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                尼龍工程塑料發展史

                時間:2019-07-24 12:42 閱讀:865 來源:互聯網
                人們對尼龍并不陌生,尼龍制品在日常生活中比比皆是,它是美國杰出的科學家卡羅瑟斯(Carofhers)及其領導下的一個科研小組研制出來的,是世界上出現的第一種合成纖維。尼龍的出現使紡織品的面貌煥然一新,它的合成是合成纖維工業的重大突破,同時也是高分子化學的一重要里程碑。

                  1928年,美國最大的化學工業公司——杜邦公司成立了基礎化學研究所,年僅32歲的卡羅瑟斯博士受聘擔任該所的負責人。他主要從事聚合反應方面的研究。他首先研究雙官能團分子的縮聚反應,通過二元醇和二元羧的酯化縮合,合成長鏈的、相對分子質量高的聚酯。在不到兩年的時間內,卡羅瑟斯在制備線型聚合物,特別是聚酯方面取得了重要的進展,將聚合物的相對分子質量提高到10 000~25 000,他把相對分子質量高于10 000的聚合物稱為高聚物(Superpolymer)。1930年,卡羅瑟斯的助手發現,二元醇和二元羧酸通過縮聚反應制取的高聚酯,其熔融物能像制棉花糖那樣抽出比來,而且這種纖維狀的細絲即使冷卻后還能繼續拉伸,拉伸長度可達到原來的幾倍,經過冷卻拉伸后纖維的強度、彈性、透明度和光澤度都大大增加。這種聚酯的奇特性質使他們預感到可能具有重大的商業價值,有可能用熔融的聚合物來紡制纖維。然而,繼續研究表明,從聚酯得到纖維只具有理論上的意義。因為高聚酯在100oC以下即熔化,特別易溶于各種有機溶劑,只是在水中還稍穩定些,因此不適合用紡織。

                   隨后卡羅瑟斯又對一系列的聚酯和聚酰胺類化合物進行了深入的研究。經過多方對比,選定他在1935年2月28日首次由已二胺和已二酸合成的聚酰胺66(第一個6表示二胺中的碳原子數,第二個6表示二酸中的碳原子數)。這種聚酰胺不溶于普通溶劑,熔點為263oC,高于通常使用的熨燙溫度,拉制的纖維具有絲的外觀和光澤,在結構和性質上也接近天然絲,其耐磨性和強度超過當時任何一種纖維。從其性質和制造成本綜合考慮,在已知聚酰胺中它是最佳選擇。接著,杜邦公司又解決了生產聚酰胺66原料的工業來源問題,1938年10月27日正式宣布世界上第一種合成纖維誕生了,并瘵聚酰胺66(PA66)這種合成纖維命名為尼龍(Nylon)。尼龍后來在英語中成了“從煤、空氣、水或其他物質合成的,具有耐磨性、類似蛋白質化學結構的所有聚酰胺的總稱”。生產尼龍的過程表示如下:

                  1、干燥溫度和方式
                  
                  包括原料的烘干方式、溫度和時間。原料的烘干主要采用烘箱或料斗式干燥機,研究發現,這兩種烘干方式只能去除原料的表面水分,無法去除原料的內在水分,因此應改用真空轉鼓干燥機來干燥。真空干燥的優點在于其不僅能去除原料深層的水分,更能利用抽真空來提高干燥效率,防止原料氧化變黃。干燥工藝宜采用0. 25MPa壓力的蒸汽,干燥時間也可由以前的10 h減少到3 h,干燥溫度可由以前的105℃降到100℃。采用這種烘干工藝可將原料的含水率控制在0. 2%以下,也解決了以前原料在烘干過程中出現的降解和發黃現象,使材料保持了原有的柔韌度。
                  
                  干燥設備和注塑機料筒之間一般不直接相連,干燥后的原料需要在中間料倉存放。要特別注意是干燥后的原料在存放過程中的密封問題,如果存放過程中出現二次吸水,在生產中仍會產生氣泡或中空現象。
                  
                  2、注射方式
                  
                  通過大量實驗得到較為理想的注塑工藝。先把注射溫度由以前的3段改為4段, 1~4段的溫度分別為: 270~275℃、280~285℃、285~290℃及280~285℃。然后將注射速率也由以前的2級改為3級, 1~3級的注射速率分別為35、60、50(相對值),即注射方式由前期的由快到慢改為慢—快—慢。
                  
                  3、噴嘴溫度
                  
                  噴嘴溫度應低于料筒溫度,一般控制在280℃左右。若噴嘴溫度太高,制件會出現氣孔或制件發黃,嚴重時制件易脆化;若噴嘴溫度太低,熔體易凝固而將噴嘴堵死或凝料被注入噴嘴,制件發脆或熔接痕明顯。
                  
                  4、模具溫度
                  
                  模具溫度應控制在70~90℃。若模具溫度太高,冷卻速率減小,從而延長成型周期,制件出現凹痕或氣泡。反之,冷卻速率增大,易出現熔體流動結晶現象,制件發脆,熔接痕明顯。
                  
                  5、注塑壓力
                  
                  在注塑生產中,注塑壓力是一個關鍵因素。注塑壓力包括塑化壓力和注射壓力。塑化壓力應使螺桿塑化進料順暢為宜,一般應保持在注塑機最大塑化壓力的60% ~80%;注射壓力應以保證制品完全充滿型腔而不產生批峰為宜,生產尼龍梭坯時,一般保持在40~60MPa。當注塑壓力過高時,熔體充模過快,在澆口附近以湍流形式進入而發生“自由噴射”,裹帶空氣進入制件,從而在制件表面產生云霧斑或閃金光缺陷。當注塑壓力過低時,原料進入型腔緩慢,緊貼型腔壁面的原料會由于溫度急速下降而使粘度增高,并很快向流動軸心波及,使塑料流動通道在很短時間內變得十分狹窄,大大降低了型腔壓力,結果會使制件表面出現波紋、缺料、氣泡等缺陷,有時還會脆性破裂。
                  
                  6、冷卻、保壓和注射時間
                  
                  時間的長短直接影響到制件的質量和生產效率。生產尼龍梭坯的時間主要包括冷卻時間、保壓時間和注射時間。冷卻時間太短,易產生主流道粘模、水口破裂等問題,一般將冷卻時間設在8~10 s為宜。保壓時間長短與料溫有直接關系,熔體溫度高,澆口封閉時間長,保壓時間也長;反之保壓時間短。當保壓時間太短時,制件易發脆、尺寸不穩定,容易出現凹痕、氣泡等;當保壓時間太長時,制品易粘模。一般將保壓時間設在10~15 s為宜。注射時間由分級注射的級次決定,生產中將以前分2級注射的工藝改為3級注射,每一級可按不同的時間進行控制。當充模時間適當時,制件內外各向應力一致,收縮凹陷小,顏色較均勻,能較好地保證制件的豐滿度。若注射時間過短,充料不足,制件易出現凹痕、分層、結合不良、發脆等癥狀,若注射時間過長,制件易出現坡峰、發黃、翹曲乃至燒傷變焦。一般將注射總時間定在20 s,按3個級別分配,級別之間可根據實際情況互相調整。
                  
                  7、尼龍梭坯的定型和后處理
                  
                  尼龍梭坯的定型和后處理主要是為了穩定制件尺寸和消除制件內應力,提高制件的尺寸穩定性。先將事先準備好的定型塊置于梭坯的型腔里,再將其放置在水或乙酸鉀溶液中(使其全部沒入),控制溶液溫度為100℃,處理24 h后即可達到吸濕平衡。然后取出模塊,擦凈晾干,經檢驗合格后即為成品梭坯,可進入下一道工序。

                  目前世界上尼龍纖維的年產量已達數百萬噸,尼龍以其高強度、耐磨等獨特優越的性能,在民用和工業方面得到了廣泛的應用。

                 

                  本世紀初,企業界搞基礎科學研究還被認為是一種不可思議的事情。1926年美國最大的工業公司-杜邦公司的的董事斯蒂恩(Charles M. A. Stine,l882~1954)出于對基礎科學的興趣,建議該公司開展有關發現新的科學事實的基礎研究。1927年該公司決定每年支付25萬美元作為研究費用,并開始聘請化學研究人員,到1928年杜邦公司在特拉華州威爾明頓的總部所在地成立了基礎化學研究所,年僅32歲的卡羅瑟斯(Wallace H. Carothers,1896~1937)博士受聘擔任該所有機化學部的負責人。


                  卡羅瑟斯1896年4月27出生于美國洛瓦的伯靈頓。他開始受教育的是在得梅因公立學校,1914年從北方中學畢業??_瑟斯的父親在得梅因商學院任教,后來擔任過該院的副院長。受他父親的影響卡羅瑟斯18歲時進入該院學習會計,他對這一專業并不感興趣,倒是很喜歡化學等自然科學,因此,一年以后轉入一所規模較小的學院學習化學。1920年獲理學學士學位。1921年在 伊利諾伊大學取得碩士學位,后來在南邊柯他大學任教,講授分析化學和物理化學。1923年又回到伊利諾伊大學攻讀有機化學專業的博士學位。 在導師羅杰.亞當斯(Roger Adams,1889-1971)教授的指導下,完成了關于鉑黑催化氫化的論文,初步顯露了他的才華,獲得博士學位后隨即留校工作。1926年到哈佛大學教授有機化學。由于卡羅瑟斯性格內向,他認為搞科學研究更能發揮自己的聰明才智,于是1928年受聘來到了杜邦公司??_瑟斯來到杜邦公司的時候,正值國際上對德國有機化學家斯陶丁格(Hermann Staudinger,1881~1965) 提出的高分子理論展開了激烈的爭論,卡羅瑟斯贊揚并支持斯陶丁格的觀點,決心通過實驗來證實這一理論的正確性,因此他把對高分子的探索作為有機化學部的主要研究方向。一開始卡羅瑟斯選擇了二元醇與二元羧酸的反應,想通過這一被人熟知的反應來了解有機分子的結構及其性質間的關系。在進行縮聚反應的實驗中,得到了分子量約為5000的聚酯分子。為了進一步提高聚合度,卡羅瑟斯改進了高真空蒸餾器并嚴格控制反應的配比,使反應進行得很完全,在不到兩年的時間里使聚合物的分子量達到10000~20000。


                  1930年卡羅瑟斯用乙二醇和癸二酸縮合制取聚酯,在實驗中卡羅瑟斯的同事希爾在從反應器中取出熔融的聚酯時發現了一種有趣的現象:這種熔融的聚合物能像棉花糖那樣抽出絲來,而且這種纖維狀的細絲即使冷卻后還能繼續拉伸,拉伸長度可以達到原來的幾倍,經過冷拉伸后纖維的強度和彈性大大增加。這種從未有過的現象使他們預感到這種特性可能具有重大的應用價值,有可能用熔融的聚合物來紡制纖維。他們隨后又對一系列的聚酯化合物進行了深入的研究。由于當時所研究的聚酯都是脂肪酸和脂肪醇的聚合物,具有易水解、熔點低(<100℃)、易溶解在有機溶劑中等缺點,卡羅瑟斯因此得出了聚酯不具備制取合成纖維的錯誤結論,最終放棄了對聚酯的研究。順便指出,就在卡羅瑟斯放棄了這一研究以后,英國的溫費爾德T.R.Whinfield,1901-1966)在汲取這些研究成果的基礎上,改用芳香族羧酸(對苯二甲酸)與二元醇進行縮聚反應,1940年合成了聚酯纖維-滌綸,這對卡羅瑟斯不能不說是一件很遺憾的事情。


                  為了合成出高熔點口高性能的聚合物,卡羅瑟斯和他的同事們將注意力轉到二元胺與二元羧酸的縮聚反應上,幾年的時間里卡羅瑟斯和他的同事們從二元胺和二元酸的不同聚合反應中制備出了多種聚酰胺,然而這此物質的性能并不太理想。1935年初卡羅瑟斯決定用戊二胺和癸二酸合成聚酰胺(即聚酰胺510),實驗結果表明,這種聚酰胺拉制的纖維其強度和彈性超過了蠶絲,而且不易吸水,很難溶,不足之處是熔點較低,所用原料價格很高,還不適宜于商品生產。緊接著卡羅瑟斯又選擇了己二胺和己二酸進行縮聚反應,終于在1935年2月28 日合成出聚酰胺66。這種聚合物不溶于普通溶劑,具有263℃的高熔點,由于在結構和性質上更接近天然絲,拉制的纖維具有絲的外觀和光澤,其耐磨性和強度超過當時任何一種纖維,而且原料價格也比較便宜,杜邦公司決定進行商品生產開發。


                  要將實驗室的成果變成商品、一是要解決原料的工業來源;二是要進行熔體絲紡過程中的輸送、計量、卷繞等生產技術及設備的開發。生產聚酰胺66所需的原料-己二酸和己二胺當時僅供實驗室作試劑用,必須開發生產大批量、價格適宜的己二酸和己二胺,杜邦公司選擇豐富的苯酚進行開發實驗,到1936年在西弗吉尼亞的一家所屬化工廠采用新催化技術,用廉價的苯酚大量生產出己二酸,隨后又發明了用己二酸生產己二胺的新工藝.杜邦公司首創了熔體絲紡新技術,將聚酚胺66加熱融化,經過濾后再吸入泵中,通過關鍵部件(噴絲頭)噴成細絲,噴出的絲絲經空氣冷卻后牽伸、定型。1938年7月完成中試,首次生產出聚酰胺纖維.同月用聚酰胺66作牙刷毛的牙刷開始投放市場。10月27日杜邦公司正式宣布世界上第一種合成纖維正式誕生了,并將聚酚胺66(PA6)這種合成纖維命名為尼龍(nylon),這個詞后來在英語中變成了聚酰胺類合成纖維的統用商品名稱。杜邦公司從高聚物的基礎研究開始歷時11年,耗投2200萬美元,有230名專家參加了有關的工作,終于在1939年底實現了工業化生產。遺憾的是尼龍的發明人卡羅瑟斯沒能看到尼龍的實際應用。由于卡羅瑟斯一向精神抑郁,有一個念頭使他無法擺脫,總認為作為一個科學家自己是一個失敗者,加之1936年他喜愛的孿生姐姐去世,使他的心情更加沉重,這位在聚合物化學領域作出了杰出貢獻的化學家,于1937年4月29日在美國費城一家飯店的房間里飲用了摻有氰化鉀的檸檬汁而自殺身亡。為了紀念卡羅瑟斯的功績,1946年杜邦公司將烏米爾特工廠的尼龍研究室改名為卡羅瑟斯研究室。


                  尼龍的合成奠定了合成纖維工業的基礎,尼龍的出現使紡織品的面貌煥然一新。用這種纖維織成的尼龍絲襪既透明又比絲襪耐穿,1939年10目24日杜邦在總部所在地公開銷售尼龍絲長襪時引起轟動,被視為珍奇之物爭相搶購,混亂的局面迫使治安機關出動警察來維持秩序。人們曾用"象蛛絲一樣細,象鋼絲一樣強,象絹絲一樣美"的詞句來贊譽這種纖維。到1940年5月尼龍纖維織品的銷售遍及美國各地。從第二次世界大戰爆發直到1945年,尼龍工業被轉向制降落傘、飛機輪胎簾子布、軍服等軍工產品。由于尼龍的特性和廣泛的用途,第二次世界大戰后發展非常迅速,尼龍的各種產品從絲襪、衣著到地毯,漁網等,以難以計數的方式出現。最初十年間產量增加25倍,1964年占合成纖維的一半以上,至今聚酰胺纖維的產量雖說總產量已不如聚酯纖維多,但仍是三大合成纖維之一。


                  尼龍的發明從沒有明確的應用目的的基礎研究開始,最終卻導致產生了改變人們生活面貌的尼尤產品,成為企業辦基礎科學研究非常成功的典型。它使人們認識到與技術相比科學要走在前頭,與生產相比技術要走在前頭;沒有科學研究,沒有技術成果,新產品的開發是不可能的。此后,企業從事或資助的基礎科研在世界范圍內如雨后春筍般地出現,使基礎科研的成果得以更迅速地轉化為生產力?! ?/p>


                  尼龍的合成是高分子化學發展的一個重要里程碑。杜邦公司開展這項研究以前,國際上對高分子鏈狀結構理論的激烈爭論主要是缺乏明晰的毫無疑義的實驗事實的支持。當時對縮聚反應研究得還很少,得到的縮聚物并不完滿??_瑟斯采用了遠遠超過進行有機合成一般規程的方法,他在進行高分子縮聚反應時,對反應物的配比要求很嚴格,相差不超過1%.縮聚反應的程度相當徹底,超過99.5%,從而合成出分子量高達兩萬左右的聚合物??_瑟斯的研究表明,聚合物是一種真正的大分子,可以通過已知的有機反應獲得,其縮聚反應的每個分子都含有兩個或兩個以上的活性基團,這些基團通過共價鍵互相連接,而不是靠一種不確定的力將小分子簡單聚集到一起,從而揭示了縮聚反應的規律??_瑟斯通過對聚合反應的研究把高分子化合物大體上分為兩類:一類是由縮聚反應得到的縮合高分子;另一類是由加聚反應得到的加成高分子??_瑟斯的助手弗洛里(Paul J. Flory, 1910~1986)總結了聚酰胺等一系列縮聚反應,1939年提出了縮聚反應中所有功能團都具有相同的活性的基本原理,并提出縮聚反應動力學和分子量與縮聚反應程度之間的定量關系。后來又研究了高分子溶液的統計力學和高分子模型、構象的統計力學,1974獲得了諾貝爾化學獎。尼龍的合成有力地證明了高分子的存在,使人們對斯陶丁格的理論深信不移,從此高分子化學才真正建立起來。

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