Гидратцеллюлозниє волокна. Целюлоза є одним з найпоширеніших природних полімерів. Гідратцеллюлози - одна із структурних модифікацій целюлози, одержувана хімічною переробкою природної целюлози. З гідратцеллюлози складаються віскозне і мідноаміачні волокна, які тому і називають гід-ратцеллюлознимі. Відрізняються вони способом отримання прядильного розчину. Целюлоза має міцні водневі міжмолекулярні зв'язки, розірвати які досить складно. Тому, щоб перетворити целюлозу в розчин, необхідно використання високоактивних хімічних реагентів.
Найбільше застосування знайшли віскозне волокно, отримані з природної целюлози по віскозному методу. Віскоза - це розчин ксантогената целюлози в розбавленому водному розчині NaOH. За виробництвом віскозних волокон СРСР займав перше місце в світі.
Целюлоза поряд з ПАН-волокном є основним видом сировини, що використовується для отримання вуглецевих волокнистих матеріалів. З целюлози виробляються тканини, нитки, джгути, неткані волокнисті матеріали.
Цікавим є той факт, що саме целюлоза послужила першим матеріалом для розробки способу отримання волокон з вуглецю - неплавкого і нерозчинної речовини. Цей спосіб підказаний вперше Едісоном і Сваном ще в 1880 р Їм вдалося, нагріваючи органічні волокна в певних умовах, не руйнувати їх, а перетворювати в вуглецеві.
У той же час перший штучний волокно теж було отримано з целюлози англійськими хіміками. Вперше його виробництво було здійснено в Швейцарії, потім, після вибуху заводу, в Росії - в 1908 р в підмосковному селищі Митищі за активного сприяння Д. Менделєєва. На цьому ж підприємстві, який став великим науковим центром - «Всесоюзним науково-дослідним інститутом штучного волокна», було отримано з целюлози перше в СРСР вуглецеве волокно спеціального призначення.
В результаті численних досліджень різних целюлозних ниток встановлено, що найбільш прийнятною є віскозна кордна нитку. Кордні нитки виробляються безперервним способом, де одночасно здійснюється формування, витягування, промивання, сушіння і крутіння волокна. Кордні нитки мають підвищені міцність, відносне подовження і динамічні властивості. Між віскозними текстильними та кордних нитками існує структурно-морфологічна відмінність. Поперечний зріз вискозной текстильної нитки неоднорідний і складається з оболонки (зовнішній шар) і ядра (внутрішній шар), що відрізняються за структурою та властивостями. Віскозна кордна нитка більш однорідна, на її поперечному зрізі не проглядається суттєва різниця між внутрішнім і зовнішнім шарами [2]. Об'ємна неоднорідність волокна небажана через різної усадки при карбонізації, що негативно впливає на властивості УВ. Крім того, високоміцний віскозний корд в порівнянні з іншими гідратцеллюлози-ними волокнами має структуру, для якої характерні мелкокристаллические надмолекулярні освіти і відносно високий ступінь орієнтації елементів структури уздовж осі волокна [3].
В літературі наводяться суперечливі відомості про вплив міцності вихідного волокна на властивості УВ. Бекон і Танг вважають, що ступінь орієнтації віскозного корду, незважаючи на жорсткі умови карбонізації, визначають орієнтацію елементів структури і, отже, механічні властивості УВ [5]. З огляду на деякі заперечення, все ж доводиться визнати існування такого взаємозв'язку, так як вихідне волокно є якоюсь матрицею, в якій відбуваються всі процеси переходу від целюлозного волокна до УВ. Крім того, повинен існувати ефект пам'яті форми.
Що стосується інших волокон на основі целюлози, вони можуть використовуватися для отримання УВ зі специфічними властивостями, необхідними у виробництві фільтруючого матеріалу, опікових пов'язок і т.д.
На основі віскозних волокон Американська фірма «Юніон Кар-байд» розробила УВ «Торнелія» з міцністю 2,5 - 3,5 ГПа і модулем Юнга від 170 до 420 ГПа. У лабораторних умовах отримані волокна з модулем Юнга до 700 ГПа.
Недоліком високоміцних і високомодульних УВ з віскози є їх висока ціна (в середньому 600 доларів за кг). Це пояснюється двома причинами. Перша - низький вихід кінцевого продукту, який становить 10 - 15% від маси вихідного віскози. Друга, більш істотна причина, - складний і дорогий процес витяжки при графітації. Те, що УВ з віскози неможливо отримати з високими фізико-механічними властивостями, минаючи цю стадію, робить застосування такого волокна обмеженим.
Більш широке використання знайшли волокна з віскози середньої міцності в якості теплозахисних, фрикційних і антифрикційних матеріалів.
Углеволокністого матеріали з целюлози випускалися в основному американськими фірмами і в СРСР. В даний час за російськими розробками їх виробляють Білорусія і Україна.
Карбонізація гидратцеллюлозного волокна. Перша стадія термічної обробки целюлози називається піролізом і відбувається при температурах, що не перевищують 350 - 400 ° С. На цій стадії протікають основні хімічні реакції, спостерігається невелика втрата маси матеріалу, утворюються предструктури, які беруть участь при більш високих температурах в освіті вуглецевого «скелета». Залишок, отриманий при піролізі, містить 60 - 70% вуглецю. При подальшій термообробці - карбонізації, що відбувається при більш високих температурах, що досягають 900 - 1500 ° С, тривають хімічні процеси, які збагачують залишок вуглецем.
Мал. 3.1. Схема установки для карбонізації гідратцелюлозної волокон :.
1 - подає барабан; 2 - волокнистий матеріал; 3 - піч; 4 - камера для спалювання летучих домішок; 5 - нагрівачі; б - приймальний барабан.
Крім цього при карбонізації змінюється комплекс фізікомеханіческіх властивостей волокна, що особливо важливо на практиці. Піролітичним реакції, що протікають в процесі карбонізації целюлози при температурах вище 400 ° С, пов'язані з утворенням сформувалися до цього моменту структурних елементів, що відрізняються великою різноманітністю. Поряд з гідроксильних груп, які зберігаються аж до температур термообробки (600 ° С), можуть бути присутніми також карбонільні групи з ненасиченими вуглець-вуглецевими зв'язками як у складі ароматичних циклів, так і у вигляді лінійних ланцюжків. Оскільки енергії зв'язків в цих структурних елементах і їх реакційна здатність, що залежить також від найближчого оточення, істотно розрізняються, то і протікають при розглянутих температурах реакції дуже різноманітні [4].
На процес карбонізації целюлози, як на сукупність паралельно і послідовно протікають хімічних реакцій, великий вплив мають структура вихідного матеріалу, температурновременной режим, характер середовища, різні добавки.
Формування впорядкованої структури волокна супроводжується збільшенням його щільності і міцності. Освіта системи конденсованих гексогональний кілець обумовлюється різким зростанням температури термообробки, електро- і теплопровідності. До моменту досягнення 900 - 1000 ° С карбонізіруемий матеріал набуває той цінний комплекс властивостей, який забезпечує широкі перспективи його використання.
В даний час УВ, отримані карбонізацією целюлози, в основному використовуються як теплозахисний матеріал (див. Табл. 2.3).
Останнім часом виняткового значення набули вуглецеві волокна на основі віскози джгута, що пройшли спеціальну обробку по активації поверхні. Наприклад, термообробка в середовищі гострого пара. Це призводить до різкого збільшення сумарної поверхні волокна - до 800 м / г. Такий активізований вуглецевий волокнистий матеріал широко застосовується в медицині як аплікації і ентеросорбенти.