Учебное пособие по одной из базовых специальных дисциплин «Материаловедению швейного производства»

3.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Химические волокна, как отмечалось выше, в зависимости от исходных материалов делят на два подкласса: искусственные и синтетические.

К химическим волокнам относят также волокна, получаемые на основе минеральных веществ: стеклянное, металлические и металлизированные. Стеклянное волокно используют в основном для технических целей, а последние два – в качестве украшающих нитей для тканей и трикотажных изделий [2].

Сырьем для производства искусственных волокон служат древесная целлюлоза, отходы хлопка, стекло, металлы и др. Исходным продуктом для получения сырья при производстве синтетических волокон являются газы и продукты переработки каменного угля и нефти.

Искусственые волокна имеют тот же химический состав, что и исходное природное сырьё, из которого они получены. Синтетические волокна получают в результате химических реакций синтеза, т.е. укрупнения молекул низкомолекулярных веществ и превращения их в высокомолекулярные соединения. Таких волокон в природе в готовом виде не существует[6].

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

I. 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.

II. 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. Для этого следует перевести полимер в жидкое (раствор) или размягченное (расплав) состояние. 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 и расплавов, чтобы получить нити, равномерные по свойствам на всем их протяжении, смешивают полимеры 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; проводится она путем многократного прохождения, раствора или расплава через фильтры (плотную ткань, слой кварца, керамики). Обезвоздушивание заключается в удалении из раствора пузырьков воздуха, которые, попадая в отверстия фильер, обрывают струйки раствора, препятствуют образованию волокон; осуществляется оно путем выдерживания раствора в течение нескольких часов в вакууме. Расплав обезвоздушиванию не подвергают, т.к. в расплавленной массе полимера воздуха практически нет [2].

III. Формование нитей. Оно состоит в дозированном продавливании прядильного раствора или расплава через отверстия фильер, затвердевания вытекающих струек и намат
ывании полученных нитей на приемные устройства. Струйки формуются в элементарные нити из раствора или расплава сухим и мокрым способами. При формовании из расплава (рис.9) струйки нитей, вытекающие из фильеры, охлаждаются в обдувочной шахте струей воздуха или инертного газа. При формовании из раствора сухим способом (рис.10) струйки полимера обрабатываются струей горячего воздуха, в результате чего растворитель испаряется, а полимер затвердевает. В случае формования из раствора мокрым способом (рис.11) струйки 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.

IY. 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.

В настоящее время крашение чаще всего производится в массе, т.е. путем внесения красителя в прядильный раствор тончайшего порошка двуокиси титана. Для получения профилированных или полых волокон применяют фильеры с отверстиями сложной конфигурации (рис.12).

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

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

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

Y. Текстильная переработка. Этот процесс предусмотрен с целью соединения нитей и повышения их прочности (скручивание, фиксация крутки), увеличение объема паковок нитей (перематывание), оценки качества полученных нитей (сортировка) [4].

К искусственным волокнам относятся волокна, вырабатываемые из целлюлозы и её производных: вискозное, полинозное, сиблоновое, медноаммиачное, ацетатное, триацетатное и др. Основой для первых четырех волокон служит гидратцеллюлоза, для ацетатного – диацетиллюлоза, триацетатного – триацетиллюлоза (эфиры уксусной кислоты и целлюлозы).

3.2.1. ВИСКОЗНОЕ ВОЛОКНО. Это волокно из наиболее распространенных химических волокон: на его долю приходится более 60% общего производства вискозного волокна, в качестве основного сырья используют относительно дешёвую и широко распространённую древесную целлюлозу и сравнительно простые химические вещества – едкий натр, сероуглерод, серную кислоту и её соли. Для выработки целлюлозы используют в основном древесину ели или короткое волокно хлопка. Из короткого волокна хлопка (пух, подпушек) целлюлозу получают путем отварки под давлением в растворе едкого натра. При такой отварке удаляются нецеллюлозные примеси (жиры, воска, пектиновые и другие вещества). Из I м хлопкового пуха получают 0.7-0.8 г хлопковой целлюлозы, пригодной для химической переработки. Хлопковую целлюлозу используют в основном для получения ацетатного, триацетатного и медноаммиачного волокон [1].

Древесина ели содержит 42-46% чистой целлюлозы. Для удаления из нее примесей (лигнин, пентозаны, жиры, смолы и др.) и получения чистой целлюлозы древесину обрабатывают различными реагентами. Получают целлюлозу двумя способами: сульфитным и сульфатным. По первому способу древесину ели измельчают и обрабатывают при такой же температуре и давлении в щелочной среде в растворе сернистого натрия. После варки проводят промывку, отбелку и сушку.

Выделенная таким способом почти чистая – целлюлоза в виде листов картона поступает на заводы искусственного волокна. После подбора партии и подсушки листов древесную целлюлозу обрабатывают 18%-ным раствором едкого натра при температуре 18-20С в течение I ч (мерсеризуют).

В процессе мерсеризации образуется щелочная целлюлоза, обладающая большой способностью вступать во взаимодействие с другими веществами. После отжима листы измельчают до получения целлюлозной массы, которая проходит предварительное созревание, т.е. выдерживается в течение 12-14 часов при температуре 20-25С. В процессе предсозревания щелочная целлюлоза окисляется кислородом воздуха, происходит укорачивание молекул целлюлозы, т.е. снижается ее молекулярная масса, что дает возможность получить раствор необходимой вязкости.

Получение прядильного раствора состоит в ксантогенировании подготовленной массы и её созревании. Подготовленную массу щелочной целлюлозы обрабатывают сероуглеродом, получают ксантогенат целлюлозы, который затем растворяют в 4-5% растворе едкого натра и получают вязкий прядильный раствор - вискозу (7.5% целлюлозы, 6.5% щелочи, 86% воды). Вискоза проходит стадию созревания, в процессе которой она перемешивается, фильтруется и освобождается от пузырьков воздуха. В процессе созревания прядильный раствор приобретает способность свёртываться и формоваться в нити.


Формование волокна заключается в том, что вискозный раствор по трубопроводу 8 (рис.8) подаётся в прядильную машину (бобинную или центрифугальную). Под давлением, создаваемым поршневым насосом, раствор проходит дополнительный фильтр 3 и продавливается через фильеру 6 в осадительную ванну 7, содержащую водный раствор серной кислоты и сернокислых солей. Фильера (рис.13) представляет собой колпачок из антикоррозийного металла, имеющий 24-36 отверстий диаметром

0.07-0.08 мм. При взаимодействии вискозного раствора с кислотой ксантогенат разлагается, целлюлоза восстанавливается и струйки ее затвердевают, образуя твердые тонкие нити, называемые вискозными [2].

одну комплексную нить. Затем нити проходят систему прядильных дисков 2 и 1, с помощью которых они получат необходимую вытяжку, и поступают через воронку 4 во вращающуюся с частотой 6000-8000 мин центрифугу 5. В центрифуге нити образуют кулич, одновременно получая крутку 100-130 кр/м (уточная крутка).

Скорость формования вискозных нитей 80-100 м/мин. Нить, полученная с бобинной машины, наматывается на бобину без предварительной крутки. При третьем способе прядения – непрерывном – в одном агрегате производится прядение, отделочные операции, сушка и крутка нити. В процессе отделки вискозные нити промываются, отбеливаются и окрашиваются [3].

Для производства непрерывным способом вискозного штапельного волокна повышенной прочности применяются поточные линии [2].

Чтобы увеличить прочность вискозного волокна, свежесформованные нити пропускают через ванну с горячей водой и вытягивают, в результате молекулы целлюлозы ориентируются вдоль оси волокна.

Двухцветная вискозная нить типа меланж образуется путем соединения в осадительной ванне двух разноокрашенных струек прядильного раствора. Такое волокно обладает оригинальным оптическим эффектом и своеобразной расцветкой, не получаемой другими способами. Нити типа меланж широко применяются для изготовления трикотажных изделий и подкладочных тканей [3].

Профилированные волокна применяют для изготовления тканей и искусственного меха на тканой основе. Искусственный мех из вискозной текстильной нити профилированного сечения имеет оптический эффект, имитирующий натуральный мех.

Мтилон – шерстоподобное химически модифицированное вискозное волокно, применяемое для ворса ковров [6].

СТРОЕНИЕ ВИСКОЗНЫХ ВОЛОКОН. При рассмотрении вискозных волокон под микроскопом (рис.14) на их поверхности видны продольные штрихи, поперечник волокон имеет неправильную, ребристую форму. Такое строение объясняется неодновременным отвердеванием наружных и внутренних слоев волокон в процессе их формования.



Рис.14 Химические волокна в продольном виде и в поперечном разрезе:

а – вискозное глянцевое; б – вискозное матовое; в – ацетатное и триацетатное; г – полинозное, полиамитное, полиэфирное, полиуретановое; д – нитрон; е – хлориновое и поливинилхлоридное; ж - винол

Несмотря на ребристую форму, вискозные волокна гладкие, с сильным блеском, в тканях сильно скользят, раздвигаются и осыпаются. Матированные волокна имеют черные точечки – это включенные двуокиси титана.

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ. По химическому составу вискозные волокна представляют собой гидратцеллюлозу, отличающуюся от природной целлюлозы меньшей длинной молекулярной цепи и меньшей степенью ориентации макромолекул в волокне, что и объясняет различие их свойств.

СВОЙСТВА ВИСКОЗНЫХ ВОЛОКОН. Вискозные волокна характеризуются хорошими показателями гигроскопичности, светостойкости, удлинения, вполне удовлетворительными показателями теплостойкости, разрывной нагрузки. Прочность вискозного волокна может быть повышена путем изменения технологии производства волокон и, в первую очередь увеличением степени вытяжки волокна. В связи с этим различают обычное (до 19.8сН/текс), упрочненное (22-25 сН/текс), высокопрочное (25-45 сН/текс) и сверхпрочное .945-60 сН/текс) волокна. В мокром состоянии прочность снижается на 50-60%. Линейная плотность элементарных волокон 0.27-0.66 текс, поперечник – 25-60 мкм. Толщина вискозных нитей зависит от толщины и количества элементарных волокон, их образующих [1].

Длина волокон может быть произвольной.

Удлинение нормальных волокон в момент разрыва достигает 22%, высокопрочных волокон – 6-10%. В составе полного удлинения значительную долю составляет остаточная деформация (до 70%), поэтому изделия из вискозных волокон сильно сминаются.

Содержание влаги в волокнах при нормальных условиях составляет 11%. Химические свойства и характер горения вискозных волокон аналогичны этим же свойствам хлопка, но они более чувствительны к действию кислот, щелочей и быстрее горят. Волокна при нормальной влажности переносят нагревание до 120% без изменения свойств [3].

Штапельные вискозные волокна (в дальнейшем просто штапельные волокна) характеризуются большой равномерностью по длине и толщине, прочности и удлинению. Они не имеют сорных примесей, не повреждаются микроорганизмами и молью – в этом заключается их преимущество перед натуральными.

Применение штапельного волокна в смеси с шерстью повышает прядильную способность смеси, прочность изделий сухом виде в этом случае возрастает. При смешивании с грубой шерстью штапельное волокно улучшает внешний вид изделий. Штапельное вискозное волокно смешивают с разнообразными натуральными волокнами и химическими штапельными волокнами для изготовления разнообразных тканей, нетканых материалов и трикотажных изделий.

Найдены пути улучшения свойств вискозного штапельного волокна путем структурной модификации, в результате которой получены полинозные и вискозные высокомодульные волокна (ВВМ). Они в отличие от обычных вискозных волокон имеют боле высокую прочность (35-45 сН/текс), высокий начальный модуль жёсткости, меньшую набухаемость, усадку и потерю прочности в мокром состоянии, большую устойчивость к действию щелочных растворов. ВВМ отличается от полинозного волокна главным образом меньшим модулем в мокром состоянии и меньшей устойчивостью к действию щелочей, но оно мене хрупкое. Эти волокна применимы для замены хлопка, включая тонковолнистый. Способ производства ВВМ проще и экономичнее, чем полинозного [10].

Это волокно является одним из видов вискозного штапельного волокна, формуют его из прядильного раствора, полученного на базе целлюлозы более высокого качества, подвергшейся меньшей степени деполимеризации, в результате чего макромолекулы сохранили большую длину цепей [13].

Формование волокна проводится в слабокислой низкотемпературной ванне с одновременной (первой) вытяжкой в пластификационной ванне (95С) на 55-65%. Скорость формования 15-22м/мин.

Полученные жгуты проходят термофиксацию и направляются на разрезание и отделку.

Полинозные волокна в отличие от вискозных обладают значительно большей прочностью, превышающей даже прочность хлопка, меньшей потерей прочности в мокром состоянии, несколько меньшим удлинением, но большей упругостью, вследствие чего изделия из этого волокна меньше сминаются и обладают большей носкостью. Важным свойством полинозных волокон является их хорошая устойчивость к действию щелочей, позволяющая подвергать изделия из полинозного волокна и его смесей с хлопком мерсеризации. Полинозное волокно обладает меньшей набухаемостью, чем вискозное и вследствие этого меньше усаживается.

Благодаря шелкоподобному грифу и способности ярко окрашиваться полинозные волокна широко используются главным образом в смесях с хлопком при изготовлении тканей для спортивной одежды. Изделия из этого волокна обладают мягкостью, шелковистым блеском, приятным внешним видом, хорошей устойчивостью к многократным стиркам и повышенной носкостью.

Кроме рассмотренных выше вискозных и полинозных волокон, в настоящее время выпускают другие модифицированные вискозные волокна: сиблоновое, бактерицидное, хемо-, масло - и грязестойкие целлюлозные материалы [2].

3.2.3.МЕДНО-АМММИАЧНОЕ ВОЛОКНО.

Технологический процесс производства медно-аммиачного волокна аналогичен процессу получения вискозного волокна. Для получения медно-аммиачного волокна, как правило, используют более чистую хлопковую целлюлозу. Целлюлозу в виде рыхлой массы растворяют в медно-аммиачном растворе (соединение гидроокиси меди с раствором аммиака). Образующийся вязкий раствор фильтруют, удаляют из него воздух, а затем формуют волокна. Прядильный раствор продавливается через фильтры и осаждается в первой ванне с водой или слабым раствором едкого натра, а затем во второй ванне разлагается 2-3%-ным раствором серной кислоты. Способ формования волокна – мокрый. Образующееся гидратцеллюлозное волокно вытягивают, промывают, обрабатывают разбавленным раствором кислоты для полного удаления меди, снова промывают, замасливают и сушат. Волокно очень тонкое, гладкое, с поперечником почти круглой формы, оно тоньше, мягче, меньше блестит и в меньшей степени теряет прочность в мокром состоянии (40-45%), чем вискозное. Химические свойства и горение аналогично свойствам вискозного волокна. Медно-аммиачное волокно выпускают как в виде нитей обычной длины, так и в виде короткого волокна. Производство медно-аммиачного волокна ограничено из-за значительного расхода дорогостоящей меди, имеет ограниченное применение, так как его производство требует больших затрат, чем производство вискозного волокна [12].
3.2.4.АЦЕТАТНОЕ ВОЛОКНО.

В настоящее время ацетатные волокна – один из наиболее распространенных , после вискозных, видов искусственных волокон, что объясняется дешевой сырьевой базой, безвредностью производства, возможностью получения волокон, некоторые потребительские свойства (сминаемость, усадка) которых лучше, чем вискозного волокна. Однако эти волокна имеют и недостатки: пониженную гигроскопичность и устойчивость к истиранию, электризуемость, невысокие прочностные показатели.

ПРОИЗВОДСТВО АЦЕТАТНОГО ВОЛОКНА. Сырьем для производства ацетатного волокна служит хлопковая или высококачественная древесная целлюлоза. Целлюлоза обрабатывается уксусным ангидридом в присутствии серной кислоты как катализатора и уксусной кислоты как растворителя образующейся ацетилцеллюлозы. Через 8 ч. процесс ацетилирования полностью заканчивается и образуется триацетилцеллюлоза. Полученный раствор триацетилцеллюлозы подвергают частичному омылению и переводят во вторичный ацетат, обладающий хорошей растворимостью в смеси ацетона и этилового спирта (85+15%). После фильтрации и удаления воздуха раствор поступает в прядильную машину. Формование ведут по сухому способу, особенность которого заключается в том, что при нём не происходит никаких химических процессов.

Прядильный раствор продавливается через фильеру I (рис.15), имеющую 24-120 отверстий диаметром 0,07- 0,08 мм и в виде тонких струек попадает в шахту 2 с паровоздушной смесью температурой 50-85 С. Под действием высокой температуры ацетон испаряется из струек раствора, и они затвердевают, превращаясь в нити. Затем нити проходят охладительную камеру 3, замасливаются (для снижения их электризуемости при переработке) и наматываются на бобину 4. Скорость формования волокон 250-600 м/мин. Ацетатные нити не требуют никакой отделки, кроме крутки. Они могут быть получены в окрашенном виде, если для получения ацетатного волокна использовать ацетатную целлюлозу или если в прядильный раствор ввести соответствующие красители[1].

При производстве штапельного волокна используют фильеры, имеющие около 200 отверстий. Скорость формования 300-350 м/мин.

П
олученные жгутики волокон пропускают через гофрировочный станок для придания им извитости, а затем разрезают на участки определенной длины – штапельки.

СТРОЕНИЕ АЦЕТАТНОГО ВОЛОКНА. Ацетатные волокна имеют на поверхности продольные штрихи, более крупные, чем на вискозных нитях (см. рис.14). Волокна гладкие, чем объясняется скользкость тканей и смещение нитей в них. Ацетатные волокна более тонкие, чем вискозные, поэтому блеск их более приятный, напоминает блеск натурального шелка. Могут быть получены профилированные ацетатные нити, дающие искристый блеск, увеличивающие объемность и сцепляемость, уменьшающие теплопроводность.