مقاله پلی استرلیف پلیمری خطی

دانلود مقاله پلی استرلیف پلیمری خطی

فصل اول

مواد اولیه

۱-۱- تاریخچه

پلی استرلیف پلیمری خطی مصنوعی بوده که در انگلستان توسط شیمیدان هایی بنام ژ.آر.وین فیلد و ژ.ت.دیکسون عضو جامعه کالیکو پرنیتر Calico Printer کشف و توسعه یافت . این اقدام در واقع توسط مستقیم کارهای دبلیو . اچ . کاروترز بروی
پلی استرها محسوب می گردد. در این رابطه کارخانه هایی برای تولید پلی استر تاسیس گشت . کمپانی دوپونت امریکا امتیاز این کارخانه ها را خریداری نمود و شماره ثبتی در امریکا یعنی ۲۴۶۵۳۱۹ را بخود اختصاص داد . پلیمرولیف ریسیده شده آن در کارخانه کینستون Kinston واقع در کارولینای شمالی در تاریخ مارس ۱۹۵۳ ساخته شد . نام تجارتی پلی استر در امریکا به داکرون موسوم گردید . لیف و نخ فیلامنت تولیدی در انگلیس تری لن نام داشت .تری لن و داکرون از نظر ساختار شیمیایی یکی هستند . این فرآورده از همان اوان تولید در بازار جذب گردید و هر روزه نیز به شهرتش افزوده گردید و امروزه در سرتاسر دنیا ، آن هم به اوزان نجومی تولید و به مصرف می رسد . این لیف با ساختار شیمیایی برابری توسط هوخست انگلستان( ترویرا) ، انکالون انگلیس ( ترلنکا ) وکیل روت واقع در ایرلند شمالی بنام (لیرل ) با ماهیت شیمیایی پلی ( اتیلن ترفتالات ) تولید می گردد . داکرون ساخت آمریکا و هم چنین فورترل تولیدی به وسیله Fibe industry نیز از شهرت کافی برخوردار است . [۱]

پلی اتیلن ترفتالات که به طور معمول PET نامیده می شود یکی از مهمترین پلیمرهای مهندسی است که برای تولید محصولات مختلفی از جمله الیاف نساجی ، نخ تایر ، بطری و ظروف ، فیلم های نواری صوتی و تصویری ، فیلمهای پزشکی اشعه ایکس ، فیلمهای بسته بندی ، اجزای مواد تزریقی و ورقه ها استفاده می شود .

۱-۲- ماهیت شیمیایی :

پلی استریک استرپلیمریک است. استری که در اثر ایجاد واکنش بین یک دی اسید و یک دی الکل بوجود می آید اسید مذکور ترفتالیک اسید و الکل مذکور اتیلن گلایکول
می باشد.

فرمول شیمیایی این دو ماده اصلی پلی استر بصورت زیر می باشد :

T.P.A   اسید ترفتالیک                 COOH-C₆H₄-COOH

EG اتیلن گلایکول                    OH-C₂H₄-OH

همان گونه که مشاهده خواهد شد الکل و اسید هر دو دارای دو ظرفیت بوده، اسید محتوی دو گروه اسید کربوکسیلیک –COOH و الکل نیز دارای دو گروه هیدروکسیل –OH می باشند .

در صورتیکه اسید و الکل، هر دو یک ظرفیتی بودند ، واکنش در همان مرحله مونومری متوقف می گردد یعنی:

 اتیل بنزوات دارای گروههای انتهایی فعال نبوده و نهایتاً واکنش از این مرحله فراتر نمی رود. حتی اگر یکی از ترکیبات فوق، مثلاً الکل دوظرفیتی بوده ولی دیگر جزء چنین حالتی را نداشته باشد، تنها یک استرمونومری ساده بوجود می آید یعنی :

 محصول ، یعنی دی مر هنوز محتوی گروههای فعال در هر دو سر انتهایی ملکولش بوده ، لذا پلیمریزاسیون می تواند تداوم یافته و یک پلیمر سنگین ، در حدود هشتاد هسته بنزنی بوجود آید و لیف های خوبی را تولید نماید . لیف آمریکایی ، داکرون از اسید تولید گشته و واکنش کامل را می توان بصورت زیر نوشت :

 در مورد تولید لیف تری لن بجای استفاده از ترفتالیک اسید از دی متیل استر ترفتالیت استفاده می گردد. احتمالاً استفاده از استربجای اسید بدلیل اساسی بودن درجه خلوص مواد فعل و انفعال کننده، ارجحیت داشته و اصولاً خالص سازی دی متیل ترفتالات در مقایسه با اسید ترفتالیک توسط تقطیر درجه حرارت های پائین ساده تر است ولی روشهای تولید اسید ترفتالیک خاص بنحو گسترده ای بهبود یافته و در حال حاضر از این اسید برای پلیمریزاسیون استفاده می کنند. [۳، ۱]

در سال قبل از دهه ۸۰ بدلیل عدم دسترسی به فن آوری تولید اسید ترفتالیک از دی متیل ترفتالات (DMT ) بعنوان ماده اصلی اولیه استفاده میشد . ولی اکنون از اسید ترفتالیک استفاده می شود و بدلیل از بین یردن بسیاری از فرآیند های جهت تولید DMT ، محصول T.P.A ارزانتر و ایده آلتر تهیه شده و راندمان کاری بالاتری را ارائه می نماید . در یک تحقیق بررسی شد که در صورت استفاده از اسید ترفتالیک ، ۱۷% کمتر از DMT ، مواد مصرف می شود . به عبارت دیگر برای تولید یک تن پلیمر ، ۸۶۵ کیلوگرم اسید ترفتالیک مورد نیاز است در صورتیکه ۱۰۳۰ کیلوگرم DMT مورد نیاز است . همچنین مصرف کاتالیزور نیز بسیار کمتر می باشد . از طرفی آلودگی جانبی حاصل از انجام واکنش ها کمتر است . [۴]

 ۱-۳- تولید مواد اولیه چیپس پلی استر

۱-۳-۱- اسید ترفتالیک

این اسید از پارا – زایلن فاقد هر گونه ایزومر اورتوومتا ساخته می شود . پارا زایلن از برش C₈ نفتا که توسط تقطیر از نفت خام جدا شده ، بدست می آید . زمانی
نمی توانستند آنرا از ایزومرهای اورتوومتا توسط تقطیر جدا سازند . دلیل آن نزدیک بودن نقطه جوش های سه ایزومربیک دیگر بوده است . در نهایت و با استفاده از کریستالیزاسیون این جداسازی صورت پذیرفت . پارازایلن در دمای  ۱۳ و متازایلن در دمای  ۴۸- و اورتوزایلن در دمای  ۲۵- منجمد می شوند .[۱]

در نهایت با اکسیداسیون پارازیلن در مجاورت اسید نیتریک (HNO₃ ) و در درجه حرارت  ۲۲۰  و فشاری در حدود ۳۰ اتمسفر و با بازده ۹۰-۸۰% تولید می گردد. انواع دیگری T.P.A در شرق آسیا و ژاپن مصرف می شود که اصطلاحاً H.T.A یا Q.T.A نام دارند . اما این محصولان دارای ناخالصی هستند . روش دیگری که احتمالاً در انگلستان بکار می رود ، اکسید کردن پارا-زایلن با هوا در ۲۰۰ در و در مجاورت تولوات کبالت بعنوان کاتالیزور بوده که ابتدا اسید تولوئیک تولید گشته آنگاه استری شده و تولوات میتل را تولید می کند که با تداوم اکسید اسیون ، مونومیتل ترفالات تولید می گردد . [۴و۱]

۱-۳-۲- اتیلن گلایکول الکل

برای تولید این الکل نفت را کراکینک کرده و از این طریق اتیلن را بدست می آورند . اتیلن در مجاورت کاتالیزور هوا اکسید اتیلن داده و تحت فرآیند هیدراتاسیون به اتیلن گلایکول تبدیل می گردد .

  اکثر کارخانه های تولید کننده چیپس در ایران ، مونومراتیلن گلایکول الکل را از کارخانه پتروشیمی اراک خریداری کرده و اسید ترفتالیک را خود تهیه می کنند.

۱-۳-۳- مواد دیگر دخیل در تولید چیپس پلی استر

الف – کاتالیزور :

کاتالیزور مورد مصرف چیپس پلی استر بیشتر نمک های عناصر منیزیم (mg ) ، منگنز (mn ) ، روی (zn ) و کلسیم (ca ) وآنتیموان (sb ) می باشد. اکثراً از استات  آنتیموان جهت کاتالیزور استفاده می گردد. فرمول این کاتالیزور بصورت زیر می باشد:

Sb(CH₃COO)₃  در صورت اضافه نمودن تری استات آنتیمون اسید استیک هم تولید می گردد .[۵]

هدف از استفاده کاتالیزور تسریع در پیشرفت واکنش بدون تاثیر در مواد واکنش می باشد .

در سالهای اخیر شرکت ICI اعلام کرده است به کاتالیزورهایی دست پیدا کرده است که موجب افزایش میزان تولید تا ۲۵% شده است .[۴]

ب – مواد کدر کننده پلیمر :

جهت کدر کردن رنگ چیپس های پلی استر از دی اکسید تیتانیوم Tio₂ استفاده می شود . نحوه استفاده از این ماده در کارخانه های مختلف متفاوت می باشد .

بسیاری از کارخانجات این پودر ها را در اتیلن گلایکول بصورت دیسپرس شده در می آورند و به دیگ تولید خمیر اضافه می کنند و بعضی دیگر به راکتورهای بعدی تولید اضافه می کنند. ( استریفیکاسیون II ).[5]

نکته بسیار مهم در مورد استفاده از دی اکسید تیتانیوم این است که باید حتماً قبل از مصرف این پودر از فیلتر یا الک گذشته تا دانه های درشت در خود نداشته باشد و بعد از سوسپانس شدن در اتیلن گلایکول هم از یک فیلتر عبور داده می شوند تا حتی الامکان محلولی بدون ناخالصی به پروسه تغذیه گردد.

۱-۴- تولید پلی استر از ضایعات

یکی از راههای تولید پلی استر استفاده از اضافاتی که از مراحل مختلف تولید الیاف و فیلامنت پلی استر حاصل می شود ، است . همچنین بطری هایی که پس از مصرف دور ریخته می شود یکی از منابع تولید دوباره پلی استر است . در یک کارخانه تولید الیاف مصنوعی بارندمان بهینه ، نیزان ضایعات حاصل از الیاف حدود ۳% است و بنابراین ضایعات پلی استری حاصل از الیاف در سال ۲۰۰۰ در حدود ۴۰۰۰۰ تن می باشد. میزان ضایعات بطریها هم ۲/۱ میلیون تن در سال است . پس کل ضایعات ۶/۱ میلیون تن در سال است . ویسکوزیته ذاتی[۱] الیاف ضایعاتی ۶۵/۰ – ۵۵/۰ و ضایعات بطری ۸/۰ – ۷/۰ است . بنابراین این دو نوع ماده ضایعاتی ساختار متفاوتی دارند . برای تولید الیاف پلی استر از ضایعات ، ضایعات بطری بیشتر مناسب است . می توان پلی استر ضایعاتی را بازیابی شیمیایی کرد یعنی به مواد اولیه مناسب تبدیل کرد . سه روش برای تجزیه شیمیایی پلی استر به اسید ترفتالیک وجود دارد :

۱-   هیدرولیز فشاری با آب

۲-   هیدرولیز اسیدی در حضور اسیدهای قوی غیر آلی

۳-   صابونی کردن با قلیا        [۷]

فصل دوم

تولید چیپس پلی استر

۲-۱- مراحل تولید چیپس پلی استر و عوامل کمکی

در این قسمت از مراحل تولید چیپس در کارخانه پلی استر یزد استفاده شده است .

مراحل تولید در سه راکتور صورت می پذیرد. نمای شماتیک مراحل تولید بصورت زیر می باشد :

 مرحله یک: در این مرحله یک دیگ تولید خمیر وجود دارد.(Paste  Preparation)

در این دیگ ، دومونومر ( اتیلن گلایکول – اسید ترفتالیک ) بهمراه کاتالیزور و کدر کننده در دمایی نزدیک به ۴۰ توسط یک همزن مخلوط شده و با توجه به زمان مانده (۵/۴ دقیقه ) ایده آل ترین ماده قابل تغذیه به راکتور اول یعنی راکتور استریفیکاسیون انتقال می یابد .

لازم به ذکر است اسید ترفتالیک بصورت پودر و اتیلن گلایکول بصورت مایع تولید و مصرف می شوند . همزن با تعداد دور معینی که می زند خمیر را به غلظت مناسب می رساند . نسبت های تغذیه هم مشخص شده است . این مرحله بدون فشار صورت می پذیرد . خمیر تولید شده در این مرحله در لوله هایی به صورت استریفیکاسیون انتقال می یابد .

مرحله دو : در این راکتور که دو مرحله است الکل با اسید واکنش داده و استر و آب تشکیل می گردد .

 محصول استریفیکاسیون دی اتیلن گلایکول ترفتالات است .

یک راکتور استریفیکاسیون شامل دو مرحله می باشد :

۱-   مرحله اول با دمای کمتر و فشار بیشتر

۲-   مرحله دوم با دمای بیشتر و فشار کمتر

 مونومر از استریفیکاسیون مرحله یک به استریفیکاسیون مرحله دو انتقال می یابد .

آب تولیدی و اتیلن گلایکول اضافی توسط واحد تقطیر (Process  Column ) بخار و از راکتور خارج می گردد. این واحد در صفحات بعدی توضیح داده می شود .

طبق استاندارد ۹۰% استری شدن در مرحله اول و تا ۹۶% استری شدن در مرحله دوم اتفاق می افتد .

در بعضی از کارخانجات هر کدام از این مراحل در یک راکتور مجزا صورت می گیرند

استریفیکاسیون کامل ۱۰۰% در این مرحله لازم نیست . اولاً چون که در راکتور بعدی استریفیکاسیون کامل می گردد ثانیاً در صورت کامل شدن استریفیکاسیون در همان دو مرحله آب تولیدی زیاد خواهد شد . ثالثاً صرف هزینه هدف نیست و نخواهد بود.

مرحله سوم : مونومر DGT از استریفیکاسیون به مرحله پیش پلیمریزاسیون (PP)
می آید. فشار این راکتور تحت خلاء و در حدود ۳۵-۳۰ میلی بار و دمای این راکتور
۲۷۵-۲۶۵ می باشد. استری شدن مونومر در این مرحله به بالای ۹۹% می رسد . طول زنجیره پلیمری افزایش می یابد .

از دیگر واکنش های صورت گرفته در حالت بخار استریفیکاسیون و پیش پلیمریزاسیون تولید استالدئید می باشد . واکنش بصورت زیر است :

مرحله چهارم : پلیمریزاسیون نهایی در این راکتور انجام می شود . دما به حداکثر خود یعنی ۲۸۰ و فشار به حداقل خود یعنی ۲-۱ میلی بار می رسد . چنین فشاری توسط سیستم ایجاد خلاء تأمین می گردد . بطور کلی محصول استریفیکاسیون وقتی به مرحله پلیمریزاسیون (اعم از پیش پلیمریزاسیون و پلیمریزاسیون نهایی) می رود . طبق فرمول زیر واکنش صورت می گیرد :

 DGT دی اتیلن گلایکول ترفتالات = C

پلیمر پلی استر =B

اتیلن گلایکول اضافی : A

در راکتورنهایی(فینیشر) همزن وجود دارد (در کارخانه پلی استر یزد دو همزن و در مجتمع پتروشیمی ماهشهر یک همزن)

رسیدن به غلظت کافی توسط همین همزنها تأمین می گردد. سطح مواد پلیمری در هر راکتور جداگانه کنترل می گردد. ولی در فینشر سطح مواد پلیمری، دما، فشار و زمان ماند اهمیت بسزایی دارد.

ویسکوزیته تقریباً تا قبل از فینیشر ثابت است ولی در این راکتور بصورت لگاریتمی بالا می رود . اصولاً قبل و بعد از این راکتوریک فیلتر قوی وجود دارد که جدا کننده ناخالصی ها و ژلهای موجود در پلیمر است . یک ویسکومتر در زیر راکتور نهایی جهت کنترل ویسکوزیته نصب گردیده است که به صورت Online اطلاعات را در اختیار اتاق کنترل می گذارد. [۵]

همزنها دارای یک میله مرکزی بوده که این شفت کار همزدن جریان پلیمری را بر عهده دارد ویسکوزیته پلیمر در بعد از این مرحله ویسکوزیته نهایی پلیمر خواهد بود . میزان فشار اعمالی روی این راکتور عامل بسیار مهمی در کنترل وبسکوزیته می باشد . پارامتر های موثر در کنترل ویسکوزیته بصورت زیر است :

۱-   فشار

۲-   دما

۳-   زمان ماند

۴-   دور همزن

۵-   میزان تغذیه پلیمر از دریچه تغذیه فینیشر

میزان فشار در فینیشر از طریق پمپ مکنده گلایکول موجود در راکتور فینیشر تولید می گردد. این مکنده بخارات گلایکول را از درون راکتور میکده و آنرا به ستون تقطیر جهت بازیابی گلایکول انتقال می دهد .

فهرست

فصل اول.. ۱

مواد اولیه. ۱

۱-۱- تاریخچه. ۱

۱-۲- ماهیت شیمیایی : ۳

۱-۳- تولید مواد اولیه چیپس پلی استر. ۷

۱-۳-۱- اسید ترفتالیک… ۷

۱-۳-۲- اتیلن گلایکول الکل.. ۸

۱-۳-۳- مواد دیگر دخیل در تولید چیپس پلی استر. ۸

الف – کاتالیزور : ۸

ب – مواد کدر کننده پلیمر : ۹

۱-۴- تولید پلی استر از ضایعات.. ۱۰

فصل دوم. ۱۱

تولید چیپس پلی استر. ۱۱

۲-۱- مراحل تولید چیپس پلی استر و عوامل کمکی.. ۱۱

مرحله نهایی تولید چیپس (Pelletizing ). 16

۲-۲- واحد های کمکی دیگر جهت تولید. ۱۷

۲-۲-۱-  واحد ایجار خلاء : ۱۷

۲-۲-۲- واحد ایجاد حرارت : ۱۸

۲-۲-۳- واحد تصفیه آب : ۱۸

۲-۲-۴- واحد تولید هوای فشرده ابزار دقیق و Plant air 18

۲-۲-۵- واحد اولید نیتروژن.. ۱۹

۲-۲-۶- واحد آماده سازی کاتالیزور. ۱۹

۲-۲-۷- واحد تصفیه پساب.. ۱۹

۲-۲-۸- واحد آماده سازی.. ۱۹

۲-۲-۱۰- واحد تقطیر Process Column. 19

۲-۳-قسمت های دیگر جهت تولید. ۲۰

۲-۳-۱- آزمایشگاه : ۲۰

۲-۳-۲- برق و ابزار دقیق.. ۲۰

۲-۳-۳- ماشینری : ۲۰

۲-۴- مشخصات عمومی چیپس ها ۲۰

فصل سوم. ۲۴

تولید فیلامنت.. ۲۴

۳-۱- مراحل تولید فیلامنت و عوامل موثر بر آن : ۲۴

۳-۲- عملیات کشش : ۲۶

۳-۳- نیروهای اعمالی به رشته های نوریس در‌هر نقطه از خط ریسندگی: ۲۸

۳-۴- عوامل موثر بر شرایط ریسندگی.. ۳۰

۳-۴-۱- پروفایل دما : ۳۰

۳-۴-۲- وزن ملکولی.. ۳۰

۳-۴-۳- میزان پلیمر خروجی.. ۳۱

۳-۵- مشخصات الیاف پلی استر. ۳۲

۳-۵-۱- استحکام و تطویل ۳۲

۳-۵-۲- جذب رطوبت.. ۳۳

۳-۵-۳- الاستیسیته. ۳۴

۳-۵-۴- مدول کشیدن.. ۳۴

۳-۵-۵- ظاهر میکروسکوپی.. ۳۴

۳-۵-۶- دانسیته. ۳۵

۳-۵-۷- مقاومت شیمیایی.. ۳۵

۳-۵-۸- محلولیت.. ۳۷

۳-۵-۹- عمل متورم کننده. ۳۷

۳-۵-۱۰- نقطه ذوب.. ۳۷

۳-۵-۱۱- درجه اطوکردن.. ۳۷

۳-۵-۱۲- خواص الکتریکی.. ۳۸

۳-۵-۱۳- مقاومت بیولوژیکی.. ۳۸

۳-۵-۱۴- مقاومت در برابر نور. ۳۸

۳-۵-۱۵- تشعشع هسته ای.. ۳۹

۳-۵-۱۶- آب رفتگی.. ۳۹

۳-۵-۱۷- قابلیت اشتعال : ۳۹

۳-۵-۱۸- تثبیت کردن حرارتی.. ۴۰

۳-۵-۱۹- سفید گری ۴۱

۳-۵-۲۰- رنگرزی پلی استر. ۴۱

۳-۵-۲۰-۱- انتخاب مواد رنگی.. ۴۲

۳-۵-۲۰-۲- رنگرزی یا استفاده از درجه حرارت زیاد. ۴۲

۳-۵-۲۰-۳- رنگرزی با استفاده از متورم کننده ها ۴۳

۳-۵-۲۰-۴- روش ترموزول.. ۴۴

۳-۵-۲۰-۵- ثبات رنگرزی : ۴۵

۳-۶- تست سوختن پلی استر. ۴۵

۳-۷- اصلاح پلی استر. ۴۶

۳-۸- ترفتالات های محلول.. ۴۶

۳-۹- کاربرد الیاف پلی استر. ۴۷

فصل چهارم. ۴۹

وزن ملکولی.. ۴۹

۴-۱- تعریف وزن ملکولی.. ۴۹

۴-۱-۱- میانگین عدد وزن ملکولی: ۵۰

۴-۱-۲- میانگین وزنی وزن ملکولی : ۵۰

۴-۲- روشهای سنجش وزن ملکولی.. ۵۱

۴-۳- ویسکوزیته ( گرانروی ). ۵۳

۴-۳-۱- ویسکوزیته مطلق.. ۵۴

۴-۳-۲- ویسکوزیته نسبی.. ۵۴

۴-۳-۳- ویسکوزیته ویژه : ۵۴

۴-۳-۴- ویسکوزیته اصلی : ۵۵

۴-۳-۵- ویسکوزیته ذاتی : ۵۵

۴-۴- پارامتر های متأثر از وزن ملکولی.. ۵۶

۴-۵- تأثیرات وزن ملکولی بر شرایط ریسندگی.. ۶۰

۴-۵-۱-تأثیر وزن ملکولی بر تنش ریسندگی.. ۶۰

۴-۵-۲- تاثیر ملکولی و توزیع آن بر قطر و نقطه تبلور در فیلامنت در خط ریسندگی.. ۶۲

۴-۵-۳- تاثیر وزن ملکولی و توزیع آن بر تغییرات ضریب شکست مضاعف همزمان فیلامنت در خط ریسندگی : ۶۴

۴-۵-۴- تاثیر ملکولی و توزیع آن بر تبلور و ساختار بلوری.. ۶۶

۴-۵-۵- تأثیر وزن ملکولی و توزیع آن بر چگالی فیلامنت.. ۶۶

۴-۵-۶- تأثیر وزن ملکولی و توزیع آن بر خواص مکانیکی.. ۶۷

۴-۶- رابطه وزن ملکولی و ضریب شکست در سرعت های مختلف تولید : ۶۹

۴-۷- رابطه بین وزن ملکولی و ازدیاد طول تا حد پارگی در سرعت های مختلف تولید : ۷۰

۴-۸- رابطه بین وزن ملکولی و استحکام در سرعت های مختلف تولید : ۷۲

۴-۹- رابطه بین وزن ملکولی و کریستالیته در سرعت های مختلف تولید. ۷۳

۴-۱۰- تاثیرات متقابل بین ضریب شکست مضاعف روی استحکام در وزن های ملکولی مختلف.. ۷۴

۴-۱۱- تاثیر متقابل ضریب شکست و کریستالیته : ۷۵