Производство листового органического стекла, методом полимеризации в массе

Федеральное агентство по образованию РФ

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«Самарский  государственный технический университет» 
 
 

Кафедра «Химия и технология полимерных и композиционных материалов» 
 
 

Курсовая  работа 

на тему: «Производство листового органического стекла,

методом полимеризации в массе» 
 
 
 
 

Выполнил: студент IV-ИТ-2

Непряхин  Б.О.

                                                      

Проверил: доцент кафедры ХТПКМ

Ягрушкина Ирина Николаевна 
 
 

Самара 2010.

Содержание

Введение…………………………………………………………………………………3

1. Выбор и обоснование  технологической  схемы и аппаратурного  оформления фазы  производства …………………………………………………………………………….4

2. Описание технологического процесса………………………………………………8

2.1 Исходное сырье……………………………………………………………….…...…8

2.2 Свойства и применение готового продукта, технические требования….……...9

2.2.1  Применение .……………………..…………………………………….…..…….14

2.2.2  Правила обращения………………………………….…………………………..14

2.2.3 Техника безопасности ……………………………………………………………….….14

2.2.4 Упаковка, хранение, транспортирование ………….…………………………….…13

2.3 Производство и переработка изделий из ПММА ……………….……….…………..15

Список литературы …………………………………………………………………….18

Приложение 1…………………………………………………………………………...19 
 
 
 
 
 

Введение

Органическое  стекло – техническое название прозрачных твердых материалов на основе органические полимеров. К этой группе относятся  полиакрилаты, полистирол, полимеры аллиловых соединений, поликарбонаты, сополимеры винилхлорида, сополимеры некоторых эфиров целлюлозы и др. в промышленности под “органическим стеклом” чаще всего понимают листовой материал, получаемый полимеризацией в массе метилметакрилата. Производство этого материала покрывает основные потребности в органическом стекле; выпуск остальных видов невелик.

Применение листового акрила (оргстекла)

Листовой акрил  применяется во многих областях для  изготовления прозрачных, светопропускаемых и легких конструкций: 
•внутрикомнатные перегородки; 
•телефонные кабины; 
•витрины световые; 
•ограждения автостанций и железнодорожных станций; 
•ценникодержатели; 
•офисные таблички; 
•сувенирная продукция, номерки, бирки к ключам; 
•различные термоформованные изделия; 
•защитное остекление (картин, стендов); 
•светильники, подвесные потолки с внутренней подсветкой; 
•детали интерьера магазинов и офисов; 
•оформление выставок, концертов, телестудий; 
•торговое и выставочное оборудование; 
•подиумы, полы с внутренней подсветкой; 
•торговые и рекламные световые вывески; 
•дорожные двухсторонние рекламные световые короба на столбах электроосвещения; 
•декоративные элементы, вырезанные и объемные буквы с внутренней подсветкой; 
•полнообъемные термоформованные макеты рекламируемой продукции с внутренней подсветкой; 
•защита фар, ветроотражатели в автомобильной промышленности и т. д.

Уже судя по тому какой перечень продукции, изготовленной  из оргстекла, на сегодня выпускает химическая промышленность можно с уверенностью сказать что значимость выпуска продукции из полиметилметакрилата очень велика, а развитие технологий и рост числа производства крайне необходимо.  

1. Выбор и обоснование технологической схемы и аппаратурного оформления фазы производства

Производство  полиметилметакрилата суспензионным методом

Процесс производства полиметилметакрилата суспензионным  методом состоит из следующих  стадий: подготовка эмульгатора МКМ; получение полимера метилметакрилата; выделение бисера из суспензии; сушка полимера и очистка маточника и промывных вод.

В качестве эмульгатора чаще всего применяют  сополимер метилметакрилата с метакриловой кислотой и ее натриевой солью -сополимер МКМ;

В качестве инициатора при получении эмульгатора MKM применяют перекись бензоила или перекись лаурила, в качестве диспергатора - крахмал.

Водно-суспензионная  полимеризация метилметакрилата или  сополимеризация его с бутилакрилатом как пластифицирующим веществом  проводится в эмалированных реакторах  автоклавного типа вместимостью 3,5-6,5 м³ с мешалкой и рубашкой для подогрева и охлаждения. Частота вращения мешалки регулируется универсальным регулятором скорости (УРС). Для предотвращения подъема давления выше допустимого реактор оборудуют разрывными мембранами и воздушками аварийного сброса давления. Полимеризацию ведут при соотношении мономеров и воды 1 : 3. Для пластифицированных марок полиметилметакрилата вводят бутилакрилат 4-7% от массы мономеров.

В качестве инициатора полимеризации метилметакрилата в большинстве случаев применяют  перекись лаурила. Смесь меркаптанов (лаурилмеркаптан, бутилмеркаптан и др.) используют как регуляторы полимеризации.

Смешение  компонентов, кроме эмульгатора  и воды, проводится в смесителе, после  чего реакционная смесь продавливается азотом через тканевый фильтр в реактор, куда вводится эмульгатор и вода. Температуру  смеси в реакторе поднимают до 72-78ºС и выдерживают ее при работающей мешалке до начала подъема температуры  за счет экзотермической реакции  полимеризации. Полимеризация протекает  при температуре 93-116º С и давлении до 1,5-3 кгс/см². После окончания реакции в течение 1-1,5 ч поддерживается температура 85º С, после чего массу охлаждают до 50º С.

Выделение бисера из суспензии может проводиться  двумя способами: в системе гидроциклонов  с последующим обезвоживанием на центрифуге или на вакуум-фильтрах.

Гидроциклон - аппарат для отделения твердых  взвешенных частиц от жидкой фазы. Корпус его состоит из нижней, конической, и верхней, цилиндрической, частей. Суспензия поступает под давлением 1,3-3 кгс/см² через боковой патрубок в низ цилиндрической части по касательной к оси гидроциклона и начинает вращаться. При вращении потока с большой угловой скоростью крупные частицы полимера под действием центробежных сил отбрасываются к стенкам гидроциклона. Возле стенок конической части они движутся по спиральной траектории вниз и в виде сгущенной суспензии удаляются через нижнюю насадку. Мелкие частицы полимера в виде взвеси в большей части жидкости поднимаются во внутреннем спиральном потоке и, пройдя через центральный патрубок, удаляются из гидроциклона. Поэтому гидроциклоны устанавливают последовательно.

При выделении  бисера полимера из суспензии в системе  гидроциклонов водная суспензия проходит коркоотделитель, откуда подается в гидроциклон. Сгущенная суспензия с концентрацией полимера 40-70% выходит из насадки гидроциклона через промывную воронку и стекает в сборник-разбавитель. В промывную воронку непрерывно поступает конденсат в соотношении с суспензией 1:1. Разбавленная суспензия насосом подается в гидроциклон.

Маточный  раствор из гидроциклонов первой и второй ступени идет в ловушку, из которой поступает в гидроциклон. Отделившийся полимер возвращается в гидроциклон. Промывные воды подаются на коагуляцию в коагулятор. После гидроциклона второй ступени суспензия с концентрацией 30-35% подается на отстойную центрифугу 8. Бисер, отжатый до 12%-ной влажности, подается на сушку.

Сушат полиметилметакрилат в вакуум-гребковых  сушилках периодического действия или на установках типа циклон-кипящий слой (ЦКС). Сушка в первом случае проводится при 85-95º С и вакууме 450-600 мм рт. ст. Во втором случае температура в кипящем слое поддерживается в пределах 70-100º С. Остаточная влажность полимера должна быть не более 0,4%.

Высушенный  бисер полиметилметакрилата гранулируется  в экструдере и сортируется на вибросите. При необходимости в гранулятор даются красители и другие добавки. Гранулы направляются па переработку в изделия методом литья под давлением или экструзией. Маточники промывные воды после третьей ступени гидроциклона направляются в коагулятор, представляющий собой вертикальный стальной аппарат с мешалкой и рубашкой. Маточник подогревают до 92-98º С. В коагулятор подается серная кислота (рН среды поддерживают 1,8-2,3), в течение 4-6 мин идет перемешивание. Мелкодисперсные частицы коагулируют с образованием более крупных зерен. После выделения крупных зерен суспензию охлаждают до 40º С и направляют на фильтрпресс. Полимер накапливается на поверхности ткани, подсушивается продувкой воздухом, после чего снимается с ткани ножами и направляется в специальный контейнер для вывозки в отвал или на сжигание. Фильтрат направляется на ионообменную очистку в аппараты для получения обессоленной воды. Обессоленная вода собирается в сборнике.

Модификации полиметилметакрилата. Полиметилметакрилат  имеет недостаточную поверхностную  твердость и теплостойкость (но Вика 105-115º С). Для улучшения указанных свойств его модифицируют сополимеризацией метилметакрилата с полифункциональными соединениями, такими, например, как гликолевые эфиры метакриловой кислоты, аллил- и винилметакрилаты, аллилфталат, метакриловый ангидрид. Обычно массовое содержание этих сомономеров 5-10%.

Полиметилметакрилат, получаемый блочным методом, имеет  высокую молекулярную массу и не может перерабатываться методами литья иод давлением и экструзией, так как не обладает достаточной текучестью. Для изготовления изделий сложного профиля, в частности светотехнического назначения, выпускают модифицированные марки полиметилметакрилата - дакрил-2М 4Б. Эти марки получают путем сополимеризации метилметакрилата с метил- или бутилакрилатом. Массовое содержание их 2 - 4%. Получаемый лист дробится на специальных установках до крупки, затем гранулируется или перерабатывается в виде крупки в изделия литьем под давлением и экструзией.

Радикальная полимеризация полиметилметакрилата в массе

Полимеризация метилметакрилата сопровождается усадкой  реакционной массы (до 23%), что могло  бы привести к получению листов с  дефектами. Поэтому процесс обычно проводят в два этапа. Вначале  получат полимер невысокой молекулярной массы (форполимер). Затем форполимер заливают в форму для получения  листа ; дальнейшая полимеризация форполимера  сопровождается значительно меньшей  усадкой. Аналогичный эффект достигается, если полимеризации подвергают раствор полиметилметакрилата а мономере (сироп-раствор). Применение форполимера или сироп-раствора предотвращает также утечку реакционной массы из недостаточно уплотненных форм. Полимеризацию в один этап осуществляют только в тех случаях, когда необходимо получить полиметилметакрилатное стекло очень высокой оптической прозрачности. Все необходимые ингредиенты органического стекла вводят в форполимер или сироп-раствор. Полученную смесь тщательно перемешивают, вакуумируют для удаления пузырьков газа и фильтруют. Полимеризацию проводят в формах, собранных из двух листов полированного силикатного стекла, стали или алюминия, скрепленных зажимами, с проложенными между ними эластичными прокладками. Толщина эластичных прокладок определяет будущую толщину листа органического стекла. В качестве материала для эластичных прокладок используют различные резины, пластики и др. форму либо оклеивают по краям плотной бумагой, либо по периметру формы укладывают резиновые или поливинилхлоридные трубки. Устройство формы обеспечивает возможность усадки в одном направлении – по толщине формы. Форму заполняют через воронку точно отмеренной порцией полимеризованной смеси, герметически закрывают или заклеивают и помещают в камеры с циркулирующим теплым воздухом или в ванны с теплой водой (в некоторых случаях температура воздуха или воды может быть 18 – 20 ° С). Метакриловую кислоту труднее предохранить от полимеризации, поэтому ее обычно получают по мере надобности омылением метилметакрилата. Для предотвращения полимеризации метилметакрилата в него вводят 0,005 — 0,01 % гидрохинона или пирогаллола. Перед полимеризацией ингибитор удаляют перегонкой эфира или промыванием его раствором щелочи, 
ненасыщенными соединениями. Совместная полимеризация метилметакрилата с полярными мономерами позволяет получить сополимер с большей поверхностной твердостью и более высокой температурой стеклования. Органические стекла с повышенной абразиво- и теплостойкостью получают совместной полимеризацией метилметакрилата с метакриловой кислотой или акрилонитрилом. При полимеризации метилметакрилата со стиролом получают сополимеры повышенной текучести в размягченном состоянии, что облегчает формование изделий сложной конфигурации.  
При полимеризации метилметакрилата, инициированной динитрилом азо-бис-изомасляной кислоты, оказалось, что начальная скорость WQ и степень полимеризации Рп носят экстремальный характер при увеличении концентрации. Полимеризацию проводят в изотермических условиях. Нарушение изотермического режима может привести к перегреву формы, вскипанию мономера, т. е. образованию пузырчатой массы. Если отвод тепла осуществляется неравномерно, то глубина полимеризации в различных частях формы будет различной. Обычно полимеризацию в формах проводят медленно, часто в течение 24 – 48 ч, а в толстых слоях (более 50 мм) – неделями при 20 – 50 ° С до конверсии мономера свыше 90 %. Процесс завершается при температурах, близких к температуре размягчения полиметилметакрилата, т. к. при низких температурах диффузия не прореагировавшего мономера затруднена и поэтому даже за большой период невозможно полное превращение мономера. По окончании полимеризации формы охлаждают до 50 ° C и отделяют силикатное стекло от органического. Ориентацию осуществляют с помощью машин и прессов различной конструкции, равномерно растягивая (обычно на 50 – 70 %) или сжимая заготовки, разогретые до температуры, на 10 – 12 ° С превышающей температуру размягчения. Ориентированные листы охлаждают под давлением. В отдельных случаях листы органического стекла получают методом фотополимеризации. Заполненные формы облучают УФ-светом до образования геля, после чего осуществляют процесс по обычной схеме. Для производства стержней из полиметилметакрилатного органического стекла полимеризационную смесь заливают в горизонтальные вращающиеся алюминиевые трубы, которые затем в вертикальном положении помещают в водяную ванну. Режимы полимеризации те же, что и при получении листового органического стекла. Изделия сложной конфигурации получают литьем под давлением или экструзией гранулированного полиметилметакрилата. При получении литьевого органического полимера метилметакрилата с акрилонитрилом сополимеризацию осуществляют по той же технологии, как и в производстве полиметилметакрилатного стекла. Листы из полистирола, поликарбоната, сополимеров винилхлорида и эфиров целлюлозы получают экструзией, а изделия сложной конфигурации - литьем под давлением гранулированных или порошкообразных полимеров, полученных обычным методами.