Вискозное волокно

Вискозное волокно — это искусственное химическое волокно, получаемое из природного полимера целлюлозы, преимущественно из древесины хвойных и лиственных пород. Относится к классу гидратцеллюлозных волокон. Вискозное волокно является одним из старейших и наиболее распространённых видов искусственных волокон, сочетая в себе свойства натуральных материалов (гигроскопичность, мягкость) с технологичностью химического производства.

История

Предпосылки и открытие

В XIX веке, с развитием текстильной промышленности, возникла потребность в дешёвом и доступном сырье, которое могло бы заменить дорогой натуральный шёлк. В 1855 году швейцарский химик Жорж Одемарс впервые получил нити из раствора нитроцеллюлозы, однако его метод был взрывоопасен и не получил промышленного развития. В 1884 году французский инженер Илер де Шардонне создал «искусственный шёлк» на основе нитроцеллюлозы, но из-за высокой горючести и токсичности производства его технология была признана небезопасной.

Изобретение вискозного процесса

Решающий прорыв совершили в 1891 году британские химики Чарльз Фредерик Кросс, Эдвард Джон Бивен и Клейтон Бидль. Они разработали метод получения раствора целлюлозы путём обработки её сероуглеродом и едким натром. Полученный вязкий раствор (от лат. viscosus — «вязкий») назвали вискозой. В 1892 году они запатентовали процесс, а в 1893 году — способ формования нитей из этого раствора через фильеры в кислотную ванну. В 1905 году в Великобритании компания «Courtaulds» запустила первое промышленное производство вискозного волокна.

Развитие в России и СССР

В России первые опыты по получению вискозного волокна начались в 1900-х годах. Промышленное производство было организовано в 1927 году на Мытищинском заводе искусственного волокна (ныне — ПАО «Химволокно»). В 1930-е годы были построены крупные предприятия в Ленинграде, Калинине (Тверь) и других городах. В советский период вискозное волокно стало массовым материалом для производства одежды, технических тканей и корда для автомобильных шин. К 1980-м годам СССР занимал одно из ведущих мест в мире по объёму выпуска вискозных волокон.

Классификация

Вискозные волокна классифицируются по нескольким признакам:

По типу нити

• Текстильные нити (комплексные) — состоят из множества элементарных волокон, используются для производства тканей (подкладочных, плательных, сорочечных).
• Кордные нити — высокопрочные нити для армирования резинотехнических изделий, в частности, автомобильных шин.
• Штапельное волокно — короткие отрезки (штапельки) длиной 30–150 мм, используемые для производства пряжи в смеси с хлопком, шерстью или синтетическими волокнами.

По модификации

• Обычное вискозное волокно — стандартный тип, обладает высокой гигроскопичностью, но низкой прочностью в мокром состоянии.
• Высокопрочное (модальное) волокно — модифицированная вискоза с улучшенными механическими свойствами, меньшей усадкой и большей износостойкостью. Торговые марки: «Модал», «Тенсель» (лиоцелл).
• Полые вискозные волокна — имеют внутреннюю полость, что придаёт им повышенную теплозащиту и лёгкость.
• Микроволокно — сверхтонкие волокна диаметром менее 1 мкм, используемые для производства высококачественных нетканых материалов.

Устройство и технология производства

Сырьё

Основным сырьём служит целлюлоза, получаемая из древесины (ель, сосна, бук, эвкалипт) или хлопкового линта (коротких волокон, остающихся после отделения длинных хлопковых волокон). Целлюлоза должна быть высокой степени чистоты (содержание альфа-целлюлозы не менее 88–92 %).

Основные стадии процесса

1. Подготовка целлюлозы. Древесную щепу варят в растворе бисульфита кальция или натрия, получая техническую целлюлозу. Её отбеливают, сушат и прессуют в листы.
2. Мерсеризация. Листы целлюлозы обрабатывают концентрированным раствором едкого натра (NaOH). Происходит набухание и частичное растворение целлюлозы. Избыток щёлочи отжимают.
3. Ксантогенирование. Полученную щелочную целлюлозу обрабатывают сероуглеродом (CS₂). Образуется ксантогенат целлюлозы — оранжево-жёлтое твёрдое вещество, растворимое в щелочи.
4. Растворение. Ксантогенат растворяют в разбавленном растворе едкого натра, получая вязкую жидкость — вискозу. Вискозу выдерживают (созревают) для достижения нужной степени полимеризации.
5. Фильтрация и деаэрация. Вискозу очищают от нерастворимых примесей и пузырьков воздуха через фильтры.
6. Формование. Вискозу продавливают через фильеры — металлические колпачки с множеством мельчайших отверстий (диаметром от 0,05 до 0,2 мм). Струйки раствора попадают в осадительную ванну, содержащую серную кислоту, сульфат натрия и сульфат цинка. В кислой среде ксантогенат разлагается, регенерируется целлюлоза, которая затвердевает в виде нитей.
7. Вытяжка и отделка. Сформованные нити вытягивают для ориентации молекул и повышения прочности, затем промывают, отбеливают, обрабатывают замасливателем (для снижения электризации) и сушат.
8. Резка (для штапельного волокна). Непрерывный жгут разрезают на отрезки заданной длины.

Физико-химические свойства

• Плотность: 1,50–1,53 г/см³.
• Прочность: в сухом состоянии — 20–30 сН/текс, во влажном — 10–16 сН/текс (снижается на 40–60 %).
• Удлинение при разрыве: 15–25 %.
• Гигроскопичность: 11–13 % (при нормальных условиях), что выше, чем у хлопка (8–9 %).
• Термостойкость: устойчиво до 150 °C, при более высоких температурах начинает разлагаться.
• Химическая стойкость: устойчиво к действию органических растворителей, разбавленных кислот, но разрушается в концентрированных кислотах и щелочах.

Применение

Текстильная промышленность

Вискозное волокно широко используется для производства:

• Тканей: подкладочных, плательных, сорочечных, бельевых, декоративных. Вискозные ткани (вискозный шёлк, вискозный сатин, вискоза-штапель) отличаются мягкостью, гладкостью, хорошей драпируемостью.
• Трикотажа: футболок, платьев, свитеров, носков.
• Нетканых материалов: ваты, флизелина, геотекстиля, медицинских масок и салфеток.
• Пряжи: в смеси с хлопком, полиэстером, эластаном для улучшения свойств.

Технические изделия

• Кордные нити для шин (в настоящее время вытесняются синтетическими волокнами, но сохраняют применение в некоторых типах шин).
• Фильтровальные материалы (для очистки воздуха, жидкостей).
• Упаковочные материалы (вискозная плёнка — целлофан, хотя в основном вытеснена полиэтиленом).
• Медицинские изделия (хирургические нити, перевязочные материалы, одноразовая одежда).

Другие области

• Производство искусственной кожи (в качестве основы).
• Изготовление технических салфеток и полотенец.
• Создание композиционных материалов (в сочетании с синтетическими смолами).

Экологические аспекты

Производство вискозного волокна связано с рядом экологических проблем. Основные из них:

• Выбросы сероуглерода и сероводорода — токсичных газов, образующихся в процессе ксантогенирования и формования. Эти вещества могут вызывать заболевания нервной системы, органов дыхания и кожи у работников.
• Сточные воды — содержат серную кислоту, сульфаты, цинк, натрий, органические примеси. Сброс неочищенных стоков приводит к загрязнению водоёмов.
• Расход воды — на производство 1 кг вискозного волокна требуется до 500–800 литров воды.

В последние десятилетия разрабатываются и внедряются более экологичные технологии:

• Замкнутый водооборот (рециркуляция воды).
• Улавливание и регенерация сероуглерода (до 90–95 %).
• Производство лиоцелла (торговая марка «Тенсель») — волокна, получаемого по прямому растворению целлюлозы в N-метилморфолин-N-оксиде (NMMO) без использования сероуглерода. Этот процесс считается более экологичным, так как растворитель практически полностью регенерируется.
• Использование целлюлозы из быстрорастущих пород древесины (эвкалипт, бамбук) и сертифицированных лесов.

Интересные факты

• Вискозное волокно часто называют «искусственным шёлком» из-за внешнего сходства с натуральным шёлком, хотя по химическому составу и свойствам оно отличается.
• В 1930-х годах в СССР вискозное волокно использовалось для производства парашютов и технических тканей для авиации.
• Модальное волокно (модал) — разновидность вискозы — обладает большей прочностью и меньшей усадкой, чем обычная вискоза, и часто используется в производстве постельного белья и домашнего текстиля.
• Вискозная плёнка (целлофан) была изобретена в 1908 году швейцарским химиком Жаком Бранденбергером и первоначально использовалась как упаковка для продуктов.
• В 2010-х годах вискозное волокно стало объектом критики со стороны экологических организаций (в частности, Greenpeace) из-за вырубки древних лесов для производства целлюлозы. В ответ производители начали внедрять системы сертификации (FSC, PEFC) и переходить на альтернативные источники сырья.

Источники

• Химические волокна: учебное пособие / под ред. А. А. Конкина. — М.: Химия, 1972.
• Перепелкин К. Е. Физико-химические основы процессов формования химических волокон. — М.: Химия, 1978.
• Роговин З. А. Основы химии и технологии химических волокон. — М.: Химия, 1974.
• Технология производства химических волокон / под ред. В. А. Груздева. — М.: Легкая индустрия, 1979.
• ГОСТ 10546-80 «Волокно вискозное штапельное. Технические условия».
• Материалы сайта «Химия и жизнь» (статья «Вискоза — искусственный шелк»).
• Отчеты экологических организаций (Greenpeace, WWF) по вопросам производства вискозного волокна.