Новые виды синтетических волокон, определение их качества

 

Высокоэффективные волокна

В последнее время  большие усилия сосредотачиваются  на производстве полимеров со сверхвысоким модулем.Ковалентные связи, присутствующие в этих полимерах, отвечают за их прочность. Тем не менее, синтетические полимеры обычно не демонстрируют соответствующего потенциального высокого модуля. Высокий модуль и прочность могут быть результатом структурного совершенства, такого как прямые, прекрасно выстроенные, стабильные и плотно упакованные цепи. Обычно присутствует сочетание расширенных цепей и высокой кристаллической ориентации.

Хорошо известно, что самые высокие значения модуля упругости, о которых сообщается для линейных полимеров, обычно намного  меньше расчетных теоретических  значений.

Компания DuPontdeNemours в настоящее время разрабатывает  товарные волокна и пряжи из M5. Уникальной чертой этих полимеров является то, что две гидроксильные группы (на терефталевой кислоте) могут образовывать межмолекулярные связи и, следовательно, фибриллирование, которое часто является проблемой для арамидных волокон, здесь практически исключается. В результате, у волокон M5 самый высокий предел прочности при сжатии среди всех синтетических волокон, Исследовательская оценка ультрафиолетовой стабильности М5 показала наличие превосходных эксплуатационных характеристик в этой области. Механические свойства этого нового волокна делают его конкурентоспособным по отношению к углеволокну при изготовлении многих применений, имеющих легкие, тонкие, выдерживающие нагрузку, жесткие, современные композитные компоненты и структуры.

Благодаря своей  высокой прочности на разрыв,  высокому рассеянию энергии, низкой плотности и снижению веса, а также удобству кевлар используется при производстве пуленепробиваемых жилетов, шлемов, средств защиты собственности, панелей, средств защиты автомобилей и стратегического защитного экранирования для защиты человеческой жизни.

 

Эластичные  волокна 

Целый ряд компаний производит множество эластичных волокон, которые обладают эластичностью  и способностью к восстановлению. Их можно получать с помощью прядения полимеров со специальной молекулярной структурой или модифицированных полимеров. В том, что касается упругого удлинения, эластичные волокна можно классифицировать как высокоэластичные волокна (удлинение 400-800%), среднеэластичные волокна (150-390%), низкоэластичные волокна (20-150%), и микроэластичные волокна с упругим удлинением менее 20%.

Традиционные эластичные волокна, такие как спандекс или лайкра, это хорошо известные сегментированные полиуретановые волокна, которые производятся промышленно с использованием технологии сухого прядения. Тем не менее, были разработаны многие новые эластичные продукты, включая высоко гигроскопичный и высвобождающий влагу спандекс(компания AsahiKasei) или очень мягкий спандекс. И это лишь несколько примеров.

Еще одним интересным продуктом, который может термоотверждаться  с волокнами РЕТ, является легко отверждаемый спандекс. У полиэфирного спандекса плохая термическая стабильность, поэтому его нельзя переплетать с полиэфирным волокном. В компании AsahiKasei разработали низкотемпературный отверждаемый спандекс, который называется Roica BX, и обладает не только хорошим отверждением, но также может переплетаться с полиэфирным волокном и отверждаться при высокой температуре.

Еще одной инновацией является волокно со скрытой извитостью. В компании DuPontdeNemours (Уилмингтон, Делавэр) приступили к изучению первой пряжи со скрытой извитостью (из полипропилена) еще в начале шестидесятых годов. Недавно на рынке приобрели популярность новые запущенные в промышленное производство продукты со скрытой извитостью компанииDuPont, полиэфир T-400 и найлон T-800. Компания Unitica (Хиого, Япония) также запустила в промышленное производство пряжи со скрытой извитостью, Z-10 и S-10. Кроме того, двухкомпонентное волокно из найлона и полиуретана под названиемSideria, разработанное компанией Kanebo (Япония), позволяет приспособить до нужной степени термическую обработку к самой скрытой извитости.

XLAT^M представляет собой растягивающееся волокно на полиолефиновой основе, которое обладает природной устойчивостью к воздействию агрессивных химических веществ, высокой теплоты и ультрафиолетовых лучей, и обеспечивает преимущества в области эксплуатационных характеристик, сопоставимые с преимуществами существующих эластичных волокон. Эта очень новая и интересная технология разработана компанией DowChemical, и представлена здесь Кейси, нашим постоянным автором.

Включение волокна XLA в ткани раскрывает несравненные возможности для разработки удобной  в обращении и износостойкой  одежды с улучшенной способностью сохранять  форму. В США мы видим волокноLastol, это новое родовое название для данного эластичного волокна на основе полиолефина.¹⁰"¹³ В специальной микроструктуре XLA сочетаются длинные и эластичные цепи с кристаллическими и ковалентными связями или перекрестными связями с формированием сложной сети. За счет использования собственной технологии Dow по сшиванию с помощью электронного луча осуществляется управление длиной цепи, и количеством кристаллитов для придания волокну XLA уникального эластичного профиля. Высокое растяжение достигается при низких уровнях усилия, что позволяет одежде без труда растягиваться и сгибаться, сохраняя при этом свою изначальную форму.

Другой технологией будущего являются волокна с запоминанием формы.Задачей на будущее является исследование двухсторонних многофункциональных и имеющих много стимулов полимеров с бионическим запоминанием формы, которые можно будет активировать с помощью тепла, влажности, химических веществ, магнетизма и электричества или с помощью оптического стимула, и которые будут иметь функции устойчивости к воздействию ультрафиолетового излучения, а также противобактериальные, антистатические и препятствующие образованию плесени; а также создание системной, обобщенной и интегрированной теории полимеров с запоминанием формы наряду с применением таких полимеров с запоминанием формы при производстве текстиля. Не далек тот день, когда все эти идеи будут воплощены в жизнь в наших лабораториях и на наших промышленных предприятиях.

 

Волокнистые материалы, изготовленные электропрядением

С помощью традиционных технологий прядения волокна, таких  как мокрое прядение, сухое прядение, прядение из расплава и гелепрядение можно производить полимерные волокна  с диаметрами до значений микрометрового диапазона. Приуменьшения диаметра волокна с микрометров до нанометров можно получить очень большое отношение площади поверхности к объему. Эти уникальные свойства делают полимерные нановолокна идеальными кандидатами для использования во многих важных применениях. Полимерные волокна могут генерироваться из электростатически стимулируемой струи полимерного раствора или полимерного расплава (Рис. 1). Эта технология, известная как технология электропрядения, привлекала большое внимание в предыдущем десятилетии благодаря  тому, что она обеспечивала возможность повторяемого производств полимерного волокна с диаметром в диапазоне от 50 до 500 нм.¹⁵"¹⁹ Благодаря небольшим размерам ячеек и большой площади поверхности, которые изначально присущи текстильным, материалам, изготовленным электропрядением, эти ткани являются многообещающими для производства защитной одежды для солдат (они позволят максимально повысить выживаемость, возобновляемость и боевую эффективность индивидуальных систем солдатской одежды для борьбы с экстремальными погодными условиями, и в условиях баллистической, ядерной, биологической и химической войны).

В принципе в  результате электропрядения образуется нетканый войлок. При использовании только одной струи это очень медленный, но устойчивый процесс. Он напоминает работу паука, который может за одну ночь создать сложное и искусно выполненное полотно. Промышленное производство электропряденого полотна существует с восьмидесятых годов, но об этом известно очень немного.

 

1.3Усовершенствование  производства синтетических волокон.

 

Современные способы формования нитей также заключаются в  продавливании исходных растворов  или расплавов полимеров через тончайшие отверстия фильер.

Несмотря на некоторые  различия в получении синтетических  волокон и нитей разных видов, общая схема их производства состоит  из следующих основных этапов:

• Получение сырьяи его предварительная обработка
• Приготовление прядильного раствора (расплава)
• Формование волокна
• Вытягивание и термообработка волокна
• Отделка сформованного волокна

Следует отметить, что благодаря  техническому прогрессу в области  производства химических волокон, наряду с «классическими» видами волокон, созданы их модифицированные виды с оптимизированными характеристиками. Появились высокотехнологичные химические волокна нового поколения со специальными функциями: пониженной горючести, антимикробные, антиаллергические, изменяющие цвет в зависимости от температуры и освещения, терморегулирующие, защищающие от статического электричества и ультрафиолетовых лучей, и т. д. Модификация волокон может проводиться на любой стадии производства.

 

Получение сырьяи его предварительная обработка

Сырье для синтетических  волокон получают путем реакций синтеза (полимеризации и поликонденсации) полимеров из простых веществ (мономеров) на предприятиях химической промышленности. Предварительной обработки это сырье не требует.

Полимеризация - процесс получения полимеров путём последовательного присоединения молекул низкомолекулярного вещества (мономера) к активному центру на конце растущей цепи. Молекула мономера, входя в состав цепи, образует её мономерное зерно. Число таких звеньев в макромолекуле называется степенью полимеризации.

Поликонденсация - процесс получения полимеров из би- или полифункциональных соединений (мономеров), сопровождающийся выделением побочного низкомолекулярного вещества (воды, спирта, галогеноводорода и др.).

 

Приготовление прядильного раствора (расплава)

Раствор или расплав полимера, из которого формируются нити, называетсяпрядильным раствором.

При изготовлении химических волокон необходимо из исходного  твердого полимера получить длинные  тонкие нити с продольной ориентацией  макромолекул, т.е. нужно переориентировать  макромолекулы полимера. Для этого  переводят исходный полимер в  вязкотекучее состояние (раствор или  расплав). В жидком (раствор) или размягченном (расплав) состоянии нарушается межмолекулярное  взаимодействие, увеличивается расстояние между молекулами и появляется возможность  их свободного перемещения относительно друг друга.

Растворение полимера осуществляют для полимеров, имеющих дешевый  и доступный растворитель. Растворы используются для искусственных  и некоторых синтетических (полиакрилонитрильных, поливинилспиртовых, поливинилхлоридных) волокон.

Расплавление полимера применяют  для полимеров с температурой плавления ниже температуры разложения. Расплавы готовят для полиамидных, полиэфирных и полиолефиновых волокон.

Для приготовления прядильного  раствора также выполняют следующие  операции:

Смешивание полимеров  из различных партий. Выполняют для  повышения однородности раствора, чтобы  получить волокна равномерные по своим свойствам на всем протяжении. Смешивание возможно как после получения  раствора, так и в сухом виде до растворения (расплавления) полимера.

Фильтрация раствора. Заключается  в удалении механических примесей и  нерастворившихся частиц полимера путем  многократного прохождения раствора через фильтры. Фильтрация необходима для предотвращения засорения фильер и улучшения качества нитей.

Обезвоздушивание раствора. Выполняется для удаления из пузырьков  воздуха, которые, попадая в отверстия  фильер, обрывают образующиеся волокна. Обезвоздушивание осуществляется путем  выдерживания раствора в вакууме. Расплав  обезвоздушиванию не подвергается, так  как в расплавленной массе  воздуха практически нет.

Введение различных добавок. Добавление небольшого количества низкомолекулярных  веществ, обладающих специфическими свойствами, позволяет изменить свойства получаемых волокон. Например, для повышения  степени белизны вводится оптические отбеливатели, для приобретения матовости  добавляют двуокись титана. Введение добавок можно придать волокнам бактерицидные, огнестойкие и другие свойства. Добавки, не вступая в химическое взаимодействие с полимером, располагаются  между его молекулами.

 

Формование  волокна

Процесс формования волокон  состоит из следующих этапов:

- продавливание прядильного  раствора через отверстия фильер,

- затвердевание вытекающих  струек,

- наматывание полученных  нитей на приемные устройства.

Прядильный раствор подаётся на прядильную машину для формования волокон. Рабочими органами, непосредственно  осуществляющими процесс формования химических волокон на прядильных машинах, являются фильеры. Изготавливаются  фильеры из тугоплавких металлов – платины, нержавеющей стали  и др. – в форме цилиндрического  колпачка или диска с отверстиями.

В зависимости от назначения и свойств формуемого волокна  количество отверстий в фильере, их диаметр и форма могут быть различными (круглые, квадратные, в  виде звездочек, треугольников и  т.п.). При использовании фильер с  отверстиями фигурного сечения  получают профилированные нити с  различной конфигурацией поперечного  сечения или же с внутренними  каналами. Для формирования бикомпонентных (из двух и более полимеров) нитей  отверстия фильер разделены перегородкой на несколько (две или более) частей, к каждой из которых подаётся свой прядильный раствор.