Свойства искусственных волокон

На протяжении столетий человек использовал для создания одежды и других предметов обихода натуральные ткани из шерсти, хлопка, льна, шелка, но со временем возникла необходимость в искусственных материалах, более прочных и надежных. Так появились искусственные волокна, обладающие качественно иными характеристиками по сравнению с органикой.

Под волокном понимается гибкая нить из натуральных или искусственных полимеров, используемая для изготовления текстильной продукции или пряжи.

Виды волокон

Если говорить о натуральных волокнах, то они могут быть минерального, животного или растительного происхождения.

Неорганические волокна создаются с использованием различных химических процессов.

Классификация на группы:

1. Искусственные волокна (добытые путем химической переработки из различного сырья). Для их производства чаще всего используются целлюлоза и пух.
2. Синтетические волокна. Эта разновидность добывается из синтезированных полимеров, а сырьем выступают циклогексан, фенол, этилен, бензол.

В современной промышленности для создания текстильной продукции широко производятся обе группы. Рассмотрим особенности каждой из них подробнее.

Искусственные волокна

Для получения искусственных волокон используются далеко не все полимеры, а только обладающие линейным строением. Их расплавляют или делают жидкими с помощью специальных растворителей. Получившуюся жидкость пропускают тонкой струей через сито с очень мелким плетением, в результате образуются длинные нити. Также можно добывать полимеры синтетическим способом, а потом укладывать в определенном порядке молекулы.

Самыми популярными искусственными волокнами являются ацетатное и вискозное. В роли исходного полимера выступает вискоза, полученная из древесины или же хлопчатобумажный пух, получаемый из семян хлопка. Для разжижения целлюлозы используют различные виды химических растворов, в зависимости от которых получаются разные волокна (ацетатные, казеиновые, медно-ацетатные, штапельные, вискозные). Искусственные волокна характеризуются сравнительно небольшой гигроскопичностью, но тем не менее они достаточно прочные.

Ацетатное волокно

Как получают ацетатное волокно:

• Целлюлоза взаимодействует с уксусной кислотой под влиянием серной кислоты, в результате производят триацетат целлюлозу, растворяемую в смеси этанола и дихлорэтана.
• Образуется вязкий густой раствор, который пропускают через металлические колпаки с большим количеством мелких отверстий (фильеры). Струи раствора через фильеры попадают в шахту, через которую проходит нагреваемый воздух.
• В итоге растворитель постепенно выдыхается и появляются невесомые нити, из которых с помощью прядения и создается ацетатный шелк.

Впервые ацетатную ткань добыл в 1889 году француз Шардоне.

Ацетатное волокно широко используется в текстильной промышленности благодаря отличной износостойкости. Ткани из него практически не мнутся, не деформируются после стирки, хорошо сохраняют тепло, тактильно приятны.

К недостаткам можно отнести невысокую гигроскопичность и склонность к накоплению статических электрических зарядов. Из ацетатного волокна производят ткань для детской одежды, белья, платьев и блузок, мужских рубашек. Также применяют его и для изготовления изоляционного материала.

Вискозное волокно

Для получения вискозного полотна целлюлозу обрабатывают раствором сероуглерода и щелочи. Вискоза — тип ткани, мягкий на ощупь, гигроскопичный, воздухопроницаемый. Она равномерно и насыщенно окрашивается и долго сохраняет свои потребительские характеристики.

Наряду с достоинствами вискозное волокно имеет и ряд недостатков: ткани из него сильно мнутся и быстро истираются, что приводит изделия в негодность. Основное применение вискозы – пошив женской одежды, ведь из нее получаются воздушные юбки и невесомые топы.

Полиамидные – стойки к истиранию и устойчивы к растяжению, однако они сильно электризуются и практически не сохраняют тепло. Данный вид используется для изготовления тончайшего кружева, эластичных ниток, белья, канатов.

Интересен тот факт, что полиамидное волокно крайне неустойчиво к термическому воздействию. Так, при нагреве до 160 градусов, оно теряет прочность в два раза.

Полиэфирные волокна

К полиэфирным относятся лавсан, терилен, дакрон. Их общим недостатком является повышенная жесткость и электризуемость. Лавсан применяют для производства бытовых материалов.

Синтетические волокна

С развитием промышленности возникла потребность в новых, более прочных и практичных, тканях, которые будут выдерживать агрессивные среды. Во второй половине 30-х годов прошлого века были созданы методы синтеза волокнообразующих полимеров, а спустя несколько лет появились первые волокна синтетического происхождения.

Виды синтетических волокон:

• полиэстерные (лавсан);
• полиамидные (нейлон, капрон, энант);
• полиолефиновые;
• полиакрилонитрильные (нитрон).

Самым распространенным синтетическим волокном, используемым для создания тканей, является капрон, добываемый из капролактама. Смолу сперва расплавляют, а потом пропускают через фильеры, после чего стволы смолы охлаждают и добывают из них волокно.

Капрон. Капрон известен своей износостойкостью (по прочности его можно сравнить со сталью), химической устойчивостью, эластичностью. Капрон не подвержен гниению из-за того, что практически не впитывает влагу. Однако капрон не устойчив к термическому воздействию (плавится уже при 250 градусах по Цельсию), а также к влиянию концентрированной кислоты.

Из капрона шьют колготки, шарфы, носки, блузки, изготавливают искусственный мех и ковровые изделия, прочные рыболовные сети, производят специальный материал – каркас для авиа- и автопокрышек, фильтры.

Капроновая смола служит основой для деталей техники, подверженной повышенному износу. Капроновые нити используются в хирургии. Такая нить невероятно легкая, так, всего 1 грамм весят 9 километров волокна.

Нитрон. Не менее прочным и эластичным является нитрон. К его преимуществам относятся низкая теплопроводность и великолепная светостойкость. Нитрон не чувствителен к кислотам, но легко разлагается под влиянием концентрированного щелочного раствора. Из волокна изготавливают искусственный мех с ворсом и ковровое покрытие.

Лавсан, напоминающий шерсть, отличается от нее высокой прочностью. Пошитые из него изделия не нуждаются в глажке. Лавсан устойчив к органическим растворителям, но подвержен действию щелочи и кислоты. Часто лавсановые нити смешивают с другими волокнами, например, хлопком, льном, шерстью, для повышения их потребительских качеств. В промышленности его используют для изготовления декоративной ткани, искусственного меха, трикотажа, электроизоляционных материалов, шин, нефте- и бензиностойких шлангов.

Помимо вышеперечисленных волокон существуют и другие, не так широко применяемые виды узкого назначения (жаростойкие, биологически активные, полупроводниковые, сверхпрочные и т.д.). Так, перлон прочнее проволоки, хлорин не горит и не подвержен воздействию кислот и щелочей. Такие качества незаменимы при создании спецодежды из синтетических и искусственных волокон, прокладок в химических аппаратах, лечебного белья.

Широко известный эластан очень прочный, но подвержен выцветанию и деформации, поэтому его используют не в чистом виде, а в сочетании с другими материалами для повышения их качества.

Синтетическое волокно «Лола» уникально тем, что не горит, а лишь накаляется при температуре 1200 градусов Цельсия, поэтому его используют для пошива огнезащитной одежды.

Виды искусственных волокон

Сегодня изготавливаются различные типы сырья для медицинской промышленности. Все виды искусственных волокон объединяет гигиеничность. Наиболее распространенными материалами являются:

• вискозное волокно;
• ацетатное волокно;
• триацетатное волокно.

Каждый материал имеет свои преимущества. Так, вискозное волокно гигроскопично, отличается высокой термостойкостью, устойчивостью к щелочам. Но в чистом виде вискозный материал сминается, дает 6 – 8-процентную усадку, теряет прочность при намокании.

Свойства искусственных волокон ацетатной группы – это низкая термостойкость (до 90°С), высокая степень мягкости. Триацетатные материалы отличаются упругостью. Они превосходят ацетатные по степени термостойкости, однако обладают низкой гигроскопичностью.

Основные отличия искусственных и синтетических волокон

Несмотря на то, что обе разновидности волокон имеют ненатуральное происхождение, они различны между собой:

1. Если искусственное волокно производится на основе высокомолекулярных органических веществ (белок, кератин, целлюлоза), то синтетическое – на основе низкомолекулярных (не встречающихся в природе).
2. Следует заметить, что как синтетические, так и искусственные при классификации текстильных и других товаров следует отделять от натуральных. В готовом виде ни первые, ни вторые не имеют органического аналога.

Но, в целом искусственные ткани более близки к природе, нежели синтетические, поскольку, как было отмечено выше, в их основе лежат органические вещества. Так, исходным сырьем для вискозы является целлюлоза, подвергнутая воздействию гидроксида натрия и полимеризованная.

Химический состав синтетических волокон бывает чрезвычайно сложным, в нем зачастую трудно выделить один основной компонент. В этом и состоит основное различие между двумя большими группами химических волокон.

5. ИСКУССТВЕННЫЕ ВОЛОКНА ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Искусственные волокна получают в заводских условиях из природных веществ органического (целлюлоза, белки) происхождения.

Мысль о получении искусственных волокон впервые была высказана в XVII в., но промышленное производство их было осуществлено лишь в конце XIX в. Первым видом искусственных волокон целлюлозного происхождения был нитратный шелк, полученный в 1890 г. Несколько позже был найден способ промышленного производства медно-аммиачного волокна. А в 1898 г. получено самое распространенное в настоящее время искусственное волокно — вискозное. В 1900 г. было произведено во всем мире около 800 т искусственного волокна, а в 1913 г.—

11,4 тыс, т. Промышленность искусственных волокон стала быстро развиваться. К концу первой мировой войны был разработан метод производства ацетатного волокна.

В дореволюционной России был построен один завод вискозного волокна в Мытищах, который в 1913 г. дал 136 т продукции.

Только при Советской власти была по-настоящему создана промышленность искусственного волокна. Производство искусственных волокон в СССР в 1940 г. возросло до 11,1 тыс. г, а в 1966 г. — до 363 тыс. т, из них до 322 тыс. т вискозного, до

21 тыс. т ацетатного и примерно до 20 тыс. т медно-аммиачного волокна. В 1967 г. выработано уже 395 тыс. т искусственных волокон, в том числе вискозных 368 тыс. т.

Промышленное производство искусственных волокон в СССР базируется на бурном развитии химической промышленности. Затраты труда на производство искусственных волокон значительно ниже, чем на производство натуральных. Так, для производства одной тонны вискозного штапельного волокна требуется затрат труда в 7,7 раза меньше, чем для получения одной тонны хлопкового волокна, в 12—15 раз меньше, чем для получения одной тонны шерстяного волокна. Уровень затрат труда в значительной степени определяет себестоимость волокна. Себестоимость вискозного штапельного волокна находится примерно на одной уровне с себестоимостью хлопка, но меньше себестоимости шерсти в 6,7 раза.

Потребление химических волокон растет быстрыми темпами. Так, если в 1958 г. выработано верхних трикотажных изделий с применением химических волокон 5,2% от общего объема производства, то в 1966 г. таких изделий выработано уже 34,6%.

ВИСКОЗНОЕ ВОЛОКНО

Производство вискозного волокна. Сырьем для производства вискозного волокна служит древесная целлюлоза в виде листов, полученная варкой древесной еловой щепы в растворе бисульфита кальция.

Весь процесс производства вискозного волокна состоит из следующих основных этапов: подготовка целлюлозы, получение прядильного раствора, формование волокна, отделка его.

Подготовка целлюлозы заключается в подсушивании ее до влажности 6—8%, обработке 18%-ным раствором едкого натра и предсозревании.

В растворе едкого натра целлюлоза набухает, из нее удаляются растворимые примеси и образуется щелочная целлюлоза. Щелочную целлюлозу отжимают от избытка щелочи и измельчают для увеличения ее поверхности и тем самым повышения способности вступать в реакцию. Затем полученную массу выдерживают некоторое время (12—24 ч) при температуре 25—30° С; этот процесс называется предсозреванием щелочной целлюлозы. В процессе предсозревания щелочная целлюлоза окисляется кислородом воздуха, происходит снижение ее молекулярного веса (деполимеризация), что дает возможность получить необходимую вязкость раствора.

Получение прядильного раствора состоит в ксантогенировании подготовленной массы и ее созревании. Подготовленную массу щелочной целлюлозы обрабатывают сероуглеродом и получают так называемый ксантогенат целлюлозы. Ксантогенат целлюлозы растворяют в щелочи и получают вязкий раствор — вискозу (7,5% целлюлозы, 6,5% щелочи, 86% воды). Вискоза проходит стадию созревания, в процессе которой она освобождается от пузырьков воздуха, приобретает необходимую вязкость и уменьшает устойчивость к действию кислетных растворов. Для получения окрашенного волокна в прядильный раствор вводят соответствующие красители, а для получения матированного волокна — соль двуокиси титана.

Формование волокна состоит в том, что вискозный раствор по трубопроводу 1 (рис. 10) подается в прядильную машину (центрифугальную или бобинную). Под давлением в 3—5 атм, создаваемым поршневым насосиком 2, раствор проходит дополнительный фильтр 3 и продавливается через фильеру 4 в осадительную ванну 5, содержащую водный раствор серной кислоты и сернокислых солей.

Фильера (рис. 11) представляет собой колпачок из антикоррозийного металла, содержащий 24—36 и более отверстий диаметром 0,07—0,08 При взаимодействии

вискозного раствора с кислотой происходит разложение ксантогената и восстанавливается целлюлоза, а так как целлюлоза — твердое вещество, то струйки затвердевают, образуя твердые тонкие нити, называемые вискозными.

На центрифугальных прядильных машинах комплексная нить, выйдя из ванны, проходит через систему прядильных дисков 6 и 7 (см. рис. 10), при помощи которых получает необходимую вытяжку, и поступает через воронку

8 во вращающуюся со скоростью 6000—8000 об/мин центрифугу 9. В центрифуге нить укладывается на внутренних стенках от периферии к центру, образуя так называемый кулич, причем одновременно нить получает крутку 100—130 кр/м (уточная крутка). Скорость прядения вискозных нитей составляет 80— 100 м/мин. С бобинных машин нить наматывается на бобину.

Рис. 10. Центрифугальная прядильная машина

Отделка вискозного волокна складывается из следующих операций: промывки — с целью удаления серной

кислоты и ее солей, чтобы избежать возможного гидролиза

целлюлозы, ослабления и обрыва волокон; десульфурации — с целью удаления коллоидной серы с волокон, которая придает им желтоватый цвет и некоторую жесткость; отбелки гипохлоритом натрия; кисловки серной кислотой для удаления остатков гипохлорита;’ мы ловки раствором мыла для придания волокнам мягкости и рассыпчатости; сушки при температуре 80—50°С; крутки и запарки нитей — с целью фиксации крутки.

Вискозное волокно получают в виде филаментных нитей (шелка) разной толщины от 7 = 22,2 текс (№ 45) до 7″ = 8,3 текс (№ 120), из которых изготовляют бельевой трикотаж, чулочно-носочные изделия, плательные, бельевые и подкладочные ткани, и в виде штапельного волокна разной толщины в зависимости от его использования.

Штапельное вискозное волокно вырабатывается почти на таком же оборудовании и из тех же исходных продуктов, что и вискозные нити. Главной особенностью производства является то, что используются фильеры большего размера с числом отверстий от 1600 до 12 000. Нити из каждой фильеры соединяются в общий жгут, который, пройдя отделочные операции, поступает на резальную машину, где разрезается на шта-пельки заданной длины (от 40 до 150 мм). Штапельное волокно можно получить извитое; такое волокно лучше прядется.

Производство штапельных волокон увеличивается из года в год, благодаря чему расширяется ассортимент трикотажных изделий и тканей.

Строение вискозных волокон. При рассмотрении вискозных волокон под микроскопом (см. рис. 7, а) на их поверхности видна продольная штриховатость, поперечник волокон имеет неправильную, ребристую форму. Такое строение объясняется неодновременным отвердеванием наружных и внутренних слоев волокон в процессе их формования. При отвердевании внутреннего слоя происходит его сжатие, в результате чего поверхностный слой сморщивается и в волокне образуются продольные бороздки. Молекулярные цепи целлюлозы в наружных слоях вискозных нитей ориентированы в направлении нити, что обусловливается небольшой вытяжкой ее в процессе формования, а во внутренних слоях — не ориентированы, поэтому внутренние слои нитей более рыхлые.

Вискозные волокна, несмотря на ребристую форму, обладают хорошей гладкостью, что обусловливает их сильный блеск, а в трикотаже—распускаемость петель и скольжение.

По химическому составу вискозные волокна представляют собой гидратцеллюлозу, отличающуюся от природной целлюлозы меньшей длиной молекулярной цепи (п = 300—400) и меньшей ориентацией макромолекул в волокне, что и приводит к различию в их свойствах. Свойства вискозных волокон характеризуются хорошими показателями гигроскопичности, светостойкости, удлинения, вполне удовлетворительными показателями теплостойкости, стойкости к истиранию, прочности на разрыв. Прочность на разрыв вискозного волокна может быть повышена за счет изменения технологии производства волокон и в первую очередь увеличением вытяжки волокна. В связи с этим различают кроме обычного волокна упрочненное (22—25 км), высокопрочное (25—45 км) и сверхпрочное (45—60 км) волокна.

Недостатками вискозного волокна являются малая доля упругого удлинения, вследствие чего изделия из этого волокна плохо противостоят смятию; большая потеря прочности при увлажнении волокна, которая объясняется прониканием молекул воды в межмолекулярные пространства, что приводит к ослаблению поперечных связей молекул, определяющих в значительной степени прочность волокон.

Штапельные вискозные волокна характеризуются большой равномерностью по длине и толщине, прочности и удлинению. Они не имеют сорных примесей, не повреждаются микроорганизмами и молью, что является преимуществом этих волокон по сравнению с натуральными.

Применение штапельного волокна в смеси с шерстью приводит к повышению прядильной способности смеси; прочность изделий в сухом виде в этом случае возрастает на 50%. При смешивании с грубой шерстью штапельное волокно улучшает внешний вид изделий.

Штапельное вискозное волокно смешивают с разнообразными натуральными и химическими штапельными волокнами, чтобы изготовить разнообразные трикотажные изделия, ткани и нетканые материалы.

Недавно найдены способы улучшения свойств вискозного штапельного волокна путем структурной модификации, в результате чего получены так называемые полинозные волокна.

Производство полинозных волокон отличается от технологии получения обычных вискозных штапельных волокон. Сырье применяется более высококачественное: в виде целлюлозы высших сортов и особо чистых химикатов. Целлюлоза подвергается меньшей деполимеризации, благодаря чему получают готовое волокно со значительно большей степенью полимеризации (п= 600—800). Формование волокна идет по двухванному способу. В первой ванне, содержащей уксусную кислоту и сульфат аммония, происходит коагуляция с частичным омылением ксантогената целлюлозы, во второй ванне, содержащей серную кислоту,— окончательное омыление и вытягивание волокна. При вытягивании волокна наблюдается ориентация макромолекул и образуются кристаллы больших размеров.

Полинозные волокна характеризуются значительно большей прочностью (подобно хлопковому волокну), меньшей потерей прочности в мокром состоянии, несколько меньшим удлинением, но большей упругостью, благодаря чему изделия из этого волокна меньше сминаются и обладают большей носкостью. Важной характеристикой полинозных волокон является их пониженная растворимость в щелочи, что позволяет изделия из по-линозного волокна и его смесей с хлопком подвергать мерсеризации. Полинозное волокно обладает меньшей набухаемостью, чем вискозное, и вследствие этого оно менее усадочное. Такое волокно используется для выработки тонкой пряжи для разнообразных трикотажных изделий, плательных и бельевых тканей. Изделия из этого волокна обладают мягкостью, шелковистым блеском, приятным внешним видом.

Все большее применение в текстильной промышленности находят так называемые «привитые» волокна. Московский текстильный институт разработал метод получения штапельного волокна мтилон, представляющего собой сополимер целлюлозы (60—70%) и полиакрилонитрила (40—30%). Это волокно характеризуется повышенной прочностью, упругостью и светостойкостью. Используется оно для изготовления ковров и может быть применено для изготовления трикотажа и тканей.