книги из ГПНТБ / Фурмер, И. Э. Общая химическая технология учеб. пособие

Ф о р м о в а н и е в о л о к н а , или п р я д е н и е , заклю­ чается в вытягивании нити из раствора или расплава полимера. С этой целью раствор или расплав продавливают через очень маленькие от­ верстия фильеры (рис. 93). Тонкие струйки раствора или расплава, выходящие через отверстия фильеры, обрабатывают химическими реагентами или охлаждают, в результате чего они твердеют и превра­ щаются в нити.

Фильеры устанавливают на прядильной машине. Каждая машина снабжена 60—100 фильерами. Существуют два способа формования волокна — мокрый и сухой.

М о к р ы й с п о с о б используется в случае прядения волокна из раствора (рис. 94). Прядильный раствор, подаваемый прядильным

насосом 1, проходит фильтр 2, стеклянную трубку 3, продавливается через отверстия фильеры 5 и попадает в раствор, находящийся в оса­ дительной ванне 6. Выдавливаемые через фильеру струйки прядиль­ ного раствора реагируют с раствором осадительной ванны 6 с образо­ ванием нитей волокна, которые наматываются на бобину 4. Мокрый способ используют для изготовления искусственных волокон — вискоз­ ного и медноаммиачного и иногда синтетических волокон.

волокна из раствора (рис. 95) нагретый раствор полимера проходит через прядильную головку 1 и фильеру 2 и попадает в виде тонких струек в шахту прядильной машины 3, в которую подается нагретый воздух. Снаружи шахта обогревается горячей водой, и таким образом

250

в шахте поддерживается температура порядка 80° С. При этой темпе­ ратуре происходит испарение растворителя, и струйки прядильного раствора, затвердевая, образуют пучок волокон 4, которые в нижней части шахты соединяются вместе в нить 5 и наматываются на бобину 6. Сухой способ применяют для получения искусственных волокон, на­ пример ацетатного, а также некоторых синтетических волокон.

5 — нить, 6 — бобина

При формовании волокна из расплава (рис. 96) смолу в виде крошки подают на обогреваемую решетку 1, где она расплавляется. Затем расплав насосом 2 продавливается через фильеру 3. Пучок волокон 4 попадает в шахту 5, где он охлаждается воздухом. Волокна в шахте 5 затвердевают, собираются в нить 6 и наматываются на боби­ ну 7. Сухой способ используют для формования синтетических воло­ кон — капрона, нейлона и др.

251

все волокна подвергают обработке жиросодержащими растворами для облегчения их переработки в процессах ткачества, вязания и др.

§ 76. Производство искусственных волокон

Производство вискозного волокна. Сырьем для этого процесса слу­ жит целлюлоза. Первая стадия процесса заключается в получении прядильного раствора. Для этого целлюлозу прежде всего обрабаты­ вают 18—20%-ным раствором едкого натра. При этом протекает реак­ ция образования щелочной целлюлозы:

Щелочную целлюлозу отжимают от раствора щелочи, выдерживают 12—24 ч при 2 0 —2 2 ° С и обрабатывают сероуглеродом CS2. При этом происходит образование ксантогената целлюлозы:

Ксантогенат целлюлозы растворяют в 4—7%-ном растворе едкого натра при 25—30° С и получают прядильный раствор, из которого примеси отделяют фильтрованием. Раствор некоторое время выдержи­ вают и передают на формование вискозного волокна.

Формование вискозного волокна производится мокрым спосо­ бом. Прядильный раствор проходит через отверстия фильеры, погру­ женные в осадильные ванны с водным раствором серной кислоты, суль­ фата натрия и сульфата цинка. Струйки ксантогената целлюлозы из отверстий фильеры попадают в ванну, и при этом происходит коа­ гуляция (свертывание) и разложение ксантогената целлюлозы с об­ разованием вискозного волокна. Волокно в самой ванне или после выхода из нее вытягивают и наматывают на бобины.

Вискозное волокно устойчиво к действию органических раство­ рителей, выдерживает температуру 100—120° С. Недостаток вискоз­ ного волокна заключается в значительной потере прочности в мокром состоянии и малой стойкости в щелочах.

Производство ацетатного волокна. Ацетатное волокно формуют сухим методом из растворов ацетилцеллюлозы в смеси ацетона со спиртом. Раствор продавливается через отверстия фильеры в шахту формовочной машины, в которую подают воздух с температурой

55—70° С.

Ацетатное волокно обладает большой эластичностью и меньше теряет прочность в мокром состоянии, чем вискозное. Ацетатное во­ локно — хороший электроизолятор.

252

§ 77. Производство синтетических волокон

Синтетические волокна обладают самыми разнообразными свойст­ вами. Одни из них легко растворяются в воде, другие не поглоща­ ют влагу и не набухают. Они имеют высокую прочность, химиче­

промышленностью, непрерывно возрастает. Большую группу синте­ тических волокон представляют полиамидные волокна — капрон, ней­ лон, энант.

В о л о к н о к а п р о н получают из смолы капрон, которую производят из капролактама. Превращение капролактама в смолу — полимеризация производится в автоклаве при температуре 250° С и давлении около 15 am в среде азота. Расплавленная смола выдавли­ вается из автоклава азотом в виде узкой ленты, которая затем засты­ вает и подвергается дроблению. Крошка, получаемая при дроблении, промывается водой, сушится и поступает на формование волокна.

Формуют волокно капрон сухим способом из расплава. Волокно вытягивают, промывают и сушат.

Волокно капрон обладает высокой устойчивостью к истиранию и прочностью, эластичностью, устойчивостью к действию щело­ чей. Из волокна капрон изготавливают ткани для одежды, техниче­ ские ткани (фильтровальные, корды и др.), трикотажные изделия, электроизоляционные материалы и др.

В о л о к н о н е й л о н получают из смолы нейлон, синтези­ руемой поликонденсацией адипиновой кислоты НООС—(СН2)8—СООН с гексаметилендиамином H2 N(CH2 )6 NH2. Прядение волокна нейлон производится из расплава сухим способом.

Нейлон отличается от капрона более высокой температурой плав­ ления. Физико-химические показатели и области применения нейлона аналогичны показателям и областям применения капрона.

В о л о к н о э н а н т получают из смолы энант, которую синте­ зируют поликонденсацией аминоэнантовой кислоты H 2 N(CH2 )eCOOH. Формуют волокно сухим способом из расплава.

Волокно энант не уступает капрону, а по ряду свойств превосхо­ дит его. Оно обладает большей свето- и термостойкостью, чем волокно капрон. Применение его аналогично волокну капрон.

В о л о к н о л а в с а н относится к полиэфирным волокнам. Его изготовляют из смолы лавсан, получаемой поликонденсацией диметилового эфира терефталевой кислоты Н 3 СООС(СвН4 )СООСН3 с этиленгликолем НОСН2 СН2 ОН.

Волокно лавсан формуют из расплава сухим способом. Эго волок­ но по теплопроводности аналогично шерсти, не боится влаги, обла­ дает высоким сопротивлением к вытягиванию, по своей термостойко­ сти превосходит большинство синтетических волокон.

Волокно лавсан используют для изготовления тканей, трикотаж­ ных изделий, для производства фильтров, кордных и электроизоля­ ционных материалов, транспортерных лент и др.

253

В о л о к н о х л о р и н — поливинилхлоридное волокно получают из смолы хлорин — хлорированного поливинилхлорида.

Формуют волокно из растворов сухим и мокрым способами. Сухое формование производится из раствора смолы в смеси ацетона с бензо* лом, мокрое — из раствора в диметилформамиде и тетрагидрофуране. Для снижения вязкости растворов их продавливают через фильеры при повышенной температуре.

Волокно хлорин, отличающееся высокой химической стойкостью, используют для изготовления фильтровальных тканей и других ма­ териалов для химической промышленности, изготовления рыболовных снастей и др.

В о л о к н о н и т р о н — полиакриловое волокно формуют из полимеров, получаемых на основе акрилонитрила CH2-CHCN или его

не теряет прочности во влажной среде, не подвергается гниению, но имеет низкую гигроскопичность и сравнительно плохо окрашивает­ ся. Пряжу из полиакриловых волокон применяют для изготовления трикотажных изделий, фильтровальных, обивочных и других тканей, парусов, канатов и т. п.

Замечательные свойства химических волокон, возможность полу­ чения с заранее заданными свойствами обусловили бурное развитие

3.Что понимают под сухим и мокрым формованием волокна из раствора?

4.В чем заключается процесс получения вискозного волокна?

5.Какие синтетические волокна вам известны? Каковы их свойства?

Г Л А В А XX

ТЕХНОЛОГИЯ КАУЧУКА И РЕЗИНЫ

К а у ч у к —это эластичные высокомолекулярные соединения, ко­ торые изменяют форму под влиянием внешних сил и принимают на­ чальную форму, если действие этих сил устранено. Способность каучуков изменять форму объясняется тем, что макромолекулы каучу­ ка находятся в свернутом состоянии, в виде спиралей. При растяже­ нии они в значительной мере распрямляются, а при снятии растяги­ вающей нагрузки вновь самопроизвольно свертываются.

Каучуки известны давно. Долгое время не удавалось использо­ вать их замечательные свойства — способность значительно удлинять­

254

ся при растяжении и сокращаться при сжатии, эластичность, гибкость. Это объяснялось тем, что изделия из каучука быстро теряли форму и

•большинство своих денных качеств. Только с открытием способа вулканизации каучуков, позволившего получать из каучука резину, в которой эластичность и упругость каучуков сочетаются с хорошей механической прочностью, теплостойкостью и хладостойкостью, эти продукты начали широко использовать во многих областях промыш­ ленности.

В чем состоит процесс вулканизации? Как указывалось выше, молекулы каучука представляют собой спирали, способные расши­ ряться и сжиматься под действием внешних усилий. В то же время силы взаимодействия между отдельными полимерными цепями кау­ чука очень малы и молекулы обладают способностью сдвигаться отно­ сительно друг друга, особенно при нагревании. Задача вулканизации заключается в том, чтобы скрепить молекулы друг с другом и тем са­ мым устранить их подвижность. Вулканизирующим агентом служит сера. Она соединяет цепи макромолекул каучука, образуя между ними «мостики». Например, при вулканизации каучука, макромолекулы которого имеют линейную структуру:

---- сн2—с=сн—сн2—сн2—с=сн—сн2----

образуются макромолекулы сетчатой структуры с серными «мостика­ ми» между макромолекулами:

Вулканизированный каучук в сочетании с наполнителями, напри­ мер сажей, называется р е з и н о й ; она обладает механической проч­ ностью, устойчивостью к нагреванию, действию растворителей и дру­ гих реагентов.

Резина широко используется для изготовления автомобильных и авиационных шин, приводных ремней, транспортерных лент, гибких шлангов, деталей машин, электроизоляционных материалов, резино­ вых тканей, обуви, предметов санитарии и гигиены и т. д.

255

среди которых основное промышленное значение имеет бразильская гевея. В настоящее время натуральный каучук в основном добывается на плантациях, расположенных на островах Юго-Восточной Азии.

Натуральный каучук добывают следующим образом: на коре ге­ веи делают надрез — подсочку; из надреза вытекает млечный сок — латекс, в котором содержится 20—35% каучукового вещества. Это вещество представляет собой высокомолекулярный полимер изоп­ рена СН2= С —СН=СН 2. Таким образом, макромолекула натураль-

СН3

ного каучука состоит из элементарных звеньев:

Для выделения каучука к латексу добавляют уксусную или му­ равьиную кислоту. При этом частицы каучука (глобулы) свертывают­ ся — происходит к о а г у л я ц и я и выделение его в виде рыхлого объемистого сгустка. Каучук отфильтровывают, промывают водой и пропускают через валки с рифленой поверхностью.

Резина из натурального каучука обладает высокой механической прочностью и эластичностью в широком интервале температур.

§ 79. Синтетические каучуки

Возрастающий спрос на каучук и зависимость многих государств от стран, производящих натуральный каучук, поставили перед уче­

чук были безуспешными.

Подлинной родиной синтетических каучуков является Советский Союз, где в 1928 г. академик С. В. Лебедев получил полимеризацией бутадиена (дивинила) бутадиеновый каучук. В 1932 г. был осуществлен

лучают полимеризацией бутадиена.

Бутадиен СН2=С Н —СН =СН 2 в начале развития производства кау­ чука получали из этилового спирта (см. стр. 199), который производили из пищевых продуктов — зерна, картофеля и др. В настоящее время этиловый спирт синтезируют из этилена (см. стр. 204).

Представляет значительный интерес производство бутадиена дегид­ рированием бутана (см. стр. 199), содержащегося, как и этилен, в про­ дуктах переработки нефти и природного газа. Таким образом, основным сырьем для получения СКБ являются нефть и природные газы.

Бутадиеновый каучук получают в автоклаве периодического дей­ ствия (рис. 97), закрытом крышкой 3, в который через штуцер 2 за­ гружают жидкий или газообразный бутадиен. Полимеризация проис­ ходит в массе при температуре 30—40° С и давлении 9— 10 am в присут­

256

ствии катализатора — стержней металлического натрия. В рубашку автоклава 1 в начале процесса подают пар для ускорения полимери­ зации, а затем воду для отвода тепла, выделяющегося при реакции. По окончании полимеризации давление в автоклаве снижают. При этом удаляются непрореагировавший бутадиен и другие газообразные продукты. Каучук в виде блока выгружают из аппарата в атмосфере азота.

Резина, изготовленная из бутадиенового каучука, уступает по проч­ ности, эластичности и износоустойчивости резине, полученной из

2 J

Рис. 97. Автоклав:

/ — рубашка, 2 — штуцер, 3 — крышка

натурального каучука. СКВ используют для изготовления автомо­

Полимеризацию осуществляют эмульсионным методом при тем­ пературе от 5 до 50° С. Вначале бутадиен и стирол смешивают с водой и эмульгатором (канифольное мыло и др.) и проводят предварительное эмульгирование. Эмульсия вместе с раствором инициатора (гидропе­

257

рекись изопропилбензола) проходит последовательно через батарею полимеризаторов, состоящую из 12 аппаратов. Полимеризатор — стальной аппарат емкостью 12—20 м3 с мешалками, футерованный внутри. За время прохождения эмульсией батареи полимеризаторов примерно 60% исходных мономеров превращается в полимеры. Таким образом получают латекс, из которого отделяют непрореагировавшие мономеры и другие примеси. Затем к латексу добавляют коагулянты (поваренную соль NaCl или хлористый кальций СаС12, серную кисло­ ту H2S04 или уксусную кислоту СН3СООН), в присутствии которых каучук свертывается — коагулирует. Его отделяют от раствора, про­ мывают, сушат, формуют в виде лент и свертывают в рулоны. Чтобы каучук не склеивался в рулоне, ленты каучука припудривают таль­ ком.

Бутадиенстирольный каучук применяют для изготовления шин,

лимеры бутадиена и нитрила акриловой кислоты (CH2=CHCN), имею­ щие формулу

Сополимеризация осуществляется в водной эмульсии.

Эти каучуки отличаются высокой масло- и бензостойкостью. Их

присутствии катализатора (лития или комплексных металлорганических соединений). По своей структуре синтетический изопреновый каучук близок к натуральному, поэтому по многим свойствам он при­ ближается к натуральному, вместе с тем уступая ему в эластичности.

Полимеризацию хлоропрена осуществляют преимущественно эмуль­ сионным методом при температуре около 40° С. В качестве эмульга­ тора используют канифольное мыло и др.

Хлоропреновый каучук негорюч, устойчив к действию химических реагентов и масел. Он обладает повышенной тепло- и светостойкостью. Недостатком хлоропренового каучука является пониженная моро­ зоустойчивость.

258

той структуры, используют окислы цинка, ртути и других металлов. Этот каучук применяют в кабельной промышленности в качестве

антикоррозийного покрытия, для изготовления клеев. Макромолекулы к р е м н и й о р г а н и ч е с к и х к а у ч у к о в

(силоксановых) состоят из характерных для кремнийорганических полимеров цепочек:

является высокая термостойкость и эластичность. Кремнийорганические каучуки не изменяют своих свойств в интервале температур от —60 до +300° С, водостойки, обладают электроизоляционными свой­ ствами, не растворяются в масле, бензине и других растворителях.

Кремнийорганические каучуки используют для изготовления жаро­ упорных прокладок, клапанов, мембран, в качестве электроизоля­ торов и других изделий, работающих в условиях высоких и низких температур.

Ф т о р к а у ч у к и получают из фторпроизводных этилена. Наи­ большее применение нашли каучуки, получаемые сополимеризацией трифторхлорэтилена CF2=CFC1 с винилиденфторидом CF2=C H 2.

Фторкаучуки отличают высокие термо- и химическая стойкость, механическая прочность. В связи с высокой стоимостью фторкаучу­ ки производят в ограниченных количествах.

С и н т е т и ч е с к и е л а т е к с ы обычно содержат 20—33% каучука. Их используют для пропитки шинного корда, ряда техни­ ческих изделий, пропитки и покрытия бумаги в кожевенном производ­ стве и т. д.

§80. Производство резины

ирезиновых изделий

Изготовление резиновых изделий. Процесс состоит из трех основ­ ных стадий: приготовления сырой резиновой смеси, формования изде­ лий и их вулканизации. В состав резиновых смесей входят, помимо каучука, являющегося основой смеси, другие органические и неорга­ нические вещества, называемые и н г р е д и е н т а м и . Подбор и количество ингредиентов в смеси зависят от качества исходного кау­ чука и требуемых свойств получаемых разиновых изделий.

Обычно в состав сырой резиновой смеси входят следующие вещест­ ва: каучук, вулканизатор (сера и др.), ускорители вулканизации (дифенилгуанидин и др.), пластификаторы, или мягчители (жирные кис­ лоты, вазелин, сосновая смола, парафин и др.), противостарители (фенолы, фенил-[3-нафтиламин и др.), наполнители (сажа, двуокись кремния Si02, цинковые белила ZnO, каолин и др.), красители.

259