолекулярного слоя благодаря эластичности структуры увеличивают расстояние между элементарными ячейками, открывая новые центры для адсорбции. Следовательно, хлопковую целлюлозу можно отнести к материалам, перенос распределяемого вещества в которых характеризуется аномальной диффузией [2,3,4]. При этом коэффициент диффузии оказывается зависящим в ходе процесса не только от концентрации диффузионного вещества, но и от изменения во времени структуры или от внутренних напряжений. Такую диффузию и называют аномальной. Следует добавить, что кроме сорбции воды, определяемой аморфной составляющей полимера, происходит капиллярное поглощение воды целлюлозой за счет пористости. И она может быть как явной, так и скрытой, проявляющейся при смачивании в воде и представляющей собой те поры и капилляры, которые исчезают при сушке влажных целлюлозных материалов и способны восстанавливаться за счет релаксации сохранившихся в высушенном образце внутренних напряжений.
Таким образом, механизм переноса влаги внутри материала в данном случае определяется пористой структурой хлопковой целлюлозы, которая, в свою очередь, характеризует диффузионное сопротивление материала, следовательно, и продолжительность сушки. Зависимость коэффициентов теплопроводности и температуропроводности хлопковой целлюлозы от влагосодержания показывает, что можно выделить сингулярные точки, соответствующие границам перехода от одной формы связи к другой. Следует отметить, что границы форм связи практически совпадают и характер зависимости хорошо согласуется с объяснениями А. Ф. Чудновского [5] о значении водных мостиков для процесса теплопереноса во влажных материалах с пористой структурой.
Рассчитанные сорбционно-структурные характеристики на основе исследования сорбции - десорбции и термограмм сушки целлюлозных материалов представлены в табл.1
На основе анализа термограмм определялся режим сушки, т.е. находились допустимые или необходимые температуры материала в сушильной камере [6].
Однако с целью интенсификации процесса сушки при высокой начальной влажности материала в первом периоде сушки можно повышать температуру теплоносителя, не опасаясь локального перегрева материала. Такой режим недопустим во втором периоде сушки, вследствие перегрева могут возникать критические внутренние напряжения в материале, приводящие к образованию в нем трещин и деструкции.
Таким образом, на основании полученных экспериментальных данных по основным свойствам целлюлозных материалов как объекта тепло-технологической обработки и принимая во внимание ограничения технологического характера (взрывоопасность, липучесть и др. специфические ограничения), по [7] можно выбирать конкретный сушильный аппарат.