Получение полиэфирного волокна непрерывным методом
КУРСОВАЯ РАБОТА
По
дисциплине
Химия
и технология химических волокон
Тема:
Получение
полиэфирного волокна непрерывным методом
Содержание
Введение
.
Литературный обзор
.
Общая характеристика химико-технологического процесса
.1
Физико-химические свойства исходных реагентов и продуктов
.2
Технологические стадии процесса получения полиэфирного волокна
.2.1
Синтез дигликолевого эфира терефталевой кислоты
.2.2
Синтез полиэтилентерефталата
.
Технологическая схема непрерывного процесса получения полиэтилентерефталата
.1
Формование полиэфирных волокон
.2
Технологическая схема получения штапельного полиэфирного волокна
.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:
) поверхностная обработка антипиренами (АП)
ткани, полотна или готового изделия;
2) физическая модификация волокна (введение
АП путем аддитивного смешения с полимером);
) 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 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 σ-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 Технологические стадии процесса
получения полиэфирного волокна
.2.1 Синтез дигликолевого
эфиратерефталевой кислоты
Дигликолевый эфир терефталевой кислоты:
[ди-(β-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:
- 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 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.
) 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:
- 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.
.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 θ между
вертикалью и направлением нити в момент ее наматывания на торец прядильной
паковки. Естественно, что схема б обеспечивает уменьшение угла θ
и
тем самым получение более равномерной нити по двойному лучепреломлению и
линейной плотности. Угол θ 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]:
) комплектования невытянутого жгута;
) ориентационной вытяжки жгута;
) гофрировки жгута;
) термофиксации жгута;
) 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:
- 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.
.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.
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.
) Приведена технологическая схема
непрерывного производства полиэтилентерефталата с прямым формованием
полиэфирного волокна из расплава.
) Представлено дополнительное
оборудование, используемое в процессе формования волокон.
) 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.
. Петухов
Б.В. Полиэфирные волокна / Б.В. Петухов. - М.: «Химия», 1976. -272 с.
. 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.
. 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.
. Бельг.
пат. 793086.
. 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.
. Энциклопедия
полимеров: в 3 т. / ред. В.А. Каргин (глав. ред.) и др. Т.3; П-Я. М.:
«Советская Энциклопедия», 1977. - 1152 стб.
. Доломатова
Л.А. Основы технологии химических волокон: учебное пособие / Л.А. Доломатова. -
Уфа: Уфимск. Гос. Академия экономики и сервиса, 2007. - 80 с.
. 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.