Медно-аммиачное волокно

XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Медно-аммиачное волокно

Желтухина В.С. 1
1МБОУ СОШ №9
Зотова О.А. 1
1МБОУ СОШ №9
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

В наше время уже трудно найти такую сферу жизнедеятельности человека, в которой не будет использоваться текстиль. Широкое применение нашел текстиль в разных областях: в медицине, транспорте, бытовых делах и в целом повседневности.

Множество физических и химических свойств волокон конечно же зависит от их состава. За время существования человечества было придумано огромное количество их разновидностей. В своём проекте я хочу больше узнать об одном из волокон больше нового и хочу сама попробовать изготовить нить медно-аммиачного волокна.

Актуальность: Значимость данного проекта заключается в том, что медно-аммиачное волокно считается по сей день важным и необходимым

Предмет исследования: Методы получения искусственных тканей.

Гипотеза: Медно-аммиачное волокно можно получить в условиях школьное лаборатории

Цель проекта: Получение нити медно-аммиачного волокна.

Задачи проекта:

  1. Изучение способов получения натуральных, синтетических и искусственных волокон

  2. Узнать различию искусственных волокон и синтетических

  3. Изучить метод получения медно-аммиачного волокна

  4. Изготовить нить на основе полученных данных

Глава 1. Теоретическая часть

Чтобы приступить к изучению конкретно медно-аммиачного волокна, нужно вообще понять, чем отличается это волокно от других. Для этого разберёмся в классификации волокон. Если классифицировать их по составу, то они делятся на натуральные (т.е. природные) и химические. Предлагаю для начала разобраться с натуральными волокнами.

1.1. Природные или натуральные волокна

Природные, или же натуральные, волокна делятся в свою очередь на три типа их происхождения: растительного, животного и минерального.

Примерами природных волокон растительного происхождения могут быть хлопковое и льняное. Основным веществом всех растительных клеток является полисахарид целлюлоза (C6H10O5), молекула которой представляет из себя длинную цепь без разветвленных мономеров.

B-глюкоза (C6H12O6) как раз и является мономером этого углевода. Целлюлоза придает волокнам и вырабатываемым из них тканям разрывную прочность, гибкость и эластичность, носкость, гигроскопичность (свойство поглощать влагу из воздуха) и, мягкость и блеск.

Волокна животного происхождения получают из волосяного покрова животных (шерсть) или из коконов гусениц шелкопряда (шёлк). В отличии от растительных, основным веществом шерстяного волокна является белок кератин. В его состав входит аминокислота цистин, которая содержит в себе серу. Этот элемент и обеспечивает кератину его химическую устойчивость и прочность.Нити шёлковой ткани состоят коконов гусеницы бабочки шелкопряда.

1.2. Химические волокна

Волокна, полученные путём химической переработки природных или синтетических высокомолекулярных соединений, называют химическими. В зависимости от того, из какого полимера они сделаны волокна делятся на искусственные и синтетические.

  1. Синтетическиеволокна

Синтетические волокна – получаются при обработке синтетических полимеров, синтетических смол.

1) Полиамидные волокна – волокна, полимеры которых получаются на основе полиамидов (высокомолекулярных соединений, содержащих в цепи повторяющейся амидной группы -NH-)

Их создание идёт по алгоритму: синтез полимера-формование нитей-вытягивание и обработка волокна. Синтез полимера – поликонденсация -процесс соединения молекул мономера, в результате которого образуется полимер и низкомолекулярное вещество. [1] Примеры полиамидных волокон: капрон и нейлон.

Полимером капронового волокна является поликапролактам. Он получается при поликонденсации капролактама – циклический амид E-аминокапроновой кислоты (C6H11NO). Капролактам, имеющий температуру плавления 69-71 градусов Цельсия, очищают, потом подвергают поликонденсации в присутствии воды при температуре 250 градусов Цельсия.[2]

В результате этой реакции происходит раскрытие кольца капролактама с образование линейного полимера - поликапролактама.

Полимер нейлонового волокна – нейлон. Его получают в результате поликонденсации адипиновой кислоты (C6H10O4) и гексаметилендиамина (C6H16N2) В специальных реакторах эта смесь нагревается до 280 градусов Цельсия при давлении 15-20 атмосфер. В результате реакции формируется длинная цепь нейлона (полимера) [5]

Дальнейшие процессы создания волокон капрона и нейлона одинаковы. Полиамидные волокна формируют из расплавов полимеров. Расплав подаётся в фильер (устройство для формирования и обработки материалов). Выходящие струйки из фильера попадают в шахту, где они обдуваются воздухом и быстро застывают.

2) Полиэфирные волокна – синтетические волокна, формируемые из сплава полиэтилентерефталата (ПЭТ) или его производных.

Полиэтилентерефталат – полимер; продукт поликонденсации терефталевой кислоты (C8H6O4) и её диметилового эфира (C10H10O4).

Волокна из полиэтилентерефталата имеют ряд торговых названий: лавсан (СНГ), дакрон (США), тетерон (Япония), диолен (Германия), тергаль (Франция) и др.

Лавсан разработан в лаборатории высокомолекулярных соединений Академии Наук СССР, что и определило его название. Отличительной особенностью полиэфирных волокон является наличие сложноэфирных групп в полимере которыми соединены звенья макромолекул.

Формирование полиэфирных волокон осуществляется из расплава полимера. Входящие в специальные высокопрочные формы (фильеры) с отверстиями, расположенными в определённом порядке струйки расплава застывают на воздухе и превращаются в твёрдые нити. Чтобы ускорить процесс затвердевания нити обдувают холодным воздухом, поднимающимся из шахты.

Лавсан имеет большую эластичность, при этом возвращается, после растяжения, в исходную состояние, также обладает высокой прочностью и низкой гигроскопичностью.

  1. Искусственные волокна

Искусственное волокно - это химическое волокно, получаемое из природных полимеров. Искусственные волокна создаются путём химической обработки природных веществ органического происхождения. Они в свою очередь делятся на:

  1. Ацетатное - волокно, получаемое из сложного уксусного эфира целлюлозы - ацетата целлюлозы.

Его добывают из хлопковое пуха, а также из древесной целлюлозы, содерщей не менее 98% a-целлюлозы. Очищенную целлюлозу замачивают в концентрированной уксусной кислоте (C2H4O2). В результате реакции ацетилирования образуется сложный эфир. Реакция протекает в присутствии серной кислоты.

Далее идёт приготовление прядильного раствора. Ацетилцеллюлозу тщательно фильтруют и удаляют из него воздух.

Формирование волокон проводят из концентрированных растворов первичных ацетатов в метиленхлориде (CH2Cl2) или вторичных ацетатов в смеси ацетона (C3H6O) с водой в соотношении 95:5 сухим и мокрым способами. Сухой способ формирования - испарение растворителя из струек раствора.

Выходящие из фильеры из струйки раствора попадают в шахту, куда попадает сухой подогретый воздух. Летучий растворители быстро испаряются, и волокна затвердевают.

Ацетатные волокна эластичны, приятны на ощупь и мягки, имеют низкую теплопроводимость и гигроскопичность.

3) Гидратцеллюлозные - волокна, состояние из гидратцеллюлозы, одной из структурных модификаций целлюлозы.

Одним из примеров такого волокна является вискоза - получается из раствора ксантогената целлюлозы.

Основным сырьём для получения вискозных волокон и нитей является древесная целлюлоза. Она должна содержать большее количество a-целлюлозы.

Целлюлоза искусственных волокон, в отличие от целлюлозы натуральных, имеет более упорядоченную структуру и иное расположение отдельных звенья в цепи.

Для получения вискозы целлюлозу древесины предварительно обрабатывают в смеси концентрированном раствора едкого натра (NaOH) и сульфита натрия (Na2SO3), целлюлоза при этом остаётся в твёрдые виде. Полученную щелочную целлюлозу измельчают, а затем выдерживают в течение нескольких часов, чтобы её длинные макромолекулы частично окислитель на воздухе и распались на более короткие цепочки.

Для превращения твердого полимера в более вязкий и пригодный для формования волокон и нитей целлюлозные листы обрабатывают раствором 18% раствором едкого натра, а полученную щелочную целлюлозу обрабатывают сероуглеродом (CS2). Образуется простой эфир - ксантогенат целлюлозы.

При фильтрации вискозы происходит удаление нерастворённых частиц ксантогената, целлюлозы и прочих примесей. Далее раствор обезвоздушивают.

Формование проводится путём продавливания вязкого раствора через фильеры прядильной машины. Вискозные нити формуют мокрым способом в осадительной ванне из четырёх компонентов: серная кислота (H2SO4), сульфат натрия (Na2SO4), сульфат цинка (ZnSO4) и вода (H2O).

Под действием компонентов ванны происходит коагуляция (слипание частиц) этих струек и омыление ксантогената с образование гидратцеллюлозного волокна.

1.3. Медно-аммиачноеволокно

Медно-аммиачные волокна относятся к гидратцеллюлозным волокнам, получаемым из растворов комплексного соединения целлюлозы и куприамингидрата. [3]

Cu(OH)2 + 4NH3 → [Cu(NH3)4](ОН)2

3Cu(NH3)4(OH)2 + 2C6HI0O5 → [C6H7O5Cu]2 Cu(NH3)4 + 8NH3 + 6H2O

Формование осуществляется мокрым двухванным способом. Первая осадительная ванна с водой, а вторая с 2-3% раствором серной кислоты в которой происходит регенерация гидратцеллюлозного волокна в результате разложения молекулярного медноцеллюлозного соединения.

Важным моментом является тщательная подготовка прядильного раствора к формованию. Она заключается в фильтрации, удалении воздуха и избытка аммиака. Основная особенность процесса получения медно-аммиачного волокна заключается в том, что медно-аммиачный раствор должен содержать определенное количество меди и аммиака, иначе он не будет растворять целлюлозу. Прядильный медно-аммиачный раствор содержит примерно 4 % меди, 29 % аммиака, 9 - 10 % целлюлозы. Благодаря присутствию в медно-аммиачном растворе комплексного куприамминового иона, этот раствор имеет голубой цвет. [4]

Медно-аммиачные растворы фильтруют на фильтпрессах через все более плотные сетки из никелевой проволоки или капрона. После из медно-аммиачного раствора отсасывают аммиак и воздух. Избыток свободного аммиака вызывает постоянное понижение вязкости раствора и, кроме того, вредно влияет на процесс последующего формования. Пузырьки воздуха могут вызвать обрыв отдельных нитей в момент формования.

Полученное волокно промывают раствором серной кислоты, удаляют остатки меди, снова промывают, подвергают мыловке и сушат.

1.4. Химические свойства медно-аммиачного волокна и его применение

По своим химическим свойствам медно-аммиачное волокно устойчивостью к таким химическим веществами как перекись водорода. В остальном медно-аммиачное волокно чувствительно к действию кислот и щелочей. Также волокно имеет низкую к испарению и может потерять прочность под воздействием ультрафиолета.

Медно-аммиачное волокно называют паутинкой с прочностью стали, однако оно тоньше паутины, но обладает высокой гигроскопичностью.

Объем производства медно-аммиачных волокон составляет около 1 % мирового выпуска химических волокон.

Медно-аммиачные волокна находят широкое применение: для изготовления платьевых, сорочечных, костюмных тканей, а чаще всего — женских чулок и нижнего белья.

Они могут также использоваться для выработки тканей в сочетании с другими волокнами (ацетатным, капроном, лавсаном).

Обычное медно-аммиачное волокно добавляется к синтетическим волокнам для улучшения их санитарно-гигиенических свойств, к хлопку (до 10 %) — для снижения обрывности нитей при прядении. В чистом виде его используют также в производстве медицинской ваты (в последнем случае волокно подвергается тщательной отделке и обязательному отбеливанию).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 2. Практическая часть

2.1. Создание медно-аммиачной нити

Для того, чтобы получить нить медно-аммиачного волокна понадобятся такие вещества, как гидроксид меди, гидроксид калия и раствор аммиака (25%). Из оборудования мне нужен будет шприц (без иглы), химические стаканы, мерные цилиндры, весы.

2.1.1. Получение аммиачного раствора гидроксида меди

Первым шагом к получению аммиачного раствора гидроксида меди является приготовление раствора гидроксида меди.

Его можно получить с помощью взаимодействия гидроксида меди (Cu(OH)2) и раствором аммиака (NH3)

Cu(OH)2 + NH3 [Cu(NH3)4](OH)2

Ход работы:

К осадку небольшими порциями приливаю 25% раствор аммиака (NH3). После каждой порции интенсивно помешиваю

Должен получиться раствор сине-фиолетового цвета – это и есть аммиачный раствор гидроксида меди ([Cu(NH3)4](OH)2). На это уйдёт примерно 20-30 мл аммиака. Раствор должен быть сильнощелочным и содержать избыток аммиака.

2.1.2. Растворение целлюлозы

Идеальным источником целлюлозы (C6HI0O5) станет медицинская вата (хлопковая). Она нужна для получения медно-целлюлозного комплекса ([(C6H7O5Cu)2]Cu(NH3)4).

3[Cu(NH3)4](OH)2 + 2C6H7O2(OH)3 → [(C6H7O5Cu)2]Cu(NH3)4 + 8NH3 + 6H2O

Ход работы:

Отщепляю небольшой комочек ваты и стараюсь его распушить как можно больше. Помещаю эти кусочки в аммиачный раствор гидроксида меди.

Целлюлоза начинает набухать, а затем растворяется, превращая жидкость в очень вязкий прядильный раствор. Если растворение неполное, нужно добавить ещё немного аммиака или нагреть.

Полученный раствор набираю в шприц.

2.1.3. Формование нити мокрым способом.

Приготовлю выпарительную чашку со 30 мл 10% серной кислоты (H2SO4). Это будет нашей осадительной ванной. Шприц будет выступать в роли фильера.

Медленно выдавливаю тонкую струйку раствора в чашку с кислотой. Струйка должна входить в кислоту ниже её поверхности. Выходящую нить придерживаю пинцетом.

При контакте щелочного раствора целлюлозы с кислотой происходит нейтрализация, разрушение комплекса и мгновенное осаждение целлюлозы в виде нити сине-голубого цвета (из-за меди). Это и есть медно-аммиачная нить.

2[(C6H7O5Cu)2]Cu(NH3)4 + 6H2SO4 → 2(C6HI0O5)n + 2CuSO4 + 4(NH4)2SO4

Медно-аммиачная нить достаточная хрупкая, поэтому в процессе она развалилась на несколько кусочков.

Заключение

1. В ходе работы я изучила классификацию волокон, их химический состав и способы получения. Научилась чётко различать искусственные и синтетические материалы.

2. В ходе работы было доказано, что медно-аммиачное волокно действительно можно получить в школьной лаборатории, хотя технология требует строгого контроля параметров.

3. Эксперимент наглядно показал, что даже простое на первый взгляд волокно требует сложной химической переработки. Это ценный опыт для понимания химии высокомолекулярных соединений.

Список литературы

  1. Технология медно-аммиачного волокна. / Под ред. Доктора техн. Наук, проф. А.Б. Пашкевер. Москва, 1941. [1]

  2. В.А. Усольцева, Технология производства химических волокон. [2]

  3. Ерёмин В.В., Кузьменко Н.Е., А.А. Дроздов, В.В. Лунин; Химия: 11 класс: углублённый уровень. Учеб. для общеобразоват. учеб. Заведений - 10-е изд. Москва: Просвещение, 2023. [3]

  4. Ерёмин В.В., Кузьменко Н.Е., В.И. Теренин, А.А. Дроздов. Химия: 10 класс: углублённый уровень. Учеб. для общеобразоват. учеб. Заведений - 10-е изд. Москва: Просвещение, 2023. [4]

  5. З.А. Роговин. Основы химии и технологии производства химических волокон. – Москва [5]

Просмотров работы: 26