Введение.
Химические волокна, волокна, получаемые из органических природных и синтетических полимеров. В зависимости от вида исходного сырья химические волокна подразделяются на синтетические (из синтетических полимеров) и искусственные (из природных полимеров). Иногда к химическим волокнам относят так же волокна, получаемые из неорганических соединений (стеклянные, металлические, базальтовые, кварцевые). Химические волокна выпускаются в промышленности в виде: 1) моноволокна (одиночное волокно большой длины); 2) штапельного волокна (короткие отрезки тонких волокон); 3)филаментных нитей (пучок, состоящий из большого числа тонких и очень длинных волокон, соединенных посредством крутки). Филаментные нити в зависимости от назначения разделяются на текстильные и технические, или кордные нити (более толстые нити повышенной прочности и крутки).
Историческая справка.
Возможность получения химических волокон из различных веществ (клей, смолы) предсказывалась ещё в 17-18 веках, но только в 1853 году англичанин Аудемарс впервые предложил формовать бесконечные тонкие нити из раствора нитроцеллюлозы в смеси спирта с эфиром, а в 1891 году французский инженер И. де Шардонне впервые организовал выпуск подобных нитей в производственном масштабе. С этого времени началось быстрое развитие производства химических волокон. В 1893 году освоено производство медноаммиачного волокна из растворов целлюлозы в смеси водного аммиака и гидроокиси меди. В 1893 году англичанами Кроссом, Бивеном и Бидлом предложен способ получения вискозных волокон из водно-щелочных растворов ксантогената целлюлозы, осуществлённый в промышленном масштабе в 1905году. В 1918-20 годах разработан способ производства ацетатного волокна из раствора частично омыленной ацетилцеллюлозы в ацетоне, а в 1935 году организовано производство белковых волокон из молочного казеина. Производство синтетических волокон началось с выпуска в 1932 году поливинилхлоридного волокна (Германия). В 1940 году в промышленном масштабе выпущено наиболее известное синтетическое волокно – полиамидное (США). Производство в промышленном масштабе полиэфирных, полиакрилонитрильных и полиолефиновых синтетических волокон осуществлено в 1954-60 годах.
Свойства.
Химические волокна часто обладают высокой разрывной прочностью (до1200 Мн/кв. м(120 кгс/кв.мм)), значительным разрывным удлинением, хорошей формоустойчивостью, несминаемостью, высокой устойчивостью к многократным и знакопеременным нагружениям, стойкостью к действиям света, влаги, плесени, бактерий, хемо -, и термостойкостью. Физико-механические и физико-химические свойства химических волокон можно изменять в процессах формования, вытягивания, отделки и тепловой обработки, а так же путём модификации, как исходного сырья (полимера), так и самого волокна. Это позволяет создавать даже из одного исходного волокнообразующего полимера химические волокна, обладающие разнообразными текстильными и другими свойствами (смотри таблицу №1). Химические волокна можно использовать в смесях с природными волокнами при изготовлении новых ассортиментов текстильных изделий, значительно улучшая качество и внешний вид последних.
Производство.
Для производства химических волокон из большого числа существующих полимеров применяют лишь те, которые состоят из гибких и длинных макромолекул, линейных или слаборазветвлённых, имеют достаточно высокую молекулярную массу и обладают способностью плавиться без разложения или растворяться в доступных растворителях. Такие полимеры принято называть волокнообразующими. Процесс складывается из следующих операций: 1) приготовления прядильных растворов или расплавов; 2) формования волокна; 3) отделки сформованного волокна.
Приготовление прядильных растворов (расплавов). Этот процесс начинают с перевода исходного полимера в вязкотекучее состояние (раствор или расплав). Затем раствор (расплав) очищают от механических примесей и пузырьков воздуха и вводят в него различные добавки для термо - или светостабилизации волокон, их матировки и т. п. Подготовленный таким образом раствор или расплав подаётся на прядильную машину для формования волокон.
Формование волокон заключается в продавливании прядильного раствора (расплава) через мелкие отверстия фильеры в среду, вызывающую затвердевание полимера в виде тонких волокон. В зависимости от назначения и толщины формируемого волокна количество отверстий в фильере и их диаметр могут быть различными. При формовании химических волокон из расплава полимера (например, полиамидных волокон) средой, вызывающей затвердевание полимера, служит холодный воздух. Его формование проводят из раствора полимера в летучем растворителе (например, для ацетатных волокон), такой средой является горячий воздух, в котором от толщины и назначения волокон, а также от метода формования. При формовании из расплава растворитель испаряется (так называемый «сухой» способ формования). При формовании волокна из раствора полимера в нелетучем растворе (например, вискозного волокна) нити затвердевают, попадая после фильеры в специальный раствор, содержащий различные реагенты, так называемую осадительную ванну («мокрый» способ формования). Скорость формования зависит скорость достигает 600-1200 м/мин, из раствора по «сухому» способу – 300-600 м/мин, по «мокрому» способу – 30-130 м/мин. Прядильный раствор (расплав) в процессе превращения струек вязкой жидкости в тонкие волокна одновременно вытягивается (фильерная вытяжка). В некоторых случаях волокно дополнительно вытягивается непосредственно после выхода с прядильной машины, (астификационная вытяжка), что приводит к увеличению прочности химических волокон и улучшению их текстильных свойств.
Отделка химических волокон заключается в обработке свежесформованных волокон различными реагентами. Характер отделочных операций зависит от условий формования и вида волокна. При этом из волокон удаляются низкомолекулярные соединения (например, из полиамидных волокон), растворители (например, из полиакрилонитрильных волокон), отмываются кислоты, соли и другие вещества, увлекаемые волокнами из осадительной ванны (например, вискозными волокнами). Для придания волокнам таких свойств, как мягкость, повышенное скольжение, поверхностная склеиваемость одиночных волокон и других, их после промывки и очистки подвергают авиважной обработке или замасливанию. Затем волокна сушат на сушильных роликах, цилиндрах или в сушильных камерах. После отделки и сушки некоторые химические волокна подвергают дополнительной тепловой обработке – термофиксации (обычно в натянутом состоянии при 100-180˚С), в результате которой стабилизируется форма пряжи, а также снижается последующая усадка, как самих волокон, так и изделий из них во время сухих и мокрых обработок при повышенных температурах.
Мировое производство химических волокон развивается быстрыми темпами. Это объясняется, в первую очередь, экономическими причинами (меньшие затраты труда и капитальных вложений) и высоким качеством химических волокон по сравнению с природными волокнами.
В 1968 мировое производство химических волокон достигало 36 % (7,287 миллионов тонн) от объёма производства всех видов волокон. Химические волокна в различных отраслях в значительной степени вытесняют натуральный шёлк, лён и даже шерсть. К 1980 году производство химических волокон достигло 9 миллионов тонн. Предполагается, что уже к 2000 году оно достигнет 20 миллионов тонн в год и сравняется с объёмом производства природных волокон. В СССР в 1966 году было выпущено около 467 тысяч тонн, а в 1970 – 623 тысяч тонн.
Искусственные волокна.
Искусственные волокна, химические волокна, получаемые из природных органических полимеров. К искусственным волокнам
Относятся вискозные волокна, медноаммиачные волокна, ацетатные волокна, белковые искусственные волокна. Вискозные и медноаммиачные волокна, состоящие из гидратцеллюлозы, называют также гидратцеллюлозными. Сырьём для производства вискозных, медноаммиачных и ацетатных волокон служит целлюлоза, выделяемая из древесины; медноаммиачные и ацетатные волокна часто получают из хлопковой целлюлозы (хлопкового пуха и подпушника). Для получения белковых волокон используют белки растительного или животного происхождения (например, зеин, казеин). Искусственные волокна формуют из растворов полимеров по сухому или мокрому способу и выпускают в виде текстильной или кордной нити, а также штапельного волокна. К недостаткам вискозных, медноаммиачных и белковых волокон относятся значительная потеря прочности в мокром состоянии и лёгкая сминаемость. Однако благодаря хорошим гигиеническим свойствам, дешевизне и доступности исходного сырья производство вискозного волокна продолжает развиваться. Растёт также выпуск ацетатных волокон, обладающих рядом ценных качеств (несминаемость, хороший внешний вид). Белковые волокна вырабатываются в небольших количествах, и выпуск их постепенно уменьшается.
Мировое производство искусственных волокон в 1968 году составляло 3527,2 тысячи тонн (около 48,4% от общего выпуска химических волокон). Впервые выпуск искусственных волокон в промышленном масштабе организован в 1891 году во Франции.
Синтетические волокна.
Синтетические волокна, химические волокна, получаемые из синтетических полимеров. Синтетические волокнаформуют либо из расплава полимера (полиамида, полиэфира, полиолефина), либо из раствора полимера (полиакрилонитрила, поливинилхлорида, поливинилового спирта) по сухому или мокрому методу.
Синтетические волокна выпускают в виде текстильных и кордных нитей, моноволокна, а также штапельного волокна. Разнообразие свойств исходных синтетических полимеров позволяет получать синтетические волокна с различными свойствами, тогда как возможности варьировать свойства искусственных волокон очень ограничены, поскольку их формуют практически из одного полимера (целлюлозы и её производных). Синтетические волокна характеризуются высокой прочностью, водостойкостью, износостойкостью, эластичностью и устойчивостью к действию химических реагентов. Производство синтетических волокон развивается более быстрыми темпами, чем производство искусственных волокон. Это объясняется доступностью исходного сырья и быстрым развитием сырьевой базы, меньшей трудоёмкостью производственных процессов и особенно разнообразием свойств и высоким качеством синтетических волокон. В связи с этим синтетические волокна постепенно вытесняют не только натуральные, но и искусственные волокна в производстве некоторых товаров народного потребления и технических изделий.
В 1968 году мировое производство синтетических волокон составляло 3760,3 тысячи тонн (около 51,6 % от общего выпуска химических волокон). Впервые выпуск синтетических волокон в промышленном масштабе организован в середине 30-х годов 20 века в США и Германии.
Шёлк и штапельное волокно.
Искусственное волокно может быть получено в виде кручёных нитей бесконечной длины (искусственного шёлка) или в виде коротких некрученых волоконец, нарезанных в пучки (штапельки) определённой длины (штапельного волокна). Длина штапельного волокна подравнивается к длине хлопкового или шерстяного волокна.
Искусственный шёлк является самостоятельным текстильным материалом, который может применяться для изготовления разнообразных текстильных изделий в ткачестве и трикотаже, а также для изготовления корда.
Штапельное волокно применяется преимущественно в чистом виде, а также в смеси с хлопком или шерстью, а затем проходит с этими волокнами весь цикл операций на прядильной фабрике. Условия приготовления прядильных растворов при формовании шёлка и штапельного волокна в основном одинаковы. Для прядения штапельного волокна применяются фильеры со значительно большим числом отверстий, чем для прядения искусственного шёлка. Если для прядения искусственного шёлка применяются фильеры на 24- 100 отверстий, то при прядении штапельного волокна число отверстий в фильере доходит до 2000- 12000, что обуславливает значительное увеличение производительности прядильной машины.
Из общего количества произведённого в 1949 искусственного волокна 61% составлял искусственный шёлк и 39% - штапельное волокно. Стоимость штапельного волокна примерно в два раза ниже стоимости искусственного шёлка. Вопрос о целесообразности производства искусственного шёлка или штапельного волокна решается соотношением мощности прядильных и ткацких фабрик и вырабатываемым ассортиментом изделий.
Основными показателями качества искусственного волокна являются его прочность и эластичность. Удельная прочность волокна характеризуется обычно разрывной длиной в километрах. Разрывная длина искусственного волокна составляет 15-20 километров. Метрический номер определяет тонину волокна, то есть число метров волокна в 1 грамм. Чем толще волокно, тем больше его титр, тем меньше метрический номер. Элементарное волокно искусственного шёлка имеет метрический номер 6000 – 3000, что соответствует толщине волокна в 20 – 40 микронов. Тонину волокна искусственного шёлка часто выражают также через титр в денье. Титром называют вес 9000 метров волокна, выраженный в граммах. Если 9000 метров волокна весят 1 грамм, то титр волокна равен 1 денье. Удельная прочность волокна выражается также в граммах на один денье. Нормальная прочность вискозного волокна составляет 1,8 – 2,2 грамм на денье.
Путём изменения отдельных параметров технологического процесса и улучшения качества сырья крепость волокна может быть повышена в 2-3 раза (получение так называемого высокопрочного искусственного волокна), что особенно существенно при получении кордного волокна.