
- •1. Текстильные волокна
- •1.1. Классификация текстильных волокон и их основные характеристики
- •1.2. Натуральные волокна
- •1.2.1. Волокна растительного происхождения
- •1.2.3. Свойства натуральных волокон
- •1.3. Химические волокна и нити
- •1.3.1. Тенденции в производстве и потреблении химических волокон
- •1.4. Искусственные волокна
- •1.4.1. Целлюлозные волокна и нити
- •1.4.2. Модификация волокон и нитей
- •1.4.3. Модифицированные вискозные волокна и нити
- •1.4.4. Ацетатные волокна и нити
- •1.4.5. Медно-аммиачные волокна и нити
- •1.6. Синтетические волокна и нити
- •1.6. Альтернативные природные и химические
1.4. Искусственные волокна
1.4.1. Целлюлозные волокна и нити
Середина XX в. стала периодом триумфального появления химических волокон. Благодаря высокой механической прочности, химической стойкости и другим замечательным свойствам они быстро нашли множество применений в самых разных отраслях промышленности. В обычной жизни немнущиеся и не подвергающиеся усадке синтетические ткани заметно потеснили традиционные ткани на основе хлопка, льна, шелка и шерсти. На завоевание и освоение мирового текстильного рынка химическим волокнам потребовалось всего 50 лет. За это время потребление натуральных волокон снизилось в 2,2 раза, а химических — возросло в 53,5 раза.
Вместе с тем на рубеже XX и XXI вв. над производством химических волокон нависла угроза в связи с увеличением спроса на углеводородное сырье в качестве энергоносителя, ростом цен на него, тревожными прогнозами об истощении нефтяных запасов, а также экологическими проблемами производства. Поэтому вновь возник интерес к получению химических волокон из возобновляемого, достаточно дешевого и доступного природного сырья, и в первую очередь из целлюлозы.
Объем выпуска природных волокон, в основном растительного происхождения (хлопок, лен и др.), в настоящее время уменьшается, что вызвано вытеснением названных культур с посевных площадей сельскохозяйственными культурами, необходимыми для обеспечения населения продуктами питания. Важным фактором является и то, что улучшение эксплуатационных свойств традиционных химических волокон, а также создание новых позволяют значительно расширить область их применения как для бытовых, так и технических целей.
Перспективы гидратцеллюлозных волокон очевидны. Доступность природного сырья — целлюлозы, ее воспроизводимость в природе становятся все более весомым аргументом. Хорошие функциональные, и особенно гигиенические, характеристики вискозных волокон привели к повторному расширению их применения. Существенно изменился ассортимент вискозных волокон и нитей, созданы и в больших объемах выпускаются хлопкоподобные модальные (ВВМ) волокна, огне- защищенные, антимикробные и многие другие.
Судьба вискозного волокна во многом будет зависеть от решения проблем охраны окружающей среды, связанных с его производством. Сегодня они преодолеваются либо путем активизации природоохранных мероприятий (Индонезия), либо посредством организации экологически чистых производств новых волокон типа лиоцелл, получаемых в Западной Европе (особенно Австрия) безсероуглеродным способом.
Целлюлоза — природный полимер (СбН10О5)п, макромолекулы которого представляют собой цепочки соединенных вместе звеньев — молекул глюкозы. Из целлюлозы построены клеточные стенки всех растений. Волокна семян хлопчатника содержат 95-98 % целлюлозы, стебли льна, джута и других лубяных растений — 60-85 %, древесина — 40-55 %.
Первооткрывателем целлюлозы стал французский химик Дясельм Пайен. В 1838 г. для того чтобы выяснить, из каких компонентов состоит древесина, Пайен обработал образцы древесины разных пород азотной кислотой и во всех случаях по- лучил волокнистое вещество, аналогичное веществу хлопковых волокон.
Перспектива создать из древесины искусственное волокно выглядела очень заманчивой. Но для этого требовалось перевести целлюлозу в пригодную для вытяжки волокна форму. Поскольку в обычных растворителях природная целлюлоза нерастворима, ее сначала надо было химически модифицировать. К концу XIX в. усилия химиков увенчались успехом: они научились получать вискозу и вытягивать из нее вискозное волокно.
Вискозное волокно — это искусственное волокно, полученное из раствора ксантогената целлюлозы.
Основным сырьем для получения вискозных волокон и нитей является именно древесная целлюлоза, широко распространенная в природе и относящаяся, в отличие от нефти и газа, к возобновляемым природным ресурсам. Она входит в состав как одно-, так и многолетних растений. Целлюлозу, пригодную для производства вискозных волокон, получают путем химической переработки древесины хвойных, а также лиственных деревьев — бука, березы, осины. Целлюлозу можно также получать из камыша и соломы, однако она характеризуется более низким в сравнении с древесной качеством. Целлюлоза, предназначенная для выработки вискозных волокон, должна содержать возможно больше а-целлюлозы и в малых количествах ге- мицеллюлозу, жиры, смолы и минеральные примеси. Этим требованиям более всего отвечает древесина хвойных пород. При переработке целлюлозы примеси, содержащиеся в ней, влияют как на параметры технологического процесса, так и на свойства получаемых волокон.
В последние годы роль целлюлозных волокон возросла, что обусловлено рядом их преимуществ:
доступностью и сравнительно невысокой стоимостью исходного сырья;
высоким техническим уровнем современного вискозного производства и внедрением в перспективе сокращенных технологических процессов получения вискозных нитей;
возможностью получения высокопрочных вискозных нитей, обладающих повышенными эксплуатационными свойствами;
высокими гигиеническими свойствами вискозных волокон, по уступающими натуральным.
Экономические преимущества получения вискозных волокон также очевидны, если сравнить трудозатраты (человеко- дней) на производство волокон: на основе хлопка — 200, мытой шерсти — 400, вискозного штапеля — 50.
В 1980-е гг. выпуск волокон на основе целлюлозы (в основном вискозных, медно-аммиачных, ацетатных волокон и нитей) в мире достиг максимума^- примерно 3,5 млн т в год. В последующем он заметно снижался, главным образом за счет сокращения выпуска медно-аммиачных штапельных волокон, вискозных и ацетатных нитей. Однако в 2010 г. вновь подтвердилась перспективность целлюлозных волокон; их производство достигло рекордного уровня ШШ 4 млн т.
Казалось, что производство синтетических волокон и нитей на базе минеральных органических видов сырья (нефти, газа и каменного угля) на долгое время завоевало приоритет. В связи с этим не раз прогнозировалось сокращение производства вискозных волокон, замена их как волокнами типа лиоцелл, так и новыми видами синтетических волокон. Однако реальное развитие мировой экономики внесло в эту концепцию существенные коррективы. Рост цен на нефть и газ, ограниченность запасов этих видов сырья и наращивание темпов их добычи привели в последние годы к замедлению развития синтетических волокон и началу нового витка в производстве волокон на базе целлюлозы, особенно вискозных.
Оптимизация процессов получения вискозных волокон и нитей позволила существенно снизить присущие им недостатки благодаря реализации новых решений в технологии и аппаратуре, рациональной компоновке производств, рециклингу химикалий и очистке выбросов.
Вискозное волокно является самым распространенным среди искусственных, его доля в настоящее время составляет 77 %. Исходным сырьем служит целлюлоза, выделяемая, как правило, из древесины и коротковолокнистого хлопка.
Целлюлоза относится к классу углеводов, элементарным звеном' в макромолекуле которой является остаток глюкозы (С6Н10О5) циклического строения. Целлюлоза искусственных волокон, в отличие от целлюлозы натуральных, имеет более упорядоченную структуру, меньшую молекулярную массу, большие межмолекулярные расстояния и несколько иное расположение отдельных звеньев в цепи. По структурной модификации ее относят к гидратцеллюлозе.
Многочисленные операции по превращению древесной целлюлозы (жесткой, с множеством различных целлюлозных при месей) в тончайшие шелковистые искусственные волокна и нити можно условно разделить на 4 основных этапа:
предварительная обработка древесной целлюлозы;
перевод полимера из твердого в вязкотекучее состояние;
формование волокон и нитей;
обработка свежесформированных нитей.
На этапе предварительной обработки целлюлозу древесины хвойных пород подвергают действию концентрированного раствора щелочи (стадия мерсеризации) для выделения сырья в наиболее чистом виде. Наиболее широкое применение получили сульфитный (древесину варят в растворе бисульфита кальция в герметически закрытых котлах при температуре 120-150 °С) и сульфатный (щепу обрабатывают слабым раствором серной кислоты и варят в котлах в растворе из смеси едкого натра и сернистого натрия) способы получения целлюлозы. Все способы основаны на растворении нецеллюлозных компонентов древесины (лигнина, воска); целлюлоза при этом остается в твердом виде. Для получения более чистого высококачественного продукта осуществляют облагораживание целлюлозы (дополнительная обработка слабым раствором едкого натра при температуре 90-95 °С).
Полученную щелочную целлюлозу измельчают, а затем выдерживают в течение нескольких часов, чтобы ее длинные макромолекулы частично окислились на воздухе и распались на более короткие цепочки.
СбН9040С^
+n-
H20.
(ФОРМУЛА НЕ РЕДАКТИРУЕТСЯ
N(C6H10O6 • NaOH)n + nCS2
SNa
Для получения окрашенных и матированных вискозных волокон в раствор вводят красители или двуокись титана.
После растворения вискоза подвергается смешиванию отдельных партий, фильтрации и обезвоздушиванию.
При фильтрации (двух- или трехкратный пропуск вискозы под большим давлением через плотные хлопчатобумажные ткани и пату на разных фильтр-прессах) происходит удаление нерастерявшихся частиц ксантогената, целлюлозных волоконец, прочих примесей. При обезвоздушивании (вскипание целлюлозы под вакуумом) удаляются пузырьки воздуха, который был внесен при перемешивании и растворении ксантогената целлюлозы.
Во время проведения комплекса химических процессов, протекающих при продолжительном выдерживании вискозы (в течение 16-20 ч при температуре 14-16 °С), вискоза окончательно созревает: сначала вязкость уменьшается до минимума, а затем возрастает. В итоге вискоза коагулирует.
Процесс формования оказывает существенное влияние на морфологию и свойства получаемых волокон. Цель его — выделение из раствора полимера нитей бесконечной длины. Формование проводится путем продавливания вязкого раствора (расплава) через фильеры часть прядильного элемента прядильной машины. Они представляют собой колпачки или пластины с тарированными и расположенными в определенном порядке отверстиями в донышке (рис. 1.17). Изготовляют фильеры из жаростойких металлов и сплавов: нержавеющей стали, никеля, тантала, сплавов платины с золотом или иридием, а также из керамики и ситаллов.
Рис.
1.17.
Фильеры для формования химических
волокон:
1
— для текстильной нити; 2 — для кордной
нити;
3,
4
— для штапельного волокна
с
числом отверстий 2000 и 12 ООО соответственно;
5— для медно-аммиачного волокна,
полученного водным способом; 6— для
формования волокна из расплава
Вискозные нити формуют мокрым способом в четырехком- понентной осадительной ванне (серная кислота, сульфат натрия, сульфат цинка и вода). Прядильный раствор попадает в нее через фильеры в виде тончайших струек (рис. 1.18).
Под действием компонентов ванны происходит коагуляция этих струек и омыление ксантогената с образованием гидрат- целлюлозного волокна
ФОРМУЛА НЕ ВСТАВЛЯЕТСЯ
СХЕМА НЕ ВСТАВИЛАСЬ
Макромолекулы ксантогената целлюлозы и их пучки (фибриллы) в образовавшихся в осадительной ванне нитях расположены хаотично, вследствие чего они имеют низкие физико-механические показатели. Поэтому в процессе формования нити подвергаются вытяжке. Филъерная вытяжка происходит посредством превышения скорости приема волокон на паковку над скоростью выхода их из фильеры. Благодаря этому наблюдаются утонение сформованных волокон и частичная ориентация макромолекул — расположение их относительно оси волокна.
Для получения упорядоченных и высокопрочных вискозных нитей кроме фильерной проводят ориентационную вытяжку. За счет ориентации удается повысить прочность волокон в 5-10 раз. Нити сразу же после формования и выхода из осадительной ванны проходят через специальные пластифика- ционные ванны (обработка горячей водой) и вытягиваются с помощью дисков. Обычно волокна вытягивают на 30-35 % от первоначальной длины. Наиболее перспективной считается многоступенчатая вытяжка с промежуточной релаксацией, при которой процесс осуществляется непрерывно с одновременным разложением ксантогената.
В настоящее время известны следующие способы формования вискозных нитей: бобинный, центрифугальный, непрерывный. Каждому из них соответствует определенный тип машины.
Бобинные машины считаются устаревшими. В центрифу- гальных машинах сформированная нить после выхода из фильеры заправляется в два прядильных диска (тянущий и вытягивающий), благодаря разности скоростей их движения осуществляется ориентационная вытяжка нити до 10-30 %. Нить, сходящая с вытягивающего диска, заправляется в стеклянную воронку и попадает в центрифугу. Под действием центробежной силы нить отлетает от воронки к стенкам кружки центрифуги. Воронка совершает плавное возвратно-поступательное движение вверх и вниз и равномерно раскладывает нить по высоте кружки. Нити сообщается крутка 85-100 витков на 1 м за счет разности скоростей стенки кружки и наматывания. Цент- рифугальные машины сложны и малопроизводительны. Получаемая нить нуждается в дополнительной обработке, что требует значительных затрат ручного труда.
Машины непрерывного способа формования нити (типа ПНШ) имеют более высокую производительность, лучшее качество нитей, большую массу выходящей паковки (рис. 1.19).
РИСУНОК НЕ ВСТАВИЛСЯ
Кроме того, они исключают необходимость в установке оборудования для отделки, сушки и текстильной обработки нитей.
Вискоза зубчатым насосом подается через свечевой фильтр к фильере, находящейся в осадительной ванне. Сформированная нить поступает на парные цилиндры, нижний из которых погружен в довосстановительный раствор, близкий по составу к осадительной ванне. Регенерированная нить промывается горячей водой. В результате такой обработки нить освобождается от поверхностной серы и значительно лучше перерабатывается при изготовлении текстильных изделий. Далее нить передается на отделочный цилиндр, сушится, на парных цилиндрах получает необходимую крутку на веретене и наматывается на паковку.
Более совершенной является многониточная машина. Вискоза зубчатым насосом через свечевой фильтр направляется к узлу многониточного формования, где находится фильера с 10 группами отверстий, от каждой из которых по отдельному каналу нить отводится вверх и промывается на контактном диске. Отмытые нити проходят сушильные цилиндры и передаются на веретена.
Свойства получаемых нитей зависят также от отделки, поэтому после формования их подвергают различным видам обработки с целью удаления компонентов осадительной ванны, красящих веществ, придания мягкости, повышенной эластичности и других ценных свойств.
Основными отделочными процессами являются: промывка, десульфурация, отбеливание, кисловка, вторая промывка, ави- важная обработка, сушка.
Промывка нитей осуществляется умягченной водой для поверхностного удаления серной кислоты и ее солей (сульфатов). Для ускорения промывки, а также облегчения ориентации макромолекул при вытяжке воду подогревают до 50-80 °С. Промывают, в основном, волокна, получаемые мокрым способом. Волокна, сформованные другими способами, обычно водой не промывают, за исключением волокна капрона, которое содержит остатки мономера (капролактама). Промывка чаще всего совмещается с пластификационной вытяжкой.
Десульфурация заключается в удалении с нитей элементарной серы, придающей им желтоватый оттенок и повышающей их жесткость. Для этого применяют слабые растворы едкого натрия или сульфата натрия с температурой 70-75 °С. При де- сульфурации раствором натрия сера удаляется более интенсивно, но при этом прочность и относительное удлинение снижаются на 10 %. Наиболее пригоден раствор Na2S03 (20-25 г/л), не изменяющий качество текстильных нитей.
Отбеливание проводится для окисления красящих веществ, поглощенных нитью в осадительной ванне. Для этого используют перекись водорода или гипохлорит натрия. Отбеливание волокон необходимо только при получении будущих изделий белого цвета или окрашиваемых в светлые тона Кисловка выполняется 1 % -ным раствором серной кислоты для перевода в растворимое состояние оставшихся на волокне солей кальция и железа с последующей промывкой.
Далее проводится авиважная обработка, которая сообщает нитям мягкость и снижает величину электростатических зарядов. При этом на поверхность волокон наносят антистатики, мягчители, регуляторы трения, поверхностно-активные вещества и др. Это облегчает текстильную переработку нитей и штапельных волокон.
После основных отделочных операций нити и волокна сушат горячим воздухом для удаления избыточной влаги и фиксации структуры. При этом сушка гидрофобных волокон (полиамидных, полиолефиновых и др.) проводится в одну стадию. Это обусловлено тем, что они содержат «свободную» воду, не связанную с полимером химическими связями. Сушку гидрофильных волокон (вискозных, медно-аммиачных, поливинил- спиртовых и др.) проводят в две стадии. На первой стадии (100-120 °С) удаляют «свободную» воду, а на второй — «связанную», образующую с полимером межмолекулярные связи.
Сушилки оборудованы ленточными конвейерами непрерывного действия, воздух подогревается в калориферах и циркулирует через слой волокна. Наиболее рациональной является сушка нитей способом противотока в многозональных тоннельных агрегатах (сушилках). При переходе из зоны в зону холодный воздух постепенно подогревается и, соприкасаясь с влажным волокном, имеет наивысшую температуру. При сушке в зависимости от ряда факторов (натяжение нитей, температура сушильных зон, скорость сушки) происходят уплотнение структуры нитей, их усадка по длине (например, для нитей, высушенных в свободном состоянии, на 10—15 %).
Неоднородность структуры нитей может отрицательно сказаться при их последующем крашении (неравномерность цвета). Во избежание этого применяют кондиционирование нитей, т.е. выдерживание в течение 3-5 суток при относительной влажности воздуха 85-95 % и комнатной температуре.
В зависимости от морфологического строения вискозные волокна делятся на два основных вида — длинные комплексные нити и короткие (штапельные) волокна.
В отличие от непрерывных комплексных вискозных нитей штапельные волокна представляют собой элементарные волок- па ограниченной длины (40 -120 мм), получаемые путем разрезания целого жгута элементарных нитей на отрезки m га- польки (рис. 1.20).
1,2 — вращающиеся диски; 3 — крючки; 4 — дисковый нож Рис. 1.20. Устройство для вытягивания и резки жгута на штапельки
Для формования пучка элементарных нитей применяют фильеры с значительно большим количеством отверстий — 12 ООО и более. Выходящие пучки элементарных нитей из нескольких фильер собираются в один общий жгут, который затем разрезается на резальной машине (жгуторезке).
Штапельные волокна используются как в чистом виде, так и в смеси с другими волокнами. Различают несколько их видов: штапельное волокно, перерабатываемое с шерстью (должно обладать повышенным удлинением, поэтому его не вытягивают при формовании); штапельное волокно, используемое в смеси с хлопком (должно иметь меньшую линейную плотность, пониженное удлинение, повышенную прочность, при формовании его подвергают вытягиванию).
Существенным свойством всех волокон, в том числе и вискозных штапельных, является извитость, она определяет лучшую сцепляемость между собой, облегчает их переработку в пряжу. Извитое штапельное волокно получают различными методами. Один из них — вытягивание свежесформованного волокна на 30-50 % в пластификационной ванне. После снятия нагрузки вытянутое волокно усаживается, образуя устойчивую извитость.
Получают штапельные волокна и на агрегатах, производящих все операции — от формования до отделки.
Рис.
1.21.
Поперечное сечение вискозного волокна:
1
— ядро; 2 — оболочка
Вискозные
волокна имеют неоднородную структуру
из-за разной скорости коагуляции
ксантогената целлюлозы во внешних
и внутренних слоях волокна. Благодаря
более высокой ориентации макромолекул
наружного слоя его прочность в волокне
в 3 3,5 раза выше, чем ядра (рис. 1.21).
Наружный слой набухает в воде на 40 % меньше, чем внутренний, и на его окрашивание требуется времени в 2-3 раза больше.
Главное достоинство вискозного волокна — хорошая гигроскопичность (12-14 %), что вызывает повышенный интерес к нему при изготовлении тканей и трикотажа. Поэтому во многих странах проводится большая работа по производству вискозных волокон с улучшенными потребительскими свойствами (модифицированных вискозных волокон). Волокно довольно термостойко. При температуре до 120 °С его прочность несколько возрастает вследствие частичного удаления влаги. Разрушается волокно при температуре свыше 175 °С.
Вискозное волокно устойчиво к действию многократных деформаций и трению, однако изделия из обычных вискозных волокон характеризуются низкой формоустойчивостью (усадка 12-16 %) в процессе эксплуатации, что делает их неконкурентоспособными в сравнении с изделиями из хлопкового волокна. Обычное вискозное волокно выпускается линейной плотностью 0,17-0,2 текс. Относительная разрывная нагрузка колеблется в пределах 22-25 сН/текс. К основным недостаткам вискозного волокна следует отнести большую потерю прочности в мокром состоянии (до 60 %), значительную усадку, сминаемость, пониженные формоустой- чивость и износостойкость изделий, что является следствием малой упругости и большой остаточной деформации. Среди других недостатков следует отметить неустойчивость волокна к действию микроорганизмов (волокно боится сырости, плесени), водно-щелочных растворов, солнечных лучей, а также горючесть волокна. Несмотря на некоторые недостатки, вискозные волокна широко используются для производства различных видов тканей и трикотажных изделий, нетканых материалов и искусственного меха, ковровых изделий и текстильной галантереи Вискозные текстильные нити остаются вне конкуренции в производстве многих видов изделий, в частности полотой бытового и подкладочного ассортимента. Обычные и высокомодульные вискозные штапельные волокна с успехом применяются вместо хлопка. Они используются как в чистом виде, так и в различных смесках.
Значительная часть выпускаемых волокон модифицирована и имеет улучшенные или специальные свойства Ш бактерицидные, огнезащитные, окрашенные в массе и др. Направленное изменение структуры волокнообразующего полимера с целью улучшения свойств волокон называют структурной модификацией.
Из химических волокон «роднее» всего человеку вискозное волокно: оно ближе всего по характеристикам к природным волокнам, потому что состоит, как хлопок и лен, из целлюлозы. Вискоза пользуется популярностью во всем мире из-за своего шелковистого блеска, возможности окрашивания в яркие тона, мягкости и способности впитывать влагу, ощущения прохлады в жару.
В западноевропейских странах вискозные волокна принято относить к природным волокнам. Международное обозначение их — У18С08Е.
По составу сырья можно выделить несколько групп тканей из вискозных волокон. Из 100 %-ного вискозного волокна вырабатывают в основном декоративные, технические, легкие платьевые и подкладочные ткани. Среди смесовых тканей наибольшее значение приобрели ткани, выработанные из смеси полиэфирных волокон и вискозных или вискозных и хлопкового волокна. В первом случае вискозных волокон используется от 33 до 80 % , а во втором № от 50 до 67 %. Для выработки платьевых и костюмно-платьевых тканей, кроме 100 % -ного вискозного волокна используют смесь полиэфирного (67 %) и вискозного (33 %) волокна. Летние костюмные ткани, а также ткани для спортивной одежды и джинсовые ткани вырабатывают преимущественно из следующих смесей волокон: полиэфирного (67 %) и вискозного (33 %); полиэфирного и вискозного (по 50 %).
Более разнообразен по составу сырья ассортимент декоративных тканей. Кроме тканей из 100 %-ного вискозного волокна выпускаются декоративные комбинированные ткани с основой из вискозной пряжи и утком из ацетатных, вискозных и полиэфирных волокон, а также из смеси полиакрилонитрильных (67 %) и вискозных (33 %) волокон.
Выпуск смесовых тканей позволяет не только совершенствовать структуру ассортимента тканей, но и значительно повысить их качество.
Эффективным является использование смеси хлопкового волокна с полыми вискозными волокнами для выработки махровых изделий и нетканых материалов медицинского назначения. При смешивании полых вискозных волокон с другими волокнами вырабатываются многие ткани для верхней одежды, сорочечно-платьевых изделий, постельного белья, трикотажных изделий и др. Предприятия трикотажной промышленности вырабатывают широкий ассортимент верхних трикотажных изделий, бельевого трикотажа, текстильно-галантерейных и чулочно-носочных изделий.
Перспективным является использование вискозного волокна с применением котонизированного льняного волокна.
В настоящее время наметилась тенденция вытеснения обычных гидратцеллюлозных волокон новым поколением хлопко- подобных волокон типа лиоцелл. Технологический процесс их получения экологически безопасен, а по своим свойствам они выгодно отличаются от традиционных гидратцеллюлозных волокон: имеют ярко выраженную фибриллярную структуру, высокую кристалличность и ориентацию, обладают повышенным в лагопогл ощением.