Seminární práce z chemie. Umělá vlákna. Lukáš Vacek Kvarta A 2006/2007. ICQ: xxxxx19@seznam.cz

Transkript

1 Seminární práce z chemie Umělá vlákna Lukáš Vacek Kvarta A 2006/2007 ICQ: xxxxx19@seznam.cz

2 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

3 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

4 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 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

5 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

6 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

7 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

8 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

9 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

10 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

11 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

12 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 46 g Délka drátu 53,5 m Délková hmotnost drátu 0,86 g/m Hmotnost osmi nylonových provazců 54 g Počet svazků v jednom provazci 3 Hmotnost jednoho svazku 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

13 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

14 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

15 Použitá literatura a informační zdroje Internet: 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