Шелк из древесины

Инж. А. БУЯНОВ

Многие из нас имеют вещи из искусственного шелка, однако очень немногие знают, что шелк получается из древесины.

Казалось бы, что может быть общего между древесной массой и красивой шелковой нитью? Целлюлоза — вот общее между древесиной и шелком.

По своей химической структуре целлюлоза представляет собой сложное органическое соединение углерода, водорода и кислорода. В чистом виде она в природе не встречается, а является составной частью растений в виде скелета растительных клеток.

Очень богат содержанием целлюлозы хлопок (91—95%). В древесине хвойных пород целлюлозы содержится больше, чем в древесине лиственных. Целлюлозу содержат также листья шелковицы, являющиеся главным кормом для производителей натурального шелка — шелковичных червей.

Маленький шелкопряд, доживая свою короткую жизнь, начинает выдавливать через узкий канал в последнем брюшном кольце своего туловища полужидкую струйку. Затвердевая на воздухе, эта струйка превращается в шелковую нить, из которой червь прядет вокруг себя кокон.

Три рисунка, характеризующие переработку натурального шелка в начале XIX века. Нижний рисунок — размотка коконов. Слева — ткачество на ручном станке. Справа —  кустарное производство чулок.

В конце XIX века был запатентован Стерном новый способ получения искусственного шелка из щелочного раствора ксантогената целлюлозы (открытого в 1891 г. исследователями Кроссом и Бивеном), так называемой вискозы. Новый, искусственный шелк получил название «вискозный шелк». Рисунок показывает карикатуру конца XIX века на применявшийся способ получения вискозного шелка.

В 1855 г. французский исследователь Аудермарс попытался найти способ получения шелка искусственным путем, без участия шелковичного червя.

Для этого он, зная из химического анализа, что в состав натурального шелка входят азот, углерод, водород и кислород, в своих опытах воспользовался молодыми побегами тутового дерева, растительные клетки которого содержат целлюлозу. Обрабатывая их азотной кислотой, он получал нитроцеллюлозу, которую растворял в смеси спирта и эфира, прибавляя каучук.

Дальше Аудермарс окунал заостренную стальную палочку в полученный раствор и вытягивал на ее конце шелковую нить. Такой способ был чрезвычайно не продуктивным и потому не мог получить промышленного применения.

Через 29 лет, в 1884 г., решение проблемы искусственного шелка дал французский ученый Шардоне. Применяя в своих опытах тот же раствор, что и Аудермарс, он заменил вытягивание нити на конце палочки продавливанием раствора через отверстие диаметром в 0,1 мм в слегка подкисленную воду.

При этом спирт и эфир растворялись в воде, а нитроцеллюлоза затвердевала в виде непрерывной нити.

Таким образом, опыты Шардоне дали резкий толчок развитию промышленности искусственного шелка.

В 1664 г. английский математик и астроном Роберт Г у к в журнале «Микрография» изложил свои мысли о возможности замены натурального шелка искусственным.

В 1734 г. знаменитый французский физик Реомюр в своих мемуарах о насекомых писал о том, что можно получить шелк искусственным путем. В доказательство своей идеи Реомюр приводил пример: стеклянную вату получали вытягиванием в тончайшие нити расплавленного стекла.

В 1884 г французский ученый Шардоне положил начало промышленности искусственного шелка. Им была основана в Безансоне первая в мире фабрика-лаборатория искусственного шелка, просуществовавшая под его руководством почти 12 лет На выставке в 1889 г. искусственный шелк был предоставлен уже многими интересными промышленными образцами.

Получение коконов, необходимых для производства натурального шелка, связано с огромной работой. Для этого нужно разводить и выращивать червей, собирать и хранить листья шелковицы для кормления их, строить коконники, на которых черви начинают завивку кокона, и пр. Кроме того получение кокона зависит от климата и урожая. Получение же целлюлозы, необходимой для производства искусственного шелка, весьма не сложно и не зависит ни от климата, ни от урожая.

Из 1 м³ древесины получают 200 кг целлюлозы, из которой можно выработать 160 кг искусственного шелка. Этого шелка хватит на 4 тыс. пар женских чулок или на 600 трикотажных костюмов. Цифры эти наглядно показывают, какие неисчерпаемые возможности таит в себе промышленность искусственного шелка в нашей богатой лесами стране.

Древесина хвойных пород содержит до 60% целлюлозы. Она выделяется из древесины специальной обработкой. Целлюлоза служит основным сырьем для получения искусственного шелка.

*

Ежегодно по плану, составленному в соответствии с естественным приростом, вырубают определенное количество хвойных деревьев и сплавляют их по рекам в районы целлюлозных фабрик. На фабриках бревна, очищенные от коры и сучьев, поступают на специальные машины, где превращаются в щепу.

Для того чтобы выделить целлюлозу из щепы, измельченную древесину обрабатывают раствором бисульфита кальция. Обработка производится в закрытых котлах под давлением в 4—5 атмосфер при температуре 140—160°. Через 15—25 час. заканчивается варка. После удаления растворившихся примесей получается целлюлоза в виде хлопьевидной массы, затем эта масса проходит несколько промывок, отбелку и пр., после чего подается на непрерывно движущуюся ленту сушильного аппарата.

Полученная из сушилки целлюлоза представляет собой толстые бумажные листы, напоминающие рыхлый картон. На фабрики искусственного шелка она поступает кипами, весом по 150 кг каждая.

*

В настоящее время существует несколько способов производства искусственного шелка, основным сырьем для которого служит целлюлоза хлопка или древесины.

Производство вискозного искусственного шелка — самое простое и самое дешевое. В процессе его целлюлоза путем соответствующей химической обработки переводится в щелочной раствор, из которого получают нити искусственного шелка. Целлюлоза, едкий натр и сероуглерод — вот основное сырье для вискозного шелка. Подсушенная целлюлоза замачивается в ваннах-прессах в растворе едкого натра. В результате получается соединение целлюлозы со щелочью, которое называется алкали-целлюлозой (от слова алкали —  щелочь). Этот процесс называется мерсеризацией.

После мерсеризации алкали-целлюлоза подвергается измельчению в специальном аппарате — измельчителе — в течение 2,5 час. Измельчение превращает алкали-целлюлозу в однородную массу, что облегчает в дальнейшем ее реакцию с сероуглеродом.

Но прежде чем подвергнуться обработке сероуглеродом, алкали-целлюлоза должна пройти процесс «предсозревания». Для этого ее выгружают из измельчителя в железные ящики, вместимостью 30 кг каждый. Ящики эти помещаются на два-три дня в камеру «предсозревания». В камере поддерживается строго определенная температура. После всего этого алкали-целлюлоза приобретает светложелтый цвет, вот почему этот процесс называется «ксантогенированием» (по-гречески ксантос — светложелтый), а продукт, получаемый при этом, — «ксантогенатом». Ксантогенирование производится во вращающихся аппаратах, называющихся «баратами».

Пары сероуглерода обладают способностью быстро воспламеняться, поэтому ксантогенирование производится в помещении, которое гарантирует взрывобезопасность.

Из баратов ксантогенат целлюлозы подается в мешалки-растворители со слабым раствором едкого натра.

В результате растворения получается сиропообразная, вязкая масса — вискоза, напоминающая мед. Название свое вискоза получила от французского слова «вискозите» — вязкость.

Полученная из мешалок вискоза еще не может служить материалом для прядения шелковой нити: в ней много пузырьков воздуха, которые при прядении могут разорвать нить. Кроме того, не успевшие раствориться волокна при прядении засоряют фильеру (часть прядильной машины). Поэтому из мешалки вискоза передается насосом в баки, установленные в «вискозном погребе». Здесь в течение трех-четырех суток происходит процесс созревания вискозы, а затем производятся несколько фильтраций и удаление из нее пузырьков воздуха.

Приготовленная таким образом вискоза представляет собой вполне однородную массу, годную для прядения вискозной шелковой нити.

Ленточная сушилка для целлюлозы. На рисунке показана загрузка целлюлозы в сушилку.

Мерсеризационный пресс для замочки целлюлозы в щелочи и отжима ее. На рисунке показан момент загрузки листов целлюлозы в ванну пресса.

Аппарат для измельчения отжатой алкали-целлюлозы. На рисунке показан момент выгрузки измельченной алкали-целлюлозы из опрокинутого измельчителя в железные ящики.

Камера предсозревания. На рисунке видны железные ящики с находящейся в них измельченной алкали-целлюлозой. На колонке — термометр, регистрирующий температуру.

Барат. В нем производится обработка измельченной алкали-целлюлозы сероуглеродом. Загрузка и выгрузка производятся через отверстие в стенке барата, которое после загрузки плотно закрывается крышкой.

Растворитель. В нем производится растворение ксантогената в щелочи. При этом получается вискоза.

Из растворителя вискоза перекачивается по трубам в баки вискозного погреба. На фото: фильтрпрессы для фильтрации вискозы в вискозном погребе.

*

Процесс прядения состоит в том, что вискоза на прядильной машине продавливается тонкими струйками через маленькие отверстия фильеры в ванну с раствором серной кислоты. При этом щелочь, находящаяся в вискозе, нейтрализуется кислотой, а растворенный в щелочи ксантогенат целлюлозы выделяет под влиянием кислоты сероуглерод и превращается в целлюлозную нить. Нить выводится из ванны уже в виде затвердевшей бесконечной шелковой нити.

Существуют две системы прядения: бобинная и центрофугальная.

Схема бобинного прядения: а — трубопровод вискозы, б — прядильный насосик, подающий вискозу, в — фильтр для окончательной фильтрации вискозы, г — стеклянная трубка, подводящая вискозу к фильере, д — фильера (золото-платиновая), из отверстий которой струйками выходит вискоза: струйка в кислоте затвердевает в нить, е —  бобина, на которую наматывается нить, о —  осадительная ванна, содержащая серную кислоту.

Схема центрофугального прядения: а, б, в — аналогично бобинному способу прядения, г —  стеклянная трубка, д —  фильера (золото-платиновая), о — осадительная ванна, з — ролик, который своим вращением подает нить в кружку и, и — кружка, делающая 6—8 тыс. об/мин; в ней собирается скрученная нить шелка в виде кольца — "кулича" (к).

При бобинной системе прядения нить по выходе из кислотной ванны наматывается на вращающийся полый цилиндрик — бобину. При этом нить получается состоящей из отдельных параллельно расположенных волоконец, число которых равно числу отверстий в фильере. В дальнейшем нить необходимо подвергнуть кручению, что делается на крутильных машинах. После бобинного прядения нить промывают и сушат на бобине. Затем ее подвергают крутке, размотке, отбелке, сушке и сортировке, после чего шелк упаковывают и отправляют на текстильные фабрики-потребители.

Центрофугальное прядение существенно отличается от бобинного тем, что для крутки шелка оно не требует специальной крутильной машины: здесь нить после выхода из кислотной ванны проходит по вращающемуся ролику и поступает в быстро вращающуюся (6—8 тыс. об/мин) прядильную центрофужку. При этом нить имеет и поступательное движение — на ролике — и вращательное, — вращаясь при укладке в центрофужку, благодаря чему нить закручивается. В центрофужке нить укладывается по стенкам ее в виде кольца, называемого «куличом», или «пакетом». Дальнейшая обработка центрофугального шелка состоит в размотке, промывке, отбелке, сушке и сортировке, после чего шелк упаковывается и отправляется на фабрики-потребители. Там его красят в нужный цвет.

На рисунке показана центрофужка прядильной машины. Вот какое количество шелка она вырабатывает за 12 часов. На прядильной машине центрофугальной системы таких центрофужек имеется от 80 до 120.

Окраску вискозного шелка можно производить и в мотках и в виде готовой ткани или трикотажа.

Искусственный шелк благодаря непрерывно улучшающемуся качеству в настоящее время занял прочное место во всей текстильной промышленности.

Прядильная машина для прядения искусственного шелка. На ней вискоза продавливается тонкими струйками через маленькие отверстия фильеры в ванну с раствором серной кислоты.

Фильера изготовляется из сплава золото-платины во избежание коррозии от кислоты. На рисунке условно показаны отверстия, через которые продавливаются струйки вискозы, затвердевающие в кислоте в нити.

Полученный в куличах шелк перематывается в мотки на мотальных машинах.

Мотки шелка на палках подают на отбельную машину, где их промывают, обрабатывают щелочью, отбеливают, а затем отжимают и отправляют на сушку.

Здесь сушат шелк в мотках.

Так сортируют мотки шелка.

Шелк упаковывают в пакеты для отправки на фабрики-потребители.

В большом количестве он применяется в трикотажной промышленности, где из него вырабатывают чулки, носки, джемперы, костюмы, платки и пр. В хлопчатобумажной промышленности искусственный шелк применяется в простом и особенно в жаккардном переплетении с нитью хлопка. Благодаря своему красивому внешнему виду искусственный шелк нашел специальное применение в производстве богатых узорами подкладочных материалов, мебельных и декоративных тканей, скатертей, покрывал, ковров, галстучных тканей и др.

С 1905 по 1937 г. мировое производство натурального шелка увеличилось с 20 тыс. т до 50 тыс. т в год, т. е. в 2,5 раза за 32 года, в то же время производство искусственного шелка с 1920 по 1937 г. дало скачок с 20 тыс. т до 460 тыс. т, т. е. в 23 раза за 16 лет.

В нашей стране, где лесные богатства огромны, есть все предпосылки для того, чтобы в ближайшее время выйти на первое место в мире по выработке искусственного шелка и дать в дальнейшем большое количество красивых шелковых изделий по дешевой цене.

На рисунке показаны производитель натурального шелка — шелковичной червь и производитель искусственного шелка —  прядильная машина.
В то время как мировое производство натурального шелка с 1905 по 1937 г. увеличилось с 20 тыс. т до 50 тыс. т в год, т. е. в 2,5 раза за 32 года, производство искусственного шелка с 1920 по 1937 г. дало скачок с 20 тыс. т до 460 тыс. т в год, т. е. увеличилось в 23 раза за 16 лет.