Физико-химические процессы, протекающие при деструкции полиакрилонитрильного волокна. Описание технологической схемы получения и основные условия окисления ПАН-волокна. Области применения термоокисленного материала. Изучение свойств его получения.
Аннотация к работе
В настоящее время полиакрилонитрильные волокна (ПАН - волокна) являются основным видом сырья, применяемым для получения термоокиленных материалов. Среди различных видов карбоцепных волокон наиболее широкое применение получили волокна, вырабатываемые из сополимеров акрилонитрила. Сополимеры, содержащие до 15% второго компонента, по своим основным показателям (растворимости, термостойкости) практически не отличаются от чистого полиакрилонитрила.Окраска ПАН-волокна, используемого в текстильной промышленности, является отрицательным фактором, а при производстве термоокисленного материала окраска волокна па этой стадии свидетельствует об образовании промежуточных структур, играющих важную роль и определяющих во многом структуру и свойства термоокиленного материала. Исходя из того что на первых стадиях термической обработки на воздухе потемнение ПАН не сопровождается потерями массы и азота, а согласно спектроскопическим исследованиям число групп CN уменьшается, Хоутс впервые предложил структуру ПАН, который изза черной окраски назван черным полиакрилонитрилом, состоящую из гетероциклов, содержащих двойные сопряженные связи - C=N-: Подобное представление о структуре черного ПАН разделялось рядом исследователей. Систематическое изучение низкотемпературной термоокислительной деструкции ПАН, проводимое в различных условиях, было выполнено Грасси; он считал, что первой стадией процесса является миграция третичного водорода к атому азота с образованием иминной группы по схеме: Последующая миграция иминного водорода к нитрильной группе приводит к возникновению системы сопряженных связей, причем в результате этого перехода образуются тетрагидропиридиновые (нафтирпдиновые) циклы. По мнению авторов работы, при термической обработке ПАН в присутствии кислорода на первой стадии происходит внутримолекулярная циклизация с образованием нафтиридиновых циклов, которые поглощают кислород и частично превращаются в оксидную форму: Авторы работы полагают, что структуру окисленного ПАН-волокна можно представить в следующем виде: Объектом исследования служили акриловые волокна дралон, представляющие собой сополимер акрилонитрила и метилакрилата (соотношение мономеров 99,6:0,4%). Полоса 800 см-1 может быть отнесена к образованию циклов с группами-С = С-или-С = N-, полоса 1150-1250 см-1 - к группам = С - N или СО, 1710 см-1-к карбонильным группам, а полосы от 3330 до 3320 см-1 - к группам ОН или NH.К основным параметрам окисления ПАН-волокна относятся: температура, продолжительность и степень вытягивания. Окисление ПАН-волокна в процессе получения термоокисленного материала проводится в относительно жестких условиях. По данным, температура на первой стадии составляет 26-290 °С при этом присоединяется 5-7% кислорода; на второй стадии температура повышается до 350 °С (продолжительность 1 с 15 мин), содержание химически связанного кислорода возрастает до 9-12% (от массы полимера). После промывки и сушки волокно окислялось кислородом воздуха (температура 230 0С, продолжительность 2 ч.) Общая продолжительность термоокисления составляла всего 4 ч. В другом патенте указывается, что при температуре 200-250 °С продолжительность окисления волокна толщиной 0,28 текс составляет 24 ч, а волокна толщиной 0,5 текс-50 ч.Первоначально применялся наиболее простой периодический способ, согласно которому волокно с бобин наматывали на жесткую раму, предотвращающую усадку волокна; рама помещалась в печь для окисления волокна; туда же подавался нагретый воздух. Для создания первых непрерывных процессов волокно транспортировали через печь в виде мотков или на тех же бобинах с контролировано намотанной исходной нитью. В случае применения ПАН волокна в форме нитей или жгутов предлагается окисление проводить в аппаратах, снабженных тремя или большим числом соосно-расположенных цилиндров, что позволяет увеличить путь нити в рабочей зоне и тем самым производительность аппарата. Той же цели можно достичь уменьшением продолжительности окисления за счет интенсивного отвода тепла, выделяющегося в результате экзотермических реакций, протекающих при окислении ПАН волокна. Узлы оборудования для термоокисления ПАН волокон, контактирующие с волокном при его обработке, изготавливаются из коррозионно-стойкой стали, поскольку в ходе процесса при достаточно высокой температуре (до 300 °С) из волокна выделяются агрессивные газы, прежде всего цианистый водород (в присутствии паров воды вызывает коррозию легированной стали).Термоокисленный материал фильтрует пары и аэрозоли кислот, щелочей и растворителей, в том числе нагретых до температуры 450 °С. Применение фильтров на основе такого материала позволяет существенно улучшить экологическую обстановку на территориях примыкающих к металлургическим комбинатам, предприятиям производителям цемента, целлюлозно-бумажным комбинатам, химическим комбинатам и ряду других предприятий, связанных с производством вредной продукции. Термоокисленный материал превосходит другие теплозащитные и огнестойкие материалы в области температур до 150 °С.
План
Содержание
Введение
1. Литературный обзор «Получение и применение термоокисленных материалов на основе полиакрилонитрильных волокон»
1.1 Физико-химические процессы, протекающие при деструкции ПАН-волокна
1.2 Основные условия окисления ПАН-волокна
1.3 Описание технологической схемы получения термоокисленного материала
1.4 Области применения термоокисленного материала
2. Методическая часть
2.1 Используемые реактивы
2.2 Модификация ПАН-волокна
2.3 Изучение свойств полученных материалов
3. Экспериментальная часть
Выводы
Список использованных источников
Введение
В настоящее время полиакрилонитрильные волокна (ПАН - волокна) являются основным видом сырья, применяемым для получения термоокиленных материалов. Из них изготавливают главным образом высокопрочные высокомодульные термоокисленные волокна. Среди различных видов карбоцепных волокон наиболее широкое применение получили волокна, вырабатываемые из сополимеров акрилонитрила. Сополимеры, содержащие до 15% второго компонента, по своим основным показателям (растворимости, термостойкости) практически не отличаются от чистого полиакрилонитрила. Молекулярная масса полимеров и сополимеров, используемых для получения волокон, составляет от 40 000 до 60 000 /1/.
Термоокисленный материал - это инновационный высокотемпературный нетканый материал из штапелированного полиакрилонитрильного волокна. В зависимости от области применения может быть дублирован различными материалами - арамидной тканью, стеклотканью и др.
Может использоваться как эффективная теплозащита в температурном режиме до 300-450 °С, в качестве негорючей подкладки для пошива спецодежды, как противопожарная мембрана в производстве мягкой мебели и сидений общественного транспорта, для фильтрации горячих газов. Материал поверхностной плотностью 200 г/м? выдерживает открытое пламя горелки (1050 °С) в течение 5-6 минут без прогара /2/.
1. Литературный обзор «Получение и применение термоокисленных материалов на основе полиакрилонитрильных волокон»