Химические волокна и пластмассы

ХИМИЧЕСКИЕ  ВОЛОКНА

Волокна химические, волокна, получаемые из органических природных  и синтетических полимеров. В  зависимости от вида исходного сырья  В. х. подразделяются на синтетические (из синтетических полимеров) и искусственные (из природных полимеров). Иногда к В. х. относят также волокна, получаемые из неорганических соединений (стеклянные, металлические, базальтовые, кварцевые). В. х. выпускают в промышленности в виде: 1) моноволокна (одиночное волокно большой длины); 2) штапельного волокна (короткие отрезки тонких волокон); 3) филаментных нитей (пучок, состоящий из большого числа тонких и очень длинных волокон, соединённых посредством крутки), филаментные нити в зависимости от назначения разделяются на текстильные и технические, или кордные нити (более толстые нити повышенной прочности и крутки).

История

Впервые мысль о  том, что человеком может быть создан процесс, подобный процессу получения  натурального шелка, при котором  в организме гусеницы шелкопряда вырабатывается вязкая жидкость, затвердевающая на воздухе с образованием тонкой прочной нити, была высказана французским  ученым Р. Реомюром еще в 1734 году

Производство первого  в мире химического (искусственного) волокна было организовано во Франции  в г. Безансоне в 1890 году и основано на переработке раствора эфира целлюлозы (нитрата целлюлозы), применяемого в промышленности при получении бездымного пороха и некоторых видов пластмасс.

Основные  этапы в развитии химических волокон

На первом этапе  — с конца XIX века до 1940-50-х годов  — разрабатывались и совершенствовались процессы получения искусственных  волокон на основе природных полимеров  из их растворов мокрым методом формования. Развивалось производство вискозных  волокон. Некоторое развитие получили процессы сухого формования ацетатных  волокон. Однако доминирующую роль в  изготовлении текстильных изделий  играли природные волокна, химические рассматриваются только как дополнение к природным волокнам. Изделия  из химических волокон изготавливались  в весьма небольших количествах.

На втором этапе  — 1940-70-е годы — развивались процессы синтеза волокнообразующих мономеров, полимеров и технологии получения  волокон из расплавов синтетических  полимеров. Одновременно сохранялось  и совершенствовалось производство волокон мокрым методом формования. Производство химических волокон развивалось  в промышленно развитых странах. В этот период созданы основные виды химических волокон, которые можно  назвать «традиционными» или  «классическими». Химические волокна  рассматривались как дополняющие  и только частично заменяющие природные  волокна. Начинали развиваться процессы модифицирования волокон.

На третьем этапе  — 1970-90-е годы — выпуск химических волокон существенно возрос. Широко развились методы их модифицирования  для улучшения потребительских  свойств. Химические волокна приобрели  самостоятельное значение для самых  различных видов изделий и  областей применения. Кроме того, они  широко используются в смесях с природными волокнами. В этот же период в промышленно развитых странах созданы «волокна третьего поколения» с принципиально новыми специфическими свойствами: сверхпрочные и сверхвысокомодульные, термостойкие и трудногорючие, хемостойкие, эластомерные и др.

На четвертом этапе  — с 1990-х годов по настоящее  время — идет современный этап развития производства химических волокон, появление новых способов модифицирования, создание новых видов многотоннажных волокон: «волокон будущего» или «волокон четвертого поколения». В их числе новые волокна на основе воспроизводимого растительного сырья (лиоцелл, полилактидные), новые мономеры и полимеры, получаемые путем биохимического синтеза и волокна на их основе. Проводятся исследования по применению новых принципов получения полимеров и волокон, основанных на методах генной инженерии и биомиметики.

Классификация химических волокон 

В России принята  следующая классификация химических волокон в зависимости от вида исходного сырья:

искусственное волокно (из природных полимеров): гидратцеллюлозные, ацетилцеллюлозные, белковые

синтетическое волокно (из синтетических полимеров): карбоцепные, гетероцепные

Иногда к химическим волокнам относят минеральные волокна, получаемые из неорганических соединений (стеклянные, металлические, базальтовые, кварцевые).

Искусственные волокна

Гидратцеллюлозные

Вискозные, лиоцелл

Медно-аммиачные

Ацетилцеллюлозные

Ацетатные

Триацетатные

Белковые

Казеиновые

Зеиновые

Синтетические волокна

Карбоцепные (содержат в цепи макромолекулы только атомы  углерода):

Полиакрилонитрильные (нитрон, орлон, акрилан, кашмилон, куртель, дралон, вольпрюла)

Поливинилхлоридные (хлорин, саран, виньон, ровиль, тевирон)

Поливинилспиртовые (винол, мтилан, винилон, куралон, виналон)

Полиэтиленовые (спектра, дайнема, текмилон)

Полипропиленовые (геркулон, ульстрен, найден, мераклон)

Гетероцепные (содержат в цепи макромолекулы кроме атомов углерода атомы других элементов):

Полиэфирные (лавсан, терилен, дакрон, тетерон, элана, тергаль, тесил)

Полиамидные (капрон, найлон-6, перлон, дедерон, амилан, анид, найлон-6,6, родиа-найлон, ниплон, номекс)

Полиуретановые (спандекс, лайкра, вайрин, эспа, неолан, спанцель, ворин)

Производство. Для производства В. х. из большого числа существующих полимеров применяют лишь те, которые состоят из гибких и длинных макромолекул, линейных или слаборазветвлённых, имеют достаточно высокую молекулярную массу и обладают способностью плавиться без разложения или растворяться в доступных растворителях. Такие полимеры принято называть волокнообразующими. Процесс складывается из следующих операций: 1) приготовления прядильных растворов или расплавов; 2) формования волокна; 3) отделки сформованного волокна.

Приготовление прядильных растворов (расплавов) начинают с перевода исходного полимера в вязкотекучее состояние (раствор или расплав). Затем раствор (расплав) очищают от механических примесей и пузырьков воздуха и вводят в него различные добавки для термо- или светостабилизации волокон, их матировки и т.п. Подготовленный таким образом раствор или расплав подаётся на прядильную машину для формования волокон.

Формование волокон  заключается в продавливании  прядильного раствора (расплава) через  мелкие отверстия фильеры в среду, вызывающую затвердевание полимера в виде тонких волокон. В зависимости  от назначения и толщины формуемого волокна количество отверстий в  фильере и их диаметр могут  быть различными. При формовании В. х. из расплава полимера (например, полиамидных волокон) средой, вызывающей затвердевание полимера, служит холодный воздух. Если формование проводят из раствора полимера в летучем растворителе (например, для ацетатных волокон), такой средой является горячий воздух, в котором растворитель испаряется (так называемый "сухой" способ формования). При формовании волокна из раствора полимера в нелетучем растворителе (например, вискозного волокна) нити затвердевают, попадая после фильеры в специальный раствор, содержащий различные реагенты, так называемую осадительную ванну ("мокрый" способ формования). Скорость формования зависит от толщины и назначения волокон, а также от метода формования. При формовании из расплава скорость достигает 600—1200 м/мин, из раствора по "сухому" способу — 300—600 м/мин, по "мокрому" способу — 30—130 м/мин. Прядильный раствор (расплав) в процессе превращения струек вязкой жидкости в тонкие волокна одновременно вытягивается (фильерная вытяжка). В некоторых случаях волокно дополнительно вытягивается непосредственно после выхода с прядильной машины (пластификационная вытяжка), что приводит к увеличению прочности В. х. и улучшению их текстильных свойств.

Отделка В. х. заключается  в обработке свежесформованных  волокон различными реагентами. Характер отделочных операций зависит от условий  формования и вида волокна. При этом из волокон удаляются низкомолекулярные  соединения (например, из полиамидных  волокон), растворители (например, из полиакрилонитрильных волокон), отмываются кислоты, соли и  другие вещества, увлекаемые волокнами  из осадительной ванны (например, вискозными волокнами). Для придания волокнам таких свойств, как мягкость, повышенное скольжение, поверхностная склеиваемость одиночных волокон и др., их после промывки и очистки подвергают авиважной обработке или замасливанию. Затем волокна сушат на сушильных роликах, цилиндрах или в сушильных камерах. После отделки и сушки некоторые В. х. подвергают дополнительной тепловой обработке — термофиксации (обычно в натянутом состоянии при 100—180°С), в результате которой стабилизируется форма пряжи, а также снижается последующая усадка как самих волокон, так и изделий из них во время сухих и мокрых обработок при повышенных температурах.

Мировое производство В. х. развивается быстрыми темпами. Это объясняется, в первую очередь, экономическими причинами (меньшие  затраты труда и капитальных  вложений) и высоким качеством  В. х. по сравнению с природными волокнами. В 1968 мировое производство В. х. достигало 36% (7,287 млн. т) от объёма производства всех видов волокон.

В. х. в различных отраслях в значительной степени вытесняют натуральный шёлк, лён и даже шерсть. Предполагается, что к 1980 производство В. х. достигнет 9 млн. т, а в 2000 — 20 млн. т в год и сравняется с объёмом производства природных волокон. В СССР в 1966 было выпущено около 467 тыс. т, а в 1970 623 тыс. т. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Пластма́ссы (пласти́ческие ма́ссы) или пла́стики — органические материалы, основой которых являются синтетические или природные высокомолекулярные соединения (полимеры). Исключительно широкое применение получили пластмассы на основе синтетических полимеров.

Название «пластмассы» означает, что эти материалы под  действием нагревания и давления способны формироваться и сохранять  после охлаждения или отвердения заданную форму. Процесс формования сопровождается переходом пластически  деформируемого (вязкотекучего) состояния в стеклообразное.

История

Первая пластмасса была получена английским металлургом  и изобретателем Александром  Парксом в 1855 году [1]. Паркс назвал её паркезин (позже получило распространение другое название — целлулоид). Паркезин был впервые представлен на Большой Международной выставке в Лондоне в 1862 году. Развитие пластмасс началось с использования природных пластических материалов (например, жевательной резинки, шеллака), затем продолжилось с использованием химически модифицированных природных материалов (таких, как резина, нитроцеллюлоза, коллаген, галалит) и, наконец, пришло к полностью синтетическим молекулам (бакелит, эпоксидная смола, поливинилхлорид, полиэтилен и другие).

Паркезин являлся торговой маркой первого искусственного пластика и был сделан из целлюлозы, обработанной азотной кислотой и растворителем. Паркезин часто называли искусственной слоновой костью. В 1866 году Паркс создал фирму Parkesine Company для массового производства материала. Однако, в 1868 году компания разорилась из-за плохого качества продукции, так как Паркс пытался сократить расходы на производство. Преемником паркезина стал ксилонит (другое название того же материала), производимый компанией Даниэля Спилла, бывшего сотрудника Паркса, и целлулоид, производимый Джоном Весли Хайатом.

Типы  пластмасс

В зависимости от природы полимера и характера  его перехода из вязкотекучего в стеклообразное состояние при формовании изделий пластмассы делят на

Термопласты (термопластичные  пластмассы) — при нагреве расплавляются, а при охлаждении возвращаются в  исходное состояние.

Реактопласты (термореактивные  пластмассы) — отличаются более  высокими рабочими температурами, но при  нагреве разрушаются и при  последующем охлаждении не восстанавливают  своих исходных свойств. 

Также газонаполненные  пластмассы — вспененные пластические массы, обладающие малой плотностью.

Применение  пластмасс.

  Около двух третей всего мирового производства пластмасс составляют массовые продукты: полиэтилен, поливинилхлорид и полистирол. Основные области их применения – это строительство, упаковка, машиностроение, электротехника, транспорт. Причиной их широкого распространения служат главным образом относительно низкая цена и легкость переработки и лишь во вторую очередь свойства, которые во многом уступают свойствам более дорогих специальных веществ. В оставшейся трети преобладают полиэфирные смолы, полиуретаны, поливинилацетат, аминопласты, фенопласты, полиакрилаты и полиметакрилаты. Так называемые специальные пластмассы, например, полиформальдегид, поликарбонаты, фторполимеры, силиконы, полиамиды и эпоксидные смолы, все вместе составляют около 2%.

  В настоящее  время пластмассы получили широчайшей распространение. Причиной такого распространения  являются их низкая цена и легкость переработки, а также свойства, которые в некоторых случаях уникальны. Пластмассы применяют в электротехнике, авиастроении, ракетной и космической технике, машиностроении, производстве мебели, легкой и пищевой промышленности, в медицине и строительстве, – в общем, пластмассы используются практически во всех отраслях народного хозяйства. Пожалуй, единственная область, где использование пластмасс пока ограничено – это техника высоких температур. Но в скором времени они проникнут и сюда: уже получены пластмассы, выдерживающие температуры 2000–2500°C. Развитие химических технологий, помогающих создавать вещества с заданными свойствами, позволяет сказать, что пластмассы один из важнейших материалов будущего.