Учебная работа. Физика полимеров

1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Пока оценок нет)
Загрузка...

Физика полимеров

Содержание

1. химическое и
техническое название исходного полимера (гидратцеллюлозные (вискозные,
полинозные, высокопрочные)) 2

2.
Исходное сырье (название и техническая формула) 3

3.
краткая характеристика метода синтеза полимера и технических способов его
осуществления. 5

4.
Физико-химические свойства полимера. 10

5.
другие свойства полимера. 12

6.
Применение полимера в производстве одежды и обуви. 13

1. Химическое и техническое название исходного полимера
(гидратцеллюлозные (вискозные, полинозные,
высокопрочные))

Гидратцеллюлозные волокна включают вискозные, полинозные,
медоно

химическое название полимера – гидрат целлюлозы,
гидроцеллюлоза.

Гидрат целлюлозы — структурная модификация целлюлозы,
образующаяся при осаждении целлюлозы из раствора или при размоле.

Техническое название – вискозные и полинозные волокна.

Вискозные волокна — волокна, получаемые химической
переработкой природной целлюлозы. В зависимости от назначения В. в. производят
в виде текстильных и кордных нитей, а также штапельного волокна. Производство
В. в. складывается из следующих основных технологических операций: получения
прядильного раствора (вискозы), формования нитей по мокрому методу, отделки и
сушки.

Полинозные волокна, разновидность вискозных волокон,
близких по свойствам хлопковым. Полинозные волокна, как и обычные вискозные
волокна, формуют из вискозы по мокрому методу. Однако технологические режимы
получения этих двух типов волокон существенно различаются. В производстве
полинозных волокон свежесформованное волокно находится в гелеобразном состоянии
и состоит из ксатогената целлюлозы высокой степени этерификации, что позволяет
подвергать волокно значительно большей пластификационной вытяжке.

Медноаммиачные волокна, один из видов искусственных
целлюлозных волокон, формуют их по «мокрому» методу в воду или раствор щёлочи.
Прядильный раствор готовят действием на целлюлозу водного раствора
куприаммингидрата [Сu(NH3)n](OH)2. Штапельные медноаммиачные волокна применяют
в основном для производства ковров и сукна, тонкие текстильные нити (толщина 5
— 10 текс) — для выработки трикотажных изделий, лёгких тканей.

2.
Исходное сырье (название и техническая формула)

исходным сырьем гидрата целлюлозы служит сама целлюлоза.

Целлюлоза – один из самых распространенных природных
полимеров, получаемый в промышленности очисткой волокон растительных тканей
(древесина, хлопок) от нецеллюлозных. Неограниченная сырьевая база, низкая
стоимость материалов, получаемых на основе целлюлозы и их ценные специфические
свойства обуславливают целесообразность использования целлюлозы наряду с
синтетическими полимерами в химическом производстве.

Молекулярная формула целлюлозы (-C6H10O5-)n, как и у
крахмала. Целлюлоза тоже является природным полимером.

Макромолекулы целлюлозы – линейные неразветвленные цепи,
построенные из большого числа остатков D-глюкопиранозы (ангидроглюкозных
звеньев), соединенных между собой 1,4-β-глюкозидными связями (ацетальными
связями):

Полимерные цепи целлюлозы упакованы в длинные пучки, или
волокна, в которых наряду с упорядоченными, кристаллическими имеются и менее
упорядоченные, аморфные участки.

Измеренный процент кристалличности зависит от типа
целлюлозы, а также от способа измерения. По рентгеновским данным, он составляет
от 70% (хлопок) до 38–40% (вискозное волокно). Рентгенографический структурный
анализ дает информацию не только о количественном соотношении между
кристаллическим и аморфным материалом в полимере, но и о степени ориентации
волокна, вызываемой растяжением или нормальными процессами роста. Резкость
дифракционных колец характеризует степень кристалличности, а дифракционные
пятна и их резкость – наличие и степень предпочтительной ориентации
кристаллитов. В образце вторичного ацетата целлюлозы, полученного процессом
«сухого» формования, и степень кристалличности, и ориентация весьма
незначительны. В образце триацетата степень кристалличности больше, но
предпочтительная ориентация отсутствует. Термообработка триацетата при
температуре 180–240° C заметно повышает степень его кристалличности, а
ориентирование (вытягиванием) в сочетании с термообработкой дает самый
упорядоченный материал.

3.
краткая характеристика метода синтеза полимера и технических способов его
осуществления

Гидрат целлюлозы получают из природной целлюлозы:
осаждением из раствора; обработкой целлюлозы концентрированными (17—35%-ными)
растворами щелочей и разложением образовавшейся щелочной целлюлозы;
этерификацией целлюлозы и последующим омылением сложных эфиров; механическим
размолом целлюлозы.

процесс регенерации целлюлозы из раствора при добавлении
кислоты в ее концентрированный медноаммиачный (т.е. содержащий сульфат меди и
гидроксид аммония) водный раствор был описан англичанином Дж.Мерсером около
1844. Но первое промышленное применение этого метода, положившее начало
промышленности медно-аммиачного волокна, приписывается Е.Швейцеру (1857), а
дальнейшее его развитие – заслуга М.Крамера и И.Шлоссбергера (1858). И только в
1892 Кросс, Бевин и Бидл в Англии изобрели процесс получения вискозного волокна:
вязкий (откуда название вискоза) водный раствор целлюлозы получался после
обработки целлюлозы сначала крепким раствором едкого натра, что давало
«натронную целлюлозу», а затем – дисульфидом углерода (CS2), в результате чего
получался растворимый ксантогенат целлюлозы. При выдавливании струйки этого
«прядильного» раствора через фильеру с малым круглым отверстием в кислотную
ванну целлюлоза регенерировалась в форме вискозного волокна. При выдавливании
раствора в такую же ванну через фильеру с узкой щелью получалась пленка,
названная целлофаном. Ж.Бранденбергер, занимавшийся во Франции этой технологией
с 1908 по 1912, первым запатентовал непрерывный процесс изготовления целлофана.

Часто при самых разнообразных условиях целлюлоза глубоко
изменяется в своих физических свойствах, совершенно теряет эластичность,
становится ломкой и при трении измельчается в порошок. такого рода изменение
замечается, например, при неправильно веденном процессе отбелки
хлопчатобумажной пряжи, ткани или бумажной массы, при карбонизации смешанной
ткани, а также, хотя и в меньшей степени, на белье, часто подвергавшемся
стирке, на шторах, долго подвергавшихся действию света в сыром помещении, на
плохо приготовленном растительном пергаменте в т. п. Вместе с тем давно уже
замечено, что такое изменение растительных волокон в особенности легко
происходит под влиянием сильных кислот. ближайшее изучение этого изменения и
условий, в которых оно происходит, составляет заслугу Амэ Жирара, который
выяснил, что под влиянием кислот клетчатка переходит в
"гидроцеллюлозу",

Образуется гидрат целлюлоза чрезвычайно легко и при
разнообразных условиях. Жирар указал несколько простых и удобных методов ее
приготовления. один из них состоит в том, что клетчатку (удобнее брать в этом
случае гигроскопическую вату) погружают в серную кислоту в 45°Бомэ и оставляют
взаимодействовать 12 часов. По прошествии этого времени хлопок не изменяется по
внешности, но после промывки и высушивания теряет эластичность и становится
совершенно хрупким.

Аналогично серной, в известных условиях концентрации и
температуры, действуют и другие минеральные кислоты. Так, при действии влажной
газообразной соляной кисл. при 100°С на вату происходит быстрое образование
гидрата целлюлозы. Небезынтересно при этом (сделанное тоже Жираром) наблюдение,
что сухая НCl хлопка не изменяет. очень демонстративно протекает эта реакция с
соляной кислотой, если несколько изменить условия опыта: а именно, к
насыщенному раствору хлористого кальция, нагретому до 60—80°С, прибавляют
15—20% обыкновенной соляной кислоты в 21°Бомэ.

Насыщенный раствор хлористого кальция, как вещество
гигроскопическое, быстро отнимает воду от соляной кислоты; НCl в этом растворе
находится как бы в газообразном состоянии и действительно частью выделяется из
раствора. При опускания в этот последний какой-нибудь хлопчатобумажной ткани
она как бы тает и почти моментально распадается в мельчайший порошок. Не одни
крепкие кислоты переводят клетчатку в гидроцеллюлозы; аналогично им действуют и
слабые, но медленнее и при нагревании. Хлопок, пропитанный 1% раствором серной
кислоты, азотной, соляной или какой-нибудь другой, и нагретый в течение
нескольких часов до 60—70°, сполна превращается в гидроцеллюлозу; даже и более
слабые растворы оказывают заметное влияние. Органические кислоты относятся в
этом случае аналогично минеральным, но далеко не все одинаково энергично.
Наиболее сильное действие оказывает щавелевая, наименьшее — уксусная, отчего
она по преимуществу и употребляется при варке красок. сравнительно менее
энергично относятся сильные органические спиртокислоты, винно-каменная и
лимонная, которые поэтому и расходуются в ситцепечатном деле в большом
количестве.

При образовании гидрата целлюлозы происходит ослабление
межмолекулярных связей, а следовательно и изменение свойств природной целлюлозы.
Гидрат целлюлозы, в отличие от природной целлюлозы, обладает более высокой
гигроскопичностью, накрашиваемостью, растворимостью и реакционной способностью.
Перевод целлюлозы в гидрат целлюлозы — одна из стадий получения вискозных
волокон и полинозных волокон.

При получении вискозных и полинозных волокон щелочную целлюлозу
выдерживают определенное время при установленной температуре (предварительное созревание).
По окончании созревания ее обрабатывают сероуглеродом, в результате чего образуется
соединение сероуглерода и целлюлозы (простой эфир), называемое ксантогенатом.
Растворяя это соединение в разбавленном растворе едкого натра, получают вязкий
раствор—вискозу, которую фильтруют и затем выдерживают в течение 20—40 часов. Если
необходимо получить неблестящее (матированное) целлюлозное волокно то в вязкий
раствор добавляют тонко измельченный белый порошок двуокиси титана, а для
получения окрашенного волокна в вязкую массу вводят краситель, не изменяющий
свойств и цвета при дальнейшей обработке.

По химическому составу вискозное волокно представляет собой
чистую целлюлозу — (С6Н10О5)п, где n степень полимеризации. Свежесформированные
нити подвергаются вытяжке и тепловой обработке в горячей воде или паром.

Очищенная природная целлюлоза обрабатывается избытком
концентрированного гидроксида натрия; после удаления избытка ее комки растирают
и полученную массу выдерживают в тщательно контролируемых условиях. При таком
«старении» уменьшается длина полимерных цепей, что способствует последующему
растворению. Затем измельченную целлюлозу смешивают с дисульфидом углерода и
образовавшийся ксантогенат растворяют в растворе едкого натра для получения
«вискозы» – вязкого раствора. Когда вискоза попадает в водный раствор кислоты,
из нее регенерируется целлюлоза. упрощенные суммарные реакции таковы:

При вытяжке волокна происходит упорядочение расположения макромолекул
целлюлозы относительно оси волокна, что приводит к повышению его механических
свойств. В зависимости от степени вытяжки и тепловой обработки можно получить вискозное
волокно с разными механическими свойствами: обыкновенное, прочное и высокопрочное.

Полученную после формования вискозную нить отмывают от
кислоты и солей и затем подвергают отделочным операциям: удалению серы, отбелке
результате которой разрушаются пигменты, окрашивающие волокно), а также
замасливанию и мыловке для придания мягкости. после окончания отделки нити высушивают,
перематывают на бобину, сортируют и отправляют на текстильные фабрики.

В настоящее время все стадии получения волокна (формование,
отбелка, сушка, крутка) могут осуществляться на одной машине, что значительно
повышает производительность труда. полученное волокно имеет в поперечнике не строго
круглую, а неправильную (извитую) форму, а в продольном направлении—долевые
бороздки.

В отличие от нитей непрерывной длины можно получить и короткое
волокно, называемое штапельным. При изготовлении штапельного вискозного волокна
из одной фильеры выпускается одновременно от 1200 до 3600 элементарных нитей в
виде жгута. Полученный сложением из нескольких десятков фильер жгут
элементарных нитей подвергается обработке для освобождения от примесей
сероуглерода, серы и др., а также вытяжке и промывке в кипящей воде.

Вытяжка волокна достигает 70%, что увеличивает его прочность
и тонину. Затем жгут разрезают на короткие отрезки—штапельки (длиной 30— 120 мм).
полученные таким образом штапельные волокна могут перерабатываться на
прядильном оборудовании, как в чистом виде, так и в смесках с другими волокнами
(шерстью, хлопком, льном, лавсаном и др.)

4.
Физико-химические свойства полимера

Целлюлоза – сравнительно жесткоцепной полимер. Она
нерастворима в воде и в органических растворителях. Стереорегулярное строение
ее макромолекулы, наличие гидроксильных групп, обуславливающих сильное
межмолекулярное взаимодействие, и высокая степень ориентации этого
жесткоцепного полимера определяют высокие механические свойства материалов,
получаемых на основе целлюлозы и ее производных.

Характерными физическими и химическими свойствами гидрата
целлюлозы являются: легкая измельчаемость и способность при повышении t° выше
65°С поглощать кислород воздуха, окисляясь при этом в растворимое в воде
вещество.

В противоположность клетчатке, гидроцеллюлоза при
нагревании в запаянной трубке растворяется в 1% растворе едкого кали и этот
раствор обладает восстановляющими свойствами.

Гидрат целлюлоза, так же как и клетчатка, легко образует
нитропроизводные, растворяется в растворе меди, разбухает при обработке
концентрированными щелочами, а при долгом действии кислот переходит частью в
глюкозу.

К числу особенностей гидрата целлюлозы следует отнести
то, что высушенная гидроцеллюлоза при смешении с холодной водой, разбухает,
образуя густое тесто, во многом напоминающее густые камедные растворы, и
окрашивается йодным раствором, подобно крахмалу, в синий цвет.

Полинозные волокна, разновидность вискозных волокон,
близких по свойствам хлопковым. Полинозные волокна, как и обычные вискозные
волокна, формуют из вискозы по мокрому методу. Однако технологические режимы
получения этих двух типов волокон существенно различаются. В производстве
полинозных волокон свежесформованное волокно находится в гелеобразном состоянии
и состоит из ксатогената целлюлозы высокой степени этерификации, что позволяет
подвергать волокно значительно большей пластификационной вытяжке.

Для полинозных волокон характерны высокая степень
ориентации и однородность структуры в поперечном сечении. При этом структура
устойчива к действию воды и щелочей, благодаря чему механические свойства
полинозных волокон мало изменяются в указанных средах, а изделия из них
отличаются стабильностью формы и низкой сминаемостью. Для полинозных волокон
характерны высокая прочность и низкое относительное удлинение. Их недостаток
высокая хрупкость.

Полинозные волокна применяют для изготовления широкого
ассортимента тканей взамен тонковолокнистого хлопка.

ткани из вискозных волокон легко окрашиваются в различные
цвета, отличаются высокими гигиеническими свойствами (гигроскопичностью), что
особенно важно для изделий народного потребления. Доступность исходного сырья и
низкая стоимость химических реагентов, а также удовлетворительные текстильные
свойства и широкие возможности модификации обеспечивают высокую экономичность
производства вискозных волокон и их широкое распространение.

Недостатки вискозных волокон: большая потеря прочности в
мокром состоянии, лёгкая сминаемость, недостаточная устойчивость к трению и
низкий модуль упругости, особенно в мокром состоянии. Эти недостатки могут быть
устранены модификацией вискозных волокон модифицированным вискозным волокон
(например, полинозным волокнам) свойственны значительно более высокая прочность
в сухом и мокром состоянии (потеря прочности в мокром состоянии составляет
20-25% против 40-50% у обычного вискозного волокна), большая износоустойчивость
и повышенный модуль упругости. У извитых штапельных вискозных волокон
устойчивее извитость, что упрощает Производство из них пряжи в смеси с
натуральными волокнами. Сминаемость вискозных волокон может быть уменьшена их
последующей обработкой различными составами.

5. Другие
свойства полимера

Вискозное волокно — это одно из наиболее распространенных
химических волокон. В настоящее время из общего объема производства искусственных
волокон на долю вискозного приходится около 75%. такой объем производства
вискозного волокна объясняется тем, что в качестве основного сырья используют
дешевое сырье — древесную целлюлозу и сравнительно простые химические материалы
— едкий натр, сероуглерод, серную кислоту и ее соли.

Наибольшее развитие Производство П. в. получило в Японии
(торговые названия тиолан и поликот), где в 1973 было выработано около 70 тыс.
т этих волокон. В небольшом объёме П. в. выпускают также в США (зантрел),
великобритании (винцел) и др. странах.

Относясь искусственным волокнам, полинозные и вискозные волокна
отличаются большей прочностью и эластичностью по сравнению с натуральными,
материалы из них практически не мнутся, но плавятся под действием высокой
температуры. Кроме того, синтетические волокна негигроскопичны, то есть не
способны поглощать влагу из окружающей среды, и плохо пропускают воздух. В
связи с этим наибольшей популярностью в настоящее время пользуются ткани из
смешанных волокон, содержащие определенный процент натуральных и искусственных
волокон. Они гигроскопичны, прочны, мало мнутся, но при глажении температура
утюга должна быть не очень высокой.

Для технических целей медноаммиачные волокна не
используют из-за низкой прочности. Стоимость медноаммиачных волокон выше, чем у
их конкурентов — вискозных волокон.

В производстве полинозных и вискозных волокон основным
видом отходов являются сточные воды, образующиеся при промывке синтезируемых
продуктов.

Вискозное волокно, получаемое
выдавливанием вискозы через малые отверстия фильеры в раствор кислоты, широко
применяется для изготовления одежды, драпировочных и обивочных тканей, а также
в технике. Значительные количества вискозного волокна идут на технические
ремни, ленты, фильтры и шинный корд.

6. Применение полимера в
производстве одежды и обуви

В производстве товаров народного потребления вискозное
волокно широко используют для выработки шёлковых и штапельных тканей,
трикотажных изделий, тканей различного назначения из смесей вискозных волокон с
хлопком или шерстью, а также с другими химическими волокнами. Высокопрочное
вискозное кордное волокно используют для получения широкого ассортимента
технических изделий. например, при замене хлопчато-бумажного корда,
выполняющего роль силового каркаса в шинах, высокопрочным вискозным кордом
повышается срок службы шин и уменьшается расход каучука для их изготовления.
Промышленное Производство вискозных волокон в. началось в 1905 в Англии.

Учебная работа. Физика полимеров