Середина XX века стала периодом триумфального пришествия химических волокон. Благодаря высокой механической прочности, химической стойкости и другим замечательным свойствам они быстро нашли множество технических применений в самых разных отраслях промышленности. В обычной жизни немнущиеся и не подвергающиеся усадке синтетические ткани заметно потеснили традиционные хлопок, лен, шелк и шерсть. На завоевание и освоение мирового текстильного рынка химическим волокнам потребовалось всего 50 лет. За это время потребление натуральных волокон снизилось в 2,2 раза, а химических - возросло в 53,5 раза.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Чтобы получить из целлюлозы лиоцелл, требуется гораздо меньше стадий, чем при формовании вискозного волокна.

Сравнение физико-механических свойств целлюлозных волокон. Числа в столбцах диаграммы указывают разрывную прочность в сН/текс.

В целлюлозном волокне имеются кристаллические области, в которых макромолекулы плотно упакованы и ориентированы строго в одном направлении, и аморфные области с менее упорядоченной структурой.

Однако на рубеже XX и XXI веков над производством химических волокон стали "сгущаться тучи". Это связано с увеличением спроса на углеводородное сырье в качестве энергоносителя, ростом цен на него, тревожными прогнозами об истощении нефтяных запасов, а также с экологическими проблемами производства. Поэтому вновь возник интерес к получению химических волокон из возобновляемого, достаточно дешевого и доступного природного сырья, и в первую очередь из целлюлозы.

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 модифициро ванной 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 10-12^оС 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.

В отличие от вискозной технологии, основанной на химических реакциях целлюлозы с щелочью и сероуглеродом, растворение целлюлозы в NММО - прямой, чисто физический процесс. Остальные стадии получения лиоцелла: формование, коагуляция, сушка - также имеют физическую природу. Эта технология позволяет сократить расход химических материалов в сотни раз в сравнении с производством вискозы. Относительно простой способ получения формовочных растворов, высокоскоростной процесс формования волокна обеспечивают высокую производительность. Ткани и изделия из лиоцелла хорошо окрашиваются, не усаживают ся при стирке, они приятные и мягкие на ощупь, внешне напоминают хлопок.

Прочность и упругость волокон лиоцелла как в сухом, так и в мокром состоянии выше, чем вискозных, а усадка при стирке меньше. Такие разительные отличия в свойствах во многом обусловлены тем, что технология производства лиоцелла не приводит к значительному уменьшению длины макромолекул целлюлозы. При растворении целлюлозы в NММО степень полимеризации (число элементарных звеньев в макромолекуле) снижается всего на 10-15%, тогда как вискозу подвергают специальной обработке, чтобы снизить степень полимеризации с 1000-1200 единиц в исходном сырье до 350-550 в готовом продукте. Волокно лиоцелл отличается более высоким содержанием кристаллических зон. Степень кристалличности лиоцелла составляет 50-60% против 40% у вискозы, кристаллиты имеют вытянутую форму и четкую ориентацию вдоль оси волокна, а сами волокна однородны в поперечном срезе.

Недостаток многих химических и искусственных волокон, включая лиоцелл, - повышенная склонность к фибриллизации, то есть к появлению на поверхности волокна многочисленных ворсинок, подобных заусеницам. Из-за фибриллизации на поверхности изделий из химических волокон в процессе носки образуются многочисленные закатанные шарики (пиллинг-эффект), что существенно ухудшает внешний вид вещей. Однако и недостаток можно превратить в достоинство. Технологи и дизайнеры использовали фибриллизацию для получения на тканях эффекта "персиковой кожицы" - бархатистой текстуры, внешне напоминающей замшу, которая образуется после мягкой и равномерной механической обработки поверхности окрашенных текстильных полотен специальными абразивами.

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.

№1, 2007