Производство полимерных материалов

 

В народном хозяйстве развитых стран полимеры (высокополимерные органические соединения) играют существенную роль. К ним относятся целлюлоза, пластмассы, каучук, резина, химические волокна и многие другие материалы, обладающие совокупностью самых разнообразных свойств. Отличительная особенность полимеров заключается в том, что их молекулы составлены из большого количества повторяющихся звеньев, число которых варьирует от двух до нескольких тысяч. Оно определяет длину цепи высокомолекулярных соединений и называется степенью полимеризации. Образование макромолекул с массой, достигающей миллионов единиц, резко изменяет свойства исходного мономера.

В зависимости от построения макромолекул различают три типа полимеров: линейные, разветвленные и пространственные (с трехмерной структурой). Первые (например, полиэтилен низкого давления) легко плавятся и растворяются во многих органических жидкостях. Высокомолекулярные соединения с разветвленной структурой хуже, чем линейные, плавятся и растворяются (полиэтилен высокого давления). При пространственной структуре (резина) вещества не плавятся, не растворяются, но набухают в ограниченном числе растворителей. Они имеют лучшие физико-химические свойства и используются в качестве конструкционных материалов.

В зависимости от поведения при нагревании полимеры делятся на термопластичные и термореакционные. Термопластичные соединения после нагревания с последующим охлаждением не изменяют своих свойств и строения, поэтому могут перерабатываться многократно. К ним относятся полимеры с линейной и разветвленной структурой. Термореактивные полимеры имеют пространственную структуру и при нагревании или охлаждении изменяют ее, необратимо теряя способность плавиться и растворяться.

По физическим свойствам все полимеры с некоторым приближением разделяют на пластомеры и эластомеры. Первые характеризуются повышенной прочностью, высоким модулем упругости и слабой растяжимостью (пластмассы, химические волокна). Вторые обладают небольшим модулем упругости и высокой эластичностью (натуральный и синтетический каучуки и др.).

 

Химическая переработка древесины с получением целлюлозы

 

Химическая переработка древесины для России с ее огромными лесными богатствами имеет большое народно-хозяйственное значение. Из этого сырья получают: целлюлозу – основу производства бумаги, пороха, искусственных волокон, пластмасс и т.п.; древесную массу, использующуюся при выпуске кормовых продуктов для животноводства, древесного угля, метилового спирта, канифоли.

Целлюлоза (клетчатка) – главная составная часть стенок растительных клеток, образующая твердый ствол всех растений и придающая ему прочность и эластичность. В древесине целлюлоза составляет 90% и имеет волокнистое строение.

Целлюлоза – высокомолекулярный полисахарид (С₆Н₅О₅) со степенью полимеризации, достигающей 40 тыс., и молекулярной массой 50000–150000 и более. Целлюлоза имеет волокнистое строение. В состав древесины входит также большое количество органических веществ: гемицеллюлозы, лигнины, смолы, жиры, белковые вещества, красители.

Гемицеллюлоза – полисахариды, сопровождающие целлюлозу, но отличающиеся от нее меньшей длиной цепи.

Лигнин – сложная смесь органических веществ ароматического ряда, содержащая большее, чем целлюлоза, количество углерода (61–64%).

Получение целлюлозы основано на способности гемицеллюлозы и лигнина переходить в раствор под воздействием некоторых химических реагентов. Целлюлоза при этом не растворяется, ее отбеливают газообразным хромом, хлорной водой или другими окислителями, а затем облагораживают, т.е. обрабатывают однопроцентным раствором каустической соды для окончательного удаления лигнина, золы, гемицеллюлозы, смолы и других примесей.

 

Пластмассы

 

В настоящее время практически нет ни одной отрасли народного хозяйства, не использующей пластмасс. Степень их применения может служить одним из критериев научно-технического прогресса. Пластмассы заменяют традиционные материалы (металл, стекло, дерево, бумагу, кожу), а также обеспечивают создание принципиально новых конструкций и самых разнообразных видов изделий. Пластмассы характеризуются рядом свойств. Они легче металлов в 4–6 раз, механическая прочность некоторых пластмасс не ниже черных металлов. Пластмассы имеют теплопроводность в 100–150 раз меньшую, чем у металлов, устойчивы к атмосферным воздействиям и различным агрессивным средам. Существенный недостаток пластмасс – низкая термостойкость, обычно не превышающая 150 ⁰С.

Мировое потребление пластмасс оценивается примерно в 100 млн. т, в том числе в США – 30 млн. т. Объем производства пластмасс и искусственных волокон в нашей стране в 10–15 раз меньше, чем в развитых странах.

Пластмассы – это твердые природные или синтетические высокомолекулярные соединения или их смеси с различными наполнителями, способные при повышении температур и давлении размягчаться и деформироваться, а после затвердевания устойчиво сохранять приданную им форму.

Основным сырьем для производства пластмасс являются продукты переработки нефти и газа – высокомолекулярные соединения, называемые синтетическими смолами, которые получают синтезом простых молекул органических соединений.

Формование изделий из пластмасс производят прессованием, литьем под давлением, выдавливанием, штамповкой, сваркой, склеиванием и другими методами. Основными факторами, влияющими на процесс формования, являются его температура, продолжительность и давление.

Особенность пластмасс – их чрезвычайно медленное разложение в естественных условиях, что является серьезной причиной загрязнения окружающей среды. Поэтому в последние годы ведутся работы по созданию и выпуску пластмасс с регулируемыми сроками службы, которые разлагаются под действием природных факторов: солнца, воды, кислорода воздуха, микроорганизмов и т.п., а затем ассимилируются почвой, включаясь в замкнутый биологический цикл.

 

Каучук и резина

 

Каучуком называют эластичные высокомолекулярные соединения, способные существенно изменять форму (деформироваться) под влиянием внешних сил и быстро принимать прежние очертания, когда действие этих сил устраняется. Эластичность или упругие свойства каучука объясняются тем, что образующие его макромолекулы линейной структуры находятся в обычных условиях в изогнутом, свернутом в спираль или закрученном состоянии, поэтому легко сжимаются или растягиваются, а при снятии нагрузки вновь принимают прежнюю форму. Упругие свойства и прочность каучуки сохраняют в широком интервале температур. Наряду с металлом, нефтью, газом и пластмассой, каучук относят к числу важнейших народнохозяйственных стратегических видов промышленной продукции, мировое потребление которого превысило 6 млн. т/г.

Каучуки разделяют на натуральные (НК) и синтетические (СК). В течение длительного времени получали натуральный каучук из млечного сока (латекса) тропического дерева гевеи. Натуральный каучук представляет высокомолекулярный полимер изопрена (С₅Н₈)n, степень полимеризации которого превышает 2000, молекулярная масса равна 136000–140000.

Высокая стоимость натурального каучука, возрастающий спрос на резинотехнические изделия диктуют необходимость создания синтетических каучуков. Современный ассортимент отечественной продукции насчитывает свыше 300 видов СК. Решающую роль в его появлении сыграли работы С.В. Лебедева, по методу которого в 1931 г. был произведен первый в мире синтетический каучук.

Ведущую роль в мировом производстве СК играют бутадиенстирольный (БСК) и изопреновый (ИК) каучуки.

Полимеризацию БСК осуществляют в водной среде при 5–50 ⁰С, используя батарею последовательно соединенных полимеризаторов, в которую подается заранее приготовленная эмульсия бутадиена (С₄Н₆) со стиролом (С₆Н₈), водой и эмульгатором (например, канифольным мылом). В полимеризаторах емкостью 11–20 м³, снабженных мешалками с частотой вращения 50–1450 об/мин. происходит процесс превращения бутадиена и стирола в латекс. Из латекса выделяют не прореагировавшие мономеры и другие примеси, затем к нему добавляют коагулянты (хлористый натрий и кальций) для выделения каучука. Последний отделяют от раствора, промывают, обезвоживают, формируют в виде лент, которые после сушки горячим воздухом сворачивают в рулон. Синтетический каучук имеет среднюю молекулярную массу 200000 – 300000.

Изопреновый каучук получают полимеризацией изопрена (С₅Н₈) при 30–40⁰С в присутствии катализаторов (метил или комплексного металлоорганического соединения).

Общим недостатком синтетических каучуков являются низкая термостойкость, размягчаемость, невысокие механические свойства и неустойчивость к органическим растворителям, которые в меньшей степени присущи резиновым изделиям.

Резина – продукт взаимодействия каучука с другими веществами (вулканизация). При ее производстве осуществляется поперечное сшивание линейных макромолекул каучука молекулами серы с образованием более крупных макромолекул с сетчатой структурой. В зависимости от количества серы различают мягкую резину (2–4%), жесткую – полуэбониты (12–13%) и эбониты (30–50%).

Во многих случаях в резиновую смесь вводят регенерат – отходы переработки использованных резиновых изделий в виде крошки, которые удешевляют стоимость и повышают пластичность выпускаемого материала.

Основным способом соединения резиновых деталей является склеивание резиновыми клеями, получаемыми при растворении каучука в органических растворителях (бензине, бензоле и др.).

 

Утилизация отходов

 

Технологии переработки основных органических материалов характеризуются наиболее значительными объемами образования отходов. Из всех направлений их переработки наиболее перспективным является утилизация.

Нефтесодержащие осадки промышленных предприятий используют при производстве строительных материалов. Осадки после вакуум-фильтров представляют тестообразную массу с влажностью 70%, которые могут включать литейные, шлифовальные, полировальные пыли, песок, глину и т.д. Введение до 5% этих осадков в состав обожженных и автоклавированных кирпичей не снижает их качества.

Некоторые предприятия строительной индустрии частично употребляют образующиеся нефтепродукты для собственных нужд: смазки неответственных механизмов, цепей, форм для изготовления плит и т.д.

Наиболее перспективным в направлении утилизации использованных масел представляется их переработка на маслорегенерационных заводах с применением физических, физико-химических, химических и комбинированных методов. К первым относятся отстаивание, центрифугирование, фильтрация, отгонка легких топливных фракций, вакуумная перегонка (наиболее эффективна). Физико-химические методы включают коагуляцию загрязнений различными поверхностно-активными веществами (ПАВ). Химические методы представлены сернокислыми и щелочными, пригодными для воздействия на большинство загрязнителей и продуктов окисления, маслами. Современные методы очистки позволяют извлекать около 70% полностью регенерированного продукта.

Часто нефтепродукты сжигаются в качестве котельного топлива или в печах для обжига цементного клинкера. Однако значительное количество разнообразных нефтеотходов не утилизируются и не регенерируются, создавая сложные проблемы их хранения, зачастую в непосредственной близости от населенных пунктов. На отдельных предприятиях применяют различные методы ликвидации отходов путем сжигания.

Одним из основных методов утилизации древесных отходов является получение искусственной древесины: древесно-цементных материалов, древесностружечных и древесноволокнистых плит, древесно-слоистых пластиков и др. Древесные отходы в брикетированном виде применяют в качестве заводского и бытового топлива. Древесные опилки вводят как порошкообразный материал при производстве керамзита.

Существенную экологическую опасность представляют отходы пластмасс из-за их стойкости к воздействию окружающей среды. Ежегодно около 30% потребляемых пластмасс переходит в отходы, составляющие в развитых странах 10 кг на одного жителя. Доля этих материалов на бытовых свалках достигает 7%.

Следует отметить следующие основные направления утилизации отходов пластмасс: а) переработка в изделия; б) использование в качестве готового материала для других технологических процессов; в) пиролиз в специальных печах.

При переработке пластмассовых отходов получают пленку для мусорных мешков; трубы для прокладки кабеля; хозяйственные ведра; детали сантехники; ручки, ящики для растений и др.

Отходы пластмасс утилизируют в композиции с традиционными строительными материалами для производства звукоизоляционных плит и панелей.

В последние годы в промышленно развитых странах распространяется пиролиз пластмассовых отходов. При этом образуются низкомолекулярные вещества, которые после отделения примесей служат исходным сырьем для получения различных продуктов, в том числе бензина, керосина, масел, нефти и других углеводородов, а также аммиака.

Термическое обезвреживание пластмасс сжиганием целесообразно в тех случаях, когда не могут быть использованы методы их обработки и регенерации. В обычных мусорных печах без применения специальных технологий сжигания нельзя утилизировать отходы пластмасс из-за возможного образования диоксинов, имеющих чрезвычайно низкие допустимые нормы выбросов, составляющие, по различным данным, 10^–12–10^-14 мг/м³.

Отходы резинотехнических (РТИ) представлены резиновыми и резинотканевыми, а также текстильными и резинометаллическими изделиями. Резиновые невулканизированные отходы сортируют и очищают от посторонних включений, смешивают в вальцах и в разогретом состоянии направляют для производства готовой продукции. Вулканизированный материал используют для изготовления резиновой крошки, применяемой в качестве добавки.

Основными направлениями комплексной переработки и утилизации изношенных покрышек являются: производство регенерата; технического углерода и других продуктов методом пиролиза; выработка тепла и электроэнергии при сжигании покрышек (в печах для обжига цементного клинкера, в коксовых батареях, котлах); использование в качестве восстановителя и науглероживателя в установках по рафинированию меди и алюминия, в чугуноплавильных печах; выпуск резиновой крошки для производства гидроизоляционных, строительных и некоторых технических материалов.

Отходы коксохимической промышленности и обогащения угля применяют при изготовлении строительных материалов (обыкновенного и пустотелого кирпича аглопорита, пористого заполнителя, гравия), в дорожном строительстве, при сооружении гидротехнических сооружений. Степень использования этих отходов находится на уровне 20 %.

 

Вопросы для самопроверки

 

1 Какие вещества относятся к органическим?

2 Назовите основные виды органических веществ.

3 Укажите наиболее важные источники органических соединений.

4 На каких принципах основан процесс коксования?

5 Назовите основные продукты, получаемые в коксохимическом производстве.

6 Охарактеризуйте роль и значение кокса в различных отраслях народного хозяйства.

7 Какими свойствами должен обладать уголь, используемый для коксования?

8 Перечислите продукты, получаемые в результате глубокой переработки нефти.

9 Охарактеризуйте роль нефти в современном мире.

10 Раскройте сущность процесса перегонки нефти.

11 Перечислите факторы загрязнения окружающей среды нефтепродуктами.

12 Произведите сопоставление природного газа и нефти как источников тепла.

13 Чем обусловлена необходимость комплексной переработки нефти и природного газа?

14 Перечислите материалы, относящиеся к полимерам.

15 От чего зависят типы и разнообразные свойства полимерных материалов?

 

 

Промышленная инфраструктура

 

К промышленной инфраструктуре относятся отрасли материального производства, обеспечивающие эффективное функционирование других народнохозяйственных отраслей и важнейших систем жизнеобеспечения населения. Определяющими в ней являются электроэнергетика и транспорт.

Электроэнергетика