К синтетическим волокнам относятся полиамидные, полиэфирные, полиакрилонитрильные, поливинилхлоридные, поливинилспиртовые, полипропиленовые и др.

Полиамидные волокна (капрон, анид,энант). Волокна имеют цилиндрическую форму, поперечное сечение их зависит от формы отверстия фильеры, через которое продавливаются полимеры (рис. 9, а ).

Полиамидные волокна отличаются высокой прочностью при растяжении (40-70сН/текс), стойки к истиранию, многократному изгибу, обладают высокой химической стойкостью, морозоустойчивостью, устойчивостью к действию микроорганизмов. Основными их недостатками являются низкая гигроскопичность (3,5-5 %)и светостойкость, высокая электризуемость и малая термостойкость; при нагревании до 160°С их прочность снижается почти на 50 %.В результате быстрого "старения" они на свету желтеют, становятся ломкими и жесткими. Горят волокна голубоватым пламенем, образуя на конце бурый твердый шарик.

Полиамидные волокна и нити широко используются при выработке чулочно-носочных и трикотажных изделий, швейных ниток, галантерейных изделий (тесьмы, ленты), кружев, канатов, рыболовных сетей, конвейерных лент, корда, тканей технического назначения, а также при выработке тканей бытового назначения в смеси с другими волокнами и нитями. Добавление 10–20 % полиамидных штапельных волокон к натуральным резко увеличивает износостойкость изделий.

Полиэфирные волокна (лавсан, терилен, дакрон). В поперечном сечении лавсан имеет форму круга (рис. 9, б ).Прочность на разрыв у лавсана несколько ниже, чем у полиамидных волокон (40-50сН/текс), разрывное удлинение –в пределах20-25 %,в мокром состоянии прочность не теряется. В отличие от капрона лавсан разрушается при действии на него кислот и щелочей, гигроскопичность его ниже, чем капрона (0,4 %). При внесении в пламя лавсан плавится, медленно горит желтым коптящим пламенем. Волокно является термостойким, обладает низкой теплопроводностью и большой упругостью, что позволяет получать из него изделия, хорошо сохраняющие форму; имеют малую усадку. Недостатками волокна являются его повышенная жесткость, способность к образованию пиллинга на поверхности изделий и сильная электризуемость.

Лавсан широко применяется при выработке тканей бытового назначения в смеси с шерстью, хлопком, льном и вискозным волокном, что придает изделиям повышенную стойкость к истиранию, упругость

Рис. 9. Продольный вид и поперечный срез синтетических волокон:

а) капронового; б) лавсанового; в) нитронового; г) хлоринового

и несминаемость. Он также с успехом применяется при производстве нетканых полотен, швейных ниток, гардинно-тюлевых изделий, технических тканей и корда. Комплексные лавсановые нити подвергают текстурированию, в результате чего они лучше поглощают влагу и сохраняют тепло.

Полиакрилонитрильные волокна (нитрон, орлон). По внешнему виду нитрон напоминает шерсть. Поверхность его гладкая (рис. 9,в ) с неправильной формой поперечного сечения с изрезанными краями (гантелеобразная и близкая к ней).

Нитрон отличается высокой прочностью (32-39сН/текс), которая в мокром состоянии не меняется, и упругостью. Изделия из него после стирки довольно хорошо сохраняют форму. Нитрон не повреждается молью и микроорганизмами, обладает высокой стойкостью к ядерным излучениям. По стойкости к истиранию нитрон уступает полиамидным и полиэфирным волокнам. Кроме того, он характеризуется низкой гигроскопичностью (1,5 %),что ограничивает его использование при выработке бельевых тканей, сильной электризуемостыо. Волокно нитрон обладает также наилучшей светостойкостью, низкой теплопроводностью, то есть хорошими теплозащитными свойствами и поэтому часто используются в смесках с шерстью и в чистом виде для костюмно-пальтовых материалов.

Нитрон горит вспышками, выделяя дымок черной копоти. После окончания горения образуется темный, легко раздавливаемый комочек. Используется нитрон при производстве верхнего трикотажа, плательных тканей, а также меха на трикотажной и тканевой основе, ковровых изделий, одеял и тканей технического назначения.

Поливинилхлоридные волокна (хлорин) (рис. 9,г ).По сравнению с дру­гими синтетическими волокнами и хлопком оно менее прочное (12-14 сН/текс), менее упругое, менее стойкое к истиранию, отличается низкой гигроскопичностью (0,1 %),невысокой стойкостью к действию светопогоды, низкой термостойкостью (70°С). Для него характерна высокая хемостойкость, негорючесть, невоспламеняемость.

Хлорин при поднесении к пламени обугливается, но не горит, выделяя при этом запах хлора.

Хлорин имеет способность накапливать электростатические заряды, поэтому его используют для изготовления лечебного белья. Хлорин применяют также при изготовлении тканей для спецодежды, так как он устойчив к действию воды и микроорганизмов.

Волокно ПВХ, также как и хлорин, относится к поливинилхло-ридным волокнам, однако в отличие от хлорина оно наиболее прочное (26-36сН/текс), более упругое и светостойкое. Его используют при выработке трикотажных и гардинно-тюлевых изделий, одеял, декоративных тканей, ватина, ковров, пледов, паласов и других изделий.

Поливинилспиртовые волокна и нити. Формование нитей производят из раствора мокрым способом. Причем в зависимости от условий формования и последующего ацетилирования получают нити с разной степенью прочности и водостойкости: от водорастворимых до гидрофобных.

Нерастворимые поливинилспиртовые волокна, производимые в нашей стране, носят название винол. Они обладают многими положительными свойствами: прочностью, высокой устойчивостью к истиранию, светопогоде, химическим реагентам, многократным деформациям. Винол достаточно эластичен, характеризуется высокой теплостойкостью. Температура размягчения и начала разложения волокон 220°С. Винол горит желтоватым пламенем; после того как горение прекратится, образуется твердый комочек светло-бурого цвета.

Отличительная особенность поливинилспиртовых волокон, выделяющая их из всех синтетических волокон, –высокая гигроскопичность, обусловленная наличием в макромолекулах полимера большого количества гидроксильных групп. По показателям гигроскопичности поливинилспиртовые волокна приближаются к хлопковым, что дает возможность использовать его при выработке материалов для белья и изделий костюмно-платьевого ассортимента. Эти волокна хорошо окрашиваются красителями для целлюлозных волокон. Применяются они в смеси с хлопком, шерстью для производства тканей, трикотажа, ковров и т.д.

Водорастворимая разновидность поливинилспиртовых волокон используется в текстильной промышленности в качестве вспомогательного (удаляемого) волокна при производстве ажурных изделий, тонких тканей, материалов пористых волокнистых структур, а также при изготовлении гипюра (взамен натурального шелка). Поливинилспиртовые нити применяются в медицине для временного скрепления хирургических швов.

Наличие гидроксильных групп позволяет проводить химическую модификацию указанных волокон, особенно методом синтеза привитых сополимеров, благодаря чему можно создавать волокна и нити со специфическими свойствами: огнестойкие, бактерицидные, ионообменные и др.

Полиолефиновые волокна и нити. Из группы полиолефинов для производства волокон используют полипропилен [–СН 2 –СНСН 3 –] n и полиэтилен [–СН 2 –СН 2 –] n среднего и низкого давления.

Полиолефиновые волокна можно формовать из расплавов или растворов полимера с последующим вытягиванием и термофиксацией.

Полипропиленовые и полиэтиленовые нити обладают достаточно высокими значениями прочности и удлинения при растяжении. Полиолефиновые волокна и нити характеризуются высокой устойчивостью к действию кислот, щелочей, не уступают по показателям хемостойкости хлорину. Устойчивость их к истиранию ниже, чем полиамидных нитей, особенно полипропиленовых.

Теплостойкость полиолефиновых нитей небольшая. При температуре 80°С полиэтиленовая нить теряет около 80 %первоначальной прочности. Гигроскопичность нитей почти равна нулю, поэтому окрашивание их возможно только с введением пигмента в полимер перед формованием. С низкой гигроскопичностью связана и значительная электризуемость этих нитей. Плотность полиэтиленовых и полипропиленовых нитей очень низкая, поэтому изделия из них не тонут в воде.

Полиолефиновые волокна используют главным образом для технических целей, а также в смеси с гидрофильными волокнами (хлопковыми, шерстяными, вискозными и др.) в производстве материалов для верхней одежды, обуви, декоративных тканей.

Полиуретановые нити. В настоящее время имеется достаточно большой ассортимент материалов с использованием полиуретановых (эластановых) нитей (спандекс, ликра и т.п.). Нити имеют цилиндрическую форму с круглым поперечным сечением, аморфные. Особенностью всех полиуретановых нитей является их высокая эластичность: разрывное удлинение их составляет 800 %, доля упругой и эластической деформаций 92-98 %. Поэтому материалы с содержанием полиутератновых нитей обладают хорошими упругими свойствами и мало мнутся. Именно эта особенность и определила область их использования. Спандекс применяют в основном при изготовлении эластичных изделий. С использованием этих нитей вырабатывают ткани и трикотажные полотна бытового назначения, для спортивной одежды, а также чулочно-носочные изделия. Полиуретановые нити обладают недостаточной прочностью (6–7 сН/текс) и теплостойкостью. При воздействии температур более 100С нити теряют эластические свойства. Поэтому их вырабатывают в основном защищающей их оплеткой. Полиуретановые нити обладают также очень низкой гигроскопичностью (0,8–0,9 %), что также ограничивает их использование в чистом виде.

Для направленного изменения свойств химических волокон проводят их химическую модификацию различными способами. В целях расширения применения химических волокон и нитей в различных областях техники созданы высокопрочные, высокомодульные (малорастяжимые), термостойкие, негорючие, светостойкие и другие виды волокон со специальными свойствами. Так, введением в цепную молекулу полиамида ароматических звеньев (бензольных колец) получены высокопрочные и термостойкие волокна типа фенилон, внивлон (или СВМ – сверхвысокомодульное), оксалон, аримид Т, кевлар и др. Специальной обработкой полиакрилонитрильных и вискозных волокон получены высокопрочные, хемостойкие, термостойкие углеродные . Они обладают уникальными свойствами. В условиях длительного нагрева (при температуре 400С и более) сохраняют свои механические свойства, негорючие. Используются в различных областях техники (космонавтике, авиационном и химическом машиностроении и др.)

Более подробные сведения о получении и строении химическихволокон приведены в учебнике .

Получаемые из несуществующих в природе полимеров, полученных путем синтеза из природных низкомолекулярных соединений. Разнообразие исходного сырья и разнообразие свойств исходных синтетических полимеров позволяют получать волокна с различными, заранее заданными, характеристиками.

Возможность заранее задать необходимые свойства ткани имеет очень большое значение для современной текстильной промышленности. Изделия нового поколения более адаптированы к потребностям человеческого организма, обладают многофункциональными и комфортными свойствами.

Синтетические волокна активно используются для производства спецодежды, одежды для экстремальных условий и спорта.

В настоящее время существует несколько тысяч видов синтетических волокон, и их число растет с каждым годом. Самые распространенные будут рассмотрены ниже.

Полиуретановые волокна

По механическим показателям полиуретановые волокна во многом сходны с резиновыми нитями, т.к. способны к высокоэластичным обратимым деформациям. Такие волокна придают текстильным материалам высокую эластичность, устойчивость к истиранию, упругость, формоустойчивость, несминаемость. Они редко применяются в чистом виде. Наиболее распространено их участие в ткани в качестве каркасных нитей, вокруг которых навеваются другие нити. Недостатком таких волокон является низкая термоустойчивость. Уже при 120 С полиуретановые волокна в растянутом состоянии значительно теряют прочность.

Основными представителями полиуретановых волокон являются такие торговые названия, как эластан, лайкра, спандекс, неолан и др.

Полиамидные волокна

Отличительное свойство полиамидных волокон – повышенная устойчивость к истиранию, превосходящая хлопок в 10 раз, шерсть в 20 раз, а вискозу в 50. Также отличаются высокой формоустойчивостью. Из недостатков необходимо отметить низкую устойчивость к свету и действию пота. На свету они желтеют и становятся ломкими. Кроме того, такие волокна обладают невысокой гигроскопичностью и подвержены сильному пиллингу. Однако многие их недостатки могут быть устранены путем введения различных стабилизаторов. Часто полиамидные волокна добавляются в смесовые ткани (с хлопком, шерстью, вискозой) в части, не превышающей 10-15 %, что практически не ухудшает гигиенических свойств изделий, но зато значительно улучшает механические. Волокна широко применяются в производстве чулочно-носочных и трикотажных изделий , для производства швейных ниток и галантереи.

Основные торговые названия: капрон, анид, нейлон, tactel, meryl и др.

Полиэфирные волокна

Основным свойством полиэфирных волокон является повышенная термостойкость, превосходящая показатели всех природных и большинства химических волокон. Выпуск таких волокон в настоящее время занимает лидирующее положение среди химических волокон благодаря их высоким физико-механическим показателям. Они обладают большой упругостью и высокой устойчивостью к истиранию. Ткани из таких волокон хорошо держат форму, не мнутся, имеют малую степень усадки. Недостатками являются повышенная жесткость, склонность к пилингу, сильная электризуемость и низкая гигроскопичность. Недостатки устраняются путем модификации исходного сырья. Из полиэфирных волокон в смеси с натуральными материалами (хлопок, шерсть, лен), а также вискозой успешно производятся сорочечные, плательные, костюмные и пальтовые ткани, а также искусственный мех. При этом устраняется такой недостаток как сминаемость, увеличивается прочность к истиранию при сохранении гигиенических свойств.

Торговые названия: лавсан, полиэстр, терилен и др.

Полиакрилонитрильные волокна

Такие волокна называют «искусственной шерстью» в силу близости их механических свойств. Обладают высокой светостойкостью и термостойкостью, достаточной прочностью, хорошо держат форму. Из недостатков стоит отметить низкую гигроскопичность, склонность к образованию пиллей, жесткость и электризуемость. Однако все недостатки устраняются путем модификации. В швейном деле применяются в основном при пошиве верхней одежды в смеси с шерстью, искусственного меха.

Торговые названия: нитрон, акрил, акрилан, кашмилон и др.

Полиолефиновые волокна

Отличительной особенностью полипропиленовых волокон является их низкая плотность. Это самые легкие из всех видов волокон. Кроме того, гигроскопичность их почти равна нулю, поэтому они не тонут в воде. Такие волокна обладают хорошими теплоизоляционными свойствами. Недостатком является низкая термостойкость (115 С), который может быть нивелирован модификацией. Оптимальным является создание двухслойных материалов, в которых нижний слой выполняется из полиолефиновых волокон, а верхний – из гигроскопичных целлюлозных волокон. Такая технология позволяет нижнему слою оставаться сухим, но отводить влагу в гигроскопичный верхний слой. Часто применяется при пошиве нижнего белья, спортивных изделий, а также чулочно-носочных изделий с повышенными гигиеническими характеристиками.

Торговые названия: геркулон, ульстрен, найден, мераклон и др.

Полиэтиленовое волокно используется в основном для технических целей. Торговые названия: спектра, дайнема, текмилон.

Поливинилхлоридные волокна

Поливинилхлоридные волокна обладают высокой химической стойкостью, низкой электропроводностью и очень низкой термостойкостью (разрушаются при 100 С). При трении волокно приобретает высокий электростатический заряд, что наделяет изготовленное из него белье лечебными свойствами при лечении таких заболеваний, как радикулит, артрит. Кроме того, для таких волокон характерна высокая степень усадки после термообработки. Это свойство используется для получения красивой рельефной поверхности ткани . Помимо этого, поливинилхлоридные волокна применяются при изготовлении ворса ковров, искусственного меха, искусственной кожи.

В результате каждый день их используют миллиарды людей . И, в самом деле, любой из нас стремится предстать перед окружающими в наиболее привлекательном виде за счет использования наиболее привлекательной одежды, которую создают из самых лучших волокон, какие только существуют . Многим из нас требуется биоразлагаемый шовный материал в случае хирургического вмешательства. Мы все живем в домах, в которых необходимы волокна для воздушных и водяных фильтров . Удобная в обращении обтирочная салфетка из волокна помогает легко производить уборку на нашей кухне. И, действительно, широкий диапазон волокон позволяет создавать бесконечной количество применений.

Мы используем натуральные и синтетические волокна. Натуральные волокна использовались с незапамятных времен . Недавно на рынок были представлены новые бамбуковые волокна 1 , которые начинают широко использоваться . Эти волокна демонстрируют противомикробные свойства, и их можно использовать для создания многих текстильных применений, а также «зеленых» композитов. Хлопок, шелк, шерсть или лен (возможно, древнейшее волокно в мире) используются во всех сферах нашей повседневной жизни.

Интересно, что известные волокна являются полимерами. Большинство из них представляет собой просто линейные макромолекулы. Следует отдать должное д-ру Штаудингеру, лауреату Нобелевской премии, который был первым, кто отметил, что полимеры представляют собой линейные ковалентно связанные молекулы и не являются агрегатами, как считалось ранее. Он заложил основы химии синтетических органических полимеров и волокон . Вскоре после этого открытия пионерские работы д-ра Каротерса из компании Du Pont и д-ра Шлака из компании BASF представили нам полимерные волокна найлона 6,6 и найлона 6 соответственно. Позднее, в 1946 г. Винфилдом и Диксоном была разработана технология производства полиэтилен терефталата (PET ), и на рынке появились полиэфирные штапельные волокна. Найлоны и PET являются основными полимерными волокнами. На протяжении ряда лет было разработано множество других полимеров, и каждый день синтезируется множество новых макромолекул . В последние годы наблюдались значительные достижения в области разработки новых полимеров и полимерных волокон. Существенные достижения были достигнуты в области производства высокоэффективных волокон, эластичных волокон и нановолокон, произведенных из биополимеров за счет использования технологии электропрядения, а также высокоэффективных полиэфирных волокон. В результате, в этом номере Polymer Reviews мы ставим своей задачей информирование читателя о современном положении дел и обзорное рассмотрение этих новых достижений.

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 . Накамае и его коллеги 3 измерили "теоретический" модуль упругости , который был определен на основе наблюдения за зависящей от напряжения рентгеновской дифракцией в направлении полимерной цепи. Такое теоретическое значение модуля упругости сопоставляллось с окончательным модулем полимера. Большинство полимеров демонстрируют модули упругости при растяжении значительно ниже тех значений, которые имеются у их кристаллических решеток в направлении цепи . Только у ультра вытянутого полиэтилена с высокой молекулярной массой (UHMW PE ), изотактического полипропилена и кевлара модули, близкие к теоретическим значениям . Полиамидные волокна смогли достигать максимально только 1/20 своего теоретического значения.

В случае с полимерами с гибкой основной цепью, прочная и жесткая полимерная структура может быть получена за счет преобразования высоко ориентированных и расширенных конформаций цепей . В результате были получены значительно более высокие свойства упругости на разрыв, аналогичные свойствам ультра вытянутого полиэтилена с высокой молекулярной массой . Высокий модуль полиэтилена был получен за счет прядения из раствора (прядения геля) со сверх высокой степенью вытяжки. Закариадис и его коллектив успешно осуществляли вытяжку полиэтилена со сверхвысоким молекулярным весом более 200 раз и получили почти теоретическое значение модуля при такой степени вытяжки. Кристаллическая морфология полиэтилена со сверхвысокой молекулярной массой, получаемого из раствора (UHMWPE ), была деформирована втонковолокнистые структуры при значениях степени вытяжки, превышающих 200. Такая высокая степень вытяжки образуется за счет меньшего числа переплетений цепи и между- и межпластиновных связующих молекул в такой более упорядоченной морфологии кристаллов со сложными цепями и повторным входом . Высокоэффективные полиэтиленовые волокна в настоящее время производятся в промышленном масштабе с использованием метода гелепрядения компанией DSM High Performance Fibers из Нидерландов, совместным предприятием Toyobo / DSM в Японии, а также компанией Honeywell (ранее Allied Signal или Allied Fibers ) из США. Прочность Spectra 1000 достигает значения модуля Юнга 124 ГПа и прочности на разрыв 3.51 ГПа. По сообщению Афшари и Ли, была проведена большая работа для повышения термической стабильности этих волокон.

Компания Du Pont de Nemours в настоящее время разрабатывает товарные волокна и пряжи из M 5. Очень интересный мономер , 2,5-дигидрокситерефталевая кислота, используется для производства поли-2,6-диимидозопиридинилен-1,4-(2,5-дигидрокси)фенилена (PIPD ). 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 M 5 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 . Огромные усилия были предприняты для разработки сверхпрочного кевлара, и, в последнее время, волокон PBO . Не так давно компания DuPont de Nemours объявила о планах расширения производства кевларовых полимеров на своем предприятии в Спруансе на 25% к 2010 г. для того, чтобы быть в состоянии удовлетворить растущий спрос. 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.

Волокна PBO были запущены в промышленное производство компанией Toyobo Co . в 1998 г. под торговым названием Zylon после почти 20 лет исследований в Соединенных Штатах и Японии . Волокна РВО обладают выдающими свойствами в области модуля упругости при растяжении (352 ГПа) и прочности на разрыв (5.6 ГПа) по сравнению с другими имеющимися на рынке высокоэффективными волокнами. Их удельная прочность и удельный модуль в 9 и 9.4 раз выше чем у стали . 6,7 К сожалению для PBO , высоким эксплуатационным характеристикам сопутствуют и существенные проблемы. Хорошо известна плохая устойчивость РВО к воздействию ультрафиолетовых лучей и видимого излучения. У РВО также отсутствует осевая прочность при сжатии . Прочность волокна РВО на разрыв также снижается в высокотемпературных и влажных средах . Немалые усилия были приложены для того, чтобы осуществить химическое изменение волокна РВО для повышения осевой прочности при сжатии .

И волокно кевлар, и волокно РВО рассмотрены Афшари и его коллегами в этой статье. Прочие высокоэффективные продукты, такие как волокна Vectran или PVA (Kurray ) здесь рассматриваться не будут. Мы надеемся собрать данные для другой работы о специальных синтетических волокнах в ближайшем будущем .

Эластичные волокна

Обзор эластичных волокон в данной статье представлен работой профессора Ху и его коллег из Гонконгского Политехнического университета .

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 Asahi Kasei 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 Du Pont de Nemours (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 компании Du Pont , 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 названием Sideria , 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 Dow Chemical , 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 волокно Lastol , 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. Как отмечает профессор Ху: "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 . При уменьшения 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 благодарятому, 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 ).

Синтетические волокна

На протяжении тысячелетий человечество использовало для своих нужд природные волокна растительного (лен, хлопок, пенька) и животного (шерсть, шелк) происхождения. Кроме того, применялись и минеральные материалы, например асбест.

Ткани, производимые из этих волокон, шли на изготовление одежды, технические нужды и т. п.

В связи с ростом населения Земли натуральных волокон стало не хватать. Именно поэтому возникла потребность в их заменителях.

Первую попытку получить искусственным путем шелк предпринял в 1855 г. француз Одемар на основе нитроцеллюлозы. В 1884 г. французский инженер Г. Шардоне разработал метод получения искусственного волокна – нитрошелка, и с 1890 г. было организовано широкое производство искусственного шелка нитратным способом с образованием нитей с помощью фильер. Особенно эффективным оказалось начавшееся в 90-х годах XIX в. производство шелка из вискозы. Впоследствии этот способ получил наиболее широкое распространение, и ныне вискозный шелк составляет примерно 85 % мирового производства искусственного волокна. В 1900 г. мировое производство вискозного шелка составило 985 тонн, в 1930 г. – около 200 тыс. тонн, а в 1950 г. производство вискозного шелка достигло почти 1600 тыс. тонн.

В 1920-х годах было освоено производство ацетатного шелка (из ацетилцеллюлозы). По внешнему виду ацетатный шелк почти неотличим от натурального. Он малогигроскопичен и, в отличие от вискозного шелка, не мнется. Ацетатный шелк широко применяется в электротехнике как изоляционный материал. Позже был открыт способ получения ацетатного волокна чрезвычайно большой прочности (шнур сечением в 1 см 2 выдерживает нагрузку в 10 тонн).

На основе успехов химии на протяжении XX в. в СССР, Англии, Франции, Италии, США, Японии и других странах была создана мощная промышленность искусственного волокна.

Накануне Первой мировой войны во всем мире производилось всего 11 тыс. тонн искусственного волокна, а спустя 25 лет производство искусственного волокна оттеснило производство натурального шелка. Если в 1927 г. производство вискозного и ацетатного шелка составляло около 60 тыс. тонн, то в 1956 г. мировая продукция искусственных – вискозных и ацетатных – волокон превысила 2 млн тонн.

Разница между натуральным, искусственным и синтетическим волокнами состоит в следующем. Природное (натуральное) волокно полностью создано самой природой, искусственное волокно сделано руками человека, а синтетическое – создано человеком на химических заводах. При синтезе синтетических волокон из более простых веществ получают более сложные высокомолекулярные соединения, тогда как искусственные материалы образуются за счет разрушения значительно более сложных молекул (например, молекул клетчатки при получении метилового спирта путем сухой перегонки древесины).

В 1935 г. американским химиком У. Карозерсом был открыт нейлон – первое синтетическое волокно. Карозерс сначала работал бухгалтером, но позже заинтересовался химией и поступил в Иллинойский университет. Уже на третьем курсе ему поручили читать лекции по химии. В 1926 г. Гарвардский университет избирает его профессором органической химии.

В 1928 г. в судьбе Карозерса произошел резкий поворот. Крупнейший химический концерн «Дюпон де Немур» пригласил его возглавить лабораторию органической химии. Ему создали идеальные условия: большой штат сотрудников, самое современное оборудование, свободу в выборе тематики исследований.

Это было связано с тем, что за год до этого концерн принял стратегию на теоретические исследования, полагая, что они в конце концов принесут значительную практическую пользу, а следовательно, и прибыль.

Так и случилось. Лаборатория Карозерса, исследуя полимеризацию мономеров, после трех лет упорной работы добивается выдающегося успеха – получает полимер хлоропрена. На основе его в 1934 г. концерн «Дюпон» начал промышленное производство одного из первых видов синтетического каучука – полихлоропрена (неопрена), по своим качествам способного с успехом заменить дефицитный натуральный каучук.

Однако главной целью своих исследований Карозерс считал получение такого синтетического вещества, которое можно было бы превращать в волокно. Используя метод поликомпенсации, которым он занимался еще в Гарвардском университете, Карозерс в 1930 г. получил в результате взаимодействия этиленгликоля и себациновой кислоты полиэфир, который, как выяснилось позже, легко вытягивался в волокно. Это было уже большим достижением. Однако практического применения это вещество не могло иметь, так как легко размягчалось от горячей воды.

Дальнейшие многочисленные попытки получить коммерческое синтетическое волокно оказались безуспешными, и Карозерс решил прекратить работу в этом направлении. Руководство концерна согласилось закрыть программу. Однако заведующий химическим отделом воспротивился такому исходу дела. С большим трудом он убедил Карозерса продолжить исследования.

Заново обдумывая результаты своей работы в поисках новых путей ее продолжения, Карозерс обратил внимание на недавно синтезированные полимеры, содержащие в молекуле амидные группы – полиамиды. Этот выбор оказался исключительно плодотворным. Опыты показали, что некоторые полиамидные смолы, протиснутые через фильеру, сделанную из тонкого медицинского шприца, образуют нити, из которых можно изготовлять волокно. Применение новых смол казалось весьма многообещающим.

После новых экспериментов Карозерс и его помощники 28 февраля 1935 г. получили полиамид, из которого можно было вырабатывать прочное, упругое, эластичное, водоустойчивое волокно. Эта смола, выделенная в результате реакции гексаметилендиамина с адипиновой кислотой, с последующим нагреванием в вакууме полученной соли (АГ), была названа «полимер 66», так как исходные продукты содержали по 6 атомов углерода. Поскольку над созданием этого полимера трудились одновременно в Нью-Йорке и Лондоне, то волокно из него получило название «нейлон» – по начальным буквам этих городов. Специалисты-текстильщики признали его пригодным для коммерческого производства пряжи.

В течение двух следующих лет ученые и инженеры «Дюпона» разрабатывали в лабораторных условиях технологические процессы производства промежуточных продуктов полимера и нейлоновой пряжи и конструировали опытно-заводскую химическую установку.

16 февраля 1937 г. нейлон был запатентован. После многих опытных циклов в апреле 1937 г. было получено волокно для экспериментальной партии чулок. В июле 1938 г. было завершено строительство опытного предприятия.

29 апреля 1937 г., через три дня после того как Карозерсу исполнился 41 год, он ушел из жизни, приняв цианистый калий. Выдающегося исследователя преследовала навязчивая идея, что он не состоялся как ученый.

Разработка нейлона обошлась в 6 млн долларов, дороже, чем любой другой продукт общественного пользования. (Для сравнения: на разработку телевидения США потратили 2,5 млн долларов.)

Внешне нейлон напоминает натуральный шелк и приближается к нему по химическому строению. Однако по своей механической прочности нейлоновое волокно превосходит вискозный шелк примерно в три раза, а натуральный – почти в два раза.

Компания «Дюпон» длительное время строго охраняла секрет производственного процесса нейлона. И даже сама изготавливала необходимое для этого оборудование. Как сотрудники, так и оптовые продавцы товара обязательно давали подписку о неразглашении информации, касающейся «нейлоновых секретов».

Первым коммерческим изделием, поступившим на рынок, стали зубные щетки с нейлоновой щетиной. Их выпуск начался в 1938 году. Нейлоновые чулки были продемонстрированы в октябре 1939 г., а с начала 1940-го в г. Вилмингтон стало производиться нейлоновое волокно, которое трикотажные фабрики покупали для изготовления чулок. Благодаря взаимной договоренности торговых фирм чулки конкурирующих между собой производителей появились на рынке в один день: 15 мая 1940 года.

Массовое производство изделий из нейлона началось только после Второй мировой войны, в 1946 году. И хотя с тех пор появились многие другие полиамиды (капрон, перлон и др.), нейлон все еще широко применяется в текстильной промышленности.

Если в 1939 г. мировое производство нейлона составило лишь 180 тонн, то в 1953 г. оно достигло 110 тыс. тонн.

Из нейлоновой пластмассы в 50-е годы прошлого века изготавливали судовые лопастные винты для судов малого и среднего тоннажа.

В 40–50-е годы XX в. появились и другие синтетические полиамидные волокна. Так, в СССР был наиболее распространен капрон. В качестве исходного сырья для его производства используется дешевый фенол, вырабатываемый из каменноугольной смолы. Из 1 т фенола можно получить около 0,5 т смолы, а из нее изготовить капрон в количестве, достаточном для изготовления 20–25 тыс. пар чулок. Капрон получают и из продуктов переработки нефти.

В 1953 г. впервые в мире в СССР в опытно-промышленном масштабе была осуществлена реакция полимеризации между этиленом и четыреххлористым углеродом и получен исходный продукт для промышленного производства волокна энант. Схема его производства была разработана коллективом ученых под руководством А. Н. Несмеянова.

По основным физико-механическим свойствам энант не только не уступал другим известным полиамидным волокнам, но и во многом превосходил капрон и нейлон.

В 50–60-е гг. прошлого века началось производство полиэфирных, полиакрилонитрильных синтетических волокон.

Полиэфирные волокна формируются из расплава полиэтилен-терефталата. Они обладают превосходной термостойкостью, сохраняя 50 % прочности при температуре 180 °C, огнестойки и атмосферостойкие. Устойчивы к действию растворителей и вредителей: моли, плесени и т. п. Нить из полиэфирных волокон используется для изготовления транспортерных лент, приводных ремней, канатов, парусов, рыболовных сетей, шлангов, в качестве основы для шин. Моноволокно применяется для производства сетки для бумагоделательных машин, струн для ракеток. В текстильной промышленности нить из полиэфирных волокон идет на изготовление трикотажа, тканей и т. п. К полиэфирным волокнам относится лавсан.

Полиакрилонитрильные волокна по своим свойствам близки к шерсти. Они устойчивы к действию кислот, щелочей, растворителей. Их применяют для изготовления верхнего трикотажа, ковров, тканей для костюмов. В смеси с хлопком и вискозным волокном полиакрилонитрильные волокна используют для изготовления белья, гардин, брезентов. В СССР эти волокна выпускались под торговым названием нитрон.

Многие синтетические волокна получают путем продавливания расплава или раствора полимера через фильеры диаметром от 50 до 500 микрометров в камеру с холодным воздухом, где происходит отвердение и превращение струек в волокно. Непрерывно образующуюся нить наматывают на бобину.

Отвердение ацетатных волокон происходит в среде горячего воздуха для испарения растворителя, а отвердение вискозных волокон – в осадительных ваннах со специальными жидкими реагентами. Вытяжка волокон на бобинах при формировании применяется для того, чтобы цепные полимерные молекулы приняли более четкий порядок.

На свойства волокон влияют разными методами: изменением скорости выдавливания, состава и концентрации веществ в ванне, меняя температуру прядильного раствора, ванны или воздушной камеры, варьируя размеры отверстия фильер.

Важной характеристикой прочностных свойств волокна является разрывная длина, при которой волокно разрывается под действием собственной тяжести.

У природного хлопкового волокна она изменяется от 5 до 10 км, ацетатного шелка – от 12 до 14, натурального – от 30 до 35, вискозного волокна – до 50 км. Волокна из полиэфиров и полиамидов имеют большую прочность. Так у нейлона разрывная длина доходит до 80 км.

Синтетические волокна потеснили натуральные во многих областях. Общий объем их производства практически сравнялся.

Синтетикой называют любой продукт, полученный методом химического синтеза, чаще всего синтетическую ткань.

Синтетические волокна - это волокна, производимые из полимеров, которые не встречаются в природе, а синтезируются из мономеров. Сырьем для их производства являются продукты переработки нефти, каменного угля и газа. Их относят к классу химических (наряду с искусственными).

Нельзя путать с искусственными волокнами, которые также относятся к химическим, но производятся из натурального сырья с применением химических реагентов.

История

Из чего делают ткани, известно всем - из разных видов волокон. До середины прошлого столетия мы использовали исключительно натуральные ткани: хлопок, лен, шелк и т. д. В 1940-1950-х годах научились производить искусственные волокна (вискозу, ацетат).

• Производство волокон из расплавленных синтетических полимеров начало развиваться в странах с развитой промышленностью в 1940-1970-х годах. В этот период такие волокна лишь частично заменяли натуральные, использовались в качестве добавки.

Первым таким волокном был нейлон. Его изобрел сотрудник компании Дюпон Уоллес Карозерс в 1935 году. Новый материал отличался особой прочностью и малыми затратами на производство, быстро приобрел популярность.

• С 70-х годов прошлого столетия производство синтетики сильно возросло, и холст из синтетических волокон стал широко применяться в качестве самостоятельного материала.

Виды и свойства

Общие характеристики и преимущества синтетических волокон и тканей любого вида:

• прочность;
• устойчивость к воздействию бактерий и микроорганизмов;
• износостойкость;
• несминаемость.

Недостатками является то, что волокна плохо впитывают воду и сильно электризуются.

Вид и название зависит от того, какой продукт был использован в качестве исходного (к его названию добавляется приставка поли-). Ткани, выработанные из таких волокон имеют различные торговые названия (зачастую в каждой стране есть свое). Все они делятся на две большие группы:

• гетероцепные. Макромолекулы содержат атомы углерода и других элементов. К ним относятся полиамидные, полиуретановые и полиэфирные волокна;
• карбоцепные. Макромолекулы содержат только атомы углерода. Все остальные синтетические волокна.

Полиамидные

Прочные при растяжении, устойчивы к истиранию и многократным изгибам, не подвергаются воздействию многих химических веществ, низких температур, плесени, бактерий. Имеют низкий показатель термо- и светостойкости. Распространенные торговые названия: нейлон, капрон, анид.

Полиуретановые

Широко известные спандекс, лайкра, неолан. Главным преимуществом является высокая степень эластичности без потери прочностных характеристик. Стойкие к истиранию. Эластичное, упругое и устойчивое к воздействию химических реагентов волокно обладает существенным недостатком - малой теплостойкостью.

Поливинилспиртовые

Обладают прочностью и устойчивостью к истиранию и воздействию микроорганизмов, света кислот и щелочей. Торговые названия: винол, куралон, мтилан. Отличительная черта винола - высокая гигроскопичность.

Полиэфирные (полиэстер)

Лавсан. Достоинства: упругость, термостойкость, низкая теплопроводность и малая степень усадки. Недостатки: разрушается при действии кислот и щелочей, жесткий, плохо впитывает воду и сильно электризуется.

Полиакрилонитрильные

Обладают менее высокой стойкостью к истиранию, чем полиамид и полиэфир. Устойчивы к воздействию микроорганизмов (и моли), обладают формоустойчивостью, изделия из них практически не мнутся. По внешнему виду очень напоминают натуральную шерсть. Наиболее известны нитрон и акрилан.

Полиолефиновые

Сырьем для их изготовления являются полиэтилен и полипропилен. Очень легкие, прочные и устойчивые к износу, воздействию химических реагентов и микроорганизмов. Обладают низкой гигроскопичностью, неустойчивы к воздействию температур. Даже при 50-60 градусах изделия из них дают значительную усадку. Затраты на производство минимальные.

Применение

В чистом виде некоторые виды синтетических волокон не используются, в основном их добавляют к другим волокнам (натуральному хлопку, льну, шерсти), чтобы получить ткани с улучшенными характеристиками.

• Так, добавление даже небольшого процента эластана или лайкры сделает ткань более эластичной. Их таких тканей и трикотажных полотен изготавливают женскую и мужскую повседневную, спортивную и верхнюю одежду, чулки и другие изделия.
• Из полиакрилонитрильного волокна делают искусственный мех, трикотажное полотно, ковры и напольные покрытия, одеяла.
• Из полиэстеровой нити изготавливают ткани и трикотажи для производства одежды, домашнего текстиля и материалов технического назначения. Штапельное волокно добавляют к хлопку, льну, шерсти и получают прочные материалы, из которых производят все группы одежды, ковровые изделия, искусственный мех. Войлок из полиэстера во многом превосходит по качеству натуральный шерстяной войлок.

Уход за изделиями

• Стирают изделия из синтетических волокон при температуре 30-40 градусов. Полиэстер - до 60 градусов. Для белых вещей используют универсальные порошки, для цветных - специальные для тонких и цветных тканей. Режим стирки можно выбирать любой в зависимости от степени загрязнения и вида ткани. Отжимать можно в стиральной машине, количество оборотов уменьшить до минимума.
• Сушить в машине такие изделия нельзя, так как образующиеся складки потом будет очень сложно разгладить. Предпочтительна сушка на открытом воздухе или в хорошо проветриваемом помещении. Запрещено сушить синтетику на батареях.
• Гладят синтетику на режиме «шелк». Нейлон гладят при минимальной температуре, не увлажняя.

Публикации о синтетических тканях