Композиционные материалы специального и технического назначения. Учебное пособие

получают молекулы полимеров, различные не только по величине, но и по строению. Современные методы синтеза высокомолекулярных соединений позволяют путем использования различных мономеров и изменения условий синтеза получать соединения любого состава и, следовательно, изменять свойства полимера и получаемых из него волокон в требуемом направлении. После получения исходного материала процесс производства синтетических волокон состоит из формования и процессов отделки. Формуют синтетические волокна из раствора, а также из расплава или размягченного полимера.

Синтетические волокна в отличие от природных и искусственных характеризуются малым влагопоглощением, поэтому изделия из них быстро высыхают. Малая чувствительность к влаге сказывается и на других свойствах этих волокон. Так, физико-механические свойства их почти не изменяются при погружении в воду. Эти волокна имеют высокую прочность как в воздушно-сухом состоянии, так и во влажном, что расширяет область их применения. Важное свойство синтетических волокон – химическая инертность. Так, капрон и анид устойчивы к действию щелочей, лавсан – к действию кислот, свойства хлорина не изменяются под воздействием кислот, щелочей, окислителей и других реагентов. Синтетические волокна устойчивы к действию бактерий, микроорганизмов, плесени и моли [6].

Однако синтетические волокна различаются многими свойствами. Например, капроновое волокно характеризуется высокой устойчивостью к истиранию, волокно нитрон – к действию солнечного света и атмосферным влияниям, а лавсан – очень низким остаточным удлинением. Синтетические волокна имеют ряд недостатков. Так, малое влагопоглощение значительно затрудняет крашение этих волокон, способствует накоплению электростатических зарядов на их поверхности, снижает гигиенические свойства, что ограничивает использование этих волокон для выработки некоторых изделий.

В настоящее время основную массу синтетических волокон используют в сочетании с природными и искусственными, что позволяет вырабатывать текстильные изделия, отвечающие требованиям потребителей.

Синтетические волокна подразделяются на гетероцепные и карбоцепные. Гетероцепные волокна образуются из полимеров, в основной цепи которых кроме атомов углерода содержатся атомы других элементов (полиамидные, полиэфирные, полиуретановые волокна). Карбоцепные волокна получают из полимеров, имеющих в основной

11

цепи макромолекул только атомы углерода (полиакрилонитрильные, поливинилспиртовые, полиолефиновые, поливинилхлоридные, углеродные, фторсодержащие волокна). Присутствие в основной цепи гетероатомов, реакционноспособных групп или подвижных атомов снижает химическую стойкость волокна. Наличие гидрофильных групп приводит к повышению гигроскопичности и снижению электроизоляционных характеристик [7].

Элементарная нить – это элементарное волокно неограниченной длины. Если элементарная нить непосредственно используется для производства изделий, то она в таком случае называется мононитью. Чаще применяется комплексная нить, т.е. нить, состоящая из определенного количества элементарных нитей, расположенных параллельно и соединенных склеиванием (натуральны шелк) или скручиванием (все химические нити). Примером комплексных нитей, полученных скручиванием элементарных нитей, могут служить: вискозная, ацетатная, капроновая, лавсановая и другие комплексные нити, т.е. комплексные нити широко используются в текстильной и трикотажной промышленности.

По химическому составу волокна подразделяются на органические и неорганические волокна. Органические волокна образуются из полимеров, имеющих в своем составе атомы углерода, непосредственно соединенных друг с другом, или включающие наряду с углеродом атомы других элементов. Неорганические волокна образуются из неорганических соединений (соединения из химических элементов кроме соединений углерода).

Тканые материалы – текстильные материалы, получаемые в процессе ткачества в результате последовательного переплетения двух или более систем нитей основы и утка, расположенных перпендикулярно. Ткани специального назначения классифицируются по составу (в зависимости от состава волокон, входящих в состав ткани), а также структуре, т.е. способу переплетения. Для тканей специального назначения характерны сложные виды переплетений, которые образуют определенную структуру, отвечающую требованиям, предъявляемым к конкретному текстильному продукту специального назначения. Кроме того, переплетение ткани может определять некоторые физикомеханические свойства материалов (например, усиленные переплетения для текстиля, применяемого в изготовлении изделий бронезащиты) [7].

12

Трикотажные материалы – текстильные материалы, получаемые из одной нити, или многих нитей одной системы путем образования петель и их переплетения. Трикотаж отличается по строению от ткани тем, что состоит из петель, переплетающихся между собой в поперечном и продольном направлениях. Вид переплетения трикотажа определяется формой, размерами, расположением петель и связями между ними. Нить, образующая петлю, находится в силовом взаимодействии с соседними петлями, благодаря чему сохраняются определенные размеры и форма петель. Основными параметрами петли, во многом определяющими физико-механические свойства трикотажа, являются длина нити в петле и волокнистый состав нити.

Неткаными называются материалы, образуемые из волокнистой массы, пряжи или тканей, скрепляемых чаще всего путем провязывания нитями, уваливанием и склеиванием. Производство нетканых материалов обладает значительными техническими и экономическими преимуществами в сравнении с производством трикотажа и тканей. Для производства нетканых материалов могут быть использованы стандартные, а также короткие, не пригодные для прядения волокна как натуральные и искусственные, так и синтетические в самых разнообразных сочетаниях, диктуемых требованиями к материалу. Технологический процесс производства нетканых материалов занимает меньше времени благодаря полному отсутствию процессов ткачества и частичному или полному исключению процессов прядения [8].

Нетканые материалы дают возможность расширить ассортимент текстильных материалов специального назначения, выпускаемых легкой промышленностью. Нетканые материалы в зависимости от методов скрепления подразделяются на три класса: скрепленные механическим способом; скрепленные физико-химическим способом; скрепленные комбинированным способом [6].

В зависимости от сферы применения текстильные материалы специального назначения классифицируют следующим образом:

-агротекстиль;

-геотекстиль;

-защитный текстиль;

-медицинский текстиль;

-промышленный текстиль и др.

Данныегруппы в свою очередь подразделяются на множество подгрупп и направлений, количество которых постоянно растет, в зависимости от задач, поставленных перед текстильными материалами в

13

сфере их использования. Так, например, защитные текстильные материалы специального назначения могут быть подразделены на: термоогнестойкие материалы, огнезащитные материалы, антистатические материалы, барьерные материалы, кислотостойкие материалы, пыленепроницаемые материалы, материалы для защиты при сварочных работах, от искр и брызг расплавленного металла, сигнальные матери а- лы повышенной видимости, биоцидные материалы, антибактериальные материалы, противогнилостные материалы, антимоскитные материалы, материалы с различными покрытиями.

Контрольные вопросы

1.Как принято классифицировать текстильные волокна?

2.Чем отличются тканые и трикотажные материалы?

3.Что представляет собой синтетическое волокно на молекулярном уровне?

4.Какие материалы называют неткаными?

5.В каких отраслях применяют текстильные материалы специ-

ального назначения?

Рекомендуемая литература

1.Кукин, Г.Н. Текстильное материаловедение / Г.Н. Кукин, А.Н. Соловьев, А.И. Кобляков // М.: Легпромбытиздат, 1992. - 272 с.

2.Перепелкин, К.Е. Химические волокна для текстильной промышленности: основные виды, свойства и применение. / К.Е. Перепелкин// Текстильная химия. - 2001. - № 1. - С. 19-31.

3.Бузов, Б.А. Материаловедение в производстве изделий легкой

промышленности (швейное производство) / Б.А. Бузов, Н.Д. Алыменкова // М.: «Академия», 2004. - 448 с.

14

3 ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ ТЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Текстильные материалы специального назначения используются в ряде отраслей,таких как дорожное строительство и землеустройство, капитальное строительство, экологическое обеспечение добывающих и перерабатывающих отраслей, агрокомплекс, авто-, авиа- и судостроение и др.

Особую группу составляет защитный текстиль специального назначения, используемый для изготовления как защитной одежды, так и различных укрывных изделий: текстиль с защитой от электромагнитных излучений; огнестойкий защитный текстиль для различных применений; фильтрующие текстильные материалы на основе волокон из фторопластов для особо агрессивных сред; термостойкие фильтрующие волокнистые материалы для промышленного назначения; современные фильтровальные материалы для систем вентиляции, очистки воздуха, очистки воды от нефтесодержащих продуктов; наноструктурированные текстильные материалы с защитными свойствами; синтетические текстильные мтаериалы со свойствами водо-, маслооталкивания, устойчивости к действию агрессивных сред.

Нельзя не сказать о специальной одежде, предназначенной для различных направлений ее использования. Создание химических волокон нового поколения: параарамидных, параарилатных, электропроводных, сверхвысокопрочных, модифицированных с введением в них антипиренов, создающих огнезащитность волокна и изделий из него – существенно расширили область создания спецодежды.

Множество текстильных материалов специального назначения и изделия из них могут быть использованы в медицине. Чаще всего данные материалы изготавливаются из волокон и нитей синтетического состава. Например, полипропиленовые (ПП) хирургические мононити характеризуются биологической инертностью, хорошими прочностными свойствами, полным отсутствием фитильности и капиллярности. Благодаря своей гладкой поверхности и монолитности они оказывают минимальное травмирующее действие при проведении через ткани, обеспечивают хороший косметический эффект и уменьшают степень болевых ощущений при удалении швов [9].

Большой интерес со стороны ученых вызывает создание сетчатых трикотажных эндопротезов для восстановительной хирургии после травматических повреждений, грыжесечений, удаления злокачест-

15

венных и доброкачественных опухолей, оперативного удаления тех или иных внутренних органов. Такие эндопротезы могут применяться в хирургии с целью восстановления опорных мягких тканей или частичного замещения дефектов посттравматических и операционных ран.

Особую актуальность приобретают индивидуальные средства защиты от заражения, в первую очередь для медицинского персонала, работа которого сопряжена с постоянным профессиональным риском. К изобретениям в данной области можно отнести разработанные кольчужные хирургические перчатки, предназначенные для хирургов, оперирующих больных, инфекция от которых может быть передана через кровь. К таким болезням относят СПИД, вирусный гепатит и некоторые другие тяжелые заболевания.

Смеси природных полисахаридов хитозана (ХТЗ) и целлюлозы и изделий на их основе представляют практический интерес, поскольку сочетают доступность целлюлозы с уникальными свойствами хитозана. Они нетоксичны, биологически совместимы с человеческим организмом и могут найти применение как для технических целей, например, в качестве сорбентов, так и для медицинских – в качестве носителей лекарственных препаратов [9].

Широким спектром исследований и разработок отличается использование технического текстиля в целях жизнеобеспечения, равновесия экологической среды, борьбы с различными химическими и прочими загрязнениями окружающей среды. Наибольший практический интерес представляют очистные сооружения для вредных производств, зачастую сбрасывающих в водоемы сточныеводы без всякой очистки. Используемые для этих целей зерненые иониты имеют целый ряд недостатков. Обычно эти проблемы удавалось решать, создав сорбенты в форме волокон. Главными достоинствами таких материалов являются: большая (в 10-30 раз) активная поверхность, высокая реакционная способность функциональных групп волокон, которые расположены преимущественно в поверхностном слое волокон, неизменность обменной емкости при длительной эксплуатации, почти 100% стабильность волокон при резком изменении ионной силы растворов, высокая степень использования емкости (до 90%) в дин а- мических условиях, легкость, полнота и малая продолжительность регенерации, после которой сорбционная способность фильтра восстанавливается, меньшие (почти на порядок) объемы вторичных растворов. Разработанная технология превращения волокнистых сорбентов в

16

объемные упругие структуры позволяет в режиме фильтрации достичь минимального сопротивления потоку рабочих растворов при скоростях более 10 м/ч. Эти свойства объемно-пористых упругих сорбентов позволяют эффективно их использовать в установках большой единичной мощности. С помощью волокнистых сорбентов можно осуществить глубокую санитарную очистку бортовых отсосов и вентиляционных выбросов от хромового ангидрида, оксидов азота и аммиака, сернистого газа и др., изготовлять облегченные средства индивидуальной защиты органов дыхания, улавливать и выделять в химически чистом видеблагородныеметаллы: золото, платину, серебро [9].

Новым и перспективным направлением работ является исследование по созданию высоконаполненных и пластинчатых сорбционноактивных фильтрующих материалов. По-видимому, такие материалы можно назвать материалами нового поколения, т.к. в них совмещены достоинства нетканых материалов, композитов и сорбентов. Областями их применения являются фильтрация сточных вод, очистка питьевой воды, скоростная фильтрация газов. Такие материалы отличаются дешевизной, что является одним из существенных критериев их разработки и внедрения.

В строительстве используется экологически чистая технология плитных строительных материалов, на основе короткомерных неутилизируемых волокнистых отходов текстильной промышленности. Разработанная технология основана на полном исключении токсичных связующих, используемых в классическом производстве плитных материалов, базируется на сухом способе получения древесноволокнистых плит. Производство оснащается традиционным оборудованием для производства древесноволокнистых строительных плит, предполагает исключение ряда энергоемких операций, не имеет сточных вод и газовых выбросов.

Также разработана иглопробивная технология, заключающаяся в использовании при строительстве дорог или других сооружений геотекстильных нетканых материалов, получаемых из расплавов полипропилена (или поликапроамида), которыевыпускаютсяв виде полотен.

В дорожном строительстве полотно из пропилена применяется для укрепления слабого грузонесущего грунта, оно хорошо зарекомендовало себя в гидротехническом строительстве, в укреплении береговых откосов и осушении, в строительстве площадок. Использование такого полотна увеличивает срок эксплуатации дорог до 10-15 лет и снижает трудозатраты на 40-50 %. В нашей стране применение не-

17

тканых материалов в строительстве дорог в значительной степени связано со строительством скоростных магистралей и переоборудованием существующих дорожных покрытий согласно европейским стандартам. Разработаны новых структурах геотекстиля, которые могут использоваться в различных климатических зонах, а также повысить качество работ при создании искусственных газонов, укреплении земляных сооружений, оврагов и береговых откосов.

В настоящее время получили широкое распространение трикотажные полотна специального назначения, которые нашли применение практически во всех областях жизни человека: в технике, медицине, строительстве, авто- и самолетостроении, судостроении, ракетной и космической технике, геотекстиле и многих других.

Применение трикотажа в медицине непрерывно расширяется. Актуальная разработка новых синтетических трикотажных материалов для восстановления анатомических форм и функций внутренних органов человека. С этой целью изучается трикотаж, изготовленный на плоскофанговых и основовязальных машинах. Трикотажные трубки малого диаметра изготавливаются на плоскофанговых машинах высокого класса, а мелкоячеистый трико таж – на основовязальных машинах 28 класса. Для вязания различных вариантов трикотажа на основовязальной машине используются комбинированные филейно- уточно-платированные переплетения, а на плоскофанговой машине – переплетение кулирная гладь [9].

К трикотажу, имплантируемому в организм, предъявляются жесткие требования по его совместимости с организмом. В большой степени эти требования удовлетворяются видом используемого сырья. Для изготовления экспериментальных образцов трикотажа используются полиэфирные нити как обладающие достаточной биологической инертностью и широко применяющиеся для производства медицинского трикотажа. Такие нити в достаточном ассортименте и количествах производятся в Республике Беларусь.

А вот применение в производстве огнестойкого трикотажного полотна для полетных костюмов термо-, огнестойкой пряжи Терлон в сочетании с огнезащищенной шерстяной пряжей выявило определенные недостатки. Пряжа Терлон выпускается однониточной, ткацкой крутки, она неравномерна по толщине, имеет участки утолщения и утонения, которые сказываются на прочностных свойствах пряжи и качестве готового полотна, имеются скрутины, т.к. пряжа не уравновешена. Кроме того, производство огнезащищенной чистошерстяной пряжи, осуществ-

18

ляемое в лабораторных условиях, является ненадежным и дорогостоящим. В связи с изложенными проблемами оказалась необходимой замена сырья для производства трикотажного полотна. В качестве замены была предложена отечественная высокопрочная пряжа из термо-, огнестойкого волокна Арлана, разработанного ООО «Лирсот» [9].

Благодаря пористой структуре волокна синтетическая пряжа Арлана обладает повышенными гигиеническими свойствами, имеет высокие показатели влагосодержания (12-14%) и линейного удлинения (7-8%). Полученная химическая структура волокна обуславливает более высокую степень огнезащищенности. Эти характеристики волокна обеспечивают изготовление костюмов с повышенными показателями тепло- и огнестойкости. Изготовленные образцы трикотажа из термостойкой пряжи Арлана имеют мягкий гриф и хорошую драпируемость, что значительно улучшает внешний вид и повышает эргономические показатели полетного костюма.

Двухслойные трикотажные полотна, из которых изготавливают фехтовальные костюмы, относятся к группе полотен специального назначения. К данным полотнам Международной федерацией фехтования (FIE) предъявляются определенные требования с точки зрения их прочности к проколу клинком одного из видов спортивного оружия: рапиры, шпаги или сабли. В Украине существует единственная фирма, которая занимается изготовлением трикотажных костюмов для фехтовальщиков. Трикотажные полотна данной фирмы прошли испытания на прокол в FIE и получили положительную оценку. Данные полотна с подкладкой выдерживают на прокол усилиев 400Н и используются для изг о- товления тренировочных костюмов. Однако с точки зрения эксплуатационных свойств эти полотна имеют целый ряд недостатков: жесткость при изгибе; недостаточная растяжимость, низкая воздухопроницаемость; значительная поверхностная плотность. Весь этот перечень отрицательных свойств в первую очередь можно объяснить использованием комбинированного интерлочного переплетения.

В результате тщательного анализа полотен отечественного и мировых производителей разработана улучшенная структура и исследованы особенности ее изготовления на двухфонтурной кругловязальной машине 16 и 20 классов с интерлочной расстановкой игл.

Данная структура представляет собой двухслойное полотно с прессовым соединением слоев основными нитями. Для вязания данного полотна на машине 20 класса использовали полиэфирную текстурированную нить плотностью 16,7 текс и 16,7х2 текс (пневмосоединен-

19

ную); 16 класса – высокомолекулярную нить Dyneema® плотностью 40 текс, полиэфирную пряжу лавсан плотностью 12,5 текс, гладкую комплексную полиамидную нить плотностью 29 текс и для большей эластичности и улучшения доли упругой деформации полотна полеуретановую нить плотностью 2,2 текс.

Основными проблемами при изготовлении данных полотен являлись:

-подбор глубины кулирования для игл цилиндра и риппшайбы, образующих петли, с целью уравновешивания образуемых слоев двухслойного трикотажа;

-установление требуемой величины зева между фонтурами;

обеспечение усилия оттяжки для отведения двухслойного полотна в межфонтурный промежуток; определение соотношения между глубиной кулирования в системе, где в цилиндре образовывались петли, а в риппшайбе – соединительные прессовые наброски.

Именно изменение указанного соотношения в значительной мере влияет на нормализацию процесса вязания и на растяжимость полотна [9].

Контрольные вопросы

1.В каких отраслях может применяться защитный текстиль?

2.Какие свойства волокон особо ценятся при изготовлении хиирургических нитей?

3.Расскажите о применении текстильных материалов при строительстве зданий и дорог.

4.Как технический текстиль применяется в сфере экологической безопасности?

5.Приведите примеры применения текстильных материалов в сфере спорта и отдыха.

Рекомендуемая литература

1. Перепелкин К.Е. Химические волокна для текстильной промышленности: основные виды, свойства и применение / К.Е. Перепелкин//Текстильная химия. - 2001. - № 1. - С. 19-31.

2. Перепелкин К.Е. Химические волокна: развитие производства, методы получения, свойства, перспективы / К.Е. Перепелкин // СПб.: Изд-во СПГУТД, 2008. – 354 с.

20