Синтетичні волокна. Поліестерові й поліамідні волокна, їхній склад, властивості, використання
II Семестр
Тема 6. СИНТЕТИЧНІ ВИСОКОМОЛЕКУЛЯРНІ РЕЧОВИНИ Й ПОЛІМЕРНІ МАТЕРІАЛИ НА ЇХНІЙ ОСНОВІ
Урок 61
Тема уроку. Синтетичні волокна. Поліестерові й поліамідні волокна, їхній склад, властивості, використання
Цілі уроку: формувати знання учнів про синтетичні волокна на прикладі поліестерових і поліамідних волокон; ознайомити учнів зі складом, властивостями й застосуванням синтетичних волокон; показати значення хімії у створенні нових матеріалів.
Тип уроку: комбінований урок засвоєння знань, умінь і навичок і творчого застосування
Форма роботи: семінар.
Лабораторний дослід 2. Реакція синтетичних волокон на нагрівання, розчини кислот і лугів.
ХІД УРОКУ
I. Організація класу
II. Актуалізація опорних знань.
Мотивація навчальної діяльності
Фронтальна бесіда
1) Наведіть приклади відомих вам волокон. (Записуємо на дошці приклади, які пропонують учні.)
2) На які дві групи поділяються волокна за походженням?
– Натуральні;
– хімічні.
Пропонуємо учням розподілити записані на дошці приклади волокон по класах.
До натуральних волокон належать волокна природного (рослинного, тваринного,
III. Вивчення нового матеріалу
СИНТЕТИЧНІ ВОЛОКНА. ПОЛІЕСТЕРОВІ Й ПОЛІАМІДНІ ВОЛОКНА, ЇХНІЙ СКЛАД, ВЛАСТИВОСТІ, ВИКОРИСТАННЯ
Вступне слово вчителя
До синтетичних належать поліамідні, поліестерові, поліакрилонітрильні, полівінілхлоридні, полівінілспиртові, поліпропіленові та інші волокна, що не мають природних аналогів за властивостями і складом.
До поліамідних волокон належать капрон, анід, етант. Тіло цих волокон має циліндричну форму, поперечний переріз їх залежить від форми отвору фільєра, крізь який продавлюються полімери.
Поліамідні волокна вирізняються високим відносним розривним зусиллям, стійкі до стирання, багаторазового вигину, мають високу хімічну стійкість, морозостійкість, стійкість до дії мікроорганізмів.
Головними їхніми недоліками є низькі гігроскопічність і світлостійкість.
До поліестерових волокон належить лавсан. У поперечному перерізі волокно лавсану має форму кола. Відносне розривне зусилля в лавсану трохи нижче, ніж у поліамідних волокон. На відміну від капрону лавсан руйнується внаслідок дії на нього кислот і лугів, гігроскопічність його нижча, ніж у капрону, тому в чистому вигляді лавсан не застосовується. Недоліком волокна є його підвищена твердість і здатність до пілеутворення (здатність до утворення на поверхні матеріалу згорнених у грудочки кінців волокон-пілів).
До поліакрилонітрильних волокон належить нітрон, що зовні нагадує вовну. Поверхня волокна гладенька з гантелеподібним поперечним перерізом. Нітрон вирізняється високим відносним розривним зусиллям, що в мокрому стані не змінюється, і пружністю. Нітрон не пошкоджується міллю й мікроорганізмами, має високу стійкість до ядерних випромінювань. За стійкістю до стирання нітрон поступається поліамідним і поліестеровим волокнам. Крім того, він характеризується низькою гігроскопічністю, сильною здатністю електризуватися, низькою теплопровідністю й високою світлостійкістю.
До полівінілхлоридних волокон належить хлорин, що порівняно з іншими синтетичними волокнами й бавовною характеризується меншими відносним розривним зусиллям, пружністю, стійкістю до стирання, гігроскопічністю, світло – й термостійкістю.
До групи полівінілспиртових волокон входять вінол і мтілан.
Вінол відрізняється від усіх синтетичних волокон підвищеною гігроскопічністю, для нього характерними є висока стійкість до стирання й низька теплопровідність.
Мтілан має антимікробні властивості й використовується в медицині.
До поліуретанових волокон належить спандекс – волокно, що має низьку гігроскопічність і теплостійкість, високі світлостійкість, стійкість до стирання, але не дуже великим відносним розривним зусиллям.
Особливістю всіх поліуретанових волокон є їхня висока еластичність: розривне подовження їх досягає 800 %.
Порівняймо головні характеристики поліамідних і поліестерових волокон.
Пропонуємо учням захистити групові або індивідуальні проекти про волокна за планом:
– Загальна характеристика
– Головні етапи виробництва
– Властивості й застосування
– Торговельні марки, асортименти
– Головні недоліки
Група 1
Поліамідні волокна – синтетичні волокна, що формуються з поліамідів. Близько 98 % від загального виробництва поліамідних волокон становлять волокна з аліфатичних поліамідів, причому переважна маса з них виробляється з полі-е-капроаміду (виробляється під торговельними назвами капрон, найлон-6, амілан, дедерон, стілон, ліліон, релон, перлон, відлон, хемлон, енкалон та ін.) і полігексаметиленадипінаміду (найлон-6,6, анід, леона, глацем та ін.).
Одержання. Технологічний процес одержання поліамідних волокон передбачає такі стадії: синтез полімеру, формування й витягування, текстильна обробка волокна. Цей поділ трохи умовний, тому що сучасна технологія зазвичай передбачає поєднання окремих стадій аж до цілком безперервного процесу.
Полімер синтезують зазвичай на тому самому підприємстві, на якому виробляють волокно. В одержуваному полі-е-капроаміді міститься до 10 % низькомолекулярних сполук (переважно мономер та його нижчі олігомери). Наявність їх у полімері утруднює наступне формування волокна й негативно позначається на його властивостях, тому для видалення низькомолекулярних сполук полімер піддають так званій демономеризації – вакуумуванню розплаву або водній обробці полімерного грануляту, який після цього (уміст води – 7-10 %) сушать у струмі нагрітого азоту, попередньо очищеного від кисню (уміст O2 не повинен перевищувати 0,0003 %). Кількість залишкової вологи залежить від умов формування волокна й молекулярної маси полімеру. Уміст низькомолекулярних сполук у готовому полімері, як правило, не перевищує 1-2 %, вологість становить 0,05-0,1 %.
Для одержання волокноутворювальних поліамідів застосовують високоавтоматизовані безперервні технологічні процеси. У виробництві поліамідних волокон важливе значення має якість вихідного полімеру: 1) лінійність молекулярної структури; 2) однорідність його фізико-хімічних властивостей; 3) відсутність механічних включень і гель-часточок.
Аліфатичні поліамідні волокна зазвичай формують з розплавів. У разі використання грануляту полімер розплавляють в екструдерах за температури 260-300 °C в атмосфері інертного газу; розплав фільтрують і дозувальними насосами подають у фільєрний комплект, де він ще раз фільтрується й продавлюється крізь отвори фільєрів. Під час формування волокон безпосередньо з розплаву останній подають до дозувальних насосів з допомогою шнекових або шестерних насосів. Один прядильний блок може складатися з одного-шістнадцяти фільєрів.
Виходячи з фільєра, струмки рідкого полімеру охолоджуються холодним повітрям у спеціальних прядильних шахтах (формування сухим способом). Сформована нитка зі швидкістю 8-100 м/с надходить на намотувальний пристрій.
Фарбування поліамідних волокон зазвичай здійснюють у масі, тобто барвник уводять у розплав полімеру перед формуванням волокна.
Види поліамідних волокон, що виробляють: мононитки, комплексні нитки з числом елементарних ниток 3-400, у тому числі для текстильної переробки й технічних цілей, текстуровані нитки, нитки для килимів і меблевих тканин, штапельне волокно, неткані матеріали.
Властивості. Фізико-хімічні властивості поліамідних волокон залежать від хімічної природи й молекулярної маси вихідного поліаміду, структурних особливостей волокна. З підвищенням молекулярної маси поліаміду поліпшуються міцність, модуль деформації під час розтягування, характеристики втоми та інші фізико-механічні показники волокон.
Поліамідні волокна характеризуються високою міцністю на розтягування, стійкістю до знакозмінних деформацій, високим опором до ударних навантажень і стирання. Недоліки поліамідних волокон з аліфатичних поліамідів: порівняно низька гігроскопічність, що є причиною їх високої здатності електризуватися, відносно низький модуль деформації в разі розтягування й низькі тепло-, термо – та світлостійкість. Для підвищення стійкості поліамідних волокон до окиснення внаслідок термічних і фотохімічних впливів у вихідний полімер можна вводити різні антиоксиданти (ароматичні аміни й феноли, бензимідазоли, органічні й неорганічні солі перехідних металів, комплексні сполуки, що містять Cu, та ін.). Інтервал робочих температур для волокон з аліфатичних поліамідів становить 80-150 °C.
Поліамідні волокна розчиняються у фенолі, крезолах, ксилолі, трихлоретані, хлороформі, бензиловому спирті, нітробензені, ДМСО, диметилацетаміді, ДМФА (особливо в поєднанні з LiCl), а також у деяких флуоропохідних спиртів і карбонових кислот. Не розчиняються в аліфатичних спиртах, ацетоні, CCl4, трихлоретилені, вуглеводнях, етерах і естерах. Поліамідні волокна нестійкі в концентрованих кислотах, особливо мінеральних. Луги помірних концентрацій не мають помітного впливу на поліамідні волокна, однак з підвищенням температури й концентрації деструктивний вплив лугів зростає. Концентрація розчину NaOH, що спричиняє істотну деструкцію волокна, становить 10-12 %. Міцність волокон мало знижується після перебування в 10-20%-х розчинах Na2CO3 і в розчинах амоніаку будь-якої концентрації за кімнатної температури.
Унаслідок уведення в макромолекули аліфатичних поліамідів ароматичних або аліциклічних фрагментів у випадках ізоморфного заміщення підвищуються модуль деформації розтягування й термостійкість волокон.
Застосування. Поліамідні волокна широко застосовують для виробництва товарів народного споживання, переважно панчішно-шкарпеткових виробів, трикотажу, тканин для верхнього одягу. У техніці поліамідні волокна використовують для виготовлення шинного корду, гумовотехнічних виробів, рибальських сіток, тралів, канатів, мотузок тощо, фільтрувальних матеріалів для харчової промисловості, щетини (наприклад, для мийних і бавовнозбиральних машин), а також інших виробів. Пофарбовані в масі текстуровані нитки (лінійна густина – 60-330 текс) використовують для виготовлення килимових виробів.
Уперше дослідне виробництво поліамідних волокон було освоєно в США (1938) з полігексаметиленадіпінаміду, з полі-е-капроаміду – у Німеччині (1939). У СРСР промислове виробництво поліамідних волокон почалося 1948 р.
Група 2
Поліестерові волокна – синтетичні волокна, що формуються з поліестерів. Головне промислове значення мають поліестерові волокна з поліетилентерефталату (ПЕТ). Поліестерові волокна одержують також на основі хімічно модифікованого ПЕТ (сополіестерові волокна) і, у значно менших кількостях, – з полікарбонатів, поліетиленоксибензоату, поліксиліленглікольтерефталату, рідкокристалічних поліестерів, полігліколідів та ін.
Поліетилентерефталатне волокно: лавсан, терилен, дакрон, елан, тревір, тетерон, грізутен, тергаль, слотера, терленка, терел та ін.
Одержання. Поліестерові волокна формують з розплаву, використовуючи ПЕТ з молекулярною масою (20-25)-103 (джгут і текстильні нитки) або з молекулярною масою (30-40)-103 (технічні нитки). ПЕТ переробляють за періодичною (з грануляту) і за безперервною (безпосереднє формування з розплаву ПЕТ після його синтезу) схемами. Розплав від одного екструдера розподіляється залежно від тоніни нитки, що формується, на 20-100 фільєрів (кількість отворів у фільєрах під час формування волокон становить 100-2000; технічних ниток – 140-280, текстильних – 8-80; діаметр отворів фільєра – 0,2-0,6 мм). Струмені розплаву, що виходять з фільєра, інтенсивно охолоджуються повітрям у спеціальній шахті формувальної машини й тверднуть. Кількість фільєрів в одній шахті коливається від одного до шістнадцяти. З метою зняття електростатичних зарядів і поліпшення фрикційних властивостей волокно обробляють змащувачами. Після цього воно надходить у приймальний пристрій, конструкція і швидкість якого залежать від виду продукції, що виготовляється.
Поліестерові волокна виробляють у вигляді комплексних технічних (тут і далі лінійна густина – 280-3400 дтекс) і текстильних (30-300 дтекс) ниток, мононитки (діаметр – 0,1-1,5 мм), різаного волокна (1,1-20 дтекс), джгута (1,7-4,4 дтекс, маса 1 м погонного (розважування) – (50 -100) 103 текс), килимового джгутика (2030 тис. дтекс), нетканих матеріалів (на зразок “спан-бон”).
Властивості. Інтервал робочих температур поліестерових волокон – від -60 до 170 °С: температура плавлення – 260 °С; температура нульової міцності – 248 °С; 1,13 кДж/(кг-К). Під дією вогню волокно плавиться, але загоряється важко, після видалення з вогню самозагасає. Для зниження горючості поліестерові волокна обробляють антипіренами (у масі або поверхово, у кількості до 10 % від маси волокна). Поліестерове волокно порівняно атмосферо – й світлостійке: після перебування на сонці впродовж 600 год. втрачає міцність на 60 % (поліамідні волокна за цих умов руйнуються). Електричні властивості: e-2,8-3,2 (25 °С; 50-106 Гц), rs-1014 Ом.
Поліестерове волокно розчиняється в крезолі та інших фенолах; частково руйнується, розчиняючись у концентрованій H2SO4 (вище від 83 %) та HNO3, цілком руйнується внаслідок кип’ятіння в концентрованих розчинах лугів, обробки водяною парою за температури 220 °С упродовж 1 год. Обробка паром за температури 100 °С, через частковий гідроліз ПЕТ, супроводжується зменшенням міцності. Стійкі в ацетоні, CCl4, дихлоретані та інших розчинниках, що використовуються для хімічного очищення, до дії окисників і відновників, мікроорганізмів, молі, килимового жучка.
Головні недоліки поліестерових волокон – труднощі під час фарбування, гідрофобність, здатність електризуватися, схильність до пілінгу (утворення на поверхні виробу скручених волоконець-“кульок”), цупкість виробів, погана здатність драпуватися.
Застосування. Технічну нитку використовують для виготовлення транспортерних стрічок, приводних ременів, канатів, вітрил, рибальських сіток і тралів, бензо – й нафтостійких шлангів, електроізоляційних і фільтрувальних матеріалів та ін. З мононитки виробляють сітки для папероробних машин, щітки для бавовнозбиральних комбайнів і зерноочисних машин, застібки-“блискавки”, струни ракеток, фільтри тощо. Технічну нитку низької лінійної густини (40-50 дтекс) застосовують для обмотки електродротів малого перетину й у медицині (синтетичні кровоносні судини й хірургічні нитки).
З гладеньких текстильних ниток виробляють трикотаж, тканини типу тафти, жоржету, крепу, піку, твіду, атласу, фасонні тканини (трико-мереживо), гардинно-тюлеві вироби, плащові й парасолькові тканини, з текстурованих – тканини для суконь і костюмів, трикотажні вироби, чоловічі й дамські сорочки, дитячий одяг, панчохи, шкарпетки й багато іншого.
Різані волокна застосовують переважно в суміші з вовною, бавовною або льоном (33-67 %). Наявність поліестерових волокон підвищує зносостійкість і міцність, знижує здатність тканин зминатися й сідати, дозволяє зберігати гарний зовнішній вигляд і стійкість форми готових виробів під час їх експлуатації. З поліестерового різаного волокна в чистому вигляді або в суміші з іншими природними й хімічними волокнами виробляють тканини для костюмів, пальт, сорочок, суконь, технічні сукна, неткані матеріали.
Співполіестерові волокна (ділана, велана, тесил, вікрон, грілен та ін.). Недоліки поліетилентерефталатного волокна багато в чому усуваються хімічною модифікацією ПЕТ, наприклад, аліфатичними й ароматичними дикарбоновими кислотами або їхніми естерами, гідроксикислотами, діолами, що містять також інші функціональні групи, полігліколями, сполуками, що містять сульфо – або карбоксильну групу, Фосфор, галоген. Модифіковані добавки вводять на стадії синтезу ПЕТ.
Співполіестерові волокна одержують за тими ж технологічними схемами, що й поліетилентерефталатні, до яких вони подібні також за властивостями та сферами застосування, хоча й мають і низку особливостей. Наприклад, волокно, модифіковане добавкою 6-10%-ї (за масою) суміші диметилізофталату й диметилор тофталату, вирізняється підвищеною усадкою (25-70 %), що робить його цінним для одержання високооб’ємної пряжі в суміші з іншими малоусадковими волокнами, а також для одержання нетканих матеріалів і основи штучної шкіри.
Виробляються також види співполіестерових волокон і ниток, які легко фарбуються, не електризуються, незначною мірою пілінгуються тощо.
Перше промислове виробництво поліетилентерефталатного волокна було організовано в США 1953 р., перше співполіестерове волокно (дакрон Т-64) одержали в США в 1962 р.
IV. Первинне застосування одержаних знань
Стійкість до стирання й опір багаторазовим вигинам поліестерових волокон нижчі, ніж у поліамідних волокон, а ударна міцність вища. Міцність на розтягування поліестерових волокон вища, ніж в інших типів хімічних волокон. Недоліки поліестерових волокон: труднощі фарбування звичайними методами, сильна здатність електризуватися, схильність до пілінгу, цупкість виробів – багато в чому усуваються хімічною модифікацією поліетилентерефталату, наприклад, диметилізофталатом, диметиладипінатом (ці сполуки вводять у реакційну суміш на стадії синтезу поліетилентерефталату). Технічну нитку з поліестерових волокон використовують для виготовлення транспортерних стрічок, приводних ременів, мотузок, канатів, вітрил, рибальських сіток і тралів, бензо – й нафто-стійких шлангів, електроізоляційних і фільтрувальних матеріалів, як шинний корд.
Поліестерові волокна успішно застосовують у медицині (синтетичні кровоносні судини, хірургічні нитки). З моноволокна виробляють сітки для папероробних машин, щітки для бавовнозбиральних комбайнів, струни для ракеток та ін. Текстильна нитка використовується для виготовлення трикотажу, тканин типу тафти, крепів тощо. Методом “несправжнього крутіння” одержують високооб’ємну пряжу типу кримплен і мелан. Штапельне поліестерове волокно застосовують у суміші з вовною, бавовною або льоном. З таких сумішей виробляють тканини для костюмів, пальт, сорочок, суконь, гардинно-тюлеві вироби та ін. У чистому або змішаному вигляді поліестерові волокна використовують для виробництва штучного хутра, килимів. Повсть із поліестерових волокон за найважливішими характеристиками перевершує повсть із натуральної вовни. Торговельні назви поліестерових волокон: лавсан (СРСР), терилен (Велика Британія), дакрон (США), тетерон (Японія), елана (ПНР), тергаль (Франція), тесіл (Чехія) та ін.
Поліамідне волокно (нейлон)
Завдяки своїм експлуатаційним властивостям набуло широкого застосування у виробництві ковроліну як для житлових приміщень, так і для офісів. Волокно можна використовувати не лише в “чистому” вигляді, але також і як добавки до інших матеріалів, наприклад, поліпропілену або вовни.
Поліамід є не лише дуже зносостійким, але й щільним матеріалом, з нього виробляють килими, які тривалий час зберігають свої кольори й текстуру, ворс не зношується внаслідок інтенсивного ходіння й не приминається під вагою меблів. Такі килимові покриття характеризуються простотою догляду, розмаїтістю зовнішнього вигляду й пожежобезпечністю.
V. Підбиття підсумків уроку
Підбиваємо підсумки уроку, оцінюємо роботу учнів на уроці.
VI. Домашнє завдання
Повторити матеріал про оксигеновмісні, нітрогеновмісні органічні сполуки, підготуватися до контролю знань з теми.
(1 votes, average: 5.00 out of 5)
Loading...