Содержание
1.Химическое и техническое название исходного полимера (гидратцеллюлозные(вискозные, полинозные, высокопрочные)) 2
2.Исходное сырье (название и техническая формула) 3
3.Краткая характеристика метода синтеза полимера и технических способов егоосуществления. 5
4.Физико-химические свойства полимера. 10
5.Другие свойства полимера. 12
6.Применение полимера в производстве одежды и обуви. 13
/>/>1. Химическое и техническое название исходного полимера(гидратцеллюлозные (вискозные, полинозные,высокопрочные))
Гидратцеллюлозные волокна включают вискозные, полинозные,медоно
Химическое название полимера – гидрат целлюлозы,гидроцеллюлоза.
Гидрат целлюлозы — структурная модификация целлюлозы,образующаяся при осаждении целлюлозы из раствора или при размоле.
Техническое название – вискозные и полинозные волокна.
Вискозные волокна — волокна, получаемые химическойпереработкой природной целлюлозы. В зависимости от назначения В. в. производятв виде текстильных и кордных нитей, а также штапельного волокна. ПроизводствоВ. в. складывается из следующих основных технологических операций: полученияпрядильного раствора (вискозы), формования нитей по мокрому методу, отделки исушки.
Полинозные волокна, разновидность вискозных волокон,близких по свойствам хлопковым. Полинозные волокна, как и обычные вискозныеволокна, формуют из вискозы по мокрому методу. Однако технологические режимыполучения этих двух типов волокон существенно различаются. В производствеполинозных волокон свежесформованное волокно находится в гелеобразном состояниии состоит из ксатогената целлюлозы высокой степени этерификации, что позволяетподвергать волокно значительно большей пластификационной вытяжке.
Медноаммиачные волокна, один из видов искусственных целлюлозныхволокон, формуют их по «мокрому» методу в воду или раствор щёлочи. Прядильныйраствор готовят действием на целлюлозу водного раствора куприаммингидрата[Сu(NH3)n](OH)2. Штапельные медноаммиачные волокна применяют в основном дляпроизводства ковров и сукна, тонкие текстильные нити (толщина 5 — 10 текс) —для выработки трикотажных изделий, лёгких тканей.
/>2.Исходное сырье (название и техническая формула)
Исходным сырьем гидрата целлюлозы служит сама целлюлоза.
Целлюлоза – один из самых распространенных природныхполимеров, получаемый в промышленности очисткой волокон растительных тканей(древесина, хлопок) от нецеллюлозных. Неограниченная сырьевая база, низкаястоимость материалов, получаемых на основе целлюлозы и их ценные специфическиесвойства обуславливают целесообразность использования целлюлозы наряду ссинтетическими полимерами в химическом производстве.
Молекулярная формула целлюлозы (-C6H10O5-)n, как и украхмала. Целлюлоза тоже является природным полимером.
Макромолекулы целлюлозы – линейные неразветвленные цепи,построенные из большого числа остатков D-глюкопиранозы (ангидроглюкозныхзвеньев), соединенных между собой 1,4-β-глюкозидными связями (ацетальнымисвязями):
Несмотря на широкое промышленное применение целлюлозы иее производных, принятая в настоящее время химическая структурная формулацеллюлозы была предложена (У.Хоуорсом) лишь в 1934. Правда, с 1913 былаизвестна ее эмпирическая формула C6H10O5, определенная по данным количественногоанализа хорошо промытых и высушенных образцов: 44,4% C, 6,2% H и 49,4% O.Благодаря работам Г.Штаудингера и К.Фройденберга было известно также, что этодлинноцепная полимерная молекула, состоящая из показанных на рис. 1повторяющихся глюкозидных остатков. Каждое звено имеет три гидроксильные группы– одну первичную (– CH2 Ч OH) и две вторичные (>CH Ч OH). К 1920 Э.Фишерустановил структуру простых сахаров, и в том же самом году рентгенографическиеисследования целлюлозы впервые показали четкую дифракционную картину ееволокон. Рентгенограмма волокна хлопка указывает на четко выраженнуюкристаллическую ориентацию, но волокно льна еще более упорядочено. Прирегенерации целлюлозы в форме волокна кристалличность в значительной меретеряется. Как нетрудно видеть в свете достижений современной науки, структурнаяхимия целлюлозы практически стояла на месте с 1860 по 1920 по той причине, чтовсе это время оставались в зачаточном состоянии вспомогательные научныедисциплины, необходимые для решения проблемы.
/>
Полимерные цепи целлюлозы упакованы в длинные пучки, иливолокна, в которых наряду с упорядоченными, кристаллическими имеются и менееупорядоченные, аморфные участки.
Измеренный процент кристалличности зависит от типацеллюлозы, а также от способа измерения. По рентгеновским данным, он составляетот 70% (хлопок) до 38–40% (вискозное волокно). Рентгенографический структурныйанализ дает информацию не только о количественном соотношении междукристаллическим и аморфным материалом в полимере, но и о степени ориентацииволокна, вызываемой растяжением или нормальными процессами роста. Резкостьдифракционных колец характеризует степень кристалличности, а дифракционныепятна и их резкость – наличие и степень предпочтительной ориентациикристаллитов. В образце вторичного ацетата целлюлозы, полученного процессом«сухого» формования, и степень кристалличности, и ориентация весьманезначительны. В образце триацетата степень кристалличности больше, нопредпочтительная ориентация отсутствует. Термообработка триацетата притемпературе 180–240° C заметно повышает степень его кристалличности, аориентирование (вытягиванием) в сочетании с термообработкой дает самыйупорядоченный материал.
/>3.Краткая характеристика метода синтеза полимера и технических способов егоосуществления
Гидрат целлюлозы получают из природной целлюлозы:осаждением из раствора; обработкой целлюлозы концентрированными (17—35%-ными)растворами щелочей и разложением образовавшейся щелочной целлюлозы;этерификацией целлюлозы и последующим омылением сложных эфиров; механическимразмолом целлюлозы.
Процесс регенерации целлюлозы из раствора при добавлениикислоты в ее концентрированный медноаммиачный (т.е. содержащий сульфат меди игидроксид аммония) водный раствор был описан англичанином Дж.Мерсером около1844. Но первое промышленное применение этого метода, положившее началопромышленности медно-аммиачного волокна, приписывается Е.Швейцеру (1857), адальнейшее его развитие – заслуга М.Крамера и И.Шлоссбергера (1858). И только в1892 Кросс, Бевин и Бидл в Англии изобрели процесс получения вискозного волокна:вязкий (откуда название вискоза) водный раствор целлюлозы получался послеобработки целлюлозы сначала крепким раствором едкого натра, что давало«натронную целлюлозу», а затем – дисульфидом углерода (CS2), в результате чегополучался растворимый ксантогенат целлюлозы. При выдавливании струйки этого«прядильного» раствора через фильеру с малым круглым отверстием в кислотнуюванну целлюлоза регенерировалась в форме вискозного волокна. При выдавливаниираствора в такую же ванну через фильеру с узкой щелью получалась пленка,названная целлофаном. Ж.Бранденбергер, занимавшийся во Франции этой технологиейс 1908 по 1912, первым запатентовал непрерывный процесс изготовления целлофана.
Часто при самых разнообразных условиях целлюлоза глубокоизменяется в своих физических свойствах, совершенно теряет эластичность,становится ломкой и при трении измельчается в порошок. Такого рода изменениезамечается, например, при неправильно веденном процессе отбелкихлопчатобумажной пряжи, ткани или бумажной массы, при карбонизации смешаннойткани, а также, хотя и в меньшей степени, на белье, часто подвергавшемсястирке, на шторах, долго подвергавшихся действию света в сыром помещении, наплохо приготовленном растительном пергаменте в т. п. Вместе с тем давно ужезамечено, что такое изменение растительных волокон в особенности легкопроисходит под влиянием сильных кислот. Ближайшее изучение этого изменения иусловий, в которых оно происходит, составляет заслугу Амэ Жирара, которыйвыяснил, что под влиянием кислот клетчатка переходит в«гидроцеллюлозу»,
Образуется гидрат целлюлоза чрезвычайно легко и приразнообразных условиях. Жирар указал несколько простых и удобных методов ееприготовления. Один из них состоит в том, что клетчатку (удобнее брать в этомслучае гигроскопическую вату) погружают в серную кислоту в 45°Бомэ и оставляютвзаимодействовать 12 часов. По прошествии этого времени хлопок не изменяется повнешности, но после промывки и высушивания теряет эластичность и становитсясовершенно хрупким.
Аналогично серной, в известных условиях концентрации итемпературы, действуют и другие минеральные кислоты. Так, при действии влажнойгазообразной соляной кисл. при 100°С на вату происходит быстрое образованиегидрата целлюлозы. Небезынтересно при этом (сделанное тоже Жираром) наблюдение,что сухая НCl хлопка не изменяет. Очень демонстративно протекает эта реакция ссоляной кислотой, если несколько изменить условия опыта: а именно, кнасыщенному раствору хлористого кальция, нагретому до 60—80°С, прибавляют15—20% обыкновенной соляной кислоты в 21°Бомэ.
Насыщенный раствор хлористого кальция, как веществогигроскопическое, быстро отнимает воду от соляной кислоты; НCl в этом растворенаходится как бы в газообразном состоянии и действительно частью выделяется израствора. При опускания в этот последний какой-нибудь хлопчатобумажной тканиона как бы тает и почти моментально распадается в мельчайший порошок. Не одникрепкие кислоты переводят клетчатку в гидроцеллюлозы; аналогично им действуют ислабые, но медленнее и при нагревании. Хлопок, пропитанный 1% раствором сернойкислоты, азотной, соляной или какой-нибудь другой, и нагретый в течениенескольких часов до 60—70°, сполна превращается в гидроцеллюлозу; даже и болееслабые растворы оказывают заметное влияние. Органические кислоты относятся вэтом случае аналогично минеральным, но далеко не все одинаково энергично.Наиболее сильное действие оказывает щавелевая, наименьшее — уксусная, отчегоона по преимуществу и употребляется при варке красок. Сравнительно менееэнергично относятся сильные органические спиртокислоты, винно-каменная илимонная, которые поэтому и расходуются в ситцепечатном деле в большомколичестве.
При образовании гидрата целлюлозы происходит ослаблениемежмолекулярных связей, а следовательно и изменение свойств природной целлюлозы.Гидрат целлюлозы, в отличие от природной целлюлозы, обладает более высокойгигроскопичностью, накрашиваемостью, растворимостью и реакционной способностью.Перевод целлюлозы в гидрат целлюлозы — одна из стадий получения вискозныхволокон и полинозных волокон.
При получении вискозных и полинозных волокон щелочную целлюлозувыдерживают определенное время при установленной температуре (предварительное созревание).По окончании созревания ее обрабатывают сероуглеродом, в результате чего образуетсясоединение сероуглерода и целлюлозы (простой эфир), называемое ксантогенатом.Растворяя это соединение в разбавленном растворе едкого натра, получают вязкийраствор—вискозу, которую фильтруют и затем выдерживают в течение 20—40 часов. Еслинеобходимо получить неблестящее (матированное) целлюлозное волокно то в вязкийраствор добавляют тонко измельченный белый порошок двуокиси титана, а дляполучения окрашенного волокна в вязкую массу вводят краситель, не изменяющийсвойств и цвета при дальнейшей обработке.
По химическому составу вискозное волокно представляет собойчистую целлюлозу — (С6Н10О5)п, где n степень полимеризации. Свежесформированныенити подвергаются вытяжке и тепловой обработке в горячей воде или паром.
Очищенная природная целлюлоза обрабатывается избыткомконцентрированного гидроксида натрия; после удаления избытка ее комки растираюти полученную массу выдерживают в тщательно контролируемых условиях. При таком«старении» уменьшается длина полимерных цепей, что способствует последующемурастворению. Затем измельченную целлюлозу смешивают с дисульфидом углерода иобразовавшийся 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 макромолекулцеллюлозы относительно оси волокна, что приводит к повышению его механическихсвойств. В зависимости от степени вытяжки и тепловой обработки можно получить вискозноеволокно с разными механическими свойствами: обыкновенное, прочное и высокопрочное.
Полученную после формования вискозную нить отмывают откислоты и солей и затем подвергают отделочным операциям: удалению серы, отбелке(в результате которой разрушаются пигменты, окрашивающие волокно), а такжезамасливанию 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 значительноповышает производительность труда. Полученное волокно имеет в поперечнике не строгокруглую, а неправильную (извитую) форму, а в продольном направлении—долевыебороздки.
В отличие от нитей непрерывной длины можно получить и короткоеволокно, называемое штапельным. При изготовлении штапельного вискозного волокнаиз одной фильеры выпускается одновременно от 1200 до 3600 элементарных нитей ввиде жгута. Полученный сложением из нескольких десятков фильер жгутэлементарных нитей подвергается обработке для освобождения от примесейсероуглерода, серы и др., а также вытяжке и промывке в кипящей воде.
Вытяжка волокна достигает 70%, что увеличивает его прочностьи тонину. Затем жгут разрезают на короткие отрезки—штапельки (длиной 30— 120 мм).Полученные таким образом штапельные волокна могут перерабатываться напрядильном 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 созданиевискозного волокна более однородной структуры является одной из проблемсовременной химии. В настоящее время начата выработка полинозных волокон,представляющих собой разновидность вискозных волокон. Для их производстваиспользуют ксантогенат с высокой степенью этерификации. Свежесформированноеволокно подвергают значительной вытяжке, благодаря чему оно приобретает болееоднородную и плотную структуру с высокой прочностью на разрыв. Такое волокно в отличиеот вискозного в мокром состоянии отличается более высокими показателямипрочности. Пряжа, полученная из полинозных волокон по качеству и внешнему видупочти не отличается от пряжи из лучших сортов хлопка.
/>4.Физико-химические свойства полимера
Целлюлоза – сравнительно жесткоцепной полимер. Онанерастворима в воде и в органических растворителях. Стереорегулярное строениеее макромолекулы, наличие гидроксильных групп, обуславливающих сильноемежмолекулярное взаимодействие, и высокая степень ориентации этогожесткоцепного полимера определяют высокие механические свойства материалов,получаемых на основе целлюлозы и ее производных.
Характерными физическими и химическими свойствами гидратацеллюлозы являются: легкая измельчаемость и способность при повышении t° выше65°С поглощать кислород воздуха, окисляясь при этом в растворимое в водевещество.
В противоположность клетчатке, гидроцеллюлоза принагревании в запаянной трубке растворяется в 1% растворе едкого кали и этотраствор обладает восстановляющими свойствами.
Гидрат целлюлоза, так же как и клетчатка, легко образуетнитропроизводные, растворяется в растворе меди, разбухает при обработкеконцентрированными щелочами, а при долгом действии кислот переходит частью вглюкозу.
К числу особенностей гидрата целлюлозы следует отнестито, что высушенная гидроцеллюлоза при смешении с холодной водой, разбухает,образуя густое тесто, во многом напоминающее густые камедные растворы, иокрашивается йодным раствором, подобно крахмалу, в синий цвет.
Полинозные волокна, разновидность вискозных волокон,близких по свойствам хлопковым. Полинозные волокна, как и обычные вискозныеволокна, формуют из вискозы по мокрому методу. Однако технологические режимыполучения этих двух типов волокон существенно различаются. В производствеполинозных волокон свежесформованное волокно находится в гелеобразном состояниии состоит из ксатогената целлюлозы высокой степени этерификации, что позволяетподвергать волокно значительно большей пластификационной вытяжке.
Для полинозных волокон характерны высокая степеньориентации и однородность структуры в поперечном сечении. При этом структураустойчива к действию воды и щелочей, благодаря чему механические свойстваполинозных волокон мало изменяются в указанных средах, а изделия из нихотличаются стабильностью формы и низкой сминаемостью. Для полинозных волоконхарактерны высокая прочность и низкое относительное удлинение. Их недостаток — высокая хрупкость.
Полинозные волокна применяют для изготовления широкогоассортимента тканей взамен тонковолокнистого хлопка.
Ткани из вискозных волокон легко окрашиваются в различныецвета, отличаются высокими гигиеническими свойствами (гигроскопичностью), чтоособенно важно для изделий народного потребления. Доступность исходного сырья инизкая стоимость химических реагентов, а также удовлетворительные текстильныесвойства и широкие возможности модификации обеспечивают высокую экономичностьпроизводства вискозных волокон и их широкое распространение.
Недостатки вискозных волокон: большая потеря прочности вмокром состоянии, лёгкая сминаемость, недостаточная устойчивость к трению инизкий модуль упругости, особенно в мокром состоянии. Эти недостатки могут бытьустранены модификацией вискозных волокон Модифицированным вискозным волокон(например, полинозным волокнам) свойственны значительно более высокая прочностьв сухом и мокром состоянии (потеря прочности в мокром состоянии составляет20-25% против 40-50% у обычного вискозного волокна), большая износоустойчивостьи повышенный модуль упругости. У извитых штапельных вискозных волоконустойчивее извитость, что упрощает производство из них пряжи в смеси снатуральными волокнами. Сминаемость вискозных волокон может быть уменьшена ихпоследующей обработкой различными составами.
/>5. Другиесвойства полимера
Вискозное волокно — это одно из наиболее распространенныххимических волокон. В настоящее время из общего объема производства искусственныхволокон на долю вискозного приходится около 75%. Такой объем производствавискозного волокна объясняется тем, что в качестве основного сырья используютдешевое 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 волокнаотличаются большей прочностью и эластичностью по сравнению с натуральными,материалы из них практически не мнутся, но плавятся под действием высокойтемпературы. Кроме того, синтетические волокна негигроскопичны, то есть неспособны поглощать влагу из окружающей среды, и плохо пропускают воздух. Всвязи с этим наибольшей популярностью в настоящее время пользуются ткани изсмешанных волокон, содержащие определенный процент натуральных и искусственныхволокон. Они гигроскопичны, прочны, мало мнутся, но при глажении температураутюга должна быть не очень высокой.
Для технических целей медноаммиачные волокна неиспользуют из-за низкой прочности. Стоимость медноаммиачных волокон выше, чем уих конкурентов — вискозных волокон.
В производстве полинозных и вискозных волокон основнымвидом отходов являются сточные воды, образующиеся при промывке синтезируемыхпродуктов.
Вискозное волокно, получаемоевыдавливанием вискозы через малые отверстия фильеры в раствор кислоты, широкоприменяется для изготовления одежды, драпировочных и обивочных тканей, а такжев технике. Значительные количества вискозного волокна идут на техническиеремни, ленты, фильтры и шинный корд.
6. Применение полимера впроизводстве одежды и обуви
В производстве товаров народного потребления вискозноеволокно широко используют для выработки шёлковых и штапельных тканей,трикотажных изделий, тканей различного назначения из смесей вискозных волокон схлопком или шерстью, а также с другими химическими волокнами. Высокопрочноевискозное кордное волокно используют для получения широкого ассортиментатехнических изделий. Например, при замене хлопчато-бумажного корда,выполняющего роль силового каркаса в шинах, высокопрочным вискозным кордомповышается срок службы шин и уменьшается расход каучука для их изготовления.Промышленное производство вискозных волокон в. началось в 1905 в Англии.
Медноаммиачное волокно применяют и сейчас — вковроткачестве, на трикотажных фабриках, но гораздо реже, чем раньше, потомучто появились более прочные и дешевые волокна.