Физика полимеров (стр. 2 из 3)
При образовании гидрата целлюлозы происходит ослабление межмолекулярных связей, а следовательно и изменение свойств природной целлюлозы. Гидрат целлюлозы, в отличие от природной целлюлозы, обладает более высокой гигроскопичностью, накрашиваемостью, растворимостью и реакционной способностью. Перевод целлюлозы в гидрат целлюлозы — одна из стадий получения вискозных волокон и полинозных волокон.
При получении вискозных и полинозных волокон щелочную целлюлозу выдерживают определенное время при установленной температуре (предварительное созревание). По окончании созревания ее обрабатывают сероуглеродом, в результате чего образуется соединение сероуглерода и целлюлозы (простой эфир), называемое ксантогенатом. Растворяя это соединение в разбавленном растворе едкого натра, получают вязкий раствор—вискозу, которую фильтруют и затем выдерживают в течение 20—40 часов. Если необходимо получить неблестящее (матированное) целлюлозное волокно то в вязкий раствор добавляют тонко измельченный белый порошок двуокиси титана, а для получения окрашенного волокна в вязкую массу вводят краситель, не изменяющий свойств и цвета при дальнейшей обработке.
По химическому составу вискозное волокно представляет собой чистую целлюлозу — (С6Н10О5)п, где n степень полимеризации. Свежесформированные нити подвергаются вытяжке и тепловой обработке в горячей воде или паром.
Очищенная природная целлюлоза обрабатывается избытком концентрированного гидроксида натрия; после удаления избытка ее комки растирают и полученную массу выдерживают в тщательно контролируемых условиях. При таком «старении» уменьшается длина полимерных цепей, что способствует последующему растворению. Затем измельченную целлюлозу смешивают с дисульфидом углерода и образовавшийся ксантогенат растворяют в растворе едкого натра для получения «вискозы» – вязкого раствора. Когда вискоза попадает в водный раствор кислоты, из нее регенерируется целлюлоза. Упрощенные суммарные реакции таковы:
При вытяжке волокна происходит упорядочение расположения макромолекул целлюлозы относительно оси волокна, что приводит к повышению его механических свойств. В зависимости от степени вытяжки и тепловой обработки можно получить вискозное волокно с разными механическими свойствами: обыкновенное, прочное и высокопрочное.
Полученную после формования вискозную нить отмывают от кислоты и солей и затем подвергают отделочным операциям: удалению серы, отбелке (в результате которой разрушаются пигменты, окрашивающие волокно), а также замасливанию и мыловке для придания мягкости. После окончания отделки нити высушивают, перематывают на бобину, сортируют и отправляют на текстильные фабрики.
В настоящее время все стадии получения волокна (формование, отбелка, сушка, крутка) могут осуществляться на одной машине, что значительно повышает производительность труда. Полученное волокно имеет в поперечнике не строго круглую, а неправильную (извитую) форму, а в продольном направлении—долевые бороздки.
В отличие от нитей непрерывной длины можно получить и короткое волокно, называемое штапельным. При изготовлении штапельного вискозного волокна из одной фильеры выпускается одновременно от 1200 до 3600 элементарных нитей в виде жгута. Полученный сложением из нескольких десятков фильер жгут элементарных нитей подвергается обработке для освобождения от примесей сероуглерода, серы и др., а также вытяжке и промывке в кипящей воде.
Вытяжка волокна достигает 70%, что увеличивает его прочность и тонину. Затем жгут разрезают на короткие отрезки—штапельки (длиной 30— 120 мм). Полученные таким образом штапельные волокна могут перерабатываться на прядильном оборудовании, как в чистом виде, так и в смесках с другими волокнами (шерстью, хлопком, льном, лавсаном и др.)
Вискозное штапельное волокно, применяемое в настоящее время, из-за неоднородности структуры недостаточно механически прочно, поэтому создание вискозного волокна более однородной структуры является одной из проблем современной химии. В настоящее время начата выработка полинозных волокон, представляющих собой разновидность вискозных волокон. Для их производства используют ксантогенат с высокой степенью этерификации. Свежесформированное волокно подвергают значительной вытяжке, благодаря чему оно приобретает более однородную и плотную структуру с высокой прочностью на разрыв. Такое волокно в отличие от вискозного в мокром состоянии отличается более высокими показателями прочности. Пряжа, полученная из полинозных волокон по качеству и внешнему виду почти не отличается от пряжи из лучших сортов хлопка.
4. Физико-химические свойства полимера
Целлюлоза – сравнительно жесткоцепной полимер. Она нерастворима в воде и в органических растворителях. Стереорегулярное строение ее макромолекулы, наличие гидроксильных групп, обуславливающих сильное межмолекулярное взаимодействие, и высокая степень ориентации этого жесткоцепного полимера определяют высокие механические свойства материалов, получаемых на основе целлюлозы и ее производных.
Характерными физическими и химическими свойствами гидрата целлюлозы являются: легкая измельчаемость и способность при повышении t° выше 65°С поглощать кислород воздуха, окисляясь при этом в растворимое в воде вещество.
В противоположность клетчатке, гидроцеллюлоза при нагревании в запаянной трубке растворяется в 1% растворе едкого кали и этот раствор обладает восстановляющими свойствами.
Гидрат целлюлоза, так же как и клетчатка, легко образует нитропроизводные, растворяется в растворе меди, разбухает при обработке концентрированными щелочами, а при долгом действии кислот переходит частью в глюкозу.
К числу особенностей гидрата целлюлозы следует отнести то, что высушенная гидроцеллюлоза при смешении с холодной водой, разбухает, образуя густое тесто, во многом напоминающее густые камедные растворы, и окрашивается йодным раствором, подобно крахмалу, в синий цвет.
Полинозные волокна, разновидность вискозных волокон, близких по свойствам хлопковым. Полинозные волокна, как и обычные вискозные волокна, формуют из вискозы по мокрому методу. Однако технологические режимы получения этих двух типов волокон существенно различаются. В производстве полинозных волокон свежесформованное волокно находится в гелеобразном состоянии и состоит из ксатогената целлюлозы высокой степени этерификации, что позволяет подвергать волокно значительно большей пластификационной вытяжке.
Для полинозных волокон характерны высокая степень ориентации и однородность структуры в поперечном сечении. При этом структура устойчива к действию воды и щелочей, благодаря чему механические свойства полинозных волокон мало изменяются в указанных средах, а изделия из них отличаются стабильностью формы и низкой сминаемостью. Для полинозных волокон характерны высокая прочность и низкое относительное удлинение. Их недостаток - высокая хрупкость.
Полинозные волокна применяют для изготовления широкого ассортимента тканей взамен тонковолокнистого хлопка.
Ткани из вискозных волокон легко окрашиваются в различные цвета, отличаются высокими гигиеническими свойствами (гигроскопичностью), что особенно важно для изделий народного потребления. Доступность исходного сырья и низкая стоимость химических реагентов, а также удовлетворительные текстильные свойства и широкие возможности модификации обеспечивают высокую экономичность производства вискозных волокон и их широкое распространение.
Недостатки вискозных волокон: большая потеря прочности в мокром состоянии, лёгкая сминаемость, недостаточная устойчивость к трению и низкий модуль упругости, особенно в мокром состоянии. Эти недостатки могут быть устранены модификацией вискозных волокон Модифицированным вискозным волокон (например, полинозным волокнам) свойственны значительно более высокая прочность в сухом и мокром состоянии (потеря прочности в мокром состоянии составляет 20-25% против 40-50% у обычного вискозного волокна), большая износоустойчивость и повышенный модуль упругости. У извитых штапельных вискозных волокон устойчивее извитость, что упрощает производство из них пряжи в смеси с натуральными волокнами. Сминаемость вискозных волокон может быть уменьшена их последующей обработкой различными составами.
Вискозное волокно - это одно из наиболее распространенных химических волокон. В настоящее время из общего объема производства искусственных волокон на долю вискозного приходится около 75%. Такой объем производства вискозного волокна объясняется тем, что в качестве основного сырья используют дешевое сырье — древесную целлюлозу и сравнительно простые химические материалы — едкий натр, сероуглерод, серную кислоту и ее соли.
Наибольшее развитие производство П. в. получило в Японии (торговые названия тиолан и поликот), где в 1973 было выработано около 70 тыс. т этих волокон. В небольшом объёме П. в. выпускают также в США (зантрел), Великобритании (винцел) и др. странах.
Относясь искусственным волокнам, полинозные и вискозные волокна отличаются большей прочностью и эластичностью по сравнению с натуральными, материалы из них практически не мнутся, но плавятся под действием высокой температуры. Кроме того, синтетические волокна негигроскопичны, то есть не способны поглощать влагу из окружающей среды, и плохо пропускают воздух. В связи с этим наибольшей популярностью в настоящее время пользуются ткани из смешанных волокон, содержащие определенный процент натуральных и искусственных волокон. Они гигроскопичны, прочны, мало мнутся, но при глажении температура утюга должна быть не очень высокой.