ВІСКОЗА І ліоцелл: ДВА ВТІЛЕННЯ ЦЕЛЮЛОЗИ

Наука і життя // Ілюстрації

Щоб отримати з целюлози ліоцелл, потрібно набагато менше стадій, ніж при формуванні віскози.

Порівняння фізико-механічних властивостей целюлозних волокон. Числа в шпальтах діаграми вказують на розрив міцність в сН / текс.

У целлюлозном волокні є кристалічні області, в яких макромолекули щільно упаковані і орієнтовані строго в одному напрямку, і аморфні області з менш впорядкованою структурою.

<

>

Середина XX століття стала періодом тріумфального пришестя хімічних волокон. Завдяки високій механічній міцності, хімічної стійкості і іншим чудовим властивостям вони швидко знайшли безліч технічних застосувань в самих різних галузях промисловості. У звичайному житті немнущіеся і не піддаються усадці синтетичні тканини помітно потіснили традиційні бавовна, льон, шовк і вовна. На завоювання і освоєння світового текстильного ринку хімічними волокнам треба було всього 50 років. За цей час споживання натуральних волокон знизилося в 2,2 рази, а хімічних - зросла в 53,5 рази.

Однак на рубежі XX і XXI століть над виробництвом хімічних волокон стали "згущуватися хмари". Це пов'язано зі збільшенням попиту на вуглеводневу сировину як енергоносій, зростанням цін на нього, тривожними прогнозами про виснаження нафтових запасів, а також з екологічними проблемами виробництва. Тому знову виник інтерес до отримання хімічних волокон з відновлюваної, досить дешевого і доступного природної сировини, і в першу чергу з целюлози.

Целюлоза _- природний полімер, макромолекули якого є ланцюжки з'єднаних разом ланок - молекул глюкози. З целюлози побудовані клітинні стінки всіх рослин. Волокна насіння бавовнику містять 95-98% целюлози, стебла льону, джуту та інших луб'яних рослин - 60-85%, деревина - до 40-55%.

Першовідкривачем целюлози став французький хімік Ансельм Пайен. Сталося це в 1838 році. Щоб з'ясувати, з яких компонентів складається деревина, Пайен обробив зразки деревини різних порід азотною кислотою і у всіх випадках отримав волокнисте речовина з формулою C6H10O5, аналогічне речовини бавовняних волокон.

Перспектива створити з деревини штучне волокно виглядала дуже привабливою. Але для цього потрібно перевести целюлозу в придатну для витяжки волокна форму. Оскільки в звичайних розчинниках природна целюлоза нерозчинна, її спочатку треба було хімічно модифікувати. До кінця XIX століття зусилля хіміків увінчалися успіхом: вони навчилися отримувати віскозу (в'язкий розчин модифікує ванній целюлози) і витягати з неї віскозне волокно.

Виробництво віскозного волокна - складний багатоопераційний процес, що складається з декількох стадій. Спочатку целюлозу деревини хвойних порід обробляють концентрованим розчином лугу (стадія мерсеризації). Отриману лужну целюлозу подрібнюють, а потім витримують протягом декількох годин, щоб довгі макромолекули целюлози частково окислились на повітрі і розпалися на більш короткі ланцюжки. На наступному етапі лужну целюлозу обробляють сірковуглецем СS2. В результаті цієї реакції утворюється ксантогенат целюлози - продукт, який розчиняється в розведеною луги. Процес розчинення при температурі 10-12оС займає кілька годин. У підсумку виходить в'язкий гель - віскоза. Гель фільтрують, очищаючи від механічних домішок, і видаляють бульбашки повітря. Лише після цього з віскози можна отримувати волокна, придатні для переробки в пряжу, або довгі мононити для технічних цілей.

Віскозні волокна і нитки застосовують у виробництві текстильних матеріалів як в чистому вигляді, так і в смески з бавовною, поліефірними та вовняними волокнами. Кручені віскозне нитки великий міцності активно використовують в технічних цілях - при виготовленні корду для автомобільних шин і транспортерних стрічок. Але з появою поліефірних технічних ниток, що мають більш високі фізико-механічні властивості, застосування для цих цілей віскози значно скоротилося.

Головний недолік, багато в чому визначає спад виробництва віскозних волокон, - екологічно брудна технологія, заснована на застосуванні сірковуглецю. При розкладанні ксантогенату крім сірковуглецю в значній кількості виділяється отруйний газ сірководень. Для створення нормальних санітарно-гігієнічних умов машини для отримання волокон герметизують, виробничі приміщення оснащують потужними системами вентиляції і уловлювання шкідливих газів, залишки яких викидаються в атмосферу через труби висотою до 120 м. Виробництво віскозного волокна вимагає великої витрати електроенергії і хімічних матеріалів (понад 1, 5 кг на 1 кг волокна).

Однак прекрасний споживчий вигляд (шовковистість, яскравість і міцність забарвлення) і невисока вартість виробів забезпечують їм популярність. Тому перед хіміками постало завдання розробки екологічно безпечної та економічної промислової технології одержання целюлозних волокон нового покоління. І це завдання було успішно виконано.

Знайти нове рішення проблеми розчинення і переробки целюлози вдалося в 90-х роках минулого століття. Альтернативою віскозному виробництва став технологічний процес прямого розчинення деревної целюлози (без хімічної модифікації) в сильно полярному органічному розчиннику - N-метілморфолін-N-оксиді (NММО). Екологічна чистота процесу обумовлена ​​тим, що цей розчинник практично повністю регенерується і не утворює шкідливих продуктів розпаду. На ринку текстильних матеріалів такі волокна отримали назву "ліоцелл". Процес їх виробництва економічний, так як включає набагато менше стадій, ніж віскозний процес. Спільними для вироблення волокон ліоцелл і віскози залишилися тільки вихідна сировина і хімічний склад одержуваних волокон.

На відміну від віскозної технології, заснованої на хімічних реакціях целюлози з лугом і сірковуглецем, розчинення целюлози в NММО - прямий, чисто фізичний процес. Решта стадії отримання ліоцелл: формування, коагуляція, сушка - також мають фізичну природу. Ця технологія дозволяє скоротити витрату хімічних матеріалів в сотні разів в порівнянні з виробництвом віскози. Щодо простий спосіб отримання формувальних розчинів, високошвидкісний процес формування волокна забезпечують високу продуктивність. Тканини та вироби з ліоцелл добре фарбуються, що не саджають ся при пранні, вони приємні і м'які на дотик, зовні нагадують бавовна.

Міцність і пружність волокон ліоцелл як в сухому, так і в мокрому стані вище, ніж віскозних, а усадка при пранні менше. Такі разючі відмінності у властивостях багато в чому обумовлені тим, що технологія виробництва ліоцелл не призводить до значного зменшення довжини макромолекул целюлози. При розчиненні целюлози в NММО ступінь полімеризації (число елементарних ланок в макромолекулі) знижується всього на 10-15%, тоді як віскозу піддають спеціальній обробці, щоб знизити ступінь полімеризації з 1000-1200 одиниць у вихідній сировині до 350-550 в готовому продукті. Волокно ліоцелл відрізняється більш високим вмістом кристалічних зон. Ступінь кристалічності ліоцелл становить 50-60% проти 40% у віскози, кристаліти мають витягнуту форму і чітку орієнтацію вздовж осі волокна, а самі волокна однорідні в поперечному зрізі.

Недолік багатьох хімічних і штучних волокон, включаючи ліоцелл, - підвищена схильність до фібріллізаціі, тобто до появи на поверхні волокна численних ворсинок, подібних задирок. Через фібріллізаціі на поверхні виробів з хімічних волокон в процесі носіння утворюються численні закочені кульки (пілінг-ефект), що істотно погіршує зовнішній вигляд речей. Однак і недолік можна перетворити на гідність. Технологи і дизайнери використовували фібріллізацію для отримання на тканинах ефекту "персикової шкірки" - бархатистою текстури, що зовні нагадує замшу, яка утворюється після м'якої та рівномірної механічної обробки поверхні пофарбованих текстильних полотен спеціальними абразивами.

Промислове виробництво ліоцелл почалося в 1992 році з 18 тис. Тонн, а в 2003 році обсяг випуску волокна в світі досяг вже 135 тис. Тонн, збільшившись в 7,5 рази. Тенденція бурхливого зростання виробництва ліоцелл зберігається. Розробка і промислове освоєння технологій отримання нових волокнообразующих полімерів - пріоритет індустріально розвинених держав: США, країн ЄС, Китаю, Японії, Ізраїлю, що мають великий промисловий і науковий капітал. Росія, незважаючи на величезні запаси сировини для такого виробництва, на жаль, поки відстає в цій галузі.