Получение полиэфирного волокна непрерывным методом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине

Химия и технология химических волокон

Тема:

Получение полиэфирного волокна непрерывным методом



Содержание

Введение

1. Литературный обзор

2. Общая характеристика химико-технологического процесса

2.1 Физико-химические свойства исходных реагентов и продуктов

2.2 Технологические стадии процесса получения полиэфирного волокна

2.2.1 Синтез дигликолевого эфира терефталевой кислоты

2.2.2 Синтез полиэтилентерефталата

3. Технологическая схема непрерывного процесса получения полиэтилентерефталата

3.1 Формование полиэфирных волокон

3.2 Технологическая схема получения штапельного полиэфирного волокна

3.3 Технология отделки полиэфирных волокон

Заключение

Список литературы



Введение

Цель курсовой работы - изучение химической технологии получения полиэфирного волокна непрерывным методом из диметилтерефталата и этиленгликоля.

Использование химических волокон в сырьевой базе текстильной промышленности является одним из важнейших направлений технического прогресса отрасли [1]. Актуальность этого направления также определяет мировая тенденция увеличения и расширения использования химических волокон и нитей в товарах народного потребления. Доля товаров народного потребления с использованием химических волокон в мире в настоящее время составляет 60% от общего объема потребления.

Основным фактором опережающего темпа роста производства химических волокон является увеличение численности народонаселения земного шара и растущие в связи с этим потребности в текстильных (одежных) материалах. Объем выпуска натуральных волокон, в основном растительного происхождения (хлопок, лен и др.) ограничивается конкуренцией со стороны продовольственных культур, в особенности, если их выращивание дает большую прибыль, чем натуральные волокна.

Вторым важным определяющим фактором является то, что улучшение эксплуатационных свойств химических волокон наряду с созданием новых видов волокон позволяет значительно расширить области их применения как для бытовых, так и для технических целей.

Лидирующее положение среди химических волокон и нитей занимают полиэфирные -- 69% от общего объема производства химических волокон и нитей.

Для промышленных целей наиболее важным свойством полиэфирных волокон является их устойчивость к кислотам и щелочам, высоким температурам и влаге, к действию микроорганизмов и многократным изгибам и трению.

Вложение до 15% полиэфирного волокна к хлопку позволяет значительно улучшить потребительские свойства тканей за счет повышения стойкости к истиранию в 1,5 раза и износоустойчивости в 1,5-2 раза, снижения усадки тканей в 1,4 раза и увеличения несминаемости тканей и трикотажных полотен в 1,5 раза. При этом сохраняются комфортность изделий и их гигиенические свойства, повышается срок их службы в 1,5-2 раза.

Простота стирки, быстрота сушки, а также минимальная необходимость глажения, опрятный внешний вид изделий и продолжительный срок службы -- это все преимущества тканей из смесей полиэфирного и натурального волокон по сравнению с обычными хлопчатобумажными тканями. Именно поэтому полиэфирного волокна и нити у зарубежных производителей, в том числе США, нашли свое применение в таком массовом ассортименте, как спортивная одежда и постельное белье.

Возможности использования полиэфирных волокон и нитей в текстильной промышленности не ограничены. В РФ полиэфирные волокна не находят такого широкого применения, как в мире, что объясняется рядом причин, а именно:

- отсутствием в РФ действующего производства полиэфирных волокон и нитей;

- крайне узким и бедным ассортиментом выпускаемых полиэфирных волокон и нитей в Республике Беларусь;

- крайне узким ассортиментом тканей, выпускаемых с использованием полиэфирных волокон (основная доля -- спецодежда, технические ткани).

Для более широкого освоения полиэфирных волокон и нитей необходима программа по развитию сырьевой базы для текстильной и легкой промышленности.



1. Литературный обзор

За более чем столетнюю историю химических волокон их практическое значение для производства материалов и изделий, необходимых для обеспечения жизни людей, развития техники и науки, стало неоспоримым [2].

Комплекс механических свойств (и их практически полная неизменность в мокром состоянии волокна), наиболее высокая термостойкость среди многотоннажных видов волокон, био- и хемостойкость, биоинертность и другие эксплуатационные характеристики обеспечили приоритетность полиэфирных волокон по сравнению с другими.

Штапельные полиэфирные волокна, включая модифицированные, частично вытеснили и продолжают вытеснять вискозные волокна и зачастую конкурируют с полиакрилонитрильными волокнами, особенно в смесях с шерстью. В случае использования смесей штапельных полиэфирных волокон с целлюлозными(хлопок, лен, гидратцеллюлозные) практически полностью нивелируются недостатки целлюлозных волокон, в частности сминаемость тканей на их основе, низкая биостойкость, и в то же время сохраняются высокие гигроскопические характеристики текстильных материалов. Прекрасное качество тканей для верхней одежды достигается при использовании смесей полиэфирных волокон с шерстью.

Текстильные полиэфирные нити, особенно текстурированные, широко применяют для изготовления тонких тканей и трикотажа бытового назначения, тканей для интерьера жилья, автомашин и во многих других целях. Они оказались более удачными по свойствам, чем ацетатные и триацетатные нити.

Полиэфирные технические нити оказались незаменимыми во многих отраслях техники. Как армирующий компонент при изготовлении резиновых технических изделий они существенно превосходят полиамидные и вискозные нити. Полиэфирные технические нити оказались вне конкуренции как материал для фильтрующих полотен, бумагоделательных сеток, канатов и других несущих высокие нагрузки изделий, электроизоляции, армированных швейных ниток и так далее.

Основная часть натуральных и химических волокон обладает весьма существенным недостатком - горючестью, из-за чего использование их в текстильных и других материалах ведет к значительному возрастанию пожароопасности [3].

Большое внимание в последние годы уделяется проблеме снижения горючести текстильных материалов.

Среди известных видов волокнистых материалов проблема огнезащиты, пожалуй, наиболее остро стоит для полиэфирных волокон и нитей. Во-первых, они сегодня по объемам производства и потребления занимают ведущие позиции среди всех видов химических и натуральных волокон, включая хлопок. Во-вторых, они широко применяются в чистом виде или в смеси с другими видами искусственных (преимущественно вискозных) и натуральных (хлопок, шерсть) волокон в тех областях, где вопросы пожарной безопасности чрезвычайно актуальны

Существует три метода огнезащитной отделки текстильных материалов, в том числе на основе полиэфирных волокон:

1) поверхностная обработка антипиренами (АП) ткани, полотна или готового изделия;

2) физическая модификация волокна (введение АП путем аддитивного смешения с полимером);

3) сополимеризация мономеров или олигомеров с реакционноактивным АП в процессе получения полимера, перерабатываемого в дальнейшем в волокна или нити.

В настоящее время только несколько фирм в Германии, Японии и США в ограниченном объеме производят полиэфирные волокна и нити с постоянным эффектом огнезащиты, добиваясь этого введением в процессе синтеза полиэтилентерефталата (ПЭТ) фосфорорганических полифункциональных соединений, способных вступать в реакции конденсации или эфирного обмена с концевыми группами ПЭТ. В качестве таких АП нашли практическое использование окса-производные фосфолана (метилфосфолан, фирма “Hoechst”, Германия), производные фосфафенантрена (DOP-ITS, фирма “Zimmer”, Германия), Phosgard PF-100 (фирма “Zimmer”, Германия), 9,10- дигидро-9-окса-10 -[2,3-ди(2-гидрооксиэтокси) -карбонилпропил] -10-фосфафенантрен-10-оксид (Ukanol FR 50/1, фирма “Schill+Seilacher”, Германия).

Эффект огнезащиты, по данным фирмы “Hоеchst”, зависит от содержания в полиэфирном волокне фосфора, вводимого с АП при синтезе ПЭТ. Область оптимальных концентраций фосфора в полимерном субстрате лежит обычно в пределах 0,4-0,6 масс, %, обеспечивая требуемый уровень огнезащищенности полиэфирного волокна.



2. Общая характеристика химико-технологического процесса

Полиэфиры не являются новыми веществами [4,5]. Природные полиэфирные вещества с древнейших времен применяются человеком.

Для получения полиэфирных волокон нашли практическое применение полимеры на основе ароматических кислот и алифатических гликолей.

Основными исходными продуктами для получения полиэтилентерефталата в производстве полиэфирного волокна являются терефталевая кислота или ее диметиловый эфир, а также этиленгликоль или окись этилена. Для получения модифицированного волокна кроме основных сырьевых материалов используют другие дикарбоновые или оксикислоты. Несмотря на то, что запатентовано множество модифицирующих добавок, в промышленности нашли применение главным образом изофталевая кислота, ее диметиловый эфир, калиевая соль сульфоизофталевой кислоты и п-оксиэтоксибензойная кислота.

Кроме этих веществ, при синтезе полиэфира вводят, катализаторы, термостабилизаторы, добавки, снижающие склонность волокна к пиллингообразованию (например, ангидрид тримеллитовой кислоты), матирующиеили окрашивающие вещества, оптические отбеливатели, добавки для уменьшения трения и слипаемости (полиэфирные пленки и магнитные ленты).

Процесс производства полиэфирных нитей или волокна можно разделить на три самостоятельные стадии: получение полимера--полиэтилентерефталата (смолы лавсан), формование из него нитей и волокна и переработка их в готовую продукцию. Эти три процесса осуществляются соответственно в трех основных цехах: химическом, прядильном и штапельном (или текстильном -- при производстве комплексных нитей).



2.1 Физико-химические свойства исходных реагентов и продуктов

Диметилтерефталат

Чистый диметилтерефталат -- белый кристаллический порошок [4]. Товарная форма -- плоские чешуйки, полученные при кристаллизации расплава на холодном барабане, или крупные гранулы в форме ореха (последняя форма распространена в США).

Диметилтерефталат характеризуется следующими константами:

Относительная молекулярная масса 194

Плотность при 20°С, г/см³ 1,283

Температура плавления, °С 140,6-140,7

Температура кипения, °С 288

Плотность расплава, г/см³

при 180°С 1,046

при 150°С 1,070

Теплота плавления, кДж/кг (кал/г) 165,4 (39,5)

Теплота испарения, кДж/кг (кал/г) 355,4 (84,9)

Теплота сгорания, кДж/кг (кал/г) 24032 (5740)

Давление паров, кПа (мм рт. ст.)

при 100°С 0,21 (1,6)

при 140°С 1,33 (10)

при 160°С 2,53 (19)

при 200°С 11,2 (84)

при 240°С 33,2 (250)

Теплопроводность при 20°С, Вт/(м К) [ккал/(м·ч°С)] 0,23 (0,2)

Кинематическая вязкость расплава, мм²с (сСт)

при 145°С0,9 (0,9)

при 160°С0,78 (0,78)

В расплавленном состоянии диметилтерефталат может гореть. Температура вспышки паров 146°С.

Токсикологическое действие диметилтерефталата выражается в раздражении кожи и слизистой оболочки глаз.

Этиленгликоль

Этиленгликоль получают окислением этилена с последующей гидратацией окиси этилена [6, 7] или путем взаимодействия формальдегида, окиси углерода и воды [8]. Перспективным способом является прямой синтез полиолов из окиси углерода и водорода, в результате которого получают смесь этиленгликоля, пропиленгликоля и глицерина. Этот одностадийный процесс недавно запатентован [9] американской фирмой «ЮнионКарбайд».

Диэтиленгликоль и полигликоли значительно снижают температуру плавления и уменьшают термостабильность полимера в расплаве, альдегиды и хлорсодержащие вещества вызывают пожелтение полимера, одноатомные высококипящие спирты могут блокировать растущие цепи при поликонденсации [4].

Этиленгликоль, предназначенный для производства полиэфирного волокна, должен содержать не менее 99,7% основного вещества, иметь плотность в пределах 1,1140--1,1150 г/см³ (при 20°С), количество воды не должно превышать 0,1--0,2%. Содержание железа должно быть не более 0,00002%, содержание диэтиленгликоля должно быть не более 0,1%, а хлор-иона -- не более 0,0001%.

Свойства этиленгликоля

Чистый Этиленгликоль -- жидкость без заметного запаха. Ниже приводятся основные свойства этиленгликоля [4]:

Относительная молекулярная масса 62,07

Температура плавления, °С-- 15,6

Температура кипения, °С 197,6

Плотность, г/см³

при 20°С 1,11336

при 150°С 1,014

при 190°С 0,977

Коэффициент объемного расширения

при 20°С, град-¹ 6,2·10^-4

Динамическая вязкость, мПа·с (сП)

при 20°С 20,93 (20,93)

при 150°С 1,03 (1,03)

Давление паров при 20°С, Па (мм рт. ст.) 7,98 (0,06)

Теплопроводность при 20°С, Вт/(м·°С) [кал/(см.с.°С)] 0,288 (6,9·10-⁴)

Удельная теплоемкость при 20°С, кДж/(кг·°С) [кал/(г·°С)] 2,349 (0,561)

Теплота парообразования при 197,6°С, кДж/кг (кал/г) 799,3 (190,9)

Теплота замерзания, кДж/кг (кал/г) 187,1 (44,7)

Показатель преломления 1,4316

Константа диссоциации при 19°С 5,7·10-¹⁵

Теплота образования при 20°С, кДж/моль (ккал/моль) -452,6 (-108,1)

Энтропия образования при 25°С, кДж/(моль·К) [ккал/(моль·°С)] 167,0 (39,9)

Теплота сгорания при постоянном давлении, кДж/моль (ккал/моль)-1186,1 (-283,3)

Поверхностное натяжение у-10³, Н/м

при 20°С 48,4

при 197°С 30

Молекулярная рефракция при 20°С 14,49

Этиленгликоль токсичен. Воздействует преимущественно на центральную нервную систему и почки. Этиленгликоль проникает в организм через кожу и легкие. Особенно опасны ожоги горячим этиленгликолем, которые могут привести к тяжелому исходу. Поэтому особое внимание должно быть обращено на обеспечение абсолютно безопасных условий работы при промывках реакторов и линий, снятии запорной арматуры с сосудов, где находился горячий этиленгликоль.



Метиловый спирт

В производстве полиэтилентерефталата из диметилтерефталата и этиленгликоля в качестве побочного продукта образуется метиловый спирт [4].

Чистый метиловый спирт имеет следующие показатели:

Относительная молекулярная масса 32,04

Температура, °С

Плавления -- 97,8

Кипения - 64,7

Плотность при 20°С, г/см³ 0,791

Показатель преломления - 1,3288

Теплоемкость при 18,8°С, кДж/(кг·К) 2,495, [кал/(г·°С)] 0,596

Теплота парообразования при 64,7°С, кДж/кг 100,2, кал/г 262,79

Динамическая вязкость при 20°С, мПа·с 0,584, сП - 0,584

Температура, °С

Вспышки 8

Воспламенения 13

Самовоспламенения 464

Область воспламенения, % (об.) 6--34,7

Метиловый спирт легко воспламеняется, а пары его взрывоопасны. Является сильным, преимущественно нервным и сосудистым ядом, с резко выраженным кумулятивным действием. Смертельная доза при приеме внутрь составляет 30 мл, но сильное отравление, часто с потерей зрения, вызывает уже 5--10 мл.

2.2 Технологические стадии процесса получения полиэфирного волокна

2.2.1 Синтез дигликолевого эфиратерефталевой кислоты

Дигликолевый эфир терефталевой кислоты:

[ди-(в-оксиэтил)терефталат, дигликольтерефталат, ДГТ] или его низшие линейные олигомеры являются мономерами в последующем процессе поликонденсации, приводящем к получению полимера [4]. Молекула дигликольтерефталата состоит из двух частей -- остатка терефталевой кислоты и двух оксиэтилэфирных групп. Поэтому при его синтезе применяют также два различных компонента: диметиловый эфир и этиленгликоль, осуществляя реакцию переэтерификации.

Реакция переэтерификации заключается в замещении метальных групп диметилтерефталата (ДМТ) этиленгликолевыми:

Реакция переэтерификации практически не идет без катализатора. В патентной литературе в качестве катализаторов предложены почти все металлы периодической системы элементов, их окиси, соли, алкоголяты и более сложные соединения.

Исходное соотношение этиленгликоля и диметилтерефталата оказывает значительное влияние на завершенность переэтерификации. Непременным условием полного завершения реакции переэтерификации считается введение этиленгликоля в количестве, большем, чем 2 моля (обычно 2,2--2,5) на 1 моль диметилтерефталата. В противном случае непрореагировавшие метоксиэфирные группы будут ограничивать рост цепи при поликонденсации, оставаясь в виде концевых групп.

Реактор переэтерификации представляет собой автоклав [4], изготовленный из качественной нержавеющей стали, имеющий сферическое днище и мешалку турбинного или пропеллерного типа (рис. 1). Мешалки работают эффективно при скорости кончика лопатки или пропеллера от 200 до 300 м/мин.

Рис 1. Реактор для переэтерификации:

1 - рубашка; 2 - корпус; 3 - змеевик; 4 - пропеллерная мешалка; 5 - маслогрязеуловитель; 6 - осветительное устройство; 7 - привод; 8 - насадочный штуцер.

При больших скоростях эффективность перемешивания резко уменьшается из-за явления кавитации, вызывающего окружение лопаток парами метанола. Для нагрева реакционной массы внутри реактора помещен змеевик в который подается водяной пар высокого давления 4,5--5,0 МПа (45--50 ат) или по которому циркулирует высококипящий органический теплоноситель (ВОТ). Для увеличения поверхности нагрева реактор может бытьокружен нагревательными полутрубами, приваренными к обечайке корпуса и днища. Нагрев регулируют так, чтобы температура стенки не была более чем на 30--40°С выше температуры реакционной массы. Полный объем реактора переэтерификации обычно составляет 2,5--3,2 м³ на 1 т диметилтерефталата; поверхность конденсатора метанола -- около 20 м²/т.

2.2.2 Синтез полиэтилентерефталата

При поликонденсации дигликольтерефталата выделяется этиленгликоль и образуется полиэтилентерефталат [4]:

Поликонденсация дигликольтерефталата, являясь реакцией переэтерификации, в которой участвуют в основном две одинаковые оксиэтилэфирные группы, отличаетсяот реакции переэтерификации между диметилтерефталатом и этиленгликолем. Эти отличия заключаются в следующем:

- низкая концентрация гидроксильных групп спиртового характера, уменьшающаяся по мере протекания процесса;

- образование карбоксильных групп в результате деструктивных реакции;

- реакция этерификации между карбоксильной группой и гидроксилом спирта идет и без катализатора;

- значительно более высокая температура кипения этиленгликоля, чем метанола и большая вязкость получающегося конечного полиэфира, что важно с технологической точки зрения.

Но механизм этих реакций должен иметь сходство, поскольку обе они являются реакциями переэтерификации и карбонильные группы диметилтерефталата и дигликольтерефталата обладают поляризуемостью в равной степени.

Наиболее распространенным способом поликонденсации является проведение ее в расплаве под глубоким вакуумом, способствующим удалению выделяющегося этиленгликоля.

Поликонденсация -- завершающий и очень ответственный химический процесс получения полиэтилентерефталата. Реактор поликонденсации изготовляют из молибденсодержащей нержавеющей стали. Общий объем реактора рассчитывают на 50--60%-ное заполнение. Производительность реактора обычно находится в пределах от 1,0 до 2,5 т/цикл. При больших объемах трудно создать оптимальные условия прохождения поликонденсации; кроме того, значительно увеличивается продолжительность выгрузки, что может привести к заметной разнице в свойствах полимера в начале и конце литья.

a) б)

Рис. 2. Реактор поликонденсации: а - с наклонным конденсатором; б - с вертикальным конденсатором; 1 - корпус; 2 - патрубок для ввода переэтерификата; 3 - патрубок для вывода паров; 4 - мешалки; 5 - конденсатор этиленгликоля; 6 - патрубок для вывода полимера; 7 - сборник этиленгликоля.

Однопроходной конденсатор этиленгликоля располагают рядом с реактором под большим углом к горизонтали (рис. 2, а) или вертикалью (рис. 2, б) -- для облегчения стока конденсата. Поверхность конденсатора этиленгликоля в среднем принимается равной 7,5--8,0 м³ на 1 т (по диметилтерефталату). Реактор снабжается двухскоростной якорной тихоходной мешалкой. Такие мешалки наилучшим образом обеспечиваю нарушение пристенного слоя расплава в реакторе и имеют минимальный эффект проскальзывания в вязкой среде. Кроме того, якорные мешалки приводят во вращение всю реакционную массу. Поэтому при неравномерном кипении, могущем привести к выбросу части расплава в пароотводящую систему, продукт направляется преимущественно касательно к стенкам реактора. Но все же выбросы массы в конденсатор не исключены. Дополнительным источником забивания трубок конденсатора является дигликольтерефталат, обладающий достаточно высокой упругостью пара -- 0,266 кПа (2 мм рт. ст.) уже при 180°С. Дигликольтерефталат постепенно полимеризуется в трубках конденсатора, уменьшая их сечение. Поэтому конденсатор паров периодически прогревают водяным паром высокого давления для удаления осадка и, кроме того, регулярно чистят механическим либо гидродинамическим способом.

В последнее время широко исследуется процесс поликонденсации в твердой фазе, представляющий особый интерес для получения полиэфира очень высокой молекулярной массы.

диметилтерефталат этиленгликоль полиэфирный волокно



3. Технологическая схема непрерывного процесса получения полиэтилентерефталата

В основу непрерывного процесса заложен принцип непрерывного прохождения реакционной массы через последовательный ряд аппаратов, остаточное давление в которых уменьшается от первых к последним [4].

Непрерывный процесс получения полиэфирного волокна в равной мере может быть осуществлен при использовании в качестве сырья как диметилтерефталата (ДМТ), так и терефталевой кислоты (ТФК) [5]. На рис. 3 приведена схема непрерывного получения полиэфирного штапельного волокна из ДМТ.

Рис. 3. Непрерывная схема производства ПЭТ с прямым формованием полиэфирного волокна из расплава:

1 -- емкость для приготовления катализатора; 2 -- бункер ДМТ; 3 -- ленточный транспортер; 4 -- расплавитель ДМТ; 5 -- сублиматор; 6 -- насадочная колонна; 7 и 9 -- конденсаторы-холодильники; 8 и 10 -- сборники метанола и этиленгликоля; 11--пароэжекторный насос; 12--прядильная машина;13 -- поликонденсатор; 14 -- шестеренчатый насос; 15 -- форполиконденсатор; 16 -- переэтерификатор; 17 -- центробежный насос; 18--расходная емкость для этиленгликоля.

Для проведения переэтерификации ДМТ этиленгликолем (ЭГ) используют горизонтальный каскадный реактор, который может иметь до семи реакционных зон. В этот аппарат непрерывно дозируют расплав ДМТ и смесь ЭГ с катализатором. Мольное соотношение ДМТ: ЭГ равно 1,7--1,8, то есть в данном случае количество взятого ЭГ меньше эквимольного. Температура реакционной массы на входе в переэтерификатор достигает 160--180°С, а на выходе -- 245°С. Продолжительность пребывания компонентов в реакционной зоне составляет 4 ч. Поликонденсация ДГТ и олигомеров осуществляется в нескольких аппаратах (в двух или трех) специальной конструкции, которая обеспечивает создание тонкого слоя при интенсивном перемешивании расплава и минимальное время пребывания полимера в зоне реакции.

Для получения штапельного волокна требуется ПЭТ со средней молекулярной массой (22000--25000), поэтому в данную схем (рис. 3) включено только два аппарата поликонденсации. При предварительной поликонденсации в первом аппарате поддерживается невысокий вакуум (остаточное давление 3,3--6,6 кПа и температура 265--270°С). Продолжительность пребывания продукта в аппарате около 2 ч. Окончательная поликонденсация протекает во втором реакторе при 275--280°С и вакууме 0,066--0,133 кПа. Готовый расплав выгружается из аппарата с помощью вертикального шнека или шестеренчатого насоса и транспортируется в течение 8--10 мин по обогреваемому расплавопроводу к прядильной машине. В этот момент в полимер вводят различные добавки, а также матирующие (двуокись титана) и окрашивающие агенты.

Для полноты завершенности реакции переэтерификации важно иметь большой избыток этиленгликоля [4], но это вызывает увеличение количества побочного продукта -- диэтиленгликоля и ухудшение цвета расплава.

Непрерывный процесс получения полиэтилентерефталата (ПЭТ) и нитей на его основе имеет следующие преимущества [5]: отпадает необходимость в применении громоздких загрузочных бункеров, сложных и энергоемких плавильных устройств, достигается возможность переработки ПЭТ практически любой молекулярной массы, поскольку не требуется повторного плавления полимера.

Непрерывный способ более перспективен и экономичен [11]: его применение позволяет снизить себестоимость волокна на ~ 10% при использовании в качестве исходного сырья диметилтерефталата и на ~ 20% при использовании терефталевой кислоты.

3.1 Формование полиэфирного волокна

При прямом формовании полиэфирных нитей расплав подается непосредственно на прядильные блоки (головки) [5]. Для ускорения процесса затвердевания струек расплава и охлаждения нити последнюю обдувают холодным воздухом в направлении перпендикулярном (боковом, аналогично применяемому для полиамидных волокон) (рис. 4, а) или радиальном (рис. 4, б) к оси волокна.

Рис. 4. Схемы обдувочных устройств:

а -- поперечная обдувка: 1 -- фильерный комплект; 2 -- боковая распределительная сетка; 3 -- обдувочная шахта; 4 -- пучок нитей; 5 -- направляющее устройство; 6 -- сопроводительная шахта;

б -- радиальная обдувка: 1 -- фильера; 2 -- пучок нитей; 3 -- распределительная решетка; 4 -- направляющие ролики; 5 -- трубопровод для подачи воздуха; 6 -- ротаметр; 7 -- воздушная камера.

Радиальная обдувка, осуществляемая с внешней или с внутренней стороны пучка нитей, способствует получению свежесформованной нити с высокой равномерностью структурно-механических свойств, особенно при формовании волокна из фильер с количеством отверстий 500 и выше. При формовании технической нити и волокна, где применяют фильеры с большим числом отверстий, на каждую фильеру устанавливают индивидуальную обдувочную шахту.

Применение эффективных методов охлаждения полиэфирных нитей позволяет сократить расстояние от фильеры до приемного механизма до 2,5--3,0 м [4]. На этом пути на нить наносят замасливающие препараты, снимающие электростатические заряды и обеспечивающие компактность и гладкость нити при последующих операциях.

Для приема нити применяют стандартные намоточные машины с тянущими дисками или без них -- с прямой намоткой на бобину.

Схемы двух возможных вариантов заправки нитей на намоточных машинах приведены на рис. 5.

Рис. 5. Варианты заправки полиэфирных нитей на намоточных машинах:

а -- с тянущими дисками; б -- бездисковая схема

Бездисковая схема намоточной машины имеет определенные преимущества. Нить, наматываемая на шпулю, при перемещении нитераскладчика растягивается по отношению к исходному состоянию на величину, равную 100·%, которая определяется углом и между вертикалью и направлением нити в момент ее наматывания на торец прядильной паковки. Естественно, что схема б обеспечивает уменьшение угла и и тем самым получение более равномерной нити по двойному лучепреломлению и линейной плотности. Угол и может быть еще более уменьшен установкой замасливающего ролика на максимально возможной высоте, на расстоянии 1,2--1,5 м от зеркала фильеры. Бездисковая схема намотки упрощает конструкцию машины. Перезаправка нити в этом случае производится с помощью пневмопистолета в течение 6--8 с.

Обычная скорость намотки составляет 400--600 м/мин при производстве нитей линейной плотности 111 текс, 800--900 м/мин -- для нитей 28 текс и до 1700--2000 м/мин при выпуске нитей 4--5 текс.

3.2 Технологическая схема получения штапельного полиэфирного волокна

Поступившие из прядильного отделения контейнеры с уложенными в них жгутиками невытянутого волокна размещают в буферной зоне отделения штапельных агрегатов [4]. Здесь комплектуют партии контейнеров для последующей установки на рабочую площадку перед агрегатами и контролируют вязкость полиэфира в волокне, двойное лучепреломление (или усадку при нагреве), содержание препараций

Величина партии контейнеров зависит от массы жгутика в каждом контейнере, состава штапельного агрегата и требований по развесу жгута готового волокна. Одна рабочая партия может включать от 8--10 до 50--60 контейнеров.

Производство полиэфирного штапельного волокна в жгуте или в резаном виде осуществляют на штапельном агрегате, состоящем из ряда машин.

Процесс получения полиэфирного штапельного волокна состоит из следующих операций [5]:

1) комплектования невытянутого жгута;

2) ориентационной вытяжки жгута;

3) гофрировки жгута;

4) термофиксации жгута;

5) резки жгута и упаковки готового волокна в кипы.

Все эти операции совмещаются в одном технологическом потоке на штапельных агрегатах, один из которых схематично представлен на рис. 6.

Рис. 6. Схема производства полиэфирного штапельного волокна:

1 -- шпулярник; 2 -- ванна для отмывки прядильной препарации; 3 -- вытяжные станы; 4 -- обогреваемые камеры для вытягивания; 5 -- обогреваемые камеры для стабилизации и удлинения; 6 -- ванна для нанесения антистатической препарации; 7 -- устройство для натяжения жгута (компенсирующие вальцы); 8 -- гофрировочная машина; 9 -- аппарат для сушки и термофиксации жгута; 10 -- направляющие и натяжные устройства;11 --резательная машина;12 -- упаковочная машина.

Жгут, собранный с 1000--1500 бобин или 40--80 контейнеров со свежесформованным волокном [11], вытягивают в 3--4,5 раза в одну или две ступени в паровой или воздушной камерах при 120--180°С; скорость вытяжки 90--200 м/мин. Стабилизация удлинения волокна проводится на третьей ступени при растяжении 2--4% и температуре до 200°С. В гофрировочной машине жгут получает извитость (3--6 извитков на 1 см) и направляется в камеру термообработки, где в течение 15--20 мин при 110--140°С его сушат и подвергают термофиксации. Волокно при этом усаживается на 15--18%. После охлаждения жгута проводится отделка его антистатической препарацией. Резаное волокно (длиной 35--40 мм для волокна хлопкового типа толщиной 110--170 м/текс и 60--120 мм для волокна шерстяного типа толщиной 340--1700 м/текс) пневмотранспортируется в пресса, где упаковывается с плотностью 200--300 кг/м3 в кипы по 150--200 кг. Жгут развесом от 50 до 100 г/м упаковывается в картонные коробки массой до 100 кг в каждой. Производительность одного двустороннего (две рабочие зоны) штапельного агрегата колеблется от 10 до 50 т/сут.

3.2.1 Технология отделки полиэфирного штапельного волокна

Комплектование невытянутого жгута. Жгут комплектуется из отдельных нитей (поджгутиков), выбираемых из каждого контейнера (таза), в отделении шпулярников штапельного цеха. Шпулярник 1 включает два- четыре ряда контейнеров с нитью (обычно один--два ряда оставляют резервными для перезаправки) и верхнюю металлическую раму, где происходит формирование невытянутого жгута. В конце шпулярника установлен жгутообразователь, объединяющий отдельные нити («поджгутики») в общий жгут. Он состоит из двух-трех вальцев и направляющих устройств. В зависимости от заданного развеса вытянутого жгута (обычно равного 30--100 г/м) жгут собирают из 20--60 контейнеров.

Ориентационная вытяжка жгута. Вытягивание полиэфирного волокна проводится при нагревании, в результате чего невытянутая аморфная нить переводится из стеклообразного в высокоэластическое состояние с ориентацией структурных элементов и кристаллизацией ПЭТ. Однако интенсивный равномерный прогрев и последующая вытяжка жгута, состоящего из 200000--500000 элементарных нитей довольно сложная задача. На промышленных штапельных агрегатах жгут вытягивают в одну или две стадии соответственно между двумя или тремя вытяжными станами (рис. 6). Каждый вытяжной стан оборудован семью -- восемью цилиндрами, вращающимися с одинаковой скоростью. Цилиндры первого стана (питающего) подогреваются до 50--80°С циркулирующими внутри их горячей водой или теплоносителем. При двухстадийной вытяжке подогреваются также цилиндры второго стана (до 100--150°С). Цилиндры последнего стана не подогреваются (иногда даже охлаждаются водой). Основной нагрев жгута осуществляется острым паром или горячим воздухом в специальных камерах 4 и 5, расположенных между вытяжными станами. Со жгутообразователя жгут в виде тонкой равномерной по толщине ленты шириной 200--500 мм проходит через ванну (с температурой 40--60°С) для отмывки от прядильной препарации (или нанесения антистатической препарации) и поступают на горячие цилиндры первого стана, где подогревается. Далее жгут попадает в обогреваемую камеру между первым и вторым станом, нагретую до 130--200°С, а затем на цилиндры второго стана. При двухстадийной вытяжке температура во второй камере обычно на 20--50°С выше, чем в первой. Усилие для вытяжки полиэфирного жгута развесом 30--100 г/м колеблется соответственно от 4 до15 кН. Кратность вытяжки волокна, устанавливаемая по отношению частоты вращения цилиндров первого и последнего вытяжного стана, составляет в зависимости от типа штапельного волокна 1:(3--5). При двухстадийном процессе жгут вытягивают на 300--400% между первыми двумя станами и на 50--100%--между вторым и третьим станами. Линейная скорость выхода жгута с вытяжной машины составляет 100--200 м/мин, иногда--до400 м/мин. В некоторых случаях, когда требуется получить волокно с низким удлинением (до 30--40%) и небольшим отклонением механических свойств от заданной величины, жгут после вытяжки подвергают дополнительной операции -- так называемой стабилизации удлинения, которая проводится в обогреваемой до 200°С камере при растяжении на 2--4% (или усадке на 1--2%).

Гофрировка жгута. Гофрировкой жгута называется технологический процесс придания волокну извитости. Шерстеподобные свойства полиэфирного волокна и способность его к переработке как в смеси с шерстью, хлопком и другими волокнами, так и в чистом виде во многом зависят от формы отдельных элементарных нитей, в частности от степени и устойчивости их извитости. Обычно степень извитости штапельного волокна лавсан составляет 3--7 извитков на 1 см. Жгут гофрируется в специальной машине 8 (рис. 6), в которой он захватывается двумя плотно прижатыми друг к другу металлическими вальцами и направляется в набивочную камеру. Сила прижима вальцов достигает 10--12 МПа.

Вальцы непрерывно напрессовывают в камеру отрезки жгута, которые периодически выталкиваются оттуда вновь поступающими нитями. Извитость волокна проявляется в результате механического сжатия и прессования жгута в камере. Устойчивость извитости можно дополнительно повысить предварительной обработкой жгута острым паром перед поступлением его в гофрировочную машину. Для равномерного нанесения гофра на волокно жгут должен подаваться в камеру под определенным и постоянным натяжением. Постоянство натяжения создается системой компенсирующих роликов 7 (рис. 6), один из которых свободно лежит на жгуте, и по его относительному перемещению регулируется скорость гофрировки.

Термофиксация жгута проводится для получения устойчивой формы извитка; снижения температурной усадки (особенно при тепловых обработках готовых изделий); снятия внутренних напряжений в волокне, возникающих при ориентационном вытягивании; стабилизации физической структуры ПЭТ; повышения равномерности при поверхностном крашении и улучшения эксплуатационных характеристик волокна, в частности несминаемости тканей и изделий из них. Из гофрировочной камеры жгут по специальному лотку выталкивается в жгутораскладчик, который равномерно, перпендикулярно оси движения транспортера раскладывает жгут на металлическую сетчатую ленту. Жгут на ленте находится в свободном (без натяжения) состоянии.

Лента с небольшой скоростью (0,6--1,0 м/мин) движется в горизонтальный аппарат термофиксации длиной от 10 до 20 м. Аппарат разделен на несколько (пять-семь) зон обогрева, где при циркуляции горячего воздуха поддерживается температура 110--150°С. Продолжительность сушки (после гофрировки жгут содержит до 10--20% влаги) и термофиксации обычно составляет 15--20 мин. При этих условиях волокно усаживается на 15--17%. Остаточная усадка готового волокна в кипящей воде не превышает 1--3%. Сушку и термофиксацию полиэфирного жгута можно проводить и в аппаратах барабанного типа 9 (рис. 6). Внутри таких аппаратов имеется от пяти до десяти барабанов диаметром 600--800 мм с перфорированной металлической поверхностью. Жгут в свободном состоянии раскладывается по длине барабанов и перемещается при их вращении. Горячий воздух проходит через толщу жгута внутрь барабана, прижимая волокно к его поверхности.

Для устранения электризации полиэфирного волокна при текстильной переработке жгут после термофиксации и охлаждения обрабатывают из форсунок антистатическими препаратами (например, ОС-20, ОП-10, альфоноксом, карбоноксом и др.), содержание которых на готовом волокне должно быть не ниже 0,3--0,5%. Обработку антистатическими препаратами можно проводить перед гофрировкой жгута или после его тепловой обработки

Резка жгута и упаковка волокна. Выходящий из аппарата термофиксации жгут перед поступлением в резательную машину должен быть охлажден для устранения склеивания отдельных волоконец при резке и предотвращения быстрого выхода ножей из строя. Жгут, проходя по воздуху расстояние около 10--15 м, охлаждается. Длина резки волокна регулируется числом ножей на вращающихся дисках, числом прорезей на делительных колесах и частотой вращения дискового ножа. Длина волокна лавсан, предназначенного для переработки с хлопком, составляет 35--40 мм, а для переработки с шерстью и льном -- 65 мм и выше. Скорость резки полиэфирного волокна зависит от конструкции машины и развеса исходного жгута и поэтому колеблется в широких пределах: от 70 до 250 м/мин. Созданы машины для резки жгутов очень больших развесов (до 500 г/мин). Если резательная машина расположена внизу, на одном уровне с упаковочным прессом, то штапельки засасываются вентилятором в трубу пневмотранспортом и подаются в пресс, где волокно упаковывается в кипы определенного размера и массы (до 150--200 кг). Производительность одного пресса с двумя упаковочными камерами -- до 25--30 т/сут.

После резки волокно свободно ссыпается в пресс для упаковки. Значительная часть полиэфирного волокна линейной плотностью 0,333 и 0,420 текс, предназначенного для переработки в камвольной промышленности на пассифик-конверторах, выпускается в виде суровых и окрашенных жгутов развесом 30--70 г/м. Жгуты упаковывают в картонные коробки, рассчитанные на 80--100 кг волокна.



Заключение

1) В настоящей работе рассмотрены процессы получения полиэтилентерефталата из диметилтерефталата и этиленгликоля.

2) Описаны физико-химические свойства веществ, используемых для получения полиэфирных волокон, а также веществ, выделяющихся в результате химических превращений, как побочные продукты.

3) Приведена технологическая схема непрерывного производства полиэтилентерефталата с прямым формованием полиэфирного волокна из расплава.

4) Представлено дополнительное оборудование, используемое в процессе формования волокон.

5) Рассмотрена технологическая линия получения штапельного полиэфирного волокна и его последующая обработка.



Список литературы

1. Лаврентьева. Е.П. Полиэфирные волокна и нити в сырьевом балансе текстильной промышленности // ЛегПромБизнес. - 2007. - № 1, 2,3

2. Перепёлкин К.Е. Современные химические волокна и перспективы их применения в текстильной промышленности // Российский химический журнал - 2002. - №1, с. 31-48

3. Айзенштейн Э.М. Полиэфирное волокно с пониженной горючестью [Электронный ресурс] / Э.М. Айзенштейн, - Режим доступа: http://www.textileclub.ru. Дата обращения: 06. 04. 2011.

4. Петухов Б.В. Полиэфирные волокна / Б.В. Петухов. - М.: «Химия», 1976. -272 с.

5. Ряузов А.Н. Технология производства химических волокон / А.Н. Ряузов. - М.: Химия, 1980. - 448с.

6. Strobaugh R.B., Ray G.G., Spinek R.A.// HydrocarbonProcess -

1970, № 10, р. 105.

7. Ашкинази Я.Б. Исходные материалы и некоторые полупродукты в производстве искусственных смол / Я.Б.Ашкинази. - М.: ГОНТИ, Ред. хим. лит., 1938. - 540 с.

8. Пат. США 2152852, 2153064, 2258444, 2285448, 2305104, 2451333; англ. пат. 575380.

9. Бельг. пат. 793086.

10. Зазулина З.А. Основы технологии химических волокон: Учебник для вузов.-2-е изд., перераб. и доп. / З.А. Зазулина, Т.В. Дружинина, А.А. Конкин. - М.: Химия, 1985.- 304 с.

11. Энциклопедия полимеров: в 3 т. / ред. В.А. Каргин (глав. ред.) и др. Т.3; П-Я. М.: «Советская Энциклопедия», 1977. - 1152 стб.

12. Доломатова Л.А. Основы технологии химических волокон: учебное пособие / Л.А. Доломатова. - Уфа: Уфимск. Гос. Академия экономики и сервиса, 2007. - 80 с.

13. Доломатова Л.А. Химия и технология химических волокон. Методические указания по выполнению курсовых работ / Сост.: Л.А. Доломатова. - Уфа: Уфимск. Гос. Академия экономики и сервиса, 2007. -25 с.

Размещено на Allbest.ru