Здавна для виготовлення свого одягу користалася природними волокнами , одержуваними з бавовни, льону, вовни деяких тварин, з ниток, випрядаемих гусеницею шовковичного шовкопряда. Цілком природно , що ці джерела виявилися недостатніми, щоб повністю задовольнити все зростаючу потребу в тканинах.
Гусениця шовковичного шовкопряда видавлює через вузьку протоку в’язку рідину і витягає її в найтоншу нитку, застигаючю на повітрі. Отже, щоб одержати штучне волокно подібне гусениці шовковичного шовкопряда, треба приготувати в’язку рідину і з неї спробувати витягати нитки.
З цією метою бавовну обробили азотною кислотою. При цьому виходила нитроцеллюлоза, що при розчиненні в суміші спирту з ефіром давала сиропоподібну рідина. З цієї рідини паличками вдавалося витягати нитки. Але цей примітивний спосіб не міг, звичайно, нікого задовільнити. Французький хімік Шардоне вирішив далі провести наслідування шовкопряду. продавлював розчин нітроцелюлози в спирті й ефірі через тонкі отвори в підкислену воду. Після розведення водою спіртоефірного розчину виходили шовковисті довгі нитки чистої нітроцелюлози.
Відомо, як вогненебезпечна й вибухові нітроцелюлоза. У плаття з такої не погодилася б вбратися жодна модниця. Щоб уникнути цього недоліку, отримані нитки піддавали денітрації.
Перші зразки були, звичайно, дуже дорогі, а тим часом досягнення, здавалося, було невелике. Адже штучний шовк виходив усе-таки з волокнистого матеріалу — бавовни. З бавовни легко одержувати нитки і звичайним , щоправда, вони не мають шовковистий блиск. От якби навчитися готувати штучні нитки з целюлози, що не йде на прядіння , наприклад з тієї, що знаходиться в деревині, і не застосовувати при цьому дорогу азотну кислоту.
Великим завоюванням хімії було створення такого способу. Цей спосіб зветься віскозного і є в даний час одним з найпоширеніших.
віскозного шовку полягає в наступному:
Як відомо, у деревині складає приблизно 50% за масою. Щоб виділити чисту целюлозу, деревину перетворюють у тріску і варять у великих закритих казанах, під тиском у кілька атмосфер, з розчином гідросульфіта кальцію Ca (HSO3) 2. Варка триває близько доби. При цьому гідросульфіт руйнує речовини, що склеюють волоконця клітковини, і вона, як хімічно найбільш стійка, виділяється у вільному вигляді. Целюлозу змішують з водою і рідкою кашкою, виливають поступово на безупинно рухливу стрічку. Після видалення води, висушування і різання утворяться аркуші так називаної сульфітної целюлози, що нагадує собою картон. Частина сульфітної целюлози йде на вироблення паперу, а частина — на виробництво віскозного шовку.
Природні і синтетичні волокна
... Поки ацетатне волокно обходиться дорожче віскозного, тому що ... матеріалу - бавовни. З бавовни легко одержувати нитки і звичайним ... волокна, тобто такі, основу яких складають не природні ... продовжується біля доби. При цьому гідросульфіт руйнує речовини, що ... нитки. Але цей примітивний спосіб не міг, звичайно, нікого задовільнити. Французький хімік Шардонне вирішив далі провести наслідування шовкопряду. ...
З отриманої целюлози не можна безпосередньо випрясть нитки, її треба спершу перевести в розчин, щоб потім за прикладом нітратного шовку з в’язкого розчину витягати нитки. не розчиняється ні у воді, ні в звичайно уживаних органічних розчинниках. Але виявилося, що якщо на целюлозу подіяти спершу концентрованим розчином лугу, а потім сірковуглецем CS2, то вона перетворюється в речовину, розчинна в розведених розчинах лугу, для одержання таких розчинів надходять у такий спосіб.
Листи целюлози обробляли лугом, потім їх подрібнюють механічним способом, що вийшла, пухкі масу через деякий час обробляють в особливих апаратах сірковуглецем. Продукт реакції целюлози з лугом і сірковуглецем здобуває оранжево-жовте забарвлення, і тому називається ксантогенатом (від грец. «Ксантос» — світло-жовтий).
Ксантоганат представляє собою ефір целюлози.
До ксантогенату доливають 4-відсотковий розчин гідроокису натру. Утворюється в’язкий розчин — віскоза. Цей спосіб одержав назву віскозного. Віскозу залишають на кілька днів «дозрівати», щоб вона стала придатною для формування . Готова віскоза надходить у цех прядіння. Тут на десятках машин з її готують шовкові нитки.
Відомі й інші штучні .
З принципом одержання одного з них легко познайомитися навіть практично.
Приплив до розчину мідного купоросу розчин гідроксиду натрію. Вийде блакитний осад гідроксиду міді:
CuSO4 + 2NaOH = Cu (OH) 2 + Na2SO4
Отфільтруем осад і розчинимо його в міцно нашатирному спирті (водному розчині аміаку NH3).
При цьому утворюється так зване комплексне мідно-аміачна сполука, розчинна у воді, і рідина приймає красиве темно-синє забарвлення.
У цій рідині розчинний, при помішуванні паличкою, грудочка вати (вата — це волокна бавовни).
У нас вийде мідно-аміачний розчин целюлози. Якщо тепер його вилити тонким струменем у розчин кислоти або лугу, то комплексна сполука міді розкладеться, і виділиться знову у вигляді пластівців і ниток. Мідно-аміачний розчин целюлози ми можемо видавлювати в осадительную ванну з якого-небудь насосик, наприклад медичного шприца. Тоді целюлоза твердне у вигляді довгих ниток. Це буде вже досить повним наслідуванням виробничому процесу одержання волокна.
У промисловості для одержання мідно-аміачного шовку використовується бавовняне волокно — лінт. Щоб виділити целюлозу з мідно-аміачного комплексу, розчин видавлюють через фільєри в теплу воду або розчин лугу і які утворюються нитки пропускають потім через розчин сірчаної кислоти.
Мідно-аміачний шовк називають павутиною з міцністю стали. Однак він тонше павутини і тонше натурального шовку і по міцності мало уступає останньому, а по красі навіть перевершує його.
Особливої міцністю володіє ацетатне волокно. За цим способом лінт обробляють сумішшю оцтової кислоти CH3COOH та оцтового ангідриду (CH3CO) 2O у присутності невеликого кількість сірчаної кислоти. У результаті реакції утворюється складний ефір — діацетілцеллюлоза або триацетилцеллюлоза. Якщо формулу целюлози зобразити у вигляді [C6H7O2 (OH) 3] n чи, спрощено (одна ланка молекули), у вигляді C6H7O2 (OH) 3, то формула діацетілцеллюлози буде C6H7O2 (OH) (OOCCH3) 2, а формула триацетилцеллюлоза C6H7O2 (OOCCH3 ) 3.
Той і інший складний ефір целюлози використовуються для одержання штучного волокна. З цією метою перший з них розчиняють у суміші етилового спирту й ацетону, а другий — у суміші спирту і хлористого метилену. Отриманий в тому чи іншому випадку в’язкий розчин видавлюють через фильеру в шахту, в якій проходить нагріте повітря. Після випаровування розчинника утворюються нитки шовку. Цей спосіб називається сухим формуванням волокна на відміну від попереднього способу — мокрого формування.
Усі розглянуті раніше волокна складаються, у кінцевому рахунку, з целюлози, хоча вона в переробки піддавалася ряду перетворень. Ацетатне ж волокно від них істотно відрізняється тим, що є складним ефіром целюлози. Воно не набухає у воді і менше інших втрачає міцність у вологому стані.
Поки ацетатне волокно обходиться дорожче віскозного, тому що на його йдуть такі цінні речовини, як оцтовий ангідрид, ацетон і т. п.
Крім штучного волокна, з ацетатцелюлози готують негорючу плівку, лаки, целлон.
Можна легко і безпомилково відрізнити бавовняну тканину від вовняної. Для цього варто лише узяти від зразків по невеликій ниточці і підпалити їх. Якщо нитка бавовняна відчувається запах горілої папери; якщо нитка вовняна, ми відчуємо запах смаленого. Це відбувається тому, що вовна білкового , а білки при нагріванні утворять летучі азотовмісні речовини з характерним запахом.
Чи можна подібним способом відрізнити нитка штучного волокна від бавовняної чи від нитки натурального шовку? Згадаймо, що штучне волокно складається в основному з целюлози; очевидно, воно при горінні не буде давати запаху паленого волосся, і за цією ознакою його не відрізнити від бавовняної нитки. Але його, виявляється, можна легко відрізнити від натурального шовку, адже натуральний шовк — це білок, і він, отже, подібно вовни, при підпалюванні буде видавати запах.
Наше століття часто називають століттям синтетичної хімії. Дуже багато нових речовин одержала за допомогою синтезу.
Навчилася вона одержувати і , тобто такі, основу яких складають не природні високомолекулярні речовини, а синтетичні полімери. Одними з перших синтетичних волокон стали відомі нейлон, анид і капрон.
Речовини, що утворять ці волокна, по своїй до деякої міри подібні з білковими речовинами шовку. Молекули усіх волоком мають лінійна будівля і складаються з повторюваних ланок. Такими ланками в молекулах целюлози будуть залишки молекул глюкози. У молекулах білка натурального шовку, вовни ланками є залишки амінокислот:
H O
O
H2N-CH-C;-N-CH-C-
OH
RR
Будова молекули білкової речовини шовки може бути виражено схемою:
H O H O H O
- ..-N-CH-C-N-CH-C-N-CH-C-…
R R R
Групи атомів-CO-NH-, що з’єднують залишки амінокислот у таких молекулах, називаються амідні групи, а зв’язки між атомами вуглецю й азоту в них — амідних зв’язками.
У молекулах, що утворять нейлон і капрон, також є амідні зв’язку між повторюваними групами атомів, але ці повторювані групи атомів — ланки — відрізняються від тих, котрі утворять молекулу природного білка.
Нейлон готують з досить простих органічних речовин — адиптиновой кислоти HOOC — (CH2) 4 — COOH і гексаметилендиамина H2N — (CH2) 6 — NH2, які в свою чергу, одержують з фенолу. При нагріванні спільно адиптиновой кислоти і гексаметилендиамина утвориться грузла смола. Молекули вихідних речовин, взаємодіючи один з одним, утворять нитковидні молекули нової речовини. Ця реакція відбувається через те, що від кінця однієї молекули відривається гідроксильна група. А від кінця іншої молекули — з аміногрупи — водню. Група OH і атом водню утворять молекулу води H2O, а залишки молекул органічних речовин за рахунок валентностей, що звільнилися з’єднуються один з одним у довгі ланцюги. Спрощено цей процес можна зобразити наступною схемою:
HO OH HH
C-(CH2) 4-C + N-(CH2) 6-N +
OOHH
HO OH
C-(CH2) 4-C + …
O O
HO
C-(CH2) 4-C-N-(CH2) 6-N-C-(CH2) 4-C-… + nH2O;
O
O H H O O
Так з’єднується в ланцюг приблизно по сотні залишків молекул гексаметилендиамина і адиптиновой кислоти.
Нагріту в’язку смолу продавлюють через тонкі отвори фільєри. Охолоджувана повітрям струмінь твердне, утворюючи волокно. Швидкість утворення волокон тут дуже велика — 1000 м / хв. Далі волокна нейлону піддаються розтягуванню на барабанах, що обертаються з різною швидкістю; при цьому вони подовжуються в кілька разів. Молекули, що утворять їх, раніше як би зморщені, випрямляються і розташовуються по осі волокна. Від цього міцність волокна сильно зростає.
Довгі ланцюжки молекул іншого синтетичного волокна — капрону, що є винаходом радянських учених, — побудовані з повторюваних ланок — залишків амінокапронової кислоти NH2-(CH2) 5-COOH.
За рахунок аміногруп і карбоксильних груп різних молекул тут також встановлюється амидная зв’язок між ланками, що видно з наступної схеми будівлі молекули капрону:
O H O H O
H2N-(CH2) 5-C — N-(CH2) 5-C — N-(CH2) 5-C-…
Технічний спосіб одержання волокон капрону подібний зі способом одержання нейлону. З капрону можна одержувати настільки тонкі волокна, що нитка довжиною 9 км буде важити усього лише 6 р.
нейлону (анида) і капрону мають міцність, значно переважаюча міцність природних і штучних волокон. Вироби з них мають багато й інших чудових властивостей. Вони не гниють, не поїдаються міллю. Після прання вони швидко сохнуть і легко приймають колишній вид. Ці вироби не гігроскопічні і не знижують своєї міцності від вологи, як це спостерігається в інших штучних волокон, навіть у натурального шовку.
Дослідження вчених привели до створення ряду нових волокон. У нашій країні, крім анида і капрону, виробляються такі синтетичні волокна, як хлорин, нітрон, лавсан, енант.
До хлорину вчені підійшли в пошуках волокна високої хімічної стійкості (розглянуті вище волокна хитливі стосовно кислот).
Серед хімічно стійких полімерів був відомий полівінілхлорид (поліхлорвініл):
- CH2-CH-
Cl n
Однак одержати волокно з нього виявилося справою складним. Адже щоб досягти розташування молекул у визначеному напрямку, а без цього немає волокна, необхідно полімер розплавити, тобто дати можливість молекулам його вільно переміщатися, щоб потім у процесі формування перешикувати їхнє розташування і закріпити в потрібному порядку. Тим часом полівінілхлорид не можна розплавляти, тому що при нагріванні він розкладається; важко знайти і придатний розчинник. Подібно тому як при одержанні штучних волокон розчинність целюлози досягається за рахунок її хімічної обробки. Удалося зробити розчинним і полівінілхлорид у результаті його додаткового хлорування. Цю реакцію, дуже нагадує нам хлорування граничних , можна виразити такою схемою:
-CH2-CH-CH2-CH-CH2-CH-… + nCl2-CH2-CH-CH-CH-CH2-CH-… + nHCl
Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl
Високомолекулярний продукт хлорування утвориться у вигляді смоли, називаної також хлорином.
Хлорин розчиняють в ацетоні, розчин пропускають через фильеру у ванну з водою. Ацетон при цьому розчиняється, і хлорин виділяється у виді тонких волокон.
Хлоринового волокно негорючі, на нього не діють ні кислоти, ні лугу, якийсь час не діє навіть «царська горілка» — суміш азотної і соляної кислот, що надає звичайно особливо сильне окисне дію.
З хлоринового волокна готують фільтрувальні і прокладочний матеріал для хімічних апаратів, спецодяг для робітників хімічної промисловості, килими, лікувальна білизна і т. д.
У списках хімічно стійких волокон учені звернулися і до полімеру тефлону (-CF2-CF2-) n вищому еталону хімічної інертності речовини, що перевершує в цьому відношенні такі шляхетні , як золото або платина. Тут труднощі здавалися довгий час нездоланними: тефлон не вдавалося розчинити в жодному з відомих розчинників, не можна його і розплавити або навіть перевести в розм’якшене стан без розкладання. Однак використання деяких прийомів формування дозволило останнім часом з тефлону одержати волокна.
Нітрон і лавсан не можуть суперничати по хімічній стійкості з хлорином або тефлоном, але в них є інші коштовні властивості, що відкривають перед цими волокнами перспективу широкого застосування.
Вихідною речовиною для одержання волокна служить нітрил акрилової кислоти — акрилонітрил CH2-CH.
CN
Завдяки наявності подвійного зв’язку між атомами вуглецю ця речовина легко полімеризується, утворюючи високомолекулярну смолу поліакрилонітрил
(-CH2-CH-) n.
CN
Полімер розчиняють у розчиннику і формують волокно по мокрому способі, подібно віскозному волокну.
нітрон по зовнішньому вигляді схоже на вовну, воно дуже добре розчиняє теплоту, досить міцно і перевершує інші волокна по світлостійкості. З цього волокна готують тканини для костюмів і пальто, штучне хутро, трикотажні вироби.
Волокно лавсан по хімічній природі є поліефіром. Вихідні речовини для його одержання — двоосновна терефталева кислота
HOOC—COOH і двоатомний етиленгліколь HO-CH2-CH2-OH.
При відомих умовах ці речовини вступають між собою в реакцію етерифікації так, що у кожного з них взаємодіють при цьому обидві функціональні групи. У результаті утворюється високомолекулярна смола лавсан. Дещо спрощуючи, процес цей можна зобразити так:
OOOO
C—C + CH2-CH2 + C—C + …
OH OH HO OH HO OH
OOOO
C—CC—C + nH2O
OH O-CH2-CH2-O …
Подібні реакції утворення полімерів, що йдуть з виділення низькомолекулярного продукту, носять загальна реакцій поліконденсації, на відміну від реакцій полімеризації, що йдуть без виділення побічного продукту і є по суті реакціями з’єднання (див. утворення нітрону).
Одержувані зі смоли лавсан волокна характеризуються великою міцністю, значною стійкістю до високих температур, світлу й іншим реагентів. з лавсану не мнуться і не втрачають згодом додану їм форму.
У нашій країні до Жовтневої революції існувала лише одна фабрика штучного шовку, що працювала по віскозному способу, та й та припинила свою роботу під час першої світової війни. При Радянській владі промисловість штучних, а потім і синтетичних волокон одержала широкий розвиток.
для читання по органічній хімії. Посібник для учнів. М., «Просвіта», 1975.
