Целлулоид

ЦеллулоидЦЕЛЛУЛОИД, пластическая масса, изготовляемая из нитроцеллюлозы путем смешивания ее с камфорой. Целлулоид был изобретен (1869 г.) американцем Дж. У. Гиаттом, и с тех пор целлулоидная промышленность получила широчайшее распространение. Продукция целлулоид и изделий из него ежегодно составляет во всем мире десятки тысяч т, и производство и переработка его имеются почти во всех государствах земного шара. В основном процесс изготовления целлулоида сохранился в настоящее время тем же, каким был в твое время предложен Гиаттом, и состоит из следующих основных операций: 1) подготовка сырья, 2) смешивание нитроцеллюлозы с камфорой и другими органическими веществами, 3) фильтрование массы, 4) вальцевание, часто сопровождающееся подкраской и наполнением массы, 5) прессование в блок, 6) резка блока, 7) сушка листов, 8) выпрямление листов и полировка, 9) переработка целлулоида.

Сырье. Основными видами сырья для изготовления целлулоида являются; а) нитроцеллюлоза, b) камфора, с) спирт. Кроме них применяют еще пластификаторы, минеральные наполнители и красящие вещества. К основным материалам предъявляются следующие требования: а) Нитроцеллюлоза. Содержание азота - 10,7— 11,5%; вязкость по Энглеру - не выше 4; растворимость в спиртовом растворе камфоры полная, так же как и в спиртовом растворе эфира; стойкость при 135°С не менее 20 мин.; реакция - нейтральная; цвет - чистый белый; отсутствие посторонних механических примесей.

b) Камфора. При производстве целлулоида применяется как натуральная, так и синтетическая камфора. Натуральная камфора должна иметь температуру плавления 175°С, вращать плоскость поляризации вправо, не должна иметь заметной кислой реакции, посторонних примесей и загрязнений. Синтетическая камфора независимо от способа изготовления должна иметь температуру плавления не ниже 173°С, не иметь кислотности, в остальном же требования одинаковы с натуральной камфорой, с) Спирт этиловый. Крепость - не ниже 95° (92,5 вес. %), бесцветный, прозрачный, без постороннего запаха, при смешивании с водой в любых пропорциях не должен давать помутнения, твердый остаток после выпаривания на водяной бане - не выше 0,01%.

1) Подготовка сырья состоит в предварительном приготовлении раствора камфоры в спирте, причем эта операция производится преимущественно при употреблении натуральной камфоры, поступающей на производство в виде плотных, трудно измельчаемых плиток. Растворение производится в растворителе с мешалкой обычного типа. Перед употреблением раствор д. б. отфильтрован.

2) Смешивание нитроцеллюлозы со спиртом и камфорой является первой стадией в изготовлении целлулоида. Соотношение составных частей примерно следующее: нитроцеллюлозы - 100 ч. (45,5%), камфоры - 40 ч. (18,2%), спирта - 80 ч. (36,3%). Содержание камфоры может колебаться в пределах 25—50% по отношению к нитроцеллюлозе. Смешивание составных частей в настоящее время производится в специальных смесителях, обычно системы Вернера и Пфлейдерера. Специальный целлулоидный смеситель состоит из: 1) футерованного внутри никелевыми листами бака, снабженного двойными стенками, 2) месильных лопастей, расположенных горизонтально и вращающихся навстречу друг другу, и 3) герметичной крышки, снабженной застекленным отверстием для наблюдения за массой и соединенной с вакуумом и холодильником (фиг. 1).

Специальный целлулоидный смеситель

Операция производится при нагревании до 80—90°С, для чего смеситель обогревается отработанным паром или горячей водой из специального котла. Продолжительность операции в зависимости от размеров смесителя и качества нитроцеллюлозы 2—3 часа. Нормальный смеситель емкостью в 400 л допускает одновременную переработку до 100 кг нитроцеллюлозы. Потребная мощность для смесителя при стандартной целлюлозе - 10 л. с. При употреблении нитроцеллюлозы с большей вязкостью расход энергии сильно увеличивается. Конец операции определяется по внешнему виду массы (гомогенность, отсутствие комков). Когда смешивание закончено, дают вакуум и отсасывают большую часть спирта, после чего масса идет на следующую операцию - фильтрование. Отсасыванием удаляется приблизительно 50% всего спирта. При перемешивании массы нужно следить, чтобы температура была в пределах 80—90°С. После выгрузки массы следующая загрузка производится лишь после тщательной чистки смесителя.

3) Фильтрование. Для очистки полученной массы от механических примесей, которые могут попасть в нее как с сырьем (особенно с нитроцеллюлозой), так и со смесителем или при транспортировке, ее подвергают фильтрованию на специальных фильтр-прессах. Удаление механических примесей важно не только потому, что они могут испортить вид готового изделия, но главным образом потому, что они могут вызвать взрывы при дальнейшей переработке массы и хранении готового целлулоида. Тестообразную массу загружают в цилиндр, где она спрессовывается вначале небольшим поршнем, затем продвигается под большой поршень, который и продавливает массу через фильтровальную сетку. В зависимости от количества оставшегося после отсасывания спирта, вязкости нитроцеллюлозы и плотности сетки давление, развиваемое при фильтровании, колеблется в пределах 50—300 atm. Масса фильтруется через сетки из бронзовой или латунной проволоки, которые по сравнению со стальными изнашиваются меньше. При сильном загрязнении массы ее фильтруют несколько раз через сетки с постепенно повышающимся номером; иногда применяют волосяные сетки и специальное фильтровальное полотно. Большое значение имеет температура, при которой ведется фильтрование. Обычно ее держат в пределах 75—85°С, избегая слишком высокого подъема ее, т. к. это связано с опасностью воспламенения целлулоида. Время прессования при употреблении стандартных материалов составляет 3—5 мин. Потребная мощность 1—11/2 л. с. Отработанные сетки обычно очищают от задержавшегося на них целлулоида и загрязнений промывкой в ацетоне - или спиртовом эфире. Т. к. фильтрование ведут при нагреве, некоторые системы прессов снабжены уловителями паров спирта, направляемых на рекуперацию. Схематическое устройство фильтр-пресса показано на фиг. 2:

Схематическое устройство фильтр-пресса

1 - поршень, 2 - колонка пресса, 2 - поворачивающийся цилиндр.

4) Вальцевание. Профильтрованная масса подвергается вальцеванию. Задача последнего - полная гомогенизация раствора нитроцеллюлозы в камфоре и удаление избыточного растворителя. Одновременно при вальцевании производят наполнение и окраску массы. Операция производится в течение 3—4 ч. при температуре 60—70°С на специальных вальцах. Вальцы машины полые. Один из валов обогревается горячей водой, другой же охлаждается. Скорости вращения валов неодинаковы: обычно линейная скорость вращения нагреваемого вала на 10—15% больше скорости вращения охлаждаемого вала. Нормальные вальцы имеют следующие показатели: диаметр валов 900 мм, скорость вращения 6—7 об/мин., количество перерабатываемой массы - исходя из 100 кг нитроцеллюлозы, потребная мощность 50—75 л. с. в зависимости от качества нитроцеллюлозы (вязкость). Вальцы покрывают колпаком, а испаряющийся спирт отсасывается сильным вентилятором. Пары спирта направляются на рекуперацию. После вальцевания в массе остается еще 10—15% спирта. По мере хода операции масса периодически срезается с вала ножом, сворачивается и снова вальцуется. Конец вальцевания определяется как по внешнему виду массы (упругость при надавливании ногтем и т. д.), так и по содержанию спирта, определяемого путем взвешивания массы, срезываемой с вальцов. Вальцевание требует очень внимательного наблюдения, т. к. сопряжено с опасностью воспламенения.

5) Прессование в блок имеет назначением уплотнение массы, удаление содержащегося в массе воздуха в виде пузырей и придание массе формы, удобной для дальнейшей переработки на листы. Операция производится при нагревании и применении высокого давления в два приема. Продолжительность операции 4—5 ч. В течение первых 2—21/2 ч. поддерживается давление в 50 atm и температура 60°С, а затем давление повышается до 150 atm, a температура до 80—90°С. По окончании прессования блок охлаждается приблизительно 4 ч. Схема пресса изображена на фиг. 3.

Схема пресса целлулоида

Давление производится сверху и снизу; осуществляется оно соответствующим расположением поршней: 1 - поршень, 2 - стол (нагреваемый и охлаждаемый), 3 - кожух, 4 - гидравлический цилиндр. Пресс имеет две плиты (5 и 6), причем верхняя поднимается гидравлическим путем, нижняя вынимающаяся плита снабжена бороздками. Готовый блок вынимается вместе с этой плитой. Перед загрузкой массы в пресс ее покрывают никелевым или цинковым листом, стенки же пресса смазываются мыльным раствором. Это делается для предотвращения приставания массы к стенкам. Работа с блок-прессом требует особой внимательности и чистоты, так как попадание какого-либо жира даже с рук приводит не к полному свариванию массы. Блоки прессуются в виде цилиндров или прямоугольных параллелепипедов. Цилиндрический блок весит 120—160 кг, прямоугольный - 160—200 кг. Стандартные размеры последнего – 600х1200 мм. Для цилиндрических блоков применяются специальные прессы. Вынутый из пресса блок до пуска его на дальнейшую обработку подвергается охлаждению водой в специальных баках, что необходимо для выравнивания температуры во всей массе блока. Охлаждение блока продолжается 20—24 ч. Для получения трубок из целлулоида провальцованная масса прессуется через обогреваемый мундштук горизонтального гидравлического пресса. При этом температура поддерживается в пределах 60—70°С, а давление - около 200—300 atm. Скорость движения трубок колеблется в пределах 3—220 мм/сек.

6) Резка, или строгание, блока. Охлажденный блок вместе с нижней стальной плитой переносится на строгальную машину. Она состоит из: 1) подвижного стола, 2) ножа и 3)  приспособления для автоматического подъема стола после снятия листа на точную высоту. В новейших строгальных машинах подача ножа производится гидравлическим путем. Нарезка блока на листы производится автоматически. Листы строгаются толщиной 0,03—25—30 мм; допуск не выше 0,25—0,3%. В современных строгальных машинах скорость резки 450—600 мм/сек, т. е. они делают до 30 срезов в минуту. Потребная мощность 5—10 л. с. Нож приходится заменять (и точить) через каждые 400—500 листов. Цилиндрические блоки режутся на листы бесконечной длины на специальном строгальном станке. На строгальной машине можно производить резку блока не только на листы, но и на палочки, для чего вместо ножа ставят несколько специальных резцов (не менее 6 шт.). Т. о. можно вырезать палочки диаметром 2—60 мм. Однако при этом получается большое количество отходов, доходящее в некоторых случаях до 40%. Схема резца для палочек показана на фиг. 4.

Схема резца для палочек

7) Сушка листов. Нарезанные листы, палки или трубки содержат до 15% спирта. Для удаления его целлулоид подвергается сушке в специальных камерах. Схема такой камеры показана на фиг. 5,

Схема камеры для сушки целлулоида

где R - радиаторы для обогрева, 1 - цементные ребра, 2 - цементные плиты без отдушин, 3 - плиты с отдушинами, 4 - воздушные шахты, 5 - целлулоидные листы. Сушка производится при температуре 35—40°С. Воздух нагревается радиаторами, обогреваемыми горячей водой. Радиаторы помещаются под полом. Цементный пол имеет отверстия для выхода воздуха. Из камеры воздух высасывается сильным вентилятором, и пары спирта направляются на рекуперацию или выпускаются в воздух. Камера имеет двери с обоих противоположных концов. Целлулоидные листы подвешиваются на проволоках, протянутых через всю камеру, при помощи специальных зажимов. Продолжительность сушки зависит от толщины листов; обычно при толщине листа в 0,1 мм при 35°С она равна 12 ч. Толстые листы иногда сушатся в течение нескольких месяцев, поэтому их подвергают предварительной подсушке при более низкой температуре 20—25°С в течение нескольких (3—5) дней, а уже затем сушат при указанных условиях. В целях безопасности сушильные камеры должны помещаться не ближе 12 м от других зданий, двери камеры должны открываться наружу. Освещение - только электрическое и специальными безопасными лампами, причем выключатель должен находиться вне камеры. Определение степени высыхания производится след. обр.: куски целлулоида размельчают рашпилем и полученные стружки помещают в стаканчик для взвешивания и высушивают при 80°С в течение 10—15 мин.

8) Выпрямление листов и полировка. Сушка листов сопровождается короблением и стягиванием их. Поэтому для выпрямления листов и придания им товарного вида их подвергают выпрямлению и полировке. Выпрямление производится путем прессования в многоэтажном вертикальном гидравлическом прессе. Плиты пресса снабжены каналами, через которые пропускается горячая вода для обогрева и холодная для охлаждения. Листы целлулоида кладут между стальными листами последовательно и помещают между плитами пресса. При выпрямлении поддерживают температуру 85—90°С и давление в 100—150 аtm. Вся эта операция продолжается 15—20 мин., после чего дается охлаждение. Для получения полированных листов целлулоид прокладывается никелированными пластинами, температура - та же, давление же увеличивается до 300 atm; прессование продолжается около 1/2 ч. Пресс обычно имеет до 20 этажей, и между каждым из них кладется до 5 листов. При прессовании происходит сильная электризация целлулоида, поэтому пресс снабжен приспособлением для отвода электрического заряда. Полировка целлулоида производится механическим путем или же лакировкой специальным лаком.

9) Переработка целлулоида. Полированные или выпрямленные листы обрезают с краев для придания им ровной правильной формы. Образующиеся отходы перерабатывают снова. Целлулоид в листах, палках или трубках подвергается дальнейшей переработке на различные изделия путем штамповки или обработки на станках. Отходы целлулоида в виде всякого рода обрезков перерабатывают снова. Поэтому при правильно ведущемся производстве отходы составляют очень незначительную величину. Переработка производится так же, как и обычно при получении целлулоида.

Важнейшие технические нормы. Рабочее помещение определяется нормой 15 м3 на человека в больших помещениях и 20—25 м3 в малых. Расход воды зависит от величины блок-прессов; при ежедневном производстве в 1000 кг целлулоида он составляет до 50 л на 1 кг продукции (не считая изготовления нитроцеллюлозы). Потребление энергии - около 1 kW на 1 кг продукции, потребление пара - 15—20 кг на 1 кг.

Свойства целлулоида. Удельный вес - около 1,3; прочность на разрыв 5—8 кг/мм2, удлинение - 30—35%; плохой проводник тепла; адсорбирует газы. Вода, слабые растворы кислот и щелочей не действует на целлулоид; наоборот, концентрированные растворы растворяют его; горюч, но не чувствителен к удару, трению; под действием света и тепла (пожелтение) распадается и тогда становится огнеопасным (самовоспламенение). При нагревании до 90°С целлулоид размягчается.

Трудно воспламеняемый целлулоид. Огнеопасность целлулоида заставила искать путей снижения ее. Для уменьшения воспламеняемости в целлулоид вводят хлориды и бромиды металлов (преимущественно I и II групп), соли борной кислоты, растворимые в органических жидкостях фосфаты и углекислые соли. Кроме того вводят различные органические вещества, некоторые из них заменяют частично камфору. Из органических веществ вводят: желатину, сурепное масло, мальтодекстрин, мочевину и ее производные, лактамиды, соли камфорной кислоты, триарилфосфаты, казеин, воски и т. д. Однако все эти добавки не очень уменьшают воспламеняемость целлулоида. Поэтому поиски безопасного целлулоида привели к замене его другими веществами, например, ацетилцеллюлозой (целлон) и другими эфирами целлюлозы, белками, синтетическими пластмассами, смолами и т. п. Имеются сотни патентов, рекомендующих замену целлулоида другими огнебезопасными массами.

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Доп. том - 1936 г.

Еще по теме: