Liceul Pedagogic Tulcea Nr.crt.21
REFERAT CHIMIE Fibre artificiale
Saraev Sabina-Alexandra Clasa a X-a C Profil Stiinte ale naturii
An scolar 2009-2010 Fibre artificiale
1
• •
Fibrele artificiale obtinute prin modificarea polimerilor naturali sunt : viscoza, acetat, triacetat, matase cuproamoniacala. Pentru elasticitate se adauga fibre elastomere (lycra etc.), care au o mare capacitate de alungire (se pot lungi de cinci-sase ori sub actiunea unei forte de intindere) si de revenire rapida la lungimea initiala Fibrele artificiale se impart in doua mari categorii : Fibre artificiale din celuloza regenerata ; Fibre artificiale din celuloza modificata chimic . Fibre artificiale din celuloza regenerata Fibrele artificiale sunt supranumite si fibre chimice, au devenit astfel alaturi de fibrele naturale, o baza importanta de materii prime textile. Daca pâna la începutul acestui secol necesitatile de îmbracaminte erau satisfacute în totalitate de produsele naturale, la sfârsitul secolului 70% din aceste necesitati vor fi satisfacute de fibrele chimice. Cel mai important produs de acest tip este vascoza. Alt tip de fibra artificiala este matasea cuproxam. Vascoza : Vascoza se mai numeste si reion sau matase artificiala. Aceasta este constituita din macromoleculele de celuloza aproape pura cu un grad de polimerizare mai mic decat al celulozei din bumbac si cu o rezistenta mecanica mai scazuta. Fibrele de vascoza sunt mai hidrofile decat cele din bumbac. Matasea cuproxam : Comportarea acestei fibre artificiale este asemanatoare cu cea a vascozei. Fibre artificiale din celuloza modificata chimic Cea mai importanta fibra de acetat de celuloza este matase acetat. Matasea acetat : Matasea acetat este o fibra obtinuta din celuloza, iar tehnic este denumita acetat de celuloza. Acetatul arde usor, cu o flacara licaritoare, care nu poate fi stinsa cu usurinta. Celuloza care arde face picaturi si lasa o cenusa grea, densa. Mirosul este similar cu cel al talasului ars. Aceasta se foloseste la fabricarea unor materiale plastice. Procedeul acetat realizeaza matasea acetat, folosind acetatul de celuloza. Solutia acestuia in acetona este supusa filarii la cald (uscata). Solventul se evapora si este recuperat, iar firul de acetat de celuloza coaguleaza si se intareste. Tesaturile de matase acetat sunt mai rezistente dar mai putin higroscopice decat cele din matase vascoza. La noi in tara fibrele artificiale se fabrica prin procedeul vascoza la Braila, Lupeni si Popesti-Leordeni.
2
În general, se utilizează ca materiale de bază pentru fabricarea firelor artificiale polimerii organici extraşi din materiale naturale brute prin procedee care pot implica o modificare chimică. Principalele fibre artificiale sunt următoarele: A) Fibrele celulozice şi, în special: 1) Mătasea artificială viscoză, care este fabricată prin tratarea celulozei (în general sub forma de pastă de lemn cu bisulfit) cu sodă caustică, apoi prin sulfurarea alcali-celulozei astfel obţinute cu ajutorul sulfurii de carbon, ceea ce are drept efect transformarea în xantat (xantogenat) de celuloză; acest ultim produs, prin dizolvarea într-o soluţie de sodă caustică, se transformă în viscoză; viscoza după epurare, maturare şi trecere prin filiere, este coagulată în baia de acid sub formă de filament de celuloză regenerată. Mătasea artificială viscoză cuprinde, de asemenea, fibrele modale care sunt fabricate din celuloza regenerată printr-un procedeu de viscoză modificată. 2) Mătasea artificială cupro-amoniacală (cupro) obţinută prin dizolvarea celulozei (în general sub formă de linters sau de pastă chimică de lemn) într-un lichid cupro-amoniacal; soluţia vâscoasă astfel produsă este trecută prin filieră într-o baie care elimină solventul; filamentele obţinute sunt în principal formate din celuloză precipitată. 3) Acetatul de celuloză (inclusiv triacetatul), fibre obţinute din celuloză regenerată în care minimum 74 % din grupele hidroxil sunt acetil. Ele sunt obţinute prin acetilarea celulozei (prezentată sub formă de linters sau pastă chimică de lemn), care se realizează, în general, prin tratarea celulozei cu un amestec de anhidridă acetică, acid acetic şi acid sulfuric; acetatul de celuloză după ce a fost solubilizat, este tratat cu ajutorul unui solvent volatil, cum este acetona, apoi este trecut prin filieră, de obicei în stare uscată, obţinându-se filamente în acelaşi timp cu evaporarea solventului. B) Fibrele proteice sau proteidice, de origine animală sau vegetală, dintre care: 1) Fibrele obţinute din cazeina laptelui; cazeina este dizolvată într-un alcal (în general, sodă caustică); după maturare, soluţia este trecută prin filieră într-o baie de acid coagulant; fibrele obţinute sunt apoi întărite prin tratarea cu formaldehidă, cu săruri de crom, cu taninuri sau cu ajutorul altor produse chimice. 2) Din alte fibre fabricate prin procedee analoge, precum cele obţinute din materii proteice cuprinse, de exemplu în arahide, soia sau porumb (zeina fiind proteina extrasă din boabele de porumb) etc. C)
Fibrele alginice care sunt obţinute prin transformarea anumitor alge sub acţiunea produselor chimice, într-o soluţie vâscoasă, în general, de alginat de sodiu; această soluţie este trecută prin filieră într-o baie; în general, se obţin astfel fibre de alginaţi metalici. Acestea includ: 1) Fibre de alginat dublu de calciu şi de crom; acestea nu sunt inflamabile. 2) Fibre de alginat de calciu; ele prezintă particularitatea de a se dizolva cu uşurinţă într-o soluţie diluată de săpun alcalin; deci, ele nu pot servi aceloraşi utilizări ca 3
materialele textile obişnuite; ele sunt cel mai des utilizate în fabricarea anumitor ţesături sau articole textile, ca fire care se vor dizolva după obţinerea articolului. Una dintre necesităţile vitale ale fiinţei umane din toate timpurile a fost ca, pe lângă asigurarea hranei, să-şi procure şi materialele necesare confecţionării îmbrăcămintei. În acest scop, ca şi în alte cazuri, omul s-a adresat naturii. Prin încercări, timp de mii şi mii de ani, el a reuşit să identifice diferite materiale adecvate acestui ţel şi să elaboreze tehnologiile necesesare prelucrării lor. Astfel au intrat în circuitul economic o serie de produse naturale ca blănurile, lâna, inul, cânepa, bumbacul, etc. care din timpul faraonilor şi până la începutul acestui veac au asigurat în proporţie de sută la sută necesităţile de îmbrăcăminte ale umanităţii. În toată această perioadă, progresele s-au referit la elaborarea unor tehnologii perfecţionate de prelucrare care au permis ca din aceste materii prime naturale să se obţină cantităţi tot mai mari de îmbrăcăminte cu calităţi din ce în ce mai bune, precum şi alte articole de decoraţii interioare, funii, odgoane, etc. Un eveniment important în această perioadă l-a constituit introducerea în Europa a mătasei din China, fapt care a generat ideea de a se încerca imitarea ei pe cale artificială, idee ce a fost realizată industrial la sfârşitul secolului al XIX-lea de către Hilaire de Chardonet. Acesta a patentat în 1885 procedeul de producere a mătăsii ce-i poartă numele, prin filtrarea nitrocelulozei urmată de denitrare. Fibrele artificiale şi sintetice, reunite sub numele generic de fibre chimice, au devenit astfel alături de fibrele naturale, o bază importantă de materii prime textile. Dacă până la începutul acestui secol necesităţile de îmbrăcăminte erau satisfăcute în totalitate de produsele naturale, la sfârşitul secolului 70% din aceste necesităţi vor fi satisfăcute de fibrele chimice. Cele mai cunoscute fibre preparate prin policondensare sunt fibrele poliamidice, fibrele poliesterice şi fibrele poliuretanice. Dintre fibrele poliamidice cele mai utilizate sunt Nylonul 6,6 şi Nylonul 6. Nylonul 6,6 se numeşte aşa deoarece materiile prime – acidul adipic şi hexametilen-diamina – au fixaţi câte 6 atomi de carbon. Reacţia care stă la baza preparării sale este : n NH2 – (CH2) 6 - NH2 + n HOOC – (CH2)4 - COOH hexametilen-diamină acid adipic H[NH – (CH2)6 – NHCO – (CH2)4 – CO]n OH + (2n - 1)H2O Nylon 6,6 Se poate observa uşor că pentru această policondensare materialele trebuie să fie prezentateîn calităţi stoechiometrice. Fibra cunoscută sub numele de Nzion 6 are la bază polimerizarea caprolactamei: CH2 - CH2 - CH2 - CH2 - CH2 CO
NH
care reacţionează în prezenţa unui adaos catalitic de apă. Se vede că în acest caz grupa acidă şi aminică nu se mai află la doi componenţi diferiţi, ci în unul singur.
4
Fibrele poliesterice au la bază tot reacţia de policondensare, dar între un diacid(sau diester) şi un diol. Reacţia decurge în două etape: esterificarea(sau transesterificarea) şi policondensarea. Fibra poliesterică produsă în cea mai mare cantitate este polietilentereftalatul. Reacţia are loc prin agitare în vid, iar ambele sale etape necesită catalizatori. Polimerul este filat din topitură ca şi poliamidele. În general, schema de obţinere a unei fibre sintetice este: prepararea polimerului filare etirare încreţire fixare. După metoda de preparare a polimerului se cunosc: Fibre preparate prin policondensare; Fibre preparate prin polimerizare radicală; Fibre preparate prin polimerizare ionică; Fibre preparate prin alte procedee. Cele mai cunoscute fibre preparate prin policondensare sunt fibrele poliamidice, fibrele poliesterice şi fibrele poliuretanice. Dintre fibrele poliamidice cele mai utilizate sunt Nylonul 6,6 şi Nylonul 6. Nylonul 6,6 se numeşte aşa deoarece materiile prime – acidul adipic şi hexametilen-diamina – au fixaţi câte 6 atomi de carbon. Reacţia care stă la baza preparării sale este : • • • •
n NH2 – (CH2) 6 - NH2 + n HOOC – (CH2)4 - COOH hexametilen-diamină acid adipic H[NH – (CH2)6 – NHCO – (CH2)4 – CO]n OH + (2n - 1)H2O Nylon 6,6 Se poate observa uşor că pentru această policondensare materialele trebuie să fie prezentateîn calităţi stoechiometrice. Fibra cunoscută sub numele de Nzion 6 are la bază polimerizarea caprolactamei: CH2 - CH2 - CH2 - CH2 - CH2 CO
NH
care reacţionează în prezenţa unui adaos catalitic de apă. Se vede că în acest caz grupa acidă şi aminică nu se mai află la doi componenţi diferiţi, ci în unul singur. Fibrele poliesterice au la bază tot reacţia de policondensare, dar între un diacid(sau diester) şi un diol. Reacţia decurge în două etape: esterificarea(sau transesterificarea) şi policondensarea. Fibra poliesterică produsă în cea mai mare cantitate este polietilentereftalatul. Reacţia are loc prin agitare în vid, iar ambele sale etape necesită catalizatori. Polimerul este filat din topitură ca şi poliamidele. Poliuretanii au la bază reacţia dintre un compus cu grupe OH şi un diizocianat n HO – R – OH + n OCN
’ [O - R –OCCNHR NH – CO]n
unde, de exemplu, R = (CH2)4,sau un polietilenglicol, poliester etc., iar R’ = = (CH2)6 sau alt radical organic. Fibra se obţine prin filtrare din topitură. Dintre fibrele preparate prin polimerizare radicală două au o importanţă deosebită: fibrele acrilice şi fibrele polivinilalcoolice. 5
Fibrele acrilice se obţin prin polimerizarea acrilonitrilului: nCH2 = CH – CN
CH2 – CH CH n
De fapt, fibrele acrilice au la bază copolimeri ai acrilonitrilului cu acetat de vinil, metil metacrilat etc. Copolimerul este dizolvat într-un solvent potrivit (ca dimetilformamida, dimetil sulfoxid, carbonat de etilenă, soluţii de tiocianat) şi se filează prin filare umedă sau uscată. Fibrele polivinilalcoolice se obţin prin polimerizarea acetatului de vinil urmată de hidroliza polimerului cu sodă caustică de alcool metili. CH2 - CH nNCH3COO – CH=CH2
OCOCH3 n
CH2 – CH -
CH2 - CH + n NaOH
+ n CH3 - COONa
OCOCH3
OH n
Polimerul se dizolvă în apă fierbinte şi se filează într-o baie de sulfat de sodiu. Urmează tratarea cu formaldehidă, pentru a esterifica o parte din grupele OH. Astfel se conferă polimerului rezistenţă la apă. Fibrele obişnuite prin polimerizare sau copolimerizarea clorurii de vinil (CH2=CHCl) au o importanţă mai mică datorită temperaturii joase de topire. Polimerizarea ionică este utilizată la obţinerea fibrelor de polipropilenă şi polietilenă. Fibrele de polipropilena au avut o dezvoltare dinamică în ultimi ani, datorită rezistenţei ia agenţii chimici, precum şi datorită greutăţii specifice foarte mici. Pentru a putea fi utilizată pentru fibre, polipropilena trebuie să fie izotactică, adică să aibă o structură stereoregulată de tipul: CH3 CH3 CH3 -CH- CH2- CH- CH2- CH- CH2 (grupele metil fiind de o singură parte a catenei) O asemenea structură se obţine doar prin polimerizarea ionică. Unul dintre sistemele catalitice utilizate este Ziegler-Natta, adică TiCl 3 + Al(C2H5)3. Filarea se face din topitură. Fibrele artificiale au unele proprietăţi superioare celor naturale printre care: rezistenţă mecanică foarte bună, rezistenţă chimică excelentă, rezistenţă la molii şi la putrezire. Fibrelor sintetice li se pot conferi proprietăţi pe care nu le au cele naturale: neinflamabilitate, rezistenţă la temperaturi mari etc. Există însă şi proprietăţi
6
nesatisfăcătoare: absorbţie de umiditate scăzută, încărcare electrostatică mare, efecte de scămoşare(pilling), colorabilitate mai dificilă. În ultima perioadă de timp, foarte utilizată este şi cofilarea. Fibrele cofilate au doua structuri: „coajă-miez” şi „una lângă alta”(„side by side”). Fibrele coajă-miez au un miez dintr-un polimer care conferă fibrei rezistenţă, elasticitate etc., şi o coajă din alt polimer pentru scăderea încărcării statice, creşterea luciului, reducerea pillingului etc. Structura „side by side” poate, de exemplu, să confere o încreţire mare fibrei dacă cei doi polimeri au contracţii diferite. Deşi aproape jumătate din ţesăturile din lână rezistente al spălare produse azi în lume sunt obţinute prin procedeul oxidativ, acesta are tendinţa de a fi înlocuit rapid de către tratarea cu polimeri, care are avantajul de a elimina complet degradarea fibrei. Aplicarea polimerilor se face prin două metode. Una prevede pulverizarea unui strat subţire de masă plastică pe fiecare fibră pentru a-i masca solzii şi a permite mişcarea liberă, înainte şi înapoi, a fibrelor de lână. Astfel, la spălare, acestea pot reveni în poziţia iniţială, prevenind împâslirea ţesăturii. Pentru a face posibil acest lucru, dat fiind că lâna este hidrofobă, având o energie de suprafaţă de 30 dyni/cm, fibra este supusă mai întâi clorurării blânde. După neutralizarea cu bisulfit de sodiu se aplică polimerul care încapsulează fibra. Deşi procedeul este laborios, el poate fi efectuat pe maşini specializate, de mare productivitate. Cel de-la doilea procedeu de tratare cu polimeri are un principiu diametral opus primului. El prevede fixarea fibrelor în ţesătură, cu ajutorul unor punţi microscopice de masă plastică, unele de altele, pentru a le împiedica să se deplaseze şi să se încâlcească. Astfel deşi nu se modifică structura solzoasă a fibrelor, aceste sunt împiedicate să se mişte una în raport cu cealaltă. Avantajele sunt multiple: procedeu nu necesită tratarea prealabilă a fibrei, structura şi calităţile aceste fiind păstrate intacte, iar tratarea se aplică ţesăturii sau chiar confecţiilor finite, prin simpla înmuiere într-o soluţie sau emulsie de polimeri. Până în prezent au fost testate mai multe tipuri de polimeri pentru această operaţie. Cei mai indicaţi sunt cei care conţin grupări ce permit formarea de legături chimice între lanţurile moleculare, constituind, după aplicare, punţi de răşină insolubilă, dar moale şi elastică, fapt ce elimină pericolul ca stofa să devină rigidă. Conform statisticilor, anual, în lume, 3000-5000 de persoane mor de pe urma arsurilor provocate de aprinderea testilelor inflamabile pe care le poartă. Alte 150000250000 se aleg cu arsuri mai mult sau mai puţin grave. Iată de ce în ultima vreme există tendinţa de a se restrânge folosirea ţesăturilor inflamabile la fabricarea confecţiilor pentru copii, a carpetelor, saltelelor, a tapiţeriilor din interiorul automobilelor etc., introducânduse în folosinţă textilele cu o rezistenţă sporită la aprindere. Astăzi, în întreaga lume, aproximativ 4-5 milioane kilograme de lână sunt tratate anual pentru a fi ignifiate. Lâna tratată poate fi spălată sau curăţată prin procedeul uscat, fără a-şi pierde rezistenţa la flacără, şi depăşeşte chiar cele mai exigente standare referitoare la rezistenţa textilelor la solicitările termice. Parul de la animale (lâna, parul din blana animalelor) sunt fibre proteice. Acestea ard mai greu decât matasea. Aceste fibre sunt constituite din catene macromoleculare cu structura de proteine. Cele mai importante fibre din aceasta grupa sunt : cele din matase naturala şi lâna.
7
Triacetat de celuloza Procedeul de obţinere a fibrelor de triacetat de celuloză, pornind de la materiale recuperabile pe bază de triacetat de celuloză, este utilizat în industria textilă şi pentru alte scopuri tehnice. Fibrele de triacetat de celuloză pot fi obţinute, conform invenţiei, prin dizolvarea materialelor recuperabile prelucrate şi/sau neprelucrate în N-metilpirolidonă, urmată de operaţii de pregătire a soluţiei şi de coagulare într-un amestec solventnesolvent, după care se face o etirare umedă şi apoi, fie se face o nouă etirare umedă, încreţire, tăiere, spălare şi uscare, fie se face spălare, uscare, etirare uscată, încreţire şi tăiere, fie se prelucrează pe un cilindru pe care are loc spălarea, avivarea şi uscarea. Se asigură menţinerea caracteristicilor tehnice ale polimerilor şi, în final, o fibră corespunzătoare utilizărilor.
Celuloza modificata
Acetat de celuloză, amestec de esteri ai celulozei, obţinut prin acţiunea anhidridei acetice
şi a acidului acetic asupra celulozei şi ptin hidroliza acidă a produsului. Se foloseşte la fabricarea de materiale plastice, filme, foi pentru ambalaje, geamuri incasabile, lacuri, fibre artificiale (mătasea acetat).
Această substanţă pe bază de celuloză modificată cu polietilenimină este utilizată în aplicaţii speciale în cromatografia de schimb ionic. Celuloza PEI are rolul unui schimbător de anioni puternic bazic. Din acest motiv, aceasta este utilizată pentru analiza substanţelor cu grupări active, cum ar fi aminoacizii, peptidele, nucleotidele şi nucleosidele. Păstraţi plăcile din celuloză PEI la 0-4 ˚C pentru a reduce deteriorarea acestora. Când îmbătrânesc, plăcile pot deveni brune; dacă se întâmplă acest lucru, eliminaţi-le. Celuloza modificata chimic si celuloza din materiale naturale constituie un tip de sorbent eficient in retinerea moleculelor voluminoase de coloranti. Legaturile fizice si chimice prin care se realizeaza sorbtia colorantilor pe acest tip de sorbent sunt puternice, materialul nou obtinut prezentand stabilitate ridicata la desorbtia cu diversi solventi organici si anorganici ai colorantului. Acest lucru a implicat utilizarea materialelor celulozice modificate cu coloranti ca adsorbenti de afinitate cu aplicatii in crematografia de bioafinitate (analiza amestecurilor de proteine si enzime) sau pentru retinerea prin complexare a ionilor metalelor grele din apele uzate. Retinerea ionilor metalici pe sorbenti celulozici modificati cu coloranti este posibila doar in cazul colorantilor care contin in molecula unitati structurale susceptibile de a forma complecsi cu ionii metalelor tranzitionale.Corespund acestei cerinte colorantii care contin grupe functionale hidroxil, carboxil, aminice, in pozitii o,o’ fata de cropoforul azo
8
sau coloranti cu grupe o,o’ sau peri-hidroxilice, hidroxilice si animice, hidroxilice si carboxilice. Colorantii reactivi monoclortriazinici bifunctionali (Ex: Rosu Briliant HE-3B figura 1a) intrunesc conditiile structurale de liganzi pentru complecsii metalici (fig. 1b). Complexarea ionilor metalici depinde de natura colorantului folosit, temperatura, pH-ul sulutiei si de natura . Partea experimentala
S-a studiat ca sorbent celuloza aminoetil (AE) impregnata cu colorant reactiv Rosu Briliant HE-3B, iar ca ioni metalici poluanti: Cu(2+), Hg(2+), Pb(2+) si Ni(2+). Modificarea celulozei cu colorant s-a realizat prin sorbtie statica la temperatura de 25ºC, pH neutru si timp de contact solutie – celuloza AE de 36h (5g celuloza s-au echilibrat cu 200 mL solutie colorant 0.1g/L). Cationii s-au aflat in solutie apoasa (1200 mg cation / L solutie), sub forma de saruri: Cu(NO3)2 . 3H2O ; Pb(NO3)2 ; HgCl2 si NiSO4 . 7H2O. Un gram de sorbent a fost supuis agitarii timp de doua ore cu solutia sarii. Raportul material – solutie a fost mentinut la 1:50. Dupa atingerea echilibrului substratul este filtrat iar filtratul este supus analizei cantitative. Rezultate si discutii
Datele obtinute (exprimate in mg/g sau procent retinut R%) sunt prezentate in tabelul 1. Determinarea cantitative a ionilor metalici absorbiti s-a efectuat diferentiat: - Cu(2+) prin titrarea iodomerica si absorbtie atomica. - Hg(2+) prin titrare complexonometrica in prezenta de xileronorange dupa precipitarea ionilor Cl(-) cu solutie de AgNO3. - Pb(2+) prin absorbtie atomica si titrare complexonometrica in prezenta de complexonometrica in prezenta de xileronorange, la pH=5-6.
9
Desorbtia cationului metalic se face cu solutie de acid (1M) care are anionul comun cu sarea. Suportul astfel generat se poate utiliza pentru o noua absorbtie. Repetarea ciclurilor sorbtie – absorbtie se poate continua pana la aparitia primelor pierderi de colorant din sorbent, ca urmare a distrugerii legaturii dintre colorant si suport (fig. 2). In acest moment sorbentul se scoate din circuit si se colecteaza in vederea studierii daca poate fi utilizat ca material de combustie.] Concluzii 1. Datele obtinute pe celuloze sintetice sunt piste de plecare in utilizarea materialelor celulozice naturale, sorbenti ecologici ( miez de dovleac 45% celuloza cu R % Cu(2+) = 69,65 la pH=5.5). 2. Retinerea ionilor metalici cu ajutorul sorbentilor celulozici modificati cu coloranti asigura posibilitatea depoluarii apei si a mentinerii echilibrului ecologic al biotopurilor vegetale si animale. II) Eliminarea colorantilor reactivi din apele reziduale folosind schimbatoare de ioni
rasini
Deoarece colorantii prezinta toxicitate de lunga durata si incomplet cunoscuta, este necesara purificarea avansata a apelor reziduale provenite din industria textila si de la fabricile de coloranti. Problema decontaminarii mediului a fost rezolvata cu ajutorul metodelor cunoscute: schimb ionic, sorbtie pe diferite materiale (celuloza neconventilonala, polimeri celuloza – epiclorhidrinachitina, argile, miez de banana), precipitarea ca saruri ale diferitelor materiale si, mai recent, cu ajutorul unor metode combinate mai performante: schimb ionic – sorbtie fizica sau distributie cu Donnan pe diverse suporturi, sorbtia pe diverse suporturi modificate: lignoceluloza si carbune biologic activ. Aceasta lucrare isi propune sa prezinte rezultatele studiului retinerii colorantilor reactivi de tip monoclortriazinic bifunctional din apele reziduale pe o serie de polimeri sintetici, printr-un mecanism de schimb ionic.
10
