Производство капроновых нитей и волокон

 

Процесс получения капроновых нитей и волокон хорошо изучен и непрерывно развивается. Ассортимент нитей, рассчитанный на удовлетворение потребностей различных отраслей народного хозяйства, включает нити текстильного и технологического назначения.

Существует три способа производства капроновых нитей и волокон:

1) Периодический способ - периодический или непрерывный синтез полимера, периодические процессы экстракции и сушки крошки (гранул), формование комплексных нитей.

2) Непрерывный способ с получением крошки - непрерывный синтез полимера, экстракция и сушка крошки, формование комплексных нитей.

Непрерывный способ с формованием комплексных нитей непосредственно из расплава (непрерывный синтез полимера и формование комплексных нитей непосредственно из расплава).

Первые два способа производства капроновых нитей состоят из одинаковых, технологических стадий, но второй способ выгодно отличается от первого применением непрерывных процессов синтеза полимера, экстракции и сушки крошки, что значительно улучшает технологию производства и повышает качество полимера и нитей.

Третий способ предусматривает совмещение в едином технологическом процессе непрерывного способа получения полимера с формованием нитей из расплава без повторного плавления полимера, при этом коренным образом изменяется технология получения нитей. Непрерывный процесс осуществлен в полном объеме при получении волокон и находит все большее применение в производстве текстильных нитей.

 

Синтез капролактама

 

Капролактам может быть синтезирован из фенола, бензола, анилина, а также из н-бутана, фурфурола, ацетилена, этиленоксида и дивинила.

Рассмотрим пример получения капролактама из фенола:

Получение капролактама из фенола.

При гидрировании фенола (135-160°С) в присутствии никелевого катализатора образуется циклогексанол:

 

 

Дегидрированием циклогексанола получают кетон-циклогексанон:

 

 

Реакция дегидрирования протекает при атмосферном давлении и температуре 400-450°С в присутствии железо− цинкового катализатора. При взаимодействии циклогексанона с гидроксиламином образуется оксим циклогексанона (циклогексаноксим). Этот процесс называется оксимированием:

Оксимирование проводится при 20°С. В конце процесса при нейтрализации выделяющейся серной кислоты аммиаком температура реакционной массы самопроизвольно повышается до 90°С.

При действии концентрированной серной кислоты оксим циклогексанона изомеризуется в лактам ε − аминокапроновой кислоты (изоксим циклогексанона) происходит перегруппировка атомов в молекуле циклогексаноноксима:

 

 

Полученный таким способом капролактам подвергается очистке от примесей экстракцией органическими растворителями (например, трихлорэтиленом) и многократной дистилляции под вакуумом.

Из 1 кг фенола получают 0, 65 кг капролактама.

Качество капролактама, применяемого для производства волокна капрон, характеризуется следующими основными показателями:

Внешний вид                             Белые кристаллы

Молекулярная масса                          113, 16

Температура, º С

кристаллизации                                  68, 8-69, 0

кипения                                                262

Перманганатное число

3% -ного водного раствора, с            5000-10000

Содержание летучих оснований

мэкв */кг                                              0, 0-0, 6

Окраска 50% -ного водного раствора,

ед. платиновокобальтовой шкалы,

не более                                               5, 0

Содержание, %, не более

Циклогексаноноксима                        0, 002

Железа                                                 0, 00002

Кислотность мэкв/кг, не более           0, 2

Щелочность мэкв/кг, не более            0, 05

Капролактам поступает на заводы синтетического волокна в полиэтиленовых мешках или в бумажных мешках, помещенных в мешки из прорезиненной ткани. Он транспортируется также в расплавленном состоянии в специальных цистернах, покрытых термоизоляцией и снабженных змеевиком для парового обогрева. При транспортировании расплава капролактама достигается значительный экономический эффект, так как отпадает операция плавления капролактама на заводе - потребителе и исключается загрязнение продукта. Расплавленный лактам может храниться в обогреваемых и изолированных емкостях.

 

Синтез поликапроамида

 

Процесс полимеризации капролактама - превращение циклов в линейные полимеры - называется полиамидированием. Он протекает только при сравнительно высокой температуре и повышенном, нормальном или пониженном давлении в присутствии активатора.

Активаторами могут служить органические или минеральные кислоты, а также вода, соль АГ, аминокапроновая кислота или другие соединения, которые в условиях процесса полиамидирования капролактама способны претерпевать химические превращения с выделением воды.

Кроме перечисленных соединений очень эффективными активаторами являются щелочи и металлический натрий, которые в десятки и сотни, раз сокращают продолжительность реакции полиамидирования. В производственных условиях в качестве активатора процесса полиамидирования капролактама чаще всего применяется вода.

Механизм реакции образования поликапроамида зависит от характера применяемого активатора. В присутствии воды реакция полиамидирования капролактама протекает ступенчато по следующей схеме:

На начальной стадии процесса при взаимодействии капролактама с водой образуется аминокапроновая кислота:

 

 

Аминокапроновая кислота соединяется с молекулой капролактама и образуется димер:

 

 

Димер взаимодействует еще с одной молекулой капролактама и образуется тример:

 

 

Присоединение молекул капролактама происходит до образования поликапроамида:

 

 

Реакция полиамидирования капролактама является равновесной и обратимой:

 

В связи с этим капролактам не полностью превращается в поликапроамид и в полимере всегда содержится некоторое количество мономера и других низкомолекулярных водорастворимых соединений (димера, тримера и капролактама).

Количество и состав низкомолекулярной фракции, содержащейся в поликапроамиде (рис.1), зависит от температурных условий проведения процесса. Например, при 180°С количество низкомолекулярных фракций, состоящих из димера и тримера, достигает 2-3%, а при 250-270°С - уже 10-12%, причем примерно 2/3 составляет мономер и 1/3 - димеры и тримеры капролактама. Низкомолекулярные водорастворимые соединения могут быть удалены из поликапрамида экстракцией горячей водой или отгонкой под вакуумом из расплавленного полимера.

 

График 1 - Зависимость содержания низкомолекулярных соединений в поликапроамиде от температуры полиамидирования капролактама.

 

К поликапроамиду, предназначенному для переработки в волокно капрон, предъявляются определенные требования. В частности, он должен иметь достаточно большую молекулярную массу (не ниже 11000) и быть монолитным, т.е. не содержать большого числа пустот и раковин. Кроме того, в полимере не должно быть продуктов окисления (поликапроамид белого цвета).

Важным показателем способности поликапроамида к волокнообразованию является молекулярная масса или степень полиамидирования.

Заданная молекулярная масса полимера может быть достигнута регулированием условий полиамидирования - температуры, продолжительности процесса и содержания регулятора (стабилизатора). Регуляторами молекулярной массы полиамидов являются вещества, способные при синтезе полимера взаимодействовать с одной из концевых групп растущей цепи макромолекулы, прекращая ее рост. Чаще всего в качестве регулятора применяют уксусную, себациновую или адипиновую кислоты. Для этих целей используют также уксуснокислый н-бутиламин - регулятор двойного действия, способный блокировать обе функциональные группы макромолекулы полиамида.

Изменяя количество добавляемого регулятора, можно получить полимер с желаемой молекулярной массой. Чем больше регулятора добавлено к мономеру, тем меньше молекулярная масса полимера.

Волокнообразующая способность поликапроамида, зависит от таких показателей полимера, как монолитность и содержание продуктов окисления. Наличие в расплавленном полимере пузырьков газообразных продуктов (чаще всего паров воды) является причиной обрывности нити при формовании и вытягивании. К обрывности приводит также частичное (наличие темных точек) или сплошное окисление поликапроамида (полимер имеет коричневый оттенок). Кроме того, при использовании такого полимера на нитях появляются наплывы и невытянутые участки.

Окисление поликапроамида может быть предотвращено при соответствующих усилиях полиамидирования капролактама, обеспечивающих полную изоляцию реакционной массы от воздействия кислорода воздуха.

⇐ Предыдущая1234567Следующая ⇒

Поделиться: