Производство вискозного волокна как источник воздействия на окружающую среду

- степень полимеризации целлюлозы.  Обычно степень полимеризации при производстве кордного волокна составляет 420-450. Но получить такую целлюлозу при высоком содержании α-целлюлозы  практически невозможно. Поэтому при производстве волокон используется целлюлоза со степенью полимеризации 800-1000, а в процессе производства ее снижают до требуемой величины. Увеличение степени полимеризации целлюлозы в волокне благоприятно сказывается на свойствах волокон, но при этом резко возрастает вязкость вискозы и затрудняется ее переработка.

- реакционная способность целлюлозы является одним из важнейших показателей, которые характеризуют ее технологические свойства. Чем меньше реакционная способность, тем больше используется сероуглерода для получения вискозы с хорошей фильтруемостью. Реакционная способность целлюлозы зависит от ее морфологической структуры, степени кристалличности, от условий выделения из древесины и ряда других факторов.

- жиры и смолы. Наличие жиров и смол приводит к снижению прозрачности вискозы, ухудшению ее фильтруемости, что вызывает засорение отверстий фильер и загрязнение волокна. Содержание жиров и смол не должно превышать для сульфитной целлюлозы 0,28, а для сульфатной 0,07%.

- минеральные вещества также относятся к нежелательным примесям. При организации замкнутого водооборота они загрязняют технологические растворы и тем самым осложняют ведение технологического процесса. Их содержание не должно превышать 0,08%.

- набухание целлюлозы в водном растворе щелочи влияет на процесс отжима щелочной целлюлозы. Обычно степень набухания колеблется в пределах от 450 до 700%.

- содержание коротких волокон должно быть минимальным, так как они характеризуются повышенным содержанием примесей и затрудняют ведение технологического процесса.

- влажность целлюлозы находится в пределах от 6 до 10%.

 К качеству вспомогательных  материалов, используемых при производстве  вискозного волокна, предъявляются  высокие требования, особенно по  содержанию вредных примесей (солей  металлов, оксидов и пр.)

 

2.2 Технология  производства вискозной кордной  нити

 

2.2.1 Общая схема технологического процесса. Вырабатываемый промышленностью химических волокон корд используется для изготовления пневматических автомобильных шин, а кордная нить – для производства ряда технических изделий. При производстве автомобильных шин кордную ткань используют для изготовления наиболее ответственной части – каркаса, несущего на себе основную нагрузку.

К кордной нити предоставляют очень высокие требования. Шинный корд должен обладать прочностью и выносливостью при малой толщине нити, значительной упругостью и малыми величинами необратимых удлинений, низким теплообразованием и способностью сохранять свои физико-механические свойства при высоких температурах, возникающих во время качения шины.

Вискозная кордная нить по сравнению с текстильной нитью имеет значительно большую толщину, повышенную прочность и повышенное удлинение. Прочность кордных нитей составляет 38 – 45 гс/текс, а удлинение – 10 – 16% [2].

Технологический процесс производства вискозного волокна, так же как и других волокон, включает три основные стадии: приготовление прядильного раствора, формование и последующую обработку волокна.

Технологический процесс получения вискозных волокон осуществляется следующим образом. Целлюлозу загружают в аппараты для  мерсеризации, где она обрабатывается водным раствором щелочи. Полученную щелочную целлюлозу отжимают от избытка щелочи, измельчают для увеличения реакционной поверхности. Измельченную целлюлозу выдерживают при повышенной температуре, чтобы уменьшить молекулярную массу (за счет окислительной деструкции ее кислородом воздуха в щелочной среде). Эта операция называется предварительным созреванием (предсозреванием).

После предсозревания щелочную целлюлозу обрабатывают сероуглеродом. При этом получается ксантогенат целлюлозы, который растворяется в разбавленном растворе гидроксида натрия, образуя вязкие прядильные растворы – вискозу. Далее вискоза подвергается обычным технологическим операциям – смешению, фильтрации и удалению воздуха.

Совокупность физико-химических процессов, протекающих при подготовке вискозы к формованию, получила название созревание вискозы. После созревания

вискоза направляется на формование.

Формование проводят мокрым способом. В качестве осадительной ванны применяют водный раствор серной кислоты, сульфата натрия и сульфата цинка. При формовании наряду с высаживанием полимера происходит также разложение ксантогената целлюлозы. При этом целлюлоза регенерируется, и образуется гидратцеллюлозное волокно. Последующая обработка вискозных волокон сводится к их отделке, сушке и текстильной обработке. Отделка проводится для удаления компонентов осадительной ванны и других загрязнений, удерживаемых волокном, а также для облегчения переработки волокна в текстильном производстве.

Для производства вискозных кордных нитей используются только машины и агрегаты непрерывного процесса. Наиболее широкое распространение получили одноэтажные  горизонтальные агрегаты. Эти агрегаты сконструированы по типу поточных линий для выработки вискозного волокна с отделкой в жгуте. Эти машины просты по конструкции, но требуют больших производственных площадей (длина 66 – 80 м).

2.2.2 Мерсеризация целлюлозы. Мерсеризацией называют процесс обработки целлюлозы раствором едкого натра. При обработке целлюлозы растворами щелочи образуется новое химическое соединение – щелочная целлюлоза. Химизм процесса недостаточно выяснен. Предполагается, что реакция взаимодействия целлюлозы со щелочью является равновесной и протекает в две стадии. На первой стадии образуется аддитивное соединение:

+nNaOH→

На второй стадии возможно образование алкоголята. Аддитивное соединение целлюлозы со щелочью находится в равновесии с алкоголятом целлюлозы:

→

Равновесие обычно сильно сдвинуто в сторону образования аддитивного соединения.

При обработке целлюлозы растворами щелочи происходит ее набухание. Максимальное набухание происходит при концентрации щелочи 10 –12% [3]. Повышение температуры приводит  к снижению степени набухания целлюлозы.

При мерсеризации в целлюлозе происходят необратимые глубокие структурные изменения – разрушение структуры природной целлюлозы и возникновение гидратцеллюлозы, что приводит к повышению ее реакционной способности и дает перевести целлюлозу в растворимое состояние. Процесс мерсеризации сопровождается также частичной окислительной деструкцией целлюлозы.

Основными параметрами процесса мерсеризации является модуль ванны, концентрация щелочи, температура, продолжительность процесса, содержание гемицеллюлоз в рабочем растворе щелочи.

Отношение объема щелочи в литрах к массе целлюлозы в килограммах называется модулем ванны. Величина модуля зависит от аппаратного оформления процесса. При проведении процесса на установках непрерывной мерсеризации модуль ванны колеблется от 14 до 40 [3]. При проведении процесса в аппаратах ВА щелочная целлюлоза не отжимается, и мерсеризация проводится при малых модулях, равных 3 – 4 [3].

Концентрация щелочи в растворе зависит от температуры, свойств исходной целлюлозы, способа проведения процесса и других факторов. Щелочная целлюлоза может быть получена при воздействии на целлюлозу 10 – 12%-ного раствора щелочи. Однако ксантогенат, полученный из такого продукта, не полностью растворяется в разбавленной щелочи, и растворы плохо фильтруются. При повышении концентрации щелочи до 16 –18%  фильтруемость вискозы возрастает, а затем снова понижается.

Мерсеризация протекает с положительным тепловым эффектом, поэтому при повышении температуры равновесие сдвигается влево, что влечет за собой необходимость повышения концентрации щелочи. При выборе концентрации необходимо учитывать, что при мерсеризации щелочь разбавляется водой, содержащейся в целлюлозе. Поэтому начальная концентрация щелочи  при работе с малыми модулями должна быть повышена. При непрерывной мерсеризации концентрация  NaOH составляет 225 – 240, а в аппаратах ВА – 260 – 290 г/л. [3].

Температура оказывает влияние на химическое равновесие, степень набухания и скорость окислительной деструкции. При непрерывной мерсеризации для облегчения процесса отжима щелочной целлюлозы мерсеризацию проводят при температуре 45 – С, а в аппаратах ВА для обеспечения  возможности проведения процесса при низком модуле температуру повышают до [3]

Продолжительность процесса определяется временем, необходимым для растворения и для вымывания гемицеллюлоз, а также временем, необходимым для выравнивания концентрации щелочи. Полное разделение целлюлозы на отдельные волокна при мерсеризации в аппаратах непрерывного действия заканчивается через 30 – 40 минут [3], поэтому продолжительность мерсеризации находится в указанных пределах.

Содержание гемицеллюлоз в рабочем растворе щелочи должно поддерживаться на определенном оптимальном уровне. При получении высокопрочных волокон содержание гемицеллюлоз целесообразно поддерживать на уровне 20 – 22 г/л [3].

2.2.3 Отжим и измельчение  щелочной целлюлозы. Избыток щелочи удаляется путем отжима. Отжим – гидродинамический процесс, протекающий в пористых телах с изменяющейся геометрией пор. При отжиме параллельно происходят два процесса: течение щелочи через систему капилляров щелочной целлюлозы (дренаж) и деформация сжатия эластичного пористого тела. Чем выше температура и давление, тем быстрее и полнее протекает отжим, поэтому отжим проводят при температуре 45 -- С и давлении 10 МПа.

Степень отжима характеризуется отношением массы отжатой щелочной целлюлозы к массе исходной целлюлозы. Обычно отжим проводят до содержания целлюлозы в отжатой щелочной целлюлозе, равного 29 –32%.

После мерсеризации и отжима щелочную целлюлозу подвергают измельчению для увеличения ее реакционной поверхности и облегчения диффузии молекул сероуглерода при последующем ее ксантогенировании. Процесс измельчения облегчается при добавлении поверхностно-активных веществ.

Степень измельчения щелочной целлюлозы характеризуется обычно величиной насыпной плотности. При измельчении щелочной целлюлозы в аппаратах непрерывного действия различной конструкции этот показатель колеблется  от 80 до 120 кг/ .  После измельчения щелочная целлюлоза уплотняется до насыпной плотности 140 – .

В связи с тем, что продолжительность измельчения в аппарате непрерывного действия составляет всего 2 –3 минуты, при измельчении целлюлоза практически не деструктирует.

В промышленности для получения щелочной целлюлозы наиболее широкое применение нашли установки непрерывной мерсеризации мощностью 20 –30 тонн в сутки по целлюлозе, на которых последовательно проводятся все стадии получения щелочной целлюлозы (мерсеризация, отжим и измельчение).

Для отжима щелочной целлюлозы используются аппараты различной конструкции: ситовые отжимные прессы, вауум-барабанные фильтры в комбинации с отжимными вальцами, двухбарабанные отжимные прессы.

Принципиальная схема одного из вариантов установки непрерывной мерсеризации приведена на рисунке 2.1.

2.2.4 Предварительное созревание  щелочной целлюлозы. Степень полимеризации  целлюлозы в готовом волокне  зависит от требований, предъявляемых  к качеству волокна, и от условий  ее получения. Чем выше  степень полимеризации, тем лучше физико-механические свойства волокна, но тем труднее осуществляется переработка целлюлозы.  В готовых высокопрочных волокнах степень полимеризации колеблется в пределах 450 – 550 [3], в то время как степень полимеризации исходной целлюлозы составляет 800 –1000.

 

1—кипа целлюлозы; 2 –  бак-мерсеризатор; 3 – загрузочная  воронка; 4 – уравнительный бачок; 5 – теплообменник; 6 – массонасос; 7 – бак-компенсатор; 8 – двухбарабанный  отжимной пресс; 9 – барабанный фильтр; 10 – вращающиеся ножи; 11—трервальцовый пильчатый измельчитель; 12 – транспортер; 13 – прижимные валики.

Рисунок 2.1 – Установка непрерывной мерсеризации

 

В большинстве случаев для достижения необходимой степени полимеризации предусмотрена дополнительная стадия технологического процесса, так называемый процесс предсозревания, при котором протекает деструкция щелочной целлюлозы.

Этот процесс осуществляется в гетерогенной среде, поэтому лимитируется процессом диффузии кислорода, особенно при недостаточной степени измельчения щелочной целлюлозы.

Существенное влияние на процесс окислительной деструкции оказывает степень отжима щелочной целлюлозы. Чем больше щелочи остается в щелочной целлюлозе, тем медленнее происходит ее деструкция.

Основными параметрами процесса предсозревания являются температура и продолжительность процесса.

С повышением температуры скорость окислительной деструкции целлюлозы значительно увеличивается. Применяются два температурных режима предсозревания: среднетемпературный при С (продолжительность 10 – 20 ч) и высокотемпературный при  (продолжительность 2 – 6 ч). [3]

Продолжительность предсозревания зависит кроме температуры также от степени полимеризации щелочной целлюлозы и от степени отжима. Чем выше степень полимеризации и чем меньше степень отжима щелочной целлюлозы, тем больше при прочих равных условиях продолжительность процесса предсозревания.

Деструкцию щелочной целлюлозы производят в аппаратах непрерывного действия большой производительности. К таким аппаратам относятся: бункера, двухтрубные аппараты, ленточные и пластинчатые транспортеры.

2.2.5 Ксантогенирование щелочной целлюлозы. Под ксантогенированием понимается комплекс химических и физико-химических процессов, протекающих при взаимодействии щелочной целлюлозы с сероуглеродом.