35. Производство искусственного и синтетического волокна, пластических материалов.

В производстве различных типов химических волокон, как из природных полимеров, так и из смол, имеется много общего, хотя каждый метод обладает своими характерными особенностями.

Принципиальные схемы производства химических волокон независимо от исходного сырья делится на четыре стадии.

1. Получение исходного материала (полупродукта). В том случае, если сырьем являются природные ВМС, то их предварительно необходимо очистить от примесей. Для синтетических волокон – это синтез полимеров – получение смолы. При всем многообразии исходных полимерных материалов к ним предъявляются следующие общие требования, обеспечивающие возможность формования волокна и достаточную прочность его:

– линейное строение молекул, позволяющее растворять или плавить исходный материал для формования волокна и ориентировать молекулы в волокне;

– ограниченный молекулярный вес, так как при малой величине молекулы не достигается прочность волокна, а при слишком большой возникают трудности при формовании волокна из-за малой подвижности молекул;

– полимер должен быть чистым, так как примеси снижают прочность волокна.

2. Приготовление прядильной массы. Не все природные и синтетические материалы могут служить основой для производства волокна. Получение вязких концентрированных растворов - высокополимеров в доступных растворителях или перевод смолы в расплавленное состояние – обязательное условие для осуществления процесс прядения. Только в растворе или в расплавленном состоянии могут быть созданы условия, позволяющие снизить энергию взаимодействия макромолекул и после преодоления межмолекулярных связей ориентировать молекулы вдоль оси будущего волокна.

3.Формование волокна является самой ответственной операцией и заключается в том, что прядильная масса подается в фильеру (нитеобразователь), имеющую большое число мельчайших отверстий в донышке в зависимости от метода формования. Пучки тонких волокон, образовавшихся из струек, через ряд направляющих приспособлений непрерывно отводятся в приемное устройство и затем вытягиваются наматывающими приспособлениями: бобиной, роликом, центрифугой. В ходе формования линейные макромолекулы ориентируются вдоль оси волокна. Изменяя условия формования и вытяжки можно получить разные свойства волокна.

4.Отделка заключается в придании волокну различных свойств, необходимых для дальнейшей переработки. Для этого волокна очищают тщательной промывкой от всяких примесей. Кроме того, волокно отбеливается, в некоторых случаях окрашивается и ему сообщается обработкой мыльным или жиросодержащим раствором большая скользкость, что улучшает его способность перерабатываться на текстильных предприятиях.

Вискозный метод производства искусственного волокна из целлюлозы является наиболее широко применяемым способом. Выпуск вискозных волокон в виде шелка, корда и штапеля составляет примерно 76% всех химических волокон.

Для подготовки прядильного раствора целлюлоза с влажностью 5-6% в виде листов размером 600 *800 мм обрабатывается 18-20% раствором едкого натра (процесс мерсеризации). При этом целлюлоза, впитывая раствор едкого натра, сильно набухает. Из нее вымывается большая часть гемицеллюлозы, частично разрушаются межмолекулярные связи и в результате образуется новое химическое соединение – щелочная целлюлоза.

Из вискозы, кроме шелка и штапеля, получают целлофан, корд, каракуль, искусственный волос и укупорку для бутылок.

При взаимодействии целлюлозы с уксусным ангидридом в присутствии уксусной кислоты и в качестве катализатора серной или хлорной кислоты образуется уксуснокислый эфир целлюлозы, а из него ацетатное волокно. Полиамидное волокно - капрон получается из смолы капрон, исходным сырьем для которой является капролактам. Последний вырабатывается в виде белого порошка из фенола, бензола или циклогексана.

Современные способы формования нитей также заключаются в продавливании исходных растворов или расплавов полимеров через тончайшие отверстия фильер. Несмотря на некоторые различия в получении химических волокон и нитей разных видов, общая схема их производства состоит из следующих основных этапов:

- Получение сырья и его предварительная обработка

- Приготовление прядильного раствора (расплава)

- Формование волокна

- Вытягивание и термообработка волокна

- Отделка сформованного волокна

Получение сырья и его предварительная обработка.

Сырье для синтетических волокон получают путем реакций синтеза (полимеризации и поликонденсации) полимеров из простых веществ (мономеров) на предприятиях химической промышленности. Предварительной обработки это сырье не требует.

Полимеризация - процесс получения полимеров путём последовательного присоединения молекул низкомолекулярного вещества (мономера) к активному центру на конце растущей цепи. Молекула мономера, входя в состав цепи, образует её мономерное зерно. Число таких звеньев в макромолекуле называется степенью полимеризации.

Раствор или расплав полимера, из которого формируются нити, называется прядильным раствором.

При изготовлении синтетических волокон необходимо из исходного твердого полимера получить длинные тонкие нити с продольной ориентацией макромолекул, т.е. нужно переориентировать макромолекулы полимера. Для этого переводят исходный полимер в вязкотекучее состояние (раствор или расплав). В жидком (раствор) или размягченном (расплав) состоянии нарушается межмолекулярное взаимодействие, увеличивается расстояние между молекулами и появляется возможность их свободного перемещения относительно друг друга.

Растворение полимера осуществляют для полимеров, имеющих дешевый и доступный растворитель. Растворы используются для полиакрилонитрильных, поливинилспиртовых, поливинилхлоридных волокон.

Пластическими массами называют материалы, содержащие в ка­честве основного компонента высокомолекулярные смолы, способ­ные при повышенных температурах и давлении переходить в пла­стическое состояние, формоваться под действием внешних сил и сохранять форму при эксплуатации. Многие пластмассы представ­ляют собой композиционные материалы, в состав которых кроме связующей смолы (или смол) входят наполнители, пластификато­ры, стабилизаторы, смазывающие вещества, пигменты и красите­ли, отверждающие добавки. Каждый из этих компонентов придает пластмассе определенные свойства.

Связующая смола, обладающая в процессе переработки текучестью и вязкостью, обусловливает сцепление компонентов в способную формоваться массу, переходящую через короткий про­межуток времени в твердое состояние. Применяемые смолы раз­личают по ряду признаков. По происхождению их делят на при­родные и синтетические. Последние составляют свыше 90% всех смол, применяемых в производстве пластмасс. По способу полу­чения различают полимеризационные и поликонденсационные смолы. По свойствам и зависящим от них способам переработки в изделия смолы делят на термопластичные и термоактивные. Со­держание смолы в композиции обычно составляет 40—50%. Мно­гие полимеризационные пластмассы состоят почти целиком из смолы и не содержат наполнителей.

Наполнители являются важным компонентом смеси; они придают пластмассе ценные эксплуатационные свойства — проч­ность, термостойкость и пр., а также снижают стоимость пласт­массовых изделий. В качестве наполнителей обычно применяют дешевые, доступные органические и неорганические материалы в виде порошков, волокон, слоистых материалов: древесную муку, сажу, целлюлозу, текстильные очесы, стекловолокно, бумагу, ас­бест, графит, слюду. Волокнообразные наполнители (хлопковый линтер, стеклянное волокно) обеспечивают высокие прочностные свойства: графит повышает антифрикционные свойства; асбест и слюда обусловливают повышенную термостойкость. Наполнители составляют до 60 масс. % пластмассы.

Пластификаторы — вещества, совмещающиеся со смолой (совместимость — это способность смолы растворяться в пласти­фикаторе), снижающие температуру перехода смолы в текучее пластическое состояние и тем самым облегчающие переработку в изделия. Пластификаторы также влияют на механические свой­ства материалов и повышают долговечность изделий из пластмасс. Увеличение количества пластификатора понижает прочность поли­мера на растяжение и сжатие, но при этом резко повышаются прочность на удар и способность к растяжению. В качестве пласти­фикаторов применяют высококипящие жидкие, реже твердые ве­щества, такие, как фталаты, алкил- и арилфосфаты и др.

Смазывающие вещества вводят в композицию для облегчения выталкивания готовых изделий из прессформы (пре­дупреждения прилипания), к таким относят соли стеариновой кис­лоты, воски.

Отверждающие вещества способствуют переходу смо­лы в неплавкое и нерастворимое (отвержденное) состояние. Сущ­ность отверждения заключается в сшивке линейных цепей макро­молекулы в трехмерную форму с поперечными связями. В каче­стве отвердителей применяют полиамины и другие вещества в за­висимости от природы исходной смолы.

Пластические массы представляют собой материалы с комплек­сом ценных свойств, позволяющих решать и сложные задачи современной техники, и обеспечение обилия товаров бытового на­значения. Пластмассы сочетают в себе низкую плотность (900—1900 кг/м³, а у пенопластов до 100 кг/м³) с высокой механической прочностью; они также прекрасные диэлектрики, устойчивы к дей­ствию агрессивных сред, имеют низкую тепло- и звукопроводность. Имеются пластмассы, обладающие малым коэффициентом трения (антифрикционные материалы), и пластмассы с высокими фрик­ционными свойствами. Существенное достоинство пластмасс — это простота переработки их в изделия с высоким коэффициентом ис­пользования материала — до 0,90—0,95 (для металлов 0,5—0,6). Однако пластмассы имеют некоторые специфические недостатки, ограничивающие области их применения. Наиболее существенный недостаток — низкая термостойкость. У большинства пластмасс рабочая температура 60—150°С, выше которой они деформируют­ся, теряют прочностные свойства (увеличивается процент удлине­ния, рис. 1). Потеря прочности связана также с их склонно­стью к старению под действием света, окислителей, агрессивных сред.