Волокнами называют тела, длина которых во много раз превышает их очень малые размеры поперечного сечения, обычно измеряемого микронами. Волокнистые материалы, т.е. вещества, состоящие из волокон, имеют широкое распространение. Это разнообразные текстильные изделия, мех, кожа, бумага и т.д. Почти до начала 20 века для изготовления волокна и тканей на его основе использовались только природные волокнистые материалы: хлопок, лен, натуральный шелк и пр. Впервые получение искусственного волокна было осуществлено продавливанием через узкие отверстия азотнокислого эфира целлюлозы в спирто-ацетоновой смеси. В н.в. уже известно свыше 500 различных видов химических волокон, из которых освоено и выпускается промышленностью более 40. По своему происхождению все волокна могут быть подразделены на природные и химические. Химические в свою очередь делятся на искусственные, изготовляемые из ВМС, находящихся в природе в готовом виде (целлюлоза, казеин) и синтетические волокна, получаемые из высокополимеров, предварительно синтезируемых из мономеров.
Если свойства природных волокон изменяются в узких пределах, то химические волокна могут обладать комплексом заранее заданных свойства в зависимости от их будущего назначения. Из химических волокон вырабатываются товары широкого потребления: ткани, трикотаж, одежда, обувь и т.д. В производстве различных типов химических волокон, как из природных полимеров, так и из смол, имеется много общего, хотя каждый метод обладает своими характерными особенностями.
Принципиальные схемы производства химических волокон независимо от исходного сырья делится на четыре стадии.
1. Получение исходного материала (полупродукта). В том случае, если сырьем являются природные ВМС, то их предварительно необходимо очистить от примесей. Для синтетических волокон – это синтез полимеров – получение смолы. При всем многообразии исходных полимерных материалов к ним предъявляются следующие общие требования, обеспечивающие возможность формования волокна и достаточную прочность его:
– линейное строение молекул, позволяющее растворять или плавить исходный материал для формования волокна и ориентировать молекулы в волокне;
– ограниченный молекулярный вес, так как при малой величине молекулы не достигается прочность волокна, а при слишком большой возникают трудности при формовании волокна из-за малой подвижности молекул;
– полимер должен быть чистым, так как примеси снижают прочность волокна.
2. Приготовление прядильной массы. Не все природные и синтетические материалы могут служить основой для производства волокна. Получение вязких концентрированных растворов - высокополимеров в доступных растворителях или перевод смолы в расплавленное состояние – обязательное условие для осуществления процесс прядения. Только в растворе или в расплавленном состоянии могут быть созданы условия, позволяющие снизить энергию взаимодействия макромолекул и после преодоления межмолекулярных связей ориентировать молекулы вдоль оси будущего волокна.
3.Формование волокна является самой ответственной операцией и заключается в том, что прядильная масса подается в фильеру (нитеобразователь), имеющую большое число мельчайших отверстий в донышке в зависимости от метода формования. Пучки тонких волокон, образовавшихся из струек, через ряд направляющих приспособлений непрерывно отводятся в приемное устройство и затем вытягиваются наматывающими приспособлениями: бобиной, роликом, центрифугой. В ходе формования линейные макромолекулы ориентируются вдоль оси волокна. Изменяя условия формования и вытяжки можно получить разные свойства волокна.
4.Отделка заключается в придании волокну различных свойств, необходимых для дальнейшей переработки. Для этого волокна очищают тщательной промывкой от всяких примесей. Кроме того, волокно отбеливается, в некоторых случаях окрашивается и ему сообщается обработкой мыльным или жиросодержащим раствором большая скользкость, что улучшает его способность перерабатываться на текстильных предприятиях.
Вискозный метод производства искусственного волокна из целлюлозы является наиболее широко применяемым способом. Выпуск вискозных волокон в виде шелка, корда и штапеля составляет примерно 76% всех химических волокон.
Для подготовки прядильного раствора целлюлоза с влажностью 5-6% в виде листов размером 600 *800 мм обрабатывается 18-20% раствором едкого натра (процесс мерсеризации). При этом целлюлоза, впитывая раствор едкого натра, сильно набухает. Из нее вымывается большая часть гемицеллюлозы, частично разрушаются межмолекулярные связи и в результате образуется новое химическое соединение – щелочная целлюлоза.
[С6Н7О2(ОН)3]n + nNаОН↔[С6Н7О2(ОН)2ОН*NаОН]n
Реакция между целлюлозой и концентрированным раствором едкого натра является обратимой. В зависимости от применяемой аппаратуры и формы целлюлозы процесс осуществляется при 20-500С в течение 10-60 мин. Затем щелочная целлюлоза отжимается от избытка едкого натра, который направляется на регенерацию, где фильтруется, укрепляется, отстаивается, после чего вновь возвращается на мерсеризацию. Далее щелочная целлюлоза измельчается и выдерживается в определенных условиях (20-220С). В этом процессе, называемом предварительным созреванием, в результате окисления в щелочной среде кислородом воздуха снижается степень полимеризации целлюлозы, что позволяет в широких пределах регулировать вязкость получаемого затем прядильного раствора. После этого деструктированная щелочная целлюлоза обрабатывается сероуглеродом (ксанотогенирование целлюлозы). В результате реакции получается оранжево-желтый ксантогенат целлюлозы, который в отличие от исходной целлюлозы, хорошо растворяется в 4-7% растворе едкого натра. Образующийся вязкий раствор называется вискозой. Состав и свойства получаемого ксантогената целлюлозы в большой степени зависят от продолжительности и температуры процесса, а также количества введенного сероуглерода. Все перечисленные операции проводятся последовательно в 4-5 отдельных аппаратах или осуществляются до окончательного растворения в одном аппарате.
Широкому распространению производства вискозного волокна способствует доступность и дешевизна сырья. Вискозное волокно устойчиво к действию органических растворителей, выдерживает длительное воздействие температуры. Из недостатков следует отметить слабую стойкость волокна по отношению к щелочам и значительную потерю прочности в мокром состоянии.
Из вискозы, кроме шелка и штапеля, получают целлофан, корд, каракуль, искусственный волос и укупорку для бутылок.
При взаимодействии целлюлозы с уксусным ангидридом в присутствии уксусной кислоты и в качестве катализатора серной или хлорной кислоты образуется уксуснокислый эфир целлюлозы, а из него ацетатное волокно. Полиамидное волокно - капрон получается из смолы капрон, исходным сырьем для которой является капролактам. Последний вырабатывается в виде белого порошка из фенола, бензола или циклогексана.