Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Современные функциональные синтетические волокнистые материалы. Монография
.pdf
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Казанский национальный исследовательский
технологический университет
Ю. А. Тимошина, Э. Ф. Вознесенский
СОВРЕМЕННЫЕ
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ
СИНТЕТИЧЕСКИЕ ВОЛОКНИСТЫЕ
МАТЕРИАЛЫ
Монография
Казань
Издательство КНИТУ
2022
УДК 677.464(075)
ББК 37.23я7
Т41
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Т41
Тимошина Ю. А.
Современные функциональные синтетические волокнистые материалы : монография / Ю. А. Тимошина, Э. Ф. Вознесенский; Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во
КНИТУ, 2022. – 124 с.
ISBN 978-5-7882-3305-5
ISBN 978-5-7882-3305-5
©
Тимошина Ю. А., Вознесенский Э. Ф., 2022
©
Казанский национальный исследовательский
технологический университет, 2022
УДК 677.464(075)
ББК 37.23я7
Казанского национального исследовательского технологического университета
Рецензенты:
д-р техн. наук, доц. А. Ф. Гайсин
ген. директор ООО «Ферри Ватт» Я. О. Желонкин
Рассмотрены тенденции рынка функциональных синтетических волокнистых материалов и перспективы их применения. Описаны волокнообразующие полимеры и функциональные наполнители, используемые для создания
современных волокнистых материалов. Дан обзор методов химической, физической, электрофизической, электрохимической и плазменной модификации
синтетических волокнистых материалов.
Предназначена для бакалавров и магистров, обучающихся по направлению 22.03.01 (22.04.01) «Материаловедение и технологии материалов».
Подготовлена на кафедре плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов.
2
СОДЕРЖАНИЕ
Введение ...................................................................................................... 4
1. Тенденции рынка и перспективы применения синтетических
волокнистых материалов ........................................................................... 6
2. Перспективные функциональные синтетические волокнистые
материалы .................................................................................................. 12
3. Синтетические волокнообразующие полимеры для
функциональных материалов .................................................................. 17
4. Функциональные наполнители для синтетических
волокнистых материалов ......................................................................... 21
5. Современные методы формирования волокон и полотен
для функциональных материалов ........................................................... 29
6. Методы химической модификации поверхности синтетических
волокнистых материалов ......................................................................... 39
7. Методы физической, электрофизической и электрохимической
модификации поверхности синтетических волокнистых
материалов ................................................................................................. 47
8. Плазменные методы модификации поверхности синтетических
волокнистых материалов ......................................................................... 56
9. Оборудование для плазменной модификации и металлизации
синтетических материалов ....................................................................... 69
Заключение ................................................................................................ 78
Литература ................................................................................................ 79
3
4
ВВЕДЕНИЕ
Синтетические волокна и текстильные материалы на их основе
являются одним из основных видов продукции текстильной промышленности и определяют базу национальных экономик развитых стран.
Динамичное развитие производств синтетических волокон определяется потребностью в больших объемах выпуска и широком ассортименте, низкой материалоемкостью и энергопотреблением технологических процессов, экологичностью и возможностью рециклинга используемых химических веществ наряду с достижением предельных объемов в производстве натуральных волокон. Данные производства обладают широкой сырьевой базовой, вместе с этим обеспечивают выпуск
текстильной продукции разнообразного ассортимента и качества.
Среди многотоннажных видов синтетических волокнистых материалов
в мировом объеме производства лидируют полиэфирные, полиолефиновые и полиамидные волокна.
Одновременно с ростом производства и потребления традиционных
синтетических волокон наблюдается стабильный рост интереса отрасли
к функциональным синтетическим текстильным материалам. К перспективным областям текстильной и легкой промышленности относят производство различных видов функциональных текстильных материалов для
изделий специального назначения, предметов быта, одежды и обуви. Текстильные материалы со специальными функциональными свойствами отвечают тренду развития текстильного производства начала XXI в. по созданию «умного текстиля», т. е. текстильных материалов с эффектами обратной связи на факторы окружающей среды.
Среди текстильных материалов со специальными функциональными свойствами особый интерес представляют материалы с защитными свойствами от факторов биологической, химической и техногенной опасности. Создание функциональных текстильных материалов на
основе синтетических волокон может осуществляться как путем непосредственной функционализации волокон и нитей методами химической модификации, аппретированием, воздействием разнообразных излучений, полей, сред и комбинацией указанных методов, так и введением в структуру материала функциональных компонентов и наполнителей путем осаждения, напыления, инкорпорирования, фиксации посредством полимерных связующих и др.
Несмотря на достоинства существующих на данный момент физических, электрофизических и электрохимических методов, они ограниченно применяются для модификации синтетических текстильных
материалов. Электрофизические методы отличаются достаточно высокой температурой процессов, что может вызвать деструкцию волокнообразующего полимера, сложностями в обработке материалов значительной длины, вместе с тем электрохимические методы в большинстве
случаев в силу использования большого количества реагентов не являются ресурсоэффективными и экологичными.
Альтернативой изложенным методам модификации синтетических волокнистых материалов служат методы на основе плазмы газовых разрядов, исключающие использование токсичных жидких реагентов, отличающиеся щадящими температурными и энергетическими параметрами воздействия и позволяющие направленно изменять поверхностные и физико-механические свойства материалов при сохранении
комплекса основных эксплуатационных характеристик.
5
1 . ТЕНДЕНЦИИ РЫНКА И ПЕРСПЕКТИВЫ
ПРИМЕНЕНИЯ СИНТЕТИЧЕСКИХ ВОЛОКНИСТЫХ
МАТЕРИАЛОВ
Текстильное производство является ключевым компонентом индустриальной культуры развитых стран, а синтетические волокна – одним из важнейших продуктов химической промышленности, во многом
определяя базу национальной экономики [1–3]. От уровня развития
текстильной промышленности зависит решение проблем социальноэкономического характера, таких как обеспечение населения одеждой,
бытовыми товарами и текстильными материалами, в том числе технического назначения.
Мировые объемы производства натуральных волокнистых материалов постепенно приближаются к своему агропромышленному пределу, который оценивается в 30–35 млн т в год [4]. Производство всех
видов натуральных волокон требует наличия сельскохозяйственных
площадей, особых климатических и агротехнических условий, значительных затрат рабочей силы; зависит от урожайности и является сезонным [5]. В настоящее время на рынке текстиля из натуральных волокон доминирует хлопок, мировой выпуск которого составляет
22,8 млн т, демонстрируя прирост на 5–8 % в год. Мировое производство шерсти показывает стабильное ежегодное сокращение объемов
и составляет 1,1 млн т в год [6]. Определенную положительную динамику объемов производства демонстрируют лубяные волокна в странах
Южной Азии, Индии и Бангладеш [7].
Вследствие постоянно растущего спроса и ограничений объемов
выпуска натуральных волокон развитие текстильной промышленности
будет осуществляться за счет увеличения производства химических
и прежде всего синтетических волокон. Общемировое потребление
всех видов волокон составляет более 90 млн т, при этом около 70 % мирового текстильного рынка занимают химические волокна, из них
64 % – синтетические. Лидерами рынка являются Китай и США, увеличение объемов производства показывают Тайвань, Вьетнам, Южная
Корея, Индия и Мьянма [8]. При этом развитые страны наращивают
и контролируют мощности в наукоемких производствах, а развивающиеся – в менее технологичных сегментах отрасли.
Динамичное развитие производства синтетических волокон
определяется потребностью в больших объемах выпуска и широком
6
7
ассортименте, характеризуется доступной сырьевой базой, высокой
рентабельностью производства, позволяет увеличить выход текстильной продукции, при этом сокращая удельный расход сырья [9]. Мировое многотоннажное производство синтетических текстильных материалов разнообразно по ассортименту и качеству продукции. Используя
современные технологии синтеза полимеров и методы модификации
материалов, получают текстильную продукцию различного назначения
с широким спектром свойств [10]. Среди синтетических волокон по
объему производства лидируют полиэфирные, выпуск которых составляет более 30 % от всего объема рынка синтетических волокон, далее
следуют полипропиленовые (19 %), полиамидные (13 %) и полиакрилонитрильные (9 %) волокна [6].
Основным видом выпускаемой продукции на основе синтетических волокон являются комплексные нити, выпуск которых ежегодно
увеличивается на 4–5 % и составляет более 23 млн т. Преобладающая
часть комплексной нити (около 79 %) используется в текстильной промышленности для изготовления тканей, трикотажных материалов
и ковровых покрытий. В сегменте текстильных комплексных нитей
преобладают полиэфирные (ПЭФ) нити с долей 86 %, а также полиамидные (ПА) и полипропиленовые (ПП) [11].
В мировом производстве тканых и трикотажных материалов
в 2010–2020 гг. сегмент стран Азии, преимущественно за счет Китая,
увеличился с 73,4 до 80 %, а абсолютное потребление сырья для производства текстиля выросло на 22,7 %. Мировой рынок потребления тканых и трикотажных материалов бытового назначения последнее десятилетие демонстрирует рост на 17,6 % [12]. Странами-лидерами являются Китай, Индия, Вьетнам, Южная Корея и Бангладеш. Ассортимент
выпускаемых текстильных материалов преимущественно состоит из
ПЭФ тканей и трикотажа для одежды, обивки мебели и изделий бытового назначения. На рынке ковровой нити начиная с 2010 г. отмечается
снижение уровня потребления ПП и ПА нитей на 2–4 % в год, при этом
увеличивается спрос на ПЭФ ковровую нить [13].
Активно развивается рынок нетканых материалов, где лидером
также является Китай с выпуском около 1,4 млн т в год. Опережающими темпами растет производство нетканых материалов по технологиям спанбонд и спанлейс с ростом выпуска на 20 и 15 % в год соответственно. В качестве сырья для производства нетканых материалов используют преимущественно ПП волокна, доля которых в данном сегменте составляет порядка 80 % [14].
8
Мировой объем производства высокопрочного текстиля технического назначения преимущественно состоит из ПЭФ, ПА, ПП и полиэтиленовых (ПЭ) нитей. Основным потребителем данных материалов
является автомобильная промышленность с ростом объема потребления на 4 % в год. Около 85 % используемых данной отраслью комплексных нитей являются ПА и ПЭФ, которые применяются для производства текстильных шинных кордов для армирования автомобильных шин [15]. В настоящее время доля стран Южной Азии на рынке
технических нитей составляет 60 % для ПА и 55 % – для ПЭФ. Для данного сегмента рынка является характерным расширение продаж технических нитей в страны, не имеющие собственного их производства, но
обладающие развитой сетью перерабатывающих предприятий [9].
Крупнейшими производителями ПЭФ волокон и нитей являются
международные компании Sabanci Group и Sakosa (Турция), Koch
Industries, Inc., Honeywel, DuPont INVISTA (США), Diolen Industrial
Fibers (Нидерланды), Slovensky Hodvab (Словакия), Toray и Toyobo
(Япония), KuagTextil GmbH (Германия), Elana S.A. (Польша), бизнес
которых включает производство нефтехимической продукции в качестве сырья для текстильных производств, а также волокон, комплексных нитей и текстильных материалов, используемых преимущественно
в производстве шинных кордов, ковровых покрытий и изделий спортивного назначения [16]. Крупнейшие производственные мощности
располагаются в США, Европе и на совместных предприятиях в Китае
и Южной Корее.
Основными производителями ПА волокнистых материалов являются компании Arkema (Франция), BASF (Германия), Aquafil Techno-
polymers (Италия), Yuyao City Yihong Plastication Co. Ltd. (Китай),
FCFC (Китай), Lanxess (Германия), DSM (Нидерланды),
Mobi Ltd. (Польша) [17]. Производители ПА занимаются выпуском ши-
рокого ассортимента полиамидных гранул, волокнистых материалов,
технического текстиля и его модификацией [18].
На производстве ПП и ПЭ моноволокон и комплексных нитей
специализируются такие мировые компании, как Astona GmbH (Герма-
ния), DSM (Голландия), Astrofil (Австрия), Fiber Visions (США), ISD
и Shandeng High Perfomance Fibers Co. Ltd. (Китай). Обширная сырьевая база и высокая рентабельность производства ПП и ПЭ волокнистых
материалов позволяет данным производителям выпускать большой ассортимент продукции, включая высокопрочные волокна, нетканые
9
и обивочные материалы, технический текстиль, волокнистые материалы для армирования композитов [7].
В России крупными предприятими-производителями синтетических волокон и нитей являются АО «Каменскволокно» (Ростовская область), ОАО «Комитекс» (Республика Коми), АО «РБ Групп» (Владимирская область), ООО «Аргон» (Саратовская область), ООО «Композит волокно» (Саратовская область), ЗАО «Газпром химволокно» (Волгоградская область), ООО «Курскхимволокно» (Курская область).
Наибольший объем производства среди всех федеральных округов приходится на Центральный федеральный округ – 44,5 % от совокупного
объема, на втором месте с долей 20,1 % находится Южный федеральный округ, на третьем месте – Северо-Западный федеральный округ
с долей 16,6 % [19].
Объем производства ПП технических нитей в России невелик –
около 1,5 тыс. т в год, их выпуск сосредоточен в основном на предприятиях ООО «СППН» (Ивановская область), ОАО «Сетка» (Нижегородская область), ООО «АС-Пресс» и ООО «Стропа-Юг» (Краснодарский
край), производящих мультифиламентные нити, различные типы текстильных лент, фильтровальные материалы и спортивный трикотаж.
ОАО «Комитекс» обеспечивает 60 % общероссийского выпуска
ПП и ПЭ нетканых материалов [20]. Российскими лидерами в производстве ПА моноволокон и комплексных нитей являются ПАО «КуйбышевАзот» (г. Тольятти), ООО «Анид» (г. Екатеринбург), ОАО «Химволокно» (г. Щекино), ОАО «Клинволокно» (г. Клин), а предприятия
ООО «Курскхимволокно» (г. Курск) и ОАО «Сибур-Волжский»
(г. Волжский) выпускают не только волокна, но и кордные ткани на их
основе, при этом около 70 % выпускаемой ими ПА текстильной продукции идет на экспорт [17]. Российское производство ПЭФ волокнистых материалов налажено на предприятиях АО «РБ групп «Владимирский полиэфир»» (г. Владимир), ООО «Селена-Химволокно» (Республика Карачаево-Черкессия) и ОАО «Комитекс» (г. Сыктывкар), занимающихся переработкой отходов из полиэтилентерефталата (ПЭТФ)
в штапельное волокно [21].
В общей стоимости продукции российской химической промышленности доля синтетических волокон составляет около 4 % при объеме импорта 60 %. Потребительский спрос на синтетические волокна
в России превысил их производство на рынке на 6 %, что на 67 % выше
объемов собственного производства [22]. Выпускаемые в России синтетические текстильные волокна и материалы на их основе по уровню
10
основных физико-химических и физико-механических показателей соответствуют зарубежным аналогам, однако уступают им по дефектности, равномерности и стабильности показателей [23]. Таким образом,
на сегодняшний день российское текстильное производство зависимо
от импорта синтетических волокон, доля которого постепенно сокращается [24].
В проекте стратегии развития легкой промышленности в Российской Федерации на период до 2025 г. отмечено, что доля потребления
синтетических волокон возрастет с 45 до 65–70 % [25]. При этом ассортимент используемых и производимых в промышленных масштабах
синтетических волокон недостаточно широк. Основной объем мирового выпуска ПЭФ волокон направлен на производство текстурированных полиэфирных нитей для тканей и трикотажа бытового назначения,
а также тканей для оформления помещений и салонов автомобилей.
ПЭФ нити на основе тетраметилентерефталата обладают повышенной
эластичностью и применяются в производстве изделий чулочно-носочного ассортимента. ПЭФ технический текстиль используется при изготовлении шинных кордов, резинотехнических изделий (РТИ), фильтрующих и электроизоляционных материалов [26, 27]. Благодаря низкой
гигроскопичности, материалы на основе ПП волокон массово применяются в производстве одноразовых нетканых материалов медицинского
назначения. ПП нетканые материалы, производимые методами прямого
аэродинамического формования, используются в качестве фильтрующих, геотекстильных и укрывающих материалов сельскохозяйственного назначения [28, 29]. ПЭ нити и волокна используют для армирования композиционных материалов, в производстве жгутов и текстильных лент повышенной прочности [30, 31]. ПА волокна применяются
преимущественно для производства чулочно-носочных изделий, текстильных материалов специального назначения, технических нитей,
кордных тканей, высокопрочных лент, канатов, текстурированного
коврового жгутика [32].
Указанные волокна и нити общего назначения, высокопрочные
нити, а также нетканые и трикотажные материалы относятся к наиболее
распространенным видам продукции. Среди многотоннажных видов
синтетических волокнистых материалов в мировом объеме производства лидируют ПЭФ, ПП и ПА волокна. К средне- и малотоннажным
можно отнести производства эластомерных волокон, сверхпрочных
высокомодульных нитей, термостойких и трудногорючих волокнистых
материалов, а также функциональных текстильных материалов со
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]