Технологія одержання напівпродуктів для синтетичних волокон

Принципова схема виробництва хімічних волокон не залежить від виду сировини і поділяється на такі чотири стадії:

1. Отримання початкового матеріалу (напівпродукту). У випадку, коли сировиною є природні ВМС, то їх попередньо очищують від домішок. Для синтетичних волокон – це синтез полімерів. При всій різноманітності початкових полімерних матеріалів до них висувають такі вимоги, що дозволяють отримувати волокна формовкою (плавлення чи розм’якшення смоли).

2. Приготування прядильної маси. Не всі природні чи синтезовані високополімерні сполуки можуть бути основою для виробництва волокон. Отримання в’язких концентрованих розчинів (7-25%) високополімеру в розповсюджених розчинниках або переведення смол в розплави – обов’язкова умова для проведення процесу прядіння чи формування хімічного волокна. Тільки в розчині чи розплаві можуть бути створені умови, які дозволяють знизити енергію взаємодії макромолекул і після подолання міжмолекулярних зв’язків орієнтувати молекули вздовж осі майбутнього волокна. Так, наприклад, целюлоза при допомозі хімічних реагентів переводиться в розчинний стан. Деякі смоли розчиняють в ацетоні або розплавляють при підвищеній температурі. Розчин чи розплав ретельно очищують від домішок і нерозчинних часток (проводять 3-4 фільтрації). На цій стадії виробництва додають барвники та інші сполуки, які надають майбутньому волокну відповідне забарвлення.

3. Формування волокна є найвідповідальнішою операцією і полягає в тому, що прядильну масу подають у фільєру (ниткоутворювач), яка має велике число отворів маленького діаметру (від 100 до 6000 отворів). Видавлені через фільєру волокна подають у ванну з розчином (осаджувальна ванна) і тут після відповідних реакцій проходить випадання полімеру з розчину. Якщо твердження проходить в потоці теплого повітря, то розчинник поглинають і повертають у виробництво. Таким методом отримують ацетатне волокно.

Пучки тонких волокон, які утворилися на виході фільєри, відводяться через спеціальні пристрої в приймальний пристрій і намотуються на бобіни, ролики. В ході формування лінійні полімери орієнтуються вздовж осі волокна і, змінюючи умови натягу та витяжки, змінюють характер та властивості волокон.

Хімічні волокна, незалежно від методу виробництва, можуть бути отримані у вигляді безперервних ниток шовку чи у вигляді штапельного волокна (короткі відрізки по 30-150 мм). Шовк використовують безпосередньо для виготовлення виробів на ткацьких верстатах, а штапельне волокно переробляють на пряжу.

4. Обробка волокна, яка полягає у наданні йому різноманітних властивостей, що необхідні для подальшої переробки волокна. Для цього волокна ретельно очищують ретельним промиванням від домішок, які були отримані в процесі виготовлення волокна. Далі волокна відбілюють, а в деяких випадках – фарбують барвниками. Після сушіння шовк крутять і намотують на шпулі і катушки, а штапель пакують в кипи.

Виробництво віскози, капрону та найлону

Віскозний метод виробництва штучного волокна з целюлози широко використовують в промисловості. Випуск віскозних волокон у вигляді шовку, корду і штапелю складає майже 75% всіх хімічних волокон.

Для підготовки прядильного розчину целюлоза з вологістю 5-6% у вигляді листів 600x800 мм обробляється 18-20%-ним водним розчином лугу (процес носить назву мерсеризації). При цьому целюлоза всмоктує розчин лугу, набухає. З неї вимивається більша частина геміцелюлози (яка залишилась від попередньої обробки), частково розриваються міжмолекулярні зв’язки, і в результаті утворюється нова хімічна сполука – лужна целюлоза:

)

Реакція між целюлозою та концентрованим розчином лугу є зворотньою. Целюлоза змінюється під час мерсеризації.

В залежності від тривалості мерсеризації проходить зменшення геміцелюлоз і одночасно проходить зростання ступеня полімеризації целюлози та збільшення числа карбоксильних груп.

В залежності від того, яку апаратуру і форму целюлози використовують (листи чи пористу масу), процес проводять при 20-50⁰С протягом 10-60 хвилин, а після цього лужна целюлоза відтискується від надлишку лугу, фільтрується і витримується для попереднього дозрівання при 20-22⁰С. В такому процесі проходить окиснення в лужному середовищі і знижується ступінь полімеризації целюлози, що дозволяє в широкому діапазоні регулювати густину та в’язкість отриманого прядильного розчину. Після цього деструктурована целюлоза обробляється сірковуглецем (проходить ксантогенування целюлози). В результаті реакції отримують оранжево-жовтий ксантогенат целюлози, який на відміну від початкової целюлози добре розчиняється в 4-7%-ному розчині лугу і утворює в’язкий розчин віскози.

Реакція ксантогенування описується схемою:

║

S

Склад та властивості отриманого ксантогенату целюлози залежать від тривалості і температури процесу введення сірковуглецю.

Зазначені операції проводять послідовно в чотирьох – п’яти окремих апаратах (ванна-прес, подрібнювач, барат, розчинник) або проводяться до остаточного розчинення в одному віскозному апараті.

Віскозний апарат має ємкість 22 м³ (при довжині 7,5 м та висоті 4 м) і складається з стального корпусу з сорочкою для нагріву чи охолодження. Всередині апарата розташовані два Z-подібних вали, які обертаються зі швидкістю 900-1000 об./хв. Вони призначені для подрібнення лужної целюлози і перемішування маси під час старіння, ксантогенування та в перший період розчинення. Апарат оснащують пристроєм для автоматичного регулювання заданого режиму роботи.

Заново приготований розчин є непридатним для формування волокна. Для отримання так званого зрілого розчину ксантогенату його витримують певний час і подають на фільтрацію на рамних фільтр-пресах і тут додатково витримують (24-60 год) для дозрівання целюлози при температурі 14-17⁰С.

Під час старіння проходить ряд хімічних та колоїдних перетворень целюлози. При цьому зменшується стабільність целюлози та збільшується здатність до коагуляції. Частковим омиленням ксантогенату знижується ступінь етерифікації целюлози. Бульбашки повітря, які потрапили в розчин, повільно виділяються з розчину (відбувається вивітрювання). Віскоза містить 6-9% целюлози, 6-7,5% лугу, 2,2-2,3% сірки і 80-83% води.

Після фільтрування та вивітрювання підготовлений розчин (має жовтуватий колір) подається стиснутим повітрям на формування в прядильний цех.

Прядіння проводять при допомозі маленького зубчатого насоса, який забирає певну кількість віскози і продавлює її через фільтр. Після фільтрування віскозу подають на фільєру, яка занурена в осаджувальну камеру. Осаджувальна камера заповнюється розчинами сульфатної кислоти 80-150 г/л та сульфатнокислих солей натрію 160-320 г/л і цинку 10-100 г/л при температурі 45-50⁰С. Швидкість прядіння складає 75-100 м/хв.

У ванні проходять реакції:

1. Коагуляція віскози під впливом електроліту ванни.

2. Розклад ксантогенату целюлози під впливом кислоти:

3. Розклад різноманітних сірчистих домішок, які знаходяться у віскозі, з виділенням гідрогенсульфіду та сірковуглецю.

Розчин безперервно витікає на регенерацію і знову подається в осаджувальну камеру. Волокна, які складаються з регенерованої целюлози, скручують і укладають. Є два методи укладки: центрифуговий та бобінний. За першим способом волокна підхоплюються прядильним диском і через направляючу лійку поступають в камеру центрифуги, посадженої на електроверетено, і вона обертається зі швидкістю 6000-10000 об/хв. При намотуванні нитка одночасно скручується.

При бобінному методі подачу прядильного розчину, формування і витяжку волокна проводять так, як і при центрифуговому методі. Після витяжних механізмів нитка намотується на бобіну і лише після неї (повторним розмотуванням-змотуванням) проводять скручування нитки.

Під час обробки отриманого волокна його промивають водою для видалення кислоти, сульфатів та розчинних солей і обробляють слабким розчином лугу для видалення сірки (десульфурація). Потім волокно обробляють слабким розчином кислоти для видалення важкорозчинних солей і відбілюють волокно для видалення солей феруму і інших забарвлених домішок.

Після відбілювання волокно замаслюють. Це надає йому необхідну м’якість та еластичність, покращує здатність шовку до переробки в готові вироби.

Після висушування волокно перемотують, сортують, пакують та направляють споживачам.

Широкому розповсюдженню виробництва віскозного волокна сприяє дешевизна сировини. Віскозне волокно є стійким до дії органічних розчинників, витримує температури 100-110⁰С. Напруженість при розриві коливається від 20 кг/мм² (звичайне волокно) до 54 кг/мм² (високоміцне).

До недоліків слід віднести слабку стійкість віскози до дії лугів.

З віскози отримують целофан, корд, пакувальні матеріали, штучне волосся та каракуль.

При взаємодії целюлози з ацетатним ангідридом в присутності льодяної ацетатної кислоти чи метиленхлориду (розчинники) і при додаванні каталізаторів (сульфатної чи хлоридної кислот) отримують ацетатнокислий ефір целюлози, а з нього – ацетатне волокно:

Після часткового омилення ацетилцелюлоза розчиняється в суміші ацетону та спирту (85:15) в вертикальних розчинниках з планерними мішалками. Після фільтрування та вивітрювання отриманий розчин направляють на прядіння сухим методом: нагрітий прядильний розчин продавлюють через фільєри у вигляді тонких ниток, які падають вертикально вниз в шахті прядильної машини в потоці повітря, нагрітого до 55-75⁰С (що приводить до випарювання розчинника). Нитки розчину тверднуть, перетворюються на тонкі і гнучкі волоконця, які внизу об’єднують в єдину нитку.