Файл: Тема выпускной квалификационной работы Анализ ассортимента, свойства и применение термопластичных фторсодержащих полимеров.docx

Аннотация

Тема выпускной квалификационной работы «Анализ ассортимента, свойства и применение термопластичных фторсодержащих полимеров»

В работе проведен анализ ассортимента, свойств и области применения фторсодержащих термопластичных полимеров. Выбрано вещество для целевого анализа процесса его получения. В качестве процесса выбрана суспензионная полимеризация трифторхлорэтилена в водной среде. Произведен термодинамический анализ данной реакции.

Приведены расчеты материального и теплового балансов. Для проведения процесса выбран и рассчитан реактор. Составлена операторная схема и принципиальная технологическая схема процесса проведения превращения, которая дает общее представление о физико-химической сущности процесса.

Работа включает 51 страницу, 8 рисунков, 17 таблиц, 26 литературных ссылок.

Содержание

Введение

С середины 20-го века человечество затрачивает огромное количество ресурсов на совершенствование полимерных материалов, которые крепко вошли во все ниши нашей жизни. Медицина, авиа-, авто-, судостроение, пищевое производство, и конечно же быт. Во всех этих и многих других отраслях производства и жизни полимеры нашли себе широкое применение, что и позволило усовершенствовать промышленность, сделав ее более простой и производительной. На общем фоне очень ярко выделяются фторсодержащие термопласты благодаря своим особенным свойствам. Фторопласты, благодаря своей структуре слабо подвержены влиянию агрессивной среды, а также обладают рядом крайне впечатляющих эксплуатационных физико-механических свойств.

---

История фторопласта началась со случайного открытия политетрафторэтилена (ПТФЕ, PTFE, Ф-4). Был получен химиком Роем Планкеттом в лаборатории Джексона компании DuPont в США, штат Нью Джерси. С тех пор было разработано множество видов фторопластов, которые применяются повсеместно.

На мировом рынке производство фторопластов имеет крайне интересную динамику развития. На 2015 год объем мирового производства составлял 163 тысячи тонн, это примерно 4,36 млрд. долларов. В 2018 году объем производства вырос до 199 тысяч тонн, а стоимость достигла 5,1 млрд. долларов. На 2021 год объем производства составил около 233 тысяч тонн в год, а суммарная стоимость составляет около 7,38 млрд. долларов.

На данный момент человечество стремительно развивает эту отрасль, модернизируя уже известные виды фторопластов, для получения целевых изделий, которые применяются в особых условиях. Также проводятся исследования по разработке новых видов фторопластов и совершенствованию производства уже известных. Поскольку не смотря на потрясающие свойства изделий из фторопластов стоимость их производства до сих пор является относительно не дешевым мероприятием.

Целью работы является изучение теоретических и инженерных основ получения фторопласта-3.

Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи

1. 
   Провести аналитический обзор научно-технической и патентной литературы. Выбрать оптимальный способ получения фторопласта-3
   
2. 
   Изучить физико-химические основы и выполнить термодинамический анализ процесса получения фторопласта-3.
   
3. 
   Составить операторную и принципиальную технологическую схему полимеризации фторопласта-3, подобрать необходимые аппараты для синтеза
   
4. 
   Выполнить материальный и тепловой балансы и осуществить расчет реактора.
   

1 Фторсодержащие термопластичные полимеры (Аналитический обзор научно-технической и патентной литературы)

Фторопласт — высокомолекулярное соединение, называемое полимером. Входит в состав группы конструкционных пластиков. Получается химическим путем, а именно в процессе полимеризации. Обладает высокой химической стойкостью, из-за наличия в своей основной цепи сопряженного атома фтора. В связи с этим соединение данного класса не растворимы во многих органических растворителях

---

, в воде, а также обладает низкой смачиваемостью водой.

Для большинства фторсодержащих термопластов характерны высокие показатели диэлектрических свойств, электрической прочности. Обладают низким коэффициентом трения, слабо подвержены износу. Как было ранее сказано практически химически инертны, даже по отношению к агрессивным средам. На них также слабо влияют различные старители. Одним из преимуществ является их огнестойкость и самозатухание. У некоторых представителей характерным минусом является наличие хладотекучести.

Существует несколько видов фторопластов, отличающихся по химическому строению, в связи с чем они имеют и отличающиеся свойства. Благодаря своим особенностям, отличаются и области применения изделий созданных из того или иного вида фторопластов.

Наиболее известные фторопласты на данный момент:

• 
  Фторопласт-4 (Политетрафторэтилен)
  
• 
  Фторопласт-3 (Политрифторхлорэтилен)
  
• 
  Фторопласт-2 (Поливинилиденфторид)
  

Также существуют различные виды модификаций данных фторопластов, но для начал познакомимся более подробно с каждым из представленных термопластов.

---

1.2 Фторопласт-4

Фторопласт-4 (Политетрафторэтилен) - высокомолекулярный кристаллизованный полимер – уникальный материал, полученный химическим путем. Он обладает практически абсолютной химической стойкостью, не изменяется даже при кипячении в «царской водке». Такое сочетание уникальных физико-механических и химических свойств, которыми обладает Ф-4, невозможно найти ни в каком другом материале.

Звено данного материала обладает следующим строением:



Своей чрезвычайной химической стойкостью политетрафторэтилен обязан 4 атомам фтора, которые создают высокий экранирующий эффект. Также из-за своей структуры фторопласт-4 обладает рядом следующих выдающихся качеств.

При высоких температурах данный тип фторопластах подвержен влиянию расплавам щелочных металлов, трехфтористого хлора и фтора. Не растворим в минеральных и органических кислотах и щелочах, растворителях, окислителях, газах и других агрессивных средах. Не смачивается водой и не подвергается воздействию воды при длительных испытаниях. Фторопласт-4 обладает очень высокими диэлектрическими свойствами[19].

Для изделий из данного фторопласта характерна высокая стойкость к вольтовой дуге. Изделия из данного полимера могут эксплуатироваться в тропических условиях, поскольку не подвержены влиянию грибков. Рабочий температурный диапазон находится в пределах от -269^ОС до +260 ^ОС, а температура плавления около +327 ^ОС. Выше данной температуры кристаллическая структура пропадает, а изделие превращается в аморфный материал, который не переходит из высокоэластичного в вязкотекучее состояние даже при достижении температуры разложения(+415 ^ОС). У фторопласта-4 крайне низкая поверхностная энергия, что позволяет применять его в качестве антиадгезионного материала [19]. Стоек к сорбции веществ и к нарастанию различных отложений на своей поверхности. Также политетрафторэтилен обладает способностью пропускать УФ-лучи, высокой стойкостью к окислению и старению в обычных условиях, средний срок службы составляет около 20 лет. Характерна также исключительная стойкость к гидролизу. Обладает высокими антифрикционными свойствами и исключительно низким коэффициентом трения[1].

---

Из фторопласта-4 изготавливают различные изделия: сальники и подшипники в машиностроении, изоляторы и печатные платы в ради- и электротехнике, им обрабатывают изделия для придания им водостойкости, из тефлона делают лабораторную посуду, различные виды протезов в медицине, а также антипригарные покрытия и различные приспособления в химической промышленности.

1.3.Фторопласт-3

Фторопласт-3(политрифторхлорэтилен)– высокомолекулярный гомополимертрифторхлорэтилена.

В отличие от тетрафторэтилена, данный представитель обладает меньшей хладотекучестью, из-за чего может эксплуатироваться под нагрузкой [24]. Политрифторхлорэтилен, как и остальные представители данного класса обладают высокой огнестойкостью, низким поглощением влаги, стойкостью к гидролизу и горячему пару, высокой химической стойкостью, а также способностью сохранять прочность и гибкость при низких температурах. Диапазон рабочих температур у Ф-3 меньше, чем у Ф-4 (от – 195 °С до + 125 °С, плавится примерно при 210 °С), но зато политрифторхлорэтилен обладает улучшенной адгезией к металлам. Фторопласт-3 растворяется только вмезитилене и 2,5-дихлорбензотрифториде. Данный материал плохо склеивается. Фторопласт-3 стоек к радиации. Также одним из преимуществ данного материала является то, что из него можно изготавливать прозрачные изделия.

Мономерное звено данного материала имеет следующее строение:



Из данного полимера изготавливают:прозрачные детали и компоненты, подразумевающие эксплуатацию в агрессивных средах или при очень низких / высоких температурах: смотровые стекла, уплотнения, глазки в нефтехимическом, газовом оборудовании. Детали и компоненты фильтров, уплотнители, мембраны в пожарной технике. Прозрачные детали насосов, вентилей, клапанов, расходомеров, а также другие детали химических установок [2].

1.4 Фторопласт-2

Фторопласт-2(поливинилиденфторид) – частично фторированный термопласт белого цвета со степенью кристалличности 45-55%. Данный фторопласт обладает рядом отличительных свойств

---