Вискоза , также называемая вискозой [1] и продаваемая в некоторых странах как шелк сабры или шелк кактуса , [2] представляет собой полусинтетическое волокно , [3] изготовленное из натуральных источников регенерированной целлюлозы , таких как древесина и связанные с ней сельскохозяйственные продукты. [4] Он имеет ту же молекулярную структуру, что и целлюлоза. Существует множество типов и сортов вискозных волокон и пленок. Некоторые имитируют ощущение и текстуру натуральных волокон, таких как шелк , шерсть , хлопок и лен . Типы, напоминающие шелк, часто называют искусственным шелком . Его используют для изготовления тканей для одежды и других целей. [5]
Производство вискозы предполагает солюбилизацию целлюлозы, что позволяет придать волокнам необходимую форму. Три распространенных метода солюбилизации:
Французский ученый и промышленник Илер де Шардонне (1838–1924) изобрел первое искусственное текстильное волокно — искусственный шелк . [11]
Швейцарский химик Матиас Эдуард Швейцер (1818–1860) обнаружил, что целлюлоза растворяется в дигидроксиде тетраамина меди . Макс Фремери и Иоганн Урбан разработали метод производства углеродных волокон для использования в лампочках в 1897 году. [12] Производство медно-аммониевого вискозы для текстиля началось в 1899 году на предприятии Vereinigte Glanzstoff Fabriken AG в Обербрухе (недалеко от Аахена ). [ нужна цитата ] [13] Улучшение JP Bemberg AG в 1904 году сделало искусственный шелк продуктом, сравнимым с настоящим шелком. [14] [15]
Английский химик Чарльз Фредерик Кросс и его сотрудники Эдвард Джон Беван и Клейтон Бидл запатентовали свой искусственный шелк в 1894 году. Они назвали его «вискозой», потому что при его производстве использовался высоковязкий раствор. Кросс и Беван получили британский патент № 8700 «Усовершенствования в растворении целлюлозы и родственных соединений» в мае 1892 года . ООО [11] [17]
Первый коммерческий вискоза была произведена британской компанией Courtaulds Fibers в ноябре 1905 года. [18] В Великобритании производство вискозы пользовалось тарифной защитой раньше, чем большинство других отраслей. [19] Курто сформировал американское подразделение American Viscose (позже известное как Avtex Fibers) для производства своей формулы в США в 1910 году . [20] Название « вискоза» было принято в 1924 году. используется для производства вязкой органической жидкости, используемой для изготовления вискозы и целлофана . В Европе, однако, сама ткань стала известна как «вискоза», что было признано Федеральной торговой комиссией США (FTC) приемлемым альтернативным термином для вискозы. [ нужна цитата ]
Вискоза производилась только в виде нитей до 1930-х годов, когда были разработаны методы использования «ломаного вискозного волокна» в качестве штапельного волокна. [ нужна цитата ]
Поиск производителей менее экологически вредного процесса изготовления вискозы привел к разработке лиоцеллового метода производства вискозы. [21] Процесс лиоцелла был разработан в 1972 году командой ныне несуществующего предприятия по производству волокон American Enka в Энке, Северная Каролина . [ нужна цитата ] В 2003 году Американская ассоциация химиков и колористов по текстилю (AATCC) наградила Нила Э. Фрэнкса премией Генри Э. Милсона за изобретение лиоцелла. [22] В 1966–1968 годах Д. Л. Джонсон из Eastman Kodak Inc. изучал растворы NMMO. В течение десятилетия с 1969 по 1979 год американская Enka безуспешно пыталась коммерциализировать этот процесс. [21] Рабочее название волокна внутри организации Enka было «Newcell», и разработка велась на пилотном заводе, прежде чем работы были остановлены. Основной процесс растворения целлюлозы в NMMO был впервые описан в патенте 1981 года Макорсли для Akzona Incorporated [21] [23] (холдинговая компания Akzo). В 1980-х годах лицензия на патент была передана компанией Akzo компаниям Courtaulds и Lenzing. [24] Волокно было разработано компанией Courtaulds Fibers под торговой маркой Tencel в 1980-х годах. В 1982 году в Ковентри, Великобритания, была построена пилотная установка производительностью 100 кг/неделю, а в 1984 году производство было увеличено в десять раз (до тонны в неделю). В 1988 году в Гримсби, Великобритания , открылась полукоммерческая производственная линия производительностью 25 тонн/неделю. , пилотный проект . [25] [21] Этот процесс был впервые [ нужна ссылка ] коммерциализирована на вискозных фабриках Курто в Мобиле, Алабама [26] (1990 [ нужна ссылка ] ) и на заводе в Гримсби (1998) [ нужна ссылка ] . В январе 1993 года завод Mobile Tencel достиг полной производительности в 20 000 тонн в год, и к этому времени Courtaulds потратила 100 миллионов фунтов стерлингов и 10 лет на разработку Tencel. Доходы Tencel за 1993 год оценивались в 50 миллионов фунтов стерлингов. Планировалось построить второй завод в Мобиле. [26] К 2004 году производство увеличилось в четыре раза до 80 000 тонн. [24]
Компания Lenzing запустила пилотный завод в 1990 году [21] и коммерческое производство в 1997 году, производя 12 метрических тонн в год на заводе в Хайлигенкройц-им-Лафницталь , Австрия. [21] [24] Когда в 2003 году на заводе произошел взрыв, он производил 20 000 тонн в год и планировал удвоить мощность к концу года. [27] В 2004 году Ленцинг производил 40 000 тонн [так в оригинале, вероятно, метрические тонны]. [24] В 1998 году Ленцинг и Курто достигли урегулирования патентного спора. [24]
В 1998 году компания Courtaulds была приобретена конкурентом Akzo Nobel , [28] который объединил подразделение Tencel с другими подразделениями по оптоволокну под брендом Accordis, а затем продал их частной инвестиционной компании CVC Partners. В 2000 году CVC продала подразделение Tencel компании Lenzing AG , которая объединила его со своим бизнесом Lenzing Lyocell, но сохранила торговую марку Tencel. [24] Он приобрел заводы в Мобиле и Гримсби и к 2015 году стал крупнейшим производителем лиоцелла с объемом производства 130 000 тонн в год. [21]
Вискоза производится путем растворения целлюлозы с последующим преобразованием этого раствора обратно в нерастворимую волокнистую целлюлозу. Для этой регенерации были разработаны различные процессы. Наиболее распространенными методами создания вискозы являются медно-аммиачный метод, вискозный метод и лиоцелловый процесс. Первые два метода практикуются уже более века.
Медноаммониевый вискоза по свойствам аналогичен вискозе; однако при его производстве целлюлоза соединяется с медью и аммиаком ( реактив Швейцера ). Из-за вредного воздействия этого метода производства на окружающую среду медноаммониевый вискоза больше не производится в Соединенных Штатах . [29] Этот процесс был описан как устаревший, [6] но медно-аммониевый вискоза до сих пор производится одной компанией в Японии. [30] [ нужен лучший источник ]
Сульфат тетраамминмеди(II) также используется в качестве растворителя.
Процесс получения вискозы основан на реакции целлюлозы с сильным основанием с последующей обработкой этого раствора сероуглеродом с получением производного ксантогената . Затем на следующем этапе ксантогенат снова преобразуется в целлюлозное волокно.
Вискозный метод может использовать древесину в качестве источника целлюлозы, тогда как другие способы получения вискозы требуют в качестве исходного материала целлюлозы, не содержащей лигнина . Использование древесных источников целлюлозы удешевляет вискозу, поэтому ее традиционно использовали в больших масштабах, чем другие методы. С другой стороны, оригинальный процесс получения вискозы приводит к образованию большого количества загрязненных сточных вод. Новые технологии используют меньше воды и улучшают качество сточных вод.
Сырьем для производства вискозы служит в первую очередь древесная целлюлоза (иногда бамбуковая целлюлоза ), которую химически преобразуют в растворимое соединение. Затем его растворяют и пропускают через фильеру для получения нитей, которые химически затвердевают, в результате чего получаются волокна из почти чистой целлюлозы. [31] Если с химикатами не обращаться осторожно, рабочие могут серьезно пострадать от сероуглерода, используемого для производства большей части вискозы. [32] [33]
Для приготовления вискозы целлюлозу обрабатывают водным раствором гидроксида натрия (обычно 16–19% по массе ) с образованием « щелочной целлюлозы », имеющей приблизительную формулу [C 6 H 9 O 4 −ONa] n . Этот материал может в некоторой степени деполимеризоваться. Скорость деполимеризации (созревания или созревания) зависит от температуры и присутствия различных неорганических добавок, таких как оксиды и гидроксиды металлов. Воздух также влияет на процесс созревания, поскольку кислород вызывает деполимеризацию. Затем щелочную целлюлозу обрабатывают сероуглеродом с образованием ксантогената целлюлозы натрия : [5]
Вискозное волокно получают из созревших растворов путем обработки минеральной кислотой, например серной кислотой . На этом этапе ксантогенатные группы гидролизуются для регенерации целлюлозы и сероуглерода:
Помимо регенерированной целлюлозы, при подкислении образуются сероводород (H 2 S), сера и сероуглерод. Нить из регенерированной целлюлозы промывают для удаления остатков кислоты. Затем серу удаляют добавлением раствора сульфида натрия , а примеси окисляют путем отбеливания раствором гипохлорита натрия или раствором перекиси водорода . [17]
Производство начинается с переработанной целлюлозы, полученной из древесной массы и растительных волокон. Содержание целлюлозы в мякоти должно составлять около 87–97%.
Шаги: [31]
Процесс лиоцелла основан на растворении продуктов целлюлозы в растворителе, N-оксиде N -метилморфолина (NMMO).
Процесс начинается с целлюлозы и включает в себя сухое мокрое прядение. Он был разработан ныне несуществующими компаниями American Enka Company и Courtaulds Fibres. Tencel компании Lenzing является примером лиоцеллового волокна. [14] В отличие от процесса производства вискозы, процесс ликоцелл не использует высокотоксичный сероуглерод. [9] [10] «Лиоцелл» стал обобщенным товарным знаком, используемым для обозначения лиоцеллового процесса изготовления целлюлозных волокон. [10]
По состоянию на 2018 год [обновлять]лиоцелловый процесс широко не используется, поскольку он все еще дороже, чем вискозный процесс. [10] [9]
Вискоза — это универсальное волокно, и многие утверждают, что оно обладает теми же комфортными свойствами, что и натуральные волокна, хотя драпируемость и скользкость вискозного текстиля часто больше напоминают нейлон . Он может имитировать ощущение и текстуру шелка , шерсти , хлопка и льна . Волокна легко окрашиваются в широкий спектр цветов. Вискозные ткани мягкие, гладкие, прохладные, удобные и хорошо впитывают влагу, но они не всегда изолируют тепло тела, что делает их идеальными для использования в жарком и влажном климате, хотя при этом их «рука» (на ощупь) становится прохладной, а иногда и почти слизистой. на ощупь. [34]
Прочность и сохранение внешнего вида обычного вискозного волокна низкие, особенно во влажном состоянии; Кроме того, вискоза имеет самое низкое эластичное восстановление среди всех волокон. Однако вискоза HWM (искусственный шелк с высоким модулем влажности) намного прочнее и демонстрирует более высокую долговечность и сохранение внешнего вида. Рекомендуемый уход за обычным вискозным бельем – только химчистка. Вискозу HWM можно стирать в машине. [35]
Обычный вискоза имеет продольные линии, называемые полосами, а его поперечное сечение имеет зазубренную круглую форму. Поперечные сечения HWM и Купрского района более округлые. Филаментная вискозная пряжа варьируется от 80 до 980 нитей на пряжу и имеет размер от 40 до 5000 денье . Штапельные волокна имеют плотность от 1,5 до 15 денье и подвергаются механической или химической извитости. Волокна вискозы по своей природе очень яркие, но добавление матирующих пигментов снижает эту естественную яркость. [35]
Физические свойства вискозы оставались неизменными до тех пор, пока в 1940-х годах не появился высокопрочный вискоза. Дальнейшие исследования и разработки привели к созданию вискозы с высоким модулем влажности (HWM) в 1950-х годах. [35] Исследования в Великобритании проводились финансируемой правительством Британской ассоциацией районных исследований .
Высокопрочный вискоза — это еще одна модифицированная версия вискозы, которая почти в два раза прочнее, чем HWM. Этот тип вискозы обычно используется в промышленных целях, например, в качестве шинного корда. [29]
Промышленное применение вискозы появилось примерно в 1935 году. Заменив хлопковое волокно в шинах и ремнях, промышленные типы вискозы приобрели совершенно другой набор свойств, среди которых первостепенное значение имели прочность на разрыв и модуль упругости.
Модал — это обобщенная торговая марка компании Lenzing AG , используемая для обозначения (вискозного) вискозного волокна, которое при изготовлении растягивается, выравнивая молекулы вдоль волокон. Доступны две формы: «полинозик» и «высокий модуль влажности» (HWM). [36] [37] [ нужен лучший источник ] Вискоза с высоким модулем влажности — это модифицированная версия вискозы, которая становится прочнее во влажном состоянии. Его можно мерсеризовать, как хлопок. Районы HWM также известны как «полинозные». [ противоречиво ] Полинозные волокна стабильны по размерам, не сжимаются и не теряют форму при намокании, как многие вискозы. Они также износостойкие и прочные, сохраняя при этом мягкость и шелковистость. Иногда их называют торговым названием Модал. [29] Модал используется отдельно или вместе с другими волокнами (часто хлопком или спандексом ) в одежде и предметах домашнего обихода, таких как пижамы, нижнее белье, халаты, полотенца и простыни. Модал можно сушить в сушильной машине без повреждений. [38] Известно, что ткань скатывается меньше , чем хлопок, из-за свойств волокна и меньшего поверхностного трения. [39] Модал изготавливается путем прядения целлюлозы бука и считается более экологически чистой альтернативой хлопку, поскольку в процессе производства используется в среднем в 10–20 раз меньше воды. [40]
В 2018 году производство вискозного волокна в мире составило около 5,8 млн тонн, а крупнейшим производителем стал Китай , на долю которого пришлось около 65% общего мирового производства. [41] Торговые названия используются в вискозной промышленности для обозначения типа вискозы в продукции. Вискоза была впервые произведена в Ковентри, Англия, в 1905 году компанией Courtaulds.
Bemberg — торговое название купрамониевого вискозы, разработанного JP Bemberg . Bemberg по своим свойствам очень похож на вискозу, но имеет меньший диаметр и по ощущениям ближе всего к шелку. Bemberg теперь производится только в Японии. [30] Волокна тоньше, чем вискоза. [15] [ не удалось проверить ]
Модал и Тенсел — широко используемые формы вискозного волокна, производимые Lenzing AG . Тенсел, родовое название лиоцелл , производится с использованием несколько иного процесса восстановления растворителем, и Федеральная торговая комиссия США считает его другим волокном. Тенсел-лиоцелл был впервые коммерчески произведен на заводе Courtaulds в Гримсби в Англии. Процесс растворения целлюлозы без химической реакции был разработан компанией Courtaulds Research.
Birla Cellulose также является крупным производителем вискозы. У них есть заводы, расположенные в Индии , Индонезии и Китае .
Accordis была крупным производителем волокон и пряжи на основе целлюлозы. Производственные мощности можно найти по всей Европе, США и Бразилии . [42]
Вискоза Visil и HOPE FR представляют собой огнестойкие формы вискозы, в волокно которых при производстве вводится кремнезем .
Североамериканская вискоза в Теннесси производила вискозу до своего закрытия в 2000 году. [43] [44]
Индонезия является одним из крупнейших производителей вискозы в мире, а годовая производственная мощность Азиатско-Тихоокеанского района (АТР) страны составляет 0,24 миллиона тонн. [45]
Биоразлагаемость различных волокон в почве и осадках сточных вод была оценена корейскими исследователями. Было обнаружено, что вискоза более биоразлагаема, чем хлопок, а хлопок — лучше, чем ацетат. Чем более водоотталкивающая ткань на основе вискозы, тем медленнее она будет разлагаться. [46] Серебряная рыбка , как и светляк , может есть вискозу, но ущерб оказался незначительным, возможно, из-за тяжелой и гладкой текстуры проверенной вискозы. [47] В другом исследовании говорится, что «искусственный шелк [...] [был] охотно съеден» серой чешуйницей . [48]
Исследование океана в 2014 году показало, что на долю вискозы приходится 56,9% от общего количества волокон, обнаруженных в глубоководных районах океана, а остальное приходится на полиэстер , полиамиды , ацетат и акрил . [49] Исследование 2016 года выявило несоответствие в способности идентифицировать натуральные волокна в морской среде с помощью инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье . [50] Более поздние исследования океанических микроволокон вместо этого показали, что хлопок является наиболее частым совпадением (50% всех волокон), за ним следуют другие целлюлозные волокна с 29,5% (например, вискоза/вискоза, лен, джут, кенаф, конопля и т. д.). [51] . Дальнейший анализ конкретного вклада вискозы в океанские волокна не проводился из-за сложности различения натуральных и искусственных целлюлозных волокон с использованием FTIR-спектров.
В течение нескольких лет существовали опасения по поводу связи между производителями вискозы и вырубкой лесов. В результате этих опасений FSC и PEFC объединили усилия с CanopyPlanet, чтобы сосредоточиться на этих вопросах. Впоследствии CanopyPlanet начала публиковать ежегодный отчет Hot Button, который ставит всех производителей искусственной целлюлозы во всем мире на одну и ту же платформу оценки. В отчете за 2020 год все такие производители оцениваются по 35-балльной шкале, при этом самые высокие оценки получили Birla Cellulose (33) и Lenzing (30,5).
Сероуглерод очень токсичен . [52] Доказано, что выбросы серьезно вредят здоровью районных работников в развитых странах, а также вредят здоровью людей, живущих рядом с районными предприятиями [52] и их скота. [53] Уровень инвалидности на современных фабриках (в основном в Китае, Индонезии и Индии) неизвестен. [33] [7] Это вызвало этическую обеспокоенность по поводу производства вискозного волокна. [8] [7] [9] [32] По состоянию на 2016 год [обновлять]производственные предприятия, расположенные в развивающихся странах, как правило, не предоставляют данных об окружающей среде или безопасности труда. [54]
По состоянию на 2008 год большая часть глобальных выбросов сероуглерода приходится на производство вискозы. [55] По состоянию на 2004 год [обновлять]на килограмм произведенного вискозы выбрасывается около 250 г сероуглерода. [56]
Технологии контроля позволили улучшить сбор сероуглерода и его повторное использование, что привело к снижению выбросов сероуглерода. [5] Они не всегда применялись там, где это не требовалось по закону и не было прибыльным. [53]
Сероуглерод летуч и теряется еще до того, как вискоза попадет к потребителю; сам вискоза по сути представляет собой чистую целлюлозу . [32]
Исследования 1930-х годов показывают, что 30% американских районных рабочих пострадали от серьезных последствий для здоровья от воздействия сероуглерода . Курто приложил все усилия, чтобы предотвратить публикацию этой информации в Великобритании. [8]
Во время Второй мировой войны политзаключенных в нацистской Германии заставляли работать в ужасных условиях на районной фабрике Фрикс в Крефельде . [57] Нацисты использовали принудительный труд для производства вискозы по всей оккупированной Европе. [8]
В 1990-х годах производители вискозного волокна столкнулись с судебными исками за халатное загрязнение окружающей среды . Постоянно использовались технологии снижения выбросов. Например, рекуперация углеродного слоя, которая снижает выбросы примерно на 90%, использовалась Курто в Европе, но не в США. [53] Контроль загрязнения и безопасность труда стали факторами, ограничивающими затраты на производстве.
Япония сократила выбросы сероуглерода на килограмм произведенного вискозного волокна (примерно на 16% в год), но в других странах-производителях вискозы, включая Китай, выбросы не контролируются. Производство вискозы остается стабильным или снижается, за исключением Китая, где оно растет по состоянию на 2004 год [обновлять]. [56]
Производство вискозы в основном переместилось в развивающиеся страны, особенно в Китай, Индонезию и Индию. [7] [8] Уровень инвалидности на этих фабриках по состоянию на 2016 год неизвестен, [обновлять][ 33] [7] и опасения по поводу безопасности работников продолжаются. [54]
Родственными материалами являются не регенерированная целлюлоза, а эфиры целлюлозы. [58] [59]
Нитроцеллюлоза – производное целлюлозы, растворимое в органических растворителях. В основном его используют в качестве взрывчатого вещества или в качестве лака . Многие ранние пластмассы, в том числе целлулоид , изготавливались из нитроцеллюлозы.
Ацетат целлюлозы имеет много общих черт с вискозным шелком и раньше считался одним и тем же текстилем. Однако вискоза устойчива к нагреванию, а ацетат склонен к плавлению. Ацетат необходимо стирать с осторожностью либо вручную, либо в химчистке, а одежда из ацетата распадается при нагревании в сушильной машине . [60] [61] Теперь эти две ткани должны быть четко указаны на этикетках одежды. [62]
Целлофан обычно изготавливается вискозным способом, но высушивается в листы, а не в волокна.