Схема производства поликарбоната непрерывным методом
Гетероцепные сложные полиэфиры: поликарбонаты
Методы синтеза, свойства и применение поликарбоната. Основные преимущества и характеристики сотового поликарбоната. Потребление поликарбоната при изготовлении оптических носителей информации. Техника безопасности при производстве сложных полиэфиров.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 22.02.2017 |
| Размер файла | 215,7 K |
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Федеральное агентство по образованию РФ
Казанский национально исследовательский технологический университет
на тему: "Гетероцепные сложные полиэфиры: поликарбонаты"
Выполнила: студентка группы 5203-11
Проверила: Софьина С.Ю.
Содержание
Введение
Поликарбонаты - группа термопластов, сложные полиэфиры угольной кислоты и двухатомных спиртов общей формулы (-O-R-O-CO-)n. Наибольшее промышленное значение имеют ароматические поликарбонаты, в первую очередь, поликарбонат на основе Бисфенола А, благодаря доступности бисфенола А, синтезируемого конденсацией фенола и ацетона.
1. История возникновения
Первые упоминания о продукте подобном поликарбонату появились в XIX веке. В 1898 году получение поликарбоната впервые описал немецкий химик, изобретатель новокаина, Альфред Айнхорн. Тогда он работал у знаменитого химика-органика Адольфа фон Байера в Мюнхене и занимаясь поиском обезболивающего средства из эфира, произвел в лаборатории реакции хлорангидрида угольной кислоты с тремя изомерами диоксибензола и в осадке получил полимерный эфир угольной кислоты - прозрачное, нерастворимое и термостойкое вещество.
В 1953 году Герман Шнелл специалист немецкой компании "BAYER" получил соединение поликарбоната. Этот полимеризированный карбонат оказался соединением, механические свойства которого не имели аналогов среди известных термопластов. В том же году поликарбонат запатентовали под маркой "Макролон".
Но в этом же 1953 году, всего несколькими днями позже, поликарбонат получил Дениель Фокс, специалист из известной американской компании "General Electric". Возникла спорная ситуация. В 1955 году ее удалось решить, и компания "General Electric" запатентовала материал под маркой поликарбонат "Лексан". В 1958 году "BAYER", а за тем в 1960 году "General Electric" пустили в промышленное производство технически пригодный поликарбонат. В дальнейшем права на "Лексан" были проданы компании "Sabic" (Саудовская Аравия).
Но это было всего лишь вещество-поликарбонат. До появления сотового (или ячеистого) поликарбоната как листового материала оставалось еще долгих 20 лет.
В начале 70-х годов в поисках альтернативы тяжелому и хрупкому стеклу поликарбонатом заинтересовался Израиль, правительство которого активно поддерживало развитие сельского хозяйства и животноводчества в условиях жаркой пустыни. В частности, большое внимание уделялось теплицам, позволяющим выращивать растения в микроклимате, созданном с помощью капельного орошения. Стекло для изготовления теплиц было дорого и непрочно, акрил не мог удержать соответствующую температуру, а поликарбонат идеально для этого подходил.
Тогда совместно "General Electric" (владельцами сырья поликарбоната торговой марки "Лексан") проводились опыты по производству прозрачных пластиков на оборудовании компании "Polygal" в Рамат Хашофете и Мегиддо (Израиль), а именно на 160-й линии. Обе компании подгоняли под технологию сырье, и сырье под технологию. Так в 1976 году в Израиле получился первый в мире сотовый лист из поликарбоната. До этого ячеистый материал уже производили из различных других полимеров, например на "Polygal" из полипропилена. Имели место производства ячеистого полимера как из акрила, так и ПВХ. Но именно сотовый поликарбонат был создан и произведен на предприятии "Polygal". Этот исторический факт известен всем производителям сотового поликарбоната в мире.
В 2004 г. производство поликарбоната в мире составило 2,8 млн. т. Темпы роста мирового производства поликарбоната около 10 % в год. Потребление поликарбоната при изготовлении оптических носителей информации ежегодно возрастает на 30 %.
Поликарбонат используют во многих областях, где необходимы такие качества, как высокая прозрачность, стойкость к нагрузкам и ударам, высокая стойкость к кислотам и щелочам, теплостойкость, температурная стабильность. Биологическая инертность позволила использовать поликарбонат в медицине.
2. Методы синтеза
Синтез поликарбоната на основе бисфенола А проводится двумя методами: методом фосгенирования бисфенола А и методом переэтерификации в расплаве диарилкарбонатов бисфенолом А.
В случае переэтерификации в расплаве в качестве исходного сырья используется дифенилкарбонат, реакцию проводят в присутствии щелочных катализаторов (метилат натрия), температуру реакционной смеси повышают ступенчато от 150 до 300 °C, реакцию проводят в вакуумированных реакторах периодического действия при постоянной отгонке выделяющегося в ходе реакции фенола. Полученный расплав поликарбоната охлаждают и гранулируют. Недостатком метода является относительно небольшая молекулярная масса (до 50 КДа) получаемого полимера и его загрязнённость остатками катализатора и продуктов термодеструкции бисфенола А.
Фосгенирование бисфенола А проводят в растворе хлоралканов (обычно - хлористого метилена CH2Cl2) при комнатной температуре, существует две модификации процесса - поликонденсация в растворе и межфазная поликонденсация:
При поликонденсации в растворе в качестве катализатора и основания, связывающего выделяющийся хлороводород используют пиридин, гидрохлорид пиридина, образующийся в ходе реакции, нерастворим в хлористом метилене и по завершении реакции его отделяют фильтрованием. От остаточных количеств пиридина, содержащегося в реакционной смеси, избавляются отмыванием водным раствором кислоты. Поликарбонат высаждают из раствора подходящим кислородсодержащим растворителем (ацетоном и т.п.), что позволяет частично избавиться от остаточных количеств бисфенола А, осадок сушат и гранулируют. Недостатком метода является использование достаточно дорогого пиридина в больших количествах (более 2 молей на моль фосгена).
В случае фосгенирования в условиях межфазного катализа поликонденсация проводится в два этапа: сначала фосгенированием бисфенолята А натрия получают раствор смеси олигомеров, содержащих концевые хлорформиатные -OCOCl и гидроксильные -OH группы, после чего проводят поликонденсацию смеси олигомеров в полимер.
Технологический процесс получения ПК периодическим методом состоит из следующих стадий: фосгенирование ДФП, промывка раствора полимера, осаждение полимера и выделение его из суспензии, сушка полимера и регенерация растворителей (рис. 1).
Полимер по мере образования растворяется в метиленхлориде. Вязкий 10 %-ный раствор поступает в промыватель 3, где при перемешивании нейтрализуется раствором соляной кислоты и разделяется на две фазы. Водную фазу, содержащую растворенный хлорид натрия, отделяют и сливают в линию сточных вод. Органическую фазу многократно промывают водой (водную фазу после каждой промывки отделяют) и подают на обезвоживание в аппарат 4. Пары воды проходят через насадочную колонну 5, конденсируются в холодильнике 6 и поступают в сборник воды. Раствор ПК подается в осадитель 7, в котором ПК осаждают метиловым спиртом или ацетоном. Из суспензии ПК отделяют на фильтре 8 и в виде порошка направляют в сушилку 9, а затем в гранулятор 10 для получения гранул. Гранулы либо бесцветные, либо имеют цвет до светло-коричневого. Смесь растворителя и осадителя поступает на регенерацию.
Реакционная смесь, состоящая из водной и органической фаз, поступает в аппарат 4 для непрерывного разделения. Водная фаза подается на очистку, а раствор ПК в метиленхлориде промывается водой в экстракционной колонне 5 и отделяется от воды в аппарате 6. Промытый раствор полимера проходит отгонную колонну 7 для отделения остатка воды в виде азеотропной смеси вода-метиленхлорид, пары которой охлаждаются в холодильнике 8 и поступают на разделение.
3. Свойства и применение поликарбоната
Температура плавления ПК 220-230 °С; разлагается он при температурах более 320 °С. ПК относится к группе самозатухающих полимеров.
3.1 Конструкция поликарбоната
Однако по своей природе поликарбонат не устойчив к воздействиям ультрафиолетовых лучей. Материал, который не имеет специальной защиты, на протяжении нескольких лет сможет стать непригодным для дальнейшего использования. Для удобства определения слоя с УФ защитой на защитную полиэтиленовую пленку должна наноситься маркировка.
Поликарбонат по экологическим параметрам не уступает стеклу, а по прочности намного его превосходит. Свойства этого материала мало изменяются с повышением температуры, а чрезмерно низкие температуры, которые ведут к хрупким разрушениям, находятся за пределами отрицательных возможных температур использования. По технологии изготовления делится на поликарбонат сотовый и поликарбонат листовой. Технологии изготовления подобных материалов определяют также сферу их применения.
Широко используется поликарбонат и производителями различных изделий при помощи литья под давлением. В большинстве случаев литьем можно получить изделия для светотехники и оптики. Для изготовления данных видов изделий используются специальные литьевые марки полимеров.
Основное применение ПК - поликарбонатная пленка для упаковки пищи при повышенных температурах. Перспективные области применения - пакеты, стерилизуемые в автоклавах и упаковки для микроволновых печей, упаковка медицинских изделий. Из поликарбоната формуют разогреваемые подносики с готовыми блюдами (упаковка типа "кипяти-в-упаковке"). В обоих случаях используют высокую теплостойкость.
3.2 Поликарбонатная пленка
Свойства поликарбоната мало меняются с ростом температуры. Проницаемость для газа и паров воды высокая, поэтому для улучшения барьерных свойств на ПК пленку наносят покрытие. Выдающимся свойством ПК пленки является ее размерная стабильность, она совершенно непригодна в качестве усадочной пленки; нагревание пленки до 150°С (т.е. выше точки размягчения) в течение 10 мин. дает усадку всего 2%. ПК легко сваривается как импульсным, так и ультразвуковым способами, а также обычной сваркой горячими электродами. Пленку легко формовать в изделия, при этом возможны большие степени вытяжки с хорошим воспроизведением деталей форм. Хорошую печать можно получить разными методами (шелкографии, флексографии, гравировки).
3.3 Сотовый поликарбонат. Свойства и характеристики сотового поликарбоната
Сотовый поликарбонат - пластик, который производится из высококачественного поликарбоната методом экструзии, что подразумевает расплавление гранул пластика и выдавливание этой массы через особую форму (фильеру), которая определяет строение и конструкцию листа. Получаются полые листы ячеистой структуры, в которых 2 или более слоев поликарбоната соединены внутренними продольными ребрами жесткости ориентированными в направлении длины листа. Высокая пластичность и прочность самого материала делает возможным получать экструзионным способом листы с очень тонкими стенками (0,3-0,7 мм) без потери ударопрочных характеристик и в то же время с очень малым весом. Воздух, содержащийся в пустотах между слоями листа, обеспечивает его высокие теплоизоляционные свойства, а ребра жесткости - большую конструктивную прочность по отношению к весу.
Основные преимущества сотового ПК:
- Сверхвысокая ударная прочность (сотовый поликарбонат при малом весе в 200 раз прочнее стекла и в 8 раз прочнее акриловых пластиков и ПВХ).
- Чрезвычайная легкость, малый удельный вес (сотовый поликарбонат весит в 16 раз меньше, чем стекло и в 3 раза меньше, чем акрил аналогичной толщины)
- Высокие теплоизоляционные свойства, низкая теплопроводность
- Высокая светопроницаемость (прозрачность - до 86 %)
- Хорошая шумо- и звукоизоляция
- Высокая химическая устойчивость
- Прочность на изгиб и на разрыв
- Отличная устойчивость к атмосферным воздействиям
- Долговечность, неизменность свойств (гарантийный срок службы изделий из поликарбоната 10-12 лет
- Безопасность остекления (поликарбонат не разбивается, не даёт трещин, а следовательно, острых осколков при ударе)
- Защита от ультрафиолетового излучения (специальный защитный слой препятствует проникновению наиболее вредных для внутреннего помещения УФ излучений)
- Прекрасные конструкционные возможности, легкость листов позволяет создавать легкие, оригинальные и элегантные конструкции
3.4 Монолитный поликарбонат
поликарбонат полиэфир сотовый потребление
Светопрозрачный пластик, обладающий теми же преимуществами, что и сотовый поликарбонат, но гораздо более прочный (лист толщиной 12 мм не пробивает пистолетная пуля), однако и более тяжелый и дорогой. Монолитный поликарбонат - идеальный материал для остекления, где требуется сочетание легкости и прочности материала.
3.5 Другие варианты применения ПК
Поликарбонат также успешно применяют для изготовления таких конструкций, как:
- световые фонари, светопропускающие кровли для промышленных, спортивных и частных зданий;
- навесы для АЗС, автостоянок, рынков, бассейнов и детских площадок;
- теплицы и оранжереи в частном и промышленном применении;
- козырьки, веранды, "чайные домики", беседки, душевые кабинки;
- перегородки в офисах, подвесные потолки, декорации сцен в театрах и клубах;
- световые короба, стенды.
4. Техника безопасности при производстве сложных полиэфиров
Бисфенолы могут вызывать дерматоз, раздражать дыхательные пути, вызывать тошноту, головную боль.
Фосген - сильнодействующее отравляющее вещество удушающего действия, концентрация 0,1-0,3 мг/л в течение 15 минут смертельна.
Токсичность большинства самих полиэфиров мала.
Предупредительными мерами защиты при производстве полиэфиров и работе с ними является: герметизация оборудования, устройство общеобменной и местной вентиляции, снабжение помещения средствами пожаротушения (пенными и углекислотными огнетушителями, песком и т.п.), а также индивидуальные средства защиты (перчатки, фартуки, фильтрующие противогазы, халаты и т.п.), предупреждение образования взрывоопасных воздушных смесей, влажная уборка рабочих помещений.
Подобные документы
Разработка теплицы ангарного типа из поликарбонатаРассмотрение понятия, структуры и областей применения сотового поликарбоната, его теплоизоляционные свойства. Основные способы крепления листов поликарбоната. Разработка проекта ангарной теплицы с автоматическими системами полива, обогрева и освещения.
дипломная работа [2,7 M], добавлен 10.11.2011
Технические требования к детали и выбор марки пластмассы, его обоснование. Разработка аппаратурно-технологической схемы производства, ее теоретическая основа, виды брака и его устранение. Выбор оборудования. Составление технической документации.
курсовая работа [884,6 K], добавлен 29.10.2013
История применения красителей, номенклатура их производства, техническая и химическая классификации. Химические свойства, применение, способы и стадии промышленного производства оптических отбеливателей. Способы очистки сточных вод от красителей.
курсовая работа [412,5 K], добавлен 02.05.2011
Ювелирные технологии, применяемые при изготовлении кулона "Грация", основные и дополнительные материалы, требования к их качеству. Технологическая карта изготовления кулона и техника безопасности при проведении работ, организация рабочего места.
курсовая работа [335,3 K], добавлен 19.01.2016
Применение бентонитовых глин при производстве железорудных окатышей, входящие в их состав минералы. Исследование влияния органических добавок на свойства сырых окатышей. Физические и химические характеристики связующих добавок, их реологические свойства.
реферат [3,2 M], добавлен 03.03.2014
Технологический процесс изготовления детали типа "диск" и её основное назначение. Свойства применяемого металла и используемые инструменты. Программа изготовления детали на станке с программным управлением. Техника безопасности при изготовлении детали.
презентация [2,0 M], добавлен 08.07.2012
Применение электрических полей для воздействия на процессы самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). История открытия метода СВС, его преимущества по сравнению с традиционными технологиями. Рентгенофазовый анализ продуктов СВС.
IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017
Поликарбонаты — группа термопластов, сложные полиэфиры угольной кислоты и двухатомных спиртов общей формулы (-O-R-O-CO-)n. Наибольшее промышленное значение имеют ароматические поликарбонаты, в первую очередь, поликарбонат на основе Бисфенола А, благодаря доступности бисфенола А, синтезируемого конденсацией фенола и ацетона.
Поликарбонат - это относительно новый полимер. Относится он к классу инженерных пластичных материалов.
Цель данной работы: детально изучить поликарбонат как полимерный материал. В соответствии с целью, задачами данной работы являются изучение основных сведений о поликарбонате, анализ технологии получения поликарбоната, анализ свойств и областей применения данного полимера, а также перспективы развития технологии его получения и расширение областей применения.
Объектом исследования является поликарбонат, как полимерный материал, имеющий широкую область применения за счет своих физических и химических свойств.
Предметом исследования являются свойства, технология производства и применение поликарбоната.
ИСТОРИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ПОЛИКАРБОНАТА
Первые упоминания о продукте, подобном поликарбонату, появились в XIX веке. В 1898 году получение поликарбоната впервые описал немецкий химик, изобретатель новокаина, Альфред Айнхорн. Тогда он работал у знаменитого химика-органика Адольфа фон Байера в Мюнхене и, занимаясь поиском обезболивающего средства из эфира, произвел в лаборатории реакции хлорангидрида угольной кислоты с тремя изомерами диоксибензола и в осадке получил полимерный эфир угольной кислоты — прозрачное, нерастворимое и термостойкое вещество.
В 1953 году Герман Шнелл, специалист немецкой компании «BAYER», получил соединение поликарбоната. Этот полимеризированный карбонат оказался соединением, механические свойства которого не имели аналогов среди известных термопластов. В том же году поликарбонат запатентовали под маркой «Макролон» [2]. Но в этом же 1953 году, всего несколькими днями позже, поликарбонат получил Дениель Фокс, специалист из известной американской компании «General Electric». Возникла спорная ситуация. В 1955 году её удалось решить, и компания «General Electric» запатентовала материал под маркой поликарбонат «Лексан». В 1958 году «BAYER», а за тем в 1960 году «General Electric» пустили в промышленное производство технически пригодный поликарбонат. В дальнейшем права на «Лексан» были проданы компании «Sabic» (Саудовская Аравия).
Но это было всего лишь вещество-поликарбонат. До появления сотового (или ячеистого) поликарбоната как листового материала оставалось еще долгих 20 лет. В начале 1970-х годов в поисках альтернативы тяжёлому и хрупкому стеклу поликарбонатом заинтересовался Израиль, правительство которого активно поддерживало развитие сельского хозяйства и животноводчества в условиях жаркой пустыни. В частности, большое внимание уделялось теплицам, позволяющим выращивать растения в микроклимате, созданном с помощью капельного орошения. Стекло для изготовления теплиц было дорого и непрочно, акрил не мог удержать соответствующую температуру, а поликарбонат идеально для этого подходил [2].
Тогда совместно «General Electric» (владельцами сырья поликарбоната торговой марки «Лексан») проводились опыты по производству прозрачных пластиковых изделий на оборудовании компании «Polygal» в Рамат Ха-Шофете и Мегиддо (Израиль). Обе компании подгоняли технологию под сырьё, а сырьё — под технологию. Так, в Израиле в 1976 году получили первый в мире сотовый лист из поликарбоната.
МЕТОДЫ СИНТЕЗА ПОЛИКАРБОНАТА
Синтез поликарбоната на основе бисфенола А проводится двумя методами: методом фосгенирования бисфенола А и методом переэтерификации в расплаве диарилкарбонатов бисфенолом А [3].
В случае переэтерификации в расплаве в качестве исходного сырья используется дифенилкарбонат, реакцию проводят в присутствии щелочных катализаторов (метилат натрия), температуру реакционной смеси повышают ступенчато от 150 до 300 °C, реакцию проводят в вакуумированных реакторах периодического действия при постоянной отгонке выделяющегося в ходе реакции фенола. Полученный расплав поликарбоната охлаждают и гранулируют. Недостатком метода является относительно небольшая молекулярная масса (до 50 КДа) получаемого полимера и его загрязнённость остатками катализатора и продуктов термодеструкции бисфенола А [3].
Фосгенирование бисфенола А проводят в растворе хлоралканов (обычно хлористого метилена CH2Cl2) при комнатной температуре.Существует две модификации процесса - поликонденсация в растворе и межфазная поликонденсация:
При поликонденсации в растворе в качестве катализатора и основания, связывающего выделяющийся хлороводород используют пиридин, гидрохлорид пиридина, образующийся в ходе реакции, нерастворим в хлористом метилене и по завершении реакции его отделяют фильтрованием. От остаточных количеств пиридина, содержащегося в реакционной смеси, избавляются отмыванием водным раствором кислоты. Поликарбонат высаждают из раствора подходящим кислородсодержащим растворителем (ацетоном и т. п.), что позволяет частично избавиться от остаточных количеств бисфенола А, осадок сушат и гранулируют. Недостатком метода является использование достаточно дорогого пиридина в больших количествах (более 2 молей на моль фосгена) [4].
В случае фосгенирования в условиях межфазного катализа поликонденсация проводится в два этапа: сначала фосгенированием бисфенолята А натрия получают раствор смеси олигомеров, содержащих концевые хлорформиатные -OCOCl и гидроксильные -OH группы, после чего проводят поликонденсацию смеси олигомеров в полимер.
Промышленные способы синтеза поликарбоната:
1) Традиционный способ:
2) Без использования фосгена:
ВИДЫ ПОЛИКАРБОНАТА
Основными видами поликарбоната являются:
Сотовый поликарбонат. Другое название - ячеистый поликарбонат. Это самый распространенный на сегодняшний день вид поликарбоната. Благодаря малому весу, высокой прочности и пластичности из этого материала получают листы с тонкими стенками. Внутри сотовые листы полые, так как два слоя пластика соединяются при помощи различных продольных внутренних ребер, которые имеют достаточную требуемую степень жесткости и твердости [5].
Монолитный поликарбонат. Это сплошные поликарбонатные листы толщиной 2-12 мм. Реже встречаются листы толщиной до 20 мм. Из них можно получить формы любой кривизны с помощью метода горячего формования. Этот метод основывается на плавном повышении температуры [5].
Также выпускаются различные виды поликарбоната специального назначения:
Марки, получаемые на стадии синтеза:
Поликарбонаты с пониженной горючестью;
Марки, получаемые на стадии конфекционирования:
Поликарбонат с огнезащитными добавками;
Поликарбонат с пожизненной склонностью к растрескиванию.
Смеси и сплавы поликарбоната с другими полимерами.
ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ПОЛИКАРБОНАТА
В качестве сырья для производства поликарбоната применяются:
Дифенилолпропан (бисфенол А): НО-С6Н4-(СН3)С(СН3)-С6Н4-ОН - белый кристаллический порошок растворимый в ацетоне, спирте, уксусной кислоте. Плавится при 156°С.
Дифенилкарбонат: С6Н5-О-С(О)-О-С6Н5 - твердое вещество плавится при 79°С и кипит при 160°С.
Фосген: COCl2 - ядовитый бесцветный газ с запахом прелого сена, кипит при 8,2°С. Плохо растворим в воде и хорошо растворим в органических растворителях [3].
Самыми главными промышленными методами производства и получения поликарбоната являются [5]:
фосгенирование бисфенолов в натуральном или органическом растворе при наличии третичных органических оснований, связывающих соляную кислоту, которая является побочным продуктом всей данной реакции – способ поликонденсации в растворе;
фосгенирование бисфенолов, растворенных в специальном водном растворе из щелочи, на поверхности раздела фаз при наличии или же в присутствии каталитических количеств третичных аминов, - способ межфазной поликонденсации;
переэтерификация ароматических эфиров угольной кислоты (диметилкарбонатов) бисфенолами, - способ поликонденсации в расплаве.
Реакции образования поликарбоната протекают по следующим схемам: [5]
Способ фосгенирования:
Способ переэтерификации:
Способ поликонденсации в растворе (в среде пиридина или смеси пиридина с метиленхлоридом) и способ межфазной поликонденсации (одна фаза - водно-щелочной раствор бисфенола, другая фаза - метиленхлорид, гептан, дибутиловый эфир и другие растворители, не смешивающиеся с водой) осуществляются при невысокой температуре и дают возможность получать поликарбонат с различными значениями молекулярной массы. Но в каждом из них применяются разбавленные растворы компонентов и поэтому приходится пользоваться аппаратурой большого объема, регенерировать органические растворители и подвергать очистке промывные воды [6].
Способ переэтерификации обеспечивает получение поликарбоната повышенной чистоты и не нуждается в применении растворителей, но он обладает меньшей универсальностью в сравнении с предыдущими способами (получается поликарбонат с невысокой молекулярной массой), протекает только при высоких температурах (180-300°С) и требует использования особо чистых компонентов, что значительно удорожает сырье.
Переэтерификация проводится в расплаве в отсутствии кислорода (в вакууме). Катализаторами реакции являются гидроксиды натрия, лития или калия, тетраалкиламмоний и др. Преимущество данной технологии заключается в отсутствии фосгена и растворителей - технология является более чистой с экологической точки зрения [7].
Поликарбонат, получаемый переэтерификацией, имеет более узкое молекулярно-массовое распределение. Материал, полученный данным методом, содержит небольшое количество фенольных остатков на конце макромолекулярных цепей.
Процесс получения поликарбоната способом межфазной поликонденсации является двухстадийным. На первой стадии образуется олигомерный продукт с концевыми группами хлоругольной кислоты, который на второй стадии участвует в дальнейшей реакции поликонденсации и превращается в полимер. Известны периодические, полунепрерывные и непрерывные процессы [7].
1. Производство поликарбоната периодическим методом
Технологический процесс получения ПК периодическим методом состоит из следующих стадий: фосгенирование ДФП, промывка раствора полимера, осаждение полимера и выделение его из суспензии, сушка полимера и регенерация растворителей (см. рис. 1).
Рис. 1.Схема производства поликарбоната периодическим методом:
Об —аппарат для обезвоживания; НК — насадочная колонна;
Полимер по мере образования растворяется в метиленхлориде. Вязкий 10 %-ный раствор поступает в промыватель (поз. П), где при перемешивании нейтрализуется раствором соляной кислоты и разделяется на две фазы. Водную фазу, содержащую растворенный хлорид натрия, отделяют и сливают в линию сточных вод. Органическую фазу многократно промывают водой (водную фазу после каждой промывки отделяют) и подают на обезвоживание в аппарат (поз. Об). Пары воды проходят через насадочную колонну (поз. НК), конденсируются в холодильнике (поз. Х2) и поступают в сборник воды. Раствор поликарбоната подается в осадитель (поз. Ос), в котором ПК осаждают метиловым спиртом или ацетоном. Из суспензии ПК отделяют па фильтре (поз. Ф) и в виде порошка направляют в сушилку (поз. С), а затем в гранулятор (поз. Г) для получения гранул. Гранулы либо бесцветные, либо имеют цвет до светло-коричневого. Смесь растворителя и осадителя поступает на регенерацию [17].
4.2. Производство поликарбоната непрерывным методом
При непрерывном методе производства ПК (см. рис. 2) все компоненты - водный раствор дифенолята натрия, получаемый растворением бисфенола водной щелочи, метиленхлорид и фосген — через дозаторы непрерывно поступают в первый реактор (поз. Р1) каскада реакторов. Быстрое перемешивание обеспечивает протекание реакции. Образующийся олигомер перетекает в реактор Р2 и затем в реактор Р3. Во всех реакторах температура поддерживается в пределах 25-30 °С. В реактор Р3 для углубления процесса поликонденсации и получения полимера высокой молекулярной массы вводится катализатор (водный раствор алкиларилхлорида аммония) [17].
Реакционная смесь, состоящая из водной и органической фаз, поступает в аппарат АР1 для непрерывного разделения. Водная фаза подается на очистку, а раствор ПК в метиленхлориде промывается водой в экстракционной колонне (поз. ЭК) и отделяется от воды в аппарате АР2. Промытый раствор полимера проходит отгонную колонну (поз. ОтК) для отделения остатка воды в виде азеотропной смеси вода-метиленхлорид, пары которой охлаждаются в холодильнике Х1 и поступают на разделение.
Рис. 2. Схема производства поликарбоната непрерывным методом:
Р1-Р1-Р3 — реакторы; АР1-АР2 — аппараты для разделения;
ЭК — экстракционная колонна: ОтК — отгонная колонна;
Х1-Х2 — холодильники; ОсК — осадительная колонна; Г — гранулятор
Обезвоженный раствор ПК в метиленхлориде после охлаждения в теплообменнике и фильтрования (фильтр на схеме не показан) поступает для слива в тару (при использовании в качестве лака при получении пленок и покрытий) или после подогрева до 130 °С под давление 6 МПа с помощью форсунки подается в осадителъную колонну (поз. ОсК). В этой колонне вследствие снижения давления до атмосферного и испарения метиленхлорида ПК выделяется в виде порошка и осаждается. Пары метиленхлорида поступают на конденсацию в холодильник Х2, а порошок полимера — на грануляцию (поз. Г). [17]
Расход основных видов сырья при производстве поликарбоната представлен в таблице 1.
Таблица 1
Расход основных видов сырья при производстве поликарбоната
Наименование сырья
Расход, т/т
Дифенилолпропан (Бисфенол А)
NaOH (в пересчете на 100%)
Если сравнивать два данных способа с экономической точки зрения, и с точки финансовой выгоды, то стоит отметить, что способ межфазной поликонденсации всегда более дешевый и экономически выгодный со всех сторон. Он более выгодный, поскольку при этом методе, способ получения поликарбоната происходит двумя фазами или двумя стадиями. Первая стадия это образование, получение олигомерного продукта, с группами хлоругольной кислоты, который на второй стадии будет участвовать в последующей реакции поликонденсации, то есть производства полимера.
Блок-схема процесса производства поликарбоната представлена на рисунке 3.
Рис. 3. Блок-схема процесса производства поликарбоната
Из монолитного поликарбоната можно получить листы любой формы и любой кривизны с помощью метода горячего формования. Этот метод основывается на плавном повышении температуры. Делается это внутри специальной печи, в которой циркулирует воздух. Лист там разогревается и переносится в горячем состоянии на штамп, где и приобретает нужную форму. При такой технологии толщина получившегося элемента остается одинаковой в любом месте его криволинейной поверхности [2].
Изготовление сотового поликарбоната:
Для производства сотового поликарбоната используются поликарбонатные гранулы. Изготовление материала включает в себя прохождение гранулами цикла определенных технологических процессов. Производство сотового поликарбоната предполагает наличие:
специальных химических добавок.
Вначале закупается поликарбонатный гранулят. Стоит учитывать, что, в зависимости от цвета гранул (которые могут быть белыми, цветными и прозрачными), в конечном итоге получится материал определенной цветовой гаммы. Поэтому при покупке стоит обращать внимание на цвет сырья [5].
После взвешивания, сортировки, очистки от пыли для производства листов гранулы поступают на плавление.
В камере плавления гранулы переходят из твердого состояния в жидкое, к ним добавляются специальные компоненты, способствующие улучшению характеристики будущего материала. В конечном итоге образуется однородная смешанная масса.
Далее начинается процесс экструзии, в ходе которого бесформенная масса преобразуется в нужную структуру, монолитную или сотовую. Помимо основного процесса экструзии, поликарбонатная масса одновременно подвергается соэкструзии тонкой пленкой, поглощающей ультрафиолетовое излучение, что способствует сохранению превосходной прочности материала [20].
На следующем этапе прозрачный или цветной сотовый поликарбонат в виде тонких пластин, скрепленных между собой прочными ребрами жесткости, подается на конвейер.
После остывания пластины поликарбоната нарезаются на нужные размеры, складируются и в многослойных, защищенных от проникновения влаги мешках поступают на хранение.
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛИКАРБОНАТА
Эксплуатироваться разные виды поликарбоната могут при температурах от -45 до +120 градусов. Этот диапазон значительно больше, чем у довольно широко известного акрила. Ударная прочность поликарбоната превышает прочность акрила и стекла соответственно в 10 и в 100 раз.
Поликарбонатные панели не заменят стекло в полной мере, но помогают архитекторам разрабатывать комфортабельные и долговечные конструкции для применения их в зданиях и сооружениях различного назначения. Материал имеет богатую цветовую гамму [11].
Так как поликарбонат относится к термопластам, при затвердевании он восстанавливает все свои свойства. Это делает его ценным материалом с экологической точки зрения. Монолитные листы не имеют аналогов среди полимерных материалов.
Поликарбонат характеризуется комплексом высоких физико-механических свойств, отличается самой высокой среди полимеров жесткостью и прочностью в сочетании с очень высокой стойкостью к ударным нагрузкам (лист d=12мм не пробивает пистолетная пуля) обусловливает его применение для изготовления защитных шлемов и щитов. Свойства поликарбоната мало изменяются с ростом температуры.
Поликарбонат обладает хорошими оптическими показателями, отличается высокой прозрачностью. Коэффициент светопропускания - 89-91%. Устойчив к воздействию УФ-излучения.
Поликарбонат имеет отличные диэлектрические свойства. Рекомендуется для изготовления точных деталей, т. к. имеет высокую размерную стабильность, незначительное водопоглощение, хорошо окрашивается [19].
Механическая прочность. Поликарбонат способен претерпевать значительные механические нагрузки. Необходимо учесть, что поверхность может подвергаться абразивному воздействию при длительном контакте с мелкими элементами по типу песка. При этом возможно образование царапин при воздействии шероховатых материалов, которые обладают достаточной твердостью. Механическая прочность будет зависеть от структуры и марки. Если говорить о пределе прочности на разрыв, то товар премиум-класса обладает параметром, равным 60 МПа. Предел текучести у той же марки равен 70 МПа. Ударная вязкость составляет 65 кДж/мм. Производитель дает гарантию на сохранение эксплуатационных качеств в течение 10 лет при том условии, что листы были установлены правильно и с использованием специального крепежа [19].
Параметры толщины и удельный вес. Технология предполагает возможность изготовления поликарбоната разных размеров. В настоящее время на рынке строительных материалов можно найти листы, толщина которых варьируется в пределах от 4 до 25 миллиметров. У каждого из этих типов разная внутренняя структура. Плотность поликарбоната равна 1,2 килограмм на кубический метр. Для полотен данный показатель зависит от количества слоев, толщины панелей и расстояния между ребрами жесткости. При толщине листа в 4 миллиметра количество стенок ограничено двумя, при этом расстояние между ребрами жесткости составляет 6 миллиметров. При толщине в 25 миллиметров число стенок равно 5, тогда как шаг между ребрами равен 20 [19].
Устойчивость к воздействию солнца. Поликарбонат - это тот материал, который способен гарантировать надежную защиту от излучения. Для того чтобы достичь подобного эффекта, в процессе производства на лист наносится прослойка стабилизирующего покрытия. Данная технология обеспечивает срок эксплуатации течение 10 лет. Вероятности отслоения защитного покрытия от самого материала нет, так как полимер надежно сплавлен с основой. При установке листа необходимо учесть тот момент, что покрытие, предназначенное для защиты от солнечного излучения, должно быть обращено наружу. Светопропускная способность зависит от цвета, например, неокрашенные листы обладают данным показателям в пределах от 83 до 90 процентов. Прозрачные цветные полотна пропускают не более 65 процентов, однако прошедший свет хорошо рассеивается [19].
Теплоизолирующие характеристики. Обладает отличными теплоизоляционными качествами. Теплосопротивляемость этого материала достигается за счет внутри содержащегося воздуха и по той причине, что полотно имеет значительное тепловое сопротивление. Коэффициент теплопередачи будет зависеть от структуры и толщины листа. Этот параметр изменяется в пределах от 4,1 до 1,4 Вт/(м² ·К). Первая цифра верна для полотна, толщина которого равна 4 миллиметрам, тогда как вторая цифра представлена для 32-мм листа [17].
Пожаростойкость. Поликарбонат считается устойчивым к воздействию высоких температур, он относится к категории В1, что по европейской классификации обозначает трудновоспламеняемый и самозатухающий материал. При горении он не выделяет токсичных газов и не является опасным для человека. При описываемом тепловом воздействии, что касается и открытого пламени, начинаются процессы образования сквозных отверстий и разрушения структуры. Материал начинает уменьшаться по площади [38].
Срок эксплуатации. Поликарбонат монолитный - это тот материал, производители которого гарантируют сохранение качественных характеристик материала в течение 10 лет. Это верно, если будут соблюдаться правила монтажа и эксплуатации. Если не допустить повреждения наружной поверхности, то можно продлить срок использования панели. В противном случае произойдет преждевременное разрушение полотна. В тех зонах, где существует опасность механического повреждения, необходимо использовать листы, толщина которых равна 16 миллиметрам или больше. При монтаже необходимо учитывать исключение возможности контакта с веществами, которые способны нанести вред в виде разрушения [14].
Шумоизоляционные характеристики.Сотовая структура обеспечивает весьма низкую акустическую проницаемость, это указывает на то, что панели обладают отличными шумопоглощающими свойствами, которые зависят от разновидности листа и его внутренней структуры. Таким образом, если речь идет о многослойном сотовом поликарбонате, толщина полотна которого равна 16 миллиметрам или больше, угасание звуковой волны происходит в пределах от 10 до 21 дБ [19].
ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛИКАРБОНАТА
Поликарбонат из-за большой жесткости макромолекул и ограниченного вращения ароматических циклов имеет слабую тенденцию к кристаллизации. Изделия, полученные охлаждением расплава или быстрым испарением растворителя из раствора, содержат от 10 до 15 % кристаллической фазы. Большая степень кристалличности (до 40 %) достигается длительной выдержкой поликарбоната при 180-190°С (выше его температуры стеклования, равной 149 °С).
Температура плавления поликарбоната 220-230 °С; разлагается при температурах более 320 °С. Относится к группе самозатухающих полимеров.
Выпускают поликарбонат стабилизированным и нестабилизированным. Стабилизаторами являются фосфорорганические соединения, например фосфит НФ, добавляемый в количестве 0,5-1 %.Они повышают показатель текучести расплава поликарбоната, внешний вид и физико-механические свойства изделий [11].
Поликарбонат теплостойкий материал, температурно стабилен, биологически инертен (благодаря этому используется в медицине).
Все изделия отличаются стабильностью размеров, не деформируются при длительном нагревании вплоть до температуры 135 °С и остаются гибкими до -75°С. Они устойчивы к действию воды, растворов солей, разбавленных кислот, углеводородов и спиртов.
Поликарбонат - это тот материал, который обладает отличной устойчивостью к ряду химических веществ. Однако не рекомендуется его использование, если возможно воздействовие инсектицидных аэрозолей, цементных смесей, ПВХ-пластифицированных веществ, бетона, сильнодействующих моющих средств, галогенных и ароматических растворителей, герметиков на базе аммиака, уксусной кислоты и щелочи, растворов этилового спирта [12].
Поликарбонат - это тот материал, который будет стойко переносить воздействие солевых растворов с нейтральной кислотной реакцией, а также концентрированных минеральных кислот. Не боится восстановителей и окислителей, а также спиртовых растворов, в качестве исключения выступает метанол.
МИРОВОЕ ПРОИЗВОДСТВО ПОЛИКАРБОНАТА
Поликарбонаты являются крупнотоннажными продуктами органического синтеза. Мировые производственные мощности (см. табл. 2).
Таблица 2
Размещение крупнейших производств поликарбоната
Читайте также: