Штучні та синтетичні волокна
Реферат з хімії підготував Сергій Голубєв
Здавна для виготовлення свого одягу людина
користувався природними волокнами, які отримуються з бавовни, льону, вовни деяких
тварин, з ниток, випрядаемих гусеницею шовковичного шовкопряда. Цілком
природно, що ці джерела виявилися недостатніми, щоб повністю
задовольнити все зростаючу потребу в тканинах.
Гусениця шовковичного шовкопряда видавлює через вузький
протока в'язку рідину і витягає її в найтоншу нитка, застигаючю 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 нітроцелюлоза, що при розчиненні в суміші спирту з ефіром
давала сиропоподібну рідина. З цієї рідини паличками вдавалося витягати
нитки. Але цей примітивний спосіб не міг, звичайно, нікого задовільнити.
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 спиртоэфирного розчину виходили
шовковисті довгі нитки чистої нітроцелюлози.
Відомо, як вогненебезпечна й вибухові нітроцелюлоза. 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
все-таки з волокнистого матеріалу - бавовни. З бавовни легко одержувати нитки і
звичайним прядінням, щоправда, вони не мають шовковистий блиском. 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, у деревині целюлоза складає
приблизно 50% за масою. 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.
При цьому гідросульфіт руйнує речовини,
склеюючі волоконця клітковини, і вона, як хімічно найбільш стійка,
виділяється у вільному вигляді. Целюлозу змішують з водою і рідкою
кашку виливають поступово на безупинно рухливу стрічку. Після видалення води,
висушування і різання утворяться аркуші так званої 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 не 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 у
розведених розчинах лугу, для одержання таких розчинів надходять
наступним чином.
Аркуші целюлози обробляли лугом, потім їх
подрібнюють механічним способом, що одержану пластівчасту масу через
якийсь 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 являє собою ефір целюлози.
До ксантогенату доливають 4-процентний розчин
гідроксиду натру. Утворюється в'язкий розчин - віскоза. Цей спосіб одержав
назва віскозного. Віскозу залишають на кілька днів "дозрівати", щоб вона
стала придатної 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:
CuSO4 + 2NaOH = Cu (OH) 2 + Na2SO4
відфильтруем осад і розчинний його в міцно нашатирному
спирті (водному розчині аміаку NH3). При цьому утвориться так звана комплексна
мідно-аміачна сполука, розчинна
у воді, і рідина приймає красиве темно-синє забарвлення.
У цій рідині розчинний, при помішуванні паличкою,
грудочку вати (вата - це волокна бавовни). У нас вийде мідно-аміачний
розчин целюлози. Якщо тепер його вилити тонким струменем у розчин чи кислоти
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
сталі. 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
цього способу линт обробляють сумішшю оцтової кислоти CH3COOH і оцтовий
ангідриду (CH3CO) 2O у
присутності невеликого кількість сірчаної кислоти. У результаті реакції
утвориться складний ефір - диацетилцеллюлоза або триацетилцеллюлоза. Якщо
формулу целюлози зобразити у вигляді [C6H7O2 (OH) 3] n чи, спрощено (одна ланка молекули), у вигляді C6H7O2 (OH) 3, то формула диацетилцеллюлоза буде C6H7O2 (OH) (OOCCH3) 2, а формула триацетилцеллюлозы C6H7O2 (OOCCH3) 3.
Той і інший складний ефір целюлози використовуються для
одержання штучного волокна. З цією метою перший з них розчиняють у суміші
етилового спирту та ацетону, а другий - у суміші спирту і хлористого метилену.
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, у 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 ацетатне волокно обходиться дорожче віскозного,
тому що на виробництво його йдуть такі коштовні речовини, як оцтовий ангідрид,
ацетон і т. п.
Крім штучного волокна, з ацетилцеллюлозы
готують негорючу 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 летючі
азотовмісні речовини з характерним запахом.
Чи можна подібним способом відрізнити нитка
штучного волокна від бавовняної чи від нитки натурального шовку?
Згадаємо, 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, тобто
такі, основу яких складають 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:
H O
O
H2N-CH-C;-N-CH-C-
OH
R R
Будівля молекули білкової речовини шовки може бути
виражено схемою:
H O
H O H
O
...-N-CH-C-N-CH-C-N-CH-C-...
R R
R
Групи атомів-CO-NH-, що з'єднують
залишки амінокислот у таких молекулах, називаються амідних групами, а зв'язку
між атомами вуглецю й 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 - адіптіновой кислоти HOOC - (CH2) 4
- COOH і гексаметілендіаміна H2N - (CH2) 6
- NH2, які
у свою чергу, одержують з фенолу. При нагріванні спільно адіптіновой
кислоти і гексаметілендіаміна 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 H2O, а залишки молекул органічних речовин за рахунок
звільнилися валентностей з'єднуються один з одним у довгі ланцюги. Спрощено
цей процес можна зобразити наступною схемою:
HO OH H H
C-(CH2) 4-C + N-(CH2) 6-N +
O O H H
HO OH
C-(CH2) 4-C + ...
O O
HO
C-(CH2) 4-C-N-(CH2) 6-N-C-(CH2) 4-C -
... + NH2O;
O
O H
H O O
Так з'єднується в ланцюг приблизно по сотні залишків
молекул гексаметілендіаміна і адіптіновой кислоти.
Нагріту в'язку смолу продавлюють через тонкі
отвори фільєри. Охолоджується повітря струмінь твердне, утворюючи волокно.
Швидкість утворення волокон тут дуже велика - 1000 м/хв. Далі волокна
нейлону піддаються розтягування на барабанах, що обертаються з різною швидкістю;
при цьому вони збільшуються у кілька разів. Молекули, що утворять їх, раніше як би
зморщені, випрямляються і розташовуються по осі волокна. Від цього міцність
волокна сильно зростає.
Довгі ланцюжки молекул іншого синтетичного волокна
- Капрону, що є винаходом радянських учених, - побудовані з
повторюваних ланок - залишків амінокапронової кислоти NH2-(CH2) 5-COOH.
За рахунок аминогрупп і карбоксильних груп різних
молекул тут також встановлюється амідній зв'язок між ланками, що видно з
наступної схеми будівлі молекули капрону:
O H O H O
H2N-(CH2) 5-C
- N-(CH2) 5-C - N-(CH2) 5-C-...
Технічний спосіб одержання волокон капрону подібний зі
способом одержання нейлону. З капрону можна одержувати настільки тонкі волокна,
що нитка довжиною 9 км буде важити усього лише 6 р.
Волокна нейлону (анид) і капрону мають міцність,
значно перевершує міцність природних і штучних волокон. Вироби
з них мають багато й інших чудових властивостей. Вони не гниють, не поїдаються
міллю. Після прання вони швидко сохнуть і легко приймають колишній вид. Ці
вироби не гігроскопічність і не знижують своєї міцності від вологи, як це
спостерігається в інших штучних волокон, навіть у натурального шовку.
Дослідження вчених привели до створення ряду нових
волокон. У нашій країні, крім анид і капрон, виробляються такі
синтетичні волокна, як хлорин, нітрону, лавсан, енант.
До хлорин вчені підійшли в пошуках волокна високої
хімічної стійкості (розглянуті вище поліамідні волокна нестійкі по
відношенню до кислот). Серед хімічно стійких полімерів був відомий
полівінілхлорид (поліхлорвінілу):
-CH2-CH-
Cl n
Однак одержати волокно з нього виявилося справою
складним. Адже щоб досягти розташування молекул у визначеному напрямку, а
без цього немає волокна, необхідно полімер розплавити, тобто дати можливість
молекул його вільно переміщатися, щоб потім у процесі формування
перебудувати їх розташування і закріпити в потрібному порядку. Тим часом
полівінілхлорид не можна розплавляти, оскільки при нагріванні він розкладається; важко
знайти і придатний розчинник. Подібно тому як при одержанні штучних
волокон розчинність целюлози досягається за рахунок її хімічної обробки.
Вдалося зробити розчинною і полівінілхлорид у результаті його додаткового
хлорування. Цю реакцію, дуже нагадує нам хлорування граничних
вуглеводнів, можна виразити такою схемою:
-CH2-CH-CH2-CH-CH2-CH-... +
nCl2-CH2-CH-CH-CH-CH2-CH-... + nHCl
Cl Cl Cl Cl Cl
Cl Cl
Високомолекулярний продукт хлорування утвориться в
вигляді смоли, називаної також хлорином.
Хлорин розчиняють в ацетоні, розчин пропускають через
фільєру у ванну з водою. Ацетон при цьому розчиняється, і хлорин виділяється в
вигляді тонких волокон.
Хлоріновое 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 сильний окисне
дію.
З хлорінового волокна готують фільтрувальні тканини і
прокладочний матеріал 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
благородні метали, як золото або платина. Тут труднощі здавалися довгий
час нездоланними: тефлон не вдавалося розчинити в жодному з відомих
розчинників, не можна його, щоб розтопити або навіть перевести в розм'якшене
стан без розкладання. Однак використання деяких прийомів формування
дозволило останнім часом з тефлону отримати волокна.
нітрону 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 нітро?? л
акрилової кислоти - акрилонитрил CH2-CH.
CN
Завдяки наявності подвійного зв'язку між атомами вуглецю
ця речовина легко полімеризується, утворюючи високомолекулярних смолу
Поліакрилонітрил
(-CH2-CH-) n.
CN
Полімер розчиняють у відповідному розчиннику і
формують волокно по мокрому способі, подібно віскозному волокна.
Волокно нітрону 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
за хімічною природою є
поліефіром. Вихідні речовини
для його отримання
- Двоосновний терефталевая
кислота
HOOC--COOH і двоатомних 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. У результаті утворюється високомолекулярна смола
лавсан. Дещо спрощуючи, процес цей можна зобразити так:
O O O O
C--C + CH2-CH2 +
C--C + ...
OH OH
HO OH HO OH
O O O O
C--C C--C + nH2O
OH O-CH2-CH2-O ...
Подібні реакції утворення полімерів, що йдуть з
виділення низькомолекулярного продукту, носять загальна назва реакцій
поліконденсації, на відміну від реакцій полімеризації, що йдуть без виділення
побічного продукту і що є власне кажучи реакціями з'єднання (див.
освіта нітрону).
Одержувані з смоли лавсан волокна характеризуються
великою міцністю, значною стійкістю до високих температур, світлу й
іншим реагентів. Тканини з лавсану не мнуть і не втрачають згодом додану
їм форму.
У нашій країні до Жовтневої революції існувала
лише одна фабрика штучного шовку, що працювала по віскозному способі, та й
та припинила свою роботу під час першої світової війни. За Радянської влади
промисловість штучних, а потім і синтетичних волокон одержала широкий
розвиток.
Список літератури
Книга для читання по органічній хімії. Посібник для
учнів. М., "Освіта", 1975.
