9.5. Виробництво хімічних волокон

Волокном називають тонку не прядену нитку рослинного, тваринного, мінерального або штучного чи синтетичного поход­ження, придатну для виготовлення пряжі, текстильних та трико­тажних виробів тощо.

Волокно має велику довжину і малу товщину. Воно гнучке та міцне. Волокна зазвичай прядуть. Для цього їх скручують або склеюють. їх класифікують за певними ознаками: за походжен­ням, за будовою макромолекул тощо.

За походженням. За цією ознакою волокна поділяють на при­родні та хімічні.

1. Природні волокна. Це волокна рослинного (лляні, бавовня­ні, конопляні тощо), тваринного (вовняні, шовкові) та мінераль­ного (азбестові, базальтові) походження.

Природні волокна не міцні, швидко руйнуються у хімічних се­редовищах, їх собівартість дуже велика. Виробництво волокон рослинного та тваринного походження сезонне. Воно залежить від природних умов.

2. Хімічні волокна. Раніше для виготовлення тканин і трикота­жу використовували лише природні волокна: бавовняні вовняні, шовкові, лляні, конопляні. На сьогодні відомо понад 500 видів хімічних волокон, з них промисловість виробляє 40 видів. Хімічні волокна виробляють у вигляді моноволокон, комплексних ни­ток, штапельних волокон та джгуту.

Моноволокно — це одиничні нитки великої довжини, які не діляться уздовж, а придатні зразу для виготовлення текстильних або технічних виробів. Із моноволокон виготовляють рибальські сітки, сита для просіювання борошна тощо.

Комплексні нитки складаються з двох і більше моноволокон, з'єд­наних скручуванням або склеюванням. їх поділяють на текстильні та технічні. Текстильні тітки — тонкі. їх використовують переважно у шовковій, трикотажній, вовняній, галантерейній і швейній промис-

410

ловостях. Технічні — товсті. Вони мають більшу міцність. Із них ви­робляють технічні вироби. Технічними нитками армують автомо­більні та інші шини, транспортерні стрічки, приводні паси тощо.

Штапельні волокна, складаються з моноволокон різної до­вжини. З них виробляють килими. З волокон довжиною 2-3 мм виготовляють спеціальні види паперу.

Джгутові волокна складаються з великої кількості паралель­но складених волокон.

За походженням хімічні волокна поділяють на штучні та син­тетичні.

Штучні волокна виробляють із сировини рослинного, тва­ринного та мінерального походження. їх поділяють на целюлозні (віскозні, ацетатні тощо), білкові (казеїнові тощо), металеві та інші волокна. Із штучних видів волокон найбільше виробляють віскозного та ацетатного волокон.

Синтетичні волокна виробляють із полімерів, які синтезують із мономерів капролактаму, акрилонітрилу, пропілену тощо.

Значну увагу приділяють виробництву синтетичних волокон, оскільки їх властивості ліпші, а затрати праці при їх отримання менші. Наприклад, стійкість автомобільних шин до стирання при заміні бавовняного каркаса на каркас із хімічних волокон підви­щилася більше ніж у 2 рази. На сьогодні всі технічні тканини ви­готовляють тільки із синтетичних волокон. Особливо еко­номічно вигідно використовувати синтетичні тканини у процесі виробництва фільтрів, пилоуловлювачів тощо.

Синтетичні-волокна менш гігієнічні, ніж природні, не вбира­ють воду, електризуються, тому з них майже не виробляють тка­нин для пошиття натільної білизни.

Із синтетичних волокон найбільше виробляють капрону (поліамідне волокно), лавсану (поліефірне волокно) та нітрону — (поліакрило-нітрильне волокно).

За будовою макромолекули полімеру-сировини. Усі синтетичні волокна поділяють на карбо- та гетероланцюгові.

До карболанцюгових волокон належать волокна, отримані на основі полімерів, головний ланцюг яких складається лише з атомів вуглецю, з'єднаних між собою. Найпоширенішими з них є поліакрилонітрильні та полі ефірні волокна.

До гетер олацюгових волокон належать волокна, головний ланцюг яких містить крім атомів вуглецю атоми кисню, азоту та інших елементів.

411

Найбільше виробляють поліамідних і поліефірних волокон, менше — поліуретанових.

Технологія хімічних волокон складається з окремих стадій: підготовлення прядильної маси, формування, зміцнення та викін­чення волокон.

Прядильну масу виготовляють у вигляді розчину або розпла­ву. У процесі виготовлення розчину використовують органічні (ацетон, етиловий спирт тощо) та неорганічні (луги, кислоти) розчинники. Для поліпшення властивостей прядильної маси та якості волокон до прядильної маси додають поверхнево-активні речовини, барвники тощо. Отриману рідинну масу дегазують, фільтрують і подають на формування волокна (прядіння).

Волокна формують за допомогою філь'єр, через які протиску­ють прядильну масу. На виході з філь'єри потоки прядильної ма­си зміцнюються: коагуляцією ВМС в осаджувальній ванні (мок­рий спосіб прядіння), випаровуванням органічного розчинника або охолодженням (сухий спосіб прядіння). Додатково зміцню­ють волокна накручуванням їх на ролики, бобіни тощо. У про­цесі формування та натягування при накручуванні лінійні макро­молекули впорядковуються вздовж осі волокна, що підвищує йо­го міцність. Потім із волокон виготовляють нитки скручуванням або ріжуть на відрізки довжиною (130... 150) мм.

Сформовані волокна промивають чистою теплою водою та розчином їдкого натру, вибілюють, висушують, перемотують, сортують і пакують.

Віскозне волокно не розчиняється в органічних розчинниках, має порівняно велику міцність та витримує нагрівання до (100... 120) °С. Проте воно нестійке в лугах і в разі зволоження на­половину втрачає міцність. Із віскозного волокна виробляють шовк, штапель, корд, целофан, каракуль тощо.

Процес виготовлення штучних волокон складається з таких стадій.

На першій стадії отримують прядильний розчин або розплав, до яких після очищення додають стабілізатори, барвники тощо.

На другій стадії формують волокна. Волокна формують за до­помогою філь'єр. У філь'єрі може бути від одного до 100000 і більше отворів. Формування — дуже важлива стадія виробництва волокна, оскільки від нього залежить фізико-механічні властивості волокна.

На третій стадії сформовані волокна викінчують. У процесі викінчення волокна промивають, висушують, змащують анти-

412

статичними речовинами, скручують тощо. На цій стадії волокна додатково витягують, нагрівають і висушують.

Технологія деяких волокон має ще й четверту стадію, на якій модифікують волокно. Унаслідок чого змінюється його хімічна будова та структура, а разом з ними і властивості. Внаслідок мо­дифікації отримують бактерицидні, хемосорбційні, вогнестійкі, дуже еластичні та інші за властивостями волокна.

Представниками синтетичних волокон є поліамідні волокна, які отримують з лінійних полімерів, макромолекули яких містять амідні групи (-NHCO -). Ці волокна вперше почали виробляти в 1939 р. у США. У різних країнах Світу ці волокна мають різну торгову (фірмову) назву: наприклад, у Німеччині — дедерон, пер­лон, у США — найлон, у Польщі — полон тощо. У нас їх назива­ють капрон і амід. Капрон є продуктом полімеризації капролак­таму

.

Капролактам — біла, розчинна у воді тверда речовина у ви­гляді порошку з температурою плавлення 60 °С. У промисловості його виробляють з фенолу, бензолу, ацетилену, дивінілу та інших речовин. Найкраще освоєно виробництво капролактаму з фено­лу та бензолу. Отриманий капролактам очищають від домішок, пакують у паперові або поліетиленові мішки, поверх яких натя­гають мішки з прогумованої тканини. Перевозять капролактам на заводи синтетичного волокна і у вигляді розплаву у спеціаль­них цистернах з підігрівом. Цей спосіб пакування та перевезення капролактаму економічно вигідний, оскільки на заводі синтетич­ного волокна сировину вже не плавлять.

Полімеризація капролактаму з утворенням капрону відбу­вається за високих температур. Активатором полімеризації у ви­робничих умовах найчастіше є вода, якої додають 4% від маси взятого мономеру. Регулятором, який обмежує ступінь полімери­зації, використовують оцтову кислоту. Чим кислоти більше, тим ступінь полімеризації менший.

Капрон — біла з жовтуватим відтінком тверда роговидна ре­човина без запаху та смаку. Густина „капрону становить (1130... 150) . Капрон термопластичний. За температури 300 °С він починає розкладатись, а за температури понад 350 °С самозаймається. Капрон має добрі теплоізоляційні властивості, велику міцність і стійкість до стирання. Він стійкий " проти дії во­ди та лугів, мила та мийних речовин, а також розчинників — спиртів, бензину, ацетону тощо. Проте капрон нестійкий у кисло-

413

тах: добре розчиняється в соляній і сірчаній кислотах, а в разі нагрівання — в азотній, фосфорній, мурашиній та оцтовій.

За високих температур капрон дуже чутливий до окиснення киснем повітря. Внаслідок цього погіршується прядіння. Тому на всіх стадіях, де капрон нагрівають до температури понад 70 °С, його захищають азотом, тобто всі процеси проводять у середо­вищі азоту, тобто в безкисневому середовищі.

Виробництво капронового волокна. На нових заводах синте­тичного волокна капрон виробляють на устаткуванні безперерв­ної дії. Якщо капролактам надходить на завод у твердому стані, то технологічна система виробництва капронового волокна ви­глядає так: спочатку капролактам подрібнюють на дробарках розрихлюють у бункері і розплавляють у печах за температури (85...90) °С. Після розплавлення капролактам через фільтр пода­ють в апарат-змішувач, у якому до розплаву додають активатор (воду) і регулятор (оцтову кислоту). Після перемішування суміш надходить у полімеризатор.

Кінцева стадія виробництва хімічних волокон — викінчення волокон і ниток полягає в промиванні, висушуванні, нагріванні та підготовленні до використання.

Технологію хімічних волокон постійно вдосконалюють; на окремих стадіях виробництва впроваджують безперервні проце­си, створюють нові ВМС, які спрощують виробництво волокон, удосконалюють конструкції технологічних агрегатів тощо.

Технологія штучного (віскозного) волокна. Із відомих видів штучних волокон його найбільше використовують. Відповідно його і виробляють найбільше.

Основною сировиною для виробництва віскозного волокна є деревна целюлоза (клітковина), яка надходить на заводи штучно­го волокна у вигляді картону.

Технологія віскозного волокна є двостадійною. На першій стадії підготовляють прядильну масу, на другій-прядуть волокно.

Підготовлення прядильної маси. Целюлозний картон, який надходить на завод штучного волокна, спочатку мерсеризують (походить від прізвища англійського винахідника Дж. Мерсера) в агрегаті-мерсеризаторі; оброблюють 20%-им розчином NaOH для очищення від домішок. У процесі взаємодії целюлози з їдким натром (Т ц 60-70 °С) утворюється алкаліцелюлоза (алкалі — від араб, "аль-калі" —луг):

414

а домішки переходять у розчин. Потім алкаліцелюлозу охоло­джують до температури (25...28) °С і витримують в полімериза­торі для зменшення ступеню полімеризації (n).

Отриману алкаліцелюлозу у ксантогенераторі оброблюють сірковуглецем (CS). Ця реакція називається ксантогенуваиням, а отримана продукція — ксантогенатом целюлози:

Ксантогенат целюлози розчиняють у (3...4)%-му розчині NaOH з утворенням віскози. Отриманий розчин фільтрують кілька разів на фільтрпресах під тиском (0,5...0,6) МПа. Потім розчин відстоюють у сталевих вакуумних баках для виходу з ньо­го повітря. Розчин готовий до прядіння.

Прядіння волокна. Підготовлений розчин передають у пря­дильний апарат на формування волокна, тобто на прядіння, яке проводять мокрим способом. Перед прядінням у прядильному апараті розчин фільтрують і протискують крізь отвори філь'єри у ванну, в якій міститься розчин, нагрітий до (45...48) °С. Філь'єри виготовляють із корозієстійких сплавів бла­городних металів (платини із золотом або іридієм) чи з танталу. Філь'єри мають від 24 до 3200 отворів. Кількість отворів та їх діаметр залежать від типу волокна (текстильне чи технічне).

Цівки віскози, які протискують у ванну, коагулюються: сірча­на кислота нейтралізує невикористаний луг і розкладає ксантоге­нат целюлози:

Регенеровану целюлозу у вигляді волокон намотують на ко­тушки. Швидкість формування волокна становить (0,75... 1,16) м/с. Розчин з ванни подають на регенерацію сірковуглецю, їдкого на­тру та сірчаної кислоти.

В процесі прядіння віскозного волокна з розчину виділяється сірководень і сірковуглець, які є шкідливими для здоров'я та ви­бухонебезпечними. Щоб запобігти цьому прядильні апарати ре­тельно ущільнюють і обладнують вентиляцією. На виході з вен­тиляції повітря очищають.

Полімеризацію капролактаму проводять за температури 256(±3) °С. Після закінчення полімеризації отриманий капрон

415

витискають із полімеризатора азотом, який подають під тиском (0,3...0,5) МПа. Капрон витискають у воду у вигляді стрічок або жилок, де він твердне. Температура води дорівнює (12... 16) °С. Швидкість витискання становить до 1 1/3 м/с. Максимальна кількість витиснених жилок 20 шт., а стрічок — 6. При виході з ванни пучок жилок або стрічок ріжуть на відрізки довжиною (7...8) мм (стрічки) і (2...3) мм (жилзси) на верстаті чистою дисти­льованою водою, яку подають на зустріч руху кусочків. Цю опе­рацію проводять (3...4) рази. Температура води становить 100 °С. Після промивання капрон висушують за температури (115... 125) °С в обертових вакуумних сушарнях періодичної дії протягом (24-36) годин. Час висушування залежить від темпера­тури, вакуумів, розміру відрізків, будови сушарні, початкової та кінцевої вологи капрону. Після висушування капрон під тиском азоту надходить до бункера-сховища прядильного цеху.

У прядильному цеху нитка капрону формується протискуван­ням розплаву крізь фільєри. У процесі прядіння нитка зміцню­ється, оскільки молекули полімеру прагнуть розташуватися па­ралельно осі волокна.

Капронове волокно вдвічі міцніше, ніж природне шовкове і в шість разів міцніше, ніж вовняне. Воно стійке проте дії мікроор­ганізмів, легко електризується і погано поглинає воду (3%). Тому з нього не доцільно виготовляти постільну і натільну білизну.