Получение медноаммиачного прядильного раствора

Для более равномерного формования волокна при прядении необходима повышенная концентрация целлюлозы в прядильном растворе. Концентрация ниже 7,0% при обычном водном способе прядения с вытяжкой и ниже 4,5% – при щелочном способе прядения непригодна из-за недостаточной связи между целлюлозными цепями в свежесформованном волокне.

Применение более концентрированных прядильных растворов требуется и по экономическим соображениям, так как оно уменьшает емкость смесителей и баков и число фильтрпрессов, облегчает работу прядильных насосиков и т.д.

Правда, экономические соображения в пользу применения более концентрированных по целлюлозе прядильных растворов, которые имеют столь большое значение для прядения вискозных волокон, не имеют значения для прядения волокон из медноаммиачных прядильных растворов вследствие стабильности последних и постоянства соотношения между количествами целлюлозы, аммиака и меди в растворе независима от концентрации целлюлозы.

На практике, в настоящее время для прядения медноаммиачного шелка е вытяжкой в воронках по методу Тиле применяют прядильный раствор, содержащий 7,5–8% целлюлозы; для прядения медноаммиачиого штапельного волокна с вытяжкой – прядильный раствор с 10–11% целлюлозы, и для прядения медноаммиачного волокна без вытяжки по щелочному способу – прядильный раствор, содержащий не менее 4,5% целлюлозы.

Для увеличения содержания целлюлозы в растворе, т.е. для увеличения растворяющей способности медноаммиачного раствора, предложены различные способы перевода целлюлозы в раствор.

В зависимости от того, каким способом осуществляется перевод неактивной формы меди в активное соединение комплекс кого медноаммиачного основания, можно перечислить следующие способы растворения целлюлозы, нашедшие применение на практике.

1. Получение насыщенного аммиачного раствора купрнтетр-аммингидрата (реактива Швейцера) из металлической меди пропусканием воздуха через охлаждаемый концентрированный водный раствор аммиака, стекающий вниз в башне, заполненной мелкими кусками меди, проволокой или стружкой из чистой красной меди.

2. Получение основной сернокислой соли меди примерного состава 5 Си(ОН)₂•2CuSO₄ осаждением медного купороса в водном растворе содой или аммиаком до нейтрализации 5/7, или 71,6% всех сернокислых групп. Эта соль отмывается от сернокислого натрия (или сернокислого аммония), отжимается на фильтре или в центрифуге от избытка воды и растворяется в концентрированном водном растворе аммиака. Растворение целлюлозы в этом растворе осуществляется обычно в две стадии. В первой стадии целлюлоза растворяется лишь незначительно и в основном только набухает, во второй стадии вся целлюлоза переходит в раствор после добавки 28,4% эквивалента щелочи, нехватающей для полной нейтрализации всех сернокислых групп и для перевода всей меди в активную форму (купритетраммингидрат).

3. Легко растворимой соли меди в аммиаке в виде концентрированного раствора купритетрамминсульфата и добавка к этому раствору на холоду эквивалентного количества раствора едкого натра (метод Траубе). При этом образуется пересыщенный неустойчивый раствор купритетраммингидрата, который, по данным Траубе, разлагается постепенно до гидроокиси меди и аммиака, но при 9° устойчив в течение 15–20 мин. и способен растворять целлюлозу до 10%-ной концентрации.

4. Получение стойкой кристаллической гидроокиси меди по методу Фурнесса или другими способами в виде гидрата к растворение этой гидроокиси меди в аммиаке с таким расчетом, чтобы часть гидроокиси меди осталась в избытке в суспензии. Получающийся при этом медноаммиачный раствор аналогичен реактиву Швейцера, но способен растворять целлюлозу в значительно больших количествах, так как по мере связывания части купритетраммингидрата целлюлозой новые количества гидроокиси меди переходят в раствор в виде активного комплексного медноаммиачного основания. По данным Фурнесса, по этому способу можно получить раствор, содержащий до 22% целлюлозы.

5. Получение смешанной массы целлюлозы и гидроокиси меди или целлюлозы и основной соли меди (так называемой синей массы) и растворение этой смешанной массы в концентрированном водном аммиаке.

Метод Швейцера. Синяя масса получается осаждением гидроокиси меди из аммиачного раствора медного купороса (т.е. из раствора купритетрамминсульфата) едким натром на холоду, причем целлюлоза поддерживается в суспендированном состоянии в аммиачном растворе. Вместо аммиачного раствора и едкого натра можно взять для осаждения водный раствор медного купороса и соду. В этом случае синяя масса содержит смесь целлюлозы и основной соли меди. В последнем случае растворение осуществляется с последующим добавлением недостающего едкого натра в две стадии.

Растворение целлюлозы в реактиве Швейцера, полученном из металлической меди, применялось на некоторых фабриках за границей в первые годы развития производства медноаммиачного волокна, но в настоящее время практически нигде не применяется, так как способность швейцерова реактива растворять целлюлозу, – как уже было указано, невелика и не превышает в обычных условиях 2,5–3%.

Недостаток. Способ получения медноаммиачного реактива экономически невыгоден, так как сопряжен с потерей больших количеств аммиака, уносимого проходящим воздухом, и исходным реактивом является в данном случае более дорогая металлическая медь.

В настоящее время этот способ получения медноаммиачного раствора целлюлозы широко применяется в лабораториях и при исследовательских работах для определения вязкости целлюлозы,

Преимущество. Реактив Швейцера почти не содержит ионов посторонних электролитов (ионы натрия, сульфатные ионы и др.) и поэтому обеспечивает получение воспроизводимых результатов по вязкости целлюлозы.

Необходимо, впрочем отметить, что видоизменение этого способа может еще в будущем найти практическое применение. При понижении температуры или при повышении давления (напримемер, до – 10 или до 3–4 атм) растворимость аммиака в воде значительно возрастает и достигает 40–50%. На этом основании инж. Кочетковым предложен способ растворения целлюлозы при -10° в сверхконцентрированном растворе гидроокиси меди в 50%-ном водном растворе аммиака.

Способ, основанный на получении прядильного раствора из основной соли меди и аммиака, являлся до недавнего времени наиболее распространенным на действующих фабриках медноаммиачного волокна и ниже описан более подробно. Прядильный раствор полученный этим способом, может содержать до 12–15% целлюлозы, в зависимости от наличия твердой основ – ной соли меди в осадке в начале растворения, и отличается тем, что прядильный раствор содержит довольно значительные количества сернокислого натрия (так как ²/₇, или; 28,4% меди поступает в прядильный раствор в виде сернокислой меди и нейтрализуется едким натром в самом растворе).

Способ Траубе, основанный на получении охлажденного нестойкого сверхконцентрированного раствора купритетраммингидрата в аммиаке, не нашел практического применения. Даже при 0° раствор, полученный по способу Траубе, стоек только в течение 15–20 мин. и разлагается настолько быстро, что на практике невозможно получить прядильный раствор целлюлозы в производственном масштабе. Кроме того, показатели вязкости отдельных партий прядильного раствора целлюлозы при одинаковых условиях получения раствора и при одном исходном сырье резко различны.

Видоизменением способа Траубе является предложенный М.И. Архиповым способ замешивания целлюлозы в концентрированном аммиачном растворе медного купороса (купритетрамминсульфат) с постепенным дооавлением раствора едкого натра при сильном перемешивании. В этом случае целлюлоза также растворяется быстро, и, по данным Архипова, можно легко получить растворы с 7% целлюлозы. Но вязкость растворов, получаемых по способу Архипова, также весьма различна. Кроме того, раствор не дает возможности (как и способ Траубе) использовать кислые растворы сернокислой меди, получающиеся при отделке волокна, так как эти растворы разбавлены и содержат не более 10 г./л медного купороса. Способы Траубе и Архипова могут иметь техническое значение только при пользовании концентрированным раствором медного купороса (не менее 250 г./л CuSO₄).

Отличительным свойством прядильный растворов, полученных по способу Траубе или по способу Архипова, является наличие больших количеств сернокислого натрия (в 3,5 раза больше, чем в обычных производственных прядильных растворах из основной соли меди).

Преимущество

1. Эти прядильные растворы значительно легче коагулируют в воде, и при прядении с вытяжкой в воронках Тиле необходимо изменить условия прядения (понизить температуру прядильной воды).

2. Способ растворения целлюлозы в реактиве, полученном из гидроокиси меди, особенно интересен, так как исходным реактивом является весьма стабильное соединение кристаллической гидроокиси меди. Благодаря чистоте гидроокиси меди и отсутствию сернокислых ионов в прядильном растворе целлюлоза легко и быстро растворяется в аммиачном растворе этой гидроокиси, и концентрация ее, по данным Фурнесса, может быть до ведена до 22%. Ниже будет подробнее описан производственный режим получения гидроокиси меди и прядильного раствора по методу Фурнесса и по другим методам, основанным на получении раствора из гидроокиси меди. Необходимо учесть, что этот прядильный раствор, как и раствор, полученный из швейцерова реактива, весьма стабилен из-за отсутствия ионов электролитов. Поэтому условия прядения должны быть изменены. Более подходящим является в данном случае метод прямой коагуляции в щелочной ванне (подробнее об этом см. в следующей главе).

Ввиду того, что при осаждении этих соединений меди на целлюлозе при перемешивании в мешалке и при последующей фильтрации синей массы получается очень равномерно перемешанная смесь целлюлозы с гидроокисью или основной солью меди, растворение синей массы в растворителях происходит интенсивнее и быстрее обычного. Раствор получается более гомогенным, но аппаратура, необходимая для осуществления этого способа, более сложна

Во всех случаях получение прядильного раствора распадается на три основные операции:

1. Подготовка соединений меди.

2. Получение медйоаммиачного прядильного раствора (в 1 или в 2 фазы).

3. Гомогенизация раствора и его фильтрация, эвакуация воздуха, удаление избыточного аммиака из прядильного раствора.

Если вместо основной соли меди применяется чистая гидроокись меди, растворение целлюлозы осуществляется быстрее и может быть произведено в одну фазу. Гидроокись меди также сперва вносится в охлажденный водный 25%-ный раствор аммиак, после чего целлюлоза постепенно загружается при перемешивании в образовавшийся раствор купритетраммингидрата. В этом случае растворение целлюлозы происходит значительно быстрее, и раствор обычно готовят высококонцентрированный с содержанием от 20 до 22% целлюлозы.