Полный текст:
Введение.
Возможность получения
химических волокон из различных веществ (клей, смолы) предсказывалась ещё в
17-18 веках, но только в 1853 году англичанин Аудемарс впервые предложил
формовать бесконечные тонкие нити из раствора нитроцеллюлозы в смеси спирта с
эфиром, а в 1891 году французский инженер И. де Шардонне впервые организовал
выпуск подобных нитей в производственном масштабе.
С этого времени началось
быстрое развитие производства химических волокон:
В 1893 году освоено производство медноаммиачного волокна из растворов
целлюлозы в смеси водного аммиака и гидроокиси меди. В 1893 году англичанами Кроссом,
Бивеном и Бидлом предложен способ получения вискозных волокон из водно-щелочных
растворов ксантогената целлюлозы, осуществлённый в промышленном масштабе в 1905
году. В 1918-1920 годах разработан способ производства ацетатного волокна из
раствора частично омыленной ацетилцеллюлозы в ацетоне, а в 1935 году организовано производство белковых волокон из
молочного казеина. Производство синтетических волокон началось с выпуска в 1932
году поливинилхлоридного волокна (Германия). В 1940 году в промышленном масштабе выпущено наиболее известное
синтетическое волокно – полиамидное
(США). Нить полиамида представляет собой микрофибру.
Микрофибра
– это полиамидный жгут, состоящий из большого числа тонких мононитей.
Рис. 1 Нить нейлона
Полиамид - кристаллизующийся синтетический полимер, содержащий в молекуле амидные
группы, посредством которых соединены между собой мономерные остатки (-CO-NH-).
Это твердые роговидные или прозрачные стеклообразные вещества с низкой
плотностью. Примером полиамида является найлон (анид, полиамид-6,6).
Общепринятым обозначением полиамидов является аббревиатура ПА.
Рис. 2 Полиамид
Полимеры
- химические соединения с высокой мол. массой (от нескольких тысяч до многих
миллионов), молекулы которых (макромолекулы) состоят из большого числа
повторяющихся группировок (мономерных звеньев). Атомы, входящие в состав
макромолекул, соединены друг с другом силами главных и (или) координационных
валентностей.
Основные свойства полиамидов:
обладают высокими прочностными и эксплуатационными
свойствами, способны поглощать вибрацию, в сухом состоянии ломкий;хорошо окрашивается, безопасен для здоровья, обладает
хорошей клейкостью;имеют низкий коэффициент трения в паре с любыми
металлами, поэтому продолжительное время могут работать на истирание;хорошо обрабатывается фрезерованием, точением,
сверлением и шлифованием;стойки к щелочам, маслу, бензину, бензолу,
растворителям, сложным эфирам, спирту; нестойки против озона, соляной кислоты, серной
кислоты, водородной перекиси;устойчивы в тропических условиях.
Технология производства.
Способ получения полиамида:
Полиамид
можно получить синтетически из W-аминокислот. Эти полиамиды получаются
нагреванием циклических лактомов,
образующих посредством бекмановской
перегруппировки оксидов циклических кетонов.
Из расплава этого полимера капроновой смолы вытягиванием формуют волокно -
капрон.
Способ получения полиамида:
Полиамиды
можно получать поликонденсацией
аминокислот.
Поликонденсация – метод синтеза полимеров, при
котором взаимодействие молекул мономера (или мономеров) сопровождается обычно
выделением побочных низкомолекулярных соединений, например воды, спирта.
Фрагмент макромолекулы полиамида энтант
Фрагмент макромолекулы полиамида
рильсана.
Полиамиды, полученные таким способом, идут для
изготовления синтетического волокна, искусственного меха, кожи и пластмассовых
изделий, обладающих большой прочностью и упругостью.
Наибольшее распространение получил капрон, вследствие
доступности сырья и наличие давно разработанного пути синтеза.
Примеры
получения
некоторых
полиамидов.
ПА6,6 (найлон) получают поликонденсацией двух мономеров:
адипиновой кислоты HOOC-(CH2)4-COOHгексаметилендиамина H2N-(CH2)6-NH2.
Цифры в названии означают число атомов углерода между
амидными группами -NH-CO- в структурном звене.
Для обеспечения строгой эквивалентности адипиновой
кислоты и диамина сначала приготовляют их соль (соль АГ) путем смешения
реагирующих веществ в растворе метанола:
H2N(CH2)6NH2+HOOC(CH2)4COOH
® [H2N(CH2)6-NH3]+[OOC-(CH2)4COOH]
Затем нагревают водный раствор или суспензию 60-80%
очищенной соли в автоклаве. По окончании реакции расплавленный полиамид
выдавливается из автоклава в виде непрерывной ленты, которая потом рубится на
"крошку".
Весь процесс поликонденсации и дальнейшие операции с
расплавленным полимером проводят в атмосфере азота, тщательно освобожденного от
кислорода во избежание окисления и потемнения полимера.
ПА6 (капрон) – представитель полиамидов. В промышленности его
получают путем полимеризации производного e - аминокапроновой
кислоты (капролактама). Процесс ведется в присутствии воды, играющей роль
активатора, при температуре 240-270°С и давлении 15-20
кгс/см2 в атмосфере азота.
Благодаря сильному межмолекулярному взаимодействию,
обусловленному водородными связями между группами -CO-NH-, полиамиды,
представляют собой, трудно-растворимые высокоплавкие полимеры с температурой
плавления 180-250°С. Полиамиды применяются, прежде всего, для получения
синтетического волокна. Вследствие нерастворимости в обычных растворителях
прядение ведется сухим методом из расплава с последующей вытяжкой.
Хотя полиамидные волокна прочнее натурального шелка,
трикотаж и ткани, изготовленные из них, значительно уступают по гигиеническим
свойствам из-за недостаточной гигроскопичности полимера. Полиамиды используются
для производства технических тканей, канатов, рыболовных сетей. Шины с каркасом
из полиамидного корда более долговечны. Полиамиды перерабатываются в очень
прочные конструкционные изделия методами литья под давлением, прессования,
штамповки и выдувания.
Мировое производство
химических волокон развивается быстрыми темпами. Это объясняется, в первую
очередь, экономическими причинами (меньшие затраты труда и капитальных
вложений) и высоким качеством химических волокон по сравнению с природными
волокнами.
В 1968 мировое производство химических
волокон достигало 36 % (7,287 миллионов тонн) от объёма производства всех видов
волокон. Химические волокна в различных отраслях в значительной степени
вытесняют натуральный шёлк, лён и даже шерсть. К 1980 году производство
химических волокон достигло 9 миллионов тонн. Предполагается, что уже к 2000
году оно достигнет 20 миллионов тонн в
год и сравняется с объёмом производства природных волокон. В СССР в 1966 году было выпущено около 467 тысяч тонн,
а в 1970 – 623 тысяч тонн.
Применение полиамидов.
Полиамид
- это многофункциональный материал конструкционного и антифрикционного
назначения.
Из полиамидов изготовляют шестерни, втулки,
подшипники, болты, гайки, шкивы, детали ткацких станков, маслобензопроводы,
уплотнители гидросистем, колеса центробежных насосов, турбин, турбобуров,
буксирные канаты и т. д.
Полиамиды используют в электротехнической
промышленности, медицине и, кроме того, как антифрикционные покрытия металлов.
Стеклонаполненные
полиамиды относятся к композиционным материалам, состоящим из
полиамидной смолы, наполненной отрезками стеклянных комплексных нитей. Обладают
небольшой плотностью, высокой прочностью, высокой прочностью к ударным
нагрузкам, хорошей масло- и бензостойкостью, низким коэффициентом трения и
хорошими диэлектрическими показателями.
Стеклонаполненные полиамиды предназначены для
изготовления различных изделий конструкционного, электротехнического и общего
назначения.
Полиамидные пленки. Распространенный способ улучшения физико-механических
показателей полиамидных пленок, особенно прочности при разрыве, армирование
тканями из синтетических волокон, главным образом из полиамидов.
Другой способ модификации — изготовление многослойных
пленок. Например, трехслойная пленка, внешние слои которой состоят из пластифицированного
сополимера e - капролактама
с солью АГ, а внутренний из ПА6, обладает высокой эластичностью и
атмосферостойкостью, морозостойки и выдерживают продолжительное кипячение в
воде.
Двухслойные пленки:
полиамид – полиэтилен;
Трехслойные пленки:
поливинилиденхлорид
– полиамид –
полиэтилен;полиэтилентерефталат
– полиамид –
полиэтилен.
Кроме того, используют плёнку,
дублированную алюминиевой фольгой. Этот материал прочен, термостоек и
гигиеничен.
Полиамидные плёнки сваривают термическим
методом, ультразвуком и токами высокой частоты. Их можно также склеивать
растворами полиамидов в феноле или муравьиной кислоте, однако из-за токсичности
растворителей этот метод соединения не находит широкого распространения. На плёнки
можно наносить печать, они хорошо подвергаются металлизации.
Пленки из ПА6 и ПА10 применяют для
упаковки и хранения растительного, сливочного и топленого масла, а также др.
жиров. Пленки на основе ПА11 и ПА12 используют в качестве оболочек для колбас и
сосисок, для упаковки замороженного мяса, рыбы и др. продуктов. Из полиамидных
плёнок (в том числе дублированных полиэтиленом и трехслойных) готовят мешки для
замораживания продуктов, которые можно не удалять при варке или
запекании продуктов. Высокая термостойкость и вместе с тем способность при
повышенных температурах пропускать водяные пары дает возможность применять их
для стерилизации медицинского инструмента при 100 - 130 °С в течение 30 - 60 мин.
Кроме того, инструменты в такой упаковке можно подвергать химической
стерилизации при помощи окиси этилена. Полиамидные мешки совершенно
непроницаемы для бактерий, поэтому стерильный инструмент хранится в них
длительное время.
Пленки на основе ПА6 применяют в технике
в качестве изоляции для изделий, работающих в среде растворителей, для
изготовления эластичных емкостей, в качестве обмоточного материала для
трубопроводов, как чехлы и тенты для покрытия складских помещений. Полиамидные
плёнки лучше всего подходят в качестве разделительного слоя при прессовании
слоистых пластиков на основе полиэфирных смол. Плёнки на основе
метилолполиамидов применяют в производстве искусственной кожи и обуви. Пленки
на основе ароматических полиамидов используют в качестве электроизоляционных
материалов.
Полиамиды в автомобилестроении. Такие автомобильные гиганты, как BMW, Daimler
Chrysler, Renault и другие также начали обращать внимание на преимущества
полиамидных материалов. Так, промышленный пластик был использован при
изготовлении кузова экспериментальной модели автомобиля Daimler Chrysler F400.
В ходовой части полиамиды использовались совместно со сталью и алюминием. Такой
шаг позволил уменьшить вес примерно на 60%, сохранив при этом максимальную
прочность и силу движения.
В новой Mazda 6
(изготовитель - Mazda Motor Corp) двери и фронтальные элементы отлиты из
материала, в составе которого полиамид и стекловолокно.
Полиамидные материалы
подходят даже для изготовления коллекторов. Такая технология применяется,
например, в автомобиле Audi A4.
Пластик в строительстве: столбы и мосты. Принципиально новый опыт - применение пластика при
изготовлении телеграфных столбов в США. Уже действует 512 миллионов пластиковых
столбов, протянувших свои провода более чем на 33 миллиона километров. Среди
главных преимуществ полиамидных конструкций - простота установки. В отличие от
столбов из бетона и дерева, с инсталляцией пластиковых конструкций справляется
один кран. При этом прочность изделий не утрачивается с годами, а их
эксплуатация обходится дешево.
Таким образом, полиамиды
завоевывают практически все сферы производства. И если в таких областях, как
медицина или пищевая промышленность, пластик давно стал незаменимым материалом,
то, например, в строительстве его успех только намечается.
Технические
характеристики
некоторых полиамидов.
ПА6-ЛПО-Т18 - тальконаполненный окрашенный пластифицирован-ный композиционный
материал, отличается повышенной стабильностью размеров, стойкостью к
деформации, износостойкостью.
Рекомендуется
для изготовления деталей конструкционного, антифрикционного и
электротехнического назначения, требующих повышенной размерной точности.
Прочность при разрыве, МПа
77
Электрическая прочность, КВ/мм
25,0
Изгибающее напряжение при заданной величине прогиба,
МПа
90
ПА6.6
- отличается устойчивостью к высокой температуре и
высокой прочностью при растяжении. Его основными свойствами являются высокая
стойкость к топливным материалам, маслам, жирам, большинству органических
растворителей и щелочей. Имеет более низкое водопоглощение, чем ПА6.
Используется в автомобилестроении.
Температура
плавления, °С
214
Электрическая
прочность, КВ/мм
25,0
Изгибающее
напряжение при заданной величине прогиба, МПа
94
ПА66-2 - термостабилизированный продукт поликонденсации гексаметилендиамида и
адипиновой кислоты. Отличается высокими прочностными свойствами,
теплостойкостью, деформационной стабильностью. Устойчив к действию щелочей,
масел, бензина.
Используется
для изготовления деталей, работающих при повышенных механических и тепловых
нагрузок в электротехнической промышленности.
Температура плавления, °С
254-260
Изгибающее напряжение при заданной величине прогиба,
МПа
81
Электрическая прочность, КВ/мм
20
Диаграмма сравнения
прочности полиамида и металла.
Полиамид 66-GF 40 (s = 235 Н / мм2, r = 1,45
г / см3);Полиамид 66-GF 50 (s = 260 Н / мм2, r = 1,56
г / см3);Полиамид 66-GF 60 (s = 285 Н / мм2, r = 1,69
г / см3);Полиамид 66-CF 40 (s = 307 Н / мм2, r = 1,33
г / см3);Сталь (s = 370 Н / мм2,
r = 7,40
г / см3);Алюминий (s = 270 Н / мм2, r = 2,80
г / см3);Цинк (s = 345 Н / мм2,
r = 6,00
г / см3);Магний (s = 225 Н / мм2,
r = 1,80
г / см3).
где, r - плотность материала, s -
предел прочности.
PA 66 - тип промышленного полимера;
GF - стеклонаполнитель (Glass
Fibers);
CF - углеродный наполнитель (Carbon
Fibers);
40, 50, 60 - процентное содержание
(по весу) волокон стекла или углерода.