Синтетические и искуственные материалы

 

 

 

 

 

 

1.2 Искусственные волокна.

Общие сведения и  краткая история развития.

Искусственные волокна получают из природных веществ органического (целлюлоза, белки) и неорганического (стекло, металлы) происхождения.

Мысль о получении искусственных  волокон впервые была высказана  в XVII в., но промышленное производство их было осуществлено лишь в конце XIX в. Первым видом искусственных волокон целлюлозного происхождения был нитратный шелк, полученный в 1890 г. Несколько позже был найден способ промышленного производства медно-аммиачного волокна, а в 1898 г. получено самое распространенное в настоящее время искусственное волокно – вискозное. К концу первой мировой войны был разработан метод производства ацетатного волокна.

Производство искусственных  волокон в СССР в 1980 г. составляло 660 тыс. т. Промышленное производство искусственных  волокон в Советском союзе  базировалось на бурном развитии химической промышленности. Затраты труда на производство искусственных волокон значительно ниже, чем на производство натуральных. Так, для производства 1 т вискозного штапельного  волокна требуется затрат труда в 7,7 раза меньше, чем для получения 1 т хлопкового волокна, и в 12-15 раз меньше, чем для получения 1 т шерстяного волокна. Уровень затрат труда в значительной степени определяет себестоимость волокна. Себестоимость вискозного штапельного волокна находится примерно на одном уровне с себестоимостью хлопка, но меньше себестоимости шерсти в 6,7 раза.

 

 

 

Классификация искусственных волокон.

 

1. Вискозное волокно занимает первое место среди химических волокон по объему производства. Получают вискозное волокно из древесины, которую обрабатывают щелочами и сероуглеродом. Полученный вязкий прядильный раствор (вискозу) продавливают через отверстия фильеры (колпачок из химически стойкого сплава со множеством отверстий). После промывания в ванне с растворами серной кислоты и солей натрия и цинка происходит осаждение вискозного волокна. Для повышения прочности и уменьшения толщины волокна вытягиваются и подвергаются кручению. Полученные таким способом волокна сильно блестят. Для уменьшения блеска и выработки матированного вискозного волокна в прядильный раствор добавляют двуокись титана.

2. Полинозное волокно - это модифицированные вискозные волокна, получаемые из высококачественного сырья (целлюлозы и химикатов) при особом формировании и большей вытяжке. По своей структуре и свойствам полинозные волокна близки к хлопковым и могут заменить более дорогостоящий и ценный тонковолокнистый хлопок. У полинозных волокон более гладкая, чем у вискозных волокон, поверхность, поэтому они меньше загрязняются и лучше отстирываются.

3. Медно-аммиачное волокно получают из хлопкового пуха и облагороженной древесной целлюлозы. Целлюлозу растворяют в медно-аммиачном растворе и продавливают через фильеры. Формуют волокно мокрым способом, в растворах. По физико-механическим свойствам медно-аммиачные волокна превосходят вискозу. Волокно ровное, гладкое, с мягким приятным блеском, хорошо окрашивается, в сухом состоянии прочнее вискозного, более упруго и эластично. Применяется медно-аммиачное волокно в производстве трикотажа, а в смеси с шерстью - для изготовления тканей и ковров

4. Ацетатные волокна представляют собой сложные эфиры целлюлозы и уксусной кислоты. Сырьем для получения этих волокон является облагороженная древесина или хлопковый пух.  По строению ацетатные волокна напоминают вискозные, однако имеют более округлые контуры. Прочность волокон в сухом состоянии ниже, чем у вискозы (13-15 кгс/мм2), однако потеря прочности в мокром состоянии ниже – 30-40%. Волокно упруго, мало сминается, имеет красивый внешний вид, мягко, устойчиво к действию света, микроорганизмов, не повреждается молью. Недостатками этого волокна являются невысокая устойчивость к истиранию, низкая термостойкость (80-90°С), плохая окрашиваемость, а также электризуемость. Поскольку ацетатные волокна имеют низкую теплопроводность, их применяют в производстве теплого белья.

5. Триацетатные волокна получают аналогично ацетатным. Для прядильного раствора триацетат целлюлозы растворяют в смеси метиленхлорида и спирта. Формуют волокна сухим или мокрым способом. Это волокно отличается высокой упругостью, благодаря чему изделия из него не требуют глажения, а также сохраняют плиссе и гофре даже после стирки. Волокна термостойки, выдерживают нагревание до 150-160°. Триацетатные волокна окрашиваются лучше, чем ацетатные, устойчивы к действию света, не разрушаются микроорганизмами. Недостатками этого волокна являются малая гигроскопичность (3,5-4,5%), высокая электризуемость, низкая устойчивость к действию щелочей, ацетона и других органических растворителей.

6. Белковые волокна, получаемые путём химической переработки белков животного или растительного происхождения. В качестве сырья для белковых волокон применяют в основном белок молока (казеин), а также белки, содержащиеся в кукурузных зёрнах, земляных орехах и соевых бобах. Белковые искусственные волокна формуют из щелочных (NaOH) растворов белков по так называемому мокрому методу. Волокна окрашивают кислотными, протравными и другими красителями, применяемыми для крашения шерсти. Данные волокна обладают хорошими теплозащитными свойствами, эластичны, мягки на ощупь, не вызывают раздражения кожи, устойчивы к действию слабых растворов минеральных кислот; неустойчивы в растворах едких щелочей. Обычные органические растворители не повреждают белковые волокна, поэтому изделия из них можно подвергать сухой химической чистке. Прочность белковых, по сравнению с другими искусственными волокнами, невелика — разрывная длина от 7 до 10 км, потеря прочности при испытании в мокром состоянии составляет 50—70%. В связи с этим белковые искусственные волокна обычно выпускают в виде штапельного волокна и перерабатывают в изделия в смеси с шерстью или хлопком. Их применяют для изготовления костюмных, сорочечных и пижамных тканей; фетровых, вязаных и чулочно-носочных изделий; спортивной одежды и одеял.

 

 

 

 

 

Глава 2. Производство синтетических и искусственных  волокон и характеристика свойств  данных материалов.

Стоит понять, какие именно химические волокна, синтетические или искусственные, обладают наилучшими потребительскими свойствами (образцы материалов представлены в Приложении 1).

Рассмотрим для начала процесс производства данных волокон.

2.1 Производство  химических волокон.

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  операции:

1.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.

2.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.

3.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.

4.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 волокон

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.

При формировании комплексных  нитей используют фильеры с небольшим  числом отверстий: от 12 до 100. Сформованные из одной фильеры элементарные нити соединяются в одну комплексную (филаментную) нить и наматываются на бобину. При получении штапельных волокон применяют фильеры с количеством отверстий в несколько десятков тысяч. Собранные вместе с нескольких фильер нити образуют жгут, который затем разрезается на штапельные волокна определенной длины.

Прядильный раствор дозировано продавливается через отверстия  фильер. Вытекающие струйки попадают в среду, вызывающую затвердевание  полимера в виде тонких волокон. В  зависимости от среды, в которой  происходит затвердевание полимера, различают мокрый и сухой способы формования.

При формовании волокон из раствора полимера в нелетучем растворителе (например, вискозных, медно-аммиачных, поливинилспиртовых волокон) нити затвердевают, попадая в осадительную ванну, где происходит их химическое или физико-химическое взаимодействие со специальным раствором, содержащим различные реагенты. Это «мокрый» способ формования (схематичное изображение центрифугальной прядильной машины представлено в Приложении 2).

Если формование проводят из раствора полимера в летучем растворителе (например, для ацетатных и триацетатных волокон), средой затвердевания является горячий воздух, в котором растворитель испаряется. Это «сухой» способ формования (см. Приложение 2).

При формовании из расплава полимера (например, полиамидных, полиэфирных, полиолефиновых волокон) средой, вызывающей затвердевание полимера, служит холодный воздух или инертный газ. Схема формования из расплава представлена в Приложении 2.

Скорость формования зависит  от толщины и назначения волокон, а также от метода формования.

Прядильный раствор в  процессе превращения струек вязкой жидкости в тонкие волокна одновременно вытягивается, этот процесс называется фильерная вытяжка.

Химические волокна и  нити непосредственно после формования не могут быть использованы для производства текстильных материалов. Они требуют  дополнительной обработки.

В процессе формования образуется первичная структура нити. В растворе или расплаве макромолекулы имеют  сильно изогнутую форму. Так как при формовании степень вытягивания нити невелика, то макромолекулы в нити расположены с малой долью распрямленности и ориентации вдоль оси нити. Для распрямления и переориентации макромолекул в осевом направлении нити выполняется пластификационная вытяжка, в результате которой ослабляются межмолекулярные связи, и образуется более упорядоченная структура нити. Вытягивание приводит к увеличению прочности и улучшению текстильных свойств нити.

Но в результате большой  распрямленности макромолекул нити становятся менее растяжимыми. Такие волокна и изделия из них подвержены последующей усадке во время сухих и мокрых обработок при повышенных температурах. Поэтому возникает необходимость подвергнуть нити термофиксации - тепловой обработке в натянутом состоянии. В результате термофиксации происходит частичная усадка нитей из-за приобретения макромолекулами изогнутой формы при сохранении их ориентации. Форма пряжи стабилизируется, последующая усадка, как самих волокон, так и изделий из них во время ВТО снижается.

Отделка волокон

Характер отделки зависит  от условий формования и вида волокна.

Удаление примесей и загрязнений  необходимо при получении нитей  мокрым способом. Операция осуществляется путем промывки нитей в воде или  различных растворах.

Беление нитей или волокон  проводится путем обработки оптическими отбеливателями для последующего окрашивания волокон в светлые и яркие цвета.

Поверхностная обработка (авиваж, аппретирование, замасливание) необходима для придания нитям способности к последующим текстильным переработкам. При такой обработке повышаются скольжение и мягкость, поверхностное склеивание элементарных нитей и уменьшается их обрывистость, снижается электризуемость и т.п.

Сушка нитей после мокрого  формования и обработки различными жидкостями выполняется в специальных  сушилках.

Текстильная переработка  включает в себя следующие процессы:

Скручивание и фиксация крутки - для соединения нитей и повышения  их прочности.

Перематывания – для увеличения объема паковок нитей.

Сортировка – для оценки качества нитей.