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-

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.

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-

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-

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):

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

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.

Виробництво паперу