Тема: Получение, строение и свойства химических волокон и нитей

Основные этапы получения химических волокон и нитей. Прототипом процесса получения химических нитей послужил процесс образования шелкопрядом нити при завивке кокона. Существовавшая в 80-х гг. XIX в. не совсем верная гипотеза о том, что шелкопряд выдавливает волокнообразующую жидкость через шелкоотделительные железы и таким образом прядет нить, легла в основу технологических процессов формования химических нитей. Современные способы формования нитей также заключаются в продавливании исходных растворов или расплавов полимеров через тончайшие отверстия фильер.

Несмотря на некоторые различия в получении химических волокон и нитей разных видов, общая схема их производства состоит из пяти основных этапов.

1.Получение и предварительная обработка сырья. Сырье для искусственных волокон и нитей, состоящее из природных полимеров, обычно получают на предприятиях химической или пищевой промышленности путем выделения из веществ, образующихся в природе: древесины, семян, молока и т. п. Предварительная обработка сырья состоит в его очистке или химическом превращении в новые полимерные соединения.

Сырье для синтетических волокон и нитей получают путем синтеза полимеров из простых веществ на предприятиях химической промышленности. Предварительно это сырье не обрабатывают.

2.Приготовление прядильного раствора или расплава. При изготовлении химических волокон и нитей необходимо из твердого исходного полимера получить длинные тонкие текстильные нити с продольной ориентацией макромолекул, т.е. нужно переориентировать макромолекулы полимера. Для этого следует перевести полимер в жидкое (раствор) или размягченное (расплав) состояние, при котором нарушается межмолекулярное взаимодействие, увеличивается расстояние между макромолекулами и появляется возможность их свободного перемещения относительно друг друга. Растворы используются при получении искусственных и некоторых видов синтетических нитей (полиакрилонитрильных, поливинилспиртовых, поливинилхлоридных). Из расплавов образуются гетероцепные (полиамидные, полиэфирные) и некоторые карбоцепные (полиолефиновые) волокна и нити.

Прядильный раствор или расплав приготовляют в несколько стадий. Смешивание полимеров из различных партий выполняют для повышения однородности растворов или расплавов, чтобы получить нити, равномерные по свойствам на всем их протяжении; полимеры смешивают либо в виде раствора, либо в сухом виде до растворения или расплавления. Фильтрация необходима для удаления из раствора или расплава механических примесей, нерастворившихся частиц полимера, чтобы предотвратить засорение фильер и улучшить свойства нитей; она проводится путем многократного прохождения раствора или расплава через фильтры (плотная ткань, слой кварца, керамики). Обезвоздушивание заключается в удалении из раствора пузырьков воздуха, которые, попадая в отверстия фильер, обрывают струйки раствора и препятствуют образованию волокон; осуществляется оно путем выдерживания раствора в течение нескольких часов в вакууме. Расплав обезвоздушиванию не подвергают, так как в расплавленной массе полимера воздуха практически нет.

3.Формование нитей. Оно состоит в дозированном продавливании прядильного раствора или расплава через отверстия фильер, затвердевании вытекающих струек и наматывании полученных нитей на приемные устройства. Струйки формуются в элементарные нити из расплава или раствора.

При формовании из расплава (рис. 1) струйки нитей, вытекающие из фильеры, охлаждаются в обдувочной шахте струей воздуха или инертного газа. При формовании из раствора сухим способом (рис. 2) струйки полимера обрабатываются струей горячего воздуха, в результате чего растворитель испаряется, а полимер затвердевает. В случае формования из раствора мокрым способом (рис. 3) струйка нитей из фильеры поступают в раствор осадительной ванны, где происходят физико-химические процессы выделения полимера из раствора и иногда химические изменения состава исходного полимера. В последнем случае используются одна или две ванны для формования нити.

Процесс формования – один из важнейших этапов производства текстильных нитей, так как на этом этапе образуются структурные элементы (пачки, фибриллы) макромолекул, создается первичная структура нити. В растворе или расплаве макромлекулы имеют сильно изогнутую форму. Так как при формовании степень вытягивания нити невелика, то образовавшиеся структурные элементы расположены в нити с малой степенью распрямленности и ориентации макромолекул вдоль ее оси. Поэтому возникает необходимость в последующей перестройке первичной структуры нити.

 

	1 – бункер с измельченным полимером 2 – плавильная камера 3 – прядильная головка 4 – фильера 5 – обдувочная шахта 6 – нити 7 – прядильная шахта 8 – прядильные диски 9 – приемная бобина
Рис 1. Формование нитей из расплава

 

	1 – фильтр 2 – фильера 3 – нити 4 – обдувочная шахта 5 – замасливающий ролик 6 – приемная бобина
Рис. 2 Формование нитей из раствора сухим методом

 

	1 – фильтр 2 – приемная бобина 3 – осадительная ванна 4 – нити 5 - фильера
Рис. 3 Формование нитей из раствора мокрым способом

 

 

При формовании получают либо комплексные нити, состоящие из нескольких длинных элементарных нитей, либо штапельные волокна — отрезки нитей определенной длины. Для получения комплексных нитей используют фильеры с небольшим числом отверстий: 12 — 100. Готовый пучок элементарных нитей сматывается в бобину. При получении химических волокон применяют фильеры с большим числом отверстий: 1200 — 5000, иногда 12000—15000. Последние используются только при мокром способе формования. Собранные вместе с нескольких фильер элементарные нити образуют жгут. В последующем жгуты разрезаются на специальных машинах на отдельные отрезки — волокна размером 50—150 мм в зависимости от назначения.

4.Отделка. Химические волокна и нити непосредственно после формования не могут быть использованы для производства текстильных материалов. Они требуют дополнительной отделки, которая включает в себя ряд операций.

Удаление примесей и загрязнений необходимо при получении вискозных, белковых и некоторых видов синтетических нитей, формуемых мокрым способом. Эта операция осуществляется путем промывки нитей в воде или различных растворах. Беление нитей или волокон, которые впоследствии окрашиваются в светлые и яркие цвета, проводится путем их обработки оптическими отбеливателями.

Вытягивание и термообработка синтетических нитей необходимы для перестройки их первичной структуры. При вытягивании ослабляются межмолекулярные связи, происходят распрямление и переориентация макромолекул и их агрегатов в осевом направлении нити и образуется более упорядоченная структура. В результате нити становятся более прочными, но менее растяжимыми. Поэтому после вытягивания проводят термообработку для релаксации внутренних напряжений и частичной усадки нитей из-за некоторого ослабления межмолекулярных связей и приобретения макромолекулами изогнутой формы при сохранении их ориентации.

Поверхностная обработка (авиаж, аппретирование, замасливание) необходима для придания нитям способности к последующим текстильным переработкам. При такой обработке повышаются скольжение и мягкость, уменьшаются поверхностное склеивание элементарных нитей и их обрывность, снижается электризуемость и т.п.

Сушка нитей после мокрого формования и обработки различными жидкостями выполняется в специальных сушилках.

5.Текстильная переработка. Этот процесс предусмотрен для соединения нитей и повышения их прочности (скручивание и фиксация крутки), увеличения объема паковок нитей (перематывание), оценки качества полученных нитей (сортировка).