Вискозные волокна: производство, свойства, применение, перспективы

Вискозные волокна: производство, свойства, применение, перспективы

ПРОИЗВОДСТВО

Это объясняется тем, что для производства вискозного волокна в качестве основного сырья используют древесную целлюлозу и сравнительно простые химические вещества — едкий натр, сероуглерод, серную кислоту и ее соли. Для выработки целлюлозы применяют преимущественно древесину ели или короткое волокно хлопка. Из хлопковой целлюлозы получают в основном ацетатное, триацетатное и медно-аммиачное волокна.

Вискоза продавливается в виде тончайших струек через фильеру — цилиндр из нержавеющей стали, в донышке которого имеются отверстия диаметром 0,06—0,08 мм, в ванну с водным раствором серной кислоты и ее солей (рис. 3).

Рис. 3. Схема формирования волокон и внешний вид фильеры

Количество отверстий в фильере в основном определяет толщиной нити, например, для получения нити толщиной от 11,1 до 22,2 текс должно быть от 20 до 120 отверстий. Следовательно, нить искусственного волокна состоит из многих элементарных нитей. В ванне с раствором кислоты происходит осаждение твердой части, а также омыление простого эфира до чистой (регенерированной) целлюлозы в виде отдельных тонких элементарных нитей.

После продавливания через фильеры волокно подвергается вытяжке и тепловой обработке в горячей воде или паром. Вытяжка волокна на пути от ванны до приемного механизма — необходимое условие получения нити с определенными свойствами. Причем очень важно, чтобы омыление осажденного в ванне ксантогената происходило по возможности с одинаковой скоростью по всему сечению волокна.

Полученную после формования нить отмывают от кислоты и солей, а затем подвергают отделочным операциям: удалению серы, отбелке, в результате которой разрушаются пигменты, окрашивающие волокно, а также замасливанию и мыловке для придания мягкости. Затем нити высушивают, перематывают на бобины, сортируют и отправляют на текстильные фабрики. В настоящее время все стадии получения волокна (формование, отбелка, сушка, крутка) могут осуществляться на одной машине, что значительно повышает производительность труда.

На текстильных предприятиях получают также короткие волоки называемые штапельными. При изготовлении короткого вискозного волокна из одной фильеры выпускается одновременно от 1200 до 3600 элементарных нитей в виде жгута. Затем сложенные вместе несколько десятков жгутов элементарных нитей подвергают обработке для удаления сероуглерода, серы и других примесей, а также вытяжке и промывке в кипящей воде. При этом вытяжка волокна может быть доведена до 70%, что приводит к увеличению прочности и тонины волокна. После этого волокно разрезают на отрезки-шпательки длиной 40—120 мм. Короткие волокна, так же как и непрерывные нити, могут быть блестящими, матированными и окрашенными в массе. Прочность окрашенного в массе вискозного волокна в некоторых случаях может быть меньше, чем неокрашенного. Возможно, это обусловлено использованием крупнозернистых дисперсных красителей для получения окрашенного в массе волокна. Короткие волокна перерабатывают на прядильном оборудовании как в чистом виде, так и в смесках с другими волокнами (шерстью, хлопком, льном, лавсаном и др.). 
_________________

Вискозные волокна (VI) получают из прядильного раствора вискозы (ксантогената древесной целлюлозы, растворенной в разбавленном растворе NaOH). Для уменьшения блеска волокна в вискозу вводят матирующее вещество — диоксид титана. Формование волокон, нитей или жгута осуществляется мокрым способом, по которому вязкий прядильный раствор вискозы продавливается через отверстия фильеры, откуда он тонкими струйками попадает в осадительную ванну, содержащую раствор основного компонента —серной кислоты, а также растворы сульфатов натрия и сульфатов цинка, используемых как замедлители. Раствор проникает в струйки вискозы, вызывает ее коагуляцию (затвердевание) и разложение ксантогената с восстановлением целлюлозы. В результате образуется гидратцеллюлоза и выделяется сероуглерод. Затвердевание вискозы происходит постепенно, от внешних слоев волокна к внутренним. Под действием атмосферного давления верхние слои вдавливаются во внутренние, поперечное сечение волокна становится «сморщенным», а на поверхности волокна появляются частые продольные линии. Все эти особенности присущи строению вискозных волокон.

При выработке вискозных волокон и нитей благодаря разной вытяжке на пути от осадительной ванны до приемного механизма получают обыкновенные, упрочненные и высокопрочные нити, а также вискозное высокомодульное волокно (ВВМ). Разработаны технологии получения вискозных волокон окрашенных в массе, а также извитых, модифицированных, текстурированных и т. п. нитей.

При крашении в массе в прядильный раствор добавляют высокопрочный краситель и получают волокна и нити, равномерно и устойчиво окрашенные, что упрощает их последующую переработку.

Для получения извитого волокна при его формовании создают разные напряжения во внешних и центральных слоях, вследствие чего при последующих вытягивании и усаживании образуются устойчивые извитки.

Упрочненные полинозные и прочные высокомодульные вискозные волокна и нити получают из высококачественной целлюлозы и формуют, используя двухванный способ. Полинозные волокна отличаются высокой прочностью и в сухом, и в мокром виде, пониженным удлинением, высоким модулем жесткости, хорошей стойкостью к щелочным обработкам. Высокомолекулярные волокна, как и полинозные, имеют высокую прочность и более низкое, чем обычное вискозное волокно, удлинение.

Преимущества ВВМ перед полинозными состоит в пониженной обрывности при прядении и лучшей стойкости к истиранию.

Химическая модификация вискозных волокон заключается в прививке к ним различных веществ. Например, волокно мтилон (начальные буквы Московского текстильного института) производится прививкой вискозным волокнам полиакрилонитрила. Волокно мтилон устойчиво к действию микроорганизмов, солнечного света, а по внешнему виду и грифу приближается к шерсти.

Для получения текстурированных вискозных нитей свежесфор- мованные ксантогенатные нити сначала скручивают, а затем, когда в них завершается регенерация целлюлозы, раскручивают. Благодаря этому получают объемные текстурированные нити.

__________________

Особенностью производства вискозного волокна является одновременное формование из одной фильеры большого числа волокон, т. е. применение фильер с числом отверстий 2500-12 000 и даже 50 000. Производительность прядильных машин при этом составляет 10-25 т/сут. Для обеспечения ее создается очень высокая циркуляция осадительной ванны — до 1500-3500 л/ч на фильеру. Свежесформованное волокно вытягивается в пластификационной ванне, содержащей 10-15 г/л серной кислоты, при температуре 95-97°С. Конструктивно этот процесс на различных видах машин выполняется неодинаково: вытяжные механизмы устанавливают для каждого прядильного места; волокно с каждой секции (или со всей машины) объединяют в жгут. Вытяжка производится на 15-20 %. Свежесформованный жгут содержит 60-70 % сероуглерода от количества, заданного при ксантогенировании.

В пластификационной ванне благодаря высокой температуре происходит интенсивное выделение сероуглерода (за 10-15 с выделяется почти полностью). Образовавшаяся парогазовая смесь направляется на регенерацию. Отгонка сероуглерода производится в проходных аппаратах — трубах. Вытянутый жгут разрезается на короткие отрезки, которые называют волокнами. Их длина зависит от назначения, но отклонение ее не должно превышать ±2,5 % от заданной. Резка жгута не всегда выполняется после отгонки сероуглерода. На некоторых производствах, например при получении извитого волокна, этот процесс осуществляют непосредственно при выходе волокна с формовочной части прядильной машины. В этом случае отгонка сероуглерода происходит в закрытом ящике-танке с ложным дном. Иногда жгут разрезают после отделки волокна (перед сушкой) или вообще не разрезают. Такой жгут называют техническим. Он обрабатываётся специальными связывающими веществами и используется для вязки и упаковки.

В процессе отделки волокно последовательно обрабатывается водой и различными реагентами. Это необходимо для удаления кислоты, солей, серы, придания ему белизны, а также свойств, облегчающих переработку. Кроме того, волокно многократно промывается (после пластификационной ванны, десульфурации и кисловки) умягченной водой с температурой 50-80 °С. Десульфурация представляет собой процесс удаления серы из волокна. Она выполняется щелочью с концентрацией 2-8 г/л при температуре 70-80°С. Отбелка — это придание волокну белизны. Она производится химическими и оптическими отбеливающими препаратами и применяется не всегда. Кисловка необходима для отмывки волокна от плохо растворимых воде солей. Она осуществляется очень слабым раствором серной или соляной кислот с концентрацией 0,5- 1 г/л при температуре 20-50°С. Авиважная обработка выполняется для придания волокну хорошей проходимости на текстильных машинах; используются вещества, приготовленные на основе жирных кислот. После обработки на волокне остается около 0,2-0,4 % авиважного препарата. Волокно отжимается на отжимных вальцах (до содержания влаги 180-200 %) и направляется на рыхлительную машину. Сушка осуществляется горячим воздухом в сушилках, имеющих несколько зон температуры. В первых зонах она достигает 100-120°С, затем постепенно снижается.

Высушенное волокно содержит 5-10 % влаги. Для достижения равномерной влажности 12-14 % оно подвергается кондиционированию в специальных установках и затем упаковывается в кипы.

_____________

Многочисленные операции по превращению древесной I целлюлозы (жесткой, с множеством различных целлюлозных примесей) в тончайшие шелковистые искусственные волокна и нити условно подразделяют на четыре основные этапа: предварительная обработка древесной целлюлозы; перевод полимера из твердого в вязкотекучее состояние; формование волокон и нитей; обработка свежесформованных нитей.

Цель предварительной обработки древесной целлюлозы состоит в выделении из древесины, содержащей только 40- 45 % целлюлозы, возможно более чистой целлюлозы. Все способы основаны на растворении нецеллюлозных компонентов древесины (лигнина, воска); целлюлоза при этом остается в виде твердого продукта. Наиболее широкое применение получили сульфитный (древесину варят в растворе бисульфита кальция в герметически закрытых котлах при температуре 120-150 *С) и сульфатный (щепу обрабатывают сла бым раствором серной кислоты и варят в котлах в п из смеси едкого натра и сернистого натрия) способы ния целлюлозы. Для получения более чистого высокок твенного продукта проводят процесс облагораживания^ люлозы (дополнительная обработка слабым раствором в*6* го натра при температуре 90-95 °С).

Цель перевода полимера из твердого в вязкотекучее ^ стояние — получение вязкого, однородного чистого раствор целлюлозы, пригодного для формования из него волокон ц нитей. Для этого листы целлюлозы мерсеризуют 18-процевт. ным раствором едкого натра. В результате получается ще. лочная целлюлоза,- которую обрабатывают сероуглеродом, При этом образуется ксантогенат целлюлозы. Он хорошо растворяется в разбавленном растворе едкого натра с образованием вязкого раствора, называемого вискозой (от лат. — клейкий).

Для получения окрашенных и матированных вискозных волокон в раствор вводят красители или двуокись титана. После растворения вискоза подвергается подготовительной обработке: смешиванию отдельных партий, фильтрации, обезвоздушиванию. При фильтрации (двух- или трехкратный пропуск вискозы под большим давлением через плотные хлопчатобумажные ткани и вату на рамных фильтр- прессах) происходит удаление нерастворившихся частиц ксантогената, целлюлозных волоконец, прочих примесей. При обезвоздушивании удаляются пузырьки воздуха, который был внесен во время перемешивания и растворения ксантогената целлюлозы. Этот процесс основан на вскипании целлюлозы под вакуумом. Во время выполнения подготовительных операций вискоза окончательно созревает. Созревание ш. комплекс химических процессов, протекающих при продолжительном выдерживании вискозы (в течение 16-20 часов при температуре 14-16 °С). Созревание сопровождается изменением вискозы: сначала вязкость уменьшается до минимума, а затем возрастает. В итоге вискоза коагулирует.

Цель процесса формования вискозных нитей — выделение из раствора полимера нитей бесконечной длины. Эта ста дия оказывает существенное влияние на морфологию и свойства получаемых волокон- Вискозные волокна формуют мокрым способом в четырехкомпонентной осадительной ванне (серная кислота, сульфат натрия, сульфат цинка и вода). Прядильный раствор попадает в осадительную ванну через фильтры в виде тончайших струек. Под действием компонентов ванны происходит коагуляция этих струек и омыление ксантогената с образованием гидратцеллюлозного волокна.

Макромолекулы ксантогената целлюлозы и их пучки (фибриллы) в образовавшемся в осадительной ванне волокне расположены хаотично, вследствие чего такое волокно имеет низкие показатели физико-механических свойств. Поэтому в процессе формования волокна подвергаются вытяжке. Фильерная вытяжка происходит вследствие превышения скорости приема волокон на паковку над скоростью выхода их из фильеры. Благодаря этому наблюдаются утонение сформованных волокон и частичная ориентация макромолекул. Для получения упорядоченных и высокопрочных вискозных волокон, кроме фильерной, проводят ориентацион- ную вытяжку. С этой целью свежесформованное волокно сразу же после формования и выхода из осадительной ванны подвергается дополнительной (ориентационной) вытяжке. Волокна проходят через специальные пластификационные 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 вытяжка осуществляется непрерывно с одновременным разложением ксантогената.

В настоящее время известны следующие способы формования вискозных нитей: центрифугальный, непрерывный, бабинный. Каждому из них соответствует определенный тип машины. Бабинные машины считаются устаревшими. В центрифугальных машинах сформированная нить после выхода из фильеры заправляется в два прядильных диска (тянущий и вытягивающий), благодаря разности скоростей их движения осуществляется ориентационная вытяжка нити %о 10-30 %. Нить, сходящая с вытягивающего диска, заправ- тяется 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 сообщает- ся крутка 85-100 витков на 1 м за счет разности скоростей стенки кружки и наматывания. Центрифугальные машины сложны, малопроизводительны. Получаемая нить нуждается в дополнительной обработке, что требует значительных затрат ручного труда.