Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Современные функциональные синтетические волокнистые материалы. Монография
.pdf
31
для получения супергидрофобных волокнистых материалов из тефлона, полимерных волокон с высокой электропроводимостью, а также
биосовместимых волокнистых материалов медицинского назначения.
Волокнистые материалы, полученные методом магнитоспининга, используются для интенсификации процессов адсорбции аэрозольных наночастиц в фильтрующих материалах [216].
Текстильные материалы из ультратонких синтетических волокон, полученные методами безфильерного волокнообразования, также
возможно модифицировать и функционализировать химическими
и электрофизическими методами для регулирования их функциональных свойств в конкретной области применения.
Для изготовления функциональных текстильных материалов распространение получили профилированные химические волокна [105].
В работе [217] для создания трикотажного полотна ячеистой структуры
использованы полиэфирные профилированные волокна четырехлепесткового сечения, используемые в производстве термобелья с функцией повышенного влагоотведения. Авторами [218] установлено, что
при использовании полиэфирного или полипропиленового волокна
трехлучевого профиля увеличивается их гигроскопичность, а также за
счет увеличения силы трения между волокнами увеличивается формоустойчивость изделий после многократных стирок.
В работах [219, 220] предложены полиамидные элементарные
профилированные нити с непостоянной формой поперечного сечения,
что позволяет получать трикотажные материалы, не выделяющие частицы пыли в процессе носки и обладающие высокими гигиеническими
характеристиками. Материал предложено применять в изготовлении
изделий для космонавтов.
Авторами [221] профилирование ПА и ПП волокон достигнуто
путем многократной деформации изгиба волокон и их последующего
вытягивания. В результате на поверхности волокон формируются выступающие на 1–5 мкм элементы поперечного рельефа, достигается получение извитых волокон для изготовления объемной пряжи. Данные
материалы обладают высокой теплоизолирующей способностью и капиллярностью, а также мягким грифом, что приближает их свойства
к натуральной шерсти.
Еще одним направлением получения морфологически и химически функциональных текстильных волокон являются технологии создания пористых и бикомпонентных волокон. Актуальность получения
высокопористых волокон обусловлена их низкой плотностью,
32
повышенными сорбционными и теплоизолирующими свойствами.
В работе [222] представлена технология получения пористых полиолефиновых волокон, основанная на распределении в матричном полимере диспергированного наполнителя, а именно микрокристаллического полиолефинового воска, который формирует наноразмерные вакансии в структуре волокна, при охлаждении волокна воск отделяется
и коалесцирует. В процессе вытяжки происходит образование пор по
всему объему волокна. В работе [223] для получения пористых полиолефиновых волокон используется тот же принцип, но в качестве добавки к матричному полимеру применяют реакционноспособный полиэпоксид, обеспечивающий протекание нуклеофильной реакции, в результате которой молекулярный вес добавки увеличивается. При вытягивании волокна в месте включения наполнителя происходит образование микро- и нанопор, ориентированных в направлении, перпендикулярном направлению вытягивания.
Для получения волокнистых материалов с регулируемыми химическими и физическими свойствами используют бикомпонентные полимерные волокна. Бикомпонентные волокна могут быть сегментной
и матрично-фибриллярной структуры. В работе [224] для производства
составного наполнителя для фильтра используют бикомпонентные волокна, содержащие полиамид и полиэтилентерефталат, характеризующиеся разной температурой плавления. Соединения слоев волокнистого фильтра происходит при плавлении одного из полимеров волокна. Авторами [225] получено сверхтонкое термоусадочное бикомпонентное волокно, содержащее сложный полиэфир и олефиновый полимер. Данное волокно может применяться для изготовления многослойных нетканых материалов гигиенического назначения с термоклеевым скреплением слоев.
В работе [226] описана технология получения бикомпонентных
волокон типа «острова в море» на основе полиэтилентерефталата и полиэфира. Включение сополимера сложного полиэфира, имеющего ионный характер, позволяет получать текстильные материалы типа замши
с повышенной насыщенностью цвета. В способе [227] описана технология получения бикомпонентного волокна типа «ядро – оболочка», обладающего антистатическими свойствами. Данные волокна получают
путем одновременного экструдирования ядра из полиэтилена с диспергированными электропроводящими углеродными частицами и оболочки из полиамида или полиэфира.
33
Бикомпонентные волокна обладают рядом преимуществ, которые заключаются в возможности реализации нескольких функциональных свойств за счет сочетания разных видов полимеров в одном волокне. Бикомпонентные волокна существенно отличаются по свойствам от волокон, вырабатываемых из каждого волокнообразующего
полимера в отдельности. К особенностям строения бикомпонентных
волокон можно отнести наличие межфазной микроструктуры, которая
формируется в процессе адгезионного взаимодействия полимеров.
Наличие поверхности раздела между несколькими видами полимеров
обуславливает проявление бикомпонентными волокнами специфических свойств, например способности при нагреве образовывать извитые нити, что обусловлено различием усадочных свойств компонентов
[228, 229].
Технологии получения бикомпонентных и пористых волокон достаточно сложны в техническом исполнении, требуют проработки регламентов комбинирования компонентов при волокнообразовании и на
данный момент не обладают абсолютной универсальностью в части
применяемых полимеров.
Для получения как однослойных, так и многослойных текстильных материалов с перфорированными элементами сложных геометрических форм используют лазерные технологии [230, 231]. Варьируя
мощность лазера возможно перфорирование материалов толщиной до
10 мм. Применение метода ограничено использованием синтетических
текстильных материалов, содержащих только полиэфирные и полиамидные волокна. Применение лазерных технологий позволяет получать текстильные материалы с отверстиями варьируемой величины
и геометрической формы. Данные материалы нашли свое применение
для изделий, где необходимо обеспечить определенное воздухораспределение, например, для текстильных воздуховодов и диффузоров [232].
Современные технологии получения многослойных материалов
используются для получения нетканых материалов медицинского
назначения с низкой бактериологической проницаемостью. В работах [233–238] описаны способы получения многослойных полотен, основанные на последовательном расположении в технологической линии нескольких экструдеров, формирующих непрерывные слои различной структуры, при этом формирование холста происходит естественным путем за счет склеивания не отвержденных волокон, что исключает необходимость стадии их дополнительного скрепления, поэтому
34
данный метод отличается низкой стоимостью и высокой производительностью.
Авторами [238] для получения абсорбирующих изделий используются комбинированные материалы, содержащие нетканый
материал, получаемый фильерно-раздувным методом, и многослойную эластомерную пленку, связующий слой которой неадгезивно соединяют с нетканым полотном путем экструзионного нанесения.
В работах [239–241] применяют совмещение технологий экструзии
с аэродинамическим раздувом расплава и электроформования. При
этом на первой стадии фильерно-раздувным методом формируют несущий волокнистый каркас, а затем методом электроформования получают полимерные волокна диаметром 50–500 нм, которые осаждаются
на каркасный слой и выполняют антибактериальную барьерную функцию. В работах [242–244] используется метод соединения слоев нетканых материалов ультразвуком, который обеспечивает формирование
многослойных полотен с регулярными порами и смежными пустотами
по всей структуре материала.
Многослойные нетканые материалы применяются в различных
системах фильтрации, для получения гигиенических изделий с высокой
сорбционной способностью, а также изделий медицинского назначения
с низкой бактериалогической проницаемостью. Однако не всегда многослойная структура сама по себе обеспечивает все необходимые функциональные свойства, поэтому данные материалы нуждаются в дополнительной модификации, например, пропиткой различными ПАВ и антибактериальными препаратами [245].
В работах [246–248] рассмотрены особенности многослойных
трикотажных полотен. В таких многослойных трехмерных материалах
каждый слой образуется из отдельной нити, поэтому его петельная
структура относительно обособлена от других слоев. Это позволяет получать текстильные материалы с регулируемыми в широком диапазоне
физико-механическими и гигиеническими свойствами. Авторами [249]
описан способ получения трикотажных материалов, состоящих из нескольких слоев, соединенных элементами петельной структуры. Данные полотна отличаются повышенной упругостью, хорошей проницаемостью и устойчивостью к истиранию.
Многослойные трикотажные полотна используются для изготовления термобелья и одежды повышенной комфортности, обеспечивающей улучшенную терморегуляцию тела человека [250]. Внутренние
слои материала «ячеистой» структуры выполняют функцию
35
влагоотведения, а внешний слой обеспечивает распределение выделенной влаги по поверхности материала и ее быстрое испарение. Многослойная структура создает теплоизоляционную воздушную прослойку,
а также обеспечивает транспорт влаги [251].
Перспективным современным направлением в производстве
функционального текстиля являются текстильные материалы с мембранным покрытием. Данные материалы представляют собой тканые
или трикотажные полотна из ПЭФ, ПА и ПП волокон, покрытые полиуретановыми и полиэфируретановыми непористыми и микропористыми системами [252–254]. По строению мембранного слоя они подразделяются на материалы с пористыми гидрофобными и непористыми
гидрофильными мембранными покрытиями. Состав и строение текстильной основы, а также вид мембранного покрытия зависит от области применения и требуемых свойств конечного материала. В качестве
текстильной основы для получения материалов с повышенной прочностью используются тканые полотна, а для более эластичных – нетканые
и трикотажные. Авторами [255] получен мембранный текстильный материал на основе ПА трикотажного полотна с гидрофильным ПУ покрытием на гидрофобной мембране из ПТФЭ. Для производства мембранных текстильных материалов с теплоотражающими свойствами
в качестве мембранного покрытия используется вспененный ПТФЭ,
металлизированный алюминием [256].
Технологии нанесения мембран из вспененного полимера на текстильную основу рассмотрены в работах [257–259]. Использование в качестве мембранных покрытий сочетания вспененных и монолитных полимеров позволяет получать материалы с повышенной паропроницаемостью [260, 261], а механические свойства мембранного покрытия могут
быть улучшены добавлением сшивающих агентов [262]. Нанесение мембранных пленок на текстильную основу с переводной подложки описано
в работах [263–265]. Данный метод применим для нанесения мембран, со-
держащих минеральные частицы, например металлические пудры, для
придания теплоотражающих свойств [266–268].
Современные мембранные материалы характеризуются комплексом высоких эксплуатационных и функциональных характеристик,
а именно защищают человека от внешних атмосферных воздействий,
замедляют потерю тепла, являются воздухо- и паропроницаемыми,
а также обладают долговечностью, устойчивостью к механическим
нагрузкам и морозостойкостью в динамических условиях [269–271].
В волокнистых материалах с непористыми мембранными покрытиями
36
полимерный мембранный слой обеспечивает паропроницаемость за
счет набухания в воде, а скорости сорбционных и диффузионных процессов пропорциональны гидрофильности используемого полимера
[272, 273]. Непористые мембранные покрытия в составе текстильных
материалов характеризуются высокой стойкостью к химикатам и растворителям, высокой прочностью, устойчивостью к изгибу и водоупорностью [274]. Повысить воздухо- и паропроницаемость данных материалов возможно путем модификации текстильной основы и мембранного покрытия [275].
Одним из перспективных видов технического текстиля на основе
синтетических волокон являются текстильные материалы конструкционного назначения для армирования композиционных материалов (КМ). Для этих целей применяют многофиламентные СВМПЭ, ПА
и ПЭФ волокна и нити, а также тканые, трикотажные и нетканые материалы на их основе. В данной области актуальны многослойные трехмерные пространственно-армирующие волокнистые структуры [276].
В работе [277] представлены технологии изготовления объемно-армирующих преформ для 3D-ткачества. Многослойные слоисто-каркасные
ткани образуют поочередным переплетением основных нитей с последовательно расположенными нижними и верхними уточными нитями,
а участки основных нитей, проходящие через структуру ткани, соединяют оба слоя. Технологии 3D-ткачества активно используются для
производства армирующих структур для волокнистых композиционных материалов, так как позволяют получать изделия с высокой механической устойчивостью к динамическим нагрузкам и сдвиговым деформациям. При этом наилучшими механическими свойствами обладают 3D-материалы, полученные совмещением технологий ткачества,
плетения и изготовления нетканых материалов [278]. Трехмерные слоисто-каркасные ткани и трикотажные полотна чаще всего используются в качестве армирующего наполнителя для композитов, работающих в условиях воздействия высокоскоростных аэродинамических потоков, вибрации и взрывных волн [279–281]. Применение текстильных
материалов, изготовленных с помощью технологий мультиаксиального
ткачества, позволяет получать волокнистые композиционные материалы с изотропностью механических характеристик, а модификация поверхности высокомодульных волокон с целью улучшения их адгезионных свойств приводит к увеличению прочности КМ и стабильности
эксплуатационных свойств.
37
Относительно новым и динамично развивающимся направлением в текстильной и легкой промышленности является производство
материалов методами 3D-печати [282]. Применение аддитивных технологий обусловлено потребностью в производстве изделий, имеющих
геометрически сложные неразворачиваемые формы и комбинированные многослойные структуры пакета материалов [283]. Гибкие текстильные структуры создаются с использованием таких методов аддитивного производства, как послойное наплавление (FDM) и селективное лазерное спекание (SLS) [284]. В качестве материалов для создания
3D-текстиля используют ПА и термоэластопластичные полимеры, которые могут содержать различные модификаторы [285–288]. Структура
текстильных материалов, получаемых методами 3D-печати, значительно варьируется от вида используемого сырья и условий переплетения. 3D-технологии используют для создания уникальных элементов
одежды и обуви, которые в настоящий момент уже производятся в промышленных масштабах под крупными торговыми марками, такими как
Adidas, Nike и др. [282, 289, 290]. Применение в конструкциях изделий
легкой промышленности дискретных элементов, полученных методами 3D-печати, позволяет изменять свойства оболочки изделия в каждой зоне в зависимости от расположения и структуры данных элементов. Однако для увеличения ассортимента промышленно выпускаемых
3D-текстильных материалов необходима разработка общих методов
моделирования трехмерных текстильных структур, с помощью которых можно было бы прогнозировать свойства получаемых материалов
[291–293].
В контексте пространственно армирующих текстильных материалов конструкционного назначения особое внимание уделяется методам повышения адгезии между сверхпрочными высокомодульными
синтетическими волокнами и полимерными связующими.
Представленный обзор перспективных методов формирования
волокон и материалов текстильной и легкой промышленности демонстрирует заинтересованность отрасли в применении ультратонких, высокопористых и профилированных волокон. К перспективным технологиям получения многослойных материалов относят методы электроформования, магнитоспининга и фильерно-раздувную технологию для
производства нетканых полотен, а для тканых и трикотажных материалов используются технологии 3D-ткачества, получения многослойных
структур путем переплетения систем нитей, перфорирование и нанесение функциональных покрытий, также интерес для текстильной
промышленности представляют аддитивные технологии. Данные подходы обеспечивают получение высокотехнологичных текстильных материалов на основе экономически доступных многотоннажных видов
волокнообразующих полимеров с уникальным набором свойств.
Большинство разрабатываемых на сегодняшний день методов
формирования функциональных волокон и материалов текстильной
и легкой промышленности являются наукоемкими и высокотехнологичными. Создание функциональных текстильных материалов с новым
уровнем структурной организации является ключевым трендом в идеологии «умного текстиля». Однако передовые методы волокно- и холстообразования не исчерпывают потенциал технологий функционализации текстиля на основе синтетических волокон. Кроме того, данные
материалы благодаря своей высокой удельной поверхности способны
в большей степени продемонстрировать возможности методов физикохимической и электрофизической модификации.
38
6 . МЕТОДЫ ХИМИЧЕСКОЙ МОДИФИКАЦИИ
ПОВЕРХНОСТИ СИНТЕТИЧЕСКИХ
ВОЛОКНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ
Процессы химической модификации и функционализации волокнистых материалов представляют собой сложный комплекс химических и физико-химических взаимодействий, приводящих к изменению
химического строения волокнообразующих полимеров и структуры волокон. В большинстве случаев химическая модификация происходит за
счет массопереноса низкомолекулярных веществ из фазы модифицирующего препарата в фазу волокнообразующего полимера, при этом перераспределение компонентов между фазами происходит в процессе
химического взаимодействия модификатора с активными группами полимера [294].
Одним из способов придания новых свойств волокнистым материалам является химическая прививка к их поверхности целевых веществ
с целью придания текстильным материалам огнестойкости, антибактериальных, антистатических, водо- и грязеотталкивающих свойств. В качестве прививаемых веществ используются предельные и непредельные мономеры, обладающие специфическими свойствами, а также природные
полимеры с антибактериальной активностью [295–300]. Достоинством
данного метода является высокая прочность связывания функциональной добавки с волокном, что проявляется в хорошей устойчивости
к мокрым обработкам.
Для повышения огнестойкости синтетических текстильных материалов к поверхности волокон осуществляют прививку фосфорсодержащих мономеров. В работах [301, 302] для модификации полиамидных и полиэфирных волокон используют радикальную привитую полимеризацию фосфорборсодержащего метакрилата в присутствии инициатора. Авторами [303] для придания огнестойкости синтетическим волокнистым материалам используется обработка химическими композициями, содержащими борат метилфосфита в сочетании с триэтаноламином и раствором карбоксиметилцеллюлозы. Данный метод, кроме
придания огнестойкости, приводит к повышению прочности волокон
и стойкости к окислительной деструкции.
Однако для осуществления химической прививки синтетический
материал чаще всего необходимо подвергать предварительной физической или химической активации, в результате которой на поверхности
39
40
волокон образуются реакционноспособные группы, а также использовать дополнительные химические реагенты в качестве инициаторов
прививки [304]. Так, авторами [305] антисептическая обработка синтетических волокнистых материалов может проводиться методом радиационной прививочной полимеризации винилкарбоновой кислоты и иммобилизации в качестве противоиона алкилбензилдиметиламмониевого катиона.
Для повышения прочности синтетических волокон, используемых для армирования композиционных материалов, а также для улучшения их адгезионных свойств, в работе [306] применили химическую
прививку бифункциональных соединений на основе олигомеров и растворителей. При этом природа растворителя оказывает существенное
влияние на конформацию молекул олигомера, что, в свою очередь,
определяет структуру образованного модифицированного поверхностного слоя. В качестве пропиточных систем используются препараты
с различным уровнем pH, для интенсификации процессов химической
модификации рекомендовано применение радиационной обработки
текстильной основы.
Методы поверхностной химической прививки целевых низкомолекулярных модификаторов отличаются сложностью технологических
процессов и связаны с необходимостью использования в качестве инициаторов прививки дополнительных химических реагентов. Применение данных методов приводит к изменению химического строения
и структуры волокнообразующих полимеров, не всегда обеспечивая
комплексное улучшение свойств модифицируемых материалов. Кроме
того, для обеспечения высокой прочности связи низкомолекулярного
модификатора с волокнообразующим полимером необходимо применение дополнительных методов активации волокнистого субстрата для
образования на его поверхности реакционноспсобных групп.
Для придания новых свойств текстильным материалам могут применяться методы химической модификации волокнообразующих полимеров или методы химической отделки, в том числе аппретирования.
Для получения волокнообразующих полимеров с новыми свойствами используют сополимеры. В этом случае получают волокна, сформированные из макромолекул, не обладающих регулярной структурой,
которые чаще всего обладают меньшей прочностью, чем волокна из линейных полимеров, но имеют большую эластичность и низкую термоусадку [307]. Например, для волокон, полученных из сополимера линейного этилена и стереорегулярного пропилена (10–20 % мас.),
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]