Введение к работе
Актуальность проблемы. Производство химических волокон является одной- из - очень важных и в то же время одной из наукоемких отраслей народного хозяйства и требует всеобъемлющего аналитического контроля на всех стадиях технологического процесса. - Этот контроль должен отвечать современным требованиям, и в сочетании с высокими метрологическими параметрами метода анализа, сокращением времени выполнения измерений, одновременно определять содержание множества разнородных компонентов на всех стадиях получения химических волокон.
создание производства высокопрочных арамидных волокон, которые занимают ведущее место в своей отрасли химических волокон, не привело к модернизации химико-аналитического контроля. Так, б технологическом регламенте производства высокопрочного арамидного волокна СВМ контроль на всех стадиях производства осуществляется с применением устаревших и длительных титриметрических методик, и только в случае определения компонентов осадительной ванны и технологических растворов цеха регенерации применяется хроматографи-ческий метод; в меньшей степени в контроле используется фотометрический и электрохимический методы анализа. Такая же картина наблюдается и в производстве других видов арамидных волокон (тер-лон, фенилон), не исключением является и химико-аналитический контроль новых производств химических волокон (полиуретановое и поливинилхлоридное волокно).
Длительность многих методик, применение водных сред для определения компонентов технологических объектов, находящихся в неводных растворах, снижают эффективность анализа, особенно в условиях непрерывного технологического процесса.
В связи с этим актуален вопрос о модернизации и развитии химико-аналитического контроля в производстве химических волокон, в первую очередь, в производстве высокопрочных волокон (СВМ, тер-лон) и волокна фенилон, за счет научно-обоснованных современных методов анализа с применением широкого спектра неводных растворителей, позволяющих проводить экспрессные определения веществ неорганической и органической природы в объектах производства химических волокон в сочетании с высокими метрологическими характеристиками.
В настоящее время автором с сотрудниками обобщено и развито
новое направление работ по химико-аналитическому контролю для ряда производств высокопрочных волокон, основанное на применении электроаналитических методов (ЭМА) с использованием неводных р'астворов в качестве среды для выполнения анализа.
В большинстве случаев получение химических волокон проводится в сложных по составу средах, компонентами которых могут быть органические растворители, мономеры, олигомеры, полимеры, вода, неорганические соли и кислоты. В этих случаях ЭМА, благодаря своей многовариантности, отличаются селективностью и способностью к распознаванию различных физико-химических форм, а использованием электроаналитического оборудования нового поколения позволяет обеспечить высокую точность, экспрессность, селективность, автоматизацию и компьютеризацию анализа.
Благодаря высоким метрологическим показателям в широких интервалах варьирования содержания компонентов, быстрой адаптации к новым объектам, простоте и относительно невысокой стоимости аппаратурного оформления фактически все известные ЭМА перспективны в контроле производств химических волокон.
Эти и некоторые другие приемы и методы повышения эффективности химико-аналитического контроля производства химических волокон обобщены в предлагаемой работе, являются актуальными и представляют совокупность научно обоснованных технических решений, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса в химической и смежных отраслях промышленности.
Диссертация выполнена в рамках координационного плана научно-исследовательских работ АН СССР на 1981-1985 И 1986-1990 гг. по проблеме_"Аналитическая химия", раздел 2.20. Отдельные части работы выполнялись по заданиям предприятий, а также по личной инициативе.
Целью настоящей работы явилось создание методического обеспечения контроля производств химических волокон, базирующегося на ЭМА, для чего было необходимо:
- основываясь на уже достигнутых результатах теории электрохимических методов анализа, расширить представления о роли комп-лексообразования и пересольватации ионов щелочных металлов и Fe(III) в среде неводных и смешанных растворителей для решения задач их селективного определения в технологических растворах
производств химических волокон;
расширить существующие представления о природе аналитического взаимодействия гетерополикислоты с водорастворимыми органическими соединениями с целью их использования.в электроанализе;
скорректировать условия проведения существующих электроаналитических реакций кислотно-основного и окислительно-восстановительного взаимодействия применительно к определяемым компонентам технологических растворов производств химических волокон, обращая особое внимание на улучшение метрологических характеристик и сокращение времени процедур выполнения, необходимых в условиях непрерывного производства;
разработать и реализовать комплекс взаимодополняющих электрохимических методик определения неорганических и органических веществ, используемых в производстве химических волокон.
Научная новизна работа состоит в том, что на основе новых представлений о комплексообразовании и пересольватации веществ, используемых в технологии химических волокон в среде неводных, смешанных и водных растворов, впервые осуществлено комплексное методическое обоснование аналитического обеспечения технологических процессов производств высокопрочных арамидных волокон СВМ, терлон, а также волокна фенидон и других видов синтетических волокон, формуемых из неводных растворов ("спандекс", ПВХ-волокно).
Изучена устойчивость комплексов металл-(краун-эфир) в среде неводных растворителей для реализации селективного полярографического определения компонентов смесей ионов металлов в органических и водно-органических средах.
Изучена реакция взаимодействия фосфорновольфрамовой гетерополикислоты и водорастворимых органических веществ, что позволяет проводить определение диметилацетамида в технологических растворах производства арамидного волокна СВМ по технологическим переходам.
Изучены аналитические реакции кислотно-основного и окислительно-восстановительного взаимодействия нейтральных молекул, анионов и катионов, используемых в производстве химических волокон для разработки новых титриметрическкх систем с электрохимической индикацией конечной точки титрования с улучшенными метрологическими характеристиками при определении полимера в прядильных растворах, изоцианатных групп в контроле производства волокна
- 8 ~
"спандекс".
Предложены модифицированные реактивы, которые применяются для кулонометрического и потенциометрического титрования воды в органических растворителях и технологических растворах производств химических волокон, в составе которых наиболее токсичный компонент - метанол - заменен на менее токсичные - этилцеллозольв и диметилформамид. Модифицированные реактивы стабильны, позволяют определять воду в растворах полимеров, в полимерных материалах.
Практическое значение результатов исследования. На основании исследований электрохимического поведения веществ неорганической и органической природы, используемых в производстве химических волокон, в среде неводных, смешанных и водных растворов:
разработан комплекс методик для обеспечения контроля производств высокопрочных арамидных волокон (СВМ, терлон), а также волокна фенилон, в том числе потенциометрические и кулонометри-ческие методики определения воды в растворителях, в технологических растворах и в растворах полимеров; методики полярографического определения ионов натрия, калия, лития и железа (III) в растворителях и технологических растворах по переходам: методики потенциометрического определения полимера в прядильных растворах производства волокна терлон и фенилон. Методика определения полимера в прядильных растворах позволила на порядок сократить время анализа.
разработаны методики потенциометрического определения изоциа-натных функциональных групп, воды в ДМФА, концентрации полимера в прядильном растворе производства полиуретанового волокна "спандекс". При определении изоцианатных групп время анализа уменьшено в 3 раза.
С применением ЭМА расширен спектр анализируемых обьектов производств химических волокон: высокопрочных арамидных (СВМ. терлон), волокна фенилон, полиуретанового волокна "спандекс", ПВХ-волокна, вискозного волокна и других типов волокон. Улучшены метрологические характеристики методик полярографического и потенциометрического определения компонентов технологических растворов значительно сокращено время процедур анализа, что позволило внедрить их в практику химико-аналитического контроля заводских лабораторий: НПО Химволокно, г.Мытищи; Каменского ПО Химволокно, г.Каменск-Шахтинский; ЛенНИИХИМВОЛОКНО, г.С.-Петербург; Всесоюз-
ного института синтетических волокон, г.Тверь; завода синтетического волокна, г.Волжский; завода химического волокна, г. Кустанай. Автор выносит-на защиту:
методическое обеспечение химико-аналитического, контроля таких волокон, как высокопрочные арамидные (СВМ, терлон), "фенилон, полиуретановые и поливинилхлоридные волокна, вискозное волокно, в качестве необходимой составной части технологического процесса;
результаты исследования полярографического поведения ионов щелочных металлов в среде неводных и смешанных растворителей в присутствии макроциклическйх лигандов и примеси воды;
результаты исследования электрохимического поведения ФВК на платиновом электроде в сильнокислых средах с целью практического приложения реакции взаимодействия гетерополианионов и органических катионов в водных средах;
обоснование условий проведения кислотно-основного и окислительно-восстановительного взаимодействия нейтральных молекул, анионов и катионов в титриметрических системах на основе неводных и смешанных сред с целью улучшения метрологических параметров методик анализа и сокращения времени выполнения измерений;
комплекс злектроаналитических методик определения органических и неорганических веществ для контроля производства различных видов химических волокон.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на следующих конференциях, симпозиумах и совещаниях: на 2-ой Всесоюзной конференции по химико-аналитическому контролю в полимерной промышленности (Саратов, 1977 г.); 3-ей Всесоюзной конференции по аналитической химии (Москва, 1979 г.); 4-ой Всесоюзной конференции по аналитической химии органических соединений (Москва, 1980 г.); XII Менделеевском съезде (Баку, 1981 г.); Всесоюзной научной конференции по электрохимическим методам анализа (Томск, 1981 г.); 5-ой Всесоюзной конференции по анализу органических соединений (Москва, 1984 г.); Уральской конференции по аналитической химии (Устинов, 1985 г.); II Всесоюзной конференции по электроанализа (Томск, 1985 г.); 5-ой Научной конференции по аналитической химии Прибалтийских республик и БССР (Вильнюс, 1986 г.); IX Всесоюзном совещании по полярографии (Усть-Каменогорск, 1987 г.); III Всесоюзной конференции по химии и биохимии макроциклическйх
- 10 ~
соединений (Иваново, 1988 г.); VII Всесоюзной конференции "Поверхностно-активные вещества и сырье для их производства" (Белгород, 1988 г.); III Всесоюзной конференции по электрохимическому анализу (Томск, 1989 г.); II Всесоюзной конференции "Химия и применение неводных растворов" (Харьков, 1989г.); Всероссийской конференции "Электроаналитика-96" (Краснодар, 1996 г.); IX Всероссийской конференции "Поверхностно-активные вещества и сырье для их производства" (Белгород, 1996 г.).
Публикации. Содержание диссертации отражено в 74 печатных работах, опубликованных в журналах."Журнал аналитической химии", "Заводская лаборатория", "Журнал общей химии", "Известия ВУЗов. Сер.Химия и хим. технология", "Реакционная способность органических соединений". "Пластмассы", "Magyar Kemlai Folyoirat", "Химво-локна", в материалах республиканских и Всесоюзных конференций. По результатам работы получено 16 авторских свидетельств. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.
Вклад автора. Диссертационная работа представляет собой обобщение результатов исследований, полученных автором лично и совместно с сотрудниками кафедры аналитической, физической и коллоидной химии Московской государственной текстильной академии им.А.Н.Косыгина Якушиной Е.В., Бенедиктовой А.Г., Лозинской Л.А. и Жиронкиной И.А. Ряд других сотрудников и аспирантов - Стеганце-ва Н. Б., Раммах Н.М.. Коновалова М. В., Хусаинов М. Г., Галицын А.Д., Богословская Т.Н. - проводили совместные исследования с автором диссертации в инициативном порядке и в рамках тематики хоздоговорных работ с отраслевыми институтами промышленности химических волокон (ВШИВ, ВНИИСВ, ЛенНИИХИМВОЛОКНО). Обоснование областей исследования, разработка теоретических основ научных направлений, методики эксперимента, обобщение необходимого литературного материала и написание статей (за исключением публикаций в соавторстве с д.х.н. С.И.Петровым) осуществлялось лично автором. Большую благодарность за совместный научный поиск тематики и ценные советы на различных этапах работы выполнения данного исследования автор выражает академику Пунгору Е. (Будапешт. ВНР),
іпроф.Майрановскому С.Г.|, {д.х.н.Нейману Е.Я.|, сотрудникам кафедры
аналитической химии Будапештского Технического Университета, проф.Быковой Л.Н., д.х.н.Петрову СИ., акад.Украинской академии, проф. Безутлому В. Д. Фрагменты работы обсуждались с ведущими спе-
циалистами отрасли химических волокон (д.т.н.Волохина А.В., к. т.н.Токарев А. В., к.т.н.Кваша Н.М. и д.т.н.Кваша В.М., Михайлов Г.Д., проф.Чеголя А.С., д.х.н.Диброва А.К.).
Структура диссертации. - Содержание диссертации составляет введение, 5 глав текста, заключительные выводы, список литературы и приложение. Общий объем работы 265 стр. текста, 26 рисунков, 68 таблиц и 226 наименований литературных ссылок, приложение 13 стр.
