Район , также называемый вискозой [1] и продаваемый в некоторых странах как шелк сабра или шелк кактуса [2] , представляет собой полусинтетическое волокно [3] , изготовленное из природных источников регенерированной целлюлозы , таких как древесина и связанные с ней сельскохозяйственные продукты. [4] Он имеет ту же молекулярную структуру, что и целлюлоза. Существует много типов и сортов вискозных волокон и пленок. Некоторые имитируют ощущение и текстуру натуральных волокон, таких как шелк , шерсть , хлопок и лен . Типы, которые напоминают шелк, часто называют искусственным шелком . Его можно ткать или вязать, чтобы делать текстильные изделия для одежды и других целей. [5]
Производство вискозы включает в себя растворение целлюлозы, что позволяет превратить волокна в требуемую форму. Три распространенных метода растворения:
Французский ученый и промышленник Илэр де Шардонне (1838–1924) изобрел первое искусственное текстильное волокно — искусственный шелк . [11]
Швейцарский химик Маттиас Эдуард Швейцер (1818–1860) обнаружил, что целлюлоза растворяется в дигидроксиде тетраамминмеди . Макс Фремери и Иоганн Урбан разработали метод производства углеродных волокон для использования в лампочках в 1897 году. [12] Производство медно-аммиачной вискозы для текстиля началось в 1899 году на Vereinigte Glanzstoff Fabriken AG в Обербрухе (недалеко от Аахена ). [ требуется ссылка ] [13] Усовершенствование, проведенное JP Bemberg AG в 1904 году, сделало искусственный шелк продуктом, сопоставимым с настоящим шелком. [14] [15]
Английский химик Чарльз Фредерик Кросс и его коллеги Эдвард Джон Беван и Клейтон Бидл запатентовали свой искусственный шелк в 1894 году. Они назвали его «вискозой», потому что его производство включало посредничество высоковязкого раствора. Кросс и Беван получили британский патент № 8700, «Улучшения в растворении целлюлозы и родственных соединений» в мае 1892 года. [16] В 1893 году они сформировали Viscose Syndicate для выдачи лицензий, а в 1896 году основали British Viscoid Co. Ltd. [11] [17]
Первая коммерческая вискозная вискоза была произведена британской компанией Courtaulds Fibres в ноябре 1905 года. [18] Courtaulds сформировала американское подразделение American Viscose (позже известное как Avtex Fibers), чтобы производить свою формулу в США в 1910 году. [19] Название «вискоза» было принято в 1924 году [ требуется цитата ] , при этом «вискоза» использовалась для вязкой органической жидкости, используемой для изготовления как вискозы, так и целлофана . В Европе, однако, сама ткань стала известна как «вискоза», что было признано приемлемым альтернативным термином для вискозы Федеральной торговой комиссией США (FTC). [ требуется цитата ]
Вискоза производилась только в виде нити до 1930-х годов, пока не были разработаны методы использования «ломаных отходов вискозы» в качестве штапельного волокна. [ необходима цитата ]
Поиск производителями менее вредного для окружающей среды процесса изготовления вискозы привел к разработке метода лиоцелла для производства вискозы. [20] Процесс лиоцелла был разработан в 1972 году командой на ныне несуществующем заводе American Enka по производству волокон в Энке, Северная Каролина . [ требуется ссылка ] В 2003 году Американская ассоциация текстильных химиков и колористов (AATCC) присудила Нилу Э. Фрэнксу премию Генри Э. Миллсона за изобретение лиоцелла. [21] В 1966–1968 годах Д. Л. Джонсон из Eastman Kodak Inc. изучал растворы NMMO. В десятилетие с 1969 по 1979 год American Enka безуспешно пыталась коммерциализировать этот процесс. [20] Рабочее название волокна внутри организации Enka было «Newcell», и разработка проводилась в масштабах пилотного завода, прежде чем работа была остановлена. Базовый процесс растворения целлюлозы в NMMO был впервые описан в патенте 1981 года Маккорсли для Akzona Incorporated [20] [22] (холдинговая компания Akzo). В 1980-х годах патент был лицензирован Akzo для Courtaulds и Lenzing. [23] Волокно было разработано Courtaulds Fibres под торговой маркой «Tencel» в 1980-х годах. В 1982 году в Ковентри, Великобритания, был построен пилотный завод производительностью 100 кг/неделю, а в 1984 году производство было увеличено в десять раз (до тонны/неделю). В 1988 году на пилотном заводе в Гримсби, Великобритания, открылась полукоммерческая производственная линия производительностью 25 тонн/неделю . [24] [20] Впервые этот процесс был [ требуется цитата ] коммерциализирован на фабриках по производству искусственного шелка Courtaulds в Мобиле, штат Алабама [25] (1990 [ требуется цитата ] ), и на заводе в Гримсби (1998) [ требуется цитата ] . В январе 1993 года завод Mobile Tencel достиг полного уровня производства в 20 000 тонн в год, к тому времени Courtaulds потратил 100 миллионов фунтов стерлингов и 10 лет на разработку Tencel. Доходы от Tencel в 1993 году оценивались как вероятные 50 миллионов фунтов стерлингов. Планировалось построить второй завод в Мобиле. [25] К 2004 году производство выросло в четыре раза до 80 000 тонн. [23]
Lenzing запустил пилотный завод в 1990 году [20] , а коммерческое производство в 1997 году, с производительностью 12 метрических тонн/год, производимой на заводе в Хайлигенкройц-им-Лафницталь , Австрия. [20] [23] Когда в 2003 году на заводе произошел взрыв, он производил 20 000 тонн/год, и планировалось удвоить мощность к концу года. [26] В 2004 году Lenzing производил 40 000 тонн [так в оригинале, вероятно, метрических тонн]. [23] В 1998 году Lenzing и Courtaulds достигли соглашения по патентному спору. [23]
В 1998 году Courtaulds был приобретен конкурентом Akzo Nobel , [27] который объединил подразделение Tencel с другими подразделениями волокон под вывеской 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. [23] Она приобрела заводы в Мобиле и Гримсби и к 2015 году стала крупнейшим производителем лиоцелла с объемом производства 130 000 тонн в год. [20]
Вискоза производится путем растворения целлюлозы, а затем преобразования этого раствора обратно в нерастворимую волокнистую целлюлозу. Для такой регенерации были разработаны различные процессы. Наиболее распространенными методами создания вискозы являются медно-аммиачный метод, вискозный метод и лиоцельный процесс. Первые два метода практикуются уже более века.
Медно-аммиачный шелк имеет свойства, схожие с вискозой; однако, в процессе его производства целлюлоза соединяется с медью и аммиаком ( реагент Швейцера ). Из-за пагубного воздействия этого метода производства на окружающую среду медно-аммиачный шелк больше не производится в Соединенных Штатах . [28] Процесс был описан как устаревший, [6] но медно-аммиачный шелк все еще производится одной компанией в Японии. [29] [ требуется лучший источник ]
Сульфат тетраамминмеди(II) также используется в качестве растворителя.
Процесс вискозы основан на реакции целлюлозы с сильным основанием, за которой следует обработка этого раствора сероуглеродом для получения производного ксантогената . Затем ксантогенат преобразуется обратно в целлюлозное волокно на следующем этапе.
Вискозный метод может использовать древесину в качестве источника целлюлозы, тогда как другие пути получения вискозы требуют в качестве исходного материала целлюлозу без лигнина . Использование древесных источников целлюлозы делает вискозу дешевле, поэтому ее традиционно использовали в больших масштабах, чем другие методы. С другой стороны, оригинальный вискозный процесс создает большие объемы загрязненных сточных вод. Новые технологии используют меньше воды и улучшили качество сточных вод.
Сырьем для вискозы в основном является древесная масса (иногда бамбуковая масса ), которая химически преобразуется в растворимое соединение. Затем ее растворяют и пропускают через фильеру для получения нитей, которые химически затвердевают, в результате чего получаются волокна почти чистой целлюлозы. [30] Если не обращаться с химикатами осторожно, рабочие могут получить серьезный вред от сероуглерода, используемого для производства большинства видов вискозы. [31] [32]
Для приготовления вискозы целлюлозу обрабатывают водным раствором гидроксида натрия (обычно 16–19% по массе ) для образования « щелочной целлюлозы », которая имеет приблизительную формулу [C 6 H 9 O 4 −ONa] n . Этот материал деполимеризуется до определенной степени. Скорость деполимеризации (созревания или созревания) зависит от температуры и зависит от 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 для образования ксантогената натриевой целлюлозы : [5]
Вискоза производится из созревших растворов путем обработки минеральной кислотой, например серной кислотой . На этом этапе ксантогенатные группы гидролизуются для регенерации целлюлозы и дисульфида углерода:
Помимо регенерированной целлюлозы, подкисление дает сероводород (H2S ) , серу и сероуглерод. Нить, изготовленную из регенерированной целлюлозы, промывают для удаления остаточной кислоты. Затем серу удаляют добавлением раствора сульфида натрия , а примеси окисляют отбеливанием раствором гипохлорита натрия или раствором перекиси водорода . [17]
Производство начинается с переработанной целлюлозы, полученной из древесной массы и растительных волокон. Содержание целлюлозы в массе должно быть около 87–97%.
Шаги: [30]
Процесс производства лиоцелла основан на растворении целлюлозных продуктов в растворителе — N-метилморфолин-N-оксиде (NMMO).
Процесс начинается с целлюлозы и включает в себя сухое струйно-мокрое прядение. Он был разработан в ныне несуществующей американской компании Enka Company и Courtaulds Fibres. Tencel от Lenzing является примером волокна лиоцелл. [14] В отличие от процесса вискозы, процесс ликоцелл не использует высокотоксичный сернистый газ. [9] [10] «Лиоцелл» стал обобщенной торговой маркой, используемой для обозначения процесса лиоцелл для изготовления целлюлозных волокон. [10]
По состоянию на 2018 год [обновлять]лиоцелловый процесс не получил широкого распространения, поскольку он по-прежнему дороже вискозного процесса. [10] [9]
Вискоза — это универсальное волокно, и, как широко утверждается, оно обладает теми же свойствами комфорта, что и натуральные волокна, хотя драпировка и скользкость тканей из вискозы часто больше похожи на нейлон . Она может имитировать ощущение и текстуру шелка , шерсти , хлопка и льна . Волокна легко окрашиваются в широкий спектр цветов. Ткани из вискозы 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 также делают их «руку» (ощущение) прохладной и иногда почти скользкой на ощупь. [33]
Прочность и сохранение внешнего вида обычных вискозных искусственных волокон низкие, особенно во влажном состоянии; кроме того, вискоза имеет самое низкое упругое восстановление среди всех волокон. Однако вискоза HWM (высокомодульная влагостойкая вискоза) намного прочнее и демонстрирует более высокую прочность и сохранение внешнего вида. Рекомендуемый уход за обычными вискозными искусственными волокнами — только химчистка. Вискозу HWM можно стирать в стиральной машине. [34]
Обычная вискоза имеет продольные линии, называемые бороздками, а ее поперечное сечение представляет собой вдавленную круглую форму. Поперечное сечение HWM и купра-вискозы более круглое. Нити волокнистого вискозного волокна варьируются от 80 до 980 нитей на нить и различаются по размеру от 40 до 5000 денье . Штапельные волокна варьируются от 1,5 до 15 денье и механически или химически извиты. Волокна вискозы от природы очень яркие, но добавление матирующих пигментов снижает эту естественную яркость. [34]
Физические свойства вискозы оставались неизменными до разработки высокопрочной вискозы в 1940-х годах. Дальнейшие исследования и разработки привели к созданию вискозы с высоким модулем упругости во влажном состоянии (вискоза HWM) в 1950-х годах. [34] Исследования в Великобритании были сосредоточены на финансируемой правительством Британской ассоциации исследований вискозы .
Высокопрочный шёлк — это ещё одна модифицированная версия вискозы, которая почти в два раза прочнее HWM. Этот тип шёлка обычно используется в промышленных целях, например, для шинного корда. [28]
Промышленное применение вискозы началось около 1935 года. Заменив хлопковое волокно в шинах и ремнях, промышленные виды вискозы приобрели совершенно другой набор свойств, среди которых важнейшими были прочность на разрыв и модуль упругости.
Modal — это обобщенная торговая марка Lenzing AG , используемая для (вискозного) шёлка, который растягивается по мере изготовления, выравнивая молекулы вдоль волокон. Доступны две формы: «полиносики» и «высокий модуль во влажном состоянии» (HWM). [35] [36] [ нужен лучший источник ] Высокомодульный шёлк во влажном состоянии — это модифицированная версия вискозы, которая прочнее во влажном состоянии. Его можно мерсеризовать , как хлопок. Вискоза HWM также известна как «полиносик». [ противоречиво ] Волокна полиносика имеют стабильные размеры, не дают усадки и не теряют форму во влажном состоянии, как многие виды шёлка. Они также износостойкие и прочные, сохраняя при этом мягкость и шелковистость. Иногда их идентифицируют по торговому наименованию Modal. [28] Модал используется отдельно или 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 повреждения. [37] Известно, что ткань меньше скатывается , чем хлопок, благодаря свойствам волокон и меньшему поверхностному трению. [36] Торговая марка Modal производится путем прядения целлюлозы из бука и считается более экологичной альтернативой хлопку, поскольку в процессе производства в среднем используется в 10–20 раз меньше воды. [38]
В 2018 году производство вискозного волокна в мире составило приблизительно 5,8 млн тонн, а Китай был крупнейшим производителем с примерно 65% от общего мирового производства. [39] Торговые наименования используются в вискозной промышленности для обозначения типа вискозы в продукте. Вискозный шелк был впервые произведен в Ковентри, Англия, в 1905 году компанией Courtaulds.
Bemberg — торговое название медно-аммиачной вискозы , разработанной JP Bemberg . Bemberg по своим свойствам во многом похож на вискозу, но имеет меньший диаметр и по ощущениям ближе всего к шелку. Bemberg теперь производится только в Японии. [29] Волокна тоньше, чем у вискозы. [15] [ проверка не удалась ]
Модал и Тенсель — широко используемые формы вискозы, производимые Lenzing AG . Тенсель, общее название лиоцелл , производится с помощью немного иного процесса восстановления растворителя и считается другим волокном Федеральной торговой комиссией США. Лиоцелл Тенсель впервые был произведен в коммерческих целях на заводе Courtaulds в Гримсби в Англии. Процесс, который растворяет целлюлозу без химической реакции, был разработан Courtaulds Research.
Birla Cellulose также является крупным производителем вискозы. У них есть заводы в Индии , Индонезии и Китае .
Accordis был крупным производителем волокон и пряжи на основе целлюлозы. Производственные мощности можно найти по всей Европе, США и Бразилии . [40]
Вискоза Visil и HOPE FR — это огнестойкие виды вискозы, в волокна которых в процессе производства внедряется кремний .
Корпорация North American Rayon Corporation из Теннесси производила вискозное волокно вплоть до своего закрытия в 2000 году. [41] [42]
Индонезия является одним из крупнейших производителей вискозы в мире, а Азиатско-Тихоокеанский регион (APR) страны имеет годовую производственную мощность 0,24 миллиона тонн. [43]
Биоразлагаемость различных волокон в захоронении в почве и осадках сточных вод была оценена корейскими исследователями. Было обнаружено, что вискоза более биоразлагаема, чем хлопок, а хлопок — чем ацетат . Чем более водоотталкивающая ткань на основе вискозы, тем медленнее она будет разлагаться. [44] Серебряная чешуйница , как и огненный крапивник , может есть вискозу, но ущерб оказался незначительным, возможно, из-за тяжелой, скользкой текстуры тестируемой вискозы. [45] В другом исследовании говорится, что «искусственный шелк [...] [был] легко съеден» серой чешуйницей . [46]
Исследование океана 2014 года показало, что вискоза составила 56,9% от общего количества волокон, обнаруженных в глубоководных районах океана , остальное — полиэстер , полиамиды , ацетат и акрил . [47] Исследование 2016 года обнаружило расхождение в способности идентифицировать натуральные волокна в морской среде с помощью инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье . [48] Более поздние исследования океанических микроволокон вместо этого показали, что наиболее частым совпадением является хлопок (50% от всех волокон), за которым следуют другие целлюлозные волокна с 29,5% (например, вискоза/вискоза, лен, джут, кенаф, пенька и т. д.). [49] Дальнейший анализ удельного вклада вискозы в морские волокна не проводился из-за сложности различения натуральных и искусственных целлюлозных волокон с использованием спектров FTIR.
В течение нескольких лет высказывались опасения относительно связей между производителями вискозы и вырубкой лесов. В результате этих опасений FSC и PEFC объединились с CanopyPlanet, чтобы сосредоточиться на этих вопросах. Впоследствии CanopyPlanet начала публиковать ежегодный отчет Hot Button, который помещает всех производителей искусственной целлюлозы во всем мире на одну и ту же платформу оценок. Оценка в отчете за 2020 год оценивает всех таких производителей по шкале 35, самые высокие баллы были получены Birla Cellulose (33) и Lenzing (30,5).
Сероуглерод очень токсичен . [50] Хорошо известно, что он нанес серьезный вред здоровью рабочих вискозного производства в развитых странах, а выбросы могут также нанести вред здоровью людей, живущих вблизи заводов по производству вискозного производства [50] и их скота. [51] Показатели инвалидности на современных фабриках (в основном в Китае, Индонезии и Индии) неизвестны. [32] [7] Это вызвало этические опасения по поводу производства вискозного производства. [8] [7] [9] [31] По состоянию на 2016 год [обновлять]производственные мощности, расположенные в развивающихся странах, как правило, не предоставляют данные об окружающей среде или безопасности труда. [52]
По состоянию на 2008 год большая часть выбросов сероуглерода в мире приходится на производство вискозы. [53] По состоянию на 2004 год [обновлять]на килограмм произведенного вискозы приходилось около 250 г сероуглерода. [54]
Технологии контроля позволили улучшить сбор сероуглерода и повторно использовать его, что привело к снижению выбросов сероуглерода. [5] Они не всегда применялись в местах, где это не требовалось по закону и не приносило прибыли. [51]
Сероуглерод летуч и теряется до того, как вискоза попадает к потребителю; сама вискоза по сути является чистой целлюлозой . [31]
Исследования 1930-х годов показывают, что 30% американских рабочих вискозы испытали значительные последствия для здоровья из-за воздействия сероуглерода . Курто приложили все усилия, чтобы предотвратить публикацию этой информации в Британии. [8]
Во время Второй мировой войны политические заключенные в нацистской Германии были вынуждены работать в ужасных условиях на фабрике по производству искусственного шелка Phrix в Крефельде . [55] Нацисты использовали принудительный труд для производства искусственного шелка по всей оккупированной Европе. [8]
В 1990-х годах производители вискозного волокна столкнулись с судебными исками за небрежное загрязнение окружающей среды . Технологии снижения выбросов использовались последовательно. Например, рекуперация угольного слоя, которая снижает выбросы примерно на 90%, использовалась в Европе, но не в США, компанией Courtaulds. [51] Контроль загрязнения и безопасность труда стали факторами, ограничивающими затраты на производство.
Япония сократила выбросы дисульфида углерода на килограмм произведенного вискозного волокна (примерно на 16% в год), но в других странах-производителях вискозного волокна, включая Китай, выбросы не контролируются. Производство вискозного волокна стабильно или снижается, за исключением Китая, где оно увеличивается, по состоянию на 2004 год [обновлять]. [54]
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], [32] [7] и опасения по поводу безопасности работников сохраняются. [52]
Исследования показали, что производство вискозы может быть вредным для здоровья рабочих фабрик. [56] [57] Рабочие на фабриках, использующих вискозный процесс, могут подвергаться воздействию высоких уровней сероуглерода, что может вызвать ишемическую болезнь сердца, повреждение сетчатки, изменения в поведении, нарушение двигательной функции, а также различные эффекты на фертильность и гормональную сферу. [58]
Связанные материалы – это не регенерированная целлюлоза, а сложные эфиры целлюлозы. [59] [60]
Нитроцеллюлоза — производное целлюлозы, растворимое в органических растворителях. В основном используется как взрывчатое вещество или как лак . Многие ранние пластмассы, включая целлулоид , изготавливались из нитроцеллюлозы.
Ацетат целлюлозы имеет много общих черт с вискозным шёлком и раньше считался одним и тем же текстилем. Однако вискоза устойчива к нагреванию, в то время как ацетат склонен к плавлению. Ацетат необходимо стирать с осторожностью, вручную или в химчистке, а изделия из ацетата распадаются при нагревании в сушильной машине . [61] [62] Теперь эти две ткани должны быть отдельно указаны на этикетках одежды в США. [63]
Целлофан обычно изготавливается методом вискозного производства, но высушивается в листы, а не волокна.
{{cite journal}}
: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на апрель 2024 г. ( ссылка ){{cite web}}
: CS1 maint: бот: исходный статус URL неизвестен ( ссылка )