TEXTILNÍ CHEMIE Lenka Martinová Technická univerzita v Liberci Katedra netkaných textilií 2008.

Prezentace na téma: "TEXTILNÍ CHEMIE Lenka Martinová Technická univerzita v Liberci Katedra netkaných textilií 2008."— Transkript prezentace:

1 TEXTILNÍ CHEMIE Lenka Martinová Technická univerzita v Liberci Katedra netkaných textilií 2008

2 2 Share of selected fibres in world use, 1900 - 2001

3 Zpracování ropy – frakční destilace  zdroj monomerů pro polymerizace

4 4 Polymery (přírodní i syntetické) Jsou tvořeny většinou atomy uhlíku, vodíku a kyslíku, často dusíku, chloru, křemíku a i jiných prvků značný nepoměr mezi délkou a šířkou makromolekuly a kvalitativně rozdílným typem vazeb v hlavním řetězci Tři „fakta“, která odpovídají za rozdílné chování polymerů  Sumární působení mezimolekulárních sil.  Časově závislý pohyb.  Zapletení řetězců.

5

6 6 Auto Parts Clothing Inc. Digital Electrosnics Firewalker´s Shou Store The Food Court Paint and Decor Pharmacy Dissonance Records Hygiene Industry Medicine Civil engineering, etc. Polymers are Everywhere !

7

8 8 Polymerní vlákno Co je polymerní vlákno? V podstatě se jedná o polymer, jehož řetězce (makromolekuly) jsou víceméně nataženy vedle sebe, všechny podle stejné (podélné) osy – viz obr.

9 9 The intermolecular forces for polymers are the same as for small molecules. Because polymer molecules are so large, though, the magnitude of their intermolecular forces can vastly exceed those between small molecules. The presence of strong intermolecular forces is one of the main factors leading to the unique physical properties of polymers. Intermolecular Forces

10 10 Dispersion Forces Dispersion forces are due to instantaneous dipoles that form as the charge clouds in the molecules fluctuate. Dispersion forces, the weakest of the intermolecular forces, are present in all polymers. They are the only forces possible for nonpolar polymers such as polyethylene. Dispersion Forces Dipole-Dipole Forces Dipole-dipole forces result from the attraction between polar groups, such as those in polyesters and vinyl polymers with chlorine pendant groups. Dipole-Dipole Forcespolyestersvinyl polymerspendant groups Hydrogen Bonds Hydrogen bonding can take place when the polymer molecule contains -OH or -NH groups. Hydrogen bonding is the strongest of the intermolecular forces. Polymers such as poly(vinyl alcohol) and polyamides are hydrogen bonded. Hydrogen Bondspoly(vinyl alcohol) polyamides Intermolecular Forces

11 11 Příprava polymerů Polymery vznikají pospojováním molekul nízkomolekulárních látek – monomerů  chemickými vazbami. Ke vzniku polymerů vedou v zásadě tři typy polymerních reakcí:  Polymerizace (PE, PP, PVC, atd.)  Polyadice (PU, PAD 6)  Polykondenzace (PET, silikony, fenolformaldehydové pryskyřice,atd.) Základní klasifikace polymerů z hlediska jejich chování za běžné a zvýšené teploty: POLYMERY se dělí na plasty a elastomery plasty se dělí na termoplasty a reaktoplasty

12 12 Základní pojmy  Syntetický materiál (hmota) – látka v přírodě neexistující, připravena chemicky (chemickou syntézou) – odtud pojem „syntetický“.  Chemie – nauka (vědní obor) o složení hmoty a změnách, ke kterým v ní za určitých podmínek dochází. Při chemických reakcích vznikají nové vazby mezi atomy.  Relativní molekulová hmotnost – součet relativních atomových hmotností všech atomů v molekule (makromolekule).  Relativní atomová hmotnost – podíl hmotnosti příslušného prvku a jedné dvanáctiny hmotnosti atomu uhlíku (C 12 )  Nízkomolekulární látka – sloučenina o relativní molekulové hmotnosti desítek až stovek.  Makromolekulární látka – synonymum pro polymer, tj. látka o relativní molekulové hmotnosti 10 4 až 10 6.

13 13 Základní pojmy  Makromolekula – stavební částice polymeru.  Monomer – látka, která má schopnost spojovat se za určitých podmínek v makromolekuly.  Mer – opakující se jednotka v makromolekule polymeru, jejíž chemické složení odpovídá složení molekuly příslušného polymeru.  Homopolymer – polymer, jehož molekuly se skládají z merů jednoho druhu.  Kopolymer – polymer, jehož molekuly se skládají z dvou nebo více druhů (terpolymer – 3 druhy, př. ABS).  Konfigurace – prostorové uspořádání atomů v molekule (makro- molekule).  Lineární polymer – polymer, jehož molekuly jsou tvořeny prostými řetězci

14 14 Základní pojmy  Rozvětvený polymer – polymer, jehož makromolekuly jsou tvořeny hlavními řetězci, ke kterým jsou chemickou vazbou připojeny řetězce postranní (obvykle mnohem kratší) → rozvětvení.  Fázový stav – fyzikální stav, ve které se látka za určitých podmínek nachází.  Fáze – oblast jednotného stavu látky.  Krystalický stav – určitým způsobem uspořádaná soustava základních částic (atomů, molekul), kterou lze přesně (u polymerů víceméně přesně) charakterizovat.  Sklovitý stav – neuspořádána soustava základních částic látky v tuhém skupenství, kterou lze charakterizovat zákony statistiky (pravdě-podobnosti).  Kaučukovitý stav – fyzikální stav látky, charakteristický jen pro polymery, na teplotní ose je umístěn mezi skupenství pevné a kapalné.

15 15  Molecules in a thermoplastic are held together by relatively weak intermolecular forces so that the material softens when exposed tointermolecular forces heat and then returns to its original condition when cooled. Most linear and slightly branched polymers are thermoplastic. linear and slightly branched Thermoplastics have a wide range of applications because they can be formed and reformed in so many shapes. Classification of Polymers

16 16 Základní pojmy  Plastický stav – fyzikální stav charakteristický pro polymery v kapalném skupenství.  Teplota zeskelnění – teplota, při které polymer přechází ze stavu kaučukovitého do stavu sklovitého.  Teplota tání – teplota, při které dochází k zániku nebo k vytvoření krystalického stavu.  Teplota toku – teplota, při které polymer přechází ze stavu kaučukovitého do stavu kapalného (plastického).  Termomechanická křivka – závislost mechanických vlastností polymeru na teplotě.

17 17 What happens when you heat an amorphous polymer?

18 18 Polypropylénová vlákna - PP V r. 1954 popsal Natta – izotaktický PP, v r. 1960 – průmyslová výroba  Koordinační sterospecifická polymerizace propylenu s využitím Ziegler-Nattových katalyzátorů  izotaktický PP, molekulová hmotnost granulátu 100 000 až 600 000, vlákna - 50 000 až 250 000. monomer CH 2 = CH polymer - [ CH 2 – CH ] n - I CH 3 CH 3  Výroba vláken: a) klasicky – z taveniny (citlivé na O 2 ), nedloužené vlákno 70 % krystalinity, b) štěpení fólie  Základní fyzikální vlastnosti: izotaktický PP - hustota 900 kg/m 3, teplota tání = 165  C, teplota zeskelnění: -10 až 0  C  Vlastnosti vláken: vysoký koeficient tření, pevnost 1,5 až 6 cN/dtex, tažnost 15 až 60%, voskový omak, srážlivost (v horké vodě 0-5 %), dobré elektroizolační vlastnosti, náchylnost k tvorbě elektrostatického náboje, sorpce vody při 65% RH je 0 až 0,005%

19 19 Polypropylénová vlákna - PP  Termické vlastnosti: teplota žehlení: max. 130  C teplota měknutí 149 – 154  C, teplota tání 165 – 170  C, LOI = 0,18, před hořením se sráží a taví  Vliv světla: málo odolný, nutná fotostabilizace  Odolnost vůči chemikáliím: výborná, porušuje konc. kyselina dusičná a horké konc. alkálie  Výhody: odolnost vůči oděru, trvanlivost, nízká měrná hmotnost, snadná formovatelnost, nízká cena  Nevýhody: nízké (pomalé ) zotavení, nízká navlhavost, nízká tepelná odolnost (tepelná srážlivost), nepříjemný omak, malá tuhost, špatná barvitelnost – možno barvit ve hmotě  Použití: technické textilie, bytové textilie, zdravotnické a sanitární textilie, vícevrstvé textilie

20

21 21 Polyethylen - PE  Polymer - [ CH 2 – CH 2 ] n -  Monomer CH 2 = CH 2  Výrazně citlivější na teplo ve srovnání s PP, teplota tání 125 až 135  C  LDPE x LLDPE x HDPE  Dnes vysoce pevná vlákna DYNEEMA – až 10 cN /dtex  Časté využití v bikomponentních vláknech - buď s/s nebo j/p  Předchůdce SB – PE textilie vyrobená pod tryskou (Petex), minimální dloužení, využití: termopojivá vrstva

22 22 Polyvinylchlorid- PVC - vedle PS jeden z nejdéle známých polymerů - trubky, folie (Igelit), linoleum - velmi odolný proti fotooxidaci - odolný proti vodě, nehořlavý díky přítomnosti Cl - za vyšších teplot se rozkládá za vzniku HCl (jedovatý, korozivní) - pravděpodobně bude stále častěji nahrazován PP. Vyrábí se radikálovou polymerací vinylchloridu.

23 23 Použití – stavebnictví – vodovodní a odpadní trubky, střešní okapy, nádrže pro chemický průmysl, desky pro galvanizovny B) lehčený – práškový PVC + nadouvadlo – konečný výrobek má pěnovou strukturu Použití ve stavebnictví – méně hořlavý než PS A) neměkčený – amorfní, Tg = 83  C C) měkčený – práškový PVC + změkčovadla – po želatinaci se dál zpracovává na fólie, pláštěnky, ubrusy, koženky, podlahové krytiny Polyvinylchlorid- PVC

24 24 Polytetrafluorethylen - PTFE - Teflon - nehořlavý, chemicky stálý - krystalický - teplota tání 335  C Vyrábí se radikálovou polymerizací tetrafluorethylenu:

25 25 Polyestery - PES -vznikají polyesterifikací Esterifikace = reakce karboxylových kyselin a alkoholů K vlastní výrobě polyesterů se využívá tzv. transesterifikace. Aby reakce proběhla v poly měřítku, je nutné vzít ester dikarboxylové kyseliny a diol. Např. polyethylentereftalát (PET) polybutylentereftalát

26 26 Polyamidy – PAD NYLON (du Pont), SILON (Planá nad Lužnicí) - Nylony - amidová skupina = peptidická vazba v bílkovinách - velmi polární, možnost tvorby vodíkových vazeb mezi řetězci  krystalické  pevné a vhodné pro vlákna -známé především jako vlákna (punčochy, textilie, padáky, struny, vlasce, chlupy na zubních kartáčcích) - také oblíbený konstrukční materiál (ozubená kola, obroučky brýlí, ložiska

27 27 Polyamidy – PAD

28 28 Aramidy - polyamidy, ve kterých jsou amidové vazby odděleny aromatickým kruhem - Kevlar (neprůstřelné vesty, nepropíchnutelné pneumatiky na jízdní kola) - Nomex (ohnivzdorné kombinézy pro hasiče a závodní řidiče) Vynikající mechanické vlastnosti jsou dány mimořádně vysokým podílem krystalické fáze. Polyamidová vazba může mít uspořádání cis nebo trans.

29 29 Polyurethany - PU Pokud se k reakci požije diizokyanát a diol, vzniká polyuretan Reakce neprobíhá samovolně. Je nutná přítomnost iniciátoru, např.

30 30 Silikony R = methyl, alkyl, fenyl,…..  (nebo také polysiloxany) jsou anorganicko-organické polymery s obecným vzorcemanorganickoorganicképolymery [R2SiO] n, kde R je organický substituent.  Kostra je tvořena řetězcem, ve kterém se střídají atomy křemíku a kyslíku. Organické skupiny jsou navázány na atomy křemíku.atomykřemíku kyslíku  Jejich tepelná odolnost se pohybuje v intervalu −60 – 180 °C (ve speciálních případech až +350 °C). Jsou odolné vůči UV záření a povětrnostním podmínkám. Další významné vlastnosti jsou vodoodpudivost a paropropustnost.

31 31 Použití: oleje a pasty emulze silikonových olejů,oleje jednosložkové tmely vulkanizující vzdušnou vlhkostí za normální teploty,vzdušnou silikonového plastifikátoru dvousložkové kaučuky vulkanizující po přídavku katalyzátorukatalyzátoru laky (vysoce tepelně odolné) odpěňovače hydrofobizační přípravky (po aplikaci odpuzují vodu)vodu Silikony

32 32 Příprava PVA - nelze připravit polymerací vinylalkoholu!!! - výroba z polyvinylacetátu účinkem vody či alkoholu (probíhá hydrolýza čí alkoholýza) Polyvinylalkohol- PVA

33 33 - lepidla, impregnace papíru a textilu, vodorozpustné barvy - teplota skelného přechodu 30  C Při výrobě latexových barev se PVA takto přemění asi z 80%. Vznikne kopolymer polyvinylacetátu a polyvinylalkoholu: Polyvinylalkohol- PVA

34 34 Skupiny OH jsou hydrofilní, acetátová skupina je hydrofobní. Pokud se taková molekula dostane do vodného roztoku, sbalí se do klubíčka tak, že acetáty jsou schovány uvnitř a hydroxyly koukají ven. Latexové barvy Latex = nerozpustná látka držená v suspenzi nějakou jinou molekulou. Polyvinylalkohol- PVA

35 35 Polymethylmetakrylát - PMMA -vynikající náhrada skla (organické sklo) - pevnější, bezpečnější, průhlednější - bariéry kolem kluzišť - největší použitá tabule 16,6 x 5,5 x 0,33 m (mořské akvárium v Monterrey) - ve formě vodné suspenze je obsažen prakticky ve všech akrylátových barvách - přidává se do mazadel a hydraulických kapalin, kde brání jejich tuhnutí v chladu. - za vyšších teplot (asi 130  C) se rozkládá na monomer - teplota skelného přechodu 120  C

36 36 Vyrábí se radikálovou polymerizací methylmetakrylátu Polymethylmetakrylát -PMMA

37 37 Polyakrylonitril -PAN samotný se skoro nepoužívá - kopolymery s methylakrylátem a methylmetakrylátem - textilní vlákna - kopolymery s vinylchloridem - nehořlavá vlákna - kopolymery se styrenem a butadienem - nejvíce se používá pro výrobu karbonových vláken Vyrábí se radikálovou polymerací akrylonitrilu:

38 38 Karbonová vlákna - pevnější a lehčí než ocel - vznikají zahříváním polyakrylonitrilu Nejprve se při zahřívání spojí nitrilové skupiny za vzniku cyklů:

39 39 Dalším zahřátím dojde k dehydrogenaci za vzniku aromatických pyridinových kruhů. Udržováním teploty na 400 - 600  C se dvě takovéto molekuly mohou spojit.

40 40 Vzniklé molekulární proužky se zahřátím až na 1300  C mohou dále spojovat, tentokrát za odštěpení plynného dusíku.

41 41 Polymerní směsi (Blends) Odhad: asi ¼ polymerů a elastomerů jsou směsi Důvody rychlého rozvoje: Nízká cena Jednoduchost výroby Široká možnost úpravy vlastností Možnost zhodnocení odpadních polymerů Problém: mísitelnost polymerů – většina polymerů je vzájemně nemísitelná (vyplývá z termodynamiky polymerních směsí)  separační tendence, hrubofázová struktura. Nejčastěji – mikroheterogenní směs malých částic, důležitý je vznik velkého povrchu mezi oběma fázemi. Jestliže polymery mají blízké povrchové energie – budou tvořit velké styčné plochy – jemné disperze (pouze kvalitativní hodnocení, v tavenině může být vše jinak)

42 42 Řešení: modifikace meziifází, tzv. kompatabilizace (vede k větší stabilitě vícefázové směsi) Kompatibilizátor by měl:  Zajistit jemnější disperzi složek při míchání  Být přednostně lokalizován na mezifází  Potlačit separační tendence jednotlivých fází zvýčit mezifázovou adhezi Kompatibilizace obecně nevede k mísitelnosti na molekulární úrovni (minoritní dispergovaná fáze – útvary cca jednotky až desetiny mikrometrů) Podmínka mísitelnosti polymerů: interakce mezi funkčními skupinami nebo segmenty řetězce, aby se překonaly intramolekulární kohezní síly G mix  0 G mix = H mix – T –S mix [  (  G mix ) /   2 2 ] T,P > 0 Kde  2 je koncentrace složky 2.

43 43 Hodnocení: přímé měření termodynamických veličin není možné, Posuzování změn v transparentnosti směsného materiálu (nepřesné) Teplota skelného přechodu (identifikace obou Tg –nemísitlelné materiály). Určení Tg pomocí DSC, DTA, aplikace IR Způsoby kompatibilizace:  přídavek blokových nebo roubovaných (BU+ST) polymerů (shoda nebo podoba s mísitelným polymerem)  přídavek iniciátorů vedoucích k roubovacím nebo síťovacím reakcím  zavedení funkčních skupin a jejich následná reakce (karboxylové skupiny do PE a s PAD silné acidobázické vazby) skupiny do PE a s PAD silné acidobázické vazby)  použití techniky vzájemně se pronikajících sítí  přídavek společného rozpouštědla  aplikace vysokých smykových napětí při míchání polymerních  směsí  přídavek povrchově aktivních plniv

44 44 Chlorovaný PE pro PE/PVC Slitiny PAD s PE nebo PP Slitiny PC a PES Využití: Zlepšení houževnatosti Zlepšení zpracovatelnosti Zlepšení bariérových vlastností (PAD +PE, PP+ kopolymer ethylen/vinylalkohol) Možnost využití odpadních polymerů Kompatibilizace polyolefinů

45 45 Kopolymery EVA - ethylen - vinylacetát - větší odolnost při nízkých teplotách - acetátová funkční skupina jde využít k chemickým reakcím (lepidla, nánosy na tkaniny Kopolymery ethylen - akryláty - větší chemická odolnost Ionomery - kopolymery s nenasycenými kyselinami - lze připravit jejich soli - za tepla lineární (tvárné), za studena zesíťované (pevné) - velice perspektivní Kopolymery

46 46 - jeden z nejdéle známých polymerů - termoplast, teplota tání 270  C (syndiotaktický), teplota - skelného přechodu 100  C Vyrábí se polymerací styrenu : Polymerace probíhá snadno radikálovým mechanismem. Vzniká ataktický polystyren, který je amorfní, za normálních podmínek křehký a málo pevný. Pokud se polymerace provede v přítomnosti uhlovodíků (n-pentan), vzniká pěnový polystyren. Polystyren -PS

47 47 Styren - akrylonitril - SAN - větší pružnost a chemická odolnost Akrylonitril - butadien - styren - ABS - větší pevnost Styren - butadien - styren - SBS - blokový kopolymer, aniontová polymerace - PS je tvrdý a křehký termoplast, butadien je měkký a pružný - SBS je tvrdý a pružný termoplast Kopolymery

48 48 Kopolymer butadien – styren - rázuvzdorný polystyren

49 49 Polymery v textilním průmyslu 1.Vlákna (monokomponentní, bikomponentní, „ostrůvky v moři“, segmentový koláč, atd. 2.Pojiva – termoplastické vlákna, prášky a mřížky, pasty, polymerní disperze, výjimečně polymerní roztoky 3.Polymery v textilních úpravách

50 TRADITIONAL TEXTILE FIBERSHI-TECH FIBERS PETAramid (Nomex/Kevlar) Polyolefin (PP/PE)Conductive Nylon Nylon Bi-componentBi-component (side-by-side, sheath-core, segmented pie and sea-island) CottonMelamine (heat & flame resistant) RayonSuperabsorbent WoolHollow fibers LyocellSpandex fibers (polyether) ModacrylicFusible co-PET fiber PA-6 support/matrix fiber Glass micro-fiber Chlorofiber Antibacterial fiber Stainless steel Rubber thread PTFE Nanofibers

51 51 Polymery v textilních úpravách - zátěr latexovou hmotou, použití pro koberce, zátěžové koberce - zátěr (silikonový, polyuretanový apod.) na polyesterový textil Zátěr je trvalá impregnace, nanášená přímo na materiál v různě silných polyuretanových vrstvách. Vzniká tak nepromokavá vysoce ohebná povrchová úprava látky na bázi polyuretanu.

52 52 Abrasion Microscopy and Optical Adhesion Optical Ageing Ozone Creep Permeability & moisture content Compression Quality Testing Chemical Resistance Relaxation Cure Resilience Density Rheological Differential Scanning Calorimetry Scratch Resistance Differential Mechanical Thermal Analysis Set Dimensional Shear Dynamic Slip Resistance Environmental Softening Point Electrical Resistance & Resistivity Stress/Strain Electrical Strength Stress Relaxation Fatigue Tear Flexural Tensile Friction Thermal Analysis Hardness Thermogravimetric Analysis (TGA) Impact Thermal Diffusivity (TD) Low Temperature Weathering (Light Resistance) Melt Flow Index Benefits of using our expertise Comprehensive range of services and facilities availableComprehensive range of services and facilities available One stop service - everything from sample preparation to test method developmentOne stop service - everything from sample preparation to test method development Internationally recognised professional testing laboratory.Internationally recognised professional testing laboratory. Abrasion Microscopy and Optical Adhesion Optical Ageing Ozone Creep Permeability & moisture content Compression Quality Testing Chemical Resistance Relaxation Cure Resilience Density Rheological Differential Scanning Calorimetry Scratch Resistance Differential Mechanical Thermal Analysis Set Dimensional Shear Dynamic Slip Resistance Environmental Softening Point Electrical Resistance & Resistivity Stress/Strain Electrical Strength Stress Relaxation Fatigue Tear Flexural Tensile Friction Thermal Analysis Hardness Thermogravimetric Analysis (TGA) Impact Thermal Diffusivity (TD) Low Temperature Weathering (Light Resistance) Melt Flow Index Benefits of using our expertise Comprehensive range of services and facilities availableComprehensive range of services and facilities available One stop service - everything from sample preparation to test method developmentOne stop service - everything from sample preparation to test method development Internationally recognised professional testing laboratory.Internationally recognised professional testing laboratory. Abrasion Microscopy and Optical Adhesion Optical Ageing Ozone Creep Permeability & moisture content Compression Quality Testing Chemical Resistance Relaxation Cure Resilience Density Rheological Differential Scanning Calorimetry Scratch Resistance Differential Mechanical Thermal Analysis Set Dimensional Shear Dynamic Slip Resistance Environmental Softening Point Electrical Resistance & Resistivity Stress/Strain Electrical Strength Stress Relaxation Fatigue Tear Flexural Tensile Friction Thermal Analysis Hardness Thermogravimetric Analysis (TGA) Impact Thermal Diffusivity (TD) Low Temperature Weathering (Light Resistance) Melt Flow Index Benefits of using our expertise Comprehensive range of services and facilities available -One stop service - everything from sample preparation to test method development Internationally recognised professional testing laboratory. Testing of polymers

53 53 Testing of polymers MACROGALERIA http://www.pslc.ws/macrog/maindir.htm

54 54 Opakování - matka moudrosti   Otázky: 1. Čím se liší polymer od nízkomolekulární látky? 2. Uveďte příklady polymerů a nízkomolekulárních látek 3. Vysvětlete pojem monomer. 4. Způsoby výroby polymerů. 5. Charakteristické teploty pro polymery. 6. Charakteristické vlastnosti polymerů. 7. Kde se setkáváte s polymery v denním životě? 8. Chemické složení polymerů (prvky nejčastěji v polymerech obsažené)

55 Studijní zdroje http://www.pslc.ws/macrog/index.htm http://www.ft.tul.cz/depart/knt/nove/dokumenty/studmaterialy/skripta_martinova.dochttp://www.ft.tul.cz/depart/knt/nove/dokumenty/studmaterialy/skripta_martinova.doc http://www.ft.tul.cz/depart/knt/nove/dokumenty/studmaterialy/tch/tch.ppt#110 Mleziva, J. (1993) Polymery- výroba, struktura, vlastnosti a použití, Sobotáles, Praha.

56 56 Děkuji za pozornost! E-mail: lenka.martinova@tul.cz