Химические волокна

Волокнами называют гибкие и прочные протяженные тела с малы­ми поперечными размерами (чаще всего 20-30 мкм), ограниченной длины, которая во много сотен раз превышает диаметр. Волокна в основном состоят из высокомолекулярных соединений.

Натуральные (природные) волокна образуется в природных условиях. Они могут быть растительного происхождения (хлопок, лен, пенька) или животного (шерсть, шелк).

Химические волокна формуют на основе природных или синтетических полимеров. В зависимости от исходного сырья химические волокна делят на две группы: а) искусственные получают переработ­кой природных полимеров (главным образом из целлюлозы и её эфиров); б) синтетические получают из, синтетических полимеров.

Возможность получения химических волокон из различных веществ предсказывали еще в ХVII-ХVIII веках, промышленный выпуск искусствен­ных волокон начат в конце XIX века, а производство первого синте­тического волокна - поливинилхлоридного освоено в 1932 г. Рост производства химических волокон идет быстрыми темпами, причем в некоторых отраслях (производство вин, конвейерных лент, приводных ремней, шлангов) они вытеснили натуральные. Химические волокна имеют ряд преимуществ перед натуральными как с точки зрения качес­тва, так х с точки зрения экономики:

• большое многообразие ценных свойств; возможность получения волокон с заранее заданными свойствами, не присущими природным волокнам: сверхпрочных, термостойких, устойчивых к агрессивным реагентам и т.д.;

• возможность направленного изменения свойств волокон не только через химический состав, но и регулированием ориентации полимера, размеров фибрилл;

- широкая, доступная сырьевая базе, её независимость от климатических условий;

- низкие капитальные, эксплуатационные и трудовые затраты в производстве.

Главные недостатки химических волокон (худшие, чем у природ­ных волокон санитарно-гигиенические свойства; быстрое тепловое и световое старение) могут быть устранены специальной обработкой антистатиками, генерированием, стабилизацией полимеров.

Полимеры в волокнах могут находиться в частично-кристаллическом состоянии (целлюлозные волокна, полиамидные, лавсан) или в стеклообразном (полиакриламидные). Макромолекулы должны быть распо­ложены не беспорядочно, а преимущественно ориентированы вдоль оси волокна, то есть полимерные волокна анизотропны: их свойства разли­чаются в зависимости от направления. Чем выше степень анизотропии, тем более прочно волокно. Природные волокна анизотропии изначально. Для того, чтобы сориентировать макромолекулы в химических волок­нах, полимер вначале переводят в вязкотекучее состояние, когда он способен к неограниченным необратимым деформациям. Легкоплавкие полимеры переводят в такое состояние нагреванием, тугоплавкие – растворением в подходящем растворителе. Полученный полимерный расплав или раствор продавливают через мелкие отверстия в колпачке-нитеобразователе, называемом фильерой (от франц.fil – волокно).

Чтобы волокна, формуемые из расплава, затвердели, их обдува­ют холодным воздухом. При формовании волокон из раствора для их отверждения нужно удалить растворитель. Это можно сделать двумя способами: 1) растворитель испаряют, помещая волокна в струю горячего воздуха ("сухой" способ); 2) нити подают в осадительную ванну с "плохим" растворителем, в котором макромолекулам энергетически выгодно сжаться и вытолкнуть из себя "хороший" растворитель, т.е. скоагулировать ("мокрый" способ).

Однако полученное волокно еще не является достаточно ориенти­рованным, твердое волокно подвергают ориентационной вытяжке при температуре, превышающей температуру стеклования аморфных (неупо­рядоченных) областей макромолекулы.

Из расплава формуют полимерные волокна с температурой плавле­ния меньшей, чем температура их пиролитического распада (полиамид­ные, полиэфирные, полипропиленовые, полиформальдегидные). Плавление обычно осуществляют в экструдере, обогреваемом теплоносителем или электрическим током. Образующийся расплав под давлением в несколь­ко Мн/м² продавливают через отверстия фильеры диаметром от 0,25 до 0,50 мм. Вытекающие струи проходят через вертикальную шахту, в которой циркулирует кондиционированный воздух. Струи застывают и наматываются на бобину. Формование из расплава проводят с боль­шой скоростью: обычно 800-1200 м/мин (возможно до 5000 м/мин). Производство безвредно, получаемые волокна имеют высокие физико-механические свойства.

При формовании из раствора по сухому способу неплавкие поли­меры растворяют в растворителях с низкой температурой испарения (ацетон, метиленхлорид). Полимерный раствор нагревают до температуры, близкой к температуре кипения растворителя и продавливают через фильеры с диаметром отверстий 0,06-0,10 мм. Струи из фильер вытекают вертикально вниз в шахту длиной 4-8 м, в которой циркулирует горячий воздух. Испарившийся растворитель улавливают и возвращают в цикл. Скорость формования 600-1200 м/мин. Сухим способом из раствора формуют ацетатные, триацетатные, термостойкие волокна.

При мокром способе готовят прядильный раствор с концентрацией полимера 5-20% и под давлением 200-500 кн/м² продавливают через отверстия фильеры диаметром 0,04-0,10 мм в осадительную ванну. Число отверстий в фильере очень велико: 20000-150000 (для сравнения в других способах 200-1000). В осадительной ванне (вер­тикальной или горизонтальной) происходит коагуляция волокна. Так как диффузионные процессы в ванне протекает медленно, то скорость формования в мокром способе ниже, чем в других - 100-I50 м/мин. Так формуют вискозные, медно-аммиачные, полиакрилонитрильные волокна.

Недостатком формования волокон из раствора является возможность попадания растворителя или коагулянта в окружающую среду, необходимы дополнительное оборудование и расходы на их улавливание и регенерацию.

В последние годы большую популярность приобрели изделия с так называемой микрофиброй (микроволокном). Эти волокна имеют диаметр элементарных нитей 6-9 мкм (у хлопка - 14 мкм, обычных полиэфирных волокон - 18-22 мкм). Получают такие волокна с по­мощью высокоскоростного формования 4000-6000 м/мин. Из микроволокон изготавливают ткани с высокой плотностью плетения (20000 -30000 нитей /1см² поверхности ткани), которые имеют шелкоподобный вид, хорошо драпируются, непродуваемы, имеют водоотталкивающие свойства, но при этом обеспечивают легкое испарение влаги из пододежного пространства. Поэтому ткани с микрофиброй незаменимы в изготовлении спортивной одежды, курток, плащей.

После формования волокон любым способом следует ряд техноло­гических операций, называемых отделкой химического волокна. Это может быть промывка водой от мономеров, остатков растворителя или осадителя; отбелка; обработка антистатиками, мягчителями, поверхностно-активными веществами; сушка; вытяжка; термообработка. В зависимости от вида волокна и метода его получения часть опера­ций отделки может быть исключена.

Таким образом, получение химических волокон складывается из трех стадий: 1) приготовление прядильного раствора или расплава; 2) формование волокон; 3) их отделка.

Искусственные волокна получают главным образом переработкой целлюлозы. При этом основной задачей является перевод природной целлюлозы, которая из-за сильных межмолекулярных взаимодействий почти не растворима в каких-либо растворителях, в более раствори­мую форму, удобную для формования волокна.