Получение полиимидазольного волокна

 

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

«Могилевский государственный университет продовольствия»

 

Кафедра химической технологии высокомолекулярных соединений

 

 

 

ПОЛУЧЕНИЕ ПОЛИИМИДАЗОЛЬНОГО ВОЛОКНА

 

Курсовая работа

по дисциплине «Физико-химические основы формования

химических волокон и пленок»

 

Специальность 1 − 48 01 02 Химическая технология органических веществ, материалов и изделий

  Специализация 1 − 48 01 02 02 Технология химических волокон

 

 

 

 Руководитель работы                                      Выполнила             

 Ст.преподаватель                                            студентка группы ТХВ-111

              А.Г. Харитонович                                                         А.В. Туманова                  

 «___»___________2014 г.                               «___»___________2014 г.

                                                                   

 

 

 

Могилев 2014

Содержание

 

Введение

1 Литературный обзор

2 Выбор и обоснование  технологического процесса

2.1 Сырье для получения  полимера

2.2 Описание технологической  схемы синтеза полимера

2.3Априорный анализ характеристик полимера (Тпл, Тс и Ттд) и анализ вариантов переработки полимера в пленочные материалы 2.4 Подбор растворителя  путем расчета параметров растворимости 2.5 Описание технологической схемы получения волокна

3 Свойства и области  применения готовой продукции 4 Расчёт фильерной вытяжки и гидродинамического сопротивления ванны

Список  использованных источников

 

 

 

 

 

Введение

По мере развития науки и техники к химическим волокнам предъявляют новые требования, которым не удовлетворяют серийно  вырабатываемые волокна. Для ракето- и самолётостроения в большом количестве требуются термостойкие и жаростойкие  волокна, которые могут работать при температурах от 300 до 3000ºC.

Полиимидазол

 

 

 

 

1 Литературный обзор

Полиимидазол — полимер, содержащие в основной цепи имидазольный цикл . Молекулярная масса  достигает 3000—6000 . Он растворим в муравьиной кислоте и амидных растворителях, таких как диметилформамид. Большинство полимеров бесцветные, однако полимеры с ярко выраженной системой сопряжения в цепи имеют темный цвет. Полимеры могут иметь кристаллическое или аморфное строение, быть термопластичными и термореактивными. Сшитая структура получается при введении сшивающих агентов. Волокна огнестойки и термостойки. Композиции на основе полиимидазолов могут использоваться в качестве абляционных теплозащитных материалов. Антифрикционные материалы — АСП-пластики обладают термостойкостью и самосмазывающимися свойствами.

Основные характеристики:

1. чрезвычайно высокая максимально-допустимая рабочая температура на воздухе
2. отличная способность сохранять механическую прочность, жесткость и сопротивление ползучести в широком диапазоне температур
3. отличные фрикционно-износные свойства
4. крайне низкий коэффициент линейного теплового расширения
5. отличная стойкость к излучению высокой энергии (гамма- и рентгеновское излучение)
6. низкая собственная воспламеняемость
7. хорошие электроизоляционные и диэлектрические свойства.

 

Полиимидазол используют для изготовления клеев, лаков, пленок, волокон, связующих для стеклопластиков, абляционной теплозащиты, антифрикционных материалов.

 

Стеклопластики на основе данного полимера используются для из-

готовления деталей ракет и самолетов, ткани из полиимидазольного волокна — для изготовления летных и других специальных костюмов, наспинных ранцев, привязных ремней для летчиков, надувных спасатель-

ных жилетов.

2.  
   Выбор и обоснование технологического процесса

 

2.1 Сырье для  получения полимера

2.1.1. Хлор. Хлор является химически активным неметаллом. Входит в группу галогенов. Молекула хлора двухатомная (формула Cl2). Газообразный хлор относительно легко сжижается. Начиная с давления в 0,8 МПа (8 атмосфер), хлор будет жидким уже при комнатной температуре. При охлаждении до температуры в −34 °C хлор тоже становится жидким при нормальном атмосферном давлении. Жидкий хлор — жёлто-зелёная жидкость, обладающая очень высоким коррозионным действием (за счёт высокой концентрации молекул). Повышая давление, можно добиться существования жидкого хлора вплоть до температуры в +144 °C.

2.1.2. Аммиак. Аммиак  NH3, нитрид водорода, при нормальных условиях — бесцветный газ с резким характерным запахом (запах нашатырного спирта). Плотность аммиака почти вдвое меньше, чем у воздуха, ПДКр.з. 20 мг/м3 — IV класс опасности (малоопасные вещества) по ГОСТ 12.1.007. Растворимость NH3 в воде чрезвычайно велика — около 1200 объёмов (при 0 °C) или 700 объёмов (при 20 °C) в объёме воды. В жидком аммиаке молекулы связаны между собой водородными связями. Сравнение физических свойств жидкого аммиака с водой показывает, что аммиак имеет более низкие температуры кипения (tкип −33,35 °C) и плавления (tпл −77,70 °C), а также более низкую плотность, вязкость (вязкость жидкого аммиака в 7 раз меньше вязкости воды), проводимость и диэлектрическую проницаемость. Жидкий аммиак — хороший растворитель для очень большого числа органических, а также для многих неорганических соединений. 

2.1.3. Ацетилен. Ацетилен- непредельный углеводород C2H2. Имеет тройную связь между атомамиуглерода, принадлежит к классу алкинов. При нормальных условиях — бесцветный газ, легче воздуха. Чистый 100 % ацетилен не обладает запахом, однако технический ацетилен содержит примеси, которые придают ему резкий запах. Малорастворим в воде, хорошо растворяется в ацетоне. Температура кипения −83,6 °C. Тройная точка −80,55 °C при давлении 961,5 мм. рт. ст., критическая точка 35,18 °C при давлении 61,1 атм.

Ацетилен требует большой осторожности при обращении. Может взрываться от удара, при нагреве до 500 °C или при сжатии до 1,4 атм.

2.1.4. Карбамид. Карбамид (мочевина)- химическое соединение (NH2)2CO, диамид угольной кислоты. Бесцветные кристаллы без запаха, кристаллическая решетка тетрагональная (а = 0,566 нм, b= 0,4712 нм, c = 2); претерпевает полиморфные превращения.

Мочевина хорошо растворима в полярных растворителях (вода, жидкие аммиак и сернистый ангидрид), при снижении полярности растворителя растворимость падает, нерастворима в неполярных растворителях (алканы,хлороформ).

 

 

 

 

2. Описание технологической схемы синтеза.

 

Синтез данного  полимера получают постадийно из 4 основных компонентов: ацетилен, хлор, аммиак и карбамид. На рис.1 представлена схема производства полиимидазола.

1, 2, 3- реактор.

Рисунок 1- Схема установки для получения полимидазола.

В первый реактор подают ацетилен и  хлор. Для стабильности производимого процесса, температура и давление поддерживаются постоянными. Полученный дихлорэтен из реактора 1, поступает в реактор 2, в который постепенно дозируется аммиак. В ходе реакции, полученный амин из реактора 2 подаётся в реактор 3. В последний реактор одновременно поступает карбамид. Образование гетероцикла и синтез полимера производится в реакторе 3.

 Данный полимер обладает  высокой чистотой по показателю  ионного загрязнения.

 

 

2.3 Априорный анализ  характеристик полимера (Тс, Тпл и Тд) и анализ вариантов переработки полимера в волокнистые материалы

Приведём формулу полиимидазольного волокна .

2.3.1 Расчет температуры  стеклования

Для практических расчетов удобно использовать следующую формулу:

где (∑ΔVi) - Ван-дер-ваальсовые объемы повторяющихся звеньев, т.е. это собственный объем каждого атома, входящего в элементарное звено; 

аi  –  инкременты,  характеризующие  энергию  слабых (дисперсионных) межмолекулярных взаимодействий в виде усредненного вклада каждого атома в это взаимодействие;

bj  –  инкременты,  характеризующие энергию  сильных (водородных, ди-поль-дипольных и др.) межмолекулярных взаимодействий.

В некоторых случаях для определения инкремента объема атома нет табличных данных. Тогда его можно рассчитать по следующему алгоритму :

= ΔVC,149 –( ΔVN,151 – ΔVN,150) = 5,0 – (1,5-1,3) = 4,8 Ǻ3

Температура стеклования составит:

  =

== 211 K или - 62,15

Расчетная температура стеклования этого полимера находится в области 211 К.

 

2.3.2 Расчет температуры  плавления

        Температура плавления определяется как температура, при которой полимер переходит из стеклообразного состояния в вязкотекучее.

Температура плавления находится из следующего соотношения :

,

ΔVi – инкремент ван-дер-ваальсового объема данного атома;

i – константы, характеризующие вклад каждого типа межмолекулярного взаимодействия, кроме ван-дер-ваальсового.

γi – значение параметра, учитывающего влияние типа межмолекулярного взаимодействия на коэффициент упаковки.

А = kс/(kо – kс) = 10,418.

Температура для данного полимера будет равна:

=

=

 

или 1064,59 .

Расчетная температура плавления полимера составляет 1337,74 К.

2.3.3 Расчет температуры  термической деструкции

 

,

 

где  Кij – параметр, характерный для каждого атома и типа межмолекулярного взаимодействия и зависящий от энергии химических связей, распадающихся в процессе деструкции;

ΔVi – инкремент ван-дер-ваальсового объема данного атома;

 Температура термической  деструкции будет равна:

 

= =

=778,85 K или 505,7 .

Т.к. температура плавления выше температуры начала термической деструкции, то волокно из данного полимера следует формовать по растворному способу.

2.4 Подбор растворителя  путем расчета параметров растворимости

          Рассчитаем параметр растворимости полимера и растворителя. Для определения растворимости полимера в органическом растворителе найдем параметр растворимости δ:

,

Где - эффективная энергия когезии ;

∑ΔVi - Ван-дер-ваальсовые объемы ;

NА- число Авогадро.

 Рассчитаем параметр растворимости для данного полимера:

 

ΣΔE = 3 + 3 + = 3 550,7 + 3 + 3615- 323= 5373,4 (кал/моль).

= 11,216

 

 

Проверим растворимость данного полимера в диметилформамиде.

 диметилформамид

     (/

           Для определения инкремента объёма  атома нет табличных данных, поэтому  необходимо определить инкремент  объема атома углерода, обрамленного  следующими атомами   , отличающегося от атома углерода в комбинации 64 (см. Приложение А) тем, что к нему присоединен атом водорода, а не углеродный атом. Изменение объема рассчитывается  и разности значений и.

Имеем == 9-5 = 4

Следовательно, инкремент объема искомого атома углерода будет равен  ==14,6+4=18,6

Аналогично рассчитываем атома углерода в группе по :

+ 4=18,3

=+2++= 18,6+218,3+72,0 + 5,85 + 1,5 = 76,55

Отсюда для ДМФ получаем величину параметра растворимости

(Дж/см3)0,5

          Предварительную оценку растворимости  полимера можно проследить, сопоставив  величины параметров растворимости  полимера и растворителя.

δр-δп = 0,684< 2 (кал/см3)0,5. Так как эти величины отличаются не более чем на 2 (кал/см3)0,5, то можно считать, что полимер растворяется в данном растворителе.

 
 
 
 
 
 
 

 

2.5 Описание технологической  схемы получения волокна

Для получения полиимидазольного волокона применяется как сухой, так и мокрый способ формования.

Наиболее распространенным в настоящее время технологическим способом формования полиимидазольных  волокон является мокрый способ.. В этом случае можно применять фильеры с большим числом отверстий (до несколько сотен тысяч), что компенсирует недостаток мокрого способа – низкую скорость формования.