Реферат: Технология поликарбоната

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«Национальный исследовательский Томский политехнический университет»

Инженерная школа природных ресурсов

реферат

«Технология поликарбоната»

по дисциплине: Общая химическая технология

Исполнитель: студент Иванюк В.А.

Руководитель: Швалёв Ю. Б. к.т.н., доцент

Томск - 2021

Содержание

Введение

1. Физико-химические закономерности синтеза поликарбоната

1.1 Производство листов из поликарбоната

1.2 Очистка и плавление гранулята

1.3 Экструзия

2. Технологическая схема и ее описание

2.1 Межфазная поликонденсация

3. Экология в процессе производства поликарбоната

Заключение

Список использованных источников

Введение

Поликарбонаты -- группа термопластов, сложные полиэфиры угольной кислоты и двухатомных спиртов общей формулы (-O-R-O-CO-)_n, также поликарбонат можно охарактеризовать, как прозрачный полимерный пластик, который хранится в виде гранул до самого момента переработки. В состав данного вещества входит: двухатомный фенол, вода, угольная кислота, растворители и красители. При высоких температурах данный термопласт не теряет своих свойств, способен к самовосстановлению, а потому и экологически безопасен. Они образуются из соответствующего фенола и фосгена в присутствии оснований или при нагревании диалкилкарбоната с двухатомным фенолом от 180 до 300 [1].

Основными промышленными способами получения поликарбонатов являются [2]:

· фосгенирование бисфенолов в органическом растворителе в присутствии третичных органических оснований, связывающих соляную кислоту -- побочный продукт реакции (способ поликонденсации в растворе);

· фосгенирование бисфенолов, растворенных в водном растворе щелочи, на поверхности раздела фаз в присутствии каталитических количеств третичных аминов (способ межфазной поликонденсации);

· переэтерификация ароматических эфиров угольной кислоты (диарилкарбонатов) бисфенолами (способ поликонденсации в расплаве).

Большинство производителей поликарбоната использует технологию получения полимера с использованием фосгена и бисфенола А. Новые разработки и технологии отошли от использования фосгена. Способ поликонденсации в растворе (в среде пиридина или смеси пиридина с метиленхлоридом) и способ межфазной поликонденсации (одна фаза -- водно-щелочной раствор бисфенола, другая фаза -- метиленхлорид, гептан, дибутиловый эфир и другие растворители, не смешивающиеся с водой) осуществляются при невысокой температуре и дают возможность получать поликарбонат с различными значениями молекулярной массы. Но в каждом из них применяются разбавленный растворы компонентов и поэтому приходится пользоваться аппаратурой большого объема, регенерировать органические растворители и подвергать очистке промывные воды.

Способ переэтерификации обеспечивает получение поликарбонатов повышенной чистоты и не нуждается в применении растворителей, но он обладает меньшей универсальностью в сравнении с предыдущими способами (получается поликарбонат с невысокой молекулярной массой), протекает только при высоких температурах от 250 до 300 и при использовании особо чистых компонентов, что значительно удорожает сырье. Экономическое сравнение всех способов производства поликарбонатов показывает, что наиболее экономичным является способ межфазной поликонденсации. В этом случае процесс получения поликарбонатов является двухстадийным. На первой стадии образуется олигомерный продукт с концевыми группами хлоругольной кислоты, который на второй стадии участвует в дальнейшей реакции поликонденсации и превращается в полимер. Поликарбонаты перерабатывают всеми методами, используемыми для переработки термопластов, в том числе и методами холодного формования (штамповкой, прокатом, клепкой, вытяжкой). Температура переработки от 513 до 573 К, вязкость расплава высокая по сравнению с вязкостью расплавов других полимеров. Изделия можно сваривать, склеивать, точить, сверлить, фрезеровать, пилить, резать, шлифовать, полировать, соединять одно с другим заклепками и гвоздями [3].

Поликарбонаты достаточно популярны в своем применении во многих отраслях взамен цветным металлам, сплавам и силикатным стеклам. Благодаря высокой механической прочности поликарбонат успешно используется для изготовления прецизионных деталей, инструментов, корпусов фотоаппаратов, шаблонов, шестерен, втулок. Высокая ударная вязкость в сочетании с теплостойкостью позволяет использовать поликарбонат для изготовления электроустановочных и конструкционных элементов автомобилей, работающих в жестких условиях динамических, механических и тепловых нагрузок. Хорошие диэлектрические свойства поликарюоната дают возможность изготавливать из него детали электронных аппаратов и цветных телевизоров, каркасы для катушек, клеммные панели, корпуса и крышки батарей, телефонные аппараты и другое.

Хорошие оптические свойства обусловили применение поликарбоната для изготовления светотехнических деталей светофильтров, светорассеивающих колпаков, панелей шахтных светильников, фар машин, дорожной сигнализации, фонарей, телефонных дисков. Биологическая инертность поликарбоната и возможность подвергать изделия из него стерилизации сделали этот материал незаменимым в медицине для изготовления чашек Петри, фильтров, сосудов для крови, корпусов бормашин, зубных протезов. Из него можно изготавливать посуду для пищевых продуктов, молочные бутылки, детали машин, перерабатывающие пищевые продукты, трубы для транспортирования фруктовых соков, пива, вина, молока, детали холодильников, стиральных и посудомоечных машин, кофеварок и другое.

Поликарбонат широко используют в машиностроении (пневмостаканы, сепараторы, втулки, вкладыши, шестерни), в судостроении (судовая трубопроводная аппаратура, клапаны, фильтры), в автомобильной промышленности (крышки, колпаки, сигнальные лампы и линзы фонарей, защитные решетки, колеса, корпуса задних фар автомобилей). Из поликарбоната изготавливают корпуса киносъемочных камер, фотокамер и биноклей. Обшивку и переднюю панель таксофонов выполняют из листового поликарбоната. Из поликарбонатов изготавливают упаковку для пищи, используемую при повышенных температурах. Перспективные области применения - пакеты, стерилизуемые в автоклавах и упаковки для микроволновых печей.

Таблица 1 - Структура потребления поликарбоната [4]

Поликарбонат -- это крупнотоннажный продукт органического синтеза, поэтому дальше будет небольшой разбор объемов производства данного материала. В 2017 году в мире было произведено ~ 5,1 млн. тонн гранул поликарбоната, а уже в 2018 году прогнозы аналитиков сулили повышение роста производственной мощности до 5,6 млн. тонн.

Рисунок 1 - Мировые лидеры по объему производства поликарбоната [5].

В России единственным производителем поликарбоната является предприятие групп ТАИФ ПАО «Казаньоргсинтез». Годовая мощность производства 65 000 тонн. Казаньоргсинтез производит марки общего назначения для экструзии, литья, УФ стабилизированные и с улучшенными антиадгезионными свойствами. Из них на экспорт идет около 7 000 тонн. Импорт поликарбонатов в 2017 году был равен 14 000 тонн. По сравнению с 2016 годом общий объем импорта вырос на 20% [5].

Основные потребители импортного сырья -- это автопроизводители и производители светотехники, которые используют высокотехнологичные марки и компаунды поликарбоната.

Итого общий объем потребления российскими переработчиками в 2017 году составил 72 000.

Далее в реферате будут рассмотрены физико-химические свойства поликарбоната, а также один из наиболее популярных способов получения поликарбоната - межфазная поликонденсация.

1. Физико-химические закономерности синтеза поликарбоната

Поликарбонат - это твердый бесцветный синтетический полимерный пластик, который относится к сложным полиэфирам угольной кислоты и используется в производстве в виде гранул. Пластик поликарбонат получают в результате многостадийного синтеза при участии нескольких ингредиентов. Поликарбонат получают в виде гранул -- мелких прозрачных зерен. В таком виде материал легче хранить и транспортировать к месту переработки.

Для получения ароматических поликарбонатов, а только эта группа поликарбонатов имеет промышленное значение, необходимы два вещества, вернее их производные [6]:

- угольная кислота (фосген) -- служит для синтеза растворителей, красителей, пестицидов, фармацевтических средств.

- двухатомный фенол (бисфенол А) -- в виде белых или светло-коричневых хлопьев или порошка получают из фенола и ацетона, единственный побочный продукт этой реакции -- вода.

В промышленности поликарбонаты получают тремя методами. 1) Переэтерификация дифенилкарбоната бисфенолом А в вакууме в присутствии оснований (напр., метилата Na) при ступенчатом повышении температуры от 150 до 300 0C и постоянном удалении из зоны реакции выделяющегося фенола:

Процесс проводят в расплаве по периодической схеме. Получаемый вязкий расплав удаляют из реактора, охлаждают и гранулируют. Достоинство метода - отсутствие растворителя; основные недостатки - невысокое качество поликарбонатов вследствие наличия в нем остатков катализатора и продуктов деструкции бисфенола А, а также невозможность получения поликарбонатов с молекулярной массой более 50000.

2) Fосгенирование бисфенола А в растворе в присутствии пиридина при т-ре 250C. Пиридин, служащий одновременно катализатором и акцептором выделяющегося в реакции HCl, берут в большом избытке (не менее 2 молей на 1 моль фосгена). Растворителями служат безводные хлорорганические соединения, регуляторами молекулярной массы - одноатомные фенолы. Из полученного реакции раствора удаляют гидрохлорид пиридина, оставшийся вязкий раствор поликарбонатов отмывают от остатков пиридина соляной кислотой. Выделяют поликарбонаты из раствора с помощью осадителя в виде тонкодисперсного белого осадка, который отфильтровывают, а затем сушат, экструдируют и гранулируют. Достоинство метода - низкая температура процесса, протекающего в гомогенной жидкой фазе; недостатки-использование дорогостоящего пиридина и невозможность удаления из поликарбонатов примесей бисфенола А.

3) Межфазная поликонденсация бисфенола А с фосгеном в среде водной щелочи и органического растворителя, например метиленхлорида или смеси хлорсодержащих растворителей Условно процесс можно разделить на две стадии, первая - фосгенирование динатриевой соли бисфенола А с образованием олигомеров, содержащих реакционноспособные хлор-формиатные и гидроксильные концевые группы, вторая - поликонденсация олигомеров (катализатор-триэтиламин или четвертичные аммониевые основания) с образованием полимера.

В реактор, снабженный перемешивающим устройством, загружают водный раствор смеси динатриевой соли бисфенола А и фенола, метиленхлорид и водный раствор NaOH; при непрерывном перемешивании и охлаждении (оптимальная температура 20-250C) вводят газообразный фосген. После достижения полной конверсии бисфенола А с образованием олигокарбоната, в котором молярное соотношение концевых групп COCl и ОН должно быть больше 1 (иначе поликонденсация не пойдет), подачу фосгена прекращают.

В реактор добавляют триэтиламин и водный раствор NaOH и при перемешивании осуществляют поликонденсацию олигокарбоната до исчезновения хлорформиатных групп. Полученную реакционную массу разделяют на две фазы: водный раствор солей, отправляемый на утилизацию, и раствор поликарбонатов в метиленхлориде.

Последний отмывают от органических и неорганических примесей (последовательно 1-2%-ным водным раствором NaOH, 1-2%-ным водным раствором H3PO4 и водой), концентрируют, удаляя метиленхлорид, и выделяют поликарбонаты осаждением или посредством перевода из раствора в расплав с помощью высококипящего растворителя, напр. хлорбензола.

Достоинства метода - низкая температура реакции, применение одного органического растворителя, возможность получения поликарбонатов высокой молекулярной массы; недостатки - большой расход воды для промывки полимера и, следовательно, большой объем сточных вод, применение сложных смесителей. Метод межфазной поликонденсации получил наиболее широкое распространение в промышленности.

1.1 Производство листов из поликарбоната

На перерабатывающий завод сырье для поликарбоната (поликарбонатный гранулят) прибывает расфасованным в многослойные влагонепроницаемые мешки. Гранулят взвешивают и загружают для хранения в силоса -- высокие склады с коническим, воронкообразным, дном, через которое сырье легко отбирать. Гранулят может быть бесцветным, белым или цветным.

1.2 Очистка и плавление гранулята