Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Современные функциональные синтетические волокнистые материалы. Монография

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

08.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 12 / 132 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 > Следующая >>>

специфическими физическими, физико-химическими и химическими свойствами [33].

Таким образом, текстильные материалы из синтетических волокон на сегодняшний день составляют основной объем текстильных товаров и сохранят лидирующие позиции в ближайшие десятилетия по причине доступности сырья и малых издержек производства. Традиционный текстиль из синтетических волокон устойчиво востребован промышленностью, но, как правило, не содержит потенциала кардинального прироста потребительских и эксплуатационных свойств. На этом фоне сформировался тренд на функциональные и многофункциональные текстильные материалы. Наиболее интересными с экономической точки зрения являются решения на текстильной основе из синтетических волокон.

Технологии изготовления функциональных материалов основаны на модификации и функционализации текстильных материалов известного строения и свойств – начиная с регулирования физико-химических свойств поверхности, химического строения волокнообразующего полимера, степени кристалличности и вплоть до разработки принципиально новых материалов с регулируемой микротопографией волокон и полотен, нанесения функциональных покрытий, получения многослойных систем, содержащих функциональные наполнители [34–43].

2 . ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ

СИНТЕТИЧЕСКИЕ ВОЛОКНИСТЫЕ МАТЕРИАЛЫ

В настоящее время синтетические волокнистые материалы используются практически во всех отраслях мировой промышленности и сферах жизнедеятельности. Особое внимание уделяется производству функционального текстиля и материалов специального назначения, что связано с возрастающей потребностью общества в высокотехнологичных материалах, обладающих специфическими характеристиками и улучшенными эксплуатационными свойствами [44, 45].

Разработка функциональных текстильных материалов, применяемых в различных областях жизнедеятельности человека, является неотъемлемой частью развития концепции высокотехнологичного «умного» текстиля. На сегодняшний день мировыми лидерами в разработке «умного» текстиля являются Япония, Германия и США, где создаются научно-промышленные комплексы, такие как, например, Advanced Functional Fabrics of America (AFFOA), целью которых является разработка и внедрение инновационных текстильных материалов с применением нанотехнологий [46]. Планируемый рост сегмента рынка «умного» текстиля от всего мирового объема рынка текстильного производства, по прогнозам международных агентств IDS Mobile Device Trackers и IDS Worldwide Quarterly Wearable Tracker, составит от 1 до 10 % [46–49]. При этом наиболее привлекательными для создания «умных» текстильных материалов являются синтетические полимерные волокнистые основы со сложным составом и микрорельефом поверхности, развитой капиллярно-пористой структурой, повышенной эластичностью, пластичностью и трещиностойкостью [50–56].

Таким образом, в настоящее время к перспективным областям текстильной промышленности относят производство различных видов специального и технического текстиля, а также функциональных текстильных материалов для изделий специального назначения, предметов быта, одежды и обуви.

Динамично развивающимся направлением текстильной промышленности в России и в мире является производство технического текстиля. Доля технического текстиля от общего объема производимой в нашей стране текстильной продукции составляет 25–30 %, что соответствует средней доле данного сегмента рынка для развитых стран, тогда как доля технического текстиля в суммарном мировом объеме

текстильного производства составляет порядка 15 % [57, 58]. К техническому текстилю относят тканые, трикотажные и нетканые полотна, плетеные и крученые изделия, используемые в строительстве, медицине, в производстве защитных материалов, а также в других отраслях промышленности [59–61].

Среди специальных синтетических текстильных материалов на сегодняшний день особо востребованы нетканые материалы медицинского назначения. Мировой спрос на текстильные материалы медицинского назначения ежегодно возрастает, их торговый оборот превышает 1,5 млрд долл. в год [59, 62], при этом наиболее быстрорастущим спросом пользуются материалы для изготовления медицинской одежды, где наблюдается постепенный переход от одежды многократного использования к одноразовой одежде, доля которой в настоящее время достигла более 45 % [63–65]. Для производства одноразовых медицинской и хирургической одежды и белья, а также одноразовых средств индивидуальной защиты широкое применение получили нетканые материалы (НМ) на основе ПП, ПА и ПЭФ волокон [66, 67]. Особую актуальность для производства одноразовых медицинских изделий, где присутствует высокий риск инфицирования как пациента, так и медицинского персонала, получили многослойные нетканые материалы, обладающие низкой бактериологической проницаемостью, а также антибактериальной активностью [68–71]. Демонстрирует рост также рынок одежных материалов повышенной комфортности с антибактериальными свойствами [41, 72–74]. В настоящее время для производства одежды для спорта и активного отдыха, а также термобелья чаще всего используются трикотажные материалы на основе ПП и ПЭФ волокон, обладающих низкой теплопроводностью и хорошими теплоизоляционными свойствами.

Для российского рынка текстильных материалов с защитными свойствами характерен дефицит в области производства текстильных материалов, обладающих сорбционно-фильтрующими свойствами, используемых для производства специальной одежды и средств индивидуальной защиты от химических и аэрозольных загрязнений воздуха [75]. Механизм действия данных материалов чаще всего основывается на применении фильтрующих и сорбирующих наполнителей, а в качестве основ современных сорбционно-фильтрующих материалов могут быть использованы тканые, нетканые и трикотажные полотна, бумага, а также пористые материалы [76–78]. При этом для изготовления текстильных материалов, используемых в качестве

материала-основы, перспективно использование синтетических волокон, в том числе с ионообменными свойствами [79].

На сегодняшний день потенциал развития сорбционно-фильтрующих материалов на текстильной основе связан как с совершенствованием существующих технологий, так разработкой новых, предусматривающих создание многослойных материалов, способных не только блокировать проникновение токсичных веществ, но и одновременно их дегазировать [80]. Особый интерес представляет разработка защитных текстильных материалов, сочетающих такие свойства, как высокая фильтрующая и сорбционная способность, прочность, а также способность эффективного отведения испарений от поверхности тела для комфортной эксплуатации изделий на их основе [81].

Текстильные материалы конструкционного назначения для армирования композиционных материалов (КМ) являются одним из перспективных видов технического текстиля. В качестве армирующих текстильных материалов применяют многофиламентные сверхвысокомолекулярные полиэтиленовые (СВМПЭ), ПА и ПЭФ волокна и нити, а также тканые, трикотажные и нетканые материалы на их основе [7, 9]. Основной объем ПЭФ и ПА текстильной продукции конструкционного назначения используется в качестве армирующего компонента при изготовлении шинных кордов и резинотехнических изделий [26]. При производстве таких материалов предъявляются повышенные требования к механической прочности и адгезионной способности к матричным полимерам.

Еще одним направлением развития тематики функционального текстиля является получение электропроводящих волокон, которые применяются при создании токопроводящего сенсорного текстиля, эластичных текстильных элементов электронагревателей, спецодежды с антистатическими свойствами и радиоэкранирующих материалов [86–90]. В данной области предложены разнообразные решения, например, экранирующие ткани из ПА и полипарафенилентерефталамидных волокон [91], тепло- и электропроводящие текстильные материалы на основе электропроводящих покрытий на синтетических волокнах [92, 93], волокнистые поглотители электромагнитных волн из синтетических металлизированных волокон [94] и др. Использование синтетических текстильных полотен для получения электропроводящих материалов позволяет применять различные методы металлизации, и получать полупроводниковые материалы с повышенными физико-механическими характеристиками, стойкостью к агрессивным средам, что позволяет применять их для

изготовления защитной одежды, а также в качестве компонентов для многослойных и композиционных материалов с тепло-, электропроводящими и электроэкранирующими свойствами.

Направления создания функциональных текстильных материалов на сегодняшний день уже достаточно долго и активно развиваются, поэтому сформировалась потребность в их классификации. Классификацию функциональных текстильных материалов можно осуществлять по ряду критериев: по функциональному назначению, по отраслевой принадлежности, по химическому составу, по технологии создания, по принципам строения и функционирования, по источнику функциональных свойств. В настоящей монографии предложено разделить функциональные текстильные материалы на основе синтетических волокон по источнику функциональных свойств. В рамках выбранного критерия функциональные текстильные материалы можно классифицировать на следующие группы:

1) на основе функциональных волокнообразующих полимеров,

химически и физико-химически модифицированных волокон;

2) содержащие функциональные аппреты, пропитки и полимер-

ные связующие;

3) содержащие функциональные наполнители, внедренные в во-

локно, зафиксированные на поверхности волокон, в том числе с применением полимерных связующих;

4) с функциональными покрытиями, в том числе с пленочными

и многослойными;

5) на основе нетрадиционных методов формирования волокон

и полотен со сложной многослойной или трехмерной структурой.

К первой группе функциональных текстильных материалов можно отнести: волокнистые материалы с электретными свойствами, УФ- и атмосферостойкие текстильные материалы на основе волокон из фторсодержащих сополимеров, негорючие текстильные материалы из синтетических волокон с привитыми фосфорсодержащими мономерами, текстильные материалы из биоразлагаемых полимеров и др. [95, 96].

Технологии создания функциональных текстильных материалов второй группы успешно развиваются синхронно с технологиями химической отделки текстиля и отделочных препаратов. К этой группе можно отнести текстиль, обработанный антипиренами, биостойкими препаратами (фунгицидами, бактерицидами, инсектицидами), грязе-, масло-, водоотталкивающий текстиль, текстильные материалы, окрашенные термохромными, фотохромными, флуоресцирующими и другими красителями с обратной связью и др. [97–100].

На сегодняшний день особый интерес представляют функциональные материалы третьей группы – это текстильные материалы, содержащие функциональные наполнители, внедренные в волокно, зафиксированные на поверхности волокон, в том числе с применением полимерных связующих. Их, в свою очередь, можно разделить на материалы, функционализированные наночастицами и наполнителями микрометрового размера. По способу внедрения наполнителя можно выделить наполненные волокна и наполнители инклюдированные в структуру волокна за счет сродства или посредством полимерного связующего. По принципу действия можно выделить био-, фото-, хемо-, каталитически и сорбционно-активные наполнители и текстильные материалы. Более детально вопрос применения и варианты дисперсных наполнителей для функциональных текстильных материалов будет рассмотрен далее.

Текстильные материалы с функциональными покрытиями можно подразделить на материалы с пленочными покрытиями, например текстильные материалы с непористыми мембранами, металлизированные текстильные материалы, текстильные материалы, дублированные с металлизированными пленками и др. [101, 102].

Группа текстильных материалов на основе нетрадиционных методов формирования волокон и полотен со сложной многослойной или трехмерной структурой включает: нетканые материалы по технологиям спандбонд, мельтблаунд и их комбинации, на основе ультратонких волокон, полученных безфильерными методами [103, 104]; текстильные материалы на основе профилированных, рельефных, текстурированных, пористых и бикомпонентных волокон [105]; материалы конструкционного назначения на основе пространственного трехмерного ткачества [106]; гибридные материалы текстильной и легкой промышленности на основе аддитивных технологий [107].

Для комплексного улучшения свойств применяют комбинирование описанных принципов получения функциональных текстильных материалов. При разработке современных синтетических текстильных материалов особый интерес представляют ресурсосберегающие технологии, обеспечивающие придание специальных функциональных характеристик, не ухудшающие при этом комплекс эксплуатационных свойств текстиля, исключающие применение токсичных реагентов, с высокой масштабируемостью и интегрируемостью на существующих производствах.

3 . СИНТЕТИЧЕСКИЕ ВОЛОКНООБРАЗУЮЩИЕ

ПОЛИМЕРЫ ДЛЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ

МАТЕРИАЛОВ

Одним из путей создания функциональных текстильных материалов является регулирование и формирование требуемых свойств волокнообразующего полимера на этапе синтеза, последующей химической модификации и функционализации, а также в процессах волокнообразования.

Основной объем выпускаемых на данный момент синтетических волокон используется в производстве изделий текстильной промышленности. Производимые текстильные волокна должны обладать высоким отношением длины к диаметру (> 10000), максимальной устойчивостью к многократным и знакопеременным нагрузкам, минимальной пластической деформацией [108]. Реализация этих свойств обеспечивается использованием волокнообразующих полимеров, состоящих из гибких макромолекул линейной или слаборазветвленной структуры с высокой молекулярной массой и межмолекулярной когезией [109]. Поэтому, несмотря на нескольких тысяч синтезированных на данный момент полимеров, только немногие из них нашли свое применение для формования волокон, а ассортимент промышленно используемых волокнообразующих полимеров относительно невелик.

Для получения полиэтиленовых волокон используют преимущественно полиэтилен низкого давления, благодаря его дешевизне и ценным физико-механическим и диэлектрическим свойствам [110], а для производства полипропиленовых волокон применяют стереоспецифическую полимеризацию пропилена [111]. Среди большого количества получаемых полиамидов – алифатических, алициклических и ароматических, в промышленном масштабе главным образом производятся полиамидные волокна на основе поли-ε-капроамида и полигексаметиленадипинамида, что обусловлено относительной простотой процесса их получения, а также наличием экономичных методов многотоннажного синтеза полупродуктов для их производства [112, 113]. Полиэфирные волокна получают из полиэтилентерефталата, полигексагидрокси-лилентерефтала и на основе параоксибензойной кислоты, применение которых обеспечивает оптимальное сочетание химических и механических свойств в готовом волокне [114].

При этом в процессе синтеза волокнообразующих полимеров необходимо использование полупродуктов с хорошей степенью очистки, так как даже незначительное содержание примесей приводит к ухудшению свойств конечного полимера. Улучшение эксплуатационных характеристик получаемых волокон зависит также и от процессов прививки сополимеров и боковых заместителей к основной цепи полимера, стадий вытягивания и термофиксации при формовании волокон

[115, 116].

Увеличение прочности волокон наблюдается с уменьшением числа возможных конформаций макромолекул волокнообразующего полимера. С увеличением размеров боковых заместителей и повышением их полярности затрудняется вращение атомных групп вокруг валентных связей, что приводит к повышению жесткости макромолекул вследствие усиления их взаимодействий [117]. Роль боковых заместителей в обеспечении прочности волокон возрастает при их способности образовывать межмолекулярные связи [118]. При этом для повышения прочности необходимо соблюдение регулярности расположения макромолекул по сечению волокна для образования водородных связей, возникновения сильных межмолекулярных взаимодействий, ассоциации диполей и сил вандерваальсового притяжения. В данном случае для обеспечения необходимой прочности волокон увеличение сил меж- молекулярного взаимодействия позволяет снизить степень полимеризации волокнообразующего полимера [119].

Для ПЭФ сила межмолекулярных взаимодействий определяется числом эфирных групп, а способность к волокнообразованию зависит от полярности эфирных связей [120]. Высокая прочность ПА волокон объясняется образованием межмолекулярных водородных связей. В случае их отсутствия в полиакрилнитрильных и полиэтилентерефталатных волокнах, межмолекулярные силы возникают между полярными группами соседних макроцепей [121]. При получении волокнообразующих полимеров из диенов надмолекулярная структура определяется соотношением и регулярностью расположения в макромолекулах звеньев, присоединенных в положениях 1, 2 и 1, 4. Для ПП большое значение имеет расположение заместителей в основной цепи, а соотношение изотактической, синдиотактической и атактической фракций оказывает влияние на прочность получаемых волокон [122]. Кроме того, увеличению межмолекулярных взаимодействий также способствует длительная тепловая или пластификационная обработка волокон.

Сформированные синтетические волокна подвергают ориентационному вытягиванию и термообработке, в процессе которых происходит формирование надмолекулярной структуры полимера. Температура данных операций соответствует температуре максимальной скорости кристаллизации полимера, а продолжительность определяется скоростью релаксационных процессов [123].

При получении ПП волокон с небольшим относительным удлинением используют двухступенчатую вытяжку и обработку паром, которая обеспечивает высокую степень фиксации и не приводит к интенсивной деструкции волокна [124]. ПЭФ волокна в зависимости от температуры и степени вытяжки могут иметь как преимущественно аморфную, так и аморфно-кристаллическую структуру, при этом образование кристаллических структур происходит при 80–90 °С, а при температуре выше 100–120 °С процесс тепловой дезориентации начинает преобладать над процессом ориентации [125].

Большинство синтетических волокон имеет фибриллярную аморфно-кристаллическую структуру со степенью кристалличности 50–95 % и углом среднемолекулярной разориентации 10–25 град. [126]. Повышенная кристалличность волокнообразующих полимеров обуславливает их устойчивость к термоокислительной деструкции, так как диффузия кислорода воздуха в кристаллические области протекает с меньшей скоростью, чем в аморфные. Однако важную роль в формировании механических и термических свойств волокон имеет строение именно аморфных областей, а высокая степень кристалличности полимера приводит к снижению эластичности и затрудняет его окраску, поскольку реакционноспособные группы преимущественно находятся в неупорядоченных областях полимера [127].

На сегодняшний день ассортимент промышленно используемых волокнообразующих полимеров представлен в основном ПЭФ, ПА, ПП и ПЭ, что прежде всего обусловлено экономичностью многотоннажного синтеза полупродуктов, необходимых для их производства. Кроме того, данные волокнообразующие полимеры обладают необходимой степенью регулярности строения макромолекул, аморфно-кристаллической структурой, большой межмолекулярной когезией, что позволяет подвергать их процессам вытяжки и термофиксации и получать на их основе волокнистые материалы, устойчивые к многократным знакопеременным нагрузам и деформациям.

Для улучшения эксплуатационных характеристик волокон на основе многотоннажных полимеров применяют методы их модификации

как путем прививки сополимеров и боковых заместителей к цепи основного полимера, так и с помощью других методов, позволяющих модифицировать готовые синтетические волокна и текстильные материалы.

Создание новых волокнообразующих полимеров является чрезвычайно сложной задачей, требующей больших капиталовложений, при этом трудно предсказать, будет ли данный полимер служить перспективным волокнообразующим материалом, так как это зависит от многих факторов, таких как изменяющаяся потребность рынка, стоимость сырья и конкуренция с другими видами материалов [95]. Например, в опытном масштабе получены волокна из смесей разнообразных карбо- и гетероцепных полимеров, обладающих новыми свойствами [96], а появление на мировом рынке волокон из таких полимеров, как поливинилхлорид (ПВХ) и поливиниловый спирт (ПВС), представляет интерес для многих областей применения, но до сих пор ни один из данных видов волокон не смог в условиях жесткой конкуренции занять значительного места в мировом производстве [128]. Перспективные волокна из фторсодежащих сополимеров являются негорючими и обладают высокой стойкостью к УФ- и агрессивным средам, но используются исключительно для технических целей. ПВС волокна синтезируют из экономически доступного винилацетата, однако их использование ограничено растворимостью в воде. Для получения водонерастворимых волокон на основе ПВС требуется дополнительная обработка формальдегидом, что снижает экологичность технологии. Для ПВХ волокон характерна значительно меньшая упругость по сравнению с другими синтетическими волокнами, а также невысокая стойкость к действию светопогоды, низкая термическая стойкость и высокая электризуемость, что препятствует их применению для изготовления текстильных изделий широкого ассортимента [23, 129].

Многочисленные экономические и технические факторы производства свидетельствуют о том, что существующие на данном этапе многотоннажные волокнообразующие полимеры практически полностью удовлетворяют тем требованиям, которые предъявляются к ним потребителями. При этом основным направлением технического прогресса в производстве функциональных синтетических текстильных материалов является применение различных методов модификации, позволяющих получать текстильные материалы с новыми или улучшенными свойствами, обеспечивая расширение областей их применения и улучшение качества изделий, получаемых на их основе [130–134].

<<< < Предыдущая 12 / 132 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]