Ровкина Н.М., Ляпков А.А. Полимеры на основе целлюлозы и ее производных: учебное пособие.
Подождите немного. Документ загружается.
41
Перед подачей на прядильную машину раствор вискозы, как и
любой другой прядильный раствор, подвергается фильтрованию и
дегазации. Перед фильтрацией отдельные партии вискозы смешивают в
емкостях 30…70 м
3
, снабженных мешалками, при температуре
12…15 °С и последовательно подвергают 2…3 фильтрациям на рамных
фильтр-прессах с постепенным уплотнением фильтрующего материала,
устойчивого к действию щелочи. Четвертое фильтрование
осуществляется на прядильной машине.
В вискозе содержится около 0,8 % растворенного и 1,4 %
диспергированного воздуха с диаметром пузырьков 0,03…5 мм. При
высоте слоя прядильного раствора 1,5…2 м, температуре 15 С и
вязкости раствора 35…50 с время, необходимое для удаления
пузырьков воздуха из раствора, составляет 20…24 ч. Неполное
удаление пузырьков воздуха приводит к засоряемости фильер и даже
обрыву волокон в процессе формования.
Ускорению удаления пузырьков воздуха из прядильного раствора
способствует уменьшение высоты слоя прядильного раствора, подогрев
раствора перед фильтрацией до 35…40 °С, а также разрежение до 600
мм рт.ст. При этом вместе с воздухом удаляются свободные пары CS
2
и
некоторое количество воды. Обезвоздушенный раствор подвергается
третьей фильтрации на фильтр-прессе и поступает на прядильные
машины с целью формования волокна из вискозы мокрым методом.
Рис. 4. Схема производства вискозы:
1 – мерсеризационный пресс; 2 – измельчитель; 3 – емкость для вызревания;
4 – ксантат-барабан; 5 – смеситель; 6 – цистерна для вызревания; 7 – фильтр
Created with novaPDF Printer (www.novaPDF.com)
42
Сущность процесса формования заключается в продавливании
прядильного раствора через отверстия формующего устройства
прядильной машины-фильеры. При этом фильера погружена в раствор
осадительной ванны и может иметь 10…120 отверстий при получении
искусственного вискозного шелка и более 3000 отверстий при
изготовлении волокон, предназначенных для шинного корда и канатов.
Диаметр отверстий от
10…12 мкм до 50…80 мкм.
Фильеры изготавливают из
прочных, износо- и
химическистойких металлов,
например из платинового
сплава. Размер волокна зависит
от скорости подачи
прядильного раствора к
фильере, степени вытягивания
его во время формования, а
также от размера отверстий
фильеры. Все одиночные
волокна из одной фильеры
соединяются в одну нить пряжи
искусственного шелка.
Схемы формования
вискозной текстильной нити
представлены рис.5 а и б, а
штапельного вискозного волокна рис. 6.
Прядильная ванна, изготовленная из экологически стойкого
материала, например из листового свинца, содержит раствор серной
кислоты с добавками других веществ, Температура раствора
поддерживается в интервале 40…55 °С.
Типичный состав осадительного раствора (% масс.):
Серная кислота – 9…12
Сульфат натрия
–
17…20
Глюкоза
–
2…5
Рис. 5. Схема формования нити
в вертикальной (а) и горизонтальной
трубке (б)
Created with novaPDF Printer (www.novaPDF.com)
43
Сульфат цинка
–
1
Вода
–
67…71
Иногда добавляют небольшое количество сульфата магния.
При формовании волокна из вискозы в прядильной ванне
протекают следующие процессы:
высаживание ксантогената целлюлозы из раствора в виде пучка
параллельных тонких волокон в результате нейтрализации
находящегося в вискозе едкого натра, являющегося
растворителем ксантогената;
частичная дегидратация свежесформованных волокон,
проявляющаяся в снижении степени набухания высаженного
из раствора геля ксантогената целлюлозы или
гидратцеллюлозы;
вытягивание свежесформованных нитей с целью создания
определенной упорядочности в расположении агрегатов
макромолекул в волокне и придания нитям необходимой
прочности и эластичности.
омыление ксантогената целлюлозы и регенерация из него
гидратцеллюлозных волокон.
В зависимости от соотношения скоростей перечисленных
процессов и условий их проведения изменяется молекулярная масса,
надмолекулярная структура получаемых полимерных волокон и
соответственно изменяются в широких пределах их свойства.
Рис. 6. Схемы формования штапельного вискозного волокна
Created with novaPDF Printer (www.novaPDF.com)
44
Все перечисленные процессы, имеющие место при формовании
волокна, происходят последовательно в течение очень
непродолжительного времени в одной ванне. Иногда процесс омыления
ксантогената целлюлозы проводят в другой ванне после высаживания
волокон из прядильного раствора. Соответственно различают
однованный и двухванный способы формования волокна.
В настоящее время в промышленности производят все виды
вискозных волокон: текстильная филаменитная нить, филаменитная
техническая нить (кордная нить), а также пентапельное волокно.
Основным методом их получения является однованный метод
формования, при котором раствор содержит одновременно реагенты,
вызывающие как высаживание из раствора ксантогената, так и его
омыление.
Сульфат натрия осаждает натриевую соль ксантогената
целлюлозы из раствора вискозы в форме волокон, а серная кислота
превращает ксантогенат в целлюлозу.
Глюкоза предупреждает кристаллизацию соли во время
осаждения и, кроме того, придает пряже гибкость и мягкость. Сульфат
цинка придает пряже дополнительную прочность, а также способствует
образованию поперечного сечения волокна зубчатой формы, тогда как в
отсутствии сульфата цинка получаются волокна круглого или
овального сечения, хуже воспринимающие красители. Ионы цинка,
присутствующие в ванне, реагируют с ксантогенатом целлюлозы с
образованием цинковой соли ксантогената, которая действует как
внешняя оболочка в виде эластичного геля. Этот гель понижает
скорость регенерации целлюлозы серной кислотой и облегчает
вытягивание волокна. Кроме того, в присутствии ионов цинка
возрастает сопротивление пряжи усталости. При получении очень
прочного шелка концентрация сульфата цинка в ванне может быть
увеличена до 10 %, а концентрация серной кислоты до 45…75 %.
Основным компонентом осадительной ванны, вызывающим
омыление ксантогената целлюлозы, является серная кислота. Под
действием серной кислоты происходит разложение ксантогената и
регенерируется гидратцеллюлоза. Процесс возможно протекает в две
Created with novaPDF Printer (www.novaPDF.com)
45
стадии. В первой стадии образуется целлюлозоксантогеновая кислота
по схеме:
C
6
H
7
O
2
OH
O C SNa
S
n
H
2
SO
4
C
6
H
7
O
2
OH
O C SH
S
n
NaHSO
4
2
+
n
2
+
n
Эта реакция протекает почти мгновенно. Во второй стадии
происходит омыление целлюлозооксантогеновой кислоты:
C
6
H
7
O
2
OH
O C SH
S
n
C
6
H
7
O
2
OH
n
CS
23
2
n
+
Эта реакция протекает быстро, но, как и при любом процессе
омыления, скорость ее зависит от температуры и концентрации
омыляющего реагента.
При взаимодействии вискозы с кислотой, наряду с омылением
ксантогената целлюлозы, нейтрализуется щелочь, и разлагаются
примеси, находящиеся в растворе:
2NaOH + H
2
SO
4
→ Na
2
SO
4
+ 2H
2
O
Na
2
CS
3
+ H
2
SO
4
→ Na
2
SO
4
+ H
2
S + CS
2
Na
2
S
x
+ H
2
SO
4
→ Na
2
SO
4
+ H
2
S + (x-1) S
Na
2
S
2
O
3
+ H
2
SO
4
→ Na
2
SO
4
+ H
2
O + SO
2
+ S
Na
2
S + H
2
SO
4
→ Na
2
SO
4
+ H
2
S
Na
2
SO
3
+ H
2
SO
4
→ Na
2
SO
4
+ H
2
O + SO
2
Частичное окисление H
2
S кислородом воздуха сопровождается
выделением серы:
H
2
S + ? O
2
→ H
2
O + S
Таким образом, при формовании вискозного волокна выделяются
вредные газы и пары (CS
2,
H
2
S
,
SO
2
), а также выделяется сера, которая
осаждается на волокне. Это серьезный недостаток данного процесса.
Created with novaPDF Printer (www.novaPDF.com)
46
Указанные обстоятельства обуславливают необходимость
разработки мероприятий по предотвращению загрязнения воздуха,
очистки сточных вод, а также очистки волокна от загрязнений.
После прядения получается сильно загрязненная и слабая пряжа, а
потому полученное волокно или нить подвергаются ряду
последовательных обработок, целью которых являются:
удаление с волокна компонентов осадительной ванны (кислоты
и растворимых солей (промывка), удержанной волокном серы
(десульфурация) и труднорастворимых солей (кисловка);
придание волокну чисто-белого цвета – отбеливание (при
необходимости);
повышение мягкости, скользкости и придание волокну других
свойств, улучшающих его внешний вид и переработку в
текстильной промышленности (замасливание, мыловка,
авиваж).
Совокупность этих процедур объединено в единую
многооперационную стадию, названную отделкой волокна.
В зависимости от условий последующей переработки волокна или
ассортимента получаемых изделий аппаратурное оформления процесса
отделки, число и последовательность операций могут существенно
изменяться. Основные операции, применяемые при отделке,
представлены на рис. 7.
Первая промывка волокна от кислоты производится водой при
температуре 25…30 С.
При второй промывке водой с температурой 55…65 С удаляются
пары CS
2
. Из всех десульфурирующих агентов наиболее интенсивно
реагирует с серой едкий натр, а более мягким десульфурирующим
реагентом является сульфит натрия, с содержанием его в растворе
20…25 г/л при температуре 70…75 С или горячая вода, содержащая
0,5…1 % поверхностно-активного вещества ОП–10.
Created with novaPDF Printer (www.novaPDF.com)
47
Отбелка нити должна проводиться бережнее, чем отбеливание
древесной или хлопковой целлюлозы. Отбелку волокна гипохлоритом
натрия проводят при концентрации активного хлора 1 г/л и температуре
На одной
машине
Предсозревание щелочной целлюлозы
Ксантогенирование щелочной целлюлозы
Фильтрация и удаление воздуха из раствора
Подготовка целлюлозы к мерсеризации
Мерсеризация целлюлозы
Измельчение щелочной целлюлозы
Растворение ксантогената
Созревание вискозы
Формование волокна на разных прядильных машинах
бобинным
способом
центрифугальным
способом
на машине непрерывного
процесса формования и
отделки
Десульфурация
Промывка
Кисловка
Промывка
Отжим
Кручение
Фиксация крутки
Сортировка
Упаковка
Промывка волокна на
бобине
Мыловка или
замасливание
Перемотка
Сушка
Промывка
Десульфурация
Кисловка
Промывка
Мыловка или
замасливание
Отжим
Сушка
Сортировка
Упаковка
Промывка
Фиксация крутки
(запарка)
Промывка
Отбелка
Кисловка
Промывка
Десульфурация
Промывка
Отбелка
Промывка
Кисловка
Промывка
Мыловка или
замасливание
Сушка
Кручение
Фиксация крутки
Сортировка
Упаковка
Отделка волокна
Рис. 7. Основные операции, применяемые при отделки
Created with novaPDF Printer (www.novaPDF.com)
48
25 С в течение 15…20 мин. По окончании отбелки нить промывают
водой для удаления остатков отбеливающего вещества, а затем
0,5…1%-ым раствором кислоты и снова водой. Цель кисловки –
разложение остаточного гипохлорита, удержанного волокном, а также
перевод в растворимое состояние солей кальция и железа. Промывку
после кисловки проводят водой при 35…40 С и затем раствором
NaHCO
3
(0,5 г/л) при 20…25 С. Для мыловки применяется аммонийное
или нейтральное мыло, содержащее свободные жирные кислоты.
Хорошие результаты при авиваже дает сульфированный бутилолеат.
После мыловки или замасливания текстильная нить поступает на
сушку.
Кручение нити происходит при формовании или позже в
зависимости от аппаратурного оформления процесса формования.
Высушенное волокно сортируют, упаковывают и отправляют на
текстильную фабрику.
Предел прочности при растяжении обычного волокна вискозы
колеблется от 1750 до 3500 кгс/см
2
, но при смачивании водой прочность
волокна снижается на 30…50 %. Высокопрочный вискозный щелк
достигает прочности, вдвое превышающей прочность обыкновенного
вискозного шелка, в результате ориентации молекул и их агрегатов при
холодном вытягивании во время регенерации. Коагулированное
(осажденное) волокно полностью регенерируется лишь тогда, когда
волокно вытянуто на 50...250 % (нижний предел относится к волокнам
средней прочности).
Штапельное волокно изготовляют таким же путем, как и
филаментный искусственный шелк, но в этом случае применяют
большие фильеры, имеющие 2500…4000 отверстий. Из фильер выходит
пучок нитей в виде жгутов, которые разрезаются на короткие отрезки
(штапельки), а затем при продувании воздуха превращаются в пух.
Штапельное вискозное волокно, подобно хлопковым волокнам,
упаковывают в кипы и перерабатывают вначале в пряжу, а затем на
ткацких стенках на хлопчатобумажных фабриках.
Больше половины выпускаемого вискозного волокна
потребляется шинной и другими отраслями промышленности.
Created with novaPDF Printer (www.novaPDF.com)
49
Остальное волокно расходуется на производстве тканей для одежды и
других бытовых нужд. Ткани из вискозного волокна обладают хорошим
внешним видом, легко окрашиваются, гигиеничны и дешевы. Цены на
вискозный шелк ниже цен на любое другое природное или
синтетическое штапельное волокно.
3.1.2. Целлофан
Целлофан (регенерированная целлюлозная пленка) – широко
применяемый тонкий прозрачный упаковочный материал – является
вторым материалом, получаемым из раствора вискозы. Благодаря
красивому внешнему виду, прозрачности и невысокой стоимости
вискозная пленка широко применяется в качестве упаковочного
материала для пищевых продуктов, парфюмерных изделий, сигарет,
колбасных изделий, цветов и других целей.
Производство вискозной пленки было начато в 1913 г. и уже в
1962 г. мировое производство вискозной пленки превысило 150 тысяч
тонн.
Схема производства, последовательность и условия проведения
отдельных операций для получения водно-щелочного раствора
ксантогенированной целлюлозы (раствора вискозы) при производстве
вискозного волокна и вискозной пленки в основном совпадают.
Однако для получения целлофана вискоза после фильтрации и
удаления воздуха поступает на пленочную машину, где в ванне,
содержащей серную кислоту и сульфаты, производится формование
пленки. Пленочная машина имеет следующие рабочие элементы:
дозирующий насос, обеспечивающий подачу постоянного
количества вискозы в единицу времени (150…250 мл за один
оборот);
тарельчатые фильтры для дополнительной фильтрации
вискозы;
проходной аппарат, состоящий из ряда барок, в которых
имеются нижние и верхние ролики для передвижения пленки;
приемный узел;
Created with novaPDF Printer (www.novaPDF.com)
50
сушильную часть, состоящую из двух рядов сушильных
барабанов;
приспособление для намотки готовой пленки.
Фильера для формования целлофана снабжена щелевым
формующим устройством. Фильера представляет собой массивный
чугунный корпус, в нижней
части которого расположены
тщательно отполированные
пластины. При сдвигании
пластин образуется щель,
через которую вытекает
вискоза. Пластины
выполнены из материала,
стойкого к щелочам и
разбавленным кислотам при
повышенной температуре
(из никеля, сплава никеля и
хрома с добавкой
молибдена, кремния, меди и
железа). Зазор между
пластинами, а тем самым
ширина щели и толщина
получаемой пленки могут
изменяться в широких
пределах. Длина щели
фильеры в 2 раза больше
ширины готовой пленки, т.к.
суммарная усадка пленки в процессе формования и отделки составляет
40…45 %.
На рис. 8 представлена фильера для формования целлофана.
Сформованная пленка тщательно промывается, проходит цикл
отделки, идентичный с процессом отделки вискозного волокна а, кроме
того – дополнительные операции отделки пленки – пластификацию и
придание влагонепроницаемости. Далее пленка сушится, сортируется и
Рис. 8. Фильера для формования пленки:
1 – корпус; 2 – полость фильеры; 3 – щель;
4 – шарнир; 5 – ось маховика; 6 – верхний
регулировочный винт; 7 – нижние
регулировочные винты; 8 – пластины,
образующие щель фильеры
Created with novaPDF Printer (www.novaPDF.com)