5.3. Химические волокна

Волокном называют полимеры, длина которых во много раз превосходит размеры поперечного сечения. До начала XX столетия в текстильной промышленности использовали только натуральные волокна. В конце XIX столетия (1891 г.) во Франции впервые получены искусственные волокна.¹⁸ Мировое производство синтетических волокон создано накануне 40-х годов.¹⁹ Химические волокна практичные, красочные и по качеству не уступают натуральным. Разработано вискозное высокомодульное волокно, которое по прочности не уступает хлопку, пропускает воду, воздух - "дышит", как и натуральное, что позволяет производить из него достаточно гигиеничные товары народного потребления. Известны волокна прочнее стали, устойчивые к облучению, диэлектрические, выдерживающие температуру от -200°С до +400°С. Выпуск химических волокон меньше зависит от природно-климатических условий, имеет значительную сырьевую базу, не требует больших трудовых и материальных затрат, а себестоимость тканей из них меньше, чем из натуральных ресурсов. Все это делает химические волокна необходимым материалом научно-технического прогресса.

Все химические волокна в зависимости от сырья подразделяют на искусственные и синтетические. Первые получают из природного полимера - целлюлозы, а синтетические - синтезом мономеров и созданием искусственных полимеров. Области использования синтетики весьма значительные благодаря ее неограниченным свойствам.

При разнообразии сырья и выпускаемых волокон производство состоит из определенных стадий. Первая - получение полимеров высокой степени чистоты, так как примеси ухудшают качество волокон, увеличивают производственные материальные потери. Вторая - подготовка полимеров для формирования волокна с образованием прядильной массы. Обычно природные и искусственные полимеры для химических волокон находятся в твердом состоянии с хаотичным расположением молекул в сырье (рис.16).

молекулы

Рис. 16. Расположение молекул полимера в сырье (а) и волокнах (б)

¹⁸В России впервые искусственные волокна получены в Мытищах в 1909 г., в Беларуси - в Могилеве в 1930 г. В этом же городе получены впервые в республике синтетические волокне в 1968 г.

¹⁹Первый завод синтетических полиамидных волокон введен в эксплуатацию в США в 1939 г.

Чтобы получить качественную, прочную продукцию необходимо сориентировать молекулы вдоль оси будущих волокон. Это можно сделать переводом полимеров сырья в раствор (целлюлоза) или расплав (синтетическая смола), которые называют прядильной массой. Третья стадия производства - формирование волокна. При этом раствор или расплав продавливают через узкие отверстия - фильеры, которые бывают различного сечения - круглые, трехугольные, в виде звездочки и др. Из фильер вытекает жидкая нить волокна, которая под внешним воздействием твердеет и наматывается на бобину. Заключительная стадия - отделка волокна. При этом его вытягивают, отбеливают, скручивают. Химические волокна получают в виде непрерывной нити - шелка и отрезков длиной 30 - 150 мм - штапеля.

Основное сырье искусственных волокон - стойкие полимеры целлюлозы, которые не растворяются в обычных веществах. Это не позволяет получить непосредственно из нее прядильную массу. Поэтому сущность производства искусственных волокон состоит в получении из целлюлозы полупродукта, который можно перевести в жидкое состояние определенными растворителями. В зависимости от способа получения этого полупродукта - название искусственного волокна. Основные его виды - вискозный шелк и штапель, чему благоприятствует доступность и дешевизна сырьевых, вспомогательных материалов. При вискозном способе целлюлозу обрабатывают раствором едкого натра и сероуглеродом, получают ксантогенат целлюлозы, который хорошо растворяется каустической содой с образованием вязкого раствора – вискозы¹. Раствор продавливают через фильеры. Затвердение волокон происходит при воздействии серной кислоты на каустическую соду (рис.17). Полученные волокна представляют восстановленную целлюлозу.

Вискозное волокно устойчиво к воздействию органических растворителей, выдерживает температуры до 120°С. Однако оно имеет низкую устойчивость к щелочам, а во влажном состоянии теряет до половины прочности. Из вискозы, кроме шелка и штапеля, производят корд для шин, искусственный волос, каракуль, пластмассу, целлофан - при этом раствор продавливают через узкую щель.

На I т вискозного шелка расходуют немногим более I т целлюлозы, 0,9 т щелочи, 0,3 т сероуглерода, 1,2 т серной кислоты.

При высокой общей материалоемкости расход целлюлозы небольшой, что делает основное сырье второстепенным фактором территориальной организации производства.

Ацетатные волокна² получают воздействием на целлюлозу уксусного ангидрида (СН₃СО)₂О в присутствии уксусной (СН₃СООН) и серной кислот. Образуется комковатая масса ацетилцеллюлозы, которая растворяется в смеси ацетона и спирта.

¹ Вискоза – слово латинского происхождения и в переводе означает клейкую, или вязкую массу.

² Ацетат в переводе с латинского языка означает «уксус^».

Рис. 17 Схема получения волокна по мокрому способу

Струйки прядильного раствора после фильер обдувают теплым воздухом, выпаривают растворитель, который улавливают и вновь используют в производстве (рис.18). Волокна имеют достаточную прочность, устойчивые к щелочным средам.

Основной вид химических волокон - синтетические, среди них наиболее распространены полиамидные, или капрон¹. Из сырья-бензола, фенола, ацетилена или циклогексана, азотной кислоты и водорода - вырабатывают в виде белого порошка калролактам (С₅Н₁₀СОNH), который плавят, растворяют и полимеризуют. Образуется полимерная смола в виде ленты - капрон. Смолу плавят, продавливают через фильеры (рис.19). Струйки капрона обдувают воздухом. Капрон имеет высокую прочность и не теряет ее в воде; используется в производстве корда, рыболовных сетей, тканей, ковров, товаров народного потребления. Таким образом, в выпуске полиамидных волокон выделяют две стадии. Первая - выработка капролактама, которая имеет высокую материалоемкость. На I т полупродукта расходуют более 8 т сырья. Это делает сырье важным фактором территориальной организации производства волокон, особенно капролактама. Основное сырье получают при переработке нефти, угля, сланцев. Именно эти ресурсы обусловливают макроположение предприятий. На выбор конкретного места производства капрона влияют также источники аммиака, водорода. В районах коксохимии углеводороды, аммиак и водород выделяют из коксовых газов. При использовании углеводородов нефти производство капрона зависит от центров азотнотуковой промышленности, в которых в технологических целях используют водород и аммиак. Так, в Беларуси капролактам вырабатывают Гродно. Углеводороды сюда завозят из Новополоцка, а аммиак и водород получают от местного азотнотукового завода. На второй стадии из капролактама получают волокно. На 1 т капрона расходуют 1,2 т калролактама. Следовательно, производство менее материалоемко по сравнению с первой стадией. Это благоприятствует территориальной обособленности получения капролактама и капрона. В этом случае волокна производят из привозного сырья. Так, в Гродно первоначально вырабатывали только капролактам и вывозили его в государства Балтии. Обычно выпуск полиамидного волокна комбинируется с выработкой капролактама (Гродно).

Один из видов синтетических волокон – полиэфирное, или лавсан.²

¹Полиамидные волокна в США имеют фирменное название нейлон, в Германии - перлон, вЧехии - силон, в Польше - полон.

² Полиэфирные волокна впервые были синтезированы в Англии в 1941г. Здесь же в 1943 г. получены первые опытные промышленные образцы. Промышленное производство лавсана в России создано в 1960г. (Курск). Полиэфирные волокна типа лавсан выпускают в Англии под названием терилен, в США - дакрон, фортрел, в Германии - тревира, диолен, в Польше - элан, торлен, в Италии - териталь и т.д.

нагретый

раствор ацетилцеллюлозы

раствор ацетилцеллюлозы

РИС. 18.Схема получения волокна по сухому способу

горячая вода

воздух с парами растворителя

охлажденная вода

охлажденная вода

горячая вода

Основное сырье - ароматические углеводороды: бензол, толуол, ксилол и др. - продукты переработки нефти, угля, сланцев. Из них получают диметилтерефталат - диметиловый эфир терефталевой кислоты, который подвергают поликонденсации. Выделяют в виде гранул полиэфирную смолу. Ее плавят, продавливают через фильеры. Конечная продукция - полиэфирный шелк и штапель (рис.20). Такие волокна на основе сырья из Новополоцка вырабатывают в Могилеве.

В Беларуси производят полиакрилонитрильное волокно нитрон.¹ Основой его производства являются этилен, ацетилен или пропилен. Из исходного сырья получают акрилонитрил - бесцветную, легковоспламеняющуюся, взрывоопасную, ядовитую жидкость, вызывающую удушье, а при попадании на кожу - ожоги. Данный полупродукт полимеризуют с образованием полиакрилонитриловой смолы в виде прядильного раствора. Из него известным способом получают волокно.

Лавсан, нитрон имеют большую прочность, устойчивы к истиранию, кислотам, щелочам, достаточную термостойкость. Из них в смеси с шерстью и хлопком вырабатывают плательные и костюмные ткани, искусственный мех, ковры, а в технических целях - транспортные ленты, канаты, брезенты, паруса, рыболовные сети, струны роялей, теннисных ракеток и т.д.

Производство химических волокон характеризуется высокой топливо-, энергоемкостью, что обусловлено высокими температурами, давлением технологических процессов. На I т волокна расходуют от 4 т (нитрон) до 11-15 т (соответственно вискозный шелк и капрон) условного топлива. Расход электрической энергии на I т вискозного шелка составляет 11 тыс. кВт-ч., капрона - 18 тыс. кВт-ч., что сравнимо с производством цветных металлов (алюминий, магний). Поэтому топливно-энергетические ресурсы - один из основных факторов территориальной ориентации производства. Химические волокна имеют большую водоемкость. На I т капролактама расход воды составляет более 10 тыс.куб.м. Именно недостаточная обеспеченность территории водными ресурсами может ограничивать развитие отрасли в районе. Необходимо также отметить, что производство волокна наиболее трудоемкий процесс в химической промышленности. На I т капрона расходуют 1300 чел/ч. Для сравнения отметим, что в выпуске серной кислоты этот показатель составляет 2,5 чел/ч., суперфосфата - 2,3 чел/ч.

Отмеченные технико-экономические особенности совместно с сырьем обусловливают многофакторную зависимость производства волокон. Это делает сложным определение оптимальных районов развития, географию отрасли, так как трудно выбрать территорию, на которой все условия соответствовали бы оптимальным требованиям производства.

¹В организации производства полиакрилонитрильных волокон значительные исследования проводились в США, Германии. Промышленное производство организовано в 1950г. В США данное волокно имеет название орлан, акрилан, в Германии – долан, во Франции - крилор, в Японии - беслон.

Достаточно нескольких основных благоприятных факторов, стимулирующих производство, и это создает необходимые условия для развития отрасли, делает территорию перспективной в выпуске химических волокон.

Экологическое влияние производства полимеров связано с особенностями сырьевой базы и высокой водо-, теплоэнергоемкостью. В воздух, воду попадают различные углеводороды, аммиак, сероводород, окислы, твердые компоненты, ядовитые и другие вещества, которые достигают значительной концентрации. Конечная продукция как бытовые отходы попадает в окружающую среду, длительное время не разлагается и загрязняет природу. Все это отрицательно влияет на экологию, здоровье человека. Вредные, даже токсичные вещества попадают в организм человека, изменяют нервную систему, состав крови, внутренние органы и вызывают кровотечение из носа, заболевания дыхательных путей, почек, печени, сердца и даже смерть. Выбросы в окружающую среду характеризуются значительным разнообразием и суммарное воздействие не всегда изучено. Уменьшается концентрация вредных веществ в окружающей среде, если выброс газов идет через высокие дымовые трубы, которые рассеивают их в радиусе сотен километров. Однако при этом вредные вещества остаются в природе. Одним из основных мероприятий по улучшению экологической обстановки в центрах химической промышленности - создание санитарно-гигиенических зон вокруг предприятий, очистка воздуха, воды от вредных примесей, разработка замкнутых технологических процессов, в которых отходы являются наиболее токсичными. На Гродненском объединении "Химволокно" внедрена замкнутая, оборотная система водообеспечения. При этом отработанная вода очищается до условно-чистых стоков - с уровнем загрязнения, который позволяет использовать ее вновь в технологическом процессе. В результате этого потребление воды из природных источников на технологические цели уменьшилось в 10 раз, прекращены грязные стоки в реку Неман.

Дополнительная литература

1. Грибачева Е.М., Волкова Г.С. Производство синтетического каучука в США. М., 1987.

2. Общая химическая технология: В 2 ч, / Под ред. И.П.Мухленова. М., 1984.

3. Технология калийных удобрений / Под общ.ред. В.В. Печковского, Мн., 1976.

4. Технология важнейших отраслей промышленности / Под ред. А.М.Гинберга, Б.А.Хохлова. М., 1985.,

5. Технология фосфорных и комплексных удобрений / Под ред. С.Д.Эвенчина, А.А.Бродского. М., 1987.

6. Технология химических удобрении / Под ред. М.Е.Позин. Л.,1985.

7. Хардин А.П. и др. Технология химических производств. Волгоград, 1984.

8. Химические волокна: ассортимент, качество, переработка. Калинин, 1989.

9. Химические волокна новых поколений. Термостойкие и высокомодульные. Черкассы, 1991.

СОДЕРЖАНИЕ

1. ХИМИЧЕСКАЯ ПРОШЛЕННОСТЬ И НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ПРОГРЕСС. ОСОБЕННОСТИ ХИМИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ………3

2. ПРОИЗВОДСТВО СЕРНОЙ КИСЛОТЫ………………………………….4

3. МИНЕРАЛЬНЫЕ УДОБРЕНИЯ ……………………………………………8

   1. Азотные удобрения……………………………………………….11

   2. Фосфорные одобрения …………………………………………...15

   3. Калийные удобрения……………………………………………..22

4. ПРОИЗВОДСТВО СОДЫ……………………………………………………23

5. ВЫСОКСМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЧИНЕНИЯ………………………………26

5.1. Синтетический каучук и спирт …………………………………….27

5.2. Синтетические смолы и пластические массы…………………….35

5.3. Химические волокна………………………………………………..40

Дополнительная литература…………………………………………………..49

Учебное издание