Синтетические волокна

Химические волокна

Химические волокна подразделяются на искусственные и синтетические. В свою очередь химические волокна подразделяются на искусственные и синтетические.

Искусственные волокна получают путем модификации природных высокомолекулярных соединений, (целлюлоза). К тканям из искусственных волокон относятся: ацетат, вискоза, штапель, модаль. Эти ткани прекрасно пропускают воздух и приятны на ощупь. Сегодня все эти ткани способны заменять натуральные.

Синтетические волокна получают путем синтеза из природных низкомолекулярных соединений (фенола, этилена, ацетилена, метана и др.) в результате реакции полимеризации или поликонденсации в основном из продуктов переработки нефти, каменного угля и природные газов.

Важнейшими группами синтетических волокон являются полиамиды, полиэфиры, полиакрилы, полипропены и хлористые волокна.

Общими свойствами для синтетических волокон являются легкость, прочность, износостойкость. Синтетические волокна очень мало впитывают влаги или вообще не впитывают, отчего изделия из них легко стираются и быстро сохнут. Из-за плохой способности впитывать влагу, они не настолько удобны на теле, как натуральные волокна.

Самыми распространенными среди синтетических волокон являются: акрил, нейлон, полиэстер, эластан, полипропилен, хлористые волокна.

Одними из первых синтетических волокон были созданы нейлон, анид и капрон. Вещества, образующие эти волокна, по своему строению до некоторой степени сходны с белковыми веществами шелка. Молекулы всех волоком имеют линейное строение и состоят из повторяющихся звеньев. Если в молекулах целлюлозы такими звеньями являются остатки молекул глюкозы, то в молекулах белка натурального шелка и шерсти повторяющимися звеньями являются остатки аминокислот.

Группы атомов –CO–NH–, соединяющие остатки аминокислот в таких молекулах, называются амидными группами, а связи между атомами углерода и азота в них — амидными связями.

В молекулах, образующих волокна нейлона и капрона, также имеются амидные связи между повторяющимися группами атомов, но эти повторяющиеся группы атомов, звенья, отличаются от тех, которые образуют молекулу природного белка.

Нейлон синтезируют реакцией поликонденсации двух органических веществ: адипиновой кислоты HOOC–(CH₂)₄–COOH и

гексаметилендиамина H₂N–(CH₂)₆–NH₂.

При нагревании адипиновой кислоты и гексаметилендиамина образуется вязкая смола, которую продавливают через тонкие отверстия - фильеры. Охлаждаемая воздухом струя затвердевает, образуя волокно.

Капрон. Длинные цепочки молекул другого синтетического волокна — капрона, являющегося изобретением советских ученых, — построены из повторяющихся звеньев-остатков аминокапроновой кислоты

NH₂–(CH₂)₅–COOH.

Технический способ получения волокон капрона сходен со способом получения нейлона. Из капрона можно получать настолько тонкие волокна, что нить длиной 9 км будет весить всего лишь 6 г.

Рис.50. Изделия из волокон капрона.

Волокна нейлона (анида) и капрона обладают прочностью, значительно превосходящей прочность природных и других искусственных волокон. Изделия из них имеют много и других замечательных свойств. Они не гниют, не поедаются молью. После стирки они быстро сохнут и легко принимают прежний вид. Эти изделия не гигроскопичны и не снижают своей прочности от влаги, как это наблюдается у других искусственных волокон, даже у натурального шелка.

Исследования ученых привели к созданию ряда новых волокон.

Хлорин. К хлорину ученые подошли в поисках волокна высокой химической стойкости (рассмотренные выше полиамидные волокна неустойчивы по отношению к кислотам). Среди химически стойких полимеров был известен поливинилхлорид (полихлорвинил). Однако получить волокно из него оказалось делом сложным. Ведь чтобы достичь расположения молекул в определенном направлении, а без этого нет волокна, необходимо полимер расплавить, т. е. дать возможность молекулам его свободно перемещаться, чтобы затем в процессе формирования перестроить их расположение и закрепить в нужном порядке. Между тем, поливинилхлорид нельзя расплавлять, т.к. при нагревании он разлагается. Трудно найти и подходящий растворитель подобно тому, как при получении искусственных волокон растворимость целлюлозы достигается за счет ее химической обработки. Удалось сделать растворимым и поливинилхлорид в результате его дополнительного хлорирования.

Высокомолекулярный продукт хлорирования образуется в виде смолы, называемой также хлорином. Хлорин растворяют в ацетоне, раствор пропускают через фильеру в ванну с водой. Ацетон при этом растворяется, и хлорин выделяется в виде тонких волокон. Хлориновое волокно негорюче, на него не действуют ни кислоты, ни щелочи, некоторое время не действует даже "царская водка", оказывающая особенно сильное окислительное действие. Из хлоринового волокна готовят фильтровальные ткани и прокладочный материал для химических аппаратов, спецодежду для рабочих химической промышленности, ковры, лечебное белье и т. д.

Тефлон. В списках химически стойких волокон ученые обратились и к полимеру тефлону (–CF₂–CF₂–)_n, высшему эталону химической инертности вещества, превосходящему в этом отношении такие благородные металлы, как золото или платина. Здесь трудности казались долгое время непреодолимыми: тефлон не удавалось растворить ни в одном из известных растворителей, нельзя его и расплавить или даже перевести в размягченное состояние без разложения. Однако использование некоторых приемов позволило в последнее время и из тефлона получить волокна.

Нитрон и лавсан. Исходным веществом для получения этих волокон служит нитрил акриловой кислоты — акрилонитрил

СН₂= СН

l

СN

Полимер растворяют в соответствующем растворителе и формируют волокно по мокрому способу, который применяется для получения вискозного волокна.

Рис.51. Нити из волокна нитрон

Волокно нитрон по внешнему виду похоже на шерсть, оно очень хорошо растворяет теплоту, достаточно прочно и превосходит другие волокна по светостойкости.

Волокно лавсан добавляют к шерсти для изготовления не мнущихся высококачественных тканей и трикотажа.

Из этого волокна готовят ткани для костюмов и пальто, искусственный мех, трикотажные изделия.

Рис.52. Нити из лавсана.

Рис.53. Полипропиленовое волокно.

Рис.54. Картридж для очистки воды сделан из специально разработанного

нетоксичного полипропиленового волокна.

В начале 70-х за рубежом появились поражающие воображение своей прочностью волокна кевлар (США), несколько позже - тварон (Нидерланды), технора (Япония) и другие, изготовленные на основе поли-п-фенилентерефталамида и других аналогичных полимеров ароматического ряда, получивших собирательное название арамидов. На основе таких волокон были созданы различные композиционные материалы, которые стали успешно применять для изготовления ответственных деталей самолетов и ракет, а также шинного корда, бронежилетов, огнезащитной одежды, канатов, приводных ремней, транспортерных лент и множества других изделий.

Эти волокна широко рекламировались в мировой печати. Однако только узкому кругу специалистов известно, что в те же годы российские химики и технологи самостоятельно создали арамидное волокно терлон, не уступающее по своим свойствам зарубежным аналогам. А потом были разработаны методы получения волокон СВМ и армос, прочность которых превышает прочность кевлара в полтора раза, а удельная прочность (то есть прочность, отнесенная к единице веса) превосходит прочность высоколегированной стали в 10-13 раз! И если прочность стали на разрыв составляет 160-220 кг/мм², то сейчас активно ведутся работы по созданию полимерного волокна с прочностью до 600 кг/мм².

Другой класс полимеров, пригодных для получения высокопрочных волокон - жидкокристаллические ароматические полиэфиры, то есть полимеры, обладающие свойствами кристаллов в жидком состоянии. Волокнам на их основе свойственны не только достоинства арамидных волокон, но еще и высокая радиационная стойкость, а также устойчивость к воздействию неорганических кислот и различных органических растворителей. Это идеальный материал для армирования резины и создания высоконаполненных композитов; на его основе созданы образцы световодов, качество которых соответствует высшему мировому уровню. А ближайшая задача - создание так называемых молекулярных композитов, то есть композиционных материалов, в которых армирующими компонентами служат сами молекулы жидкокристаллических полимеров.

Рис.55. Полиэфирные волокна и нити.

Молекулы обычных полимеров содержат, помимо углерода, еще и атомы других элементов - водорода, кислорода, азота. Но сейчас разработаны методы получения волокон, представляющих собой, по сути дела, чистый полимерный углерод. Такие волокна обладают рекордной прочностью (свыше 700 кг/мм²) и жесткостью, а также чрезвычайно малыми коэффициентами термического расширения, высокой стойкостью к износу и коррозии, к воздействию высоких температур и радиации. Это позволяет успешно использовать их для изготовления композиционных материалов - углепластиков, применяемых в самых ответственных конструкционных узлах скоростных самолетов, ракет и космических аппаратов.

Рис.56. Фулереновые нанотрубки – основа углеродных волокон

Применение углепластика оказывается экономически весьма выгодным. На единицу веса изготовленного из него изделия нужно затратить в 3 раза меньше энергии, чем на изделие из стали, и в 20 раз меньше, чем из титана. Тонна углепластика может заменить 10-20 тонн высоколегированной стали. Турбина насоса, изготовленная из углепластика пригодна даже для перекачки минеральных кислот при температурах до 150^оС, оказывается вдвое дешевле и служит в шесть раз дольше. Уменьшается и трудоемкость изготовления деталей сложной конфигурации.

Рис.57. Легкие и очень прочные автомобильные диски из углепластика.

Многие свойства углекомпозитов можно изменять в широчайших пределах. Например, созданы материалы с коэффициентом трения, составляющим всего 0,06, - их можно использовать в подшипниках скольжения. Однако есть и материалы с коэффициентом трения до 0,7, а это значит, что из них можно делать тормозные колодки, не содержащие асбеста.

Еще одно замечательное свойство материалов на основе углеродных волокон - их способность хорошо проводить электричество и тепло. Это позволяет делать на их основе сухие безынерционные электронагреватели в виде либо жестких пластин, либо мягких тканей. Они совершенно безопасны в пожарном отношении, так как тепловой поток равномерно распределяется по большой поверхности, и их можно использовать для обогревания помещений или сидений автомобилей и тракторов. Электропроводность углеродных волокон позволяет бороться и с доставляющим немало хлопот статическим электричеством (кстати, далеко не безвредным для здоровья человека): достаточно ввести в материал (ткань, бумагу) всего 0,02 - 1% углеродного волокна, чтобы электрические заряды полностью «стекали» с этого материала, как после обработки антистатиком.

Углеродные материалы имеют и медицинские области применения: живой организм их не отторгает. Поэтому если скрепить сломанную кость штифтом на основе углепластика, а поврежденное сухожилие заменить легкой и прочной углеродной лентой, то организм не воспримет этот материал как чужеродный. А углеродные материалы, обладающие высокой адсорбционной активностью, с успехом применяют в виде повязок, тампонов и дренажей при лечении открытых ран и ожогов - в том числе и химических. Сорбционные свойства специально приготовленного углеродного волокна в 2.5 раза превосходят сорбционные свойства активированного угля.

Дата добавления: 2017-01-13