Производство химических волокон (стр. 2 из 8)

3) эластичностью и быстрым исчезновением деформаций, возникающих под воздействием внешних сил;

4) минимальными пластическими (остаточными) деформациями после снятия нагрузки;

5) максимальной устойчивостью к многократным и знакопеременным нагрузкам. Поэтому для производства химических волокон в качестве сырья используют лишь волокнообразующие полимеры, которые состоят из гибких макромолекул линейной или слаборазветвленной формы, обладающих большой молекулярной когезией. Молекулярная масса этих полимеров должна быть более 15 000, а молекулярно-массовое распределение достаточно узким. Кроме того, эти полимеры должны плавиться без разложения, растворяться в доступных растворителях или переводиться в вязкотекучее состояние какими-либо другими способами.

Таблица 1. Сравнительная характеристика физико-механических свойств химических и натуральных волокон

Волокна	Плотность, кг/м³	Равновесная влажность,%	Относительная разрывная нагрузка, МПа	Относительное удлинение при разрыве,%	Устойчивость к многократным изгибам, число циклов	Устойчивость истиранию (при нагрузке 3кПа)	Т_пл, ºС
Капрон
Обычная нить	1140	3.5-3,9	46-51	20-32	25000-28000	1500-2170	196-216
Прочная нить	1140	69-85.5	15-16	16000-30000	1400-2230	196-216
Найлон
Обычная нить	1140	3,3-3,8	39-46	23-32	11000-14000	1000-1040	235-255
Прочная нить	1140	74-79	14-16	27700-34000	3600-4100	235-255
Лавсан
Обычная нить	1380	0.4-0,5	48-62	15-20	9000-12000	1250-1360	235-255
Упрочненная нить	1380	0,4-0,5	69-83	9-12	7200-14000	450-680	235-255
Волокно	1380	41-55	25-40	21000-30000	-	235-255
Хлопок	1520	7,5-9.0	40-60	7-8	-	-	-
Шерсть	1320	13-15	15-20	30-40	-	-	-
Шелк натуральный	1320	11	33-42	20-25	-	-	-

2. Производство капроновых нитей и волокон

Процесс получения капроновых нитей и волокон хорошо изучен и непрерывно развивается. Ассортимент нитей, рассчитанный на удовлетворение потребностей различных отраслей народного хозяйства, включает нити текстильного и технологического назначения.

Существует три способа производства капроновых нитей и волокон:

1) Периодический способ - периодический или непрерывный синтез полимера, периодические процессы экстракции и сушки крошки (гранул), формование комплексных нитей.

2) Непрерывный способ с получением крошки - непрерывный синтез полимера, экстракция и сушка крошки, формование комплексных нитей.

Непрерывный способ с формованием комплексных нитей непосредственно из расплава (непрерывный синтез полимера и формование комплексных нитей непосредственно из расплава).

Первые два способа производства капроновых нитей состоят из одинаковых, технологических стадий, но второй способ выгодно отличается от первого применением непрерывных процессов синтеза полимера, экстракции и сушки крошки, что значительно улучшает технологию производства и повышает качество полимера и нитей.

Третий способ предусматривает совмещение в едином технологическом процессе непрерывного способа получения полимера с формованием нитей из расплава без повторного плавления полимера, при этом коренным образом изменяется технология получения нитей. Непрерывный процесс осуществлен в полном объеме при получении волокон и находит все большее применение в производстве текстильных нитей.

2.1 Синтез капролактама

Капролактам может быть синтезирован из фенола, бензола, анилина, а также из н-бутана, фурфурола, ацетилена, этиленоксида и дивинила.

Рассмотрим пример получения капролактама из фенола:

Получение капролактама из фенола.

При гидрировании фенола (135-160°С) в присутствии никелевого катализатора образуется циклогексанол:

Дегидрированием циклогексанола получают кетон-циклогексанон:

Реакция дегидрирования протекает при атмосферном давлении и температуре 400-450°С в присутствии железо−цинкового катализатора. При взаимодействии циклогексанона с гидроксиламином образуется оксим циклогексанона (циклогексаноксим). Этот процесс называется оксимированием:

Оксимирование проводится при 20°С. В конце процесса при нейтрализации выделяющейся серной кислоты аммиаком температура реакционной массы самопроизвольно повышается до 90°С.

При действии концентрированной серной кислоты оксим циклогексанона изомеризуется в лактам ε−аминокапроновой кислоты (изоксим циклогексанона) происходит перегруппировка атомов в молекуле циклогексаноноксима:

Полученный таким способом капролактам подвергается очистке от примесей экстракцией органическими растворителями (например, трихлорэтиленом) и многократной дистилляции под вакуумом.

Из 1 кг фенола получают 0,65 кг капролактама.

Качество капролактама, применяемого для производства волокна капрон, характеризуется следующими основными показателями:

Внешний вид Белые кристаллы

Молекулярная масса 113,16

Температура, ºС

кристаллизации 68,8-69,0

кипения 262

Перманганатное число

3% -ного водного раствора, с 5000-10000

Содержание летучих оснований

мэкв */кг 0,0-0,6

Окраска 50% -ного водного раствора,

ед. платиновокобальтовой шкалы,

не более 5,0

Содержание,%, не более

Циклогексаноноксима 0,002

Железа 0,00002

Кислотность мэкв/кг, не более 0,2

Щелочность мэкв/кг, не более 0,05

Капролактам поступает на заводы синтетического волокна в полиэтиленовых мешках или в бумажных мешках, помещенных в мешки из прорезиненной ткани. Он транспортируется также в расплавленном состоянии в специальных цистернах, покрытых термоизоляцией и снабженных змеевиком для парового обогрева. При транспортировании расплава капролактама достигается значительный экономический эффект, так как отпадает операция плавления капролактама на заводе - потребителе и исключается загрязнение продукта. Расплавленный лактам может храниться в обогреваемых и изолированных емкостях.

2.2 Синтез поликапроамида

Процесс полимеризации капролактама - превращение циклов в линейные полимеры - называется полиамидированием. Он протекает только при сравнительно высокой температуре и повышенном, нормальном или пониженном давлении в присутствии активатора.

Активаторами могут служить органические или минеральные кислоты, а также вода, соль АГ, аминокапроновая кислота или другие соединения, которые в условиях процесса полиамидирования капролактама способны претерпевать химические превращения с выделением воды.

Кроме перечисленных соединений очень эффективными активаторами являются щелочи и металлический натрий, которые в десятки и сотни, раз сокращают продолжительность реакции полиамидирования. В производственных условиях в качестве активатора процесса полиамидирования капролактама чаще всего применяется вода.

Механизм реакции образования поликапроамида зависит от характера применяемого активатора. В присутствии воды реакция полиамидирования капролактама протекает ступенчато по следующей схеме:

На начальной стадии процесса при взаимодействии капролактама с водой образуется аминокапроновая кислота:

Аминокапроновая кислота соединяется с молекулой капролактама и образуется димер:

Димер взаимодействует еще с одной молекулой капролактама и образуется тример:

Присоединение молекул капролактама происходит до образования поликапроамида:

Реакция полиамидирования капролактама является равновесной и обратимой:

В связи с этим капролактам не полностью превращается в поликапроамид и в полимере всегда содержится некоторое количество мономера и других низкомолекулярных водорастворимых соединений (димера, тримера и капролактама).

Количество и состав низкомолекулярной фракции, содержащейся в поликапроамиде (рис.1), зависит от температурных условий проведения процесса. Например, при 180°С количество низкомолекулярных фракций, состоящих из димера и тримера, достигает 2-3%, а при 250-270°С - уже 10-12%, причем примерно 2/3 составляет мономер и 1/3 - димеры и тримеры капролактама. Низкомолекулярные водорастворимые соединения могут быть удалены из поликапрамида экстракцией горячей водой или отгонкой под вакуумом из расплавленного полимера.

График 1 - Зависимость содержания низкомолекулярных соединений в поликапроамиде от температуры полиамидирования капролактама.

К поликапроамиду, предназначенному для переработки в волокно капрон, предъявляются определенные требования. В частности, он должен иметь достаточно большую молекулярную массу (не ниже 11000) и быть монолитным, т.е. не содержать большого числа пустот и раковин. Кроме того, в полимере не должно быть продуктов окисления (поликапроамид белого цвета).

Важным показателем способности поликапроамида к волокнообразованию является молекулярная масса или степень полиамидирования.