История фабрики Вискоза. Крутые Курто. Страсти по вискозе. ч.1
Краткая история превращения фирмы Курто (Courtauld) из семейной фирмы в мирового гиганта в сфере производства вискозы / искусственного волокна. 1891- 1904 гг.
Искусственные волокна. Вискоза. Курс молодого бойца.*
* Можно пропустить, но не обязательно)
Существует три вида природных, натуральных волокон: 1) волокна растительного происхождения (хлопок и лен), 2) волокна животного происхождения (шерсть и шелк), 3) волокна минерального происхождение (асбест).
Волокна, не принадлежащие к миру природы, делятся на искусственные и синтетические.
Искусственные волокна вырабатываются хотя и искусственным путем, но из натурального сырья (например, целлюлозы, каучука).
Синтетические волокна получают из полимеров, не имеющихся в природе, т.е. синтезированных химическим путем. В качестве исходного сырья для получения синтетических волокон используют продукты переработки угля, нефти и газа (бензол, фенол, этилен, ацетилен...). Примеры синтетических волокон - акрил, полиэстер, полиамид (капрон/нейлон), полиуретан (лайкра).
Первые искусственные волокна назывались «искусственным шелком» из-за их характерного блеска, напоминавшего натуральный шелк.
Образцы искусственого шелка. 1902 г.
Технологии/способы производства искусственных волокон, делятся на 2 группы:
1) способы, основанные на превращении целлюлозы в растворимые соединения, из которых затем регенирируется целлюлоза, так что нити искусственного волокна состоят из целлюлозы; сюда относятся: нитратный, медно-аммиачный и вискозный шелк;
2) способы, при которых конечный продукт состоит уже не из целлюлозы, а из ее эфиров, простых или сложных; к этой группе относится ацетатный шелк.
Первым видом искусственных волокон целлюлозного происхождения был нитратный шёлк, полученный в 1884 г. Несколько позже, в 1890 г. был найден способ промышленного производства медно-аммиачного волокна, а в 1898 г. получено самое распространенное в настоящее время искусственное волокно - вискозное. К концу первой мировой войны был разработан метод производства ацетатного волокна. С конца 1930-х годов начало быстро развиваваться производство синтетических волокон.
Нитратный шелк в качестве исходного материала использует линтер (короткий пух с семян хлопчатника, непригодный для текстильной промышленности). Недостатки этого способа состоят в дороговизне исходного материала (линтера) и в значительном расходе дорогостоящих растворителей (спирта и эфира). К 1930-м годам производство нитрошелка было практически полностью прекращено.
Медно-аммиачный шелк отличается высокими качествами: тонкостью элементарных нитей, не уступающей натуральному шелку, прочностью к мытью, красивым видом и т. д.. Способ дорогостоящий, т.к. использует линтер в качестве исходного сырья, а также медь.
Вискозный шелк - самый экономичный и дешевый; исходный материал - сульфитная целлюлоза, которую получают из древесины - вдвое дешевле линтера, применяемого при других способах; химикаты, применяемые при его производстве (NaOH, H2SO4, CS2 и др.), сравнительно дешевы и легко доступны.
Толщина волокон натуральной шерсти 20-40 мкм, натурального шелка - 18 мкм, хлопка - 15 мкм, вискозного шелка - 4 мкм, медноаммиачного шелка - 2 мкм.
Сравнительная толщина различных натуральных и искусственных волокон
Сравнительная прочность различных натуральных и искусственных волокон (в кг/кв мм)
Соотношение четырех основных способов производства искусственного волокна в 1909-1928 гг.
Производство искусственного шелка в важнейших странах в 1913 - 1926 гг.
(Энциклопедический словарь Гранат, т.49)
Годовой объем производства в Россию на фабрике "Вискоза" в Мытищах составлял до Первой мировой войны примерно 140 тонн.
В 1924 году в США, чтобы устранить существовавшую путаницу в названиях, для всех искусственных волокон было введено общее “generic”-название - rayon («ray, англ. луч + «on», по аналогии с cotton (англ. хлопок)).
Проявившим терпение и дочитавшим до этого места - персональный лайк.
Самое краткое описание вискозного метода получения искусственного волокна:
"Целлюлозу подвергают химической обработке щелочью для получения щелочной целлюлозы, которую затем обрабатывают сероуглеродом при этом получается ксантогенат целлюлозы. Ксантогенат растворяют в водном растворе щелочи и получают вязкий прядильный раствор, называемый вискозой. Вискозу очищают от механических примесей и воздуха, затем продавливают через тонкие отверстия фильеры в осадительную ванну, содержащую серную кислоту и сульфаты."
(Для представления, как это самом деле, а заодно для понимания степени опасности и вредности вискозного производства - подробное описание в «Справочнике химика - 21», стр. 99 -117. Рекомендуется читать на ночь.)
Этапы технологического процесса производства вискозного волокна
.
===== курс молодого вискозного бойца пройден =====================================================
На пути к вискозе.
Натуральный шелк был очень дорогим материалом. Долгие месяцы странствовали тюки китайского шелка по караванным путям Средней Азии и Ближнего Востока, прежде чем попадали в Европу. И чем дольше они путешествовали, тем дороже стоили. Попытки найти замену натуральному шелку делались с давних времен.
1665 год.
Английский физик Роберт Гук (1635-1703) впервые предположил возможность получения искусственных шелкоподобных нитей, аналогичных натуральному шелку.
1734 год.
Французский энтомолог Реомюр (1683-1747), ( нам больше известный по своей температурной шкале Реомюра, которая использовалась в спиртовых термометрах) в книге написал «Шелк есть не что иное как высушенная камедь, почему нам не сделать шелк при помощи камеди и смолы?» Реомюр описал свои опыты, где он продавливал различные виды лака через проделанные отверстия в консервной банке, в результате получая грубые нити, которые затвердевали на воздухе. Поэтому ему приписывают первый процесс сухого прядения, хотя его экструдат был непригоден для использования в качестве волокна.
1839 год.
Француз Ансельм Пайен (1795-1871), профессор сельскохозяйственной и промышленной химии Центральной школы искусств и промышленности в Париже, открыл целлюлозу и ее химическую формулу. Целлюлоза стала основой в производстве бумаги, а через полвека дала мощный старт технологиям создания искусственных волокон.
1846 год
Швейцарский химик немецкого происхождения Кристиан Шёнбейн открыл пироксилин - нитроцеллюлозу. Легенда гласит, что он случайно пролил азотную кислоту на хлопковый фартук жены и, решив высушить его на печке, стал свидетелем взрывного сгорания. Созданное легковоспламеняющееся соединение нитроцеллюлоза нашло множество практических применений, в том числе в боеприпасах и гибких пленках. При растворении в эфире нитроцеллюлоза образует коллодий, который использовался в медицинских перевязочных материалах и ранней фотосъемке с помощью мокрых пластин. Это направление исследований привело к открытию динамита и основанию Альфредом Нобелем в 1867 году производства взрывчатых веществ. Но также привело и к первой успешной попытке сделать текстильные волокна из растительной целлюлозы.
1855 год.
Химик Жорж Одемар из Лозанны, Швейцария, получил первый британский патент на способ получения искусственного шелка путем вытягивания тонких нитей или волокон из спиртово-эфирного раствора нитрата целлюлозы (коллодия). Полученное волокно «можно прясть, как хлопок; или оно может быть превращено во взрывчатое соединение».
1883 год.
Английский физик и химик Джозеф Уилсон Сван (1828-1914 гг.) ), изобретатель первой электрической лампы, бромидной фотобумаги (кто-то возможно помнит в советские времена фотобумагу «унибром», «бромпортрет», «фотобром») и много чего еще, в поисках лучшей нити для электрических ламп накаливания запатентовал процесс выдавливания уксуснокислого раствора нитрата целлюлозы в уксусной кислоте через отверстия с образованием волокон. Сван понял, что эти нити можно использовать для производства тканей, и даже продемонстрировал в 1884 «некоторые образцы искусственного шелка… изобретение мистера Дж. В. Свана» на собрании Общества химической промышленности и на выставке изобретений в 1885 году в Лондоне, но работы в этом направлении не продолжил, целиком сосредоточившись на производстве нового тогда типа ламп и внедрении электрического освещения.
1884 год.
Место пусто не бывает. Идеи Свана воплотил в жизнь французский ученый и изобретатель граф Луи-Мари-Илер Берниго, граф де Шардонне, который сегодня заслуженно считается «отцом искусственного шелка». Шардонне как раз сосредоточился именно на текстильном направлении. В 1884 году он подал заявку на свой первый патент и в 1884 году представил в Академию наук меморандум под названием «Une matiere Textile Artificielle ressemhlant a la soie» («Искусственный текстильный материал, напоминающий шелк»). На Всемирной выставке в Париже в 1889 г. он получил главный приз за первое платье из волокна нитрата целлюлозы, а в 1891 г. начал производить «Шардонне-шелк» («soie Chardonnet») на фабрике, которую он основал в своем родном городе Безансоне. Самому графу-изобретателю пришлось пройти на этом пути через множество передряг, но дело было сделано - галантерейные изделия и одежда из блестящего, красивого, «искусственного шелка» появились на рынке и лучшая половина человечества их заметила и оценила.
1890 год.
Французский химик Луи-Анри Деспейси запатентовал альтернативную технологию производства искусственного шелка - медноаммиачную. Процесс был основан на открытии, сделанном в 1857 году швейцарским химиком Маттиасом Эдуардом Швейцером, который обнаружил, что целлюлоза растворяется в аммиачном растворе гидроксида меди, ставшим известным потом как «реактив Швейцера». Работая над прядением волокон из раствора Швейцера, Деспейси экструдировал медно-аммиачный раствор целлюлозы в воду, используя разбавленную серную кислоту для нейтрализации аммиака и осаждения волокон регенерированной целлюлозы.
Все вышеперечисленные изобретатели, каждый из которых был безусловно неординарной личностью, проложили дорогу в 20 век с его сумасшедшим стартом рынка искусственных волокон. Но будущему лидеру конкурентной гонки технологий и ее победителю еще только предстояло появиться на свет.
Вискоза до Курто. 1891-1904 гг
В 1891 году британские химики Чарльз Кросс, Эдвард Беван и Клейтон Бидл, обнаружили, что хлопковая или древесная целлюлоза может растворяться в виде ксантогената целлюлозы после обработки щелочью и сероуглеродом: Подобный патоке желтый раствор (первоначально называвшийся «вязким раствором целлюлозы», позже сокращенным до «вискозы», viscouse=вязкий) можно было коагулировать в ванне с сульфатом аммония, а затем снова превратить в чистую белую целлюлозу с помощью разбавленной серной кислоты. Они запатентовали свой процесс в 1892 году, без упоминания волокон.
Кросс и Беван, знакомые друг с другом еще со времен учебы в университете в Манчестере, организовали партнерство в качестве химиков-аналитиков и консультантов для обслуживания целлюлозно-бумажной промышленности в 1885 году. Офис и лаборатория располагалась в Лондоне, в районе Кью. В качестве естественного развития их работ в области химии целлюлозы и мерсеризации хлопка они заинтересовались растворением целлюлозы, и результатом стала заявка на теперь уже знаменитый патент Кросса-Бевана-Бидла 1892 года №8700 «Улучшения в растворении целлюлозы и родственных соединений».
В 1893 году они образовали Viscose Syndicate, чтобы выдавать лицензии на конечное использование неволокнистых материалов, в 1896 году была создана компания Viscoid Co Ltd, чтобы использовать этот процесс для создания формованных материалов. Позже, в 1902 году, эти компании были объединены в Viscose Development Co. Первые лицензии были предоставлены производителям бумаги и ситцепечатникам на использование вискозы в качестве покрытия или проклейки, а также производителям искусственной кожи и искусственных цветов.
Viscose Development Co выжила и на рынке была по крайней мере до 1940-х гг.
В это же время в другой лаборатории, тоже находящейся в Кью, Ч. Стерн (Charles Henry Stearn, 1844-1919 ) и его молодой партнер Ч.Toпхэм (Charles Frederick Topham, 1865-1936) разработали процесс непрерывного прядения нити и оборудование, необходимое для отмывки и сбора вискозной пряжи.
Эти двое познакомились еще в 1874 году в Ливерпуле, где 9-летний Топхэм в семейной мастерской помогал своему отцу выдувать стекло для спектральных трубок и радиометров по заказам Стерна. Сам Стерн в то время работал кассиром в ливерпульском отделении Банка Англии, а в свободное время был ученым-любителем. Стерн затем стал техническим директором на ламповых фабриках Свана, а Топхэм его помощником. Все это время под руководством Свана они настойчиво искали возможность создать более совершенные нити накаливания для электрических ламп.
NB Сэр Джозеф Уилсон Сван (1828-1914) - английский физик и химик, наиболее известен изобретением электрической лампы накаливания. Сван получил британский патент в 1878 году, примерно на год раньше Томаса Эдисона в США. Двое выдающихся изобретателей своего времени, как водится, «пободались», посудились, но уже в 1883 году, отложив в сторону юридические разногласия и объединив свои патенты и знания, создали совместную компанию для продажи ламп, которую назвали по-простому - Ediswan (Edison and Swan Electric Light Company).
Первые электрические лампы накаливания Свана и Эдисона. 1878-1879 г.
В 1889 году, когда Сван и Стерн все еще не смогли найти работоспособную нить накала лампы, Стерн ушел, чтобы руководить отделением Zurich Incandescent Lamp Co в Лондоне, которое также находилось в Кью. В 1893 году, увидев патент на вискозу, он увидел возможность с помощью экструзии ксантогената целлюлозы делать нити накала, подходящие для его электрических ламп, связался с Кроссом и предложил сотрудничество.
Его работа над прядильным оборудованием дала результат в 1898 году, когда Стерн, называя себя электриком, запатентовал способ производства вискозной нити, «превращая раствор [вискозы] [целлюлозы] в осаждающий раствор, такой как, например, спирт, рассол, хлорид или сульфат аммиака. или другой подходящий осадитель».
Хотя это открытие потом будет названо величайшим успехом, сам Стерн, по словам современников, беседовавших с ним в конце жизни, рассматривал тот период как неудачный. Его приоритетом и целью были нити накаливания для электрических ламп, а запатентованный им вискозный процесс так и не смог обеспечить необходимую стабильность толщины нити, что было критичной характеристикой для применения в лампах.
Для финансирования разработки коммерческого процесса прядения на основе этих идей, Кросс и Стерн в мае 1899 года учредили акционерное общество Viscose Spinning Syndicate Ltd (VSS). Их основным финансовым спонсором был принц Доннерсмарк, немецкий промышленник, один из самых богатых людей своего времени. В числе первых акционеров были Альфред Нобель (взрывчатые вещества) и Эндрю Пирс (мыловар, он же - тесть Бидла). В континентальной Европе права перешли к группе немецких бизнесменов, основавших Continentale Viskose GmbH в 1897 году.
Исследования в рамках синдиката Кросса-Стерна, вела небольшая группа, в которую входили Топхем, Вудли, Бриггс и Бир (Topham, Woodley, Briggs and Beer), с Кроссом в качестве консультанта. Именно эта группа провела вискозный процесс через его зачаточные стадии.
Участники Viscose Spinning Syndicate. Опыт и молодость
Слева-направо: Кросс, Вудли,Томас, Биир, Стерн, Гуго Колкер, Топхэм, Мутар (секретарь Колкера). Гуго Колкер (1845-1915) - немецкий промышленник из г.Бреслау (как и Доннерсмарк), владелец нефтеперерабатывающего завода, также спонсор-акционер VSS.
Экономист и историк промышленности Д. К. Коулман в трехтомной истории компании Курто «Courtaulds: An Economic and Social History» описывает эту компанию как «любопытное сочетание таланта и неопытности... . . которой не удалось стать ни исследовательской лабораторией, ни производственным опытным заводом».
Другие авторы отмечают, что участники Viscose Spinning Syndicate Ltd под руководством Кросса и Стерна были нацелены на привлечение покупателей для продажи своего процесса, что мешало проведению необходимых исследованиям и развитию более глубокого понимания основ процессов растворения целлюлозы. При этом «экономические аспекты не учитывалась, а последствия воздействия ядовитых газов и отложения вискозы в канализации игнорировались».
Следующие несколько лет были сопряжены с постоянными трудностями, поскольку первоначальный вискозный процесс демонстрировал плохую повторяемость и в значительной степени неуправляемость. Нити, полученные путем прядения в популярной тогда щелочной ванне, были настолько слабыми, что их можно было собрать только в специально разработанном «прядильном ящике Топхэма» (Topham box) - центрифугальном устройстве, которое обеспечивало щадящий способ сбора пряжи, не подвергая ее натяжению, создаваемому бобинными системами.
Две катушки с вискозной нитью рядом с более поздней версией экспериментальной прядильной коробки «Topham box” Чарльза Топхэма, которая использовалась им в 1901 году. Катушки помечены именем Topham. (Science Museum, London)
Другими ключевыми, хотя и недооцененными, улучшениями процесса, были разработанные Топхемом свечной фильтр (для удаления частиц из вискозы перед прядением), прядильный насос (для обеспечения тщательного контроля размера нити) и процесс фиксации горячей кислотой.
Один из патентов Топхэма. Заявка 15.01.1901, патент 10.06.1902
«Приспособление» Топхэма, которое позже будет рассматриваться как один из фундаментальных прорывов, приведших к успешной коммерциализации процесса производства вискозного волокна, оказалось бы ненужным, если бы группа исследователей VSS догадалась бы раньше использовать для прядения кислотную ванну (как это произошло в континентальной Европе).
Первым лицензиатом, обнаружившим ненадежность, присущую этому раннему способу процесса производства вискозного волокна, был уже упоминавшийся выше принц Доннерсмарк, мажоритарный акционер Continentale Viskose Co, который в 1902 году начал строить вискозную фабрику на базе оборудования, заказанного в фирме Dobson &Barlow в г. Штеттине, Германия, недалеко от принадлежащего ему же целлюлозно-бумажного завода в Альтдамме.
Гвидо Хенкель фон Доннерсмарк (1830 - 1916). Известен своей бурной биографией, а также благодаря своим женам (1, 2) , имевшим отношение к России.
Новая фабрика Доннерсмарка начала производство в августе 1903 года, но несмотря на большие инвестиции в машины и персонал, в течение следующих двух лет выпуск вискозной пряжи не превышал 100 кг в день. Его менеджеры были частыми гостями в Кью, но несмотря на свободный доступ к новейшим технологиям, продолжали сталкиваться с трудностями.
Во Франции права на производство вискозного шелка приобрела компания Société Français de la Viscose, которая, как и Доннерсмарк, заказала три прядильных машины Dobson&Barlow с 50 веретенами каждый. Их фабрика начала работу летом 1903 года, однако, как и Доннерсмарк, к 1905 году французы так и не смогли достичь объема выпуска выше 100 кг в день.
В 1899 году в Кью прибыли гости из Америки - химик, доктор Артур Д. Литтл из Бостона, и бизнесмен из Филадельфии Дэниел Спруэнс. Они приобрели права в США на патент Кросса, Бевана и Бидла. Это сыграло важную роль в создании фирмы Cellulose Products Co в США для производства растворов вискозы в 1900 году, а в 1901 году они приобрели права и на патент Стерна на прядение вискозного волокна. (кстати, компания доктора Артура Д. Литла до сих пор существует и процветает). Через пять лет, полных производственных проблем, права были выкуплены у Спруэнса за 25000 долл. его адвокатом Сайласом В. Петиттом. Он распустил первоначальные компании, но продолжал проект под названием Genasco Silk Works до своей смерти в 1908 году. Мы еще встретим это название чуть позже.
В феврале 1904 года произошло поворотное в истории искусственного волокна событие - лабораторию в Кью посетил Генри Гринвуд Тетли, управляющий директор фирмы Курто (Samuel Courtauld & Co Ltd), крупного производителя шелка.
Продолжение следует...