Составление энергетического баланса ленточной машины и определение количества азота, необходимого для высушивания плёнки

Санкт-Петербургский  государственный университет кино и телевидения 
 
 
 
Кафедра полимеров и композитов. 
 
 
 
 

Курсовая  работа на тему:

“Составление энергетического баланса ленточной машины и определение количества азота, необходимого для высушивания плёнки” 
 
 
 
 
 
 
 

                                                                       Выполнила:  
 
 

Санкт-Петербург 
2011 
 

                                             Оглавление

Ацетаты целлюлозы…………………………………………………………………………3

Механизм процесса пленкообразования……………………………………………..…..7

Оборудование для  изготовления пленок из растворов полимеров………………..11

Зеркальные слои для  ленточных машин………………………………………………16

Энергетический баланс ленточной машины…………………………………………..18

Составление энергетического  баланса ленточной машины и определение  количества азота, необходимого для  высушивания пленки………………………..19

Список используемой литературы……………………………………………………….22 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.Ацетаты целлюлозы

Азотнокислые эфиры  целлюлозы, сыгравшие огромную роль в развитии фотографии и кинематографа  и долго служившие почти единственным материалом для изготовления основы, в настоящее время из-за их огнеопасности  не используются. Поэтому основное внимание в настоящей книге будет  уделено ацетатам целлюлозы и  пленкам, получаемым из их растворов.

 Ацетилирование целлюлозы, а также переработка ее ацетатов обладают рядом характерных особенностей, которые обусловливают жесткие требования, предъявляемые к исходной целлюлозе.

 Целлюлоза –полимер природного происхождения. Она составляет главную часть клеточных стенок высших растений. Образуется в растениях в результате биохимических превращений, началом которых служит фотосинтез простейших углеводов.

         Материалами, имеющими промышленное  значение для получения из  них целлюлозы, являются : хлопок, в волосках семян которого  содержится 95-97 % целлюлозы, лубяные  волокна льна, джуты, рами, содержащие 60-85% целлюлозы, древесные ткани ,среднее содержание целлюлозы в которых 40-45%.

 Для изготовления  основы применяют эфиры, полученные  главным образом из хлопковой  целлюлозы. Однако ацетаты высококачественной  древесиной целлюлозы также могут  быть использованы для этой  цели.

 По современным представлениям целлюлоза – это высокомолекулярное соединение, макромолекулы которого состоят из большого числа ангидроглюкозных единиц, связанных между собой 1,4- В- глюкозидными связями.

      Каждое  элементарное звено макромолекулы  целлюлозы содержит одну первичную  и две вторичные гидроксильные  группы. Наличие этих групп придает  целлюлозе характер спирта, поэтому  ей присущи реакции присоединения,  замещения и окисления.

 Химическая переработка  целлюлозы в промышленности заключается  главным образом в получении  её простых и сложных эфиров. Реакции присоединения и окисления  также имеют некоторое практическое  применение . 
 

         Так как жесткость макромолекул  целлюлозы весьма высока, температурных  переходов из одного физического  состояния в другое у нее  не обнаруживается. Это объясняется  тем, что температуры переходов  расположены выше температуры  разложения целлюлозы. Однако  известен оригинальный способ  определения температуры стеклования Тс жесткоцепных полимеров. Он основан на графическом построении зависимости Тс полимера от количества введенного в него пластификатора. Экстраполяцией такой зависимости к нулевой концентрации пластификатора было показано, что для целлюлозы Тс=220 градусов. Это примерно на 40 градусов выше температуры её разложения, которое начинается при 180 градусов.

 Макромолекулы  целлюлозы прочно связаны в  пачки межмолекулярными связями.  Соединяясь, пачки макромолекул  целлюлозы образуют микрофибриллы, а последние , в свою очередь, - фибриллы. Макромолекулы целлюлозы могут образовывать настолько упорядоченные области, что она приобретает регулярность строения, присущую кристаллическим веществам. При различных видах обработки степень упорядоченности строения целлюлозы обычно уменьшается. Свойства целлюлозы как исходного вещества для этерификации определяются реакционной способностью гидроксильных групп глюкозных звеньев, плотностью упаковки макромолекул, полимолекулярностью и, морфологической структурой целлюлозного волокна. Наряду с целлюлозой в растениях содержаться такие ее спутники, как лигнин, гемицеллюлозы, пентозаны, пектиновые вещества и смолы. Примеси, а также продукты окислительного и гидролитического распада ухудшают качество получаемых ацетатов целлюлозы и снижают скорость ацетилирования. Поэтому вопросы очистки целлюлозы, поступающей на этерификацию, имеют большое значение, особенно в случае получения ацетата целлюлозы как исходного материала для изготовления основы кинофотопленок и магнитных лент.

                Эфиры целлюлозы  получают  обычно из линта. Это короткие волокна, остающиеся на семенах хлопчатника после удаления длинных волокон хлопка, использующихся в текстильной промышленности.  Для этерификации возможно использование еще более коротких волокон, называемых делинтом,  длина которых не превышает 6 мм. Технология получения целлюлозы из делинта была разработана в связи с необходимостью использования на хлопковысевных машинах семян, полностью освобожденных от хлопка. Перед химической обработкой прессованные кипы линта разрыхляют, очищают от механических загрязнений и пыли, после чего хлопок подвергают бучению. Этот процесс, называемый также щелочной варкой, заключается в обработке линта раствором едкого натра концентрацией 1-4% при 130-170 градусов и давлении 1.1МПА. Во время бучения разрушаются белковые вещветсва, пектины, омыляющие жиры, растворяются продукты их распада и пентозаны, снижается зольность целлюлозы, эмульгируются и удаляются содержащиеся в ней воски. Бучение приводит к некоторой деструкции материала, причем низкомолекулярные фракции растворяются , что уменьшает молекулярную неоднородность целлюлозы и позволяет, изменяя режим процесса, регулировать вязкость образующегося продукта.

  После бучения  следует отбелка гипохлоритом  натрия или окислителями более  мягкого действия. Отбеленную целлюлозу  промывают, отжимают от  воды  и высушивают.

 Ацетилирование целлюлозы можно осуществлять уксусным ангидридом, хлористым ацетилом. С уксусной кислотой реакция практически не идет. Кроме этерифицирующего агента в состав ацетилирующей смеси входит катализатор и растворитель или нерастворитель образующегося ацетата целлюлозы. В промышленности для ацетилирования используют уксусный ангидрид, а в качестве катализатора – серную или хлорную кислоту.

         Перед ацетилированием целлюлозу подвергают активации для повышения реакционной способности. При активации нарушаются водородные связи между макромолекулами, в первую очередь поверхностного слоя целлюлозных волокон. В результате уменьшается плотность упаковки структурных элементов и облегчается поступление реагентов к отдельным макромолекулам. Способы активации целлюлозы можно условно разделить на два вида: а)основанные на набухании целлюлозы; б) основанные на введении в макромолекулу целлюлозы малого числа новых групп, нарушающих ее регулярность. В литературе приводится значительное число различных методов активации, однако, в производственных условиях целесообразно активировать целлюлозу уксусной кислотой, входящей в дальнейшем в состав ацетилирующей смеси. Некоторые технологические процессы, с целью повышения эффективности и экономии материалов, предусматривают активацию целлюлозы смеси, не отличающимися по качественному составу от ацетилирующих смеси. Некоторые технологические процессы, с целью повышения эффективности и экономии материалов, предусматривают активацию целлюлозы смесями, не отличающимися по качественному составу от ацетилирующих смесей.

          В процессе ацетилирования выделяется уксусная кислота, в которой растворяется образующийся ацетат целлюлозы. Такой способ получения уксуснокислых эфиров целлюлозы называют гомогенным. В качестве более активного, чем уксусная кислота, растворителя в сферу реакции вводят метиленхлорид. Наряду с этим, существует гетерогенный способ производства, при котором в состав  вводят органические жидкости, не растворяющие ацетата целлюлозы и препятствующие его растворению. В этом случае конечный продукт сохраняет форму исходного волокна целлюлозы.

           При взаимодействии целлюлозы  с уксусным ангидридом вода  не выделяется. Поэтому степень  замещения образующегося ацетата  целлюлозы практически не поддается  регулированию и образующийся  продукт всегда имеет высокую  степень этерификации. Для получения  ацетата несколько меньшей степени  замещения, применяющегося для  изготовления основы, необходимо  частичное омыление образующегося  триацетата целлюлозы. Это всегда  связано с непроизводительными затратами омыляющего агента и уменьшением коэффициента полезной работы оборудования. При соответствующих условиях возможно получение высокозамещенного ацетата целлюлозы, содержание связанной уксусной кислоты в котором соответствует требованиям к ацетатам, использующимся для изготовления основы. В этом случае стадия частичного омыления из общей схемы технологического процесса исключается.

                Промышленное использование ацетатов  целлюлозы в течение многих  лет, различия в требованиях,  предъявляемых к ацетатам широким  кругом потребителей, а также  непрерывное совершенствование  процессов их производства привели  к появлению значительного числа  технологических процессов, различающихся  по используемой аппаратуре и  режимам. Вместе с тем все  эти процессы включают одни  и те же стадии: активацию целлюлозы,  ацетилирование, частичное омыление, осаждение образовавшегося ацетата целлюлозы, промывку и высушивание готового продукта.

Крупнотоннажное производство ацетатов целлюлозы осуществляется двумя способами: гомогенным и гетерогенным.

Гомогенным методом  ацетаты целлюлозы получают по двум технологическим схемам: периодической (в среде метиленхлорида или уксусной кислоты) и непрерывной (в среде уксусной кислоты).

Гетерогенным способом ацетаты целлюлозы получают также  по периодической и непрерывной  технологическим схемам. Существуют 2 разновидности периодической схемы: ацетилирование в горизонтально й центрифуге и ацетилирование, не включающее частичного омыления образовавшегося триацетата целлюлозы. Непрерывный метод гетерогенного ацетилирования предусматривает получение ацетата целлюлозы на бесконечной движущейся ленте, несущей слой разрыхленного линта. 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Механизм процесса пленкообразования и структура технических пленок

Технологический процесс  изготовления пленок из растворов аморфных полимеров заключается в нанесении раствора полимера на твердую зеркальную поверхность и испарении из него растворителей. Испарение растворителей и связанное с ним повышение вязкости пленкообразующего раствора приводят к переходу полимера из растворенного в стеклообразное состояние. В период такого перехода возникает и фиксируется определенная структура пленки.

Сразу же после нанесения  пленкообразующего раствора на твердую  поверхность начинается испарение  растворителей, приводящее к уменьшению объема раствора. Так как раствор  удерживается на поверхности силами адгезии, уменьшение объема возможно только за счет уменьшения толщины слоя раствора при сохранении плоскостных размеров. Это приводит к растягиванию макромолекул полимера в плоскости слоя. Поэтому  макромолекулы пленки, снятой с твердой  поверхности, обладают значительными  внутренними напряжениями. Стеклообразное состояние пленки ограничивает возможность  протекания в ней релаксационных процессов, и уменьшение внутренних напряжений в таких пленках будет  проходить чрезвычайно медленно, если этому не будут способствовать такие факторы, как повышение  температуры или набухание.

Любое напряженное  состояние макромолекул является неравновесным  и стремится перейти в равновесное  состояние, когда молекулярные цепи в целом, их сегменты и звенья дезориентированы по отношению друг к другу, т.е. осуществляются процессы релаксации. Релаксационные процессы в пленках можно разделить на 2 типа. Первый тип характеризуется дезориентацией сегментов и звеньев при сохранении общей ориентации полимерных цепей. Релаксация этого типа протекает за относительно короткие промежутки времени и в значительной степени определяет усадочные свойства пленок. Второй тип релаксационных процессов определяется дезориентацией макромолекул в целом и практически не влияет на усадочные свойства пленок.

Началом изучения микроструктуры пленок из растворов полимеров следует  считать работу Мак-Нелли и Шеппарда, которые, пользуясь методом определения двулучепреломления, пришли к выводу о возможности существования трех типов микроструктур технических пленок. Значительное число работ в этом направлении было проведено Козловым. В этих работах были уточнены характеристики микроструктур эфироцеллюлозных пленок, полученных формованием из растворов на твердой и жидкой поверхностях.