Transcript TZ1_05_Vlakna chemicka z prirodniho polymeru_2013

Přednáška č.5
Rozdělení chemických vláken
Rozdělení celulózových vláken
Fyzikální principy vystavby vláken (monomer, MM,
polymerizace, polymer, krystalizace, krystalit, PPS)
Získání chemických vláken (technologie zvlákňování)
Viskozóvá vlákna (produkce, výroba, vzhled, užitné
vlastnosti)
Bambusová vlákna (získání/výroba, vzhled, užitné
vlastnosti)
Obchodní názvy celulózových vláken
Chemická vlákna
Z přírodního
polymeru
Ze syntetického
polymeru
Anorganická
Celulózová
Polyamidová
Z minerálů
Konjugovaná
Z rostl. bílkovin
Polyesterová
Z kovů
Dutá
Ze živ. bílkovin
Polyakrylová
Z přír. kaučuku
Polyuretanová
Polyetylenová
Polypropylenová
Speciální
Vysocesorpční
Celulózová
vlákna
měďnatá
acetátová
nitrátová
Z regenerované
celulózy
lyocelová
Z derivátů
celulózy
viskózová
Viskózová
vlákna
Acetátová
vlákna
standardní
diacetatová
II.generace
(standardní, vysoce
pevná, polynozická,
HWM, modálová)
triacetatová
III.generace
Lineární typ MM
1907 - Leo Hendrik
Baekeland, první
syntetický polymer
„bakelit“
Polymerní látka (zač. XX stol.) – (Hermann
Staudinger, Německo, 1953 – Nobelova cena v
oblasti chemie, „otec makromolekulární chemie“)
seskupeni velkých molekul (makromolekul),
složených z opakujících se chemických jednotek
(monomerů) spojených do lineárních řetězů. [Poly
=„hodně“, mer =„jednotka“]
Větvený typ MM
Polyetylen
H―(CH2)n―H
H―(CH2―CH2)n―H
Polypropylen
Polymerační stupeň (PS / PPS) – průměrný počet opakujících se
jednotek v polymerním řetězci, které se spojily za dobu t během
polymerizace (PS<10 – oligomer; PS>10 – polymer).
Molekulová hmotnost (M) – hmotnost jedné molekuly, atomové
jednotky hmotnosti.
Polymerizace – chemická reakce, pří které z monomerů vznikají
vysokomolekulární látky (polymery).
Roztoková
polymerizace:
p – PE
e – nereagovaný
etylen
c – katalyzátor
s – rozpouštědlo
w - voda
PSvláken [500; 10000]
Mechanické vlastnosti (pevnost
v tahu, prodloužení)
Struktura „ball-and-string“
- monomer
- kovalentní vazba
Nízký PS
Vysoký PS
monofunkční
bifunkční
trifunkční
polyfunkční
Primární
Sekundární
Kovalentní – vnitromolekulární vazba, vzniká sdílením
jednoho nebo více párů elektronů mezi dvěma prvky
– zaplnění valenční vrstvy elektronového obalu.
Vodíková – mezimolekulární (intermolekulární) vazba
– slabá vazební interakce mezi molekulami.
Van der Waalsová – přitažlivé interakce mezi
molekulami.
Chemická vazba
Primární
Sekundární
(kohezní vazby)
Energie, kJ/mol
Délka, nm
100 - 800
0,07-0,16
1 - 40
0,3 - 1
Ekoval > Evodik
Homopolymer – jeden druh
monomeru: CO, VI, PE, PP
Kopolymer – dva druhy
monomerů: PC
Segmentový polymer: PU
Pravidelné
Nepravidelné
Roubovaná forma
I – polykrystalické látky
Text. vlákna
S – často krystalické látky (vysoká
TT)
A – většinou amorfní látky
(sklo, vosk, pryskyřice)
Takticita – stereochemie –
studium uspořádaní atomů v
molekule
 Přiblížení MM
 Vazby
 Krystalit (zábrany
ke vzniku
krystalitů)
 Amorfní složka
 Krystalická oblast - pevnost (krystality) (K)
 Amorfní oblast – deformace, sorpce (A)
Mikrofibrila
 Volná krystalizace
 Nucená krystalizace (zvlákňování)
+
Vznik fyzikálních vazeb mezi MM (Q, P) –
krystality.
-
1. Sférické zábrany (boční skupiny) –
nedovoluji přiblíženi na vzdal. 1 nm.
2. Zauzlení MM.
Dloužení -> orientace
Tměknutí > Tdloužení > Tzeskelnění
w2
Chemická vlákna – jsou vlákna, získaná chemickou cestou
(standardní, II. a III. generace)
90 %
10 %
+ Zvlákňování v elektrickém poli
Do šachty
Tavitelný polymer
(PL, PA, PP.. )
Do horkovzdušné komory
Roztoky polymerů
(za sucha, za mokra,
kombinace)
Do lázni
Násypník
Extruder
(inertní
atmosféra oxidace)
Roztavení
(T o 50°
výší než
Ttavení),
tvorba
vnitřní
struktury
Dloužení,
navíjení
PA: Tt 218-220° (Tz 250°-260°)
Roztok polymerů
Dloužení
Horká šachta –
odpařování
rozpouštědla
Dloužení,
navíjení Srážecí lázeň –
vysrážení polymeru
Leicester
PS
Zvlákňovácí tryska
• Polymerní roztok nebo
tavenina
• Pigmenty (barvivo – barvení ve
hmotě)
• Matovací prostředek (TiO2)
Vznik krystalických a
amorfních oblastí!!
• Za studená
• Za tepla!
Termoplastická vlákna
Získaní konečného tvaru a vlastností
Kabel vláken
(pod T měknutí)
1 – lázeň (voda+PAL+aviváž)
2 – vytápěná deska „žehlička“
H - hedvábnický
1 – 1,2
50 tis. – 150 tis.
(nekonečná)
1664 – Robert Hooke (Brit): umělé hedvábí?
+ 2 st. – George Audemars (Francouz): vytahování vláken z lepkavého sekretu moruše
1864 – Schoebein (Švýcar): roztok celulózy
Sir Joseph Swan (Brit): textilní vlákna z celulózy (první výrobky)
1884 – Hilaire Chardonnet (Francouz) – „otec viskózových vláken“, 29 let práce, patent
průmyslové výroby viskózy
1889 – Pařížská výstava: první výrobky z viskózových vláken
1910 – začátek průmyslové výroby (USA), do 1926 vlákna nejsou pojmenována, označuji
se jako „umělé hedvábí“, „vlákenné hedvábí“, „Chardonnet hedvábí“ apod., 1000 $, 10000
návrhu názvu vláken
RAYON (angl.) = „Shed a RAY of light ON the problém“
Viskózová vlákna – jsou umělá vlákna z regenerované celulózy:
• standardní (PPS 300-450, (PPSbavlna 6000-10000));
• II. generace (PPS 450-600): standardní, vysoce pevná, modalová apod.;
• III. generace: vlákna dutá, vlákna obloučkovitá.
Čínská republika – vice než 50% podíl
mln.tun
PP, PE
Příprava celulózy
Výroba viskózy
• Mercerace štěpků (NaOH), rozpouštění
hemicelulózy a nečistot – alkalicelulóza cel-O-Na
• Předzrávání (depolymerace), snížení PPS
• Sulfidace (xantogenace) (CS2-sirouhlík +
alkalicelulóza) – xantogenát celulózy cel-O-CS-Sna
• Roztok xantogenátu v NaOH – viskóza – filtrace,
odvzdušnění
• Zrání viskózy, zvýšení PPS na 350-400
Alkalické
povahy
Lázeň –
kyselé
povahy
Difuze plynu CS2 ven
SKIN – silně orientovaná a dobře uspořádaná (vysoká
krystalinita) vnitřní struktura
KORA (35% hmoty vlákna) - dobře orientované krystality
• pórovitá makrostruktura (lépe barvitelná)
• pevná
DŘEŇ (65% hmoty vlákna) - větší méně orientované krystality
• méně pórovité (hůře barvitelná)
• méně pevná
• zapříčiňuje mačkavost
Krystalinita: 27-35 %
Stupeň orientace MM je nižší než u CO
Ryhovaná tyčinka
Placatá (tuhost a pevnost)
Trilobal (sorpční vlastnosti)
Segmentová
S inkapsulaci látek zajištujících
změnu skupenství
Dutá
Charakteristika
Vlákno
Viskóza
Viskóza
standardní II.generace
PPS
Bavlna
Ramie
350-450
600-650
2000
3000
Orientace MM (%)
70-80
80-90
-
93-95
Krystalinita (%)
33-36
40-47
50-52
60-65
65
50
-
40
Množství skupin –OH
(%)
• Malá odolnost v ohybu (mačkavost) – důsledek
radiálně proměnné struktury;
• Silné bobtnání ve vodě (navlhavost 11-13%);
• Pokles mechanické odolnosti ve vodě;
• Vysoká špinavost;
• Nízká odolnost vůči působení alkálií (praní).
• Termické a chemické vlastnosti jsou blízké
bavlně
Obchodní přirážka
• surovina a příze kromě směsových vlnařských: 11%
• prameny: 12,25%
• česaná příze směsová vlnařská: 14,25%
Průměr: 10 – 50 µm
Délka: B-typ: 30 - 48 mm
V-typ: 40 - 120 mm
L-typ: 180 mm
H-typ: nekonečná
Vlákna na bázi celulózy:
• Regenerovaná celulóza: viskóza, mědnatá vlákna, lyocelová
• Derivát celulózy (termoplastická vlákna): acetátová, nitrátová
Měďnatá vlákna
• Depolymerizace – hydroxid měďnatý NH4OH
• Minimální výskyt na trhu (dráha výroba: dvoustupňová koagulace nebo
koagulace ve srážecí lázní NaOH)
Acetátová vlákna
• Diacetátová – AC, triacetátová – TA
• Zdroj – vysoce kvalitní celulóza – α-celulózy 97 - 99%
• Roztok celulózy a kyseliny octové rozpustný v acetonu – zvlákňovácí roztok
• Zvlákňování do horkovzdušné komory (minimálně do lázně)
• Nízký stupeň krystalinity (15%), nízká orientace MM
Obchodní přirážka 6%
Silně ryhovaný povrch
Laločnatý povrch
Taví se!!!
Štiplavý zápach
při spalování
• 2002 – Hebei Jigao Chemical Fibre Co. Ltd. (Čína) – první
bambusová vlákna z regenerované celulózy (patent, prvenství ve
výrobě).
• Surovina: bambusová drť (vnitřní část stébla a listy), zvlákňování za
mokra
• Bambus roste mnohem rychleji než stromy (až 1m/den).
Nevyžaduje chemické odplevelení, zavlažování. Sklízí se 2 roky stará
rostlina. Čína – největší světový pěstitel bambusu.
• Nízké náklady na pěstování!!
• Jsou pouze BIO!!
• Přirozené antibakteriální a antistatické vlastnosti (nemizí po 50
cyklech prani), bidegradabilnost;
• Vysoká savost (sorpční vlastnosti);
• Příjemný měkký omak (studený/teplý), vysoký jas;
• Odolnost vůči UV zaření (pohlcování)
• Snadné barvení
Mechanická/chemická technologie!!!
1,67 dtex, 38 mm – 2,43 USD/kg
Světová produkce: 40 tis. tun
Bambusová
vlákna
Viskózová vlákna
Bavlna
1,67
1,67
1,5-1,7
Pevnost za sucha,
cN/dtex
2,2-2,5
2,5-3,1
2,5-3,1
Pevnost za mokra,
cN/dtex
1,3-1,7
1,4-2,0
1,5-2,1
Prodlouženi, %
14-18
18-22
8-10
Navlhavost, %
13
13
8,5
Jemnost, dtex
LITRAX, spolupráce s Carrefour,
C&A, Levis, Nike, Adidas
Mechanický způsob:
• Rosení
• Lámání
• Potírání
• Trhání
• Spřadání
Přirozená staplová délka vláken je 70-150mm, kotonizaci
lze získat 38mm
Chemický (viskózový způsob):
• Příprava drti (drcení)
• Mercerace (15%-20% hydroxid sodný při 20°-25°C po dobu 1-3 hod)
• Ždímání – odstranění přebytečného NaOH
• Drcení alkalické celulózy
• Předzrávání (sušení a oxidace alkalické celulózy – snížení
molekulové hmotnosti)
• Sulfidace (působení siroúhlikem na alkalickou celulózu, přeměna na
gel)
• Xantogenace (odpařovaní siroúhlika)
• Prání xantogenatu celulózy v NaOH
• Zrání
• Filtrace, odplynění
• Zvlakňování do lazní s kyselinou sírovou
• Nanotechnologie
Získání nanočastic (karbonizace bambusu při 800°C –
uhlikové nanočastice). Uhlikové nanočastice se
přidavají do směsí s:
• bavlnou,
• polyesterem,
• polyamidem.
Použití – ponožky, přikryvky. Při aktivním použití
výrobků účinek nanočastic vyprchava po 6 mešicích.
Převážně pleteniny (nižší pevnost)
• Ochranné oděvy a výrobky (obvazy, masky,
chirurgické/sesterské oblečení);
• Bytové textilie:
• ručníky, povlečení;
• UV-odolné textilie (tapety, záclony);
• Hydrofobní textilie (textilie pro čalounění nábytku,
záclony);
• Oděvny (dětské a těhotenské (ochrana proti UV), oblečení
pro alergetiky (antibacteriální vlástnosti), plavky, župany,
spodní prádlo, košile);
•)
Země
Obchodní názvy celulózových vláken
Viskózová
SRN
Měďnatá
Acetátová
DANUFIL
DANUFLOR
Anglie
DURAFIL
DICEL
EVLAN
TENCEL
FIBRO
LINTRELLE
SARILLE
TRICEL
VISCOSTAT
Japonsko
USA
Itálie
Španělsko
TUFCEL
TENASCO
CUPRAMA
ENKA
CUPRO
SNIA
POLINOSICA