Характеристика целлюлозы. 
Исследование свойств целлюлозы

Целлюлоза на мировом рынке искусственных волокон

Целлюлоза — природный полимер, макромолекулы которого представляют собой цепочки соединенных вместе звеньев — молекул глюкозы. Из целлюлозы построены клеточные стенки всех растений. Волокна семян хлопчатника содержат 95−98% целлюлозы, стебли льна, джута и других лубяных растений — 60−85%, древесина — до 40−55%.

Первооткрывателем целлюлозы стал французский химик Ансельм Пайен. Произошло это в 1838 году. Чтобы выяснить, из каких компонентов состоит древесина, Пайен обработал образцы древесины разных пород азотной кислотой и во всех случаях получил волокнистое вещество с формулой C6H10O5, аналогичное веществу хлопковых волокон.

Перспектива создать из древесины искусственное волокно выглядела очень заманчивой. Но для этого требовалось перевести целлюлозу в пригодную для вытяжки волокна форму. Поскольку в обычных растворителях природная целлюлоза нерастворима, ее сначала надо было химически модифицировать. К концу XIX века усилия химиков увенчались успехом: они научились получать вискозу (вязкий раствор модифицированной целлюлозы) и вытягивать из нее вискозное волокно.

Производство вискозного волокна — сложный многооперационный процесс, состоящий из нескольких стадий. Сначала целлюлозу древесины хвойных пород обрабатывают концентрированным раствором щелочи (стадия мерсеризации). Полученную щелочную целлюлозу измельчают, а затем выдерживают в течение нескольких часов, чтобы длинные макромолекулы целлюлозы частично окислились на воздухе и распались на более короткие цепочки. На следующем этапе щелочную целлюлозу обрабатывают сероуглеродом СS2. В результате этой реакции образуется ксантогенат целлюлозы — продукт, который растворяется в разбавленной щелочи. Процесс растворения при температуре 10−12оС занимает несколько часов. В итоге получается вязкий гель — вискоза. Гель фильтруют, очищая от механических примесей, и удаляют пузырьки воздуха. Лишь после этого из вискозы можно получать волокна, пригодные для переработки в пряжу, или длинные мононити для технических целей.

Вискозные волокна и нити применяют в производстве текстильных материалов как в чистом виде, так и в смесках с хлопком, полиэфирными и шерстяными волокнами. Крученые вискозные нити большой прочности активно используют в технических целях — при изготовлении корда для автомобильных шин и транспортерных лент. Но с появлением полиэфирных технических нитей, имеющих более высокие физико-механические свойства, применение для этих целей вискозы значительно сократилось.

Главный недостаток, во многом определяющий спад производства вискозных волокон, — экологически грязная технология, основанная на применении сероуглерода. При разложении ксантогената помимо сероуглерода в значительном количестве выделяется ядовитый газ сероводород. Для создания нормальных санитарно-гигиенических условий машины для получения волокон герметизируют, производственные помещения оснащают мощными системами вентиляции и улавливания вредных газов, остатки которых выбрасываются в атмосферу через трубы высотой до 120 м. Производство вискозного волокна требует большого расхода электроэнергии и химических материалов (более 1,5 кг на 1 кг волокна).

Однако прекрасный потребительский вид (шелковистость, яркость и прочность окраски) и невысокая стоимость изделий обеспечивают им популярность. Поэтому перед химиками встала задача разработки экологически безопасной и экономичной промышленной технологии получения целлюлозных волокон нового поколения. И эта задача была успешно выполнена.

Найти новое решение проблемы растворения и переработки целлюлозы удалось в 90-х годах прошлого века. Альтернативой вискозному производству стал технологический процесс прямого растворения древесной целлюлозы (без химической модификации) в сильно полярном органическом растворителе — N-метилморфолин-N-оксиде (NММО). Экологическая чистота процесса обусловлена тем, что этот растворитель практически полностью регенерируется и не образует вредных продуктов распада. На рынке текстильных материалов такие волокна получили название «лиоцелл». Процесс их производства экономичен, так как включает гораздо меньше стадий, чем вискозный процесс. Общими для выработки волокон лиоцелла и вискозы остались только исходное сырье и химический состав получаемых волокон.

Промышленное производство лиоцелла началось в 1992 году с 18 тыс. тонн, а в 2003 году объем выпуска волокна в мире достиг уже 135 тыс. тонн, увеличившись в 7,5 раза. Тенденция бурного роста производства лиоцелла сохраняется. Разработка и промышленное освоение технологий получения новых волокнообразующих полимеров — приоритет индустриально развитых государств: США, стран ЕС, Китая, Японии, Израиля, имеющих большой промышленный и научный капитал. Россия, несмотря на огромные запасы сырья для такого производства, увы, пока отстает в этой области.

Вискоза производится из натурального материала — целлюлозы т. е. из древесины, поэтому из всех химических волокон это — самое «естественное». Изменяя толщину и характер волокон, можно получать полотна, очень похожие на натуральные — на шерсть, хлопок, шелк и лен.

Вискоза была изобретена французским ученым Гильером де Шардоне в 1884 году.

Он же с помощью вискозы создал первую искусственную ткань. Вискоза — это вязкая органическая жидкость, которая используется при изготовлении вискозного волокна. Волокно в свою очередь, применяемая в текстильной промышленности для производства искусственных тканей и искусственной кожи. Первоначально вискоза успешно использовалась только в текстиле, но потом последовали попытки изготовления твердых предметов. Эти эксперименты потерпели неудачу, так как изделия оказывались слишком хрупкими. Дальнейшие исследование показали, что вискоза хорошо подходит для отделки и вышивки. К началу 20-го века использование вискозы окончательно вошло в текстильную промышленность. Вскоре вискоза победила шерсть и хлопчатобумажную ткань на рынке женского белья.

Свойства чистой вискозы больше всего напоминают свойства хлопка. Ткань приятна на ощупь, гигроскопична и воздухопроницаема. Чистая вискоза полупрозрачная и блестящая и этим похожа на шелк, за что ее называют «искусственным шелком». Для избавления от блеска (если он нежелателен) вискозу обрабатывают дополнительно матирующие добавки. Вискоза не накапливает статического электричества. Вискозное волокно легче, чем хлопковое, возможность окрасить в любые яркие цвета — ведь краситель можно ввести непосредственно в раствор, из которого будет восстановлена нить. Вискозу также отличает крайне высокая гигроскопичность. Вискоза впитывает в два раза больше влаги, чем, например, хлопок.

Вискозу используют повсеместно — это легкий материал, приятный на ощупь. Из нее получаются великолепные блузки, платья, мужские сорочки, брюки и многое другое. Основным достоинством этого материала может по праву считаться гигиеничность, поэтому вискозу используют даже при пошиве одежды для детей. Кроме того, благодаря отличной воздухопроницаемости, и зимой, и летом ваша кожа будет активно проветриваться. Еще одним плюсом ко всему вышеперечисленному является тот факт, что вискоза не накапливает статического электричества, а, значит, не возникнет неприятного треска и покалывающего воздействия на вашу кожу.

Химическими называются волокна, которые получаются в заводских или лабораторных условиях из полимеров естественного происхождения или синтезированных химическим путем.

Волокна из натуральных полимеров называются искусственными, а волокна, сформированные из полимеров, которые получены путем химического синтеза, — синтетическими.

Искусственные волокна вырабатывают из природных высокомолекулярных соединений (целлюлозы, белков), стекла, металлов и их сплавов. Более 92% всех искусственных волокон вырабатывают из целлюлозы. Известны три способа получения искусственных целлюлозных волокон: вискозный, ацетатный, медноаммиачный. В соответствии с этими способами и волокна получили свои наименования: вискозные, ацетатные и медноаммиачные.

Вискозные волокна занимают почти 80% мирового производства всех искусственных волокон.

Получение.

Исходным сырьем для производства вискозного волокна служит древесная целлюлоза. Для получения целлюлозы древесину ели или сосны измельчают и обрабатывают различными реагентами, например, разбавленным раствором бисульфита кальция Ca (HS03)2 при температуре 130—150° (сульфитный способ).

В процессе варки лигнин и другие вещества, находящиеся в древесине, переходят в раствор, а оставшаяся целлюлоза после промывки и отбелки подвергается сушке и в виде листов или в рулонах поступает на заводы искусственных волокон.

Процесс производства вискозного волокна включает три основные стадии: получение растворимого соединения целлюлозы, формование волокна, отделку волокна.

Для получения растворимого соединения целлюлозы ее сначала подсушивают или кондиционируют (по влажности), а затем обрабатывают 18%-ным раствором едкого натра. В результате этого получается щелочная целлюлоза (С8Н10О3)n+nNaOH (С6Н10О6 NaOH) n8.