Материал: Проект участка формования полиамидной кордной нити

Проект участка формования полиамидной кордной нити

1. Введение

До конца 19 века потребность человека в волокнах для переработки их в ткани и другие изделия, необходимые в быту и технике, происходило только за счет природных материалов: хлопка, льна, пеньки, натурального льна и шерсти. Но выбор волокон, имеющихся в распоряжении людей, был весьма ограничен.

В начале прошлого столетия возникло производство химических волокон, сначала искусственных, а затем и синтетических. Первыми промышленными видами искусственных волокон были вискозные, а синтетических - поливинилхлоридные (1932г.) и полиамидные волокна (1940г.). Волокно на основе полиамидов, впервые было получено в 1939 году, в Англии. Разработка методов получения синтетических гетероцепных полимеров, пригодных для формования волокна, была начата коллективом исследователей во главе с Карозерсом в 1929году в Вильмингтоне (США). В 1935 году в лабораторных условиях было получено волокно из полиамида, образующегося в результате поликонденсации гексаметилендиамина NH2(CH2)6NH2 и адипиновой кислоты НООС(СН2)4СООН, получившее впоследствии название «Найлон 6,6» Н-[HN(CH2)6NHCO(CH2)4CO]n-ОН. В 1938 году было начато строительство первого завода по производству волокна найлон 6,6 в Сифорде (США), который в 1939 году был введен в эксплуатацию. Ученый Шлак синтезировал поликапроамид Н-[HN(CH2)5CO]n-ОН и с 1939 года началось производство волокна «Найлон 6». Первое производство в СССР было пущено в 1945 году на опытных установках в г. Мытищи.

Получение поликапроамида.

Полиамидные волокна формуются на основе полимеров, содержащих амидную группировку - N- С -

При производстве капроновой нити и волокна сырьем является поликапроамид, получаемый путем полимеризации и поликонденсации капролактама.

Капролактам может быть синтезирован из фенола, бензола, анилина, толуола и др..

Структурная формула капролактама:

Более распространенная форма записи:

Поликапроамид получают из капролактама путем проведения ряда реакций, протекающих по механизму полимеризации и поликонденсации, приводящих к образованию полиамида (полиамидирование). Процесс идет при высоких температурах и в присутствии активаторов. Под действием некоторых активаторов (вода, кислоты, основания и некоторые соли) связь углерода с гетероатомом расщепляется с раскрытием цикла. Разрывающаяся при раскрытии кольца капролактама связь - СО -NH - при высоких температурах заменяется такой же связью между мономерными остатками с образованием полимера.

Полиамидирование капролактама происходит в результате ряда реакций, протекающих по механизму полимеризации и поликонденсации. В начале стадии, в результате взаимодействия мономера с водой, образуется аминокапроновая кислота:

Затем молекула димера реагирует с молекулой мономера, образуя триммер, и т.д., вплоть до получения продукта со степенью полимеризации, определяемой условиями проведения реакции и необходимой для получения волокнообразующего полимера. Характер связей в образующихся линейных макромолекулах остается таким же, как и в исходном циклическом соединении. Так начинается зарождение цепи полимера, рост которых продолжается путем полимеризации - присоединения капролактама к функциональным концевым группам - NН2 и - СООН. С увеличением общего числа функциональных групп, активизирующих разрушение циклов, скорость суммарной реакции возрастает, а затем начинает уменьшаться по мере приближения к равновесному состоянию.

1.  Равновесие цикл - полимер (отвечает за выход полимера)

. Амидное равновесие (определяет среднюю молекулярную массу полимера)

... - CONН - … + Н2О - NH2 + - СООН

Одновременно под действием воды происходит гидролиз амидных связей в полимере, в результате, уменьшается длина молекул поликапроамида и образуются новые аминогруппы и карбоксильные группы:

Н-ОН

+ - NН2 + - СООН

NН -CO~

Таким образом, при образовании поликапроамида в присутствии воды устанавливаются два независимых равновесия. Первым достигается равновесие превращения цикла в звено линейного полимера, определяющего выход полимера:

Начало процесса полиамидирования характеризуется интенсивным образованием аминокапроновой кислоты, доля остальных реакций при этом незначительна. После этого наблюдается интенсивное образование олигомера, который как и аминокапроновая кислота обладает способностью ускорять последующий процесс. Поэтому на первых этапах процесса стремятся к достижению максимальной концентрации аминокапроновой кислоты и концевых функциональных групп линейных олигомеров.

В дальнейшем протекает полимеризация, которая заканчивается при достижении равновесия полимер - мономер. Параллельно с полимеризацией происходит взаимодействие функциональных групп, образовавшихся макромолекул путем поликонденсации.

На последней стадии процесса рост макромолекул поликапроамида осуществляется в основном за счет реакции поликонденсации:

(СН2)5NH2 + HOOC- (CH2)5H~   ~(CH2)5NHCO(CH2)5 ~ + H2O

Удаление воды при поликонденсации сдвигает амидное равновесие в сторону образования дополнительных амидных связей и способствует повышению молекулярной массы поликапроамида. Поэтому важное практическое значение имеет соотношение содержания воды на первых и в последних стадиях полиамидирования, обеспечивающее проведение всего процесса за минимальное время. Предусматривается своевременное удаление воды из сферы реакции с целью торможения процесса гидролиза амидных связей и достижения высокой степени полимеризации. Однако это может привести к образованию полимера, с увеличенной средней молекулярной массой, который не может быть использован для формования волокна. Реакция полиамидирования капролактама равновесна и обратима. По этой причине капролактам не полностью превращается в поликапроамид и в нем всегда содержится 9 - 12% мономера и других низкомолекулярных соединений.

Средняя степень полимеризации поликапроамида для производства текстильных нитей и волокон должна быть в пределах 150-200, средняя молекулярная масса 20000-24000. Для того, чтобы получить полимер такой молекулярной массы, нужно вовремя прервать процесс полиамидирования. Для этого вводят регуляторы молекулярной массы:

Используются одноосновные кислоты - уксусная или бензойная кислоты. Механизм действия одноосновных кислот состоит в блокировке концевой аминогруппы аминокапроновой кислоты или растущей молекулярной цепи:

[NН(CH2)5CO]nOH + СН3СООН СН3СО[NН(СН2)5СО]nОН + Н2О

Таким образом, ограничиваем рост макромолекулы, чем больше регулятора, тем молекулярная масса меньше. Обычно вводят не более 1 % регулятора молекулярной массы.

Производство синтетических волокон - новый этап в развитии производства химических волокон. Оно стало возможным только на определенной стадии развития химической промышленности. В настоящее время производство синтетических волокон значительно расширилось, это способствует увеличению сырьевых ресурсов текстильной промышленности и техники, а также расширению выработки текстильных изделий с новыми свойствами [2]

Свойства полиамидных нитей и волокон.

Полиамидные нити являются ценным материалом, широко применяемым для производства высококачественных товаров народного потребления (чулки, носки, трикотаж, тонкие ткани и т. п.) и технических изделий.

Полиамидные волокна используются главным образом в смеси с шерстью или хлопком для повышения носкости изделий. Добавка 10-12% полиамидного волокна к шерсти для изготовления технических сукон и платяных тканей повышает срок их службы в несколько раз.

Полиамидные нити широко используются в технике главным образом как каркасный материал в различных резиновых технических изделиях (тяжелые транспортерные ленты длиной в несколько сотен метров, приводные ремни и т. п.) и пневматических авто- и авиашинах (уточный и безуточный корд). Из этих нитей изготавливаются легкие и очень прочные канаты, заменяющие тяжелые стальные тросы, рыболовные сети и снасти (не гниющие и невидимые в воде). По мере увеличения производства полиамидных нитей области их применения непрерывно расширяются.

Исключительно быстрый рост производства полиамидных нитей обусловлен их ценными физико-механическими свойствами. Ниже приводятся свойства, обеспечивающие широкое их применение в народном хозяйстве.

Прочность. Прочность высокопрочной полиамидной нити (70-80. сН/текс) превосходит аналогичный показатель большинства химических нитей, некоторых металлов (алюминий, медь) и не уступает прочности стали. Сочетание высокой прочности полиамидных нитей с малой плотностью (1140 кг/м3) очень важно для производства легких и прочных изделий.

Полиамидные нити, в отличие от некоторых других видов химических нитей, обладают большой прочностью «в петле», «в узле» и в мокром состоянии. Потеря прочности в мокром состоянии составляет всего около 5-10% при незначительном повышении удлинения.

Удлинение полиамидных нитей и волокон может изменяться в широких пределах и определяется назначением изделий и условиями их эксплуатации. Так, удлинение кордной нити составляет 12-16%, текстильной нити - 25-35% и волокна -50-100%'. С повышением удлинения нити соответственно понижается прочность его, однако нити, имеющие предельно большое удлинение, все же остаются достаточно прочными (35-40 сН/текс). Изменение прочности и удлинения полиамидных нитей достигается регулированием молекулярной массы полимера, условий формования и вытягивания нити.

Эластичность. Высокие эластические свойства полиамидных нитей являются одной из их отличительных особенностей. При нагрузке до 30% от разрывной доля полностью обратимых удлинений составляет 90-95% от общего удлинения.

Устойчивость к многократному изгибу. Полиамидные нити обладают весьма высокой устойчивостью к многократным деформациям при изгибе - примерно в 100 раз большей, чем вискозные нити, и примерно в 10 раз большей, чем хлопок и шерсть. По этому показателю полиамидные нити превосходят натуральные и большинство других синтетических.

Устойчивость к истиранию. Высокая устойчивость к истиранию, как и устойчивость к многократным изгибам, определяет исключительную потребительскую ценность полиамидных нитей. По этому показателю они в 10 раз превосходят хлопок, в 20 раз шерсть, в 50 раз вискозное штапельное волокно и во много раз все другие синтетические нити. Небольшие добавки полиамидного волокна к натуральным волокнам и к некоторым химическим волокнам резко повышают устойчивость изделий к истиранию. Например, при добавлении 15% капронового волокна к шерсти устойчивость ткани к истиранию повышается более чем в 4 раза.

Стойкость к низким и высоким температурам. Полиамидные нити сохраняют свои свойства при низких температурах (до -60°С). Однако при повышенных температурах (порядка 140- 180 °С) прочность их значительно снижается (на 60-80%). После кратковременного воздействия высоких температур необратимая потеря прочности составляет 40-60% от первоначальной.

Термостабильность полиамидных нитей может быть значительно повышена при добавлении небольших количеств органических или неорганических веществ (антиоксидантов), например солей меди, иодида калия, фосфорной кислоты N, N, -ди-, ' - нафтил-n-фенилендиамина и т.д. Как правило, эти добавки не влияют на степень снижения прочности полиамидных нитей, измеренную при высоких температурах, но предотвращают термическую и окислительную деструкции, устраняя тем самым необратимые потери прочности. Термостабилизация технических полиамидных нитей значительно повышает эксплуатационные свойства изделий на их основе. Так, срок службы или, как говорят, ходимость шин, изготовленных из термостабилизированного капронового корда, увеличивается в несколько раз.

Описанные свойства являются общими для всех видов полиамидных нитей, однако из этого не следует полная их равноценность. В производстве предметов народного потребления капроновые и анидные нити могут быть использованы в равной степени. Однако при изготовлении изделий технического назначения следует учитывать их специфические особенности. Для производства того или иного технического изделия необходимо использовать полиамидные нити, свойства которых наиболее полно соответствуют условиям эксплуатации изделия. Так, учитывая ряд свойств (температуру плавления и размягчения, работоспособность в широком диапазоне низких и высоких температур, модуль упругости, эластические свойства и влагостойкость), анидные нити предпочтительнее использовать для производства транспортерных лент и других резиновых технических изделий, чем капроновые.[3]

Область применения полиамидных волокон. Полиамидные волокна и нити нашли разнообразное и широкое использование. Их высокая прочность и упругость, износостойкость и малая плотность определили их области применения. Тонкие комплексные нити и тонкие мононити используют для выработки трикотажных изделий - чулок, тонкого белья; для производства тонких тканей - блузочных и других; технических тканей (сита, парашютное полотно и т. д.). Комплексные нити большой линейной плотности применяют для выработки корда для авто- и авиапокрышек, различных крученых изделий, сетей, мебельных тканей и др.

Полиамидные волокна используются в смесях с натуральными волокнами (шерстью, хлопком) для выработки костюмных и других тканей. Обычно к натуральным волокнам добавляют 10-20 % полиамидных штапельных волокон, что резко увеличивает износостойкость изделий. Грубые моноволокна применяют как заменители щетины, а также для лесок и других целей.

Полиамидные волокна поглощают сравнительно небольшое количество влаги. Поэтому нецелесообразно изготовлять из полиамидных волокон плотные, тяжелые ткани для белья и одежды.[1]

Состояние производство полиамидных волокон и нитей.

За более чем столетнюю историю химических волокон их роль в производстве материалов и изделий, необходимых для обеспечения жизни людей, развития техники и науки, стала неоспоримой. Выпуск химических волокон год от года увеличивается.

В настоящее время население земного шара составляет приблизительно 6,57 млрд. человек, а среднее потребление волокон на душу населения оценивается приближенно в 10,5 кг в год. Эта цифра распределяется неравномерно между регионами в зависимости от климата, уровня развития стран и других причин. Она существенно выше в развитых странах и странах с более холодным климатом. По прогнозу социологов, В первой половине столетия население Земли приблизится к 10-12 млрд. человек, а рост потребности в волокнах и волокнистых материалах на одного человека, включая нужды развивающейся техники, может составить 12-15 кг и более, что соответствует потреблению волокон в развитых странах.

Производство натуральных волокон может несколько возрасти в результате использования интенсифицированной агротехники, создания более урожайных сортов растений, оптимизации применения удобрений и средств борьбы с вредителями и болезнями, однако рассчитывать на существенное увеличение их выпуска не приходится, так как посевные площади в перспективе будут нужны, прежде всего, для выращивания пищевой сельскохозяйственной продукции. Таким образом, производство натуральных волокон постепенно приближается к своему пределу. Следствием этого является то, что все потребление в будущем должно удовлетворяться за счет химических волокон путем постоянного наращивания их выпуска. [2]

При анализе развития производства химических волокон необходимо учитывать ряд факторов, влияющих на этот процесс, в том числе совершенствование технологии, снижение энерго - и материалоемкости, снижение вредности производства и элиминирование вредных выбросов, создание технологий, основанных на новых принципах, расширение ассортимента и появление новых видов волокон, возможности замены одних волокон другими. Существенно изменяются и требования к уровню качества химических волокон: все в большей степени становятся необходимыми волокна и волокнистые материалы на их основе, «дружественные» человеку (они сегодня объединяются термином «Shin-gosen»), введенным в 1982 году впервые в Японии). В технике необходимы сверхпрочные, термостойкие и другие устойчивые к эксплуатационным воздействиям волокна.