Химические волокна и их применение в народном хозяйстве

Химические волокна — это тонкие, прочные, гибкие ни­ти, получающиеся при продавливании (формовании) че­рез фильеры расплавов полимеров или их вязких концен­трированных растворов.

Фильера имеет вид цилиндрического колпачка диаме­тром 50 — 75 мм с большим числом мелких отверстий (до 10 тыс.). Формование волокна может происходить из рас­твора и из расплава. Формование из раствора (мокрый способ) проходит в осадительной ванне с коагуляцией (свертыванием) струек жидкости; при сухом формовании из раствора испаряется летучий растворитель. Во всех случаях получают нить полимера.

В зависимости от способа производства химические волокна подразделяются на искусственные, получаемые химической переработкой природных полимеров (целлю­лозы, белка и др.), и на синтетические. Химические волок­на вырабатывают в виде штапельного и моноволокна и филаментных (непрерывных) нитей. Штапельное волок­но (подобно шерсти или хлопку) состоит из пучка корот­ких волокон длиной до 150 мм. Моноволокно применяется для производства струн, щетины, рыболовных снастей и т. д. Производство штапельного волокна наиболее вы­годно и более эффективно, так как при этом виде воло­кон достигается более низкая себестоимость (на 15%) и более высокая производительность труда.

Химические волокна обладают ценными физико-хи­мическими и механическими свойствами, что открывает большие возможности для применения их во многих от­раслях промышленности. Многие химические волокна отличаются высокой механической прочностью, что осо­бенно важно при изготовлении технических изделий — шинного корда, канатов, сетей" и т. д. Ткани из многих химических волокон не дают усадки и характеризуются высокой эластичностью. Важным и ценным свойством химических волокон являются их устойчивость к много­кратным деформациям и к истиранию, а также тепло­стойкость и высокая устойчивость к действию света, ми­кроорганизмов, химических сред и т. д., что имеет большое значение для изделий технического назначения (фильтровальные ткани, сети, спецодежда и т. д.).

Современные химические волокна обладают большим многообразием ценных качеств, чем натуральные, причем их можно получать с заранее заданными свойствами. Сейчас химические волокна перестали быть заменителя­ми природных волокон, они являются новыми незаме­нимыми материалами, без которых невозможен техниче­ский прогресс во многих отраслях народного хозяйства. Область применения химических волокон все более рас­ширяется как для производства бытовых, так и техниче­ских изделий (корда для автомобильных и авиационных шин, покрышек, электроизоляции, защитных средств хи­мической аппаратуры, транспортерных лент, шлангов и т. д.).

Экономическое преимущество производства химиче­ских волокон состоит в том, что оно имеет практически неограниченный источник дешевого и доступного сырья — продуктов переработки топлива (нефти, газа, ка­менного угля и древесины), что обусловливает высокие темпы развития этой отрасли промышленности.

Производство химических волокон требует гораздо меньших капитальных, эксплуатационных и трудовых за­трат, чем производство натуральных волокон того же на­значения. При равных затратах труда химических воло­кон можно получить больше, чем природных, что положительно сказывается на повышении производительности труда. Так, на производство 1 т хлопка тре­буется 1660 чел-ч, 1 т натурального шелка — 35 000 чел-ч, 1 т капронового шелка — 1400 чел-ч, 1 т штапельного во­локна нитрон — 225 чел-ч. Трудовые затраты на про­изводство штапельного волокна нитрон в 155 раз ниже, чем на производство натурального шелка. Следствием этого является более низкая себестоимость химических волокон по сравнению с натуральными.

Применение химических волокон в текстильной про­мышленности также высокоэффективно, так как позво­ляет сократить число производственных операций и пре­жде всего такой важной, как операция прядильного производства.

Химические волокна широко используют для техниче­ских целей. Для бытовых целей из-за низкой гигроско­пичности и воздухопроницаемости, способности накапли­вать статическое электричество химические волокна используют не в чистом виде, а в смеси с натуральными волокнами.

Характеризуя качество волокон, обычно подразуме­вают комплекс показателей, определяющих потребитель­скую и эксплуатационную ценность получаемых изделий. При изготовлении товаров народного потребления и тех­нических изделий необходимо учитывать и эстетические требования, предъявляемые к ним.

Основными показателями, характеризующими каче­ство волокна, являются: прочность на разрыв, удлинение в сухом и мокром состояниях, эластичность, гигроско­пичность, устойчивость к деформации и истиранию, удельный вес, стойкость к действию высоких и низких температур, света, атмосферных явлений, химическая стойкость и т. д. При оценке качества волокон, приме­няемых для изготовления изделий народного потребле­ния, определяются дополнительно такие показатели, как сминаемость, равномерность окрашивания, устойчивость к стирке и химической чистке.

Главным техническим свойством химических волокон является прочность на разрыв, которая характеризуется разрывной длиной (в разрывных километрах — ркм), при которой волокно разрывается под действием собствен­ной тяжести. Например, прочность шерсти — 12, хлоп­ка — 35, капрона и нейлона — до 72, вискозы — около 40, полиэфирного волокна - до 60 ркм.

Удлинение — один из существенных показателей, опре­деляющих условия переработки волокна и эксплуатационную ценность получаемых изделий. Разрывное удли­нение представляет собой величину, показывающую, насколько возросла длина волокна (%) к исходной длине в момент разрыва.

Гигроскопичность имеет большое значение как для технических изделий, так и для товаров широкого народ­ного потребления.

Искусственные волокна на основе целлюлозы (виско­за, ацетатные волокна) до 1970 г. являлись основным ви­дом химических волокон, производимых мировой про­мышленностью.

Растительный источник сырья (древесина), большое количество отходов производства снижают экономиче­скую эффективность искусственных волокон по сравне­нию с синтетическими. Вот почему доля искусственных волокон в мировом производстве падает. В настоящее время в большинстве развитых стран мира доля искус­ственных волокон составляет около ¹/₃ мирового производства всех видов химических волокон, а ²/₃ — синтетические волокна.

Основным видом искусственного волокна является вискоза, имеющая широко доступную сырьевую базу. Она получается обработкой целлюлозы, раствором едко­го натра с последующим взаимодействием полученной алкалицеллюлозы с сероуглеродом. Образовавшаяся соль затем растворяется в разбавленном растворе щело­чи, затем созревает в течение 1 — 2 сут. После созревания полученная вискоза передается на формование мокрым способом в осадительной ванне (смесь разбавленной сер­ной кислоты и растворов ее солей).

Вискозное волокно обладает целым рядом ценных физико-химических свойств: устойчивостью к действию органических растворителей, термостойкостью, про­чностью, хорошей окрашиваемостью обычными красите­лями. Вискозе можно придавать свойство несминаемости; теплостойкость вискозных волокон выше, чем хлоп­ковых.

К недостаткам вискозы относятся: пониженная про­чность волокна во влажном состоянии, сминаемость, подверженность гниению, невысокая стойкость к воздей­ствиям атмосферных условий. Вискоза применяется для изготовления бельевых, трикотажных и подкладочных тканей, шинного корда и т. д.

В настоящее время широкое развитие получили во­локна на основе ацетилцеллюлозы: диацетатное и триацетатное. Исходным сырьем для их производства служит ацетилцеллюлоза, получаемая действием уксусного анги­дрида на целлюлозу. Простой способ получения, мень­ший расход сырья и материалов и малостадийное про­изводство позволяют непрерывно увеличивать выпуск триацетатного волокна. Формование ацетатных волокон проводится сухим способом и отличается хорошими тех­нико-экономическими показателями. Ацетатные волокна широко применяются для изготовления изделий широко­го потребления.

Синтетические волокна, полученные на основе реак­ций полимеризации и поликонденсации из химического сырья, являются ведущим видом химических волокон. Независимость сырьевой базы от природных и климати­ческих условий, высокий уровень технологии и произво­дительности труда, минимальные отходы производства, возможность автоматизации производства в сочетании с ценными прочностными, тепловыми, эстетическими свойствами делают синтетические волокна важнейшим видом химической продукции. По этой причине про­изводство синтетических волокон в СССР непрерывно возрастает.

Главными видами синтетических волокон на основе поликонденсации являются полиамидные и поли­эфирные волокна, которые обладают целым рядом ценных физико-химических и механических свойств: вы­сокой прочностью в сухом и мокром состояниях (одни из самых прочных волокон), высокой эластичностью, хими­ческой и термической стойкостью, устойчивостью к исти­ранию (превосходят в 10 раз хлопок, в 20 раз шерсть и в 50 раз вискозное штапельное волокно), стойкостью к гниению и действию микроорганизмов, легко окраши­ваются, стираются и очищаются.

Эти волокна широко применяются в легкой, текстиль­ной, трикотажной, обувной, химической, электротехниче­ской промышленности, в авиа- и автомобилестроении, в строительстве. Особое значение имеет применение по­лиамидных волокон в виде корда для шин, сетей, кана­тов, фильтровальных тканей и электроизоляционных ма­териалов.

Процесс производства синтетических волокон состоит из четырех стадий: получение мономера, получение поли­мера, формование волокна и его текстильная обработка.

Сырьем для производства полиамидных..волокон слу­жат бензол, циклогексан. На их основе синтезируют мономеры (аминокапроновая кислота для капрона, адипи-новая кислота для нейлона), а затем реакцией поликон­денсации получают полимер:

Для полиамидных волокон характерна высокая эконо­мическая эффективность их применения в различных от­раслях народного хозяйства (например, при производстве шинного корда и резинотканевых изделий). Так, капи­тальные вложения на 1 млн. км пробега новых авто­покрышек с капроновым кордом составляют 57% по сравнению с хлопчатобумажным кордом и 70% по срав­нению с вискозным кордом, а себестоимость 1 млн. км пробега новых покрышек с капроновым кордом соста­вляет 57 % по сравнению с хлопчатобумажным и 77 % по сравнению с вискозным кордом.

Сырьем для производства полиэфирных волокон (лав­сана) служит этиленгликоль и терефталевая кислота, по­лучаемая окислением n-ксилола, извлекаемого из продук­тов коксования каменного угля. Отличительные свойства полиэфирных волокон (несминаемость, прочность, высо­кая эластичность, хорошая химическая и светоустойчивость, малая трудоемкость изготовления) определяют бо­лее высокие темпы роста мирового производства этих волокон по сравнению с остальными. Важный путь сни­жения себестоимости полиэфирных волокон состоит пре­жде всего в выборе дешевых и доступных источников сы­рья и в эффективном использовании сырья и материалов. В последнее время освоено производство новых поликонденсационных волокон: полиуретановых, полимочевинных и др.

Главными видами синтетических волокон на основе полимеризации являются: полиолефины, полиакрилонитрильные, поливинилхлоридные, фторсодержащие, поливинилспиртовые и др.

Наибольшую роль в народном хозяйстве играют во­локна на основе полиакрилонитрила (нитрон) и полиолефинов (полиэтилен, полипропилен). Исходным сырьем для получения мономеров для синтеза этих волокон являются преимущественно этилен и ацетилен. Следова­тельно, производство полимеризационных волокон в от­личие от поликонденсационных имеет более широкую, доступную и дешевую сырьевую базу на основе газо-, нефтедобывающей и перерабатывающей промышленно­сти. Себестоимость сырья для производства полимериза­ционных волокон во много раз ниже, чем для поликон­денсационных.

Полиакрилонитрильное волокно по органолептическим свойствам больше других химических волокон на­поминает натуральный шелк, а в виде штапеля — высоко­качественную шерсть, которую превосходит по прочно­сти и теплоизоляционным свойствам. Поэтому полиакри­лонитрильное волокно применяется в основном как заменитель шерсти. Оно обладает достаточной про­чностью (34 — 40 ркм), низкой гигроскопичностью (0,1%), в мокром состоянии сохраняет 95 — 98% прочности, эла­стично, термостойко (может использоваться продолжи­тельное время при 200 °С), химически стойко, легко моет­ся и очищается. По свето- и атмосфероустойчивости волокно нитрон превосходит все натуральные и химиче­ские волокна (кроме фторлона). Однако устойчивость к истиранию у полиакрилонитрильного волокна в 5 —10 раз ниже, чем у полиамидного и полиэфирного. Недо­статками нитрона являются также его плохая окрашиваемость и повышенная хрупкость.

Производство полиакрилонитрильных волокон совер­шенствуется, но в связи с появлением волокон с лучшими свойствами (например, полиэфирные) в последние годы темпы роста производства нитрона снизились.

Полимеризационные волокна находят широкое при­менение в технике для производства спецодежды, техни­ческих изделий, фильтровальных тканей, ковров, сетей, канатов и т. д.