Акриловые волокна

Происхождение и химическая природа акриловых волокон

Акриловые волокна относятся к группе синтетических волокон, получаемых из продуктов нефтехимического происхождения. Основным сырьём для их производства служат ненасыщенные нитрилы, главным образом акрилонитрил (CH₂=CH–CN), представляющий собой производное пропилена, получаемого в процессе крекинга нефтяных углеводородов. Благодаря наличию в молекуле акрилонитрила активных двойных связей и полярной циангруппы, мономер способен легко полимеризоваться с образованием длинных цепей с высокой степенью ориентации и прочности.

Химический состав и структура

Главным компонентом акриловых волокон является полиакрилонитрил (ПАН) — линейный термопластичный полимер, в структуре которого повторяющимся звеном является —CH₂–CH(CN)—. Полимерные цепи полиакрилонитрила характеризуются сильными межмолекулярными взаимодействиями благодаря диполь-дипольным силам между циангруппами, что обуславливает высокую механическую прочность, жесткость и термостойкость волокон.

В чистом виде полиакрилонитрил плохо прядется и имеет ограниченные эксплуатационные свойства, поэтому в промышленности применяют сополимеры акрилонитрила с другими виниловыми и акриловыми мономерами — метилметакрилатом, винилацетатом, акрилатом и др. Такие сополимеры обеспечивают улучшенную растворимость, окрашиваемость и эластичность материала.

Производство и технологические процессы

Процесс получения акриловых волокон включает несколько основных стадий: синтез акрилонитрила, его полимеризацию, получение раствора или дисперсии полимера, формование волокна и последующую обработку.

  1. Получение акрилонитрила. Сырьём служит пропилен, подвергаемый аммониолизу в присутствии катализаторов на основе висмута, железа и молибдена. Реакция протекает по уравнению: C₃H₆ + NH₃ + 1.5 O₂ → CH₂=CH–CN + 3H₂O. Полученный акрилонитрил подвергается очистке от побочных продуктов — ацетонитрила, синильной кислоты и ацетонциангидрина.

  2. Полимеризация акрилонитрила. Полимеризация проводится в водной среде с использованием радикальных инициаторов (перекисей, персульфатов) при температуре 40–60 °C. Полученный порошкообразный полимер осаждается, промывается и сушится. Для придания материалу необходимых свойств в полимер вводят сополимеры в количестве 5–15 %.

  3. Формование волокон. В зависимости от растворимости полимера применяются два основных метода формования:

    • мокрое прядение, при котором раствор полиакрилонитрила (обычно в диметилформамиде или диметилсульфоксиде) экструдируется через фильеры в осадительную ванну, где происходит коагуляция волокон;
    • сухое прядение, при котором раствор подается в камеру с горячим воздухом, испаряющим растворитель и формирующим нити.

После прядения волокна подвергаются растяжению, что обеспечивает ориентацию макромолекул, увеличивая прочность и упругость. Затем осуществляется термофиксация и отделочные операции, включая промывку, масляние и, при необходимости, окрашивание.

Физико-химические свойства

Акриловые волокна отличаются рядом характеристик, обеспечивающих их широкое применение:

  • высокая прочность (2,0–3,5 сН/дтекс) и устойчивость к растяжению;
  • малая плотность (около 1,17 г/см³), что делает изделия лёгкими;
  • низкая теплопроводность, создающая эффект термоизоляции;
  • химическая стойкость к кислотам, щелочам и ультрафиолетовому излучению;
  • термостойкость: размягчение начинается при 190–200 °C, разложение — при 230–250 °C;
  • малая гигроскопичность (0,5–2 %), благодаря чему волокна быстро сохнут и не теряют формы.

Благодаря наличию полярных циангрупп акриловые волокна обладают хорошими диэлектрическими свойствами, не накапливают статическое электричество и легко окрашиваются кислотными и дисперсными красителями.

Модификации и сополимерные системы

Для расширения функциональных свойств полиакрилонитрила разработаны различные модификации:

  • нитрон — классическое отечественное акриловое волокно, содержащее 85–90 % акрилонитрила и 10–15 % винилацетата;
  • орлон (торговая марка DuPont) — сополимер акрилонитрила с метилметакрилатом, отличающийся мягкостью и устойчивостью окраски;
  • акрил, панлон, дралон — варианты, различающиеся по составу и способу формования.

Модификация состава позволяет изменять окрашиваемость, блеск, объемность и эластичность волокон, а также повышать их устойчивость к термическим и климатическим воздействиям.

Применение акриловых волокон

Акриловые волокна находят широкое применение как в лёгкой, так и в технической промышленности. В текстильной отрасли они служат заменителем шерсти, обладая мягкостью и теплозащитными свойствами. Из них производят свитера, пальтовые и костюмные ткани, ковры, искусственный мех, трикотаж и пряжу.

В промышленности акриловые волокна используются для изготовления фильтров, армирующих материалов, нетканых полотен, геотекстиля, а также в углеродных композициях — как исходный материал для получения углеродных волокон. Последние образуются путем карбонизации и графитации полиакрилонитрила при высоких температурах (1000–2000 °C), что делает акриловые волокна стратегически важным сырьем для авиационной и космической техники.

Экологические и технологические аспекты

Производство акриловых волокон требует строгого контроля из-за токсичности акрилонитрила, относящегося к веществам первого класса опасности. В технологических схемах предусмотрены замкнутые циклы оборота растворителей, улавливание и рекуперация паров, каталитическое окисление отходящих газов. Современные предприятия внедряют технологии низкотемпературной полимеризации и более безопасные растворители, снижающие экологическую нагрузку.

Значение в нефтехимической промышленности

Акриловые волокна представляют собой одно из ключевых направлений использования продуктов глубокой переработки углеводородов. Производство полиакрилонитрила связывает нефтехимические процессы (крекинг пропилена, синтез акрилонитрила) с текстильной и композиционной промышленностью. Высокая технологическая гибкость, широкий диапазон модификаций и устойчивые эксплуатационные характеристики делают акриловые волокна важным элементом современной нефтехимии и полимерного материаловедения.

Оглавление