2.8. Волокнообразующие полимеры и свойства волокон

Природные полимеры представлены целлюлозой – основой клеточных стенок высших растений: в волокнах хлопковых семян ее содержится 95-98%, лубяных (лен, джут) – 60-85%, а тканях древесины – 40-55%. Это жесткоцепной стереорегулярный, кристаллический (40-70%) полимер с температурой стеклования 220^оС и температурой плавления выше температуры разложения. Поэтому применяют методы химической модификации для облегчения ее переработки в волокна и пленки. Ацетатные волокна формуют из растворов ацетатов целлюлозы в метиленхлориде для изготовления трикотажных изделий. Вискозные волокна из прядильного раствора (вискозы) используют в производстве шин и РТИ. Полинозные волокна (разновидность вискозных волокон) - близки к хлопковым волокнам по наличию пустот, фибриллярности структуры и свойствам, применяются для изготовления широкого ассортимента тонких тканей взамен тонковолокнистого хлопка, а также технических тканей.

Полиамиды наиболее многочисленны в группе азотсодержащих гетероцепных термопластов, содержат в основной цепи амидную группу (-СО-NН-), а наиболее востребованы из них продукты поликонденсации диамина и дикарбоновой кислоты или полимеризации лактама аминокислоты. Волокна получают формованием из расплава в атмосфере инертного газа или раствора линейных полиамидов с ММ 15-30 тыс, а применяют в производстве шинного корда и РТИ. Рабочая температура их эксплуатации от минус 80 до 150^оС, термическое разложение начинается при 300-320^оС, а из ароматических полиамидов – при 350-600^оС. Полиамидные пленки гибки и прозрачны, устойчивы к действию щелочей, органических растворителей и масел, непроницаемы для бактерий. Их сваривают теплом, ультразвуком и токами высокой частоты склеивают растворами полиамидов, подвергают металлизации, а прочность повышают армированием тканями, повышением слойности или дублированием с алюминиевой фольгой. Пленки применяют для упаковки масел и жиров, колбас и сосисок, замороженного мяса и рыбы, способных выдерживать их варку и стерилизацию. Из них готовят емкости, чехлы и тенты, искусственную кожу и обмоткутрубопроводов. Недостатки - низкая устойчивость к кислотам и УФ- облучению.

Полиуретаны имеют в основной цепи уретановые группы –HN-CO-O, которые даже в небольшом количестве при одновременном присутствии амидных, мочевинных и эфирных групп определяют их основные свойства. Нити из полиэфируретанмочевины с температурой плавления 230^оС (спандекс, США), похожие на резиновые, перерабатывают в чистом виде или в смеси с натуральными и другими волокнами, которые используют для их оплетки (стержневая пряжа), защищая от света и регулируя степень эластичности. Пряжа для трикотажа состоит из 5-20% полиуретанового и 80-95% нерастяжимых волокон. Ткани с обратимым удлинением 20-25% используют для рубашек, блузок, дамских костюмов и плащей, 40-50% - для спортивных и купальных костюмов и дамских колготок.

Полиэтилентерефталат (ПЭТ) - это твердый полимер белого цвета с ММ 20-40 тыс, при быстром охлаждении становится прозрачным, кристаллизуется выше 80^оС, устойчив к воде и ароматическим растворителям. Он термостоек в расплавленном состоянии, деструкция начинается выше 300^оС с разрыва эфирных связей. ПЭТ-волокно (лавсан) превосходит по термостойкости все известные, кроме фторволокна. При охлаждении до -50^оС увеличивает на 40% свою прочность, но не становится хрупким, а при 180^оС снижает на 50%, но полностью восстанавливает при охлаждении до комнатной температуры. После 500 и 1000 ч выдержки волокна при 180^оС сохраняется соответственно 29 и 25,5% его прочности, а гидратцеллюлозные и полиамидные волокна в этих условиях разрушаются. Волокно загорается с трудом, гаснет в отсутствие источника огня, после 600 часов пребывания на солнце сохраняет 40% прочности, устойчиво к действию микроорганизмов, моли и плесени. Его применяют в чистом виде и в смеси с другими волокнами. Техническую нить используют в производстве транспортерных лент, приводных ремней, веревок, канатов, парусов, рыболовных сетей и тралов, брезентов, бензомаслостойких шлангов, рукавов высокого давления, электоризоляционных и фильтровальных материалов. Моноволокно идет на изготовление шинного корда, сеток для бумагоделательных машин (взамен бронзовых), щеток для зерноочистительных машин, струн для скрипок, роялей и ракеток. Тонковолокнистая нить идет на обмотку электропроводов малого сечения и в медицине (синтетические кровеносные сосуды и хирургические нити), нить средней прочности - на изготовление трикотажа, различных тканей, занавесей и высокообъемной пряжи. Штапельное волокно применяют с добавлением 45% шерсти, 33% хлопка или 50% льна. Толстое волокно используют для производства искусственного меха и ковров, а нетканые изделия из волокна – для электроизоляции.

Поликарбонаты представляют собой полиэфиры угольной кислоты и двухатомных фенолов общей формулы [-О-Ar-СН₂-Ar-O-CO-O-Ar-CH₂-Ar-]_n. Это высокоплавкие ароматические полимеры белого цвета со степенью кристалличности (10-40%), а температуры плавления и стеклования зависят от строения исходного дифенола. Полимеры устойчивы к действию водных растворов кислот, солей и окислителей, обладают высокой прочностью, стабильностью размеров при переработке, хорошими диэлектрическими свойствами и низкой гигроскопичностью. Они устойчивы к действию микроорганизмов, ультрафиолетового света и излучений высоких энергий, деструкция начинается выше 330^оС. Пленки и волокна формуются из растворов в метиленхлориде или из расплава. Волокна из раствора, по механическим свойствам уступают волокнам из расплава. Волокно устойчиво к ударным нагрузкам, истиранию и действию γ-радиации, имеет высокую эластичность и низкую диэлектрическую проницаемость, что позволяет использовать его в электротехнике и других специальных областях техники. Шинный корд на основе поликарбонатных нитей отличается высокой усталостной и разрывной прочностью, обеспечивает хорошую стабильность размеров покрышек и повышенную теплостойкость.

Полипропилен - продукт полимеризации пропилена на катализаторах Циглера-Натта с регулярным строением макромолекул изотактической структуры и степенью кристалличности около 60%, характеризуется высокой температурой размягчения и самой низкой плотностью из всех известных пластмасс. Волокна и нити из его расплава не тонут в воде и не адсорбируют влагу, поэтому сохраняют свой вес в мокром состоянии.

Полиакрилонитрил – трудно кристаллизующийся линейный полимер белого цвета с плотностью 1140 кг/м³ и температурой стеклования 86-96^оС, растворяется только в высокополярных растворителях, применяется для получения прочных термостойких волокон методом прядения из раствора в диметилформамиде. Для достижения высокой степени ориентации волокна при вытяжке берут полимер анионной полимеризации с узким ММР. При термическом воздействии в волокне формируются из нитрильных групп циклические структуры, что приводит к интенсивному окрашиванию в оранжево-коричневый и далее в черный цвет («черный орлон»), потере растворимости и приобретению полупроводниковых свойств и очень высокой термостойкости (в огне накаляется докрасна, но не горит). Волокна из сополимеров акрилонитрила с виниловыми мономерами более гидрофильны и эластичны и окрашиваются в любой цвет, размягчаются выше 180^оС и по своим свойствам близки к шерсти, при этом устойчивы к действию сильных кислот, щелочей и растворителей, применяемых для стирки и чистки.

Жесткий ПВХ (винипласт) - это белый аморфный порошок с средней ММ 45-110 тыс, содержанием хлора 56% и температурой плавления 160^оС, устойчивый к воздействию бензина и минеральных масел и хорошо растворяющийся в ацетоне и хлорированных углеводородах. Волокна и нити получают сухим или мокрым методом формования из 30% растворов в смесях ацетона с сероуглеродом или бензолом (1:1) или методом экструзии. Они не горят, устойчивы к микроорганизмам и используются для изготовления ковров, искусственной кожи, замши, пушистых трикотажных изделий, мягкой обивки, спецодежды и технического войлока.

Поливинилацетат – аморфный прозрачный полимер без вкуса и запаха с Т_с 28^оС – почти весь преврашают в поливиниловый спирт, который идет на производство волокон и прочных пленок (поливинилбутираль, поливинилкеталь и др.). Условиями сушки регулируют водостойкость волокон вплоть до водорастворимых, которые вводят в бумажную массу и получают бумагу и картон для очистки воздуха, фильтрации топлив и масел.