3. Производство химических волокон
Основные сведения о волокна
Волокном называют тонкую непряденую нить растительного, животного, минерального или искусственного или синтетического происхождения, пригодную для изготовления пряжи, текстильных и трикотажных изделий и др.
Волокна имеют большую длину и малую толщину. Они гибкие и прочные. Волокна прядут. Для этого их скручивают или склеивают.
Волокна классифицируют по определенным признакам: по происхождению, по строению макромолекул и т.д.
По происхождению. По этому признаку волокна разделяют на натуральные и химические.
1. Натуральные волокна. Это волокна растительного (льняные, хлопчатобумажные, конопляные и т.п.), животного (шерстяные, шелковые) и минерального (асбестовые, базальтовые) происхождения.
Натуральные волокна не крепкие, быстро разрушаются в химических средах, их себестоимость очень большая. Производство волокон растительного и животного происхождения сезонное. Оно зависит от природных условий.
2. Химические волокна. До 80-х годов XIX в. для изготовления тканей и трикотажа использовали только природные волокна: хлопчатобумажные, шерстяные, шелковые, льняные, конопляные. В 1831 г. в г. Безансон (Франция) начал действовать первый в Мире завод химического волокна, на котором производили нитрошелк. С того времени выпуск химических волокон постоянно растет и уже превысила половину общего объема производства текстильных волокон.
На сегодня известно более 500 видов химических волокон, из них промышленность производит 40 видов.
Химические волокна производят в виде моноволокон, комплексных нитей, штапельных волокон и дистанционных скоб.
Листы - это единичные нити большой длины, которые не делятся вдоль, а пригодные сразу для изготовления текстильных или технических изделий. Из моноволокон изготавливают рыбацкие сети, сита для просеивания муки и др.
Комплексные нити состоят из двух и более моноволокон, соединенных скручиванием или склеиванием. их разделяют на текстильные и технические. Текстильные нити – тонкие, их используют преимущественно в шелковом, трикотажной, шерстяной, галантерейной и швейной промышленности. Технические - толстые. Они имеют большую прочность. Из них производят технические изделия. Техническими нитками армируют автомобильные и другие шины, транспортерные ленты, приводные ремни и т.д.
Штапельные волокна состоят из моноволокон разной длины. Из них производят ковры. Из волокон длиной 2-3 мм изготавливают специальные виды бумаги.
Жгутовые волокна состоят из большого количества параллельно составленных волокон.
По происхождению химические волокна разделяют на искусственные и синтетические.
Искусственные волокна производится из сырья растительного, животного и минерального происхождения, их разделяют на целлюлозные (вискозные, ацетатные и т.п.), белковые (казеиновые и т.п.), металлические и другие волокна. Из искусственных видов волокон больше всего производят вискозного и ацетатного волокна.
Синтетические волокна производят из полимеров, которые синтезируют из мономеров капролактама, акрилонитрила, пропилена и т.д.
Большое внимание уделяют производству синтетических волокон, поскольку их свойства лучше, а трудозатраты при их получении меньше. Например, устойчивость автомобильных шин к истиранию при замене хлопкового каркаса на каркас из химических волокон повысилась более чем в 2 раза. На сегодня все технические ткани изготавливают только из синтетических волокон. Особенно экономически выгодно использовать синтетические ткани в процессе производства фильтров, пылеуловителей и т.д.
Синтетические волокна менее гигиенические, чем искусственные, не впитывают воду, электризуются, поэтому с них почти не производят тканей для пошива нижнего белья.
Из синтетических волокон больше всего производят капрона (полиамидное волокно), лавсана (полиэфирное волокно) и нитрона (полиакрил-нитриловое волокно).
По строению макромолекулы полимера-сырья. Все синтетические волокна разделяют на карбо - и гетероцепные.
К карбоцепных волокон принадлежат волокна, полученные на основе полимеров, главный цепь которых состоит только из атомов углерода, соединенных между собой. Самыми распространенными из них являются полиакрилонитрильные и полиолефиновые волокна.
К гетероцепным волокнам принадлежат волокна, главная цепь которых содержит кроме атомов углерода атомы кислорода, азота и других элементов.
Больше всего производят полиамидных и полиэфирных волокон, меньше - полиуретановых.
Технология химических волокон
Технология химических волокон состоит из отдельных стадий: подготовка прядильной массы, формирование, укрепление и отделки волокон.
Прядильную массу изготавливают в виде раствора или расплава. В процессе изготовления раствора используют органические (ацетон, этиловый спирт и т.п.) и неорганические (щелочи, кислоты, растворители). Для улучшения свойств прядильной массы и качества волокон к прядильной массы придают поверхностно-активные вещества, красители и т.д. Полученную жидкостную массу, фильтруют и дегазируют подают на формирование волокна (прядение).
Волокна формируют с помощью фильер, через которые продавливают прядильную массу. На выходе из фильеры потоки прядильной массы укрепляются: коагуляцией ВМС в осаждающие ванные (мокрый способ прядения), испарением органического растворителя или охлаждением (сухой способ прядения). Дополнительно укрепляют волокна, накручиванием их на ролики, бобины и т.д. В процессе формирования и натягивания при накручивании линейные макромолекулы упорядочиваются вдоль оси волокна, что повышает его прочность. Потом из волокон изготавливают нити скручиванием или разрезают на отрезки длиной 130-150 мм.
Конечная стадия производства химических волокон - отделки волокон и нитей - заключается в промывке, высушивании, нагревании и подготовлены к использованию.
Технология химических волокон постоянно совершенствуют; на отдельных стадиях производства внедряют непрерывные процессы, создают новые ВМС, которые упрощают производство волокон, совершенствуют конструкции технологических агрегатов и т.д.
Из известных видов искусственных волокон больше всего используют вискозного (от лат. «vіscosus» - клейкий, вязкий). Соответственно его и производят больше всего. Основным сырьем для производства вискозного волокна являются древесная целлюлоза (клетчатка), которая поступает на заводы искусственного волокна в виде картона.
Фильеры изготовляют из коррозиестойких сплавов благородных металлов (платины с золотом или иридием) или из тантала. Фильеры имеют от 24 до 3200 отверстий. Количество отверстий и их диаметр зависят от типа волокна (текстильное или техническое).
Цевья вискозы, которые продавливаются в ванную, коагулируются: серная кислота нейтрализует неиспользованный луг и раскладывает ксантогенат целлюлозы:
Регенерируемую целлюлозу в виде волокон наматывают на катушки. Скорость формирования волокна составляет 0,75-1,16 м/с. Раствор из ванны подают на регенерацию сероуглерода, едкого натра и серной кислоты.
В процессе прядения вискозного волокна из раствора выделяется сероводород и сероуглерод, которые являются вредными для здоровья и взрывоопасными. Чтобы предотвратить это, прядильные аппараты тщательно уплотняют и оборудуют вентиляцией. На выходе из вентиляции воздуха очищают.
Сформированые волокна промывают чистой теплой водой и раствором едкого натра, отбеливают, высушивают, перематывать, сортируют и упаковывают.
Вискозное волокно не растворяется в органических растворителях, имеет сравнительно большую прочность и выдерживает нагрев до 100-120 0С. Однако оно неустойчиво в щелочах и в случае увлажнения наполовину теряет прочность.
Из вискозного волокна производят шелк, штапель, корд, целлофан, искусственный каракуль и т.д.
Технология синтетических волокон
Технология синтетических волокон в основном трехстадийная.
На первой стадии получают прядильный раствор или расплав, к которым после очистки добавляют стабилизаторы, красители и т.д.
На второй стадии формируют волокна. Волокна формируют с помощью фильер. В фильере может быть от одного до 100000 и более отверстий. Формирование - очень важная стадия производства волокна, поскольку от него зависит физико-механические свойства волокна.
На третьей стадии сформированы волокна отделывают. В процессе отделки волокна промывают, сушат, смазывают антистатическими веществами, скручивают и т.д. На этой стадии волокна дополнительно вытаскивают, нагревают и высушивают.
Технология некоторых волокон имеет еще и четвертую стадию, на которой модифицируют волокно. Вследствие чего меняется его химическое строение и структура, а вместе с ними и свойства. В результате модификации получают бактерицидные, хемосорбционные, огнестойкие, очень эластичны и другие по свойствам волокна.
Представителями синтетических волокон является полиамидные волокна, которые получают из линейных полимеров, макромолекулы которых содержат амидные группы ( -NHCO- ). Эти волокна впервые начали производить в 1939 г. в США. В разных странах Мира эти волокна имеют разную торговую (фирменное) наименование: например, в Германии - дедерон, перлон, в США - найлон, в Польше - плен. У нас их называют капрон и амид.
Капрон является продуктом полимеризации капролактама (HN(CH2)sCO).
Капролактам - белое, растворимое в воде твердое вещество в виде порошка с температурой плавления 60 0С. В промышленности его производят из фенола, бензола, ацетилена, дивинила и других веществ. Лучше всего освоено производство капролактама с фенола и бензола. Полученный капролактам очищают от примесей, упаковывают в бумажные или полиэтиленовые мешки, поверх которых натягивают мешки из прорезиненной ткани. Перевозят капролактам на заводы синтетического волокна и в виде расплава в специальных цистернах с подогревом. Этот способ упаковки и перевозки капролактама экономически выгоден, поскольку на заводе синтетического волокна сырье уже не плавят.
Полимеризация капролактама с образованием капрона происходит при высоких температурах. Активатором полимеризации в производственных условиях зачастую является вода, которой добавляют 4% массы взятого мономера. Регулятором, который ограничивает степень полимеризации, используют уксусную кислоту. Чем кислоты больше, тем степень полимеризации меньше.
Капрон - белый с желтоватым оттенком твердое роговидное вещество без запаха и вкуса. Плотность капрона составляет 1130-1150 кг/м . Капрон термопластичный. При температуре 300 0С он начинает разлагаться, а при температуре свыше 350 0С самовозгорается. Капрон имеет хорошие теплоизоляционные свойства, большую прочность и стойкость к истиранию. Он устойчив к воздействию воды и щелочей, мыла и моющих веществ, а также растворителей-спиртов, бензина, ацетона и др. Однако капрон неустойчив в кислотах: хорошо растворяется в соляной и серной кислотах, а в случае нагрева - в азотной, фосфорной, муравьиной и уксусной.
При высоких температурах капрон очень чувствителен к окислению кислородом воздуха. Вследствие этого ухудшается прядение. Поэтому на всех стадиях, где капрон нагревают до температуры свыше 70 0С, его защищают азотом, то есть все процессы проводят в среде азота.
Производство капронового волокна. На новых заводах синтетического волокна капрон производят на оборудовании непрерывного действия. Если капролактам поступает на завод в твердом состоянии, то технологическая система производства капронового волокна состоит из 11-ти элементов (рис. 115).
Сначала капролактам измельчают на дробилках (элемент 1), разрыхляют в бункере (элемент 2) и расплавляют в печах при температуре 85-95 0С (элемент 3). После расплавления капролактам через фильтр подают в аппарат-смеситель, в котором к расплава добавляют активатор /вода/ и регулятор /уксусную кислоту/ (элемент 4). После перемешивания смесь поступает в полимеризатор (элемент 5) непрерывного действия. Все аппараты и трубы обогревают горячей водой, а сырье защищена от воздействия атмосферы азотом.
Полимеризацию капролактама проводят при температуре 256 0С. После окончания полимеризации полученный капрон выжимают из полимеризатора азотом, который подают под давлением 0,3-0,5 МПа. Капрон выжимают в воду в виде лент или жилок (элемент 6), где он твердеет. Температура воды равна 12-1б. Скорость отжима составляет до 1,3 м/сек. Максимальное количество тисненых жилок 20 шт., а лент - 6. При выходе из ванны пучок жилок или лент режут на отрезки длиной 7-8 мм /ленты/ и 2-3 мм /жилки/ на станке (элемент 7). Полученные отрезки тщательно промывают в агрегате (элемент 8) чистой дистиллированной водой, которую подают на встречу движения кусочков. Эту операцию проводят 3-4 раза. Температура воды составляет 100 ос. После промывки капрон высушивают при температуре 115-125 С в вращающихся вакуумных сушильнях периодического действия (элемент 9) в течение 24-36 ч. Время сушки зависит от температуры, вакуума, размера отрезков, строения сушильни, начальной и конечной влажности капрона. После высушивания капрон под давлением азота поступает в бункер-хранилища прядильного цеха (элемент 10).
В прядильном цехе нить капрона формируется продавливанием расплава через фильеры (пункт 11). В процессе прядения нить укрепляется, поскольку молекулы полимера стремятся расположиться параллельно оси волокна. В результате скручивание улучшается структура волокна.
Капроновое волокно вдвое крепче, чем естественное шелковое и в шесть раз прочнее, чем шерстяное. Оно устойчиво к воздействию микроорганизмов, легко электризуется и плохо поглощает воду (3%). Поэтому из него не целесообразно изготавливать постельное и нательное белье.