Штучні і синтетичні волокна

Реферат з хімії підготував Сергій Голубєв

Здавна для виготовлення свого одягу людина користалася природними волокнами, одержуваними з бавовни, льону, вовни деяких тварин, з ниток, випрядаемих гусеницею шовковичного шовкопряда. Цілком природно, що ці джерела виявилися недостатніми, щоб повністю задовольнити зростаючу потребу в тканинах.

Гусениця шовковичного шовкопряда видавлює через вузьку протоку в'язку рідину і витягає її в найтоншу нитку, затвердевающую на повітрі. Отже, щоб одержати штучне волокно подібне гусениці шовковичного шовкопряда, треба приготувати в'язку рідину і з неї спробувати витягати нитки.

З цією метою бавовну обробили азотною кислотою. При цьому виходила нитроцеллюлоза, яка при розчиненні в суміші спирту з ефіром давала сиропообразную рідина. З цієї рідини паличками вдавалося витягати нитки. Але цей примітивний спосіб не міг, звичайно, нікого задовольнити. Французький хімік Шардонне вирішив далі провести наслідування шовкопряду. Він продавлював розчин нітроцелюлози в спирті й ефірі через тонкі отвори в підкислену воду. Після розведення водою спіртоефірние розчину виходили шовковисті довгі нитки чистої нітроцелюлози.

Відомо, як вогненебезпечна і вибухових нитроцеллюлоза. У плаття з такої тканини не погодилася б вбратися жодна модниця. Щоб уникнути цього недоліку, отримані нитки піддавали денітрації.

Перші зразки були, звичайно, дуже дорогі, а тим часом досягнення, здавалося, було невелике. Адже штучний шовк виходив усе-таки з волокнистого матеріалу - бавовни. З бавовни легко одержувати нитки і звичайним прядінням, щоправда, вони не мають шовковистий блиск. От якби навчитися готувати штучні нитки з целюлози, що не йде на прядіння, наприклад з тієї, що знаходиться в деревині, і не застосовувати при цьому дорогу азотну кислоту.

Великим завоюванням хімії було створення саме такого способу. Цей спосіб зветься віскозного і є в даний час одним з найпоширеніших.

Виробництво віскозного шовку полягає в наступному:

Як відомо, в деревині целюлоза складає приблизно 50% по масі. Щоб виділити чисту целюлозу, деревину перетворюють у тріску і варять у великих закритих казанах, під тиском у кілька атмосфер, з розчином гідросульфіту кальцію Ca (HSO3) 2. Варка триває близько доби. При цьому гідросульфіт руйнує речовини, що склеюють волоконця клітковини, і вона, як хімічно найбільш стійка, виділяється у вільному вигляді. Целюлозу змішують з водою і рідкою кашкою виливають поступово на безупинно рухливу стрічку. Після видалення води, висушування і різання утворяться аркуші так називаної сульфітної целюлози, що нагадує собою картон. Частина сульфітної целюлози йде на вироблення паперу, а частина - на виробництво віскозного шовку.

З отриманої целюлози не можна безпосередньо випрясти нитки, її треба спершу перевести в розчин, щоб потім за прикладом нітратного шовку з в'язкого розчину витягати нитки. Целюлоза розчиняється ні у воді, ні в звичайно уживаних органічних розчинниках. Але виявилося, що якщо на целюлозу подіяти спершу концентрованим розчином лугу, а потім сірковуглецем CS2. то вона перетворюється в речовину, розчинна в розведених розчинах лугу, для одержання таких розчинів надходять у такий спосіб.

Аркуші целюлози обробляли лугом, потім їх подрібнюють механічним способом, що одержану пластівчасту масу через деякий час обробляють в особливих апаратах сірковуглецем. Продукт реакції целюлози з лугом і сірковуглецем здобуває оранжево-жовте забарвлення, і тому називається ксантогенатом (від грец. "Ксантос" - світло-жовтий). Ксантоганат є ефір целюлози.

До ксантогенату доливають 4-процентний розчин гідроксиду натру. Утворюється в'язкий розчин - віскоза. Цей спосіб отримав назву віскозного. Віскозу залишають на кілька днів "дозрівати", щоб вона стала придатною для формування волокна. Готова віскоза надходить у цех прядіння. Тут на десятках машин з її готують шовкові нитки.

Відомі й інші штучні волокна.

З принципом одержання одного з них легко познайомитися навіть практично.

Доллємо до розчину мідного купоросу розчин гідроксиду натрію. Вийде блакитний осад гідроксиду міді:

Отфильтруем осад і розчинний його в міцно нашатирному спирті (водяному розчині аміаку NH3). При цьому утворюється так звана комплексна мідно-аміачна сполука, розчинна у воді, і рідина приймає красиве темно-синє забарвлення.

У цій рідині розчинний, при помішуванні паличкою, грудочка вати (вата - це волокна бавовни). У нас вийде мідно-аміачний розчин целюлози. Якщо тепер його вилити тонким струменем в розчин кислоти або лугу, то комплексна сполука міді розкладеться, і целюлоза виділиться знову у вигляді пластівців і ниток. Мідно-аміачний розчин целюлози ми можемо видавлювати в осадительную ванну з якого-небудь насосика, наприклад медичного шприца. Тоді целюлоза твердне у вигляді довгих ниток. Це буде вже досить повним наслідуванням виробничому процесу одержання волокна.

У промисловості для одержання мідно-аміачного шовку використовується бавовняне волокно - линт. Щоб виділити целюлозу з мідно-аміачного комплексу, розчин видавлюють через фільєри в теплу воду або розчин лугу і нитки, що утворяться пропускають потім через розчин сірчаної кислоти.

Мідно-аміачний шовк називають павутиною з міцністю стали. Однак він тонше павутини і тонше натурального шовку і по міцності мало поступається останньому, а по красі навіть перевершує його.

Особливою міцністю володіє ацетатне волокно. За цим способом линт обробляють сумішшю оцтової кислоти CH3 COOH і оцтового ангідриду (CH3 CO) 2 O в присутності невеликої кількості сірчаної кислоти. В результаті реакції утворюється складний ефір - диацетилцеллюлоза або триацетилцеллюлоза. Якщо формулу целюлози зобразити у вигляді [C6 H7 O2 (OH) 3] n чи, спрощено (одна ланка молекули), у вигляді C6 H7 O2 (OH) 3. то формула диацетилцеллюлоза буде C6 H7 O2 (OH) (OOCCH3) 2. а формула триацетилцеллюлоза C6 H7 O2 (OOCCH3) 3.

Той і інший складний ефір целюлози використовуються для одержання штучного волокна. З цією метою перший з них розчиняють в суміші етилового спирту і ацетону, а другий - в суміші спирту і хлористого метилена. Отриманий в тому чи іншому випадку в'язкий розчин видавлюють через фільєру в шахту, в якій проходить нагріте повітря. За випаровуванні розчинника утворюються нитки шовку. Цей спосіб називається сухим формуванням волокна на відміну від попереднього способу - мокрого формування.

Усі розглянуті раніше волокна складаються, в кінцевому рахунку, з целюлози, хоча вона в процесі переробки піддавалася ряду перетворень. Ацетатне ж волокно від них істотно відрізняється тим, що є складним ефіром целюлози. Воно не набухає у воді і менше інших утрачає міцність у вологому стані.

Поки ацетатное волокно обходиться дорожче віскозного, тому що на виробництво його йдуть такі цінні речовини, як оцтовий ангідрид, ацетон і т. П.

Крім штучного волокна, з ацетилцелюлози готують непальну плівку, лаки, целлон.

Можна легко і безпомилково відрізнити бавовняну тканину від вовняної. Для цього варто лише узяти від зразків по невеликій ниточці і підпалити їх. Якщо нитка бавовняна відчувається запах горілого папера; якщо нитка вовняна, ми відчуємо запах паленого. Це відбувається тому, що вовна білкового характеру, а білки при нагріванні утворять летучі азотовмісні речовини з характерним запахом.

Чи можна подібним способом відрізнити нитка штучного волокна від бавовняної чи від нитки натурального шовку? Згадаймо, що штучне волокно складається в основному з целюлози; очевидно, воно при горінні не буде давати запаху паленого волосся, і за цією ознакою його не відрізнити від бавовняної нитки. Але його, виявляється, можна легко відрізнити від натурального шовку, адже натуральний шовк - це білок, і він, отже, подібно вовни, при підпалюванні буде видавати характерний запах.

Наше століття часто називають століттям синтетичної хімії. Дуже багато нових речовин одержала хімія за допомогою синтезу.

Навчилася вона одержувати і синтетичні волокна, т. Е. Такі, основу яких становлять не природні високомолекулярні речовини, а синтетичні полімери. Одними з перших синтетичних волокон стали відомі нейлон, анид і капрон.

Речовини, що утворять ці волокна, по своїй будівлі до деякої міри подібні з білковими речовинами шовку. Молекули усіх волоком мають лінійна будівля і складаються з повторюваних ланок. Такими ланками в молекулах целюлози будуть залишки молекул глюкози. У молекулах білка натурального шовку, вовни ланками є залишки амінокислот:

Групи атомів -CO-NH-, що з'єднують залишки амінокислот у таких молекулах, називаються амідних групами, а зв'язку між атомами вуглецю і азоту в них - амідних зв'язками.

У молекулах, що утворять нейлон і капрон, також є амідні зв'язку між повторюваними групами атомів, але ці повторювані групи атомів - ланки - відрізняються від тих, які утворюють молекулу природного білка.

Нейлон готують з досить простих органічних речовин - адиптиновой кислоти HOOC - (CH2) 4 - COOH і гексаметилендиамина H2 N - (CH2) 6 - NH2. які в свою чергу, одержують з фенолу. При нагріванні спільно адиптиновой кислоти і гексаметилендиамина утворюється в'язка смола. Молекули вихідних речовин, взаємодіючи один з одним, утворюють ниткоподібні молекули нового речовини. Ця реакція відбувається через те, що від кінця однієї молекули відривається гідроксильна група. А від кінця іншої молекули - з аміногрупи - атом водню. Група OH і атом водню утворять молекулу води H2 O, а залишки молекул органічних речовин за рахунок валентностей з'єднуються один з одним у довгі ланцюги. Спрощено цей процес можна зобразити наступною схемою:

Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl

Високомолекулярний продукт хлорування утвориться у вигляді смоли, яку називають також хлорином.

Хлорин розчиняють в ацетоні, розчин пропускають через фильеру у ванну з водою. Ацетон при цьому розчиняється, і хлорин виділяється у вигляді тонких волокон.

Хлоринового волокно негорючі, на нього не діють ні кислоти, ні лугу, якийсь час не діє навіть "царська горілка" - суміш азотної і соляної кислот, що робить звичайно особливо сильну окисну дію.

З хлоринового волокна готують фільтрувальні тканини і прокладки для хімічних апаратів, спецодяг для робітників хімічної промисловості, килими, лікувальна білизна і т. Д.

У списках хімічно стійких волокон учені звернулися і до полімеру тефлону (-CF2 -CF2 -) n вищому еталону хімічної інертності речовини, що перевершує в цьому відношенні такі шляхетні метали, як золото або платина. Тут труднощі здавалися довгий час нездоланними: тефлон не вдавалося розчинити в жодному з відомих розчинників, не можна його і чи розплавити навіть перевести в розм'якшений стан без розкладання. Однак використання деяких прийомів формування дозволило останнім часом з тефлону отримати волокна.

Нітрон і лавсан не можуть суперничати по хімічній стійкості з хлорином або тефлоном, але у них є інші цінні властивості, що відкривають перед цими волокнами перспективу широкого застосування.

Вихідною речовиною для одержання волокна служить нітрил акрилової кислоти - акрилонитрил CH2 -CH.

Завдяки наявності подвійного зв'язку між атомами вуглецю ця речовина легко полімеризується, утворюючи високомолекулярну смолу поліакрилонітрил

Полімер розчиняють у відповідному розчиннику і формують волокно по мокрому способі, подібно віскозному волокну.

Волокно нітрон по зовнішньому вигляді схоже на вовну, воно дуже добре розчиняє теплоту, досить міцно і перевершує інші волокна по світлостійкості. З цього волокна готують тканини для костюмів і пальто, штучне хутро, трикотажні вироби.

Волокно лавсан по хімічній природі є поліефіром. Вихідні речовини для його отримання - двухосновная терефталевая кислота

HOOC- -COOH і двоатомний спирт етиленгліколь HO-CH2 -CH2 -OH.

При відомих умовах ці речовини вступають між собою в реакцію етерифікації так, що у кожного з них взаємодіють при цьому обидві функціональні групи. В результаті утворюється високомолекулярна смола лавсан. Дещо спрощуючи, процес цей можна зобразити так:

C- -C + CH2 -CH2 + C- -C + ...