Процес виробництва політетрафторетилену

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Зміст

Реферат

Огляд літератури

Вступ

1. Методи та умови синтезу полімеру

1.1 Загальна характеристика можливих технічних способів одержання полімеру

1.2 Характеристика та опис технологічного процесу одержання полімеру

1.3 Хімізм та механізм хімічних реакцій

1.4 Розрахунок витрат сировини на 1 тонну готового продукту

2. Характеристика мономерів та готового продукту

2.1 Характеристика мономерів

2.2 Характеристика готового продукту

2.2.1 Характеристика структури полімеру

2.2.2 Хімічні властивості полімеру

2.2.3 Фізичні властивості полімеру

3. Області застосування полімеру

Висновки

Список літератури



Реферат

Записка пояснювальна: Стор37 , рис.4 , табл.2 , джерел 20.

Об'єктом розробки є виробництво політетрафторетилен.

Мета роботи - вивчити процес виробництва політетрафторетилену, на підставі відомих способів виробництва, вибрати найбільш прогресивний, економічно і екологічно обґрунтований.

У процесі виконання курсової роботи обґрунтована і вибрана технологічна схема виробництва політетрафторетилену. Дана характеристика сировини та готової продукції. Проведені матеріальні розрахунки для отримання 1т готової продукції, хімізм та механізм хімічних реакцій, характеристика мономерів, характеристика готового продукту, характеристика структури полімеру, хімічні властивості полімеру, фізичні властивості полімеру.

Ключові слова: ПОЛІТЕТРАФТОРЕТИЛЕН, ПОЛІМЕРИЗАЦІЯ, ОДЕРЖАННЯ, ВЛАСТИВОСТІ, ВИКОРИСТАННЯ.

синтез полімер хімізм мономер



Огляд літератури

Політетрафторетилен (PTFE) - продукт полімеризації тетрафторетилену, в техніці більш відомий під назвою «фторопласт».

PTFE має дуже високу стійкість до хімічних реагентів: лугів, кислот, розчинників і окислювача, механічна міцність, а також широкий діапазон робочих температур - 269 до +260 С є. Комбінація цих властивостей зробили матеріал цінним у всіх галузях промисловості.

PTFE - хімічна назва тефлону або фторопласта. Полімер складається з ланцюжка атомів вуглецю і оболонки з атомів фтору. Зв'язок C-F дуже міцний (116-120 ккал / моль), це робить матеріал хімічно стійким і інертним. Оболонка з атомів фтору також надає політетрафторетілену відсутність змочуваності та адгезії. Ці та інші властивості PTFE легко пояснюють його присутність на світовому ринку технічних пластиків.

Політетрафторетилен (ПТФЕ) отримують полімеризацією вихідного мономеру - тетрафторетилену (ТФЕ) різними методами у вигляді пухкого волокнистого порошку білого кольору, або у вигляді жовтуватої непрозорої водної дисперсії, з якої при необхідності осаджують тонкодисперсний порошок полімеру з розміром частинок 0,1 - 0,3 мкм, за схемою:

ТФЕ легко полімеризується за радикальним механізмом в присутності будь-яких радикалів (радикальних ініціаторів і просто молекулярного кисню). Діапазони можливих температури і тиску полімеризації широкі (від -150 до 200 °С і тиск від декількох сотень паскаль до 106 МПа).

Ініціювання може також здійснюватися випромінюванням високих енергій. У якості неорганічних ініціаторів застосовують переважно персульфати або редокс-системи на їх основі, в якості органічних - ефіри пероксидикарбонових кислот, полімерні перекиси.

Полімеризація ТФЕ може здійснюватися як суспензійним, так і емульсійним способами (а також деякими специфічними). Особливий інтерес представляють способи отримання низькомолекулярного ПТФЕ, що пов'язано як з особливостями цього методу полімеризації, так і з тим, що властивості і призначення такого полімеру принципово відрізняються від таких для високомолекулярного ПТФЕ. Полімеризація ТФЕ в масі протікає швидко, але вона не застосовується в промисловості через небезпеку бурхливого розвитку процесу і можливості вибуху.

Мономер (тетрафторетилен) при температурі 25 °С являє собою газоподібний продукт, внаслідок чого полімеризацію здійснюють під тиском. При цьому слід дотримуватись таких умов: застосування мономерів особливо високого ступеня чистоти, максимально можлива відсутність в середовищі полімеризації кисню, здійснення полімеризації в реакторах з нержавіючої сталі.

Найбільш поширена методика проведення полімеризації зводиться до наступного: в чистий реактор завантажують воду (або іншу інертну середу), реактор продувають азотом і вакуумують, після чого вводять мономер. Ініційовану систему і інші компоненти додають до або після завантаження мономера. Полімеризацію проводять при заданих температурі і тиску з перемішуванням реакційної маси. Після закінчення полімеризації полімер промивають і сушать (при отриманні дисперсії полімер, в разі необхідності, виділяють коагуляцією).

Катіонна полімеризація тетрафторетилену практичного значення не має. Аніонна полімеризація неможлива через схильність зростаючого карбаніону до приєднання протона і ймовірності виділення іона фтору.

Полімеризація ТФЕ в масі протікає швидко, але вона не застосовується в промисловості через небезпеку бурхливого розвитку процесу і можливості вибуху.

Розглянемо основні методи отримання політетрафторетилену.

Емульсійний спосіб полімеризації тетрафторетилену був розроблений і здійснений в промисловості на десять років пізніше, ніж суспензійний спосіб. Він дозволяє отримувати водні дисперсії ПТФЕ, придатні для нанесення плівкових покрить, просочення субстратів, а також для отримання тонкодисперсного порошку, здатного переробляти в готові вироби екструзією з паст (суміш порошку ПТФЕ з вуглеводнями).

Полімеризація проводиться в присутності невеликих кількостей йоногенних поверхнево-активних речовин (солей перфторкарбонових кислот), водорозчинних ініціаторів і стабілізаторів дисперсії (парафінові вуглеводні або фторхлорвуглеводи).

В процесі полімеризації тиск і температуру підтримують постійними. Залежно від застосовуваного ініціатора (персульфат амонію, перекис бурштинової кислоти, перекис дисукцініла, перекис водню) температуру полімеризації підтримують в межах від 30 до 90 °С, тиск від 0,8 до 35 МПа (від 8 до 35 кгс/см²). Як емульгатори - солі перфторкислот.

Недоліком емульсійної процесу в порівнянні з суспензійним, є його чутливість майже до всіх змін параметрів полімеризації і складу полімеризуємої суміші. Неправильно підібраний режим полімеризації може привести до втрати екструзійної здатності полімеру і зниження якості покрить, які одержуються з водної дисперсії.

Молекулярна маса емульсійної ПТФЕ трохи нижче, ніж суспензійного, і досягає 2,5 · 10⁶ - 3,5 · 10⁶. Це пов'язано з більш високою температурою полімеризації.

Крім суспензійної і емульсійної полімеризації тетрафторетилену в воді під дією хімічних ініціаторів найбільш детально вивчена полімеризація ТФЕ, активована г-випромінюванням. Радіаційна полімеризація, яка спочатку сильно зацікавила хіміків в зв'язку з високим радіаційно-хімічним виходом полімеру і потенційною можливістю підвищення чистоти полімеру і поліпшення його властивостей, не виправдала надій дослідників. Цим методом не вдалося отримати полімер, істотно перевершує за властивостями ПТФЕ, синтезований при хімічному ініціювання, а іноді якість радіаційного ПТФЕ було нижче. Тому, а також у зв'язку з необхідністю великих витрат на проведення процесу, радіаційна полімеризація тетрафторетилену досі не реалізована в промисловості.

Фотополімеризація ТФЕ має інтерес у зв'язку з можливістю отримання найтонших плівок для електроізоляції деталей мікроелектронних установок. Такі плівки отримують при температурі 0-200 ° С і тиску 1,33- 101 кПа, а в ряді випадків - менше 0,4 кПа, шляхом опромінення УФ-випромінюванням з довжиною хвилі 180-240 нм. Температура плавління одержуваного полімеру 330 ° С.

Полімеризацію тетрафторетилену зазвичай здійснюють у водному середовищі, без застосування емульгаторів. Проведення суспензійної полімеризації у воді дозволяє досить ефективно відводити тепло, що виділяється при полімеризації.

У зв'язку з тим, що вода не бере участі в реакціях передачі ланцюга при радикальній полімеризації вінілових мономерів, здійснення полімеризації у воді дозволяє, застосовуючи чистий мономер та інші компоненти, отримувати ПТФЕ з високою молекулярною масою (до 107). Тому саме цей вид полімеризації тетрафторетилену буде найефективніший.

Політетрафторетилен використовується в машинобудуванні, приладобудуванні, в вузлах тертя як підшипники, а також опори ковзання, манжети і рухливі ущільнювачі для поршневих кілець. В електроніці цей матеріал йде на виготовлення ізоляційних елементів кабелів, проводів, роз'ємів, друкованих плат і використовується в техніці з СВЧ, завдяки своїй стійкості до УФ-випромінювання. У фармакології і медицині з нього роблять протези серцевих клапанів, судин, упаковки для ліків і ємності для сироваток і крові. Також він використовується і в харчовій промисловості, і у виробництві насосів будь-яких типів.



Вступ

Після того, як був отриманий молекулярний фтор, почався стрімкий розвиток методів синтезу, заснованих на використанні фтору і деяких його найпростіших сполук як реагентів для заміни водню на фтор в органічних молекулах.

Для фтору характерні унікальні властивості і можливості, серед яких, найбільш чудовою є можливість заміни будь-якого числа атомів водню на атоми цього елемента зі збереженням багатьох властивих органічній речовині, таких, як рухливість, летючість, тугоплавкі, і одночасною появою принципово нових властивостей . Особливо яскраво це проявляється при повній заміні водню на фтор, що означає трансформацію органічної хімії як хімії вуглеводнів і їх похідних в хімію фторвуглеводнів - з'єднань з унікальним поєднанням властивостей, завдяки чому вони проникли практично в усі галузі науки і техніки.

Подібно найпростішим алкенам, фторовані похідні етилену використовуються як мономери для отримання соєвого молока.

Однак полімери, отримані з алкенів з малим вмістом фтору - фтористого вінілу і фторвмісних стиролів, за своїми властивостями мало відрізняються від вуглеводневих аналогів, що не виправдовують їх виробництво у великих масштабах.

Унікальні властивості фторовмісних полімерів висунули їх у число провідних полімерних матеріалів.

Найбільш великотоннажний фторвмісний полімер - політетрафторетилен (фторопласт-4), що володіє цінними властивостями. Він практично не розчиняється ні в одному з розчинників при звичайних температурах, має надзвичайно високу в'язкість розплаву, внаслідок чого переробку його доводиться вести методами, подібними з процесами порошкової металургії і отримання кераміки.

У роботі розглянуто процес полімеризації тетрафторетилену, c утворенням політетрафторетилену методом суспензійної полімеризації з огляду на те, що саме політетрафторетилен (ПТФЕ) становить інтерес для техніки і промисловості і є унікальним за властивостями матеріалом. Політетрафторетилен володіє дуже низьким коефіцієнтом тертя, що зумовило його застосування в підшипниках, і має неперевершену хімічну стійкість.

ПТФЕ використовується в хімічному машинобудуванні для виготовлення пластин, кранів, вентилів, клапанів і т.ін., що застосовуються при високій температурі в середовищі концентрованих мінеральних кислот. Високий опір зносу і низький коефіцієнт тертя зробили цей полімер незамінним матеріалом для виробництва підшипників, що працюють в агресивних середовищах або в контакті зі зрідженими газами (кисень, водень і т.ін.) і не вимагають мастила.



1. Методи та умови синтезу

1.1 Загальна характеристика можливих технічних способів одержання політетрафторетилену

Політетрафторетилен (ПТФЕ, фторопласт - 4, фторолон-4), який отримується полімеризацією тетрафторетилену, являє собою повністю фторований поліетиленом наступної структури:

[СF₂ - CF₂]_n

Терафторетилен (ТФЕ) безкольоровий газ без запаху отримують піролізом дифторхлорметану у срібній або платиновій трубі при 600 - 800°С по реакції :

Чистий ТФЕ легко полімеризується при зберіганні. Тому в нього добавляють інгібітори (бутилмеркаптан, третинні аміни та ін.). З киснем повітря утворюється окис ТФЕ. При ініціюванні утворюються ПТФЕ. Реакція протікає з великою швидкістю та при значному виділенні тепла (126 кДж/моль).

1.2 Характеристика та опис технологічного процесу одержання політетрафторетилену

В техніці виробництво високомолекулярного ПТФЕ здійснюють полімеризацією ТФЕ у водній суспензії та емульсії. В розчині звичайно готують полімери з низькою молекулярною масою, які використовують в якості масел та мастил, а також низькомолекулярні рідкі речовини, наприклад фторовані спирти H(CF₂CF₂)_nCH₂OH, де n=1ч6, що використовуються для одержання гідроперфторкарбонових кислот - емульгаторів емульсійної полімеризації.

Процес виробництва ПТФЕ полімеризацією ТФЕ у воді під тиском до 10 МПа в присутності ініціатора, але без застосування емульгатора, носить назву суспензійного. Він складається з таких стадій:

1. завантаження компонентів в автоклав;

2. полімеризація ТФЕ;

3. виділення;

4. промивання та сушка полімеру.

Політетрафторетилен отримують у вигляді пухкого волокнистого порошку білого кольору, або жовтуватої непрозорої водної суспензії, з якої при необхідності осаджують тонкодисперсний порошок полімеру з частинками розміром 0,1-0,3 мкм.

Полімеризацію тетрафторетилену зазвичай здійснюють у водному середовищі, без застосування емульгаторів. Процес проводять в автоклаві з нержавіючої сталі, розрахованому на тиск не менше 9,81 МПа, забезпечений якірної мішалкою, системою обігріву та охолодження.

Автоклав попередньо продувають азотом, що не містить кисню, потім в нього завантажують воду і ініціатор.

Нижче наведена рецептура завантаження компонентів (в масових частинах):

1. Тетрафторетилен - 30

2. Вода дистильована - 100

3. Персульфат амонію - 0,2

4. бура -0,5

Технологічна схема процесу отримання політетрафторетилену приведена на рисунку 1.

Рисунок 1 - Технологічна схема процесу отримання політетрафторетилену 1 - автоклав; 2, 5 - центрифуги; 3 - бункер порошку; 4 - дробарка; 6 -сушка.

В автоклав 1, попередньо продутий азотом, який не містить кисню, завантажують деіонізовану воду, ініціатор (персульфат калію) та регулятор pH середовища (буру). Потім після охолодження та вакуумування в автоклав вводять ТФЕ і при перемішуванні піднімають температуру до 70-80°С. Реакція протікає під тиском 4-10 МПа. Зазвичай за 1 годину при 80°С утворюється 85-33 90% ПТФЕ. Після закінчення процесу автоклав охолоджують, ТФЕ, той, що не вступив в реакцію, витісняють азотом, суспензію полімеру у воді подають в центрифугу 2 та відділяють рідку фазу. ПТФЕ збирають в бункер 3, подрібнюють в дробарці 4, багатократно промивають гарячою водою та після центрифугування в центрифузі 5 сушать в сушарці 6 при 150°С. ПТФЕ являє собою білий, прозорий, волокнистий порошок.

Введення в нову суспензію ПТФЕ поверхнево-активних речовин в кількості 9-12% призводить до покращення більш концентрованих суспензій, які містять 50-60% полімеру.



1.3 Хімізм та механізм хімічної реакції одержання політетрафторетилену

Вивчення кінетики і механізму суспензійної полімеризації тетрафторетилену в воді є дуже складним завданням. Незалежно від умов полімеризації вже на початковій стадії росту макрорадикалу утворюється тверда фаза полімеру, і на протязі всього процесу полімеризація носить яскраво виражений гетерогенний характер.

Ініціювання полімеризації здійснюється у водному розчині, де в результаті взаємодії радикалів ініціатора з розчиненим тетрафторетиленом починається зростання молекули полімеру. Далі відбувається агрегація молекул з утворенням нерозчинних частинок полімеру, які в подальшому і стають центрами полімеризації. Утворені частки мають пухку структуру і через не змочуваність політетрафторетилену водою спливають на поверхню. Їх пори заповнені мономером, і полімеризація в подальшому протікає безпосередньо в газовій фазі з різко зростаючою швидкістю. Перша гомогенна стадія полімеризації нетривала і триває секунди або долі секунди.

При використанні в якості ініціатора персульфату амонію механізм цієї реакції можна представити у вигляді наступних стадій:

1) Освіта з вихідного персульфату радикалів, що ініціюють полімеризацію:



3) Ініціювання:

4) Ріст ланцюга:

5) Обрив ланцюга :

а) Зіткнення зростаючого макрорадикала з радикалом ініціатора:

б) Рекомбінація двох макрорадикалів:

Висока міцність зв'язку в політетрафторетилені (близько 460,5 кДж/моль) і ще більш висока міцність зв'язку з цим в тетрафторетиленом (485,7 кДж/моль), а також висока чистота мономера при полімеризації і середовища, дозволяють майже повністю виключити як передачу ланцюга , так і обрив ланцюга за рахунок диспропорціонування.

У зв'язку з не розчиністю ПТФЕ і зростаючих макрорадикалів у воді, обрив ланцюга в результаті рекомбінації радикалів також мало ймовірний, але, в принципі, можливий. Таким чином, при мінімальній кількості ініціатора можна отримати полімер з рекордно великою молекулярною масою (107 і більше).

Швидкість полімеризації зменшується в наступному ряду фторолефінів:

CF₂ = CF₂> CF₂ = CHF> CF₂ = CH₂> CFH = CH₂> CF₂ = CFC1> СF₃СF = СF₂

1.4 Розрахунок витрат сировини на 1 тонну готової продукції

Рецептура завантаження компонентів, мас.частини:

1. Тетрафторетилен - 30

2. Вода дистильована - 100

3. Персульфат амонію - 0,2

4. бура -0,5

Всього : 130,7



Блок схема виробництва політетрафторетилену:

Розрахуємо кількість компонентів за рецептурою:

ТФЕ:

30 - х%

130,7 - 100%

Х= 22,96%

Вода:

100 -х

130,7 - 100%

Х=76,6%

Персульфат амонію:

0,2 - х

130,7 - 100%

Х=0,15%

Бура:

0,5 - х

130,7 - 100%

Х=0,38%

Всього: 100%

Матеріальний розрахунок отримання політетрафторетилену:

Розрахуємо кількість всіх компонентів необхідних для отримання ПММА реакцією полімеризації зі ступенем конверсії мономеру 90%, по вище наведеній блок схемі;

100%-10%=90%

1000 кг? год-90%

Х-100%

Х=1111,111 кг? год

Розрахуємо кількість непрореагувавшого політетрафторетилену у кількості 10%

1111,111-1000=111,111 кг? год.

Розрахуємо кількість компонентів за рецептурою:

ТФЕ:

1111,111-100%

Х-91,2%

Х=1013,333 кг? год.

Вода дистильована:

1111,111-100%

Х-1,8%

Х=19,999 кг? год.

Персульфат амонію:

1111,111-100%

Х-5,5%

Х=61,112 кг? год.

Бура:

1111,111-100%

Х-0,9%

Х=9,999 кг? год.

Всього: 1111,111 кг? год

Таблиця №1 Матеріальний баланс на стадії полімеризації

Загрузка	кг? год	%	Отримано	кг? год	%
ТФЕ	1013,334	91,2	Не прореагувавший мономер	111,1111	10
Вода дистильвана	19,999	1,8	Не прореагувавший мономер Політетрафторетилену	111,1111 1000	10 90
Вода дистильвана Персульфат амонію	19,999 61,112	1,8 5,5
			Політетрафторетилену Разом	1000 1111,111	90 1000%
Бура	9,999	0,9
Разом	1111,111	100%

З урахуванням прийнятого відсотка загальних сумарних втрат сировини (у кількості 3 мас.%.) питомі витрати на 1 тонну цільового продукту будуть складати:

- для ТФЕ:

1013,334 · 1,03 = 1034,734кг/т;

- для води дистильованої :

19,999· 1,03 = 20,600кг/т;

- для персульфату амонія:

61,112· 1,03 = 62,945кг/т.

Якщо використовувати не хімічно чисті речовини, а технічні продукти з вмістом основної речовини менше 100 мас.%, то одержані показники ділять ще й на відсоток вмісту основної речовини.

Тоді питомі витрати сировини на 1 тонну цільового продукту складатимуть:

- для ТФЕ:

1034,734/0,97 = 1066,736кг/т;

- для води дистильованої:

20,600/0,97 = 21,237 кг/т;

- для персульфату амонія :

62,945/0,97 = 64,892 кг/т;

Потім розраховуємо витрати кожного з компонентів на річну, місячну, добову, змінну, годинну програму. Отримані результати зводимо в загальну таблицю 2. Запис отриманих даних у такій формі дуже зручний у користуванні як повсякденно (для працівників промисловості), так і для подальших розрахунків.

Таблиця 2 - Зведена таблиця потреб сировини, допоміжних матеріалів і цільового продукту на 1 тонну.

Назва	Од. виміру	Річна	Місяч-на	Добова	Змінна	Годин-на
Політетрафторетилен	1000	1000000	84745	2923	975	122
Потрібна кількість сировини та допоміжних матеріалів:
-ТФЕ	1066,736	1066736	90400,542	3118,069	1040,067	130,142
-Вода дистильована	21,237	21237	1799,729	62,076	20,706	2,591
-персульфат амонію	64,892	64892	5499,272	189,679	63,275	7,917
-бура	9,999	9999	847,365	29,227	9,749	1,219
-не прореагувавший мономер	111,1111	111111,1	9416,110	324,778	108,333	13,578

Потім розраховують витрати кожного з використаних в технологічному процесі компонентів (або допоміжних матеріалів) на річну, місячну, добову, змінну, годину программу за схемою:

Річна потреба (кг):

V_{1 річ.} = 1066,736*1000=1066736

V_{2 річ.} =21,237*1000=21237_.

V_{3 річ.} = 64,892*1000=64892

V_{4 річ.} = 9,999*1000=9999

Місячна потреба (кг):

V_{1 міс.} =1066,736*84,745=90400,542_.

V_{2 міс.} = 21,237*84,745=1799,729

V_{3 міс.} =_. 64,892*84,745=5499,272

V_{4 міс.} =9,999*84,745₌847,365

Добова потреба (кг):

V_{1 доб.}=_. 1066,736*2,923=3118,069

V_{2 доб.} = 21,237*2,923=62,076

V_{3 доб.} =64,892*2,923=189,679_.

V_{4 доб.}=9,999_. *2,923=29,227

Змінна потреба (кг):

V_{1 змін.} = 1066,736*0,975=1040,067

V_{2 змін.} =21,237*0,975=20,706_.

V_{3 змін.} =64,898*0,975=63,275_.

V_{4 змін.} = 9,999*0,975=9,749

Годинна потреба:

V_{1 год.} = 1066,736*0,122=130,142

V_{2 год. .} = 21,237*0,122=2,591

V_{3 год.} =64,898*0,122=7,917_.

V_{4 год.} = 9,999*0,122=1,219

де П_річ., П_міс., П_доб., П_змін., П_год. - потужність цеху річна, місячна, добова, змінна, годинна відповідно.

Для їх визначення спочатку необхідно провести:

Річний фонд робочого часу цеху з синтезу смол, олігомерів або полімерних матеріалів, які працюють, як правило, за пезперервним графіком, розраховують виходячи з 365 днів (звичайний рік).

Річний робочий час обладнання складає:

Ф_річ. = 365 - а -б - в - n,

Ф_річ. = 365 -18-5=342,

а=18; б=5

Процес безперервний, тоді:

Ф_річ. = 365 - а - б (діб);

Ф_міс. = 12 - 5? 30 =11,8 (місяців);

Ф_змін = 342_. · 3=1026 (змін);

Ф_год. = 1026 · 8=8208(годин).

Розрахуємо місячну, добову, змінну та годинну потужність цеху:

Відповідно до заданої програми на кінцевий продукт П_річ = А_річ. (в тоннах, кілограмах або в інших показниках) та фонду робочого часу обладнання розрахуємо:

П_міс. = 1000_./ 11,8=84,745 (тонн/міс.);

П_доб. = 1000_./ 342=2,923 (тонн/добу);

П_змін. = 1000_./ 1026=0,975(тонн/зміна);

П_год. = 1000_./ 8208=0,122 (тонн/годину).



2. Характеристика мономерів та готового продукту

2.1 Характеристика мономерів

Основною сировиною для виробництва політетрафтортилену є тетрафторетилен загальної формули :

Тетрафторетилен - хімічна сполука вуглецю і фтору з хімічною формулою C₂F₄, один з представників фторолефіныв - ненасичених фторорганічних сполук. Тетрафторетилен - важкий газ (майже в 3,5 рази важчий за повітря), без кольору і запаху, температура кипіння - ?76,5 °C температура плавлення - 131,15 °C, густина - 5,72 кг/м³ .

Тетрафторетилен є мономером багатьох полімерів (пластмас), легко полімеризується і сополімеризуеться практично з усіма мономерами: етиленом, пропіленом, фтористим вініліденом, трифторхлоретиленом і іншими, утворюючи фторопласти часто з унікальними властивостями.

У лабораторних умовах тетрафторетилен отримують дебромірованіем 1,2-дібромтетрафторетана цинком :

або деполімеризацією політетрафторетилену в технічному вакуумі:

У промисловості тетрафторетилен отримують піролізом хлордифторметану (хладону-22):

Вважається, що процес піролізу протікає через утворення проміжного дифторкарбену :

Процес піролізу супроводжується утворенням великої кількості побічних продуктів: гексафторпропілену, октафторциклобутану і багатьох інших.

Тетрафторетилен - горючий газ. Температура самозаймання 190 °C.

Чистий тетрафторетилен - вибухонебезпечний газ при тиску вище 0,25 МПа. При цьому відбувається вибухова полімеризація. Ініціатори вибуху: кисень, пероксидні сполуки, оксиди металів змінної валентності.

Рідкий тетрафторетилен детонаційними властивостями не володіє.

На реакції піролізу тетрафторетилену засноване промислове виробництво важливого фторвмісного мономера - гексафторпропілену.

Тетрафторетилен легко полімеризується за радикальним механізмом в присутності будь-яких джерел радикалів. Полімеризацію здійснюють як суспензійним, так і емульсійних способом.

Одержуваний політетрафторетилен випускається у вигляді різних марок: Ф-4, Ф-4ПН-90; Ф-4ПН-40; Ф-4ПН-20; Ф-4D і т. Д.

Тетрафторетилен вступає в реакцію радикальної кополімеризації з різними мономерами:

- з етиленом - фторопласт-40 (Ф-40);

- з гексафторпропіленом - фторопласт-4 Мб (Ф-4 Мб);

- з фтористим вініліденом - фторопласт-42 (Ф-42) [5

Тетрафторетилен є судинною отрутою, подразнює слизові оболонки очей і органів дихання, вражає центральну нервову систему, викликає набряк легенів, має нефротоксичну дію.

ГДК р.з = 30 мг / м³; ГДК м.р. = 6 мг / м³; ГДК СС = 0,5 мг / м³

2.2 Характеристика готового продукту

2.2.1 Характеристика структури полімеру

Політетрафторетилен (фторопласт-4) являє собою білий порошок щільністю 2250-2270 кг/м³ і насипною щільністю 400-500 кг/м³. Молекулярна маса його дорівнює 140 000 - 500 000.

Молекулярна маса ПТФЕ вперше була визначена за допомогою міченої сірки (35S), введеної в полімер при ініціюванні полімеризації окислювально-відновної системою Fe3 + + Na₂SO₃. Побічно молекулярна маса М може бути визначена по теплоті кристалізації, оскільки швидкість кристалізації з розплаву і ступінь кристалічності охолоджених зразків залежить від М. Найбільш широко застосовуваний метод оцінки М ПТФЕ заснований на залежності щільності спечених зразків від М, яка витікає з вказаною вище зв'язку ступеня кристалічності і М , і відмінності в щільності кристалічних і аморфних областей (рис. II. 6). Для промислових зразків ПТФЕ М_n= 4 · 10⁵ - 10⁷. ПТФЕ з М_n = 10⁶ і більше може бути отриманий тільки при використанні ТФЕ високого ступеня чистоти. Глибоке очищення ТФЕ, який, як правило, проводиться на тому ж заводі, що і ПТФЕ, необхідна для синтезу полімеру не тільки з високою молекулярною масою, але і не містить в основному ланцюзі ніяких інших атомів крім С і F.



Рисунок 2. Залежність щільності ПТФЕ від молекулярної маси

Введення в ланцюг таких атомів, як Н і Сl, знижує термостійкість полімеру. Наявність, наприклад, атомів водню в полімерного ланцюга при 370-390 °С (при температурі переробки) призводить до відщеплення HF і подальшого розриву ланцюга, що знижує М полімеру та властивості готових виробів. Тому присутність в ТФЕ незначних кількостей таких домішок, як трифторетилен, які легко сополімеризуються з ТФЕ, може впливати на якість виробів.

Молекулярна маса емульсійного ПТФЕ трохи нижче, ніж суспензійного, і досягає 2,5 · 10⁶ - 3,5 · 10⁶. Це пов'язано з більш високою температурою полімеризації, інший, в порівнянні з суспензійною полімеризацію, ініційованої системою, колоїдної формою частинок полімеру, поверхня яких змочується водою за рахунок сорбції ПАР, і наявністю стабілізатора (вуглеводню), здатного брати участь в реакціях передачі ланцюга. При емульсійній полімеризації під дією г-опромінення, як уже зазначалося, продукти радіолізу перфторемульгатора знижують молекулярну масу.

2.2.2 Хімічні властивості полімеру

За своєю хімічною стійкістю перевищує всі відомі синтетичні матеріали і благородні метали. Політетрафторетилен руйнується під впливом лугів, кислот і навіть суміші азотної і соляної кислот. Руйнується розплавами лужних металів, фтором і трифторид хлору. Хімічна стійкість політетрафторетилену перевершує стійкість всіх інших синтетичних полімерів спеціальних сплавів, благородних металів, антикорозійного кераміки та інших матеріалів.

Політетрафторетилен розчиняється і не набухає ні в одному з відомих органічних розчинників і пластифікаторів (він набухає лише у фторованому гасі).

Вода не діє на полімер ні при яких температурах. В умовах відносної вологості повітря, що дорівнює 65%, політетрафторетилен майже не поглинає воду.

До температури термічного розкладання політетрафторетилен не переходить у в'язкотекучий стан, тому його переробляють в вироби методами таблетування і спікання заготовок (при 360-380 °С).

Завдяки поєднанню багатьох ланцюгових хімічних і фізико-механічних властивостей політетрафторетилен знайшов широке застосування в техніці.

У чистому вигляді матеріал являє собою речовину білого кольору. Молекулярна структура ПТФЕ це довгий ланцюжок вуглецевих атомів, повністю "захищених" атомами фтору, які за своєю природою перешкоджають взаємодії з іншими атомами. Ця специфічна молекулярна структура визначає весь спектр хімічних і фізичних властивостей, які представляють великий інтерес в промисловій сфері.

Властивості політетрафторетилену (ПТФЕ) можуть бути поліпшені шляхом спеціального впливу на остаточну структуру речовини в фазі полімеризації з отриманням модифікованого політетрафторетилену (ПТФЕ) другого покоління. Цей продукт являє собою більш щільну і менш пористу молекулярну структуру з меншою деформацією при навантаженнях, з великим подовженням при розтягуванні і з високим ступенем прозорості.

Прекрасні властивості політетрафторетилену ПТФЕ можуть варіюватися і модифікуватися за допомогою додавання потрібних наповнювачів (графіт), які покращують одне або кілька властивостей, властивих самому полімеру, і, відповідно до вимог до кінцевого продукту, змінюють колір, механічні та навіть електричні характеристики.

2.2.3 Фізичні властивості полімеру

Основні показники фізико-механічних і електричних властивостей політетрафторетилену (фторопласт-4):

Руйнівна напруга, МПа при розтягуванні:

- незагартованого зразка -13,7-24,5

- загартованого зразка - 15,7-30,9

- при статичному вигині - 10,8-13,7

Модуль пружності при згині, МПа:

- при 60 ° С - 1290-2720

- при 20 ° С - 461-834

Ударна в'язкість, кДж / м² - 98,1

Відносне подовження при розриві,% - 250-500

Залишкове подовження,% - 250-350

Твердість по Брінеллю, МПа - 29,4-39,2

Питомий об'ємний електричний опір, Ом · м - 1015-1018

Тангенс кута діелектричних втрат при 106 Гц - 0,0002-0,00025

Діелектрична проникність при 106 Гц - 1,9-2,2

Аналіз та характеристика фазового стану полімеру

Фторопласт-4 (політетрафторетилен) - кристалічний полімер зі ступенем кристалічності 80-85%, температурою плавлення 327 °С і температурою склування аморфної частини близько -120 °С. При нагріванні політетрафторетилену ступінь кристалічності зменшується, при 370 °С він перетворюється в аморфний полімер. При охолодженні політетрафторетилен знову переходить в кристалічний стан; при цьому відбувається його усадка і підвищення щільності. Найбільша швидкість кристалізації спостерігається при 310 ° С.

При температурі експлуатації ступінь кристалічності фторопласта-4 становить 50-70%, теплостійкість за Віка - 100-110 °С. Робоча температура - від 269 до 260 °С.

При нагріванні вище 415°С політетрафторетилен повільно розкладається без плавлення з утворенням тетрафторетилену та інших газоподібних продуктів.

Політетрафторетилен негорючий, володіє дуже хорошими діелектричними властивостями, які не змінюються в межах від -60 до 200 ° С, має хороші механічні та антифрикційні властивості і дуже низький коефіцієнт тертя.

Аналіз та характеристика можливих внутрішньо- та міжмолекулярних взаємодій

Рисунок 3 - Модель ланцюга політетрафторетилену

Молекула ПТФЕ в кристалічному стані має форму спіралі . Таку форму молекула приймає в зв'язку з тим, що атоми фтору мають великий радіус Ван-дер-Ваальса і при плоскій зиґзаґоподібної конформації, як у поліетилену, не вкладаються на довжині 0,254 нм (2,54 Е), що відповідає відстані між двома атомами вуглецю, розділеними третім атомом. Поворот кожної зв'язку С-С від плоского розташування приблизно на 17 ° збільшує цю відстань до 0,27 нм (2,7 Е), що близько до подвоєному Ван-дер-Ваальсового радіусу фтору 0,28 нм (2,8 Е). Кут між зв'язками С-С становить 116 °.

Рентгеноструктурний аналіз ПТФЕ показує, що кристалічна структура зазнає два оборотних переходу при 19 і 30 ° С. Нижче 19 °С повторюється ланка складається з 6 витків і 13 груп CF₂, спіраль укладається в триклинні грати. При 19-30 °С спіраль злегка розкручується і складається з 7 витків і 15 груп CF₂, утворюючи гексагональну упаковку. Вище 30 °С спіраль стає нерегулярно закручена, але аж до температури плавлення в кристалічній області зберігається гексагональна упаковка ланцюга. Нижче 19 °С відстань між повторюваними ланками ланцюга 1,688 нм (16,88 А), а періодичність в напрямку, перпендикулярному до осі ланцюга, 0,559 нм (5,59 А) при 0 °С. Вище 19 °С решітка (при 25 ° С) має розміри: а = 0,565 нм (5,65 А), з = 1,95 нм.

Обчислений з параметрів елементарної комірки коефіцієнт молекулярної упаковки лінійно зменшується від 0,66 до 0,60 в кристалічних і від 0,58 до 0,46 для аморфних областей при зміні температури від 20 до 320°С. Така відмінність вказує на велику рухливість молекул в аморфній фазі і більше температурне розширення аморфних областей.

У розплаві форма молекулярних ланцюгів практично не змінюється і зберігається висока впорядкованість структури. Розплав ПТФЕ має надзвичайно низьку міцність і не проявляє каучукоподібних властивостей. Це вказує на високу жорсткість молекули ПТФЕ. Для ПТФЕ характерна низька ентропія плавлення 6,07 Дж / моль (1,45 кал / °С).

Визначальну роль в конфігурації ланцюга в кристалічному ПТФЕ грають внутрішньо-молекулярні, а не міжмолекулярні сили взаємодії, спіральна структура упаковується некомпактно. Про малу кінетичної гнучкості молекули ПТФЕ свідчить таке специфічне випробування, як удар кулею. ПТФЕ розлітається на дрібні осколки, як скло, тоді як поліетилен зазнає пластичне протягом.

Завдяки закручування вуглецевого ланцюга і великим Ван-дер-Ваальсовим радіусом фтору молекула ПТФЕ утворює майже ідеальний циліндр з щільною зовнішньою оболонкою з атомів фтору. Саме такою будовою молекули пояснюється унікальна хімічна стійкість і багато інших властивостей ПТФЕ. Жорстка стержнеобразная конфігурація молекули обумовлює дуже низький коефіцієнт тертя, хладотекучість, високу пластичність ПТФЕ при низьких температурах.

Кристалічні області ПТФЕ містять довгі стрічки шириною від 0,2 до 1 мкм, що складаються з паралельних смуг, перпендикулярних довгої осі стрічки. При повільному охолодженні зразка утворюються широкі стрічки, при швидкому охолодженні - вужчі. Ланцюги молекул ПТФЕ розташовані уздовж смуг, довжина полімерного ланцюга в десятки разів перевищує ширину стрічок, що вказує на складання молекул ПТФЕ. Сферолітна структура, типова для всіх кристалічних полімерів, для ПТФЕ абсолютно нехарактерна. Дані за умовами вирощування сферолітів і їх морфологія узагальнені в. Сфероліти ПТФЕ в порівнянні з іншими термопластичними полімерами є більш дефектними і пухкими.

Морфологія дисперсних частинок ПТФЕ, одержуваних емульсійної полімеризацією, вивчена в роботах. Причиною, яка визначає морфологію цих частинок, є структура міцел, яка залежить від природи і концентрації емульгатора. При утриманні емульгатора в воді 2% утворюються типові фібрили з діаметром 20 нм (200 Е). Емульсійний ПТФЕ з високою молекулярною масою виходить у вигляді еліпсоїдальних частинок, що складаються із зігнутих стрічок, які, в свою чергу, утворюються з ламелей, вигнутих навколо себе. Фібрили представляють собою пучок витягнутих кристалів (молекулярні ланцюги розташовуються паралельно осі фібрил). Стрижні, які іноді спостерігаються у водних дисперсіях, є проміжною формою між стрічками і фібрилами.

Аналіз та характеристика термомеханічної кривої



Рисунок 4 - Термомеханічні криві кристалічних (1,2) та полімерів що кристалізується (3) Тс - -112°С; Тпл - 327°С;

Співвідношення кристалічної і аморфної фаз у охолодженого полімеру залежить від швидкості охолодження. Повільне охолодження призводить до підвищеної кристалічності, аж до втрати еластичності, а швидке охолодження з 327 до 250 ° С - до загартування, т. е. нижче 250 ° С полімер зберігає структуру зі зниженою кристалічністю. На практиці гарт здійснюється швидким охолодженням нагрітого до 360-380 ° С полімеру в холодній воді. Однак гарт товстостінних виробів дуже скрутна, так як через погану теплопровідність полімеру середні шари охолоджуються повільно і внаслідок підвищеної кристалічності дають значну усадку. Тому між крайніми і середніми шарами матеріалу виникають значні напруження, які можуть викликати розтріскування або викривлення, вироби. Тому загартуванню можна піддавати лише вироби товщиною 5-6 мм (в окремих випадках - понад 10 мм).

Температура склування аморфної фази політетрафторетилену 120 ° С, проте еластичність полімеру зберігається і при температурах, близьких до абсолютного нуля. Вироби з політетрафторетилену можуть застосовуватися в межах від +250 до -270 ° С. Вище 415 ° С політетрафторетилен розкладається з частковим отриманням тетрафторетилену.



3. Області застосування полімеру

Політетрафторетилен (тефлон) застосовують в хімічній, електротехнічній та харчової промисловості, в медицині, в транспортних засобах, в військових цілях, в основному в якості покриттів.

Тефлон широко використовується в високочастотній техніці, так як, на відміну від близьких за властивостями, поліетилену або поліпропілену, дуже слабо змінює з температурою коефіцієнт діелектричної проникності, а також вкрай низькі діелектричні втрати. Ці властивості, поряд з теплостійкість, обумовлює його широке застосування в якості ізоляції проводів, особливо високовольтних, всіляких електротехнічних деталей, а також при виготовленні високоякісних конденсаторів.

Тефлон дуже тугоплавкий; провід в тефлоновій ізоляції неможливо проплавити паяльником. Втім, недоліком тефлону є висока холодна плинність. Якщо тримати провід під фторопластовою ізоляції під механічним навантаженням, провід через деякий час може оголитися.

У різних галузях промисловості волокна, отримані з політетрафторетилену, знайшли широке застосування в якості високотемпературних мішечних фільтрів, різних типів теплостійких прокладок, ниток для текстильних тканин, а також в автомобільному оснащенні, промислових фільтрах загального призначення, елементах запірних і регулюючих клапанів, мішалок і насосів, обладнання для фільтрації й поділу.

В авіації, наприклад, із фторопласта виготовляють гнучкі металопластикові трубопроводи гідросистем, що працюють під високим тиском і з високою температурою робочої рідини. Широко використовується бортова проводка з ізоляцією із фторопласта, стійка до агресивних середовищ, механічних пошкоджень, високій температурі - дроти марки БПДО, ФТ і ряд інших.

Фторопласт - чудовий антифрикційний матеріал, з найменшим коефіцієнтом тертя ковзання з відомих доступних конструкційних матеріалів. Однак через м'якість і плинність він непридатний для важко навантажених підшипників і в основному використовується в приладобудуванні.

Відомі мастила з введеним в їх склад малодисперсним фторопластом, їх відрізняє те, що наповнювач, осідаючи на металевих поверхнях, дозволяє в ряді випадків деякий час працювати механізмам з повною відмовою системою змащення, тільки за рахунок антифрикційних властивостей фторопласту.

Завдяки низькій адгезії, не змочуваності і термостійкості тефлон у вигляді покриття широко застосовується для виготовлення екструзійних форм і форм для випічки, а також сковорідок і каструль.

Варто відзначити, що при нагріванні вище 300 градусів Цельсія тефлон виділяє токсичні і канцерогенні сполуки. Проте, при наявності в посуді масла або води, що не дають температурі піднятися вище точки їх кипіння, тефлон відносно безпечний. .

Тефлонове покриття у вигляді найтоншої плівки наносять на леза бритв, що значно подовжує термін їх служби і полегшує гоління.

У виробництві сучасного високотехнологічного одягу застосовуються мембранні матеріали на основі експандованого політетрафторетилену.

Шляхом фізичної деформації тефлону виходить тонка пориста плівка, яка наноситься на тканини і використовується при пошитті одягу. Мембранні матеріали, в залежності від особливостей виготовлення, мають вітрозахисні так і гідроізоляційні властивості, при цьому, нормований розмір пір мембрани з політетрафторетилену дозволяє матеріалу ефективно пропускати випаровування тіла людини.

Віндстоппер - сленгове назва матеріалу з політетрафторетилену на тканинній основі. Являє собою мембранний матеріал, який пропускає повітря, але не пропускає вітер.

Гор-Текс - водонепроникна дихаюча мембрана.

Політетрафторетилен може перероблятися у вироби методами пресування, лиття під тиском і екструзії при температурах 150-300°С (в залежності від молекулярної маси).

Тефлон, збагачений атомами водню, набуває рідкого стану, що дозволяє використовувати його як додаток до фарб та імпрегнатів.

Завдяки сильним міжмолекулярним зв'язкам, тефлон утворює міцну поверхневу плівку та не вступає в реакцію з іншими сполуками, тому забезпечує високу стійкість оброблених поверхонь до механічного впливу, води, атмосферних явищ та легке очищення від забруднень.

Декоративне покриття з Teflon surface protector є стійким та паро-, газопроникним.



Висновки

У даній курсовій роботі визначено методи синтезу політетрафторетилену та їх властивості. Детально розглянута технологія та методи одержання політетрафторетилену.

Одним з важливих завдань було розрахувати витрати сировини на 1тонну готового продукту. Також у роботі розглянуто методи та умови синтезу політетрафторетилену: способи одержання, опис технологічного процесу, хімізм та механізм хімічних реакцій, властивості.

Сучасне виробництво політетрафторетилену дозволяє вирішити такі проблемі як економічність та висока якість продукту.

Розглянуті матеріали на основі ПТФЕ характеризуються стабільними і низькими значеннями коефіцієнта тертя і інтенсивності зношування, підвищеними деформаційно-міцнісними показниками, що забезпечують жорсткість сполучень і високу несучу здатність. У порівнянні з серійними полімерними композитами ці ПКМ мають підвищену зносостійкість, міцність і несуча здатність.



Список літератури

1. Паншин, Ю.А. Фторопласты / Ю.А Паншин, Л.Г. Малкевич, Ц.С. Дунаевская. - Л.: Химия, 1978. - 232 с.

2. Лебедев, Н.Н. Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза / Н.Н. Лебедев. - М.: Химия, 1988. - 380 с.

3. Чегодаев, Д.Д. Фторопласты / Д.Д. Чегодаев, З.К. Наумова, Ц.С. Дунаевская. - 2-е изд. - Л.: Химия, 1960 - 210 с.

4. Зыбин, Ю.А. Наполненные фторопласты / Ю.А. Зыбин, Н.Н. Самосатский. - Киев: Техника, 1965. - 261 с.

5. Юкельсон, И.И. Технология основного органического синтеза / И.И. Юкельсон. - М.: Химия, 1968. - 846 с.

6. База термодинамических, физических и химических свойств индивидуальных веществ [Электронный ресурс]. - [2006]. - Режим доступа: http://www.webbook.nist.gov/chemistry/

7. Neugebauer, C.A. The heats of formation of tetrafluoroethylene, tetrafluoromethane and 1,1-difluoroethylene / Neugebauer, C.A., Margrave, J.L. // Journal Physical Chemistry. - 1956. - № 60. - р. 1318-1321

8. Пат. 2168519 Россия, МПК 7 C 08 F 114/26, 2/18. Способ получения политетрафторэтилена / Уклонский, И.П., Денисенков, В.Ф., Ильин, А.Н., Минеев, С.Н. - 2001.

9. Технология пластических масс / под редакцией В.В. Коршака. - Изд. 3-е, перераб. и доп. - М.: Химия, 1985. - 560с.

10. Рабинович, В.А. Краткий химический справочник / В.А. Рабинович, З.Я. Хавин. - Изд. 2-е, испр. и доп. - Л.: Химия, 1978. - 392 с.

11. Технические свойства полимерных материалов: Уч.-справ. пос. / В.К. Крыжановский, В.В. Бурлов, А.Д. Паниматченко, Ю.В. Крыжановская. - СПб.: Профессия, 2003. - 240 с.

12. Николаев, А.Ф. Синтетические полимеры и пластические массы на их основе / А.Ф. Николаев. - Л.: Химия, 1966. - 798 с.

13. Кравцов, В. С. Хімія і фізика високомолекулярних сполук [Текст]: навчальний посібник / В. С. Кравцов, О. В. Кравцов, М. В. Бурмістр. -Дніпропетровськ: УДХТУ, 2002. - 560 с.

14.Шур, А. М. Высокомолекулярные соединения [Текст] / А. М. Шур. - М. : Высшая школа, 1981. - 656 с.

15.Киреев, В. В. Высокомолекулярные соединения [Текст] / В. В. Киреев. - М. : Высшая школа, 1992. - 512 с.

16)Коваль, І. В. Хімія мономерів [Текст]: навчальний посібник / І. В. Коваль. - Київ, 1992. - 166 с.

17.Вакулик, П. І. Хімія мономерів [Текст]: підручник / П. І. Вакулик. - М.: Иностранная литература, 1960. - 190 с.

18.Зибельман, Е.Н. Примеры и задачи по химии высокомолекулярных соединений [Текст]: учеб. пособие для хим. и хим.-технол. спец. вузов / Е.Н. Зибельман. - М.: Высшая школа, 1984. - 224 с.

19.Тагер, А. А. Физикохимия полимеров [Текст] / А .А. Тагер. - Изд. 3-е. М. : Химия, 1978. - 544 с.

20. Чегодаев Д. Д.., Наумова 3. К, Дунаевская Ц. С. Фторопласты. М.-Л.,Госхимиздат, 1960. 190 с

Размещено на Allbest.ru

...