История синтетических волокон прошла несколько ключевых этапов. В период с 1940 по 1970 годы были разработаны и внедрены основные, так называемые «классические» или «традиционные», виды волокон. Следующие два десятилетия (1970-1990 гг.) ознаменовались появлением модифицированных волокон третьего поколения с улучшенными потребительскими свойствами. Современный этап, начавшийся в 1990-х годах, направлен на создание инновационных «волокон будущего» или четвертого поколения. По данным на 2007 год, мировой объем производства синтетических текстильных волокон достигал примерно 45 миллионов тонн в год. В этой структуре полиэфирные волокна занимали лидирующую позицию — 41%, доля полиамидных составляла 5%, а полиакрилонитрильных — 3%.
Производство полиэфирных волокон
Промышленный выпуск полиэфирного волокна, такого как лавсан (также известный как терилен или дакрон), начался в 1951 году в Англии. Наиболее распространенным материалом является полиэтилентерефталат (ПЭТФ или PET). Этот полимер обладает высокой температурой плавления (около 255-270 °C) и сохраняет свои эксплуатационные характеристики в широком диапазоне — от -60 до +170 °C. Его механическая прочность в три раза превышает прочность полиэтилена. Пленки из ПЭТФ отличаются исключительной барьерностью, практически не пропуская пары воды и органические растворители. Благодаря этим свойствам лавсан нашел широкое применение не только в текстильной промышленности (трикотаж, ткани), но и в технических областях: для производства шинного корда, транспортерных лент, канатов, электроизоляции и многих других изделий.
Синтез ПЭТФ — многостадийный процесс, основанный на реакции терефталевой кислоты (или ее диметилового эфира) с этиленгликолем. Исходным сырьем является пара-ксилол, который окисляют до терефталевой кислоты. Далее следует сложный процесс этерификации и поликонденсации, протекающий при высоких температурах (270-280 °C) и вакууме с использованием катализаторов.
Формование волокон происходит из расплава полимера. Расплав под высоким давлением продавливается через фильеры — пластины с тысячами микроскопических отверстий. Качество и точность изготовления фильер (часто из драгоценных сплавов) критически важны для получения волокна заданных характеристик. Сформованные нити охлаждаются, обрабатываются и упаковываются.
Производство ПЭТФ — капиталоемкая отрасль. Стоимость установки по производству терефталевой кислоты мощностью 200-250 тыс. тонн в год оценивается в 200-250 млн долларов США. Мировое потребление терефталевой кислоты для ПЭТФ к концу 2012 года превысило 51 млн тонн, при этом основной рост мощностей наблюдался в Китае и Индии. В 2002 году мировое производство ПЭТФ достигло 27 млн тонн в год с прогнозируемым ежегодным ростом около 6%. Доля России в этом производстве была крайне мала, страна являлась преимущественно импортером этой продукции.
Производство полиамидных волокон
Полиамидные волокна, макромолекулы которых содержат амидные группы (-NHCO-), являются одними из важнейших синтетических материалов благодаря выдающемуся комплексу физико-механических свойств. В промышленных масштабах производятся в основном два типа: волокна на основе полиамида-6 (капрон, найлон-6) и полиамида-6,6. Полиамиды представляют собой линейные кристаллические полимеры, выпускаемые в виде волокон или гранул для последующего производства тканей, пластмасс, шинного корда и изделий в машиностроении.
Ключевым мономером для производства капрона является капролактам. Его синтез — сложный многостадийный процесс, часто начинающийся с бензола. Бензол гидрируют до циклогексана, который затем окисляют. Последующие стадии включают получение циклогексанона, его конденсацию с гидроксиламином и перегруппировку Бекмана с образованием капролактама. Полимеризация капролактама происходит при температуре около 260 °C, в результате разрыва цикла и образования линейной макромолекулы. Полученный расплав полимера охлаждается, гранулируется, промывается и сушится.
Поскольку бензол является дефицитным сырьем, ведется активная работа по разработке альтернативных методов получения капролактама, например, из толуола.
Производство полиакрилонитрильных волокон
Полиакрилонитрильное волокно (нитрон, орлон, акрилан) производится с 1950 года. Основной мономер — акрилонитрил (нитрил акриловой кислоты, НАК), который часто получают методом окислительного аммонолиза пропилена. Этот процесс проводится при высокой температуре (400-500 °C) в присутствии катализаторов на основе оксидов металлов, таких как молибдат висмута.
Для получения волокна акрилонитрил сополимеризуют с другими мономерами (например, метилакрилатом) в водной среде. Полученный полимер (ПАН) отделяют, сушат и формуют в волокна. Формование осуществляется путем продавливания расплава полимера через фильеры с последующей обработкой жгута: промывкой, вытяжкой, сушкой и нарезкой на волокна стандартной длины.
Нитрон считается отличным заменителем шерсти, обладает высокой прочностью и стойкостью к гниению. Его применяют для изготовления трикотажа, искусственного меха, технических тканей и каучуков. Более 90% мирового производства акрилонитрила используется для волокон и сополимеров. Крупнейшие установки имеют мощность до 600 тыс. тонн в год (США).
Высокотермостойкие волокна нового поколения
Особое место среди синтетических материалов занимают высокотермостойкие волокна, способные работать при температурах 250-350 °C и выше. Ярким примером являются отечественные полиоксадиазольные волокна и нити (ПОД) Арселон и Арселон-С, не имеющие мировых аналогов.
Эти материалы получают поликонденсацией терефталевой кислоты и гидразинсульфата в среде серной кислоты. Уникальный комплекс свойств (термостойкость, прочность, устойчивость) позволяет использовать их для изготовления специальной защитной одежды, фильтров для горячих газов, электроизоляционных и фрикционных материалов. При этом их стоимость в 1.5-2 раза ниже, чем у других термостойких волокон.
Ведущим производителем этих материалов является РУП «Светлогорское ПО «Химволокно» (Беларусь) в кооперации с российскими предприятиями. Это производство — единственное в мире. Помимо ПОД, предприятие также выпускает широкий спектр углеродных материалов на основе вискозных волокон: ткани, войлоки, сорбенты, радиопоглощающие и металлоуглеродные волокна, что подчеркивает его высокий технологический уровень.