Химические волокна для текстильной промышленности

1. Общие сведения о текстильных волокнах, нитях

Текстильные волокна делятся на две основных группы: природные и химические.

Природные - высокомолекулярные соединения растительного и животного происхождения

Химические волокна делятся на искусственные и синтетические.

Сырье для искусственных волокон:

Это природные высокомолекулярные соединения - древесная целлюлоза (еловая и сосновая щепа); альгиновая кислота из морских водорослей; белки молока, пшеницы, сои; остатки хлопкового пуха.

Сырье для синтетических волокон:

Это продукты переработки нефти, газа, каменного угля путем синтеза, когда из нескольких простых веществ получают одно сложное (синтез - это соединение, от этого и пошло название волокон)

Волокна могут быть:

А) элементарные - не делятся в продольном направлении без разрушения (хлопок, шерсть); элементарные волокна большой длины (десятки и сотни метров) называются элементарными нитями

Б) комплексные - скрепленные (скрученные перепутанные или склеенные между собой) в продольном направлении (лен, пенька); комплексные нити состоят из элементарных нитей

Короткие отрезки искусственных или синтетических нитей, длиной 35-150 мм, называют “штапельками” или штапельными волокнами. При производстве вискозы известно, что это нити произвольной длины с резким блеском, очень гладкие. Но если вискозный жгут разрезать на штапельки, а потом скрутить в нить, то она теряет блеск, гладкость, но и теряет прочность. Так получили штапельное волокно, которое в России получило распространение после войны. До 1970 года вискозу называли штапелем

Текстуированные нити - это нити видоизмененных структур, т.е. комплексную нить специально сильно деформируют:

а) завивают путем ее кручения с последующей фиксацией этой завивки нагреванием - получают эластичную нить;

б) скручивают нити с разной усадкой и увлажняют; при этом одна нить сокращается по длине, а у другой усадки не происходит, она деформируется и образует завитки, выступающие на поверхности в виде петелек. Так получают высокообъемную пряжу.

в) армированная пряжа (нить) имеет сердечник и наружную оболочку; на сердечник из полиамидной (капроновой) нити накручивают (оплетают) другое волокно (хлопок, вискозу); получают армированную пряжу высокой механической прочности, мягкости, пушистости.

Получение искусственного волокна:

Получение раствора:

1. Остатки еловой или сосновой щепы подсушивают

2. Обрабатывают едким натром до набухания

3. Масса растворяется, получается вязкий раствор

4. Волокно формуют: под давлением раствор идет по трубопроводу, продавливается через фильеры в осадочную ванну с водным раствором серной кислоты. (Фильера - колпачок с очень маленькими отверстиями диаметром 0,07-0,08 мм.)

5. При взаимодействии раствора и серной кислоты образуются твердые, очень длинные и очень тонкие элементарные нити

6. Несколько элементарных нитей соединяют в одну комплексную путем вращения, и, вытягивая, ее наматывают на бобину

Отделка нитей:

1. Промывают - удаляют серную кислоту.

2. Отбеливают

3. Моют мылом для придания мягкости и рассыпчатости

Химические синтетические волокна. Синтетические волокна оказывают большое влияние на развитие текстильной промышленности - значительно расширяется ассортимент тканей, улучшаются некоторые их свойства, создаются новые виды тканей за счет применения смесевых волокон, можно получить ткани с заданными свойствами, затраты на производство значительно ниже натуральных.

К синтетическим волокнам относятся: капрон, лавсан, нитрон.

Капрон - полиамидное волокно, получают путем синтеза (соединение, составление, сочетание) - из нескольких простых веществ получают одно сложное из продуктов переработки нефти и каменного угля (из синтетических высокомолекулярных веществ).

Промышленное производство впервые было предпринято в 1932 году в Германии.

В России в 1939 году выпуск этого волокна сыграл огромную роль в Великой Отечественной войне: из них изготавливали авиационные покрышки для тяжелых бомбар-дировщиков, без этих покрышек самолеты не могли подняться в воздух,так как шины из резины при разгоне не выдерживали трения, сгорали, разрушались.

Не было бы нейлона, не было бы тяжелых бомбардировщиков.

Получение. При получении капронового вещества, жидкость струйкой, в виде расплавленной смолы, вытекает из фильер, обдувается холодным воздухом и затвердевает. Чтобы предотвратить усадку, нити вытягивают и обрабатывают горячим паром.

Характеристика.

Общим отрицательным свойством всех синтетических волокон является отсутствие единой системы пор и отверстий, что отрицательно влияет на гигиенические свойства. Это самое прочное в мире волокно, прочнее хлопка в 10 раз, шерсти в 20 раз, вискозы в 50 раз, хотя в мокром состоянии прочность теряется, поэтому капрон и эластик (разновидность капрона) нельзя тереть и выкручивать при стирке.

Капроновую нить можно превратить в извитую - эластик,которая способна бесконечно вытягиваться и сжиматься, не изменяя своих качеств (в 100 раз волокно устойчиво к изгибу, чем вискоза, в 10 раз хлопка, в 20 раз шерсти.,50 раз вискозы)

Большим недостатком капронового волокна является электризуемость, накопление электрических зарядов, резкий блеск, большая гладкость поверхности, что служит причиной плохой сцепляемости с нитями, из-за этого происходит спуск петель на чулках и трикотажных изделиях. При носке изделий из смесевых тканей капроновые волокна вылезают на поверхность, образуя катышки, нарушая структуру и внешний вид изделий, а так как прочность капрона большая, то пилли в процессе носки не исчезают.

Применение. Из капрона вырабатывают тонкие легкие ткани для чехлов невестам, ленты, рыболовные сети, парашюты, канаты, веревки, леску, щетину, чулочно-носочные изделия, корды для покрышек самолетов и автомобилей, тонкое белье, тюль, кружева, платьевые, костюмные ткани и др. Очень широко волокна применяют как добавку к другим волокнам (для смесевых тканей).

В настоящее время начнут выпускать чулочные изделия из микромолекулярных соединений, используя нанотехнологии капронового волокна, что даст возможность за 15 минут восстановить разрыв на колготках, достаточно только соединить их порванные края.

Лавсан - полиэфирное волокно.

Обычная материя на такой высоте не выдерживает сильных порывов ветра. Решено, что флаг будет выполнен из лавсана. Впервые волокна были получены в Англии в 1941 году из продуктов переработки нефти и каменноугольной смолы.

Производство и получения нитей такое же, как капрона.

В настоящее время производят во многих странах под разными названиями. В нашей стране выпускают под названием “лавсан” - сокращенное название- лаборатория высокомолекулярных соединений Академии наук. разработано под руководством профессора В.В.Кормаша.

Характеристика. Лавсановое волокно по виду напоминает шерсть, на ощупь мягкое, теплое, объемное, в3 раза дешевле шерсти, устойчиво к действию солнечных лучей, не выгорает, оно эластичное, легкое, очень прочное, очень упругое, из-за этого ткани не требуют глажения, изделия не мнутся, (в 3 раза сминаемость выше шерсти), устойчиво к действию плесени, кислот и щелочей. Лавсан используют в чистом виде, но в основном добавляют в шерсть, вискозу, хлопок для улучшения их свойств и уменьшения цены.

Изделия с добавлением лавсана не мнутся, увеличивается их прочность, приобретают красивый внешний вид.

К недостаткам следует отнести низкие гигиенические качества и их способность в процессе эксплуатации образовывать на поверхности пиллинг, закатанные в шарики концы оборвавшихся волокон, что придает изделиям неопрятный вид.

Применение. Из лавсана изготавливают волокна для ковров, меха, ткани для гардин, платьев, купальных костюмов, трикотажа, тюля; из мононитей - сетку и щетину.

Из-за отмеченных отрицательных свойств чаще используют в смеси с натуральными и химическими волокнами.

В настоящее время широко применяется 100% лавсан - синтепон, который применяют при производстве игрушек, курток, теплых пальто, одеял. Разновидностью синтепона является синтепух, халафайбер,тенсулейт - утеплители для военных и летных курток, наполнителей подушек. В 60-е годы 20 века огромной популярностью пользовался кримплен, который совсем не сминался, не требовал глажения, имел красивую фактуру, очень яркую окраску, но не пропускал воздух, плохо впитывал влагу. Использовали кримплен на мужские и женские костюмы

Комплексные лавсановые нити крутят и подвергают обработке горячим воздухом, от этого они становятся мягкими и пушистыми. Их используют для изготовления тканей трикотажных спортивных костюмов, полотенец, купальных костюмов.

Нитрон - полиакрилонитрильные волокна.

Орлан. акрилан- США, кашмилон-Япония, куртель-Англия, дралон -Германия

В нашей стране начали выпускать в 1963 году

Волокно формуют из полиакрилонитриловых сополимеров сухим или мокрым способом.

Волокно продавливают через фильеры, вытягивают и подвергают термообработке, (обдают горячим паром), закрепляя расположение макромолекул.

Вырабатывают в виде волокон. Чтобы придать им извитость, их гофрируют в специальных машинах. Извитое нитроновое волокно по внешнему виду схоже с тонким шерстяным волокном. Нитрон - это заменитель шерсти, самое “теплое” в мире из химических нитей.

Характеристика. Нитроновое волокно обладает высокими теплозащитными свойствами, самое теплое из всех химических волокон, с очень малой сминаемостью и усадкой, совсем не выгорает, хорошо красится, сравнительно большой прочности, устойчивость к истиранию: в 5-10 раз меньше, чем капроновое и лавсановое, изделия сохраняют 80% своей исходной прочности в течение полутора лет эксплуатации.

Волокно хрупкое, электризуется и пиллингуется, но пили, в процессе носки, исчезают.

Изделия из нитрона прекрасно стираются в теплой воде с мылом, любые пятна быстро исчезают изделия можно чистить бензином, ацетоном. Волокно малой гигроскопичности, поэтому гигиенические свойства плохие, но теплозащитность очень большая.

Применение. По светостойкости нитроновые волокна превосходят все текстильные волокна, поэтому из него изготавливают гардинно-тюлевые, тентовые и другие изделия. Из нитей - гардинно-тюлевые изделия, рыболовные снасти.

Характеристика синтетических волокон

2. Искусственные волокна - вискоза, ацетат, триацетат

Вискоза - (вязкий, клейкий) - это концентрированный раствор природных соединений - гидратцеллюлозные волокна

Волокно было получено в 80-е годы 19 века ботаником Негели, который установил, что хлопковое волокно состоит из целлюлозы. Это открытие привело к мысли, что можно выработать волокно подобное хлопковому, но из более дешевого целлюлозного сырья -остатков древесины. Попытки получения такого волокна увенчались успехом в 1892 году, когда американцы Кросс, Бивен, Бидл запатентовали вискозный способ, который совершенствовался и модернизировался.

Получение. Остатки еловой щепы и хлопкового пуха обрабатывают раствором щелочи (едкий натр), получают щелочную целлюлозу, которую затем обрабатывают сероуглеродом и полученный растров продавливают через фильеры - пластины с мельчайшими отверстиями - получают струйки материала, которые затвердевают и образуют элементарные нити.

Ученые России предвидели блестящую будущность вискозного волокна. Д.И. Менделеев в 1900 году писал: “Россия изобилует всякими растительными продуктами...

Клетчатка не истощает почвы, для питания не пригодна... если бы мы отбросы превратили в изделия из вискозы, то разбогатели бы побольше, чем от всей нашей торговли”

Характеристика. Вискозное волокно является самым универсальным из химических волокон, оно приближено к хлопковому. Волокно имеет рыхлую структуру, напоминает шелк по внешнему виду, имеет прекрасные гигиенические свойства (”дышит”), обладает повышенной гигроскопичностью, большой прочностью, хорошо утюжатся.

Недостатком является резкий блеск, но если волокна вискозного жгута разрезать на части (штапепьки), а затем вытянуть и скрутить в пряжу, то это штапельное волокно теряет блеск и прочность немного уменьшается, сохраняя остальные свойства вискозы. При стирке изделия сильно садятся (до 10 %), в мокром состоянии теряют прочность до 60%, поэтому их нельзя сильно тереть и выкручивать.

Применение. В чистом виде и в сочетании с другими волокнами или нитями вырабатывают подкладочные, платьевые, сорочечные, бельевые, декоративные ткани, верхний, бельевой трикотаж, чулочно-носочные, текстильно-галантерейные изделия (ленты, тесьма, галстуки), целлофан. Если вискозную нить сильно вытянуть, то верхний слой нити растянется больше, а внутренний - меньше, в результате волокно получает извитость, из этих нитей изготавливают ковры. Если в прядильный раствор вискозы вмешать воздух, то получим химическую реакцию с выделением углекислого газа, в волокне образуются пустоты, эти пустотелые вискозные волокна используют для производства не тонущих спасательных костюмов Усовершенствованным вискозным волокном является сиблон, который мало мнется, мало садится, прочное и блестящее. Его изготавливают из высококачественной целлюлозы.

Ацетатное волокно (ацетилцеллюлоза)

Впервые на мировом рынке появилось в 1921 году, как результат трудов американских ученых и технологов под руководством Дрейфуса.

Получение относительно безвредное, отличается простотой технологического процесса и доступностью вспомогательных материалов.

Получение. Сырьем для получения ацетатного волокна служат остатки хлопкового пуха или облагороженной древесной целлюлозы, обработанные уксусным ангидритом и уксусной кислотой: получают рыхлые хлопья первичного ацетата.(“уксус” по латыни “ацетум”, от этого произошло и название “ацетатное”)

Для получения вторичного ацетата первичный ацетат омыливают - добавляют определенное количество воды; полученные белые хлопья отжимают, обрабатывают в смеси ацетона и спирта, продавливают через фильеры, и при помощи теплого воздуха испаряют смесь,от чего нити затвердевают. Из этих блестящих нитей и ткут ацетатное полотно. В сочетании с другими нитями волокно используют с шелком, вискозой, шерстью и другими смесевыми тканями.

Характеристика. Ацетатное волокно мало гигроскопично, мало впитывает влагу, мягкое, легкое, тонкое, упругое, блестящее, но при температуре выше 85 градусов блеск теряет, сильно электризуется, в мокром состоянии прочность теряет очень мало, но имеет склонность к образованию заломов в мокром состоянии, боится высоких температур и при 140 градусах разрушается, не подвержено действиям плесени, сильно осыпается, мало сминается, быстро сохнет (вода стекает), светостойкое.

Изделия утюжат влажным по изнаночной стороне, чтобы не образовывались ласы; нельзя чистить ацетоном, можно растворить ткань

Применение. В настоящее время выпуск ацетатных волокон и нитей резко сократился из-за малой потребительской востребованности

В 60-десятые годы ХХ века использовали ткани для женских платьев, блузок,. летних костюмов

Триацетатное волокно.

Получают из первичного ацетата путем воздействия на него химического состава.

Формование волокна происходит так же, как ацетатного, но при низких температурах, что ведет к некоторым различиям в их свойствах: отличается низкой гигроскопичностью, белее высокой температурой плавления и глажения, его можно отбеливать и проще окрашивать,

не нуждается в глажении, хорошо держит складки плиссе и гофре даже после стирки, что улучшает процесс эксплуатации; сильно осыпается.

Применение: Изготавливают ткани для галстуков (из-за низкой прочности) тюля, покрывал на кровати, кружев, юбок гофре и плиссе, сорочек

Характеристика искусственных волокон

3. Тетраксид из растворов для прядения целлюлозы

Этот способ предназначен для переработки лома, в состав которого входят в основном неферромагнитные металлы и позволяет разделить материал по плотности на несколько фракций с использованием только одной тяжелой разделяющей среды.

Для выделения металлического лома из отходов, состоящих из металлов и неметаллов, проводят измельчение отходов с получением частиц.

Грохот 9 и поступают в резервуар, в который по линии 12 может подаваться вода. Смесь твердых материалов и воды по линии 13 подается из резервуара 11 в первичный гидроциклон 14. Резервуар 11 расположен на 10 м выше, чем гидроциклон 14, в результате чего смесь твердых материалов и воды поступает в гидроциклон по питателю 15 с достаточной скоростью.

В гидроциклоне происходит разделение компонентов по удельному весу. Первая, более тяжелая фракция, состоящая в основном из металлов, например медных и алюминиевых сплавов, выходит из гидроциклона через спускное отверстие 18 и поступает в сетчатый аппарат 19 для удаления воды. Вторая, более легкая фракция, состоящая, например, из пластмасс и резины выходит из гидроциклона по трубам 21 и 21', подается для удаления воды в коленчатое сито 22 и затем выводится из системы по линии 23. Вода, отделяемая в аппаратах 19 и 22 собирается в отстойнике с насосом 33 и по линии 25 насосом 24 направляется обратно в резервуар 11.

В резервуаре 11 имеется сливная труба 26, позволяющая поддерживать постоянное давление воды, подаваемой в циклон. Резервуар разделен перегородкой 27 на два отделения 28 и 29, которые соединены друг с другом отверстием 30. Часть воды с твердым материалом, рециркулируемой по линии 25, подается в отделение 28, а другая часть -- в отделение 29. Отношение этих подаваемых количеств таково, что обеспечивает высокую скорость прохождения воды через отверстие 30. В результате этого становится невозможным поступление легких материалов в сливную трубу 26, связанную с отделением 29.

В рециркулируемой воде происходит накопление мелких твердых частиц. Для того, чтобы концентрация этих частиц на стала слишком большой, часть рециркулируемой воды пропускают через концентратор циклонного типа 31. Очищенную воду снова используют, а концентрат выводят по линии 32.

Предпочтительно использовать первичный гидроциклон такого типа, в котором возможно перемещение конической части 16 по отношению в оси цилиндрической части 17. Первая фракция, выходящая из аппарата 19 по линии 20, поступает в смеситель 34, где суспендируется в тяжелой среде, представляющей собой взвесь мелких частиц ферросилиция в воде и имеющей плотность ~2,45. Образующуюся суспензию насосом 35 перекачивают во второй гидроциклон 36, в котором величина угла конической части составляет 60³. Диаметр циклона 36 составляет 600 мм, диаметр трубы для подачи сырья 150 мм и диаметр вихревого всасывателя 210 мм.

Более тяжелая фракция (в основном медь и медные сплавы) плотностью 3,15 вместе с суспендирующей средой выводится через отверстие в нижней части 37 циклона. В сетчатом аппарате 38 из смеси отделяется вода, затем ее промывают в аппарате 39 и выводят по линии 40. Фракция меньшей плотности выводится из гидроциклона 36 по линии 58. Выводимая вместе с ней суспендирующая среда отделяется в коленчатом сите 41. Более легкая фракция вместе с суспендирующей средой из аппарата 38 и коленчатого сита подается в резервуар 42, а из него поступает в третий гидроциклон 43.

В гидроциклоне 43 величина угла конической части составляет 20°. Здесь происходит разделение легкой фракции из предыдущего циклона на среднюю металлическую фракцию массой >2,65, которая выводится вместе с суспендирующей средой по линии 44 и на легкую металлическую фракцию, имеющую массу <2,65, которая выводится из циклона по линии 45. Средняя фракция состоит в основном из алюминия; суспендирующая среда отделяется от алюминия в сетчатом аппарате 46. Затем материал промывают в аппарате 47 и выводят по линии 48. Легкая фракция, состоящая из легких металлов и сплавов, отделяется от суспендирующей среды в сетчатом аппарате 49, промывается в аппарате 50 и выводится по линии 51.

Резервуар 42 расположен на 10 м выше гидроциклона 43, что вместе с наличием сливной трубы 52 обеспечивает требуемое постоянное давление жидкости на входе в гидроциклон 43. Резервуары 11 и 42 имеют конструкцию, описанную в патенте Нидерландов 96726, и резервуар 42 функционирует так же как и описанный выше резервуар 11. Резервуар 42 разделен перегородкой 53 на два отделения 54 и 55. Легкая фракция, выходящая из коленчатого сита 41 поступает в отделение 54, а суспендирующая среда, отделенная на сите41 и в аппарате 38 распределяется между отделениями 54 и 55 в таком отношении, что плавающие частицы не попадают в сливную трубу 52. Суспендирующая среда, подаваемая в отделения 54 и 55, не должна содержать твердых частиц; последние отделяются в коленчатом сите 41. Суспендирующая среда, выходящая из сетчатых аппаратов 46 и 49 и из сливной трубы 52, возвращается в смеситель 34. Очищенная вода, выходящая из циклона-концентратора 31, используется для промывки в аппаратах 39, 47 и 50.

Разбавленная суспендирующая среда из промывных аппаратов 39, 47 и 50, регенерируется в двух последовательно соединенных магнитных сепараторах 56 и 57. Регенерированная магнитная фракция подается в смеситель 34, а отделенная вода поступает в отстойник 33 с насосом и далее используется в первом гидроциклоне 14. Таким образом часть воды непрерывно выводится из контура суспендирующей жидкости и поступает в водяной контур первичного циклона. Часть воды из этого контура пропускается через циклон-концентратор. Таким образом предотвращается накопление мелких твердых частиц в циркулирующей суспендирующей жидкости.

Ниже приведено распределение по плотности неферромагнитной части автомобильного лома, которое может считаться типичным для этого вида сырья:

Фракция А в основном состоит из неметаллов, фракция В -- из легких металлов и сплавов, а фракция С -- практически только из алюминия. В состав фракции D входят более тяжелые металлы, в основном медь и медные сплавы. Материал с плотностью 2,79--3,32 присутствует в очень малых количествах.

Литература

1. Перепелкин К.Е. История и хронология развития химических волокон в мире. // Химические волокна. 2002, № 5, с. 3 - 11.

2. Перепелкин К.Е. Прошлое, настоящее и будущее химических волокон. - М.: Изд. МГТУ, 2004. - 208 с.

3. Hongu T, Phillips G. O. New millennium fibres. Cambridge: Woodhead Publising Limited. - 2003. - 384 p.

4. Перепелкин К. Е. Структура и свойства волокон. - М.: Химия, 1985. - 208 с.

5. Перепелкин К.Е. Химические волокна для текстильной промышленности: основные виды, свойства и применение. // Текстильная химия. 2001, № 1, с. 19-31.

6. Перепелкин К.Е. Современные химические волокна и перспективы их применения в текстильной промышленности. // Российский химический журнал (ЖРХО им Д.И. Менделеева). 2002. т. 46, № 1, с. 31 - 48.

7. Роговин З. . Основы химии и технологии химических волокон. - Изд. 4-е. - М.: Химия, 1974. - Т. 1. - 520 с. Т. 2. - 344 с.

8. Роговин З.А., Гальбрайх Л.С. Химические превращения и модификация целлюлозы. Изд. 2-е. - М.: Химия. 1979. - 208 с.

9. Перепелкин К.Е. Принципы и методы модифицирования волокон и волокнистых материалов. // Химические волокна. 2005, № 2, с. 37-51.

10. Кричевский Г.Е. Химическая технология текстильных материалов. М.: Изд. РосЗИТЛП. т. 1, 2000 - 436 с.; т. 2, 2001 - 540 с.; т. 3, 2001 - 298 с.

11. Перепелкин К.Е. Полилактидные волокна: получение, свойства, применение, перспективы. Обзор. // Химические волокна. 2002, - № 2. - С. 12 - 24.

12. Геллер Б.Э. Некоторые проблемы развития сырьевой базы химических волокон. // Химические волокна. 1996, № 5, с. 3 - 14.

13. Шамолина И.Ю. Перспективы использования микробного сырья при получении волокнистых и пленочных материалов. // Химические волокна. 1997, No 1, с. 3 - 10.

14. Выродов А.А. и др. Технология лесохимических производств. - М.: Лесная промышленность, 1987.

15. Гидролизные производства. Пиролиз древесины (статьи). - В кн.: Химическая энциклопедия. М., Изд. БСЭ / БРЭ. Т. 1, 1988. Т. 3, 1992.

16. Бирюков В.В. Основы промышленной биотехнологии. - М., Колосс, Химия. 2004. - 296 с.

17. Перепелкин К.Е. Волокна и волокнистые материалы. Путь от XX в XXI век. // Вестник Санкт-Петербургского государственного университета технологии и дизайна, 2003, № 9, - С. 47 - 73.