1.4.4. Синтетические волокна.

Синтетические волокна получают из природных низкомолекулярных соединений (продуктов переработки нефти, газа, каменного угля). К ним относятся полиамидные, полиэфирные, полиуретановые полиакрилонитриль-ные, поливинилхлоридные, полиолефиновые, поливинилспиртовые и другие волокна.

Полиамидные волокна.

Макромолекулы полиамидов представляют собой участки повторяющихся метиленовых групп [-СН₂-]n, соединенных амидными группами -СОNН-. В нашей стране наиболее распространенным является капроновое волокно. Кроме капрона к полиамидным волокнам относятся анид, энант, рильсан, найлон 6, стилон, перлон, мерил и др. Они отличаются числом метиленовых групп и характером их расположения между амидными группами. С увеличением числа метиленовых групп в элементарном звене полиамида изменяются его свойства: снижается температура плавления, уменьшается гигроскопичность, повышается устойчивость к изгибу, светопогоде, истиранию.

Мономером для получения капрона является капролактам. который синтезируется из фенола и бензола. Капролактам растворяют в небольшом (10%) количестве воды, затем в автоклавах при температуре 250-260ºС и давлением 10 атмосфер в результате ступенчатой полимеризации образуется поликапролактам [-СО-(СН₂)₅-NН-]n (в виде ленты). ленту дробят в крошку, удаляют низкомолекулярные примеси, промывая ее в горячей воде, и высушивают.

Формование капроновых волокон и нитей осуществляется из расплава (при температуре плавления 260-270ºС). Полученные нити подвергаются вытягиванию, кручению, термофиксации, сушке и перемотке.

При непрерывном методе синтез осуществляется в колонных реакторах - вертикальных трубах (высотой 5-6м), разделенных перфорированными дисками на секции. Вытекающий из нижней части трубы расплав или превращается в ленту, или поступает сразу на фильеры.

Плотность капрона 1,14 мг/мм³. Капрон имеет цилиндрическую форму с гладкой поверхностью, в сечении – круг.

Волокно имеет высокую прочность, относительное разрывное усилие 40-50 сН/текс, но может быть и 70-75 сН/текс, разрывное удлинение 20-25%.

Капрон обладает самой высокой стойкостью к истиранию, если его устойчивость принять за 100%, то у хлопка она будет составлять 10%, у шерсти – 5%, а у вискозного волокна – 2%. Капрон имеет очень высокую стойкость к многократным деформациям растяжения и изгиба, устойчив к действию микроорганизмов. Прочность в мокром состоянии снижается не более чем на 10%.

К недостаткам следует отнести следующие свойства: низкую гигроскопичность (при нормальных условиях поглощает 3,5-4,5% влаги), низкую светостойкость и термостойкость (уже при температуре 65С начинает необратимо терять прочность). Температура плавления 215-255С. Волокно имеет плохой гриф, т.е. недостаточно упруго на ощупь, повышенную гладкость, нестойко к действию щелочей и концентрированных минеральных кислот.

Полиамидные волокна используются как в виде комплексных нитей для выработки трикотажных изделий (чулочно-носочных, бельевых) и блузочных, платьевых, подкладочных и др. тканей, так и в виде волокон (в смеси с шерстью, хлопком) для костюмных и др. тканей.

В результате физической модификации вырабатывают волокна с различным профилем сечения (шелон, трилобал). В результате повышается сцепляемость волокон в текстильных материалах, увеличивается их пористость и воздухопроницаемость, появляются различные внешние эффекты (мерцающий или глянцевый блеск, мягкость, шелковистость). За счет химической модификации путем боковой прививки сополимера, получают волокна, содержащие гидроксильные группы (капролон, мегалон), что увеличивает гигроскопичность и окрашиваемость волокон.

Полиэфирные волокна.

Полиэфирные волокна и нити производятся из полиэтилентерефталата,

который является продуктом поликонденсации диметилового эфира терефталиевой кислоты и этиленгликоля.

Так же, как и полиамидные волокна, полиэфирные получают двумя способами - непрерывным, наиболее прогрессивным, когда передача продуктов совершается непрерывным потоком, и периодическим, когда от одного частного процесса к другому продукты передаются периодически.

Волокна и нити формуют из расплава при температуре 270-275ºС

Плотность волокна 1,38 мг/мм3. Лавсан является прочным волокном, относительное разрывное усилие 40-50 сН/текс, а высокопрочного 60-80 сН/текс; разрывное удлинение 20-25%. Лавсан обладает высокой устойчивостью к смятию (приблизительно в 2 раза выше, чем шерсть), высокими упругими свойствами (при удлинении на 5-6% деформация является полностью обратимой); формоустойчивостью (хорошо сохраняет приданную форму: плисе, гофре). Волокно имеет высокую стойкость к истиранию, хотя эта устойчивость и меньше, чем у капрона в 4-4,5 раза. Лавсан обладает высокой светостойкостью (по этому показателю уступает только полиакрилонитрильным волокнам), имеет шерстоподобный внешний вид, устойчиво к действию бактерий и микроорганизмов. Лавсан теплостоек и превосходит по этому показателю все химические и натуральные волокна, кроме специальных термостойких волокон. Небольшая потеря прочности наблюдается лишь при температуре 160-170С.

Основным недостатком является низкая гигроскопичность. При нормальных условиях поглощает 0,4-0,5% влаги, электризуется, плохо окрашивается, склонно к образованию пиллинга.

Волокно стойко к действию кислот (кроме азотной и серной) и нестойко к действию щелочей.

Лавсан в основном выпускают в виде волокон (3/4 от всего объема) и перерабатывают в пряжу в смеси с натуральными (шерсть, хлопок, лен) волокнами, что позволяет выпускать малосминаемые изделия повышенной прочности. Большая часть нитей подвергается текстурированию и идет для изготовления тканей и трикотажа. Мононити используют для производства щеток, фильтров, сеток.

Полиуретановые нити.

Полиуретан является гетероцепным полимером [-NНСОО(СН₂)₆NНСОО(СО₂)₄-]n, содержащим уретановую группу:

Дополнительный атом кислорода сообщает полиуретану повышенную гибкость цепи и более низкую температуру плавления по сравнению с полиамидами.

Вначале полиуретаны использовались в качестве щетины. Начиная с 60-х годов XX столетия, начато производство блочных полимеров, у которых в молекулу наряду с участками полиуретана входят гибкие, сильно растяжимые блоки (простые или сложные эфиры). Полиуретаны формуют как из расплавов, так и из растворов, сухим и мокрым способами. Макромолекулы (рис. 1.12) содержат гибкие 1 и жесткие 2 блоки. При появлении растягивающей нагрузки «гибкие» блоки вытягиваются и распрямляются (рис. 1.12, б), после снятия нагрузки они снова возвращаются в исходное состояние (рис. 1.12, а).

Рис. 1.12 - Строение макромолекул полиуретана: а - в свободном состоянии; б - под действием растягивающей нагрузки.

Полиуретановые нити имеют высокую растяжимость (разрывное удлинение может достигать до 800%). при удлинении до 300% обратимая деформация составляет 92-98%. Широкую известность получили такие полиуретановые нити, как спандекс, лайкра, дорластан и др. Они устойчивы к светопогоде и химическим реагентам, но прочность их сравнительно невелика, при нагреве до 150ºС они желтеют и становятся жесткими, т.к. начинается термическая деструкция. Они обладают большой устойчивостью к истиранию (в 20 раз больше, чем резиновая нить).

Обычно полиуретановые нити используются в комбинации с другими нитями в качестве каркасной. Полученные изделия приобретают повышенную мягкость, делаются более изящными, повышается их формоустойчивость, увеличивается срок носки. При носке таких изделий появляется ощущение большей комфортности. Полиуретановые нити используются для изготовления эластичных тканей и трикотажных бытовых, спортивных и медицинских изделий.

Полиакрилонитрильные волокна получают из полиакрилонитрила

и его сополимеров. Формование полиакрилонитрильных волокон проводят из раствора сухим и мокрым способами. В качестве растворителя чаще всего используется диметилформамид. Сухой способ используется для формования комплексных нитей. При этом раствор подогревают до 100-120ºС, температура в шахте поддерживается 165ºС и выше, т.к. температура кипения диметилформамида 153ºС. В виде комплексных нитей вырабатывается не более 1% от общего выпуска полиакрилонитрильных волокон.

Мокрым способом нитрон вырабатывают в виде волокон, в осадительной ванне находятся водные растворы диметилформамида или различные органические жидкости (чаще всего глицерин).

Плотность нитрона 1,16-1,18 мг/мм³.

Волокно имеет достаточно высокую прочность (относительное разрывное усилие Ро=35-40сН/текс), но меньшую, чем у капрона и лавсана; разрывное удлинение 18-25%. По упругим свойствам волокно находится между капроном и лавсаном. Волокно обладает самой высокой светостойкостью (кроме фторлона), по теплостойкости не уступает лавсану (непродолжительное время может эксплуатироваться при температуре 180-200С). Оно шерстоподобно, имеет хороший и тёплый гриф, по теплопроводности приближается к шерсти, легко подвергается чистке, не изменяет свои свойства в мокром состоянии.

К недостаткам следует отнести лёгкую электризуемость, низкую гигроскопичность (при нормальных условиях поглощает 0,8-1% влаги), трудность окрашивания, малую стойкость к истиранию.

Волокна легко поддаются модификации, что даёт возможность устранять их отрицательные свойства.

Нитроновое волокно в чистом виде и в смесях с шерстью используется для выработки пряжи, идущей на изготовление платьевых и костюмных тканей, трикотажных изделий, искусственного меха, ковров.

Поливинилхлоридные волокна (хлорин, ровиль, термовиль и др.) получают из хлорированного поливинилхлорида [-СН₂-СНCl-]n, который растворяют в растворе ацетона и формуют сухим или мокрым способами.

Плотность хлорина 1,6 мг/мм³.

Относительное разрывное усилие 22-27сН/текс, разрывное удлинение 25-35%. Хлориновое волокно гидрофобно и при нормальных условиях поглощает 0,1-0,15% влаги. Оно является хорошим диэлектриком и обладает высокой стойкостью к большинству реагентов. По хемостойкости оно превосходит все химические волокна (кроме фторполимеров). При трении волокно приобретает высокий отрицательный заряд, поэтому изделия из хлорина используются в качестве лечебного белья при таких заболеваниях, как радикулит, ревматизм, артрит и др.

Волокно недостаточно термостойко и начинает деформироваться при температуре 90-100С, поэтому изделия из него могут эксплуатироваться при температуре не выше 70С. Волокно недостаточно светостойко.

Поливинилспиртовые волокна (винол, винал, винилон, мевлон и др.) получают путем омыления поливинилацетата:

Формуют волокна из водного раствора мокрым способом. Затем проводят ацетилирование для образования поперечных связей между макромолекулами. В зависимости от условий формования и последующего ацетилирования получают нити с разной степенью прочности и водостойкости - от водорастворимых до гидрофобных.

Винол - нерастворимое поливинилспиртовое волокно обладает многими положительными свойствами: плотность 1,26-1,3 мг/мм³, относительное разрывное усилие 30-40 сН/текс, относительное разрывное удлинение 20-30%, гигроскопичность Wн=5-7%, по устойчивости к истиранию уступает только капрону, устойчиво к свету, действию кислот и щелочей.

Применяется в смеси с хлопком, шерстью для производства тканей, трикотажа, ковров и т.д.

Водорастворимая разновидность поливинилспиртовых волокон используется в качестве вспомогательного (удаляемого) волокна при производстве ажурных изделий, гипюра, растворимых швейных ниток (для временного соединения деталей швейных изделий).

Полеолефиновые волокна: полипропиленовые [-СН₂-СНСН₃-]n и полиэтиленовые [-СН₂-СН₂-]n. Эти волокна формуют как из расплавов, так и из растворов.

Они имеют достаточно высокую прочность, хорошее удлинение. Плотность полипропиленового волокна является наиболее низкой (0,91 мг/мм3) среди всех природных и химических волокон. Эти волокна не тонут в воде. По хемостойкости эти волокна приближаются к хлорину. Также, как и другие синтетические волокна, они устойчивы к действию микроорганизмов. По устойчивости к истиранию эти волокна значительно уступают капрону.

Термо- и теплостойкость полипропилена недостаточно высока, что является одним из основных его недостатков. Полипропиленовое волокно после нагрева до 80С теряет 12-20% прочности.

В основном используются (85%) полипропиленовые волокна. Они выпускаются в виде волокон, мульти- и микрофиламентов, текстурированных нитей, расщепленных пленок и лент. Их используют в смеси с гидрофильными волокнами (хлопком, шерстью, вискозой) в производстве материалов для верхней и спортивной одежды, обуви, декоративных и технических материалов.