ТЕХНОЛОГІЇ ХІМІЧНИХ ВИРОБНИЦТВ ТА НАФТОПЕРЕРОБЛЕННЯ
Класифікація пластмас
Пластмаси - матеріали, що одержують на основі природних або синтетичних полімерів, здатні при нагріванні переходити до пластичного стану і під тиском здобувати форму, що стійко зберігається після охолодження або тужавіння і при подальшій експлуатації.
В залежності від складу:
Прості (ненаповнені) пластмаси складаються тільки з полімерів (іноді з добавкою пластифікатора). До них відноситься поліетилен, полівінілхлорид, полістирол, органічне скло.
Складні (наповнені) пластмаси містять, крім полімерів, ряд компонентів в залежності від вимог до властивостей матеріалу. До них відносяться фенопласти, амінопласти і т. п., наприклад, пластикат полівінілхлориду, що містить полівінілхлорид, пластифікатор, наповнювач і інші компоненти.
Основні компоненти складних пластмас: сполучні речовини, наповнювачі,пластифікатори, змащувальні речовини, речовини, що сприяють затвердінню, каталізатори, стабілізатори, барвники та ін.
Загальні властивості пластмас
Найважливіші фізико-механічні властивості пластмас — мала густина, легкість, досить високі міцність та електроізоляційна властивість, хімічна стійкість, низька теплопровідність. Крім того, пластмаси можуть бути оптично- і радіопрозорими, пружними або еластичними. З них легко формуються вироби.
1. Механічні властивості пластмас значною мірою залежать від наявності в їхньому складі наповнювачів. Найбільш високу міцність мають пластмаси з волокнистими або шаруватими наповнювачами (азбест, скловолокно, скляна або бавовняна тканина, папір, деревна шпона).
2. Пластмаси не проводять електричний струм, окремі види їх є найкращими діелектриками в сучасній техніці.
3. Не взаємодіють з кислотами, лугами, що використовується в хімічному машинобудуванні.
4. Пластмаси, що характеризуються низьким коефіцієнтом тертя і швидкістю зношування, використовуються для виготовлення підшипників ковзання, що не вимагають змащення або в яких в якості мастильного матеріалу використовуються вода та водні емульсії.
Недоліки:
1. Низька теплостійкість (70...250 °С), хоча деякі пластмаси перебувають у робочому стані при нагріванні до 300...350 °С.
2. При нагріванні пластмас відбувається значне збільшення їхнього об’єму. Це в поєднанні з малою теплопровідністю пластмас обумовлює значні залишкові внутрішні напруження у виробах, появу в них тріщин при різких змінах температури.
3. Здатність до старіння, тобто зниження з часом показників деяких фізико-механічних властивостей.
Технологія одержання виробів із пластмас
Вироби з пластмас найчастіше одержують методами: гарячого пресування, лиття під тиском, екструзії (видавлювання), видування, обробки різанням.
Пресування застосовується головним чином для переробки термореактивних пластмас. Пресуванням гарячим способом одержують також шаруваті матеріали, що являють собою тканину, папір або деревну шпону, просочені розчином фенолоальдегідної смоли або карбамідної смоли і спресовані в аркуші, трубки або профілі.
Лиття під тиском найбільш раціональне при використанні термопластичних пластмас як формувального матеріалу. При цьому способі розм’якшена при нагріванні пластмаса видавлюється через ливникові канали в порожнини закритої форми.
Екструзія (видавлювання) є окремим випадком лиття під тиском. Цим способом із пластмас виготовляють труби, прутки, різні профілі, а також наносять ізолюючу оболонку на електропроводи.
Видування застосовується для формування порожніх і відкритих виробів з термопластичних матеріалів. Заготовка у вигляді нагрітих листа, трубки або двох листів розміщується між двома половинками роз’ємної металевої форми, що має отвори (сопла) для підведення гарячого повітря, що нагнітається під лист, у трубку або між листами. Розм’якшена заготовка під тиском повітря витягується і заповнює форму. Цим способом одержують вироби з полістиролу, поліакриатів, целулоїду й ацетилцелюлози.
Обробці різанням піддають вироби, виготовлені пресуванням або литтям, для видалення деяких дефектів. Крім цього, різанням виконують отвори, різьблення, пази у виробах, що не можуть бути отримані в процесі їхнього пресування або лиття.
Виробництво полімерних волокон, штучних та синтетичних
Хімічні волокна виробляють з полімерних матеріалів і залежно від вихідного полімеру, що утворює волокно, поділяють на штучні і синтетичні. Штучні волокна виготовляють із сировини природного походження — рослинного, тваринного, мінерального. Зі штучних волокон найбільше виробляють віскозних та ацетатних волокон.
Синтетичні волокна роблять з полімерів, що синтезують хімічним шляхом з відповідних мономерів. Із синтетичних волокон найбільше виробляють капрону (поліамідне волокно), лавсану (поліефірне волокно) і нітрону (поліакрилонітрильне волокно).
Технологія одержання хімічних волокон складається з таких стадій:
підготовка прядильної маси;
формування волокна;
обробка волокна.
Прядильну масу готують у вигляді прядильного розчину або розплаву полімеру. Прядильний розчин визначеної концентрації (7—25 %) і в’язкості готують розчиненням полімеру в розчиннику; прядильний розплав одержують нагріванням полімеру, що плавиться без розкладання, до температури плавлення.
Формування волокон проводиться продавлюванням прядильної маси через фільєру-ниткоутворювач, що являє собою металевий ковпачок, у денці якого є безліч дрібних отворів.
Кожен струмок, що виходить з отвору фільєри, твердіє з утворенням найтоншого волокна. Подальший процес формування здійснюють витягуванням елементарних волокон за допомогою пристосувань, що намотують. Сформовані пучки елементарних волокон скручуються в безперервну нитку або ріжуться на короткі відрізки (30—150 мм), утворюючи штапельне волокно, з якого потім прядуть нитки так само, як з бавовни.
Обробка волокна включає видалення домішок ретельним промиванням, відбілювання, фарбування, сушіння і деяку текстильну підготовку (замаслювання, крутіння, перемотування).
З відомих штучних волокон найбільше використовуються віскозні волокна. Основною сировиною для виробництва віскозного волокна служить деревна сульфітна целюлоза, що надходить для переробки у вигляді аркушів розміром 600-800 мм. Спрощена технологічна блок-схема виробництва віскозного волокна представлена на рис.
Вихідну целюлозу спочатку обробляють 20 % розчином NaOH для очищення від домішок (елемент 1). Як наслідок утворюється нова хімічна сполука — лужна целюлоза (алкалицелюлоза):
[C6H7O2(OH)3]n + nNaOH [C6H7O2(OH)2ONa]n + nH2O.
При цьому домішки переходять у розчин. Набряклі аркуші лужної целюлози віджимають від надлишку NаОН і витримують у полімеризаторі (елемент 2) для окиснення киснем повітря і зменшення ступіня полімеризації n, потім целюлозу обробляють сірковуглецем (елемент 3) при 25—30 °С протягом 2—3 годин, внаслідок чого утворюється оранжево-жовтий ксантогенат целюлози:
Цей продукт, на відміну від вихідної і лужної целюлози, добре розчинний у 4—7 % розчині NаОН. Одержуваний вязкий лужний розчин ксантогенату целюлози (елемент 4) — прядильний розчин — перед формуванням витримують протягом 16—20 годин (елемент 5). Для очищення і видалення пухирців повітря прядильний розчин у період дозрівання фільтрують і відстоюють у баках під вакуумом (елемент 6). Підготовлений прядильний розчин попадає на прядильну машину (елемент 7). Фільєра занурена в осаджувальну ванну, що містить водний розчин реагентів, які коагулюють (сірчана кислота, сульфати натрію і цинку) — сірчана кислота нейтралізує невикористаний луг і розкладає ксантогент целюлози з утворенням волокон з регенерованої целюлози:
Віскозні волокна далі піддають витягуванню, укладанню, обробці й пакуванню. На основі віскози промисловість випускає різноманітний асортимент матеріалів — шовкові, штапельні і кордні тканини, штучний каракуль, плівковий целофан.
Синтетичні волокна одержують із синтетичних полімерів - гетероланцюгових (поліамідів, поліефірів, поліуретанів) і карболанцюгових (поліакрилонітрилу, політетрафторетилену, поліпропілену). Волокно капрон одержують з поліамідної смоли шляхом формування з розплаву. Вихідну смолу одержують термічною полімеризацією циклічного мономера-капролактама:
Капрон та інші поліамідні волокна мають високу міцність на розрив, чудову стійкість до стирання, еластичність, стійкість до дії мікроорганізмів. Капрон використовують для виготовлення високоякісного корду, парашутів, привідних ременів та інших технічних виробів, а також предметів побутового призначення.
Поліакрилонітрильне волокно (нітрон) одержують полімеризацією акрилонітрилу у водній суспензії в присутності пероксидних сполук.
Акрилонітрильні волокна на вигляд дуже схожі на вовну і застосовуються для виробництва трикотажних виробів, килимів, хутра та ін.
Економічна перевага виробництва хімічних волокон полягає в тому, що воно має практично необмежене джерело дешевої і доступної сировини-продуктів переробки палива - нафти, газу, кам’яного вугілля і деревини. При рівних витратах праці хімічних волокон можна одержати більше, ніж природних. Так, на одержання 1т бавовни потрібно 1660 люд.-г, 1т натурального шовку — 35000 люд.- г, а на 1т штапельного волокна нітрон — 225 люд. г.
Хімічні волокна використовуються в багатьох галузях народного господарства, однак з них, як правило, не виготовляють тканини для пошиття натільної білизни, тому що синтетичні волокна менш гігієнічні, ніж штучні і натуральні, не всмоктують воду, електризуються.