Реферат: Технология поликарбоната

Из силосов по пневмотранспортеру гранулы загружаются в циклон -- устройство вроде центрифуги, предназначенное для очистки сырья от пыли -- любые посторонние примеси могут отрицательно повлиять на качество поликарбонатных листов: ухудшить их прозрачность, цвет или ослабить прочностные характеристики.

Обеспыленные гранулы проходят автоматический дозатор и попадают в бункер -- камеру, где происходит их плавление. Туда же добавляют различные присадки для улучшения свойств смеси и будущих листов, например, для вспенивания или предотвращения конденсации воды на поверхности и внутри ячеек. Можно также придать поверхности листа свойство отталкивать грязь и воду.

Металлическая крошка обеспечит не только благородный оттенок «металлика», но и будет служить как отражатель инфракрасного излучения, то есть не пропускать тепло. Поликарбонатная смесь плавится в бункере и перемешивается, постепенно нагреваясь до 250 градусов Цельсия и превращаясь в однородную массу. Выделяемые при этом газы отводятся наружу.

1.3 Экструзия

Следующий узел производственной линии -- экструдер. Именно в нем формируется соответствующая структура листа -- монолитная или сотовая. Применение экструдера объясняется тем, что поликарбонат даже в жидком состоянии остается высоковязким веществом, и формировать из него ровные листы эффективнее всего путем продавливания (экструзии) через специальную матрицу, или фильеру. Так получается изделие нужного профиля.

Помимо основного процесса экструзии поликарбонатной массы одновременно происходит соэкструзия тонкой пленки, поглощающей ультрафиолетовое излучение. Подобная защита обеспечивает листу неизменность оптических качеств в течение многих лет и сохраняет его превосходную прочность. Затем сформированная поликарбонатная лента попадает под пресс, который придает ей нужную толщину и гладкость, и двигается далее по транспортеру, релаксируя, то есть освобождаясь от испытанных нагрузок.

В следующем разделе будет рассмотрена технологическая схема производства поликарбоната.

2. Технологическая схема и ее описание

Существует множество методов производства поликарбоната, но основными промышленными способами получения 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).

Далее в реферате будет рассмотрен наиболее распространённый, вместе с этим и наиболее дешевый способ получения поликарбоната - межфазная поликонденсация.

2.1 Межфазная поликонденсация

Межфазная поликонденсация представляет собой фосгенирование бисфенолов, используемых в виде натриевой соли, на поверхности раздела фаз в присутствии каталитических количеств третичных органических оснований.

Кроме фосгена, можно использовать дихлоругольные эфиры ароматических диокслсоединений, а также трихлорметиловый эфир хлоругольной к-ты (дифосген), бис-трихлорметилкарбонаты ароматических диоксисоединений. В реакции используют избыток сильной щелочи (NaOH, КОН), так как реакционная среда должна иметь рН > 10. Процесс экзотермичен, поэтому необходимо охлаждение реакционной смеси (оптимальная температура реакции от 20 до 25 °С).

При повышении температуры возрастает скорость гидролиза фосгена и бис-фенольных эфиров хлоругольной кислоты, что приводит к снижению молекулярной массы и выхода поликарбоната. Полимер, обладающий лучшим комплексом свойств, получается при использовании в качестве инертного растворителя метиленхлорида или хлороформа, в которых растворим и фосген, н образующийся поликарбонат. Так как щелочные соли ароматических диоксисоединений легко окисляются в щелочной среде, в реакционную смесь рекомендуется вводить восстановители (дитионат натрия, сульфит натрия и др.).

Процесс осуществляют путем непрерывного перемешивания реакционной смеси в реакторе (рис. 2) при комнатной (или более низкой) температуре. В результате образуется раствор поликарбоната незначительной вязкости. К нему добавляют катализатор (триэтиламин), и перемешивание продолжают до получения вязкого раствора поликарбоната, который разбавляют хлористым метиленом, доводя вязкость до желаемой величины. Органическую фазу отделяют, поликарбонат промывают водой до полного удаления солей и щелочи.

Для удаления электролитов и части воды растворы поликарбонатов можно также охлаждать ниже 0 °С, а затем отфильтровывать соль и лед. Растворы поликарбонатов в органическом растворителе, предварительно высушенные, например, азеотропной отгонкой или осушающими агентами, можно использовать непосредственно для получения пленок или волокон. Необходимая вязкость раствора достигается отгонкой избытка растворителя. Из раствора поликарбонат выделяют осаждением нерастворителем (напр., гептаном); образовавшийся мелкодисперсный порошок отфильтровывают и сушат.

Рисунок 2 - Схема получения поликарбоната методом межфазовой поликонденсации [7]:

1 - реактор, снабженный мешалкой; 2 - флорентийский сосуд; 3 - аппарат для промывки; 4 - флорентийский сосуд для отделения раствора поликарбоната в CH₂Cl₂ от водной фазы; 5 - сушилка.

Метод выделения осаждением может быть применен только для хорошо кристаллизующихся поликарбонатов. Полимеры с низкой способностью к кристаллизации при добавлении осадителя образуют стойкие эмульсии, из которых выделить поликарбонат очень трудно.

Для получения поликарбоната высокой молекулярной массы в качестве катализаторов могут быть использованы третичные амины или четвертичные аммониевые основания, способные претерпевать перегруппировку Стивенса и превращаться в третичные амины, а также четвертичные фосфониевые, арсониевые и третичные сульфониевые соединения. Оптимальное количество катализатора определяется реакционной способностью исходных диоксисоединений (от 2 до 3 % от количества исходного бисфенола). Триэтиламин (или другой третичный амин) образует с дифенолом или гидроксильной группой олнгомера комплекс, который переходит в органическую фазу:

Нуклеофильная атака фосгена комплексом приводит к разрушению последнего и образованию повой связи за счет свободной пары электронов кислородного атома дифенола по схемам:

I)

II)

Приведенный выше механизм действует на начальной стадии реакции образования поликарбоната. При более глубоких степенях превращения роль катализатора сводится к следующему: в ходе образования поликарбоната происходит частичный гидролиз концевых хлорформиатных групп и превращение их в менее активные группы -ОСООН, которые очень медленно взаимодействуют с группами NaOAr- и значительно легче с катализатором (третичным амином), находящимся в гидратной или основной форме:

Образующаяся соль взаимодействует с негидролнзовавшимися хлорформиатными группами другой полимерной или олнгомерной молекулы:

Ангидридоэфнрная группа угольной к-ты стабилизируется, превращаясь в эфирную группу с элиминированием СО₂:

Образующийся хлоргидрат третичного амина переходит в водную фазу, где под действием щелочи превращается в основание, способное к дальнейшим превращениям:

Таким образом, в присутствии третичного амина частичный гидролиз хлорформиатных групп не приводит к прекращению роста полимерной цепи, а способствует образованию более высокомолекулярного полимера. При содержании катализатора, меньшем оптимального группы -ОСООН образуются с более высокой скоростью, чем группы OCOONHR₃ взаимодействуют с хлорформиатными. Это приводит к накоплению в системе групп -ОСООН. После израсходования всех хлорформиатных групп на обоих концах макромолекул будут находиться нереакционноспособные группы -ОСООН. гранулят синтез экструзия поликарбонат

При большом избытке катализатора ускоряется гидролиз хлорформиатных групп, в результате чего повышается основность среды, и, следовательно, группы -ОСООН будут образовываться быстрее, чем расходоваться в реакциях с катализатором и хлорформиатными группами.

Гидролиз хлорформиатных концевых групп в макромолекулах поликарбонатов, полученных в присутствии третичных аминов, протекает достаточно быстро. При получении поликарбонатов в отсутствие третичного амина для завершения гидролиза необходима дополнительная выдержка реакционной смеси в щелочной среде.

При использовании в качестве катализаторов третичных аминов и четвертичных аммониевых оснований межфазную поликонденсацию можно проводить по непрерывному методу. Преимущество данного процесса - низкая температура реакции (25 °С), применение только одного органического растворителя и возможность получения поликарбонатов высокой молекулярной массы. Недостатки - необходимость промывания раствора полимера очень большим количеством воды для полного удаления из него электролитов и использование для этого смесителей с сигмаобразными лопастями.

Таблица 2 - Расход основного вида сырья при производстве поликарбоната [8]

3. Экология в процессе производства поликарбоната

Основным химическим элементом, который входит в состав поликарбоната, является углерод. Получают его путем органического синтеза, он не содержит токсичных веществ и солей тяжелых металлов. Также поликарбонат характеризуется инертностью, а это значит, что он не вступает в реакцию с водой и другими веществами [9].

Даже при сильном нагреве не происходит образование и выделение токсинов. По европейской классификации полимер относится к трудновоспламеняемым веществам класса В1. Во время пожара он не воспламеняется, а плавится, образуя волокна. В структуре материала образуются отверстия, сквозь которые из помещения могут удаляться вредные продукты сгорания и поступать воздух. При использовании в качестве перегородок в помещении этот материал может локализовать пожар и стать препятствием к его распространению [10].

Высокая ударопрочность поликарбоната также является составляющей его безопасности. В зависимости от толщины лист способен выдержать удар молотом и даже выстрел из огнестрельного оружия. При сильном воздействии он не рассыпается на многочисленные мелкие осколки, риск пораниться, находясь вблизи, практически отсутствует. Поэтому полимер часто используют для изготовления спортивных шлемов и щитов для работников силовых структур.

При использовании прозрачных панелей, также возникает вопрос о вредном воздействии ультрафиолетового излучения на человека и растения. Для устройства светопрозрачных крыш, строительства оранжерей и теплиц используется материал со специальной защитой от УФ-лучей. Надежные производители применяют технологию нанесения соэкструзионного слоя, толщина которого строго выдерживается. В результате этого вредное излучение эффективно задерживается, создается оптимальный микроклимат.

Таким образом, можно сделать общий вывод, что поликарбонат, произведенный из качественного сырья с точным соблюдением технологии, не представляет потенциальной опасности для здоровья человека и не оказывает вредного воздействия на окружающую среду.

В число его преимущественных характеристик входит:

· экологическая чистота;

· негорючесть;

· безопасность при пожаре и механическом повреждении;

· способность задерживать ультрафиолетовые лучи.

Благодаря таким свойствам, поликарбонат широко используется:

· при строительстве и отделке эко - домов;

· при производстве товаров медицинского назначения;

· при изготовлении посуды и кухонной техники.

Заключение

Десять лет назад строения из поликарбоната вызывали удивление в России, на данный момент люди научились создавать искусственные полимеры, чем значительно расширили возможности строительства, производства и быта. Мы каждый день сталкиваемся с искусственными полимерами в нашей повседневной жизни. Благодаря своим ценным свойствам полимеры применяются в современном мире в машиностроении, текстильной промышленности, сельском хозяйстве и медицине, автомобиле- и судостроении, в быту [4].

Поликарбонат появился в мире всего несколько десятков лет назад, а на сегодняшний день его использование в различных сферах нашей жизни достигло максимальных размеров. Благодаря своим уникальным свойствам поликарбонат в строительстве стал очень популярным, а в последнее десятилетие наблюдается настоящий бум применения этого материала, возможно можно будет самостоятельно собирать мебель для дома и дачи. На данный момент ключевой областью, определяющей перспективы применения поликарбоната, считается остекление автомобилей, так как широкое внедрение поликарбоната для этой цели приведет к значительному росту объемов его потребления.