Современные технологии получения гидратцеллюлозных волокон

В связи с поиском путей прямого растворения целлюлозы представляют интерес исследования способов повышения её растворимости в водно - щелочных растворах. Поскольку в растворах основного характера целлюлоза обладает нижней критической температурой смешения, одним из таких способов может быть охлаждение раствора. Однако снижение температуры растворения ограничено замерзанием водно - щелочных растворов, поэтому повышение растворимости целлюлозы в этих растворах можно достигнуть путем подбора оптимальных условий растворения при низких температурах. В частности, большое значение имеет добавка низкомолекулярных веществ, понижающих температуру замерзания растворителя и не ухудшающих растворения целлюлозы.

Добавление мочевины улучшает растворимость целлюлозы и при постоянном содержании едкого натра. Мочевина ослабляет межмолекулярные водородные связи и в присутствии этого вещества усиливается сольватация групп ОН целлюлозы, которая приводит к улучшению её растворимости.

Таким образом, оптимальное содержание едкого натра при понижении температуры растворения целлюлозы в водно-щелочных растворах и введения в раствор мочевины даёт возможность растворять сульфитную целлюлозу со средней степенью полимеризации 850 - на 56%, со степенью полимеризации 560 - на 65%, в то время как растворимость этой целлюлозы в 12,5% - ном растворе едкого натра при комнатной температуре составляет только 5 - 7% [4].

В последнее десятилетие появились новые технологии производства гидратцеллюлозных волокон лайоцелл (прямым растворением целлюлозы в N-метил-N-оксидах) и карбацелл (на основе карбомата целлюлозы). В настоящее время значительные успехи достигнуты в применении N-метилморфолин-N-метилоксида (NММО) в качестве растворителя целлюлозы.

Получение концентрированных растворов целлюлозы в этом случае позволяет создать технологию, альтернативную вискозной, и она уже реально существует в промышленном масштабе. Весьма важно то, что в результате разработки совершенных процессов регенерации удельный расход NММО минимизирован. Однако пока в развитии этого процесса имеется ряд трудностей, в частности, не удается получать волокна всего того ассортимента и с теми свойствами, которые присущи вискозным волокнам, особенно с хорошей деформативностью.

Очень высокая степень ориентации (при сухо-мокром формовании через воздушную прослойку), а поэтому пониженная деформативность (высокий модуль деформации и пониженное удлинение), ограничивают применение волокон лайоцелл по сравнению с вискозными волокнами. Их недостатком является также повышенная фибриллируемость в мокром состоянии и, следовательно, пониженная износоустойчивость.

Интересно провести аналогию с близкой ситуацией в развитии вискозного процесса от "шелка Лилиенфельда" с высокой прочностью и малой деформативностью, а также значительной фибриллируемостью, до современных вискозных волокон с широким заданным диапазоном свойств. Это было достигнуто путём применения добавок поверхностно-активных веществ в вискозу и осадительную ванну, варьирования условий осаждения и структурообразования, ориентационных и релаксационных обработок и так далее.

При дальнейшем развитии технологии волокон лайоцелл отмеченные особенности будут частично или полностью элиминированы, что, бесспорно, приведет к повышению потребительских характеристик этого типа волокон [5].

Актуальность создания новых видов конкурентоспособных текстильных материалов на основе отечественного волокнистого сырья очевидна по следующим причинам: утрата основной сырьевой базы нашего текстиля - хлопка; резкое сокращение выпуска вискозных волокон в силу исключительной вредности данного производства; очень низкая степень полезного использования льняного волокна (25-30%), что в совокупности с резким снижением его урожайности в последние годы существенно повышает стоимость готовых льносодержащих изделий.

Одним из возможных путей получения новых хлопкоподобных волокон является прямое растворение древесной целлюлозы в смеси метилморфолиноксид - вода с последующим формованием волокна из раствора. В нашей стране подобные исследования проводятся с начала 80-х годов ВНИИПВ (г. Мытищи), в результате чего предложена схема, основанная на получении высококонцентрированных (25% -ных)"твердых " растворов порошковой целлюлозы в ММО. Волокно, получаемое пока в лабораторных условиях, зарегистрировано под товарным знаком "орцел (R)". Отличительным признаком данной технологии является очень малое время растворения целлюлозы - 5-10 мин (за счет воздействия на систему целлюлоза - растворитель высокоинтенсивных сдвиговых напряжений в аппарате шнекового типа), в то время как по известным зарубежным аналогам время растворения составляет 1,5-2 часа.

К недостаткам нового процесса относится опасность перегрева системы целлюлоза - ММО из-за трудности эффективного отвода тепла от шнека, что приводит к частичной деструкции целлюлозы и, соответственно, к снижению физико-механических показателей. Кроме того, серьёзным недостатком гидратцеллюлозных волокон, свойственным и зарубежным аналогам, является высокая склонность к фибрилляции.

Промышленное освоение новой технологии потребует значительных капиталовложений и ещё нескольких лет работы. Ввиду сложности обеспечения отечественных инвестиций, ВНИИПВ активно прорабатывает вопрос привлечения зарубежных фирм к организации производства волокон "орцел (R)". Но, есть другая возможность ускорения практического применения новых гидратцеллюлозных волокон на текстильных фабриках Ивановского региона - это проведение промышленно-финансовой компании "Ивтекс" или каким-либо крупным текстильным предприятием маркетинговой оценки возможности закупки их в Европе и выпуска тканей нового ассортимента. Очевидно, что накопленный в ходе выполнения проекта опыт по особенностям получения и свойствам гидратцеллюлозных волокон также мог бы пригодиться.

Как уже отмечалось выше, предварительная активация целлюлозы позволяет целенаправленно изменять её физические и химические характеристики, резко увеличивает реакционную способность. Полученные результаты позволили не только оптимизировать процесс получения нового типа гидратцеллюлозных волокон, но и создают основу для серьёзного совершенствования технологии производства вискозных и ацетилцеллюлозных волокон.

Так, установлено, что в результате механической и химической дезинтеграции деструктируется, в первую очередь, наиболее длинные макромолекулярные цепи древесной целлюлозы. В результате деструкции по данному механизму экспериментальные образцы порошковой целлюлозы, полученные путём смешения 12 партий листовой целлюлозы с последующей дезинтеграцией, выравниваются по степени полимеризации и становятся более однородными по молекулярно-массовому распределению. Таким образом, становится возможным исключение брака при получении вискозных волокон из-за неоднородности разных партий целлюлозы.

Исследования, выполненные совместно с рязанским ПО "Химволокно", показали, что использование активированной порошковой целлюлозы для получения вискозы позволяет снизить удельный расход сероуглерода на 25-30%, едкого натра - на 20%, в ряде случаев исключить использование ПАВ, а также получить продукт высокой степени однородности и отличной фильтруемости приготовляемых из него растворов. При этом выявлена возможность значительного сокращения продолжительности ряда технологических операций (например, созревание вискозы, фильтрации) и, кроме того, ликвидации отдельных операций (например, измельчения щелочной целлюлозы).

Совместно со специалистами НИИ химии Саратовского госуниверситета установлена возможность обеспечения высокой скорости ацетилирования активированной порошковой целлюлозы при понижении температуры. Поскольку для промышленной проверки и воплощения этого комплекса работ не требуется серьёзного изменения аппаратурного оформления производства вискозного и ацетатного волокон, возможно уже в ближайший год-полтора будут получены на Рязанском производственном объединении "Химволокно" первые полупромышленные и промышленные партии волокон на основе активированной порошковой целлюлозы с улучшенными потребительскими свойствами.

И, наконец, ещё одна возможность использования активированной целлюлозы - в качестве текстильно-вспомогательных препаратов. В рамках проекта начаты работы по созданию шлихтующих, загущающих и аппретирующих составов на основе порошковой и микрокристаллической целлюлозы.

Ожидаемые результаты - снижение жёсткости обработанных текстильных материалов, повышение устойчивости их к механическим (многократный изгиб) и физико-механическим (пот, мыло, трение) воздействиям, упрощение расшлихтовки суровых и промывки напечатанных тканей, расширение отечественной базы ТВВ, снижение себестоимости обработки.

Разрабатываемые аппретирующие составы будут экологически чистыми (основная задача во всём мире), более экономичными, улучшает потребительские свойства материала.

К настоящему времени выявлены тиксотропные свойства смесей на основе порошковой целлюлозы и разработаны составы жидкофазных загущающих систем для печати текстильных материалов [6].