Производство полиэфирного волокна

Степень завершенности процесса переэтерификации можно контролировать по количеству выделяющегося метанола. Целесообразно для сокращения продолжительности реакции вести процесс до выделения и отгонки 75—90% расчетного количества метанола. Остальное количество метанола выводится из реакции при совместной отгонке с избытком этиленгликоля при 200—240 °С. В некоторых случаях реакция переэтерификации может быть интенсифицирована проведением ее в токе проходящего инертного газа (азота, диоксида, углерода и др.), но практического применения такие схемы не имеют. Чаще интенсификация (сокращение цикла) процесса переэтерификации достигается путем подбора оптимального состава катализаторов, изменения конструкции аппаратов, проведения форсированного температурного режима и т. п.

Этерификация  терефталевой кислоты этиленгликолем

Этерификация ТФК является обычной реакцией образования сложного эфира (ДГТ) при взаимодействии кислоты (ТФК) и спирта (ЭГ):

В том случае, когда этерификация ТФК этиленгликолем проводится при атмосферном давлении (температура »200°С), используют мольное соотношение исходных компонентов ТФК:ЭГ, равное 1 :(1,5—2,0), что соответствует соотношению по массе 1: (0,6— 0,8); в качестве катализаторов используют ацетаты двухвалентных металлов, тетрабутоксититан, фосфористую кислоту и т. д. Продолжительность реакции обычно составляет 6—8 ч. Для ускорения реакции ее проводят при 220—240°С в среде олигомеров— продуктов этерификации, предварительно введенных в аппарат.

Оксиэтилирование тетрафталевой кислоты

В отличие от рассмотренных  выше процессов реакции ТФК и  оксида этилена не сопровождается выделением побочного продукта, является обратимой в меньшей степени и позволяет получить ДГТ с меньшим содержанием олигомеров:

Условия проведения этого  процесса: температура — от 90 до 130°С, давление — от 2—3 МПа, продолжительность — от 0,5 до 4 ч. Выход ДГТ (при содержании в нем олигомеров не более 0,5%) зависит от мольного соотношения компонентов; так при соотношении ТФК: оксид этилена, равном 1:8, выход достигает 50%.

Представляет интерес  использование для оксиэтилирования неочищенный ТФК- Полученный в результате этой реакции неочищенный ДГТ очищают перекристаллизацией из воды (в которой он хорошо растворим при 80—90 °С) до достижения степени чистоты, необходимой для получения волокна.

Поликонденсация дигликолевого эфира терефталевой кислоты

При поликонденсации ДГТ  выделяется ЭГ и образуется ПЭТ со степенью полимеризации 100—150. Схему этой реакции (например, для п моль ДГТ) можно записать следующим образом:

 

Для повышения термической  стойкости (термостабильности) получаемого расплава ПЭТ применяют стабилизаторы, например фосфористую кислоту или ортофосфорную кислоту и их эфиры (трифенилфосфат, полигликольфосфат, три-n-трет-бутилфенил- фосфат и др.), трикумилфенол, топанол и т. п., вводимые в количестве 0,01 — 0,05% от массы твердого мономера — ТФК или ДМТ. Перечисленные стабилизаторы оказывают полезное действие не только на термостабильность расплава, но и одновременно повышают термо- и светостойкость готового полиэфира и волокна на его основе, Волокна, полученные с использованием таких добавок, имеют также повышенную теплостойкость и белизну.

 

 

МАТЕРИАЛЬНЫЙ  БАЛАНС СИНТЕЗА ПОЛИЭФИРАНОГО ВОЛОКНА

 

Основная реакция

1)Синтез дигликольтерефталата

Переэтерификация диметилтерефталата этиленгликолем

 

η(ДГТ) = 95 %

 

 

Побочная реакция

 

4H₂O

η(олигомеров) = 5 %

2)Поликонденсация 

Основная реакция

 

n = 100-150, <n> = 125

 

η(ПЭТ) = 95 %

Побочная реакция

n = 5

 

Расчет ведем исходя из 1 т ТФК.

m (ЭГ) = (1000/166) * 2 * 62 = 747 кг

m (ДГТ) = (1000/166) * 0,95 * 254 = 1454 кг

m (H₂O) = (1000/166) * 0,95 * 2 * 18 +  (1000/166) * 0,05 * 4/5 * 18 = 210 кг

m (олигомера 1) = (1000/166) * 0,05 * 1/5 * 978 = 59 кг

m (ЭГост.) = (1000/166) * 2 * 62 * 0, 05 * ½ = 19 кг

Реагенты		Продукты
ТФК	1000	ДГТ	1454
ЭГ	747	H2O	210
		Олигомер 1	59
		ЭГ ост.	19

ΣGреагентов = 1000 + 747 = 1747 кг

ΣGпродуктов = 1454 + 210 + 59 + 19 = 1742 кг

ΣGреагентов = ΣGпродуктов

 

m (ПЭТ) = (1454/254) * 0,95 * 1/125 *24062 = 1047 кг

m (олигомера 2) = (1454/254) * 0,05 * 1/5 * 1022 = 59 кг

m (ЭГ) = (1454/254) * 0,95 * 124/125 * 62 +  (1454/254) * 0,05 * 4/5 * 62 = 348 кг

Реагенты		Продукты
ДМГ	1454	ПЭТ	1047
		ЭГ	348
		Олигомер 2	59

ΣGреагентов = 1454кг

ΣGпродуктов = 1047 + 348 + 59 = 1454 кг

ΣGреагентов = ΣGпродуктов

 

Потери производства при формовании полиэфирного волокна составляют около 6%. Следовательно, масса полиэфирного волокна, в частности, полиэтилентерефталатного волокна равна:

m (ПЭТ) =1047 кг*0,94=984 кг.

 

ПРОИЗВОДСТВО  И ТЕХНОЛОГИЯ ОТДЕЛКИ ПОЛИЭФИРНОГО ВОЛОКНА

 

Как правило, формование полиэфирных  волокон происходит методом экструзии (продавливания через фильеры) из расплава полимера (полиэтилентерефталат) и воздушного охлаждения. Затем волокна  подвергаются вытяжке для достижения необходимой штапельной линейной плотности  и прочности. 

Но на практике, данный процесс  очень сложный и высокотехнологичный. Процесс получения полиэфирного волокна состоит из следующих  операций: 1)комплектования невытянутого жгута; 2) ориентационной вытяжки жгута; 3) гофрировки жгута; 4) термофиксации жгута; 5) резки жгута и упаковки готового жгута в кипы. Все эти операции совмещаются в одном технологическом потоке на штапельных агрегатах, один из которых схематично представлен на рисунке 1.

 

Рисунок 1. Схема производства полиэфирного волокна

1.Комплектование  невытянутого жгута. Жгут  комплектуется из отдельных нитей (поджгутиков), выбираемых из каждого контейнера (таза), в отделении шпулярников штапельного цеха. Шпулярник 1 включает два-четыре ряда контейнеров с нитью (обычно один – два ряда оставляют резервными для перезаправки) и верхнюю металлическую раму, где происходит формирование невытянутого жгута. В конце шпулярника установлен жгутообразователь, объединяющий отдельные нити («поджгутики») в общий жгут. Он состоит из двух-трех вальцев и направляющих устройств. В зависимости от заданного развеса вытянутого жгута (обычно равного 30-100г/м) жгут собирают из 20-60- контейнеров.

2.Ориентационная  вытяжка жгута. Выше было уже отмечено, что вытягивание полиэфирного волокна проводиться при  нагревании, в результате чего невытянутая аморфная нить переводится из стеклообразного в высокоэластическое состояние с ориентацией структурных элементов и кристаллизацией ПЭТ. Однако интенсивный равномерный прогрев и последующая вытяжка жгута, состоящего из 200000-500000 элементарных нитей довольно сложная задача. На промышленный штапельных агрегатах жгут вытягивают в одну или две стадии соответственно между двумя или тремя вытяжными станами. Каждый вытяжной стан оборудован семью – восемью цилиндрами, вращающимися с одинаковой скоростью. Цилиндры первого стана (питающего)подогреваются до 50-80⁰С циркулирующими внутри их горячей водой или теплоносителем. При двухстадийной вытяжке подогреваются также цилиндры второго стана (до 100-150⁰С). Цилиндры последнего стана не подогреваются. Основной нагрев пара осуществляется острым паром или горячим воздухом в специальных камерах 4 и 5, расположенных между вытяжными станами. Иногда жгут подогревают на гладкой металлической поверхности или пропускают через ванну с горячей водой. Со жгутообразователя жгут в виде тонкой по толщине ленты шириной 200-500 мм проходит через ванну для отмывки от прядильной препарации (или нанесения антистатической препарации) и поступают на горячие цилиндры первого стана, где подогреваются. Далее жгут попадает в подогревательную ванну между первым и вторым станом, нагретую до 130-200⁰С, а затем на цилиндры второго стана. При двухстадийной вытяжке температура во второй камере обычно на 20-50⁰С выше, чем в первой. Кратность вытяжки волокна, устанавливаемая по отношению частоты вращения первого и  последнего вытяжного стана, составляет в зависимости от типа штапельно волокна 1: (3-5). Придвухстадийном процессе жгут вытягивают на 300-400% между первыми двумя станами и на 50-100% между вторым и третьим станами. Линейная скорость выхода жгута с вытяжкой машины составляет 100-200 м/мин, иногда -400м/мин. В некоторых случаях, когда нужно получить волокно с низким удлинением и небольшим отклонением механических свойств от заданной величины, жгут после вытяжки подвергают дополнительной операции – так называемой стабилизации удлинения,  которая проводится в обогреваемой до 200⁰С камере при  растяжении на 2-4% (или усадке на 1-2%).

3.Гофрировка жгута. Гофрировкой жгута называется технологический процесс придания волокну извитости. Шерстеподобные свойства полиэфирного волокна и способность его к переработке как в смеси с шерстью, хлопком и другими волокнами, так и в чистом виде во многом зависят от формы отдельных элементарных нитей, в частности от степени и устойчивости их извитости. Обычно степень извитости штапельного волокна лавсан составляет 3—7 из-витков на 1 см. Жгут гофрируется в специальной машине 8 (см. рис. 1), в которой он захватывается двумя плотно прижатыми друг к другу металлическими вальцами и направляется в набивочную камеру. Сила прижима вальцов достигает 10—12 МПа.

Вальцы непрерывно напрессовывают в камеру отрезки жгута, которые  периодически выталкиваются оттуда вновь поступающими нитями. Извитость  волокна проявляется в результате механического сжатия и прессования  жгута в камере. Устойчивость извитости  можно дополнительно повысить предварительной  обработкой жгута острым паром перед  поступлением его в гофрировочную  машину. Для равномерного нанесения  гофра на волокно жгут должен подаваться в камеру под определенным и постоянным натяжением. Постоянство натяжения  создается системой компенсирующих роликов 7 (см. рис.1), один из которых свободно лежит на жгуте, и по его относительному перемещению регулируется скорость гофрировки.

4.Термофиксация  жгута проводится для получения устойчивой формы извитка; снижения температурной усадки (особенно при тепловых обработках готовых изделий); снятия внутренних напряжений в волокне, возникающих при ориентационном вытягивании; стабилизации физической структуры ПЭТ; повышения равномерности при поверхностном крашении и улучшения эксплуатационных характеристик волокна, в частности несминаемости тканей и изделий из них. Из гофрировочной камеры жгут по специальному лотку выталкивается в жгутораскладчик, который равномерно, перпендикулярно оси движения транспортера раскладывает жгут на металлическую сетчатую ленту. Жгут на ленте находится в свободном (без натяжения) состоянии. Лента с небольшой скоростью (0,6—1,0 м/мин) движется в горизонтальный аппарат термофиксации длиной от 10 до 20 м. Аппарат разделен на несколько (пять-семь) зон обогрева, где при циркуляции горячего воздуха поддерживается температура 110—150 °С. Продолжительность сушки (после гофрировки жгут содержит до 10—20% влаги) и термофиксации обычно составляет 15—20 мин. При этих условиях волокно усаживается на 15—17%. Остаточная усадка готового волокна в кипящей воде не превышает 1—3%. Сушку и термофиксацию полиэфирного жгута можно проводить и в аппаратах барабанного типа 9. Внутри таких аппаратов имеется от пяти до десяти барабанов диаметром 600—800 мм с перфорированной металлической поверхностью. Жгут в свободном состоянии раскладывается по длине барабанов и перемещается при их вращении. Горячий воздух проходит через толщу жгута внутрь барабана, прижимая волокно к его поверхности.

Процесс термофиксации волокна лавсан в резаном виде в производственном масштабе встречается крайне редко, поскольку в этом случае нарушается непрерывность схемы переработки жгута на штапельном агрегате и снижается производительность последнего. Кроме того, при резке нетермофиксированного жгута заметно снижается извитость волокна, а длина штапельков отличается значительной неровнотой.

Для устранения электризации полиэфирного волокна при текстильной  переработке жгут после термофиксации и охлаждения обрабатывают из форсунок антистатическими препаратами (например, ОС-20, ОП-Ю, альфоноксом, карбоноксом и др.), содержание которых на готовом волокне должно быть не ниже 0,3— 0,5%. Обработку антистатическими препаратами можно проводить перед гофрировкой жгута или после его тепловой обработки.

5.Резка жгута  и упаковка волокна. Выходящий из аппарата термофиксации жгут перед поступлением в резательную машину должен быть охлажден для устранения склеивания отдельных волоконец при резке и предотвращения быстрого выхода ножей из строя. Жгут, проходя по воздуху расстояние около 10—15 м, охлаждается. Длина резки волокна регулируется числом ножей на вращающихся дисках, числом прорезей на делительных колесах и частотой вращения дискового ножа. Длина волокна лавсан, предназначенного для переработки с хлопком, составляет 35—40 мм, а для переработки с шерстью и льном — 65 мм и выше. Скорость резки полиэфирного волокна зависит от конструкции машины и развеса исходного жгута и поэтому колеблется в широких пределах: от 70 до 250 м/мин. Созданы машины для резки жгутов очень больших развесов (до 500 г/мин). Если резательная машина расположена внизу, на одном уровне с упаковочным прессом, то штапельки засасываются вентилятором в трубу пневмотранспортом и подаются в пресс, где волокно упаковывается в кипы определенного размера и массы (до 150—200 кг). Производительность одного пресса с двумя упаковочными камерами — до 25—30 т/сут. После резки волокно свободно ссыпается в пресс для упаковки. Значительная часть полиэфирного волокна линейной плотностью 0,333 и 0,420 текс, предназначенного для переработки в камвольной промышленности на пассифик-конверторах, выпускается в виде суровых и окрашенных жгутов развесом 30—70 г/м. Жгуты упаковывают в картонные коробки, рассчитанные на 80—100 кг волокна.

 

 

НЕПРЕРЫВНЫЙ ПРОЦЕСС СИНТЕЗА ПОЛИЭТИЛЕНТЕРЕФТАЛАТА С ПРЯМЫМ ФОРМИРОВАНИЕМ ВОЛОКОН И НИТЕЙ ИЗ РАСПЛАВА

 

Кроме периодического (автоклавного) процесса получения ПЭТ в настоящее  время широко внедряются непрерывные  схемы производства ПЭТ с прямым формованием нитей из расплава. Преимущество таких схем заключается в сокращении целого ряда операций (литье смолы, гранулирование, сушка, смешение и хранение гранулята) и уменьшении количества оборудования по сравнению с периодическим процессом. В случае производственной необходимости или при остановке прядильной машины полимер с непрерывной линии выделяют в виде гранулята. Линии непрерывного действия отличаются высокой производительностью (до 25—80 т/сут). Каждый аппарат, входящий в состав такой линии, обеспечивает непрерывность процесса— от загрузки мономеров до формования нитей.