1. Основные виды синтетических органических волокон

ОРГАНИЧЕСКИЕ ВОЛОКНА

1. Основные виды синтетических органических волокон

2. Технология получения на примере арамидных волокон

3. Основные свойства

4. Применение

1. Создание синтетических органических волокон основано на использовании высоких жесткости и прочности вытянутых макромолекул полимеров, в которых цепочки молекул расположены параллельно оси волокна. Поскольку плотность полимерных волокон в два-три раза ниже плотности минеральных, удельные значения их прочности и жесткости во многих случаях выше. Существенный недостаток полимерных органических волокон - резкое уменьшение прочности и деформационной устойчивости с повышением температуры, низкие температуры стеклования и деструкции.

Таблица 1 - Основные виды органических волокон

Волокна

Полиолефиновые

- полиэтиленовые волокна

- полипропиленовые нити, штапельное и моноволокно

Фторволокна (фторлон): комплексные нити, штапельное и моноволокно

Полиэтилентерефталатные нити, жгуты и штапельное волокно (лавсан)

Волокна и нити на основе ароматических полиамидов

Полиимидные волокна

Комплексные нити фирмы «Дюпон»

Полиоксадиазольные волокна и нити

Волокна лестничного строения

Полиамидоимидные волокна

2. Технология получения. Большинство синтетических органических волокон вырабатывают прядением из расплава или раствора полимера, при котором нити образуются продавливанием полимера, находящегося в вязкотекучем состоянии, через тонкие отверстия с последующим затвердеванием вытекающих жидких струй.

Волокнообразующий полимер переводится в вязкотекучее состояние плавлением, растворением, пластификацией или в результате образования коллоидных систем, в которых полимер выступает как дисперсная фаза. В промышленности в основном используются методы формования волокон из расплава и раствора. Из дисперсий формуют только волокна политетрафторэтилена ввиду нерастворимости и неплавкости исходного полимера. Сформованные волокна затем подвергают термообработке, в процессе которой частицы политетрафторэтилена спекаются.

При формовании волокон из расплава вытекающие струи затвердевают в результате охлаждения их ниже температуры плавления полимера, при формовании волокон из раствора - в результате испарения растворителя (сухой способ) или замены его на осадитель, осуществляемой путем диффузии (мокрый способ). Сухо-мокрый способ формования волокон из раствора (формование с воздушной прослойкой), представляющий собой комбинацию двух предыдущих способов, применяется пока только в производстве термостойких волокон из жесткоцепных полимеров.

Метод формования волокон из расплава имеет ряд преимуществ: высокую скорость (обычно 800 - 1200 м/мин), безвредность, хорошие физико-механические свойства получаемых, волокон. Недостаток метода - невозможность применения фильер с большим числом отверстий (более 1000).

Формование новых термостойких волокон осуществляется в основном прядением из растворов полимеров в аллотропных полярных растворителях или в концентрированной серной кислоте сухим, мокрым или сухо-мокрым способом.

Арамидные волокна

Получение. Арамидные волокнообразующие полимеры, т. е. ароматические полиамиды, получают методом поликонденсации диаминов и галогенангидридов дикарбоновых кислот в растворе при низкой температуре. В принципе волокнообразующие полимеры получают быстрым добавлением хлорангидридов дикарбоновых кислот к холодному (5¸10 °С) раствору диамина при интенсивном перемешивании. Образующийся при этом полимер в виде крошки или геля затем измельчается, промывается и высушивается. Прядение осуществляется из растворов в сильных кислотах (в частности, при производстве кевлара используется концентрированная серная кислота) по «сухо-мокрому» способу.

При формовании волокон и нитей раствор очищенного полимера в сильной кислоте экструдируется через фильеру при повышенной температуре (51¸100 °С) и после прохождения воздушной прослойки (толщиной 5¸19 мм) попадает в осадительную ванну с холодной (0¸4 °С) водой (рисунок 1). Свойства волокна могут варьировать при изменении природы используемого растворителя, условий нитеобразования, а также при последующих термических обработках свежесформованных волокон. После тщательной промывки нити высушиваются на бобинах.

а - горизонтальная заправка; б - вертикальная схема; 1 - червяк; 2 - прядильная головка; 3 - фильера; 4 - элементарные волокна; 5 - газовая прослойка; 6 - нитепроводник; 7 - осадительная ванна; 8 - упрочнение формуемой нити; 9 - приемная бобина; 10 - корпус; 11 - прядильная трубка; 12 - тубус для оборотной ванны; 13 - насос; 14 - секция упрочнения формуемой нити; 15 - приемный бачок осадительной ванны

Рисунок 1 – Схема двух вариантов аппаратурного оформления «сухо-мокрого» формования нити.

Химическая структура

Волокно кевлар представляет собой поли-n-фенилентерефталамид, являющийся продуктом поликонденсации терефталоилхлорида и n-фенилендиамина:

Рисунок 2 - Химическая формула структура волокна кевлар

Кевлар - кристаллизующийся полимер. Волокна кевлар относятся к классу жесткоцепных высокоориентированных полимеров. Поперек осей макромолекул, совпадающих в основном с осью волокна, взаимодействие осуществляется посредством водородных связей. Различие в энергии продольных (ковалентных) и поперечных (межмолекулярных, водородных) связей обусловливает высокую анизотропию механических свойств - большую «продольную» и довольно низкую «поперечную» прочность волокна.

Ароматические кольца, придающие макромолекулам полиамида высокую жесткость, способствуют преимущественной ориентации макромолекул вдоль одной оси, в результате чего возникают структуры, напоминающие систему связанных длинных прутьев. То, что полимерные цепи в силу своей жесткости оказываются распрямленными, определяет плотную упаковку макромолекул в единице объема, что, в свою очередь, уменьшает дефектность и определяет высокую прочность волокон типа кевлар. Наличие ароматических колец в структуре макромолекулы обусловливает высокую химическую стабильность волокна. Кристаллическая природа полимера обеспечивает высокую термическую стабильность кевлара, что определяется жесткостью цепей, построенных из ароматических колец, связанных между собой амидными группами. Волокно кевлар не претерпевает при нагревании резких энтальпийных изменений вплоть до разложения при высокой температуре. Это придает волокну кевлар меньшую пластичность при относительно высоких температурах и существенно меньшую хрупкость.

Морфология волокон. Поверхность одиночного волокна состоит из множества глобулярных частиц и желобков, преимущественно ориентированных в продольном направлении. Возникновение этих желобков можно объяснить отслаиванием полимерного вещества с поверхности волокон (микрофибриллярная структура). Дефекты структуры наблюдаются не только на поверхности, но и внутри волокна.

Разрушение волокна кевлар-49 при растяжении происходит по межфибриллярному механизму с вырывом участков микрофибрилл. При поперечном сжатии волокна остаются в основном неповрежденными, за исключением участка сжатия волокна.

3. Свойства волокон Арамидные волокна обладают уникальными свойствами. Среди всех органических волокон она имеют самые высокие значения прочности и модуля упругости. Арамидные волокна устойчивы к пламени и высокотемпературным воздействиям, а также к органическим растворителям, нефтепродуктам и различным минеральным маслам. Они не столь хрупки как стеклянные волокна.

Промышленные волокна кевлар-29 и кевлар-49 непрозрачны. Нить линейной плотностью 13,6 текс имеет диаметр одиночного волокна 11,9 мкм. У волокна кевлар-49 коэффициент преломления варьирует от 2,0 до 1,6 в зависимости от того, измерялся ли он вдоль или поперек волокон.

Таблица – Свойства волокон кевлар

Свойства	Кевлар-29	Кевлар 49
Плотность, кг/м^3
Диаметр одиночного волокна линейной плотностью 0,17 текс, мкм	12,0	11,9		11,9
Равновесная влажность, %	3,9^1	6,0^2	4,6^1	3,5^2
Предел прочности при растяжении sВ, МПа.
Удлинение при разрыве, %	3,9		2,3	2,4
Начальный модуль упругости, ГПа	69,0	62,1	124,1
Максимальный модуль упругости, ГПа	96,5	—	127,9	—
Модуль упругости при изгибе, ГПа	53,1	—	105,5	—
Расчетный модуль упругости при осевом сжатии, ГПа	40,7	—	75,8	—
Динамический модуль упругости, ГПа	96,5	—	137,9	—
Доля прочности в петле от предела прочности при растяжении, %	—	—	—
Усталостные свойства (число циклов изгиба до разрушения N)	—	—	—	200^3
Ползучесть при нагружении до 90 % sв	—	—	—	0,0011^4
Коэффициент трения	—	—	—	0,46 (0,41)^5

¹ При 21 °С и влажности 65 %.

² При 22°С и влажности 55%.

³ Изгиб по шпильке диаметром 76,2 мкм при 368 МПа.

⁴ Первичная и вторичная ползучесть.

⁵ Нить по нити, (нить по металлу).

Свойства других органических волокон. Механические свойства Наибольшее практическое значение при изучении механических свойств химических волокон и нитей имеют характеристики, определяемые при растяжении: разрывная нагрузка, разрывное напряжение, относительная разрывная нагрузка, относительное удлинение при разрыве, модуль упругости.

Механические свойства органических волокон во многом зависят от последующей обработки свежесформованного волокна (степени вытяжки, термообработки и др.). Теоретически можно получить волокна полиэтилена с модулем упругости 3,06МПа, полибензамида с модулем упругости 1,8´10⁴ МПа, а волокна капрона и лавсана с пределом прочности (4¸5)´ 10⁵ МПа. Однако достигнутые до сих пор модуль упругости и предел прочности (волокна полиэтилена) равны соответственно 8,4 и 286 МПа.

В настоящее время наиболее высокие показатели прочности у волокон поли-n-бензимидов, полиамидгидразидов.

Таблица 2- Механические свойства органических волокон

Волокно, марка	g, кг/м^3	Р0, сН/текс	d, %	Е, МПа	Тэкс, К
Полиолефиновые волокна
Полипропиленовое волокно
моноволокно		50 - 60	15 - 25	6 - 8
нить		45 - 75	18 - 30	4 - 9
штапельное		30 - 60	20 - 100	1,5 - 3,0
Полиэтиленовое волокно	920 - 950	40 - 60	10 - 20	4 - 8
Фторволокна
Волокна из политетрафторэтилена		10 - 18	13 - 25
Волокна из ацетонорастворимого фторопласта (фторлон)		500 - 600*	7 - 20	2500 - 15000
Полиэфирные волокна
Полиэтилентерефталатное волокно (лавсан)
моноволокно	1380 - 1390	30 - 40	10 - 20	…
текстильная нить	1380 - 1390	34 - 45	15 - 30	(1 - 1,2) 10^4
техническая нить	1380 - 1390	65 - 80	8 - 15	100 - 140
штапельное	1380 - 1390	30 - 45	40 - 60
Полиамидные волокна
Капроновое волокно	1140 - 1150	400 - 500*	40 - 90	(2,5 - 3,5) 10^3
комплексная вить	1140 - 1150	450 - 550*	25 - 35	(2,5 - 4) 10^3
Волокна на основе ароматических полиамидов
Номекс			15 - 20	1,23 · 10^4
Фенилон		45 - 50	15 - 20	1,3 · 10^4
Сульфон-Т		35 - 40	16 - 18	6 · 10^4
НТ-4		30 - 40	6 - 8	1,6 · 10^4
Кевлар			3 - 5	6,85 · 10^4 – 1,28 · 10^5
Полиимидные волокна
Аримид ПМ		45 - 50	6 - 10	1,04 · 10^4
Аримид-Т		45 - 60		1,5 · 10^4
Полиимидные комплексные нити фирмы «Дюпон»
Полиэксадиaзольные волокна
Волокна оксалон		50 - 70	4 - 8	30000 - 54000
Полибензимидазольнье волокна
Волокна на основе 3,3' – диами- нобензидина и дифенилизофта- лата (комплексная нить)			10 - 12
Волокна лестничного строения
Волокно лола		15 - 20	15 - 25
упрочненное		35 - 40	2 - 6
Полиимидоимидные в волокна
Кермель		24 - 44	10 - 20

Примечания 1. Р₀ - относительная разрывная нагрузка, которая определяется как отношение разрывной нагрузки (наибольшего усилия, выдерживаемого образцом до разрыва) к линейной плотности (толщине). Выражается в ньютонах на текс (сН/текс) и др. 3. Звездочкой помечены значения разрывного напряжения s_р (МПа). которое представляет собой отношение разрывное нагрузки Р к площади поперечного сечения образца, заполненной веществом без пустот и каналов: s_р – P_р/S.

Термомеханические свойства. Новые термостойкие органические волокна характеризуются высокой степенью сохранения прочности при длительном воздействий повышенных температур. Арамид с прочностью 500 МПа и относительным удлинением при разрыве 8¸12 % после выдержки в течение 100 ч при температуре 573 К сохраняет 74 % начальной прочности, а при температуре 673 К - 35 %. Ряд волокон сохраняет прочность до 773 К, но при этой температуре их термостабильность низка. До 523 К практически все волокна ароматических полиамидов устойчивы к термоокислительной деструкции, в интервале температур 573¸623 К термостабильность волокон резко падает. Полиоксадиазольные волокна после выдержки в течение 100 ч при температуре 573 К сохраняют 50 % начальной прочности, а после 40 ч при температуре 673 К - 69 %.

Термостойкость полиолефиновых волокон (особенно полипропиленового волокна) сравнительно невысока. Прочность полиэтилентерефталатного волокна при температуре 223 К увеличивается на 35 - 40 % (относительное удлинение падает, но волокно не становится хрупким); при температуре 453 К сохраняется 50 % прочности, которая полностью восстанавливается при охлаждении до 253 К; при нагревание на воздухе до температуры 453 К в течение 500 и 1000 ч прочность сохраняется соответственно на 28,8 и 24,6 %.

Падение механической прочности волокон в результате механического воздействия начинается при температурах, значительно ниже температур начала интенсивной термоокислительной деструкции. Для длительной эксплуатации выше 573 К волокна ароматических полиамидов не рекомендуются,

Полиимидные волокна по термомеханическим свойствам превосходят обычные промышленные волокна и волокна ароматических полиамидов, термоокислительная деструкция начинается выше 723 К при 673 К сохраняют свыше 30 % исходной прочности, усадка наблюдается только при 773 К, в инертной атмосфере теряют 40 % массы при температуре 923 К, а затем масса остатка не изменяется до температуры 1123 К. Стойкость полиамидных волокон к воздействию повышенных температур ниже, чем у соответствующих полимеров.

Свойства полиамидных волокон при температуре 473 К не изменяются, а в интервале температур 553¸573 К на воздухе (значительно ниже температуры деструкции полимеров) механические свойства волокон ухудшаются. При температуре выше 623 К на воздухе прочность резко падает. Снижение прочности полиоксадиазольных волокон на 50 % происходит после 700 ч нагревания на воздухе при температуре 573 К.

Полибензимидазольные волокна вследствие длительного старения при температуре 677 К на воздухе теряют прочность быстрее, чем волокна ароматических полиамидов (номекс). Они имеют низкую стойкость к термоокислительной деструкции; теплостойкость их значительно превосходит теплостойкость волокна номекс: при температуре 723 К сохраняют 20 - 30 % исходной прочности, в то время как волокно номекс в этих условиях разрушается.

Термомеханические свойства полиамидоимидных волокон зависят от химической структуры. После 1000 ч прогрева при 533 К на воздухе волокна с оксидной группой сохраняют около 80 % первоначальной прочности, волокна с дифенилметановой группой - только 30 %. При температуре 653¸673 К волокна разлагаются с обугливанием в среде азота и на воздухе.

Физические свойства. Многие физические свойства (электрофизические, теплофизические) органических волоков определяются соответствующими свойствами исходного полимера.

Полиолефиновые волокна имеют хорошие тепло - и электроизоляционные свойства. Полипропиленовые волокна эластичны, полиэтиленовым волокнам свойственна низкая эластичность. Полиолефиновые волокна склонны к текучести на холоду под нагрузкой. Светостойкость волокон невысокая.

Фторволокна характеризуются комплексом ценных свойств: стойкостью к действию агрессивных сред в широком интервале температур, высокими теплостойкостью и радиационной стойкостью, отличными диэлектрическими свойствами, низким коэффициентом трения.

Полиэтилентерефталатные волокна по термостойкости превосходят обычные натуральные и химические волокна, кроме фторволокна; они высокоэластичны, напоминают натуральную шерсть. Недостатки - сильная электризуемость, низкая прочность и жесткость изделий.

Волокна на основе ароматических полиамидов обладают хорошими электроизоляционными свойствами, стабильностью размеров, тепло- и термостабильностью. Они способны сохранять комплекс физико-механических свойств при длительном воздействии повышенных температур (573¸623 К), радиационностойки, стойкость к УФ-излучению у них невысока. Полиимидные волокна способны сохранять комплекс физико-механических свойств при длительном воздействии повышенных температур. Они стойки к воздействию излучений высоких энергий.

Основное достоинство полиоксадиазольных волокон - способность сохранять комплекс физико-механических свойств при повышенных температурах. Они стойки к действию УФ-излучения. Стойкость к действию открытого пламени у них низкая: воспламеняются, поддерживают горение и не затухают даже после вынесения их из пламени.

Полибензимидазольные волокна способны сохранять комплекс физико-механических свойств при кратковременном воздействии силовых и тепловых полей, обладают гигроскопичностью, низкой светостойкостью, сравнительно высокой радиационной стойкостью.

Волокна лестничного строения исключительно радиационно стойки, они не теряют прочности и эластичности после облучения. К действию УФ-излучения эти вещества, кроме волокон марки ВВВ, не стойки. Полиамидоимидные волокна сочетают в себе свойства волокон из полностью ароматических полиамидов и полиимидов. Они негорючи, под действием открытого пламени только обугливаются.

Химическая стойкость. Полиолефиновые волокна стойки к действию кислот, щелочей, органических растворителей. Могут растворяться практически только в некоторых углеводородах при нагревании (тетрамине, декалине, a-ксилоле, a-хлорнафталине и др.).

Фторволокна характеризуются стойкостью даже к высококонцентрированным кислотам и щелочам, при температуре до 533 К не растворяются ни в одном известном растворителе. Они стойки к действию сильных окислителей.

Полиэтилентерефталатные волокна растворяются в крезоле и других фенолах; частично растворяются, разрушаясь, в концентрированной серной (выше 83 %) и азотной кислотах; полностью разрушаются при кипячении в концентрированных растворах щелочей. Обработка водяным паром при 373 К сопровождается снижением прочности. Устойчивы к действию ацетона, четыреххлористого углерода, дихлорэтана и других растворителей.

Волокна на основе ароматических полиамидов стойки к действию химических реагентов кислотного характера и органических растворителей. При кипячении в 10 %-ном растворе щелочи в течение 24 ч волокно номекс разрушается.

Полиамидные волокна не растворяются в органических растворителях, включая амидные, растворяются в кипящих азотной и серной кислотах, устойчивы к действию кипящей воды. Щелочи при нагревании разрушают эти волокна.

Полиоксадиазольные волокна по стойкости к действию кислых сред близки к полиамидным и полиимидным волокнам. Волокно оксалон сохраняет 50 % исходной прочности при кипячении в 10 %-ном растворе щелочи в течение 24 ч.

Под действием химических реагентов даже при комнатной температуре происходит сильная усадка полибензимидазольных волокон. Гидролитическая стойкость их ниже, чем у волокна номекс.

Волокна лестничного строения устойчивы к действию разбавленных и концентрированных кислот, щелочей и органических аллотропных растворителей.

4. Применение. Органические волокна перерабатываются в нити, комплексные нити, ткани различных переплетений (полотняного, саржевого, сатинового и др.), трикотаж, ровницу, маты, нетканые материалы на машинах текстильного и трикотажного производства.

Волокно кевлар-29 выпускается фирмой «Дюпон» в виде технических нитей с различной линейной плотностью и структурой, необходимой для соответствующих областей применения. Волокно может быть изготовлено без крутки и без ворса. (канаты, корд). Арамидные волокна могут быть переработаны на обычном текстильно-технологическом оборудовании. Волокно кевлар-49 выпускается в виде пряжи, ровинга и тканей.

Дата добавления: 2015-09-30