Наука и технологии

 Материалы будущего

Издательство «Химия» 1985 г.

Химическим волокнам сто лет

Конкурент хлопка?

В 1664 г. Роберт Гук предложил вытягивать нити из жидкостей, способных к застыванию. Спустя семьдесят лет эту мысль подхватил Реомюр и упомянул о растворах резины и клея. Но прошло еще сто лет, прежде чем были созданы предпосылки для создания химических волокон.

Хлопковые, льняные и конопляные волокна состоят, как мы уже говорили, из целлюлозы, а ее ведь можно синтезировать из древесины. Был найден способ перевода целлюлозы в раствор, вытягивания из нее нитей и получения твердых волокон путем удаления или разложения растворителя.

Первые полученные таким методом волокна создал де Шардонне. Целлюлозу переводили в ее динитрат, обрабатывая азотной кислотой, после чего растворяли в спиртово-эфирной смеси. Образовавшийся высоковязкий 20%-ный раствор фильтровали и продавливали через отверстия фильеры. Растворитель быстро удаляли из волокон с помощью нагретого воздуха. Последующее денитрование (удаление нитратных групп) нити снижает взрывоопас-ность. Этот способ не прижился в промышленности из-за низкого качества получаемой продукции.

Аналогично этому при обработке уксусной кислотой можно получить растворимый в ацетоне ацетат целлюлозы. После выхода из фильеры удаление растворителя также осуществляется горячим воздухом. Несмотря на множество положительных свойств ацетатные волокна не производятся в значительных объемах из-за большой себестоимости.

Еще одним растворителем для целлюлозы может быть щелочной раствор гидр-оксида меди (куприаммингидрат). Для получения медно-аммиачного волокна примерно 9%-ный раствор целлюлозы продавливают через относительно длинные отверстия фильеры. После выхода скоагу-лированных волокон они вытягиваются примерно в 80 раз. Коагуляция наступает при прохождении волокном ванны с водой, где вымывается растворитель. Благодаря большим отверстиям в фильере, в таком методе вытяжного прядения могут применяться небольшие давления. Кроме того, путем вытягивания удается добиться большей ориентации молекул в волокне и, как следствие, улучшенных свойств.

Девяносто лет назад обработкой едким натром и сероуглеродом удалось получить растворимый в щелочи ксантогенат целлюлозы. Только тогда стало возможно получать дешевое по сравнению с хлопком ценное синтетическое волокно. Процесс похож в принципе на вышеописанные: раствор продавливается через фильеру и поступает в ванну, где удаляется растворитель и разрушаются ксантогенатные соединения, после чего остается волокно из чистой целлюлозы. Осадительная ванна заполнена разбавленной серной кислотой с добавками сульфата цинка и других солей.

Благодаря высокому технологическому уровню процесса формования, производство волокна значительно выросло, а многочисленные вариации способа позволили получать волокна с самыми разнообразными свойствами. При производстве искусственного шелка, например, выходящие из фильеры волокна объединяют, вытягивают, скручивают и обматывают. В производстве волокон отдельные нити, выходящие из различных отверстий, объединяют в жгут и на резальной машине разрезают на куски необходимой длины. Из полученных нитей и волокон удаляют остаток реагентов из осадительной ванны, затем их сушат и отбеливают.

Так как в этом способе перерабатываются высоковязкие растворы, он назван вискозным способом, а получаемый материал-вискозным шелком или вискозным волокном. Раньше он был известен как искусственный шелк и штапельное волокно.

Многие другие созданные природой вещества можно аналогично целлюлозе перерабатывать в волокна. Волокна сейчас производятся из альгина водорослей, из белка молока (казеина) и из других белков. Принцип всегда одинаков. Высокочистые исходные вещества переводятся в раствор, продавливаются через фильеру и в осадительной ванне регенерируются из вязкого раствора.

Синтетические волокна

Синтетические волокна производят из полимерных материалов (см. первые разделы гл. «Пластмассы новейшие материалы»).

Еще в 1913 г. Клатте описал два пути получения волокон. Один из них основан на переводе полимера в раствор, другой на переводе в расплавленное состояние. С помощью так называемых методов прядения из раствора и из расплава можно получить большинство химических волокон.

Лишь примерно десять лет спустя прогресс в исследовании структуры высокополимеров в такой степени прояснил механизм реакций и строение волокнообразных полимеров, что удалось в больших масштабах осуществить производство волокон с хорошими текстильными свойствами. К примеру, с 1939 г. путем дополнительного хлорирования поливинилхлорида промышленно производится синтетическое волокно, а из полиамида в это же время получили. найлон (в ГДР аналогичный материал носит название дедерон). Из сложных полиэфиров можно также получить гетероцепные волокна, производство которых началось с 1947 г.

Еще одно возникающее при полимеризации волокно носит название полиакрило-нитрил. Оно было получено в 1942 г. одновременно двумя независимыми друг от друга исследовательскими коллективами и стало в большом объеме производиться в США под названием орлон. Полученное в городе Вольфен волокно называют воль-прила.

В 1954 г., применяя катализатор Натта, получили кристаллический полипропилен. Полученное из него волокно производится в последнее время во все больших масштабах. Это первое синтетическое волокно, которое превзошло по объему производства поливинилхлоридные материалы.

Можно назвать еще целый ряд синтетических волокон из других полимеров, с которыми мы уже встречались в гл. «Пластмассы новейшие материалы».

Синтетические волокна в промышленности получают в основном способом прядения из расплава. По этому способу производят волокна из полиамида, полиэфиров, полиэтилена, полипропилена и полиуретана. Сначала полимер в виде крошки, называемой чипсом, плавится на плавильной решетке, а затем фильтруется через полидисперсный слой песка, где удаляются загрязнения. После этого расплав под высоким давлением выпрессовывается через формующую головку.

В последние годы для плавления и формования с успехом применяется давно известный в переработке пластмасс экструдер, только специального конструктивного оформления.

В производстве волокон применяются пластины из высококачественной стали толщиной в несколько миллиметров примерно с 500 отверстиями диаметром от 0,2 до 0,3 мм. После выпрессовки волокна длиной от 3 до 6 м застывают при охлаждении и сматываются со скоростью 2000 м/мин.

После вытяжки до увеличения длины примерно в пять раз удается повысить степень ориентации волокнообразных молекул и одновременно увеличить прочность и снизить растяжимость волокон.

Для производства волокна отдельные нити объединяют в жгут и подвергают горячей вытяжке. Вытяжка и последующее охлаждение придают нитям в волокне извитость. Теперь волокно можно нарезать на так называемые штапели требуемой длины.

Волокна   из   минералов,   металлов   и   стекла

Наряду с уже описанными натуральными и химическими волокнами известны волокна из неорганических веществ. При благоприятном стечении обстоятельств роговая обманка или змеевик выкристаллизовывается в виде волокон. С помощью подготовительной обработки из них могут быть получены технически пригодные волокна.

Уже в древнем Китае получали полотно из асбеста, который был также известен в Египте, Италии и Греции. Сегодня его мало используют для производства тканей, а применяют в основном для изготовления тормозных колодок, уплотнений, асбоцементных изделий и картона. Только из самых лучших, длинно- и тонковолокнистых сортов ткут грубые ткани фильтровальные (употребляются в пищевой и химической промышленности), для защитных костюмов и перчаток, сальниковых уплотнений. Хотя асбест не так-то легко прясть, некоторые его свойства заставляют преодолевать эти трудности. В смеси с органическими волокнами он оказывает огнезащитное действие, несгораем, термоустойчив до температур около 600 °С, устойчив к погодным условиям.

К волокнам можно отнести также металлические нити, при условии возможности их переработки в текстильной промышленности. Из металлических проволок ткут сита, а из медной проволоки на плетельных станках изготавливают медные жилы кабелей электромоторов.

Применение стекла для текстильных целей известно уже более ста лет. Это были отдельные декоративные нити в обойных тканях. По одному из старейших способов их получали плавлением стеклянных прутков и последующей вытяжкой. Сейчас стекловолокно в значительных количествах применяется в качестве изоляционного материала для поглощения тепла и звука.

При фильерном способе стекло расплавляется   в   плавильной   ванне   с   индукционным обогревом. Через отверстия в фильере, находящейся в нижней части ванны, стекло вытекает и застывает на воздухе и в виде стекловолокна с большой скоростью наматывается на бобины.