Untersuchungen zur Koagulationsfähigkeit natürlicher und synthetischer Latices beim Naßspinnverfahren PDF
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FORSCHUNGSBERICHT DES LANDES NORDRHEIN -WESTF ALEN Nr. 2570jFachgruppe Chemie Herausgegeben im Auftrage des Ministerprasidenten Heinz Kuhn vom Minister fUr Wissenschaft und Forschung Johannes Rau Prof. Dr. -Ing. Wilhelm SchUtz Prof. Dr. -Ing. Alfons Jansen Prof. Dr. rer. nat. Otto Lorenz Fachhochschule Aachen, Fachbereich 3/Chemie Untersuchungen zur Koagulationsfahigkeit naturlicher und synthetischer Latices beim N a13spinnverf ahren Westdeutscher Verlag 1976 © 1976 by Westdeutscher Verlag GmbH, Opladen Gesamtherstellung: W estdeutscher Verlag ISBN-13: 978-3-531-02570-4 e-ISBN-13: 978-3-322-88091-8 DOl: 10.1007/978-3-322-88091-8 Inhaltsverzelchnis Selte 1. E1nleltung 1 2. Mathematlsche Behandlung des Stofftransportes bel der Koagulatlon 2 2.1 Modellbetrachtung 2 2.2 Mathematische Ansatze und LOslln@en 3 2.2.1 Ansatz und Randbedlngungen 3 2.2.2 Stationare Naherungslosung 4 2.2.3 Instationare NID1erung durch ein Polynan 6 2.3 GUltigkelt des ~odells. Fehlerquellen 9 3. Anwendung des Modells 10 3.1 tibertragbarkeit der MeEergebnisse 10 3.2 Verbesserung des konvektiven Stofftransportes 13 3.3 Verbesserung des Molekularen Stofftransportes 16 3.3.1 ElnfluB des Spinnbades auf den Dlffusions- koeffizienten der Koagulatschicht 16 3.3.2 ElnfluB der PartikelgreEe 17 3.4 Bewertung der Ergebnisse. Auswirkungen 19 4. 22 r-~Everfahren 4.1 Bestimmung der Diffusionskoeffizienten 22 4.2 zum Stoff- und Energietransport 24 ~essungen 4.3 Nachweis 25 ~~kroskopischer Seite 5. Zusanmenfassung 26 6. Literaturnachweis 28 7. Nanenklatur 31 8. Bildanhang, Tabellen 35 - 1 - 1. E1nleltW'lg Kunststoffasern sird schal selt langem jm Begrlff, dle herk&1nl.lchen Natur fasem sus Wolle urn· Seide als Grl.Jryjstoffe ror dle TextUirdustrie zu ver dr§ngen. Hochelastlsche Ftiden h1ngegen werden such heute noch Uberwiegerxi aus Natur kautscblk-Dlsperslonen hergestellt. Synthetlsche Kautschuk-Dlsperslonen werden aber berelts in vlelen Verarbeltungsprozessen anstelle des Naturkaut scblks verwerxl.et, weU sle entweder bl11lger sird oder aber dem Erxiprodukt vortellhaftere E1genschaf'ten verle1hen. Auch auf das Geblet der elastlschen Faden hat dleser Wamel von natUrl1chen Grurxistoffen zu synthetlschen Hlngst tlhergegrlffen. Dle einschlligigen Irxiustriebetrlebe stehen deshalb vor den Alternatlven, dle fUr dle Verarbeltung von natUrllchem Kautschuk errichteten Produktlonsanlagen zur Herstellung gwrmielastischer Fruien entweder so zu optjm1eren, daB die NR-Produkte gegenUber den synthetischen konkurenzf§h1g blelben, oder die vorhanienen Anlagen fUr die Verarbeitung synthetischer Kautschuke umzurUsten, oder sogar neue Ge~te zu verwerxien. Ansatzpunkt aller tJberlegungen ist dabei das Na.f.,spimverfahren. bei dem jene synthetischen oder natUrl1chen latices verarbeitet werden, die als Disper sionskolloide vorl1egen. Zu diesen z§hlen insbesondere die Naturkautschuk Latices urn die diesen vergleichbaren latices synthetischer Kautschuke. Werden solche Latices in saure SpimbMer geleitet, so k6nnen aufgrund be kannter Theorien [1,2,3,4,5,6,22 J sowohl molekulare als auch konvektiv verst§rkte Stoff- und W§rmetransporte auftreten. Bisher ist jedoch nicht bekannt, ob die molekularen Transportvorgfu1ge 1m koaguliererxien Latex alleine die Koagulationsgeschwindigkeit best1rnmen, oder ob T.ransportvor~ jm angrenzenden System des Spimbades ~~geblichen Ein fillR> gewimen kBnnen. Untersuchungen zu diesem Therna gehen meist auf Verlinderungen 1m System des Spimbades ein [7 J oder beziehen sict auf andere fiuide Systeme [8,9,10 J. Es ist jedoch nicht m6glich, aus den Ergebnissen dieser Untersuchungen all geme:1ngUltige Beziehungen Uber 6rtliche Diffusionsvorg1:i.nge 1m Koagulat eines sich bildenden Fadens oder Filmes zu gewinnen. - 2 - D1e Notwend1gke1t einer solchen modellhaften mathemat1schen Bez1ehung, d1e den Koagulat1onsfortschr1tt beschre1bt, 1st fOr d1e Optimierung und Ausle gung des NaBspinnverfahrens grundlegend erforder11ch. D1e vor11egende Arbe1t bescnaft1gt s1ch deshalb mit der Ermittlung der Wachs tunsfunkt10nen von Koagulat1onsvorgfulgen. D1e auftretenden Stofftransportvor gange werden aus verfahrenstechnischer S1cht behandelt. Das artspez1f1sche, unterschiedl1che Koagulat1onsverhalten der Latices wird durch bestimmte Kenn groflen und Kennzahlen des Stofftransportes gekennze1chnet und erfaBt. Ein zelne E1nntlsse und Abhfulg1gke1ten nach [11,12,13,14,15,16,17,22 J, die zwar bestimmte Vorstellungen tiber ml:igl1che Mechan1snen vermitteln, aber ke1ne Zu sanmenhBnge zw1schen Koagulat1onsvorgang und Stofftransport beschre1ben, wer den dadurch in d1e Modellbetrachtung einbezogen. Das zu entwickelte Modell ber(1cksicht1gt, daB der Koagulat1onsprozeB grund mitzl1ch durch chem1sche Reakt1on, Vertinderung der thermischen Energie und mechanische Einwirkung e1ngele1tet werden kann. D1e N~erungsl~sungen des mathemat1schen ~odells gestatten eine 1nd1v1duelle Berechnung der Koagulat1onsze1ten bzw. Koagulat1onsgeschwindigke1ten unter Beachtung des molekularen und konvekt1ven Stofftransportes. Dam1t 1st eine Optimierung der Sp1nnanlage fUr spez1f1sche Lat1ces mit 1onogenen Schutz schichten ml:igl1ch. 2. Mathemat1sche Behandlung des Stofftransportes be1 der Koagulat1on 2.1 Modellbetrachtung Man kann voraussetzen [ 18 J, daB d1e Koagulat1on hauptslichl1ch durch den Stofftransport des Dispers1onsrn1ttels 1m Koagulat best:1nmt wird. Das Koagu lat 1st von graBerer D1chte als der ursprtlngl.1che Latex und urng1bt diesen i, wie e1ne Zyl1nderwand, wenn der Faden aus einer kre1sf~rmigen rose gespon nen w1rd (BUd 1). Ein synthetischer oder nattirlicher Kautschukfaden gleicht deshalb 1m Spinn prozeB e1nem endlosen, gezogenen, zylindrischen Schlauch mit Latexfill.lung. Dieser Schlauch bewegt sich mit konstanter Geschw1nd1gkeit in Richtung der - 3 - Zyl1nderachse. Die Koagulatlon und der fUrsle maBgebllche Stofrtransport treten praktlsch ausschlleP.>l1ch senkrecht zur Zylinderachse auf. Durchnischungen in. Richtung der Fadenachse sind zu vemachl§.sslgen. ter Stofrtransport selbst 1st in statlon[r. Die zylindrlsche Koagulatschicht in radlaler Richtung zum ~chst Fadenmittelpunkt. wobel sich die 1nnere Phasengrenze zwischen ursprtlngllchem Latex und slch bildendem Koagulat ebenfalls in diese Richtung verschiebt. ter Radius dieser Phasengrenze r f wird bei diesem ProzeB kle1ner und ist be1m AbschluB der Koagulation gleich Null. 2.2 Mathematische Ans§.tze und LOsungen 2.2.1 Ansatz und Randbedingungen Unter BerUcksichtigung verfahrenstechnischer Gegebenhelten geelgneter allge me1ner Voraussetzungen und 11e.Bergebn1sse r 18 J kann die 1m Koagulat ent stehende JIDdenmg der Partialdichte 9, (s. B1ld 1) durch die FICKsche Dif ferentialgleichung des molekularen Stofftransportes ,'0-9- ' = + - (1) '0 t mit rf ~ r ~ ro beschrieben werden. Es gelten die Randbedingungen fUr den StoffUberg,rung von der Fadenoberflache an das Spinnbad 091 - D1 ( or )r = r = ~ (9o - 9a ) (2) 0 - 4 - und fUr die Stoffbilanz an der inneren Phasengrenze a _ 0 ( 9 = ar mit denen sich die Differentialgleichung (1) nIDlerungsweise lasen l§Bt. Die in den Gln. (1). (2). (3) verwendeten GrCiRen und Symbole sind in der an i1fu1genden Nanenklatur (Kap. 7) erl~utert. 2.2.2 Station§re N§herungslasung Die ungenaueste geht von einer der Spei N~erungslasung Vernachl~ssigung chereigenschaiten des Koagulates aus. Unter vorteilhafter EinfUhrung der dimensionslosen GraBen: D1mensionsloser Radius der Phasengrenze ~ = D1mensionsloser Radius des Koagulates r+' = (5) Dimensionslose Partialdichte im Koagulat = (6) - 5 - D1menslonslose Partialdichte an der Oberfl~che = D1mensionslose Zeit Fi = (8) D1mensionsloser StoffUbergangskoeffizient D1mensionslose Intensit~t der Stoffquelle Ph = (10) mit F1 FICK-Kennzahl B\n BIOT-Kennzahl des Stofftransportes erhB.lt man aus Gl. (1) nach / 19 / eine zwar fehlerr.afte aber fUr tiberschla. gige Betrachtungen durchaus brauchbare Kenngr6Puengleichung fUr den Koagula tionsfortschritt zu: Fi = 2 Ph [~2In~ +(1- ~2l(2~ + -Bi l] (11) - 6 - welche erkennen l1iR>t, daR. dle Koagulatlon sehr wesentllch von der Gr6fe der BIOT-Zahl des Stofrtransportes ab~. Nach GI. (9) erfaR>t dlese Kennzahl mit dem Dlffuslonskoefflzlenten Dl eine Kel1l'lgI'tlfe des molekularen Stoff transportes 1m Koagulat und mit dem StoffUbergangskoefflzlenten (i eine Kenng1"6fe des konvektlv verst~kten Stofrtransportes van Faden an das Spinn bad. Auferdem 1st dle Koagulatlonsdauer von der Intensltlit der Stoffquelle Ph abh§.ng1g, welche nach GI. (10) so fonnullert 1st, daR> die F.relsetzung des Stoffstrans unabh§.ng1g van auslosenden Mechan1smus erfaR>t wird. 2.2.3 Instatlo~ N!iherung durch ein Polynan Dle fehlerhaften Abwelchungen der statlo~n L6sung konnen durch einen Rel henansatz rur die Xnderung der Partlaldichte 1m Koagulat venn1eden werden. Nach [20,21] korrmt man dazu, indem man 1m ersten Schrltt einen Polynanan rur satz ein ebenes Problem ableltet. Im zwelten Schritt konnen dann dle er haltenen Uisungen auf ein Glelchungssystem in Zylinderkoordinaten transfor miert werden. Dlese Handhabung 1st auch deshalb vortellhart, well sle nach rur Uisung des ebenen Problems eine Glelchung dle Koagulatlon bel Beschlch tungs- sowie F1lmblldungs- und §.hnl1chen Verfahren als Zwischenergebnis l1e fert. Dle Betrachtung des Stofrtransportes durch e1ne ebene, endllch dlcke Platte l1efert nach Blld 2 einen §.hnllchen Stofrtransport wie in Blld 1, und es gilt ebenso die Annahme, daR> von der Phasengrenze des Systems ein Stoffstran an die umgebende Phase - das Spinnbad - ilbertrltt und konvektlv abgefUhrt wlrd. Demnach erh§.lt dle GI. (1) dle Fbrm: = (12)
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