 |
Получение, строение и свойства химических волокон
|
|
|
|
Общие сведения о получении химических волокон и нитей
Несмотря на различие отдельных процессов изготовления различных химических волокон и нитей, в их производстве имеется много общего, что позволяет сравнивать и изучать в начале основные этапы производства обобщенно. Производство химических волокон и нитей слагается из следующих этапов: получение и предварительная обработка сырья, приготовление прядильного раствора или расплава, формование нитей, отделка и текстильная переработка [3, 4].
Получение сырья и его предварительная обработка
Предполагает очистку или химическую обработку сырья. Исходное сырье для искусственных волокон и нитей получают с заводов других отраслей промышленности. Например, целлюлозу получают с хлопкоочистительных или целлюлозных заводов. Ее предварительная обработка заключается в очистке хлопковой целлюлозы, измельчении древесной целлюлозы, а также химической обработке для превращения в новые полимерные вещества (например, ксантогенат целлюлозы).
Синтетические полимеры получают синтезом из простых веществ как на отдельных химических заводах, так и на заводах, вырабатывающих волокна и нити. Предварительной обработке синтетическое сырье обычно не подвергают.
Приготовление прядильного раствора или расплава
Исходный полимер растворяют или расплавляют до получения прядильного раствора. Растворение применяют при производстве вискозных, ацетатных, медно-аммиачных, нитроновых, хлориновых и др. видов волокон; расплавление – при получении полиамидных, полиэфирных и др. волокон и нитей. Приготовленный раствор или расплав подвергают фильтрованию (через слои ткани, ваты, кварцевого песка и металлической сетки) и удалению пузырьков воздуха во избежание обрыва изготовляемой нити. Таким образом приготовленный прядильный раствор затем подвергают формованию.
|
|
|
Формование нитей
Эта стадия заключается в продавливании прядильного раствора или расплава через фильеры, затвердевании вытекающих струек в элементарные нити. Существует несколько способов формования: из раствора (мокрым и сухим способом), из расплава. Получение нитей из раствора является наиболее распространенным способом. Он используется при формовании вискозных, медно-аммиачных, нитроновых, поливинилспиртовых, хлориновых, ацетатных нитей. Нити, полученные по мокрому способу формования, как правило, имеют изрезанный контур поперечного сечения из-за неравномерности затвердевания прядильного раствора. Формование из расплава возможно только для полимеров, плавящихся без разложения. Его применяют при производстве полиамидных, полиэфирных, полиолефиновых нитей и др. В зависимости от формы отверстий фильер могут быть получены волокна и нити разнообразных поперечных сечений (круглые, овальные, с изрезанным контуром, полые и др.)
После формования нити подвергают также вытягиванию и термофиксации для упорядочения и ориентации структурных элементов, что приводит к упрочнению нитей. Для снятия возникших при вытягивании напряжений и уменьшения последующей усадки нити подвергают термофиксации при температуре, которая должна быть выше температуры эксплуатации изделий.
Отделка
Предполагает удаление загрязнений и обработку нитей. Примеси и загрязнения, имеющиеся на элементарных нитях (вискозных и др.) при мокром формовании, удаляются промывкой в воде и различных растворах. Как правило, нити, формуемые сухим способом, не имеют примесей и их не промывают.
Отбеливание нитей применяют перед окрашиванием в светлые или яркие цвета. При окрашивании прядильного раствора или расплава необходимость в отбелке отпадает.
|
|
|
Поверхностная обработка заключается в нанесении на нити веществ в виде замасливателей, авиважных средств (эмульсий), шлихты (клея), антистатических препаратов и других для улучшения процесса текстильной переработки и придания специфических свойств (мягкости, гидрофобности, электропроводности и др.).
Сушка нитей необходима после обработки водой и разными растворами.
Текстильная переработка
Для нитей этот последний этап производства может состоять из следующих процессов: скручивание, фиксация крутки, усаживание и перемотка. Скручивание необходимо для соединения элементарных нитей в одну более толстую и прочную комплексную нить. Фиксация крутки применяется для выравнивания и снижения напряжения нити в различных слоях паковки. Иногда нити из термопластичных полимеров (полиамидные, полиэфирные, полипропиленовые) дополнительно подвергают текстурированию для придания им извитости, растяжимости и объемности. К текстильной переработке жгута относят его гофрирование и резку.
Строение и свойства химических волокон
Искусственные волокна
Вискозное волокно (гидратцеллюлозное) – продукт переработки целлюлозы. Волокно представляет собой цилиндр с продольными штрихами из-за наличия поперечника неправильной ребристой формы. Внутренняя структура неоднородна и состоит из ядра и оболочки. В наружном слое (оболочке) более плотная упаковка макромолекул (рис. 8, а).
Вискозное волокно обладает хорошей гигроскопичностью (35-40 %), светостойкостью и мягкостью; прочность его составляет примерно 20 сН/текс, но в мокром состоянии снижается на 60 %. Разрывное удлинение вискозного волокна достигает 22 %, а доля остаточной деформации – 70 %, что приводит к сильной сминаемости изделий, выработанных из него. При влажно-тепловой обработке волокно сильно набухает и усаживается. Горит вискозное волокно подобно хлопку. Применяется при выработке платьево-костюмных тканей, бельевого верхнего трикотажа, чулочно-носочных и текстильно-галантерейных изделий (лент, галстуков и др.). Применяются в чистом виде и в смеси с другими волокнами.
|
|
|
|
К модифицированному вискозному волокну относится также высокомодульное (ВВМ, сиблон). Волокно отличается высокой прочностью (27-45 сН/текс), потеря которой в мокром состоянии составляет 20-25 %, а стойкость его к истиранию в 8-10 раз выше, чем обычного вискозного волокна.
Из полинозных и высокомодульных волокон и их смеси с хлопком получают тонкие ткани, обладающие стабильностью размеров и формы, приятным внешним видом. Полинозные волокна применяют также при выработке бельевого и спортивного трикотажа.
Ацетатное и триацетатное волокна по своему строению аналогичны вискозному, но имеют более крупные бороздки вдоль волокна и более однородную структуру (рис. 8, в). Прочность ацетатного волокна ниже вискозного (10,8-13,5 сН/текс), в мокром состоянии ее потеря достигает 30 %. Удлинение волокна составляет 22-30 %. Ацетатное волокно более гигроскопично, чем триацетатное. Указанные волокна достаточно упругие, отличаются устойчивостью к действию микроорганизмов.
Ацетатные и триацетатные нити используют для изготовления платьевых, рубашечных тканей, трикотажа. Основным недостатком кроме пониженной прочности, гигроскопичности и стойкости к истиранию является их повышенная электризуемость, что затрудняет их использование для бельевых изделий.
Ацетатные нити широко используются в сочетании с другими при изготовлении платьевых тканей. При этом возможно создание интересных колористических эффектов, так как ацетатные нити окрашиваются только особыми красителями (которые не окрашивают, например, вискозные нити).
|
|
|
По сравнению с ацетатными триацетатные нити имеют более высокую устойчивость к светопогоде, тепловому старению, дают более стойкие эффекты плиссировки и тиснения полотен. Изделия меньше сминаются в процессе эксплуатации.
Белковые искусственные волокна и нити. Исходными полимерами для производства белковых искусственных волокон служат казеин (белок молока) и зеин (белок растительного происхождения).
По некоторым свойствам казеиновые и зеиновые волокна близки к натуральной шерсти. На ощупь они мягкие, теплые, хорошие теплоизоляторы. По показателям растяжимости и гигроскопичности белковые волокна приближаются к шерстяным. Однако прочность их невелика и значительно снижается в мокром состоянии. Термостойкость этих волокон небольшая, они боятся горячей, особенно подщелоченной, воды. Производство белковых волокон ограниченно, что связано с их низкими механическими свойствами и с тем, что сырьем для их изготовления служат ценные пищевые продукты.
Белковые волокна используют в смеси с шерстью и реже с другими волокнами. Белковые коллагеновые нити получают из коллагена, выделяемого из слоя шкур крупного и среднего домашнего скота. Нити рассасываются в живых тканях организма в течение 1–2 месяцев. Их используют в хирургической практике.
Синтетические волокна
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 (40-70 сН/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 (40-50 сН/текс), разрывное удлинение – в пределах 20-25 %, 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 (32-39 сН/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 (26-36 сН/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 [– СН2–СНСН3 –]n и полиэтилен [– СН2–СН2 –]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 [4]. 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 [4].
Текстильные нити
|
|
|
