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技术历史、技术、我们身边的事物
合成纤维。 发明和生产的历史
合成纤维、化学纤维 - 从天然和合成有机聚合物以及无机化合物中获得的纺织纤维。
几千年来，人类一直根据需要使用植物（亚麻、棉花、大麻）和动物（羊毛、丝绸）来源的天然纤维。 此外，还使用了石棉等矿物材料。 由这些纤维制成的织物用于制作衣服、技术需求等。 由于世界人口的增长，天然纤维变得稀缺。 这就是为什么需要他们的替代品。 1855年法国人Audemars在硝化纤维的基础上首次尝试获得人造丝。 1884 年，法国工程师 G. Chardonnay 开发了一种获得人造纤维——硝基丝的方法，自 1890 年以来，利用喷丝板形成丝线的硝酸法广泛生产人造丝。 特别有效的是始于 90 世纪 85 年代的工作。 用粘胶生产丝绸。 随后，这种方法得到了最广泛的应用，现在粘胶丝约占世界人造纤维产量的1900%。 985年世界粘胶丝产量达1930吨，200年约1950万吨，1600年粘胶丝产量近XNUMX万吨。 在 1920 年代，掌握了醋酸丝（来自醋酸纤维素）的生产。 从外观上看，醋酸丝与天然丝几乎没有区别。 它具有轻微吸湿性，并且与粘胶丝绸不同，不会起皱。 醋酸丝作为绝缘材料广泛应用于电气工程。 后来发现了一种获得强度极高的醋酸纤维的方法（一根横截面为1平方厘米的帘线可承受2吨的负荷）。 基于整个 XNUMX 世纪化学的进步。 苏联、英国、法国、意大利、美国、日本等国，形成了强大的人造纤维产业。 第一次世界大战前夕，全球仅生产了11万吨人造纤维，25年后，人造纤维的生产推后了天然丝的生产。 如果1927年粘胶和醋酸丝的产量约为60万吨，那么到1956年世界人造粘胶和醋酸纤维的产量就超过了2万吨。 天然纤维、人造纤维和合成纤维之间的区别如下。 天然（natural）纤维完全是自然界自己创造的，人造纤维是人手制成的，合成纤维是人在化工厂里创造出来的。 在由更简单的物质合成合成纤维时，得到更复杂的高分子化合物，而人造材料是由于破坏了更复杂的分子（例如，通过木材干馏生产甲醇中的纤维分子）而形成的). 尼龙是第一种合成纤维，于 1935 年由美国化学家 W. Carothers 发现。 卡罗瑟斯最初是一名会计师，但后来对化学产生了兴趣，并就读于伊利诺伊大学。 已经在第三年，他被分配到讲授化学。 1926年，哈佛大学选他为有机化学教授。 1928年，卡罗瑟斯的命运发生了转折。 最大的化学公司“Dupont de Nemours”邀请他领导有机化学实验室。 为他创造了理想的条件：庞大的员工队伍、最现代化的设备、选择研究课题的自由。 这是因为一年前，该关注点采取了理论研究策略，相信最终它们会带来显着的实际利益，并因此获利。 事情就这样发生了。 经过三年的努力，研究单体聚合的 Carothers 实验室取得了巨大成功——获得了氯丁二烯聚合物。 在此基础上，杜邦公司于 1934 年开始工业生产最早的合成橡胶之一——聚氯丁二烯（氯丁橡胶），就其质量而言，它可以成功地替代稀缺的天然橡胶。 然而，卡罗瑟斯认为他研究的主要目标是一种可以转化为纤维的合成物质。 1930 年，卡罗瑟斯使用他在哈佛大学学习的聚合补偿方法，通过乙二醇和癸二酸的相互作用获得了一种聚酯，后来证明这种聚酯很容易被拉成纤维。 这已经是一个了不起的成就。 然而，这种物质不能有实际应用，因为它很容易被热水软化。 进一步多次尝试获得商业合成纤维均未成功，Carothers 决定停止在这个方向上的工作。 该问题的管理层同意关闭该计划。 然而，化学部门的负责人反对这一结果。 他好不容易说服卡罗瑟斯继续他的研究。 Carothers 重新思考他的工作成果以寻找新的方法来继续它，提请注意最近合成的分子中含有酰胺基团的聚合物 - 聚酰胺。 这个选择被证明是非常有成果的。 实验表明，某些聚酰胺树脂通过由细医用注射器制成的喷丝头挤出，形成可以制成纤维的细丝。 使用新树脂似乎很有前途。 经过新的实验，Carothers 和他的助手于 28 年 1935 月 66 日收到了聚酰胺，从中可以生产出一种坚固、有弹性、弹性、防水的纤维。 这种树脂通过六亚甲基二胺与己二酸反应分离，然后在真空中加热生成的盐 (AG)，被命名为“聚合物 6”，因为最初的产品含有 XNUMX 个碳原子。 由于他们同时在纽约和伦敦致力于制造这种聚合物，因此这种聚合物的纤维被称为“尼龙”——以这些城市的首字母命名。 纺织专家认为它适合纱线的商业生产。 在接下来的两年里，杜邦的科学家和工程师在实验室开发了聚合物和尼龙纱线中间体的生产工艺，并设计了一个中试化工厂。 16 年 1937 月 1937 日，尼龙获得专利。 经过多次实验循环后，1938 年 XNUMX 月获得了用于实验性长筒袜的纤维。 XNUMX年XNUMX月，实验企业建成。 29 年 1937 月 41 日，也就是卡罗瑟斯 XNUMX 岁生日三天后，他服用氰化钾去世了。 一位杰出的研究人员被他作为科学家没有成功的困扰所困扰。 尼龙的开发成本为 6 万美元，高于任何其他公共用途产品。 （相比之下，美国花了 2,5 万美元开发电视。） 从表面上看，尼龙类似于天然丝绸，并且在化学结构上接近它。 然而，就其机械强度而言，尼龙纤维大约是粘胶丝的三倍，而天然纤维几乎是其两倍。 杜邦长期以来一直保守着尼龙制造工艺的秘密。 甚至她为此制作了必要的设备。 商品的雇员和批发商都必须对与“尼龙秘密”有关的信息进行保密订阅。 第一个投放市场的商业产品是尼龙刷毛牙刷。 他们于 1938 年开始获释。 尼龙丝袜于1939年1940月展示，从15年开始，威尔明顿开始生产尼龙纤维，被针织厂购买用于制作丝袜。 由于贸易公司的相互协议，竞争制造商的长袜在同一天上市：1940 年 XNUMX 月 XNUMX 日。 尼龙产品的大规模生产是在第二次世界大战之后的 1946 年才开始的。 尽管此后出现了许多其他聚酰胺（kapron、perlon 等），但尼龙仍广泛用于纺织工业。 如果说 1939 年世界尼龙产量只有 180 吨，那么到 1953 年就达到了 110 万吨。 尼龙塑料在 50 年代被用于制造中小型船舶的螺旋桨。 在 40 世纪 50-1 年代。 其他合成聚酰胺纤维也出现了。 因此，在苏联，卡普隆是最常见的。 其生产原料是廉价的苯酚，由煤焦油制成。 0,5吨苯酚可制取约20吨树脂，可制成尼龙，足以制成25万-XNUMX万双丝袜。 Kapron 也可从炼油产品中获得。 1953年，苏联在世界上首次进行了乙烯与四氯化碳聚合反应的中试，得到了工业生产庚烷纤维的初步产品。 其生产计划是由 A. N. Nesmeyanov 领导的一组科学家制定的。 就基本物理机械性能而言，庚烷不仅不逊色于其他已知的聚酰胺纤维，而且在许多方面都超过了锦纶和锦纶。 在 50-60 年代。 上世纪开始生产涤纶、聚丙烯腈合成纤维。 聚酯纤维由聚对苯二甲酸乙二醇酯熔体形成。 它们具有出色的耐热性，在 50°C 时保持 180% 的强度，具有阻燃性和耐候性。 耐溶剂和害虫：飞蛾、霉菌等。聚酯线用于制造传送带、传动带、绳索、帆、渔网、软管，作为轮胎的基础。 单丝用于造纸机网、球拍线的生产。 在纺织工业中，用涤纶纤维制成的线用于制作针织品、织物等。Lavsan属于涤纶纤维。 聚丙烯腈纤维的性能与羊毛相似。 它们耐酸、碱、溶剂。 它们用于制造外套、地毯、西装面料。 在与棉和粘胶纤维的混合物中，聚丙烯腈纤维用于制造亚麻布、窗帘和防水油布。 在苏联，这些纤维以商品名 Nitron 生产。 许多合成纤维是通过迫使聚合物熔体或溶液通过直径为 50 至 500 微米的喷丝头进入冷气室，长丝在冷气室中凝固并变成纤维而制成的。 连续形成的线缠绕在筒管上。 醋酸纤维在热空气中固化以蒸发溶剂，而粘胶纤维在沉淀浴中用特殊的液体试剂固化。 在形成过程中卷轴上的纤维拉伸用于使链聚合物分子呈现更清晰的顺序。 纤维的性能受到多种方法的影响：通过改变挤出速度、浴液中物质的组成和浓度，通过改变纺丝溶液、浴液或气室的温度，通过改变喷丝头开口的大小。 纤维强度性能的一个重要特征是断裂长度，纤维在其自身重力作用下断裂。 对于天然棉纤维，它从 5 到 10 公里不等，对于醋酸丝 - 从 12 到 14 不等，对于天然纤维 - 从 30 到 35 不等，对于粘胶纤维 - 高达 50 公里。 由聚酯和聚酰胺制成的纤维具有更大的强度。 因此在尼龙中，断裂长度达到 80 公里。 合成纤维在许多领域已经取代了天然纤维。 他们的总产量几乎相等。 作者：Pristinsky V.L.
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