Nghiên cứu quy trình sản xuất và ứng dụng một số loại tơ tổng hợp

Phần 1. MỞ ĐẦU I. Lý do chọn đề tài Khi nghiên cứu về thành phần hóa học, cấu tạo phân tử người ta nhận thấy một số nhóm chất được tạo nên bởi các nhóm giống nhau, liên kết với nhau bằng liên kết hóa học tạo thành phân tử lớn, gọi là hợp chất đại phân tử hay hợp chất cao phân tử. Ở thời kì đầu, những nghiên cứu về hóa học các hợp chất cao phân tử phần lớn là nghiên cứu cấu tạo, tính chất và khả năng ứng dụng của các polime thiên nhiên. Bước tiếp theo là nghiên cứu tổng hợp những polime thay thế polime thiên nhiên trên cơ sở các nguồn nguyên liệu dễ kiếm. Từ đó, hàng loạt các ngành công nghiệp sản xuất cao su, tơ sợi tổng hợp, chất dẻo, sơn phủ các loại,… ra đời. Nhờ những tính chất cơ lí rất đặc trưng các hợp chất cao phân tử đã trở thành những vật liệu kết cấu không thể thay thế và đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác của công nghệ cũng như hoạt động con người. Tuy nhiên, không cũng ai cũng có thể hiểu rõ được cấu tạo và quy trình sản xuất các hợp chất trên. Chính vì vậy tôi đã chọn đề tài “Nghiên cứu quy trình sản xuất và ứng dụng của một số loại tơ tổng hợp” để làm rõ hơn về quy trình sản xuất cũng như ứng dụng trong thực tiễn khi sản xuất tơ tổng hợp. II. Đối tượng nghiên cứu - Quy trình sản xuất và ứng dụng của tơ tổng hợp III. Mục đích, nhiệm vụ nghiên cứu - Làm rõ quy trình sản xuất và ứng dụng của tơ tổng hợp trong cuộc sống IV. Phương pháp và phạm vi nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu: sưu tầm và nghiên cứu lí thuyết - Phạm vi nghiên cứu: Tơ tổng hợp Phần 2. NỘI DUNG CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.1. Giới thiệu về tơ tổng hợp Tơ tổng hợp (poliamit) - Poliamit là mạch cacbon dị nguyên tố có nhóm chức –CO-NH- trong phân tử. - Khối lượng phân tử của poliamit khoảng 8000-25000. - Poliamint khó tan, nóng chảy ở nhiệt độ cao 180-250˚C.Nhiêt độ nóng chảy còn phụ thuộc vào cấu trúc của mạch và hiđro liên kết trong mạch đó. 1.2. Phân loại Tùy theo phương pháp điều chế, người ta chia tơ tổng hợp thành hai nhóm chính: -Tơ từ các polime trùng ngưng: Tơ do các polime trùng ngưng tạo nên xuất phát từ các poliamit, polieste… -Tơ từ các polime trùng hợp: Đó là các tơ vinylic được chế tạo từ các polime sinh ra khi trùng hợp các dẫn xuất vinyl. 1.3. Tính chất và đặc điểm của tơ tổng hợp Tơ hóa học, nói chung, so với tơ thiên nhiên có nhiều ưu điểm hơn. Trước hết, tơ tổng hợp hóa học dai, bền hơn (tơ capron, nilon -6,6 không thua dây thép, tơ xenlulozo axetat còn bền hơn cả sợi dây thép). Có tơ còn có tính chất vô cùng quý giá là không cháy như tơ clorin. Nhiều tơ sợi hóa học còn bền vững về mặt hóa học, ngay cả với axit, kiềm, chất oxi hóa như tơ lapsan, tơ clorin. Tơ sợi hóa học bền với nước, không bị nước và các vi khuẩn làm mục nát như tơ thiên nhiên. Nhiều tơ hóa học bền với nước, không bị nước và các vi khuẩn làm mục nát như tơ thiên nhiên nên có thể thường xuyên sử dụng trong nước mà không sợ hư hỏng (lưới đánh cá chẳng hạn). Một ưu điểm đặc biệt nữa của sợi tơ hóa học là: nguyên liệu rẻ và phong phú (khí thiên nhiên, dầu mỏ, than đá, đá vôi, muối biển,…) làm cho giá thành sản phẩm hạ, không lệ thuộc vào khí hậu hay các nguồn cung cấp từ động vật như tơ tằm, lông cừu,… 1.3.1. Tính chất chung của sợi poliamit Nhựa poliamit được dùng để sản xuất sợi phải có khối lượng phân tử trong khoảng 15.000 đến 22.000 đvC. 1.3.1.1. Tính chất cơ lý Sợi poliamit có độ bền cơ học cao, so với sợi vitxco thì cao hơn 2- 2,5 lần. ở trạng thái ướt độ bền của nó chỉ giảm 10%. Đặc biệt là độ bền với ma sát thì nó cao hơn hẳn tất cả các sợi hoá học khác. Khối lượng riêng của sợi poliamit thấp hơn nhiều so với tất cả các sợi khác bằng 1,14 g/cm3. Sợi poliamit sau khi kéo dãn các dây phân tử có liên kết bó chặt chẽ nên lực tác dụng tương hỗ giữa các phân tử tăng do đó sợi có độ bền cơ học cao. Tuy nhiên lại làm cho sợi khó nhuộm màu. Sợi poliamit là loại sợi có tính co giãn cao hơn cả và có khả năng giữ nếp cao nên nó được sử dụng để dệt tất, găng tay, vải dệt kim và các loại vải may khác nhau. Vì trong phân tử poliamit có chứa nhóm amin và nhóm cacboxyl ở hai đầu mạch nên poliamit có hàm ẩm thấp (khoảng 4%), tuy nó khó bắt bụi, bắt ẩm nhưng vải dệt từ sợi poliamit ít thoáng khí, không hút mồ hôi do đó làm tính chất sử dụng giảm. Vì hàm ẩm thấp nên xơ poliamit có khả năng sinh tĩnh điện gây khó khăn cho quá trình dệt, để hạn chế hiện tượng này người ta dùng chất bôi trơn. 1.3.1.2. Khả năng chịu nhiệt Poliamit là nhựa nhiệt dẻo, nên sợi poliamit bị biến dạng ở nhiệt cao: nilon-6 bị mềm ở 1700 C và chảy ở 2150C, nilon 6-6 bị mềm ở 2350C và chảy ở 2650C. Vì vậy khi là quần áo bằng loại sợi này nên chú ý tránh quá nhiệt. Do khi kéo căng sợi còn nhiều phân tử chưa triệt tiêu nội năng nên khi có điều kiện nó sẽ có xu hướng giải phóng nội năng đó và làm cho sợi bị co lại. Vì vậy để hạn chế hiện tượng này cần tiến hành quá trình ổn định nhiệt sau khi kéo căng và nhiệt độ ổn định nhiệt phải cao hơn nhiệt độ mà sản phẩm phải chịu trong các quá trình gia công, sử dụng sau này. 1.3.1.3. Độ bền với các tác nhân hóa học Sợi poliamit tương đối bền với kiềm, thí dụ khi ngâm nilon-6 trong xút 40% trong thời gian là 1 giờ thì tính chất cơ lý vẫn chưa thay đổi bao nhiêu. Sợi poliamit kém bền với axit nhất là axit khoáng và ở nhiệt độ cao. Ví dụ: Sợi poliamit có độ bền không thay đổi khi ngâm trong dungdịch axit focmic 3% hoặc axit axetic 3% ở 1000C trong 3 giờ, nhưng sẽ bị hoà tan trong axit focmic 80%, bị trương nở mạnh trong dung dịch axit focmic 20%. Sợi poliamit rất nhạy cảm với tác dụng của các chất oxy hoá vì thế những chất oxy hoá mạnh vẫn thường dùng trong công nghiệp dệt như natrihipoclorit (NaClO), hiđroperoxit (H2O2) không được sử dụng để tẩy trắng vải poliamit. Các chất khử, dung dịch đồng - amoniac và các muối trung tính thực tế không ảnh hưởng gì đến tính chất của sợi. Dung dịch trên 60% của phenol và m-crezol là các dung môi tốt của nilon-6 và nilon 6-6. Khi tiếp xúc với ngọn lửa thoạt tiên sợi poliamit bị chảy mềm thành hạt trắng, sau dó cháy chậm, khi lấy ra khỏi ngọn lửa thì sợi không tiếp tục cháy nữa. Tính chất hoá học của sợi poliamit do các nhóm chức amin và cacboxyl ở hai đầu và nhóm imin ở giữa mạch quyết định. Như vậy sợi poliamit có tính chất lưỡng tính, nghĩa là dưới tác dụng của axit và bazơ nosex tạo thành muối như sau: H2N-R-COOH + HCl " Cl- H3N+ -R-COOH H2N-R-COOH + NaOH " H2N-R-COONa +H2O Sợi poliamit có miền đẳng điện trong khoảng pH = 4 - 5. Các nhóm imin của mạch chính ở điều kiện thường không thể hiện tính bazơ và không kết hợp với các axit yếu hay thuốc nhuộm axit. Sợi poliamit kém đồng nhất về thành phần hoá học (mạch phân tử không đều) do đó sẽ ảnh hưởng không tốt đến độ đều màu của sợi khi nhuộm. Để hạn chế hiện tượng này người ta thường tiến hành ổn định nhiệt trước khi nhuộm. 1.3.2. Tính chất của sợi polieste 1.3.2.1. Độ bền cơ lý và ngoại quan Sợi polieste là loại sợi có độ bền cơ học cao. Độ bền đứt tương đương với sợi poliamit cũng như đối với các loại sợi tổng hợp khác phụ thuộc nhiều vào trọng lượng phân tử của polime, điều kiện tạo sợi và kéo căng. Do cấu tạo của polime có hình ziczac giống như của cao su nên sợi polieste có khả năng đàn hồi lớn và môđun đàn hồi cao. Do tính chất đàn hồi cao nên các sản phẩm dệt từ sợi polieste giữ được hình dạng bề mặt, ít bị nhàu khi giặt, giữ nếp khi là. Vì đặc điểm này nên người ta thường hay pha sợi polieste với các loại sợi dễ bị nhàu như sợi bông, sợi vitxco để tăng khả năng chống biến dạng của sản phẩm. Về vẻ ngoài của sợi polieste rất giống len, vải đi từ polieste rất bền,đẹp, không bị nhàu. So với poliamit thì sợi polieste có cấu trúc chặt chẽ hơn tỷ lệ phần vi kết tinh cao nên nó kém bền với ma sát hơn, tuy nhiên chỉ sau rấtít và lớn hơn nhiều so với các loại sợi khác. Cần chú ý rằng khi sợi polieste có độ bền đứt càng cao thì độ mài mòn càng thấp. Loại sợi có độ bền đứt trung bình chịu mài mòn tốt hơn loại có độ bền cao tới 20-25 lần. 1.3.2.2. Độ bền với tác dụng của nhiệt và ánh sáng Do trong phân tử của polieste có chứa nhân thơm nên khả năng bền nhiệt vượt xa các loại sợi khác. Khi gia nhiệt ở 1500C trong 1000 giờ liền độ bền sợi chỉ giảm 50%, trong khi đó ở nhiệt độ này chỉ trong 200 - 300 giờ đối với các loại sợi hoá học khác đã bị phá hủy hoàn toàn. Đến nhiệt độ 2350C sợi polieste mất độ định hướng các đại phân tử, đến nhiệt độ 2650C sợi bị nóng chảy và đến 2750C sợi bắt đầu bị phá hủy, vì các vải từ sợi polieste chỉ được phép là ở nhiệt độ < 2350C. Dưới tác dụng của ánh sáng sợi polieste cũng bị suy giảm độ bền nhất là khi chịu tia sáng có bước sóng ngắn 300 - 330 micromet. Tuy nhiên trừ sợi poliacrylonitryl, sợi polieste có độ bền ánh sáng lớn hơn cả. 1.3.2.3. Độ bền hóa học và vi sinh vật Tương đối bền với tác dụng của axit, hầu hết các axit vô cơ và hữu cơ ở nồng độ không cao lắm ở nhiệt độ thường đều không ảnh hưởng đến độ bền của sợi polieste. Với các chất oxy hoá sợi polieste tương đối bền. Bền với tác dụng của dung môi hữu cơ như: axeton, benzen, tetraclorua cacbon, toluen, rượu..., bị hòa tan trong dung môi m-crezol, o-clophenol khi đun sôi. Kém bền với tác dụng của kiềm, khi đun sôi lâu trong dung dịch xút 1% sợi bị thủy phân. Còn trong dung dịch xút 40% ở nhiệt độ thường sợi bị phá hủy mạnh, vì trong mạch của polieste có chứa nhóm este dễ bị thủy phân đặc biệt trong môi trường kiềm. 1.3.2.4. Các tính chất khác Sợi polieste có khối lượng riêng bằng 1,33g/cm3 (lớn hơn sợi poliamit). Do chứa ít nhóm ưa nước, lại có cấu trúc chặt chẽ nên sợi polieste có hàm ẩm thấp, ở điều kiện tiêu chuẩn hàm ẩm của nó là 0,4%. Vì vậy sợi polieste có khả năng cách điện cao và dễ gây hiện tượng tích điện nên khó khăn cho quá trình dệt. Cũng vì vậy mà sợi polieste khó nhuộm màu, chỉ nhuộm được bằng thuốc nhuộm thích hợp (thuốc nhuộm phân tán, thuốc nhuộm có tính chất tương tự ở nhiệt độ cao hay khi có mặt chất tải (chất gây trương)...). Để biến tính sợi polieste người ta đã tìm cách thay đổi thành phần hóa học của polieste ví dụ có thể thay thế một phần nguyên liệu ban đầu là terrrephtalic axit bằng axit izophtalic, nhằm phá vỡ sự sắp xếp trật tự, đều đặn các mắt xích trong mạch đại phân tử, từ đó phá vỡ tính chặt chẽ về cấu trúc phân tử, giảm khả năng định hướng và kết tinh của chúng. Do đó làm cho sợi mềm mại hơn, dễ gập uốn hơn, khả năng nhuộm màu tăng hơn, độ xốp tăng và độ co cao hơn làm cho vải trở nên dày, xốp, ấm và có vẻ đẹp độc đáo. 1.3.3. Tính chất sợi acrylic Ngày nay người ta thường biến tính PAN bằng cách tiến hành đồng trùng hợp AN với một số monome như vinylclorua, vinylacetat, vinylpiridin... để thay đổi một số tính chất của polime như tăng khả năng hòa tan trong các dung môi thông thưòng như axeton, ete... và khả năng nhuộm màu... Thường tỷ lệ acrylonitril là 85 %. Tính chất của sợi phụ thuộc rất nhiều vào khối lượng phân tử của nó. Với cùng một bản chất hoá học nhưng bằng cách thay đổi các điều kiện khi tạo sợi, kéo căng, ổn định nhiệt thì các tính chất cơ lý của sợi PAN có thể thay đổi trong một khoảng rất rộng. 1.3.3.1. Độ bền cơ học Sợi PAN có độ bền cơ học cao và không bị giảm ở trạng thái ướt. Tuy nhiên nó rất kém bền với ma sát. 1.3.3.2. Độ bền nhiệt Sợi acrilic là sợi nhiệt dẻo nhưng nó tương đối bền nhiệt. Khi đốt nóng ở 1500C trong 2 ngày độ bền của không giảm sút. Tăng nhiệt độ lên 160-1650C xơ bắt đầu bị vàng, đốt nóng ở 2000C với thời gian trên 60 giờ nó trở nên đen nhánh như than nhưng độ bền cơ học vẫn không thay đổi mấy. Nó chỉ bị nung nóng đỏ lên trong ngọn lửa của đèn khí. Khi đung nóng trên 220 0C sợi mới bắt đầu bị mềm và phân hủy. 1.3.3.3. Độ bền ánh sáng Sợi PAN có độ bền cao với ánh sáng và khí quyển về chỉ tiêu này thì nó vượt tất cả các loại sợi hoá học và sợi thiên nhiên. Ngoài ra nó còn bền với vi sinh vật và nấm mốc... 1.3.3.4. Độ bền bức xạ Đây là một tính chất đặc trưng của sợi PAN đó là khả năng chịu được những bức xạ hạt nhân. Đặt trong lò phản ứng hạt nhân trong 26 giờ độ bền của nó giảm không quá 25%. 1.3.3.5. Độ bền hoá học Sợi PAN có độ bền hoá học cao, bền với axit, chất ôxy hoá và các dung môi hữu cơ, bền với rượu, axit hữu cơ trừ axit formic, bền với dầu béo, axeto và ête. Kém bền với kiềm: bị phân hủy trong dung dịch kiềm đậm đặc, bị vàng trong dung dịch kiềm loãng. Khả năng thấm ướt kém nên nó là loại sợi rất khó nhuộm. Để sản xuất sợi với nhiều màu sắc khác nhau thì thường cho thêm chất màu vào dung dịch kéo sợi hoặc tiến hành nhuộm sợi trước khi sấy khô. Bó sợi sau khi rửa được đưa vào bể chứa thuốc nhuộm, rồi phơi sơ bộ trong không khí, rửa và nếu cần phối hợp màu, lại cho qua bể nhuộm thứ hai, thứ ba... và sau cùng đem sấy ở nhiệt độ cao. Thuốc nhuộm tốt nhất cho sợi này là thuốc nhuộm cation. 1.3.3.6. Ngoại quan Giống tơ tằm: mềm mại, cảm giác khi tiếp xúc. Đối với xơ cắt ngắn thì rất giống với len từ lông cừu: xốp, ấm, giữ nhiệt… 1.4. Các tơ tổng hợp điển hình -Tơ từ các polime trùng ngưng: Tơ do các polime trùng ngưng tạo nên xuất phát từ các poliamit, polieste… Tơ poliamit: Được điều chế từ các polime loại poliamit, trong phân tử có chứa các nhóm chức amit –CO-NH-. Đó là các loại tơ: Nilon -6,6 có công thức polime (-CO-[CH2]4- CO-NH-[NH2]6-NH-)n Nilon -6 (hay capron, peclon) (-NH-[CH2]5-CO-)n Enan (hay nilon -7) (-NH-[CH2]6-CO-)n Tơ rinsan (poliamit-11) (-NH-[CH2]10-CO-)n Tơ politerephtalamit như kepla (aramit) (-CO-p-C6H4-CO-NH-p-C6H4-NH-)n Tơ polieste: polieste được dùng để chế tạo tơ polieste. Tiêu biểu cho loại tơ này là đacron hay lapsan, là sản phẩm trùng ngưng giữa etylen glicol với axit terephtalic: -(CO-C6H4-CO-OCH2CH2-O-)n -Tơ từ các polime trùng hợp: Đó là các tơ vinylic được chế tạo từ các polime sinh ra khi trùng hợp các dẫn xuất vinyl, như tơ clorin là sản phẩm khi clo hóa một phần poli (vinyl clorua) làm cho polime mới có hàm lượng clo tới 62-65%. Đó cũng là tơ nitron (hay tơ olon) đi từ poliacrilonitrin [-CH2-CH(CN)-]n, hay tơ sợi đi từ polipropilen [-CH2-CH(CH3)-]n Ngoài các loại kể trên, còn nhiều loại tơ tổng hợp khác cũng được chế tạo từ một số polime như tơ polieste, tơ vinilon (đi từ poli (vinylancol))… Chương 2. QUY TRÌNH TỔNG HỢP VÀ ỨNG DỤNG CỦA MỘT SỐ LOẠI TƠ TỔNG HỢP 2.1. Sợi poliamit 6-6 2.1.1. Mở đầu Poliamit là những đại phân tử mạch thẳng cấu tạo bởi các mắt xích -CO-NH- nối các mắt xích cơ bản. Poliamit được tạo ra bằng sự đa tụ của một điamin và một điaxit hoặc của một lactam vòng sau khi đã mở mạch hoặc của một aminoaxit. Trường hợp 1: tên gọi đặc trưng bởi 2 chữ số. Trường hợp 2: tên gọi dặc trưng bởi 1chữ số. Ví dụ: Poliamit 6-6 được đa tụ từ hexametylendamin và axit adipic Poliamit 6 được tạo ra từ caprolactam 2.1.2. Nguyên liệu tạo sợi 2.1.2.1. Lý thuyết tạo sợi Phụ thuộc vào nguyên liệu ban đầu mà nhóm amit trong poliamit có thể định hướng theo các chiều khác nhau: Loại (1) là đối với poliamit là aminoaxit hoặc lactam của nó. Loại (2) tạo ra khi điamin tác dụng với axit hữu cơ hai gốc. Điều chế poiamit bằng phương pháp ngưng tụ các cấu tử hai chức: nhóm chức amin (-NH2) và nhóm cacboxyl (-COOH). Phụ thuộc vào nguyên liệu ban đầu mà thu được sản phẩm mạch vòng hay mạch thẳng. Trong các aminoaxit thì α và β-aminoaxit tạo ra vòng 5 và 6 cạnh lactam bền, do đóloại lactam này không tạo ra polyme được mà chỉ có loại ε -aminoaxit và ω -aminoaxit mới tạo ra polime được. Trong công nghiệp sử dụng ε -amino capronic axit (hoặc lactam của nó) Quá trình tạo ra poliamit từ các aminoaxit có thể biểu diễn: Khi dùng điaxit và điamin để điều chế poliamit, phụ thuộc vào cấu tạo của nó mà có thể tạo ra các sản phẩm vòng (5 và 6 cạnh). Khi đun nóng axit oxalic và etilen điamin tạo ra oxalactam vòng hoặc axit maleic tác dụng với amin tạo ra sản phẩm vòng bền imit. Qua các thí dụ trên ta thấp rõ ràng rằng muốn nhận được poliamit thì có thể dùng các axit hai gốc nhưng với điều kiện là số nhóm metylen trong phân tử không dưới 4. Quá trình tạo ra poliamit do đa tụ axit ađipic hoặc với axit xebaxic với hexametylenđiamin có thể biểu diễn: nHOOC-(CH2)4-COOH + nH2N-(CH2)6-NH2 " (-OC-(CH2)4-CO-HN-(CH2)6-NH-)n +(2n-1)H2O 2.1.2.2. Điều kiện đa tụ Quá trình tạo poliamit từ các aminoaxit cũng như từ các axit hai gốc và điamin đều có nước tách ra. Các phản ứng đa tụ có đặc tính thuận nghịch và cân bằng chuyển về phía tạo polime. Do đó để phản ứng dịch chuyển về phía tạo polyme thì cần tách nước ra khỏi môi trường phản ứng, còn nếu không phản ứng trở nên cân bằng và quá trình đa tụ ngừng. Trong điều kiện thường, mức độ đa tụ trước hết phụ thuộc vào tính chất hoá học của các cấu tử phản ứng. Poliamit phân tử cao được tạo ra dễ hơn, ví dụ như đối với poliete vì phản ứng không đòi hỏi tách các sản phẩm phụ. Poliamit phân tử cao được tạo ra không phải do phản ứng đồng thời của tất cả các phân tử mà xảy ra theo từng bậc, do đó tốc độ phản ứng chậm và nhiệt phản ứng toả ra rất ít. Tốc độ phản ứng phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ. Nhiệt độ tăng thì tốc độ phản ứng tăng. Hàm lượng phần phân tử thấp phụ thuộc vào nhiệt độ mà ở đấy cân bằng được thiết lập. Một yếu tố cũng ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ phản ứng và trọng lượng phân tử polime là tỷ lệ các cấu tử: Nếu thừa một trong các tác nhân phản ứng thì có khả năng tạo ra mạch polime mà ở đầu mạch có chứa nhóm của tác nhân thừa đó và do đó làm ngừng phản ứng phát triển mạch. Như vậy muốn thu được polime có trọng lượng phân cao thì phải có tỷ lệ các cấu tử phản ứng phải chính xác. 2.1.2.3. Vai trò của chất ổn định độ nhớt Thừa một trong các tác nhân trong hỗn hợp phản ứng sẽ làm hạn chế trọng lượng phân tử. Hiện tượng này không xảy ra nếu ta thêm vào hỗn hợp phản ứng một chất có đương lượng phân tử chính xác, các hợp chất một chức có khả năng phản ứng với các nhóm cuối của poliamit và tạo ra các sản phẩm bền nhiệt. Phụ thuộc vào lượng chất một chức cho vào gọi là chất ổn định hay là chất điều chỉnh mà có thể thu được poliamit có mức độ đa tụ xác định do làm ngừng phát triển mạch. Mức độ đa tụ xác định theo phương trình: Pn = M1/M2 + 1 Trong đó: M1 - số mol của hợp chất một chức M2 - số mol của hợp chất 2 chức. Có thể dùng các axit, rượu và amin nhưng thực tế thường dùng axit axetic làm chất ổn định. Ta thấy chất ổn định cho vào hỗn hợp phản ứng càng nhiều thì mức độ đa tụ poliamit càng thấp và càng nhanh đến trạng thái ngừng phát triển mạch. Chất ổn định không những hạn chế trọng lượng phân tử của polime mà còn giúp cho nhận được các sản phẩm có độ nhớt xác định và không đổi ngay cả khi làm nóng chảy lại lần thứ hai. 2.1.2.4. Đa tụ nhựa poliamit Ngoài poliamit thu được do đa tụ các aminoaxit hoặc hai hợp chất hai chức có khả năng phản ứng: điamin và điaxit ra, còn có thể nhận được do đồng đa tụ. Ví dụ: poliamit từ hỗn hợp caprolactam, axit ađipic và hexametylenđiamin hoặc từ hỗn hợp axit ađipic và xebaxic và hexametylenđiamin. Khi đa tụ hỗn hợp polime chứa nhiều mắt xích hỗn hợp, do đó độ đồng đều của cấu tạo poliamit bị phá vỡ. Điều đó liên quan đến các tính chất cơ lý của polime, giảm mức độ kết tinh, nhiệt độ nóng chảy giảm, độ hòa tan trong các dung môi có cực tăng. Nếu chọn các chất phản ứng và tỷ lệ các tác nhân thích hợp thì có thể thay đổi rất nhiều tính chất của poliamit. Trong công nghiệp thường dùng phương pháp này để biến tính capron và nilon. Phương pháp thông thường để tổng hợp poliamit là đa tụ ở nhiệt độ và áp suất cao trong hỗn hợp nóng chảy hoặc trong dung dịch. Phương pháp đa tụ giữa hai pha có nhiều ưu điểm cơ bản sau: - Đương lượng phân tử của các cấu tử không cần thật chính xác. - Nguyên liệu không cần tinh khiết - Có thể đa tụ với tốc độ cao ở nhiệt độ thường. - Sản phẩm có trọng lượng phân tử lớn hơn rất nhiều so với polime thu được ở trong dung dịch hoặc trong hỗn hợp nóng chảy. Phản ứng tạo poliamit xảy ra như sau: nH2N-R-NH2 + nCl-O-R’-CO-Cl → [-HN-R-NH-CO-R’-CO-]n+ 2nHCl đicloanhyđric của axit 2 gốc Nếu thừa một trong các cấu tử thì phản ứng sẽ xảy ra như sau: H2N-R-NH2 + Cl-CO-R’-CO-Cl → HN-R-NH-CO-R’-COCl + HCl HN-R-NH-CO-R’-COCl + H2N- R-NH2 → H2N-R-NHCO-R’-CONH-NH + HCl Kết quả tạo ra polime phân tử lượng cao, ở giới hạn phân chia pha polime được tạo ra theo dạng màng hoặc sợi. Nếu màng và sợi đó không tách ra được thì nó sẽ ngăn cản mạch polime phát triển. Để giải phóng giới hạn phân chia pha ta dùng phương pháp lấy polime ra liên tục hoặc trộn thành hỗn hợp đồng nhất. Chú ý không trộn mạnh quá vì như vậy thì không những tăng quá trình thủy phân đicloanhyđric mà còn làm tăng quá trình đứt mạch polime. Có thể thêm vào pha nước một vài loại muối có khả năng làm giảm tốc độ thủy phân đicloanhyđric và đẩy điamin vào pha hữu cơ hoặc thêm 0,1 -0,5% chất hoạt động bề mặt. Để điều chế poliamit ví dụ nilon thì rót đicloanhyđric của axit ađipic hòa tan trong benzen vào dung dịch nước hexametylenđiamin. Tốc độ phản ứng sẽ xảy ra rất nhanh. Phương pháp điều chế poliamit ở giới hạn phân chia pha được dùng trong công nghiệp do dễ chế tạo và tách polime ra vì vậy có khả năng làm cho polime có nhiều tính chất cơ lý khác nhau, phụ thuộc vào cấu tạo của các cấu tử phản ứng. Có thể kéo sợi poliamit từ giới hạn phân chia pha. 2.1.2.5. Trùng hợp lactam để tạo policaprolactam Cyclohexan Benzen Cyclohexanon Axit adipic Hexametylenđiamin Quá trình tổng hợp poliamit từ lactam theo phương pháp trùng hợp anion. Monome trùng hợp là ε-caprolactam, quá trình trùng hợp khi đun nóng với sự có mặt xúc tác kiềm, NaCO3 khan nước. Như vậy theo sơ đồ phản ứng trên thì nhóm cuối không đóng vai trò quyết định trong việc phát triển mạch. Điểm đặc biệt của poli ε-caprolactam tạo ra là ở cuối mạch không phải nhóm cacbonyl mà là nhóm amin. Trùng hợp ε-caprolactam có xúc tác kiềm và đồng trùng hợp xúc tác có thể tiến hành trực tiếp trong khuôn ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của polime ở áp suất thường. Phương pháp này thu được sản phẩm có khối lượng phân tử rất lớn và có tính chất cơ lý tốt hơn policaproamit thường. 2.1.2.6. Dây chuyền sản xuất poliamit 6-6 Nguyên liệu bao gồm axit ađipic rắn và dung dịch hexametylenđiamin 60 - 80% được cho vào nồi phản ứng chịu áp suất. Quá trình sản xuát poliamit 6-6 cũng như các poliamit khác thực hiện theo phương pháp gián đoạn Ngoài dung dịch muối ta còn cho thêm chất ổn định vào nồi để ổn định độ nhớt là axit axetic (1/150 mol trên 1 mol muối). Đun nóng dần dần dung dịch trong ôtôclavơ lúc đầu đến 2200C, lúc đó áp suất tăng lên đến 17,6 at trong 1 - 2 giờ thì nhiệt độ sẽ đạt đến 270 – 2800C. Duy trì nhiệt độ này trong 1-1,5 giờ đồng thời liên tục xả hơi ra. Sau đó giảm áp suất xuống đến áp suất thường. Dùng khí nitơ nén poliamit nóng cháy xuống nồi hấp và cho thêm TiO2 vào để tạo màu cho poliamit. Sau đó cũng dùng khí nén đẩy poliamit chảy xuống thành dải cuộn trên thiết bị hình trống. Ở đây có tưới nước vào đồng thời thổi không khí để tách nước thừa ở băng ra. Sau đó cho dải polime qua bộ nghiền (5) cắt polime thành thanh hoặc hạt nhỏ rồi đưa sang bộ sàng (6) cuối cùng đưa vào thùng chứa. 2.1.3. Công nghệ sản xuất sợi poliamit 6-6 Polime tổng hợp được cho vào thùng chứa có hệ thống gia nhiệt. Tại đây polime được gia nhiệt bằng điện trở cho nóng chảy sau đó bơm nén khí để thổi khí trơ vào (thường là khí nitơ hay CO2) để tăng áp lực đưa nhựa nóng chảy sang ống định hình rồi đến đầu phun (mũ philie). Trước khí sang ống định hình nhựa nóng chảy được cho qua một lưới lọc nhằm tách các tạp chất và phần nhựa chưa nóng chảy. Trước đầu phun người ta có đặt một bơm răng khía để chuẩn độ, bơm này có tác dụng điều chỉnh sợi khi ra khỏi đầu phun. Các philamămg tạo ra nhanh chóng hoá cứng nhờ phương pháp làm nguội bằng bộ điều hoà. Kéo sợi ở trạng thái lỏng cho phép đạt vận tốc rất cao trên 1000 m/phút. Tiếp theo là giai đoạn kéo giãn: Các philamăng được kéo giãn để đạt những tính chất tốt nhất. Kéo giãn được thực hiện ở trạng thái nguội hoặc nóng, đồng thời philamăng được tẩm chất chống tĩnh điện. Sau khi kéo giãn các bó xơ được tạo quăn và cắt ngắn. 2.2. Sợipoliamit-6 2.2.1. Nguyên liệu tạo sợi 2.2.1.1. Lý thuyết về poliamit Nguyên liệu để sản xuất ra loại poliamit-6 này là phenol hay benzen. Sau quá trình biến đổi trung gian chúng được chuyển thành xyclohexanon-oxim và sau đó chuyển nhóm cho nội phân tử để thành caprolactam như sau: Caprolactam có thể xem như lactam của acid aminocaproic HN-(CH2)5-CO là những tinh thể trắng nóng chảy ở 68-700C, không bền nhiệt ở nhiệt độ có khả năng trùng hợp thành nhựa policaprolactam. Quá trình trùng hợp caprolactam thành policaprolactam được tiến hành ở nhiệt độ 256 ± 30C trong 10-12 giờ, khi có mặt nước làm chất hoạt hoá. Tỷ lệ nước lấy từ 3,5 - 4 % so với khối lượng caprolactam. Cơ chế của phản ứng này có thể như sau: Thoạt tiên caprolactam tác dụng với một phân tử nước để thành axit e- aminocaproic: Sau đó axit e- aminocaproic mới tạo thành lại tác dụng với caprolactam để thành đi, tri, tetrapeptit và cho đến khi thu được polime với độ trùng hợp mong muốn, cũng có ý kiến cho rằng thoạt tiên caprolactam hợp với nước tạo thành acid amino-caproic, sau đó 2 phân tử này trùng ngưng thành một đime, còn các giai đoạn sau thì giống như cơ chế nói trên. Hoặc là: Hoặc: Policaprolactam muốn được sử dụng để kéo sợi cần có hệ số trùng hợp trong khoảng 150-200, tương ứng với khối lượng phân tử trong khoảng 16.000- 22.000 đvC. Sản phẩm như vậy có nhiệt độ nóng chảy vào khoảng 250 – 2600C. Nhựa cần phải đồng nhất, không chứa các đơn phân tử (monome, đi và trime). 2.2.1.2. Quy trình công nghệ sản xuất poliamit -6 Trong công nghiệp quá trình sản xuất policaprolactam theo 2 phương pháp: gián đoạn ở áp suất cao và liên tục ở áp suất thường. 2.2.1.2.1. Phương pháp gián đoạn Caprolactam dùng để trùng hợp được làm nóng chảy sơ bộ trong những thiết bị phản ứng đặc biệt với sự có mặt của chất hoạt hoá là H2O. Ngoài ra còn cho thêm chất ổn định là acid axetic hay các acid hữu cơ khác nhằm điều chỉnh độ pH của môi trường phản ứng. Khối monome nóng chảy được lọc cẩn thận rồi đưa lên nhiệt độ khoảng 250 - 2600C dưới bầu khí trơ là nitơ hay CO2. Khi phản ứng trùng hợp kết thúc, polime được đùn ra khỏi thiết bị phản ứng thành một băng dải. Dùng nước lạnh để làm lạnh sản phẩm. Dùng khí nitơ để đuổi oxy ra khỏi môi trường phản ứng tránh hiện tượng oxy hoá mạch đại phân tử polime tạo ra và các tạp chất khác trong môi trường phản ứng cũng được loại ra. Đồng thời còn có tác dụng tạo áp lực để đẩy polime tạo ra qua van (4) đã được đốt nóng tạo thành băng dải. Polime tạo ra được cuộn trên thiết bị hình trống (5), ở đây trống được cấp nước vào (6) đồng thời dùng luồng không khí (7) để tách nước thừa ở băng dải polime ra. Sau đó dải polime được cho qua máy dập cắt polime thành thanh hay dạng cục nhỏ. Tiếp theo cho qua thiết bị sàng và sấy bằng không khí nóng hay thùng sấy chân không cho tới khi hàm ẩm đạt dưới 0,1%. Thông thường policaprolactam tạo ra vẫn còn một lượng monome khá lớn làm giảm chất lượng của sợi kéo ra, do đó trước khi đem sấy người ta thường rửa polyme bằng nước nóng để hoà tan monome có trong nhựa. * Ưu nhược điểm: - Polime tạo ra không nhất thiết phải được kéo sợi ngay mà có thể được dự trữ và kéo sợi vào thời điểm nào cần thiết. - Mặc dù qua nhiều thiết bị nhưng dễ điều chỉnh quá trình. Thiết bị rời nhau nên dễ lắp ráp, sữa chữa, thay thế. 2.2.1.2.2. Phương pháp liên tục Để đơn giản hoá quá trình người ta dùng phương pháp liên tục theo nguyên tắc sau: - Cung cấp đều đặn caprolactam vào 1 ống dài có gia nhiệt đến 260- 2800C và khuấy đều bằng cánh khuấy. Rồi cho axit axetic và 1 ít nước làm chất hoạt hoá quá trình phản ứng trùng hợp. - Phản ứng trùng hợp xảy ra trong ống có gắn đầu philie ở cuối ống và như vậy nhựa sau khi tạo ra liền được đùn ra dưới áp lực của khí nitơ nạp vào trong ống tạo thành dòng sợi liên tục. - Dòng sợi đi ra lại cho sang các công đoạn tiếp theo như kéo căng, hoàn tất... ống thường được làm bằng thép có dung tích từ 1-6 m3, chiều cao ống có thể 1,25 - 7,5 m. Nhiệt độ được cung cấp bởi hệ thống điện trở. Phản ứng trùng hợp poliamit là phản ứng trùng hợp bậc và do đó khối lượng phân tử polime tăng theo từng bậc, chậm và nhiệt phản ứng toả ra bé. Tốc độ phản ứng phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ, nhiệt độ tăng thì tốc độ phản ứng tăng. * Ưu nhược điểm: - Có thể thu được caprolactam chứa ít tạp chất, không cần phải rửa lại. - Bỏ qua được nhiều công đoạn như tạo hạt, tách monome dư, sấy khô... nên rút ngắn được khá nhiều thời gian. - Không cần diện tích sản xuất lớn, tiết kiệm được nhân công, góp phần làm giảm giá thành sản phẩm. Trong công nghiệp hiện nay người ta thường sử dụng phương pháp liên tục. 2.2.2. Sản xuất sợi poliamit -6 Polime được cho vào thiết bị gia nhiệt để làm nóng chảy sau đó cho qua lọc bằng lớp cát thạch anh mịn rồi chuyển sang ống định hình có gắn mũ philie. Sợi tạo ra cho qua một buồng dài, hẹp có không khí lạnh thổi vào để đóng rắn sợi. Sau đó sợi được cho qua bộ phận tẩm dầu bôi trơn, tiếp theo đó được cuốn vào các ống sợi với tốc độ 500, 1000, 1200 m/phút hoặc có thể nhanh hơn. Các ống sợi được đem đi kéo căng với tỷ số kéo căng 4-5. Sợi tiếp tục cho qua một ‘bàn là’ ổn định nhiệt trong thời gian nhất định ở trạng thái kéo căng. Dập sóng cho sợi bằng cách cho bó sợi đi qua những trục cán có răng cưa ăn khớp với nhau và sau đó cho qua máy cắt ngắn tuỳ theo yêu cầu. 2.2.3. Ứng dụng của poliamit -6 Sử dụng làm lưới đánh cá, dùng trong các xí nghiệp hoá chất để bao bọc các chi tiết máy móc... Dùng trong may mặc: các loại vải áo quần, vải trang trí, thảm, vải dù, dây dù, vải lông thú nhân tạo, bít tất, vải dùng trong kỹ thuật, dây thừng, vải lót lốp ôtô chịu mài mòn cao, làm dây cu-roa, băng chuyền, băng tải... 2.3. Sợi polieste 2.3.1. Mở đầu Polieste là tên chung của nhóm polime thu được khi trùng ngưng axit đa chức và rượu đa chức. Nhóm chức este được hình thành do quá trình tương giữa các nhóm chức axit và rượu nối các phần còn lại của các phân tử phản ứng. Polieste được sử dụng đầu tiên để sản xuất sợi là polieste đi từ axit đicacboxylic và đialcol, tuy nhiên loại sợi này có độ bền cơ lý không cao, điểm chảy quá thấp và kém bền trong môi trường axit và bazơ do đó loại sợi này không được chấp nhận. Cho đến khi hai nhà bác học người Anh là Uynfin và Đichxơn đã phát minh loại polieste đi từ axit đicacboxylic chứa nhân thơm thì sợi polieste bắt đầu được chú ý và đóng vai trò đáng kể trong sự phát triển sợi tổng hợp. Loại polime này tỏ ra ưu việt hơn nhiều so với loại polime ban đầu: có điểm chảy cao, độ kết tinh tốt, độ bền cơ lý cao, bền với nhiều loại axit. 2.3.2. Nguyên liệu tạo sợi polieste Có nhiều loại polieste đi từ các loại monome khác nhau, trong đó loại polieste dùng để sản xuất sợi là loại polieste đi từ axit terephtalic và etylenglycol (EG) và polime tương ứng gọi là polietylenterephtalat. 2.3.2.1. Nguyên liệu tạo nhựa polieste + Axit terephtalic: thuộc họ axit phenylđicacboxylic, có 2 đồng phân khác là axit phtalic và isophtalic: 3 đồng phân này đều có khả năng trùng ngưng với EG để tạo các polieste tương ứng, nhưng trong đó chỉ có axit terephtalic mới tạo ra loại nhựa đáp ứng các yêu cầu để tạo sợi: các đại phân tử sắp xếp chặt chẽ và có khả năng kết tinh cao. Được sản xuất từ p-xilen nhờ phản ứng oxy hoá ở pha lỏng, tuy nhiên nguồn nguyên liệu này chiếm tỷ lệ không nhiều trong chế biến dầu mỏ và do đó hạn chế việc sản xuất sợi polieste. Để mở rộng nguồn nguyên liệu có thể sử dụng một số phương pháp trong quy mô công nghiệp như dị hoá muối kali của axit benzoic hoặc chuyển vị các nhóm - COOH của các đồng của axit terephtalic + Đimetylterephtalat (DMT) là dẫn xuất của axit terephtalic được sử dụng rộng rãi trong sản xuất polieste tạo sợi hiện nay vì có nhiều ưu điểm về mặt kỹ thuật hơn. Có thể điều chế bằng cách oxy hoá p-xylen 2 giai đoạn với oxy không khí và xúc tác là naphtenat Coban. + Etylenglycol: được sản xuất từ etylen là một sản phẩm phổ biến của quá trình crắcking dầu mỏ: 2.3.2.2. Đa tụ polieste Quá trình xảy ra ở nhiệt độ cao (250 0C – 270 0C) dưới chân không, xúc tác thường là amin bậc bốn. Quá trình phản ứng có kèm theo sự tách sản phẩm phụ là nước, để thu phản ứng đạt cân bằng nhanh và polime thu được có trọng lượng phân tử lớn người ta tiến hành tách nước trong quá trình phản ứng bằng chân không. Để polime thu được có độ tinh khiết cao thì trong quá trình phản phải tiến hành tách EG dư. Khối polime tạo ra được qua đầu đùn làm lạnh bằng nước và tạo hạt trên thiết bị nghiền, cắt, sau đó cho qua sấy và sàng. Cuối cùng polime được đóng gói bảo quản để sử dụng cho quá trình tạo sợi tiếp theo. 2.3.3. Sản xuất sợi polieste Quá trình sản xuất sợi polieste cũng có thể tiến hành gián đoạn hay liên tục như đối với sợi poliamit. Phương pháp gián đoạn Sử dụng polime dạng hạt trước khi đem đi kéo sợi cần được sấy khô trong chân không. Quá trình kéo sợi thực hiện theo phương pháp nóng chảy. Hạt polime được cho vào buồng gia nhiệt cho đến nóng chảy ở nhiệt độ khoảng 280 - 290 0C. Nhựa nóng chảy được ép qua màng lọc tiếp đến cho vào ống định hình có gắn mũ philie dưới áp lực ép trong môi trường khí trơ (N2). Tốc độ kéo sợi tùy theo từng loại thực hiện khác nhau, ví dụ: loại sợi nhẵn 1,2-1,8 nghìn m/phút; với loại sợi kỹ thuật đòi hỏi độ bền cao, để kết hợp quá trình kéo căng và textua thì tốc độ kéo sợi phải đạt 3,5-4 nghìn m/phút; cònđối với dạng bó sợi thì tốc độ là 1,1 nghìn m/phút... Dòng sợi ra khỏi đầu philie cho qua buồng làm lạnh bằng khí lạnh, rồi sau đó quấn sợi vào ống hình trụ (đối với bó sợi thì đặt vào thùng hình trụ), để tiếp tục qua các công đoạn kéo căng, tẩm chất bôi trơn chống hiện tượng tĩnh điện, ổn định nhiệt và có thể tạo quăn, dập sóng để cải thiện độ xốp, tính đàn hồi cho sợi nếu cần. Tỷ số kéo căng khác nhau với các loại sợi khác nhau, với sợi thông thường là 4-5, với loại sợi đặc biệt thì tỷ số kéo căng cao hơn. Do lực tác dụng tương hỗ giữa các mạch đại phân tử polime lớn nên việc kéo căng tiến hành ở nhiệt độ cao từ 180-2000C. Sau khi kéo căng, sợi được ổn định nhiệt ở nhiệt độ 120-1250C trong khoảng 30-40 phút trong môi trường không khí hoặc môi trường có hơi nước bão hòa. Cuối cùng tiến hành đánh ống hoặc cuộn thành búp hoặc bó sợi. Đối với sợi mành dùng trong kỹ thuật (chế tạo lốp xe) thường được tẩmchất tăng dính với cao su trước khi quấn ống. Với sợi textua, thì người ta thường kết hợp quá trình kéo căng với quá trình textua (biến đổi cấu tạo sợi: tạo quăn, dập sóng... nhằm tăng độ xốp, tính đàn hồi cho sợi), như vậy sẽ kinh tế hơn. Quá trình tạo quăn, dập sóng tiến hành trên thiết bị gồm nhiều cặp trục có rãnh, quay ngược chiều nhau, sau đó cho qua ổn định nhiệt và cuối cùng cho qua thiết bị cắt thành xơ cắt ngắn theo kích thước định trước. Đối với xơ cắt ngắn thường đóng thành kiện trong các thùng cac-tông hoặc thùng gỗ.Sợi có thể sản xuất dưới dạng tơ hay xơ tuỳ theo yêu cầu. 2.3.4. Ứng dụng của sợi polieste Sợi polieste được sản xuất dưới hai loại: loại có độ bền bình thường dùng trong sinh hoạt và loại có độ bền cao dùng trong kỹ thuật. Loại dùng trong sinh hoạt chủ yếu sử dụng trong may mặc như quần áo lót, áo mặc ấm,áo quần mùa hè... vì sợi polieste tuy độ hút ẩm kém, nhưng nhờ tính mao dẫn sợi vẫn hút mồ hôi và phân tán ra môi trường ngoài. Nhờ tính cách nhiệt cao, sợi polieste được dùng để nhồi vào gối, chăn bông và áo bông, vừa ấm vừa dễ giặt sạch. Đặc biệt loại sợi này có thể pha trộn với bất cứ loại sợi nào: sợi thiên nhiên (sợi bông, sợi lanh...), sợi nhân tạo, sợi tổng hợp (poliamit, PAN...) để tạo ra các loại vải với nhưng tính chất đặc trưng như vải pôpơlin, phin, kaki, simili... Đối với vi sinh vật sợi polieste cũng khá bền nên được sử dụng nhiều trong công nghiệp như dùng làm băng chuyền trong sản xuất giấy, băng tải trong dây chuyền tráng cao su..., làm vải lọc để tinh chế nước sông, nước thải làm sạch bằng phương pháp sinh hóa, dùng làm lưới đánh cá, dây neo tàu, dây thừng, chão, dây rợ...do tính chịu nhiệt, ánh sáng, hóa học và vi sinh vật. Do tính cách điện cao mà loại sợi này được sử dụng làm các loại vải cách điện cho các động cơ điện công suất đến 50 mã lực, đặc biệt khả năng cách điện ở nhiệt độ cao. Nhờ tính chịu hóa chất, sợi polieste được dùng để dệt thành vải may áo quần bảo hộ lao động trong các nhà máy hóa chất, làm vỏ bọc anốt trong bình điện phân để mạ thiếc-niken vì trong thành phần của dung dịch mạ có chứa HF phá hủy nhanh chóng tất cả mọi loại sợi. Với những tính năng ưu việt, nguyên liệu dồi dào, giá thành hạ nên lĩnh vực sử dụng của sợi polieste ngày càng được mở rộng, tốc độ phát triển loại sợi này tăng một cách phi thường, nhanh chóng chiếm lĩnh ưu thế trong thế giới sợi hóa học. 2.4. Sợi acrylonitryl 2.4.1. Mở đầu Xơ đi từ nhựa acrylonitryl là sợi acrylic. PAN đã được nhà hoá học Pháp Mure vào năm 1893, nhưng nó không có giá trị sử dụng trong công nghiệp vì tính khó hoà tan trong dung môi thông thường. Cho đến năm 1942 khi dimetylformamit được phát hiện là dung môi cho PAN thì sợi đi từ nó cũng được mở ra và đến năm 1948 thì sản xuất trên quy mô công nghiệp. 2.4.2. Nguyên liệu tạo sợi acrylonitryl 2.4.2.1. Lý thuyết chung về PAN Công thức phân tử: (-CH2-CH-)n Được tổng hợp được từ năm 1893 nhưng sở dĩ nó không có mấy hữu dụng trong đời sống và kỹ thuật vì nhựa tạo ra từ acrilonitryl có một số nhược điểm sau: + Khó hòa tan trong các dung môi thông thường. + Nhiệt độ phân hủy bé hơn nhiệt độ chảy mềm. Nguyên nhân là sự tương tác giữa các đại phân tử polime quá chặt chẽ do sự có mặt của nhóm -CN tạo liên kết N ... H. Qua một thời gian dài nghiên cứu để tìm ra dung môi có thể hòa tan nó và cho đến năm 1942, cùng một lúc ở Mỹ và Đức đã phát hiện một loại dung môi cho PAN đó là dimetylformamit. Ngày nay đimetylformamit (viết tắt là DMF) đã trở thành dung môi vạn năng, rất quan trọng dùng trong nhiều ngành khác nhau của công nghiệp hóa chất, chứ không chỉ riêng cho sợi PAN. Dung môi này được sản xuất từ rượu mêtylic, oxyt cacbon và amoniac. Cho tới nay người ta phát hiện một số rất lớn dung môi hữu cơ và vô cơ hòa tan được PAN, nhìn chung chúng là những chất phân cực rất mạnh có khả năng làm giảm năng lượng liên kết giữa các mạch đại phân tử trong polyme ví dụ: etylencacbonnat, đimetylaxetamit, đimetylsunfon, dung dịch canxiclorua và kẽm clorua trong nước đặc biệt là đimetylformamit. Việc tìm ra dimetylformamit được xem là bước ngoặc trong công nghiệp sợi poliarylonitryl. Hàng loạt các nhà máy sản xuất sợi PAN ra đời ở các nước như Mỹ, Liên Xô, CHDC Đức, CHLB Đức, Thụy Sĩ, Bỉ, Nhật Bản... Sợi PAN có các tên thương mại khác nhau như nitron (Liên Xô), orion, chemtral (Mỹ), redon, dralon, pan (CHLB Đức), tacryl (Thụy Sĩ)... Trọng lượng phân tử từ 20.000-30.000 đvC tùy thuộc vào điều kiện trùng hợp. Trọng lượng phân tử trung bình được xác định theo phương trình: [ m ] = 1,75 .10-3 .M0.66 * Độ mềm: Do có nhóm -CN phân cực lớn nên PAN khá cứng ngay cả khi đun nóng và cũng không qua trạng thái mềm cao. - Về tác nhân xà phòng hoá, khả năng tác dụng được sắp xếp tăng dần như sau: NaOH 1%, HCl, HCOOH, Na2CO3, H2SO4, H3PO4 * Nhiệt độ hoá thủy tinh: - Khó xác định nhiệt độ hoá thủy tinh của PAN vì nó lớn hơn nhiệt độ mà ở đó bắt đầu có sự chuyển hoá nhiệt của polime. - Nhờ mở rộng giới hạn Tc của polime bằng cách tiến hành hoá dẻo polime bằng đimetylformamit và do đó xác định được Tc = 1300C. 2.4.3. Nguyên liệu sản xuất PAN Nguyên liệu để sản xuất PAN đi từ acrilonitryl có CTCT: CH2 = CH2 - CN, được sản xuất theo quy mô công nghiệp ở rất nhiều nước, phục vụ cho công nghiệp sợi cao su, chất dẻo và tổng hợp hữu cơ. 2.4.4. Phương pháp sản xuất trong công nghiệp Có nhiều phương pháp để tổng hợp nhưng trong công nghiệp chỉ dùng một số phương pháp sau: 2.4.4.1. Đi từ axetylen và axit xianhyđric: CH ≡ CH + HCN → CH2 = CHCN Có thể thay thế axetylen bằng oxitetylen: Etylen oxit Hoặc hiệu quả hơn là axetaldehyt: CH3CHO + HCN → CH3C(OH)-CHCN → CH2 = CHCN Tuy nhiên phương pháp này có nhược điểm rất lớn là phải dùng axit xianhydric là một hoá chất rất nguy hiểm nên phải luôn luôn bảo đảm công tác an toàn lao động. 2.4.4.2. Phương pháp oxy hoá propylen và amoniac Phương pháp này được tìm ra vào năm 1960 thay thế cho phương pháp thứ nhất vì tính an toàn và kinh tế của nó. Phản ứng tiến hành ở nhiệt độ cao (400-5000C) và dùng các chất xúc tác khác nhau. 2.4.5. Công nghệ sản xuất sợi acrylic Cũng như các loại sợi hoá học khác sợi acrylic được sản xuất bằng phương pháp kéo ướt (vì loại dung môi này khó bay hơi: 1500C) và qua các giai đoạn: 2.4.5.1. Chuẩn bị dung dịch kéo sợi - Như đã trình bày ở trên, dung môi để hòa tan PAN tốt nhất là đimetylenformamit. 2.4.5.2. Quá trình kéo sợi Nguyên liệu kéo sợi dưới dạng dung dịch được cho vào hệ thống kéo sợi thực hiện các công đoạn như sau: lọc, dùng bơm định lượng ép chất lỏng qua đầu philie. Dòng sợi đi khỏi đầu philie nhúng trong bể đông tụ. Tùy thuộc vào loại dung môi hòa tan mà bể đông tụ có các tành phần khác nhau. Trong bể đông tụ này có thể chứacác chất hữu cơ như glyxerin, chất HĐBM, chất bôi trơn... Quá trình đông tụ có thể thực hiện trong khoảng nhiệt độ khá rộng từ10 đến 1200C. 2.4.5.3. Quá trình kéo căng Kéo căng với tỷ số khá lớn 4-12, ở nhiệt độ 100-1500C. Cách kéo căng cũng khác nhau tùy điều kiện tạo sợi: + Có thể sấy sơ bộ sợi rồi kéo căng trên bàn là nóng. + Có thể kéo căng trong bể có thành phần như bể đông tụ. +Có thể kéo căng trong môi trường không khí nóng hoặc không khí bão hòa hơi nước quá nhiệt. Tiếp đến cho ổn định nhiệt ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ hoá thủy tinh của PAN. Tùy vào yêu cầu của sản phẩm mà có thể tiến hành một số công đoạn khác nữa như: tạo quăn, dập sóng, cắt ngắn theo những độ dài nhất định để thu xơ cắt ngắn hoặc cho vào thùng tạo thành bó sợi... 2.4.6. Ứng dụng của sợi PAN Sợi acrylic pha trộn với bông, len thiên nhiên..để diệt thành nhiều loại vải mỏng và dày, làm lông thú nhân tạo, dệt thảm, chăn mền, các lớp cách nhiệt, khăn quàng cổ mùa đông... Các loại len đan hàng ngày thường quen gọi là len nylon, đẹp không thua gì len cừu, giá thành rẻ hơn nhiều đó chính là len đi từ PAN hoặc nguyên chất hoặc pha trộn với len thiên nhiên. Sợi acrylic còn dùng để tạo sợi có độ xốp cao ứng dụng nhiều trong đời sống và trong kỹ thuật. Sợi acrylic là nguồn nguyên liệu cho ngành dệt may để sản xuất ra nhiều mặt hàng có giá trị được sử dụng rộng rãi trong đời sống và trong kỹ thuật. PHẦN KẾT LUẬN Qua quá trình nghiên cứu, làm đề tài: “Nghiên cứu quy trình sản xuất của một số loại tơ tổng hợp” tôi thu được một số kết quả sau: - Tổng quan lý thuyết về tơ tổng hợp - Các tính chất của một số loại tơ tổng hợp -Các yếu tố ảnh hưởng đến việc sản xuất một số loại tơ tổng hợp - Quy trình sản xuất và ứng dụng của một số loại tơ tổng hợp. TÀI LIỆU THAM KHẢO Phan Đình Châu (2003), Các quá trình cơ bản Tổng hợp hóa dược hữu cơ, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Ngô Duy Cường (2004), Hóa học các hợp chất cao phân tử, Nhà xuất bản đại học quốc gia Hà Nội. Nguyễn Văn Khôi (2007), Polime ưa nước hóa học và ứng dụng, Nhà xuất bản khoa học tự nhiên và công nghệ. Đỗ Đình Rãng, Đăng Đình Bạch, Lê Thị Anh Đào, Nguyễn Mạnh Hà, Nguyễn Thị Thanh Phong (2011), Hóa học hữu cơ 3, Nhà xuất bản Giáo dục Việt Nam,Hà Nội. Nguyễn Minh Thảo (2005), Tổng hợp hữu cơ, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Hà Nội. MỤC LỤC