Umělá vlákna

Seminární práce z chemie
Umělá vlákna
Lukáš Vacek
Kvarta A
2006/2007
ICQ: 193-012-385
Email: [email protected]
Obsah:
Úvod...............................................................................................................................3
Historie...........................................................................................................................3
První pokusy...............................................................................................................3
Od žárovky k oblečení................................................................................................3
První komerční výroba – rayon, umělé hedvábí.........................................................3
Acetátové hedvábí......................................................................................................3
Nylon – plná syntetika................................................................................................4
Další umělá vlákna.....................................................................................................4
Použití nylonu.............................................................................................................4
První komerční použití umělých vláken v USA.........................................................4
Polymery........................................................................................................................4
Co jsou polymery?......................................................................................................4
Protainy a karbohydráty.............................................................................................5
Syntetické polymery...................................................................................................5
Výrobní procesy.............................................................................................................6
Přidávání ....................................................................................................................6
Kondenzace................................................................................................................6
Výroba nylonu................................................................................................................7
Krok 1: Přesun protonu vodíku..................................................................................8
Krok 2: Vazba uhlík – dusík.......................................................................................9
Krok 3: Přeskupení elektronů...................................................................................10
Krok 4: Vytvoření trimeru........................................................................................11
Praktický experiment....................................................................................................12
Horolezecké lano......................................................................................................12
Ověření pevnosti nylonu..........................................................................................12
Další vývoj ?.................................................................................................................13
Soudobá vlákna........................................................................................................13
Závěr.............................................................................................................................14
Použitá literatura a informační zdroje..........................................................................15
Úvod
Omezení přírodních vláken
Lidé od nepaměti používají přírodní vlákna, která ale mají značná omezení.
Bavlna a plátno se například značně mačkají při nošení a praní. Hedvábí vyžaduje
také značnou opatrnost. Vlna se sráží, pro leckoho je nepříjemná na dotek, a navíc
přitahuje moly. Lidstvo se teprve asi před sto lety naučilo tato přírodní vlákna
nahrazovat umělými.
V seminární práci mám historický přehled umělých vláken, nejvíce mne zaujala
výroba nylonu.
Historie
První pokusy
První zmínka o pokusu vytvořit umělé vlákno je z Anglie, kde v roce 1664
anglický přírodovědec Robert Hooke navrhl možnost vyrobit vlákno „nejméně tak
dobré, když ne lepší“ než hedvábí. Jeho cíl ale nebyl splněn po dobu více než dvou
století.
Prvním patentem pro „umělé hedvábí“ byl registrován v Anglii v roce 1855
švýcarským chemikem Audemarsem. Rozpouštěl vláknitou vnitřní kůru stromu
morušovníku a chemicky ji upravoval na celulózu. Vlákna formoval tak, že ponořoval
jehly do výsledku a vytahoval je ven. Nikdy se nepokoušel protlačovat tekutinu skrz
malé otvory.
Od žárovky k oblečení
V roce 1880 Sir Joseph W. Swan, anglický chemik a elektrotechnik byl
motivován Thomasem Edisonem a jeho novými objevy s elektrickým osvětlením.
Experimentoval s tekutinami podobným Audemarsovými, které pod tlakem
protlačoval jemnými otvory do lázně, ve které s srážely. Jeho vlákna fungovala jako
žhavící vlákna a jako taková našla uplatnění ve vynálezech Edisona. Swana také
napadlo, že by tato vlákna mohla být využita pro výrobu textilu a v roce 1885 vystavil
několik kusů oděvů z těchto vláken, které uháčkovala jeho manželka. Hlavním
zájmem Josepha Swana ale zůstaly aplikace pro elektrické lampy.
První komerční výroba – rayon, umělé hedvábí
První výrobu umělých vláken dosáhl francouzský chemik Count Hilaire de
Chadonnet. V roce 1889 jeho látka z „umělého hedvábí“ způsobila v Paříži senzaci.
Dva roky na to postavil továrnu na rayon v Besanconu ve Francii a pojistil si tak slávu
jako zakladatel umělého průmyslu. Postupem času se toto umělé hedvábí rozšiřovalo,
ve 20-tých letech 20. století dosáhla cena umělého hedvábí poloviční ceny hedvábí
přírodního.
Acetátové hedvábí
V roce 1893, Arthur D. Little z Bostonu objevil další produkt z celulózy, acetát,
ze kterého začal dělal filmy. Až do roku 1910 vyráběli Camille a Henry Dreyfusovi
filmy pro nový filmový průmysl v Basileji ve Švýcarsku. Během první světové války
Seminární práce z chemie: Umělá vlákna
3
postavili továrnu v Anglii na výrobu acetátového laku na křídla letadel. Po vstupu
USA do války byli bratři Dreyfusovi pozváni do Ameriky, aby tam založili továrnu
pro podobné výrobky také na americká letadla. První komerční použití acetátového
hedvábí zajistila firma Celanese Company v roce 1924.
Nylon – plná syntetika
V září roku 1931 americký chemik Wallace Carothers zveřejnil svůj výzkum
v laboratořích firmy DuPont, ve kterém se zabýval „obřími“ molekulami nazývanými
polymery. Vlákno nazýval jednoduše „66“, později nylon.
Nylon se stal revolučním vynálezem. Dosavadní umělá vlákna rayon a acetát
byly totiž založeny na přírodní celulóze, ale nylon byl uměle vyroben čistě z ropy.
Další umělá vlákna
Po válce rozvoj umělých vláken propukl s nebývalou silou. Naříklad Dow
Badische Company, dnešní BASF Corporation, přišla s metalizovanými vlákny.
DuPont zase přidal akrylová vlákna, která jsou podobná vlně. Řada výrobců se velmi
zajímala o polyester, který byl objeven již v rámci výzkumu Wallace Carotherse.
Použití nylonu
punčocháče
parašutistické padáky
pneumatiky
stany
lana (horolezecká, Nylon 6)
kosmické skafandry
vlajka na Měsíci
neprůstřelné vesty
První komerční použití umělých vláken v USA
1910 — Rayon
1924 — Acetate
1930 — Rubber
1936 — Glass
1939 — Nylon
1939 — Vinyon
1941 — Saran
1946 — Metallic
1949 — Modacylic
1949 — Olefin
1950 — Acrylic
1953 — Polyester
1959 — Spandex
1961 —Aramid
1983 — PBI
1983 — Sulfar
1992 — Lyocell
Polymery
Co jsou polymery?
Název „polymer“ pochází z řeckého „poly“, což znamená „více“ a řeckého
“mer“, což znamená „části“. Takže polymery jsou sestaveny z více částí. Ve většině
případů jsou částmi molekuly, které navzájem reagují stokrát, tisíckrát nebo
milionkrát. Molekuly použité při výrobě polymerů jsou „monomery“, mono je řecky
jeden, takže „jednočástice“. Speciálně polymer, který je vyroben z molekul jednoho
monomeru se nazývá „homopolymer“. Řetězce, které jsou ze dvou a více různých
opakujících se monomerů jsou „kopolymery“.
Výsledné molekuly mohou být dlouhé, přímé řetězce nebo mohou být
rozvětveny. Malé řetězce mohou vyrůstat z jednoho základního. Větve mohou narůst
do takových rozměrů, že se mohou navzájem dotýkat a tím vytvořit třírozměrný útvar.
Seminární práce z chemie: Umělá vlákna
4
Tyto tvary patří mezi nejdůležitější faktory při rozhodování o výsledných vlastnostech
polymerů.
Důležitá je také velikost molekul, která se vyjadřuje v molekulární hmotnosti.
Protože polymerické materiály obsahují mnoho řetězců se stejnými opakujícími se
jednotkami, ale s různou délkou řetězců, používá se průměrná molekulární hmotnost.
Zpravidla platí, že čím je větší molekulární hmotnost, tím je vlákno pevnější. Na
druhou stranu čím je řetězec polymeru větší, tím je výsledek viskóznější (hustší,
lepkavý) a tedy obtížněji zpracovatelný.
Protainy a karbohydráty
Má se za to, že život by bez polymerů nemohl vůbec existovat. Protainy a
karbohydráty zastávají životně důležité role v životě rostlin i živočichů. Protainy jsou
tvořeny velkým počtem amino kyselin spojené amidovou vazbou. Karbohydráty jsou
zase složeny řetězci z jednoduchých cukrů. Oba tyto přírodní polymery jsou důležité
pro vlákna. Protainy jsou základem pro vlnu, hedvábí a další vlákna živočišného
původu. Celulóza je karbohydrátem, který se objevuje v bavlně, plátnu a dalších
tkaninách rostlinného původu.
Přírodní polymery se všeobecně obtížně zpracovávají za účelem výroby
umělých vláken. Vnitřní síly, které je potřeba překonat při přechodu do kapalného
stavu, jsou silné, protože molekulární řetězce jsou tvořeny velkým počtem polárních
skupin. Důsledkem toho je, že bod tání přirozených polymerů je tak vysoko, že se
zničí dříve než zkapalní.
Syntetické polymery
Syntetické polymery nabízejí více možností, protože mohou být navrženy se
strukturou molekul podle potřeb. Řada těchto polymerů jsou schopny rozpouštět se
nebo tát, a to umožní jejich protlačování do dlouhých a tenkých vláken, které
potřebujeme pro výrobu textilu. Syntetické polymery mohou vytvářet pravidelné
struktury (krystaly), které umožní řetězce uložit těsně k sobě. Z toho pramení
neobvyklá pevnost. Některé synthetické polymery vykazují vyšší pevnost než ocel při
nižší váze. Například neprůstřelné vesty jsou vyrobeny z umělých vláken.
U nylonu 6,6 zajišťuje pravidelnou krystalickou strukturu vazba mezi atomem
kyslíku a vodíku:
Seminární práce z chemie: Umělá vlákna
5
Výrobní procesy
Existují dva základní procesy pro výrobu syntetických polymerů z malých
molekul:
1. přidávání, neboli řetězovitý růst polymerů
2. kondenzace, neboli stupňovitý růst polymerů
Přidávání
Jde o techniku polymerizace, kde se v jednom kroku vždy jeden monomer přidá
k rostoucímu polymeru. Aktivovaná strana chemikálie jako volný radikál nebo ion se
přidá ke dvojité vazbě a přitom vytvoří novou vazbu a nové aktivované místo. Proces
se může opakovat tisíckrát nebo milionkrát a tím se vytvoří velmi velké molekuly.
Proces může reagovat nejen s blízkým monomerem, ale i s jiným řetězcem a vznikají
tak rozvětvené a nepravidelné tvary bez silných vnitřních vazeb. Důsledkem je snadný
přechod do kapalné fáze.
Nejjednoduššími takovými polymery jsou ethylen a propylen.
Kondenzace
Při kondenzaci, resp. stupňovitém růstu polymerů, se vychází z monomerů se
dvěma reaktivními konci. Říká se, že je vytvořen “dimer”, tedy dvě části spojené
dohromady. Při spojení s dalším monomerem je vytvořen “trimer”, tedy tři části atd.
Ovšem takto získané krátké řetězce (oligomery) mají vždy dva konce schopné
zreagovat a například dimer a trimer může vytvořit pentamer (pět opakujících se
částí). Takovým způsobem mohou řetězce rychle získat velkou délku. Toto formou se
vyrábí dvě nejdůležitější třídy polymerů, polyamid (známější jako nylon) a polyester.
V případě polyamidu jsou dva reagující konce zastoupeny kyselinami a aminy.
Použité monomery mohou mít obě reaktivní funkce stejného chemického typu (obě
kyseliny, obě aminy) nebo opačného typu. Takže nylon 6,6 je vytvořen reakcí molekul
kyseliny adipové s hexamethylendiaminem. Kyselina adipová má šest uhlíků v řetězci
s kyselou funkcí na každém konci. Hexamethylendiamin má také šest atomů uhlíku
(H2N-(CH2)6-NH2), s aminovou funkcí na každém konci.
Seminární práce z chemie: Umělá vlákna
6
Výroba nylonu v laboratoři:
V laboratořích se také někdy vyrábí nylon z chloridu (obrázek nahoře).
Vedlejším produktem pak není voda, ale kyselina chlorovodíková HCl. V dalším se
ale držme běžnější komerční výroby z kyseliny adipiové (obrázek dole).
Výroba nylonu v továrně:
Výše uvedená reakce je ale zjednodušený pohled na věc. Podrobněji o výrobě
nylonu se zbýváme v další kapitole.
Výroba nylonu
Tovární výrobu nylonu popíšeme v několika krocích. Každý krok reprezentuje
jednoduchou reakci.
Seminární práce z chemie: Umělá vlákna
7
Krok 1: Přesun protonu vodíku
Proces je zahájen přesunem protonu vodíku z jedné molekuly kyseliny adipové
do druhé molekuly téže kyseliny:
Seminární práce z chemie: Umělá vlákna
8
Krok 2: Vazba uhlík – dusík
Kladný náboj kyslíku má tendenci zbavit se kladného náboje a opět získat
neutralitu. Proto si přitáhne elektron z vazby s uhlíkem. Tím pádem uhlíku ovšem
jeden elktron začne chybět a pokud je nablízku molekula diaminu, dojde ke spojení:
Seminární práce z chemie: Umělá vlákna
9
Krok 3: Přeskupení elektronů
V dalším kroku se přeskupí elektronové vazby tak, že vznikne výše zmíněný
dimer, molekula vody a proton vodíku:
Všimněme si, že v kroku 1 jsme darovali proton vodíku z kyseliny adipové.
Nyní nám proton vodíku přebývá – a opravdu, je použit na regeneraci kyseliny
jakožto katalizátoru reakce.
Seminární práce z chemie: Umělá vlákna
10
Krok 4: Vytvoření trimeru
Při podrobnějším pohledu na dimer snadno nahlédneme, že na jednom konci je
kyselá skupina a na druhém konci je aminová skupina. To znamená, že sám dimer
může reagovat s molekulou diaminu nebo kyseliny adipové. V každém případě
dostaneme trimer.
Poznamenejme, že dimery mohou reagovat též sami se sebou, popřípadě dimer
reaguje s trimerem atd. Toto zvětšování molekuly pokračuje tak dlouho, až je
molekula dostatečně velká na to, abychom ji nazvali polymerem.
Abychom docílili výrobu dostatečně velkých molekul – polymerů, je potřeba
vše dělat ve vakuu. V takovém případě se vedlejší produkt – voda – ihned odstraňuje.
Vody se musíme stůj co stůj zbavit, vzhledem k chemickému zákonu akce a reakce
(Le Chatelier’s Principle).
Seminární práce z chemie: Umělá vlákna
11
Praktický experiment
Horolezecké lano
Horolezecké lano je vyrobeno z polyamidových vláken. Téměř výhradně se
používá materiálu Nylon 6, který má lepší schopnost pohltit pádovou energii než
příbuzný polymer, Nylon 6.6. Má ale nižší bod tání což znamená nevýhodu při zahřátí
v důsledku tření.
Ověření pevnosti nylonu
V literatuře jsem našel tvrzení, že některé syntetické polymery vykazují vyšší
pevnost než ocel při nižší hmotnosti, tak jsem provedl měření. Na svazek nylonových
vláken z rozpleteného horolezeckého lana jsem pověsil 9 kg. Svazek vláken závaží
unesl. Totéž jsem provedl s drátem, který jsem musel ztrojnásobit aby měl stejnou
délkovou hmotnost jako svazek vláken nylonu z lana. Ztrojnásobený drát nevydržel a
přetrhl se, tím jsem prokázal že zmíněné tvrzení platí.
Celý drát
Délka drátu
Délková hmotnost drátu
Hmotnost osmi nylonových provazců
Počet svazků v jednom provazci
Hmotnost jednoho svazku
46 g
53,5 m
0,86 g/m
54 g
3
2,25 g
Porovnávané vzorky:
1 svazek (2,25 g/m)
Trojitý ocelový drát (2,58 g/m)
Seminární práce z chemie: Umělá vlákna
12
Další vývoj ?
Lze vyslovit přesvědčení, že vývoj umělých vláken zdaleka nedosáhl svého
vrcholu a bude se určitě dále vyvíjet v kontextu všech moderních Hi-technologií pro
využití nejen v průmyslové výrobě, pro oděvy a materiály potřebné pro zajištění
relaxace a sportovního vyžití.
Soudobá vlákna
Dosud jsem popisoval technologii umělých vláken, které jsou běžně vyráběny.
V současné době však již existují zcela nová vlákna jako např. GORE-TEX nebo
POLARTEC, která jsou využívána mimo jiné i v oděvech a sportovním vybavení.
Např. GORE-TEX odolává nepříznivým vlivům počasí a přitom uchovává vysoký
komfort prodyšnosti. Podobně POLARTEC umožňuje transport vlhkosti a
termoregulaci.
Seminární práce z chemie: Umělá vlákna
13
Závěr
V seminární práci jsem shrnul hlavní body historického vývoje umělých vláken,
podrobněji jsem se věnoval výrobě nylonu. Jeho vlastnosti jsem potvrdil
experimentem.
Při shromaždováním informací o umělých vláknech jsem ze začátku myslel, že
nebudu mít dostatek materiálu ale dnes vidím, že umělá vlákna nás obklopují na
každém kroku.Vedle výše vyzdvihovaných kladných vlastností s sebou nesou také
záporné vlastnosti. Např. Někteří mohou být alergičtí na oblečení z umělých vláken,
také se mohou vyskytnout komplikace při likvidaci.
Seminární práce z chemie: Umělá vlákna
14
Použitá literatura a informační zdroje
Internet:
http://www.fibersource.com/f-tutor/history.htm
http://www.splhej.wz.cz/referat/chemie/25/Nylon
http://www.puncochy.com/historie-a-vyroba-puncoch/co-je-to-nylon.html
http://www.pslc.ws/mactest/index.htm
Knihy:
Chemie a technologie umělých vláken, SNTL, Rogavin Z.A., 1956
Horolezectví, Olympia, Vladimír Procházka a kolektiv, 1990
Seminární práce z chemie: Umělá vlákna
15