Волокна, получаемые из органических природных и синтетических полимеров называются химическими волокнами. В зависимости от вида исходного сырья химические волокна подразделяются на синтетические (из синтетических полимеров) и искусственные (из природных полимеров). Иногда к химическим волокнам относят также волокна, получаемые из неорганических соединений (стеклянные, металлические, базальтовые, кварцевые). Химические волокна выпускают в промышленности в виде: 1) моноволокна (одиночное волокно большой длинны); 2) штапельного волокна (короткие отрезки тонких волокон); 3) филаментных нитей (пучок состоящий из большого числа тонких и очень длинных волокон, соединённых по средствам крутки). Филаментные нити в зависимости от назначения разделяются на текстильные и технические, или кордные нити (более толстые нити повышенной прочности и крутки).
Историческая справка. Возможность получения химических волокон из различных веществ (клей, смолы) предсказывалась ещё в 17 и 18 веках, но только 1853 англичанин Аудемарс впервые предложил формовать бесконечные тонкие нити из раствора нитроцеллюлозы в смеси спирта с эфиром, а в 1891 французский инженер И. де Шардонне впервые организовал выпуск подобных нитей в производственном масштабе. С этого времени началось быстрое развитие производства химических волокон. В 1896 освоено производство медноаммиачного волокна из растворов целлюлозы в смеси водного аммиака и гидроокиси меди. В 1893 англичанами Кроссом, Бивеном и Бидлом предложен способ получения вискозных волокон из водно-щелочных растворов ксантогената целлюлозы, осуществлённый в промышленном масштабе в 1905. В 1918 –1920 разработан способ производства ацетатного волокна из раствора частично омылённой ацетилцеллюлозы в ацетоне, а 1935 организованно производство белковых волокон из молочного казеина. Производство синтетических волокон началось с выпуска в 1932 поливинилхлоридного волокна (Германия). В 1940 в промышленном масштабе выпушено наиболее известное синтетическое волокно – полиамидное (США). Производство в промышленном масштабе полиэфирных, полиакрилонитрильных и полиолефиновых синтетических волокон осуществлено в 1954 –1960.
Свойства. Химические волокна часто обладают высокой разрывной прочностью [до 1200 Мн/м2 (120кгс/мм2)], значит разрывным удлинением, хорошей формоустойчивостью, несминаемостью, высокой устойчивостью к многократным и знакопеременным нагружениям, стойкостью к действиям света, влаги плесени, бактерий, хемо- и термостойкостью. Физико-механические и физико-химические свойство химических волокон можно изменять в процессах формования, вытягивания, отделки и тепловой обработки, а также путём модификации как исходного сырья (полимера), так и самого волокна. Это позволяет создавать даже из одного исходного волокнообразующего полимера химические волокна обладающие разнообразными текстильными и другими свойствами (таблица). Химические волокна можно использовать в смесях с природными волокнами при изготовлении новых ассортиментов текстильных изделий, значительно улучшая качество и внешний вид последних.
О с н о в н ы е с в о й с т в а х и м и ч е с к и х в о л о к о н
| Вид волокна | Плот ностьг/см3 | Прочность | Удлинение, % | Набухание в воде, % | Влагопо- глощение при 20С и 65%относит влажности,% | |||||
| Сухого волокна кгс/мм2 | мокрого волокна | волокна в петле | сухого волокна | мокроговолокна | ||||||
| % от прочности сухого | ||||||||||
| И с к у с с т в е н н ы е в о л о к н а | ||||||||||
| Ацетатное (текст. Нить) | 1.32 | 16-18 | 65 | 85 | 25-35 | 35-45 | 20-25 | 6,5 | ||
| Триацетатноештапельн. волок. | 1,30 | 14-23 | 70 | 85 | 22-28 | 30-40 | 12-18 | 4.0 | ||
| Вискозные волокна:штапельн. обычноештапельн.высокопрочноештапельн.высокомодуль.текст.нить обычнаятекст. нить высокопрочн. | 1,52 1,52 1,52 1,52 1,52 | 32-37 50-60 50-82 32-37 45-82 | 55 75 65 55 80 | 35 40 25 45 35 | 15-23 19-28 5-15 15-23 12-16 | 19-28 25-29 7-20 19-28 20-27 | 95-120 62-65 55-90 95-120 65-70 | 13.0 12,0 12,0 13,0 13,0 | ||
| Медноаммиачные волокна:штапельное волокнотекст. нить | 1,52 1,52 | 21-26 23-32 | 65 65 | 70 75 | 30-40 10-17 | 35-50 15-30 | 100 100 | 12,5 12,5 | ||
| С и н т е т и ч е с к и е в о л о к н а | ||||||||||
| Полиамидные(капрон):текст. нить обычнаято же, высокопрочнаяштапельное волокно | 1,14 1,14 1,14 | 46-64 74-82 41-62 | 85-90 85-90 80-90 | 85 80 75 | 30-45 15-20 45-75 | 32-47 16-21 | 10-12 9-10 10-12 | 4,5 4,5 4,5 | ||
| Полиэфирное(лавсан):текст. нить обычнаято же, высокопрочная штапельное волокно | 1,38 1,38 1,38 | 52-62 80-100 40-58 | 100 100 100 | 90 80 40-80 | 18-30 8-15 20-30 | 18-30 8-15 20-30 | 3-5 3-5 3-5 | 0,35 0,35 0,35 | ||
| Полиакрилонитрил.(нитрон)технич. нитьштапельное волокно | 1,17 1,17 | 46-56 21-32 | 95 90 | 72 70 | 16-17 20-60 | 16-17 20-60 | 2 5-6 | 0,9 1,0 | ||
| Поливинилспиртовоештапельное волокно | 1,30 | 47-70 | 80 | 35 | 20-25 | 20-25 | 25 | 3,4 | ||
| Поливинилхлоридноештапельное волокно | 1,38 | 11-16 | 100 | 60-90 | 23-180 | 23-180 | 0 | 0 | ||
| Полипропиленовоеволокно:текст. нитьштапельное волокно | 0,90 0,90 | 30-65 30-49 | 100 100 | 80 90 | 15-30 20-40 | 15-30 20-40 | 0 0 | 0 0 | ||
| Полиуретановая нить(спандекс) | 1,0 | 5-10 | 100 | 100 | 500-1000 | 500-1000 | - | 1,0 | ||
Производство. Для производства химических волокон из большого числа существующих полимеров применяют лишь те, которые состоят из гибких и длинных макромолекул, линейных или слаборазветвлённых, имеют достаточно высокую молекулярную массу и обладают способностью плавится без разложения или растворятся в доступных растворителях. Такие полимеры принято называть волокнообразующими. Процесс складывается из следующих операций:
1) приготовления прядильных растворов или расплавов; 2) формирования волокна;
3) отделки сформированного волокна.
Приготовление прядильных растворов (расплавов) начинают с перевода исходного полимера в вязкотекучее состояние (раствор или расплав). Затем раствор (расплав) очищают от механических примесей и пузырьков воздуха и вводят в него различные добавки для термо- или светостабилизации волокон, их матировки и т. п. Подготовленный т. о. Раствор или расплав подаётся на прядильную машину для формирования волокон.
Формирование волокон заключается в продавливании прядильного раствора (расплава) через мелкие отверстия фильеры в среду, вызывающую затвердение полимера в виде тонких волокон. В зависимости от назначения и толщины формируемого волокна количество отверстий и их диаметр в фильере могут быть различными. При формировании химических волокон из расплава полимера (например, полиамидных волокон) средой вызывающей затвердевание полимера, служит холодный воздух. Если формирования проводят из раствора полимера в летучем растворителе (например, для ацетатных волокон), такой средой является горячий воздух, в котором растворитель испаряется. При формировании волокна из раствора полимера в нелетучем растворителе (например, вискозного волокна) нити затвердевают, попадая после фильеры в специальный раствор, содержащий различные реагенты, т. н. осадительную ванну («мокрый» способ формирования). Скорость формирования зависит от толщины и назначения волокон, а также от метода формирования. При формировании из расплава скорость достигает 600-1200 м/мин, из раствора по «сухому» способу – 300-600 м/мин, по «мокрому» способу – 30-130 м/мин. Прядильный раствор (расплав) в процессе превращения струек вязкой жидкости в тонкие волокна одновременно вытягивается (фильерная вытяжка). В некоторых случаях волокно дополнительно вытягивается непосредственно после выхода с прядильной машины (пластификационная вытяжка), что приводит к увеличению прочности химических волокон и улучшению их текстильных свойств.
Отделка химических волокон заключается в обработке свежесформованных волокон различными реагентами. Характер отделочных операций зависит от условия формирования и вида волокна. При этом из волокон удаляются низкомолекулярные соединения (например из полиамидных волокон), растворители (например из полиакрилонитрильных волокон), отмываются кислоты, соли и другие вещества, увлекаемые волокнами из осадительной ванны (например вискозными волокнами). Для придания волокнам таких свойств, как мягкость, повышенное скольжение, поверхностная склеиваемость одиночных волокон и др., их после промывки и очистки подвергают авиважной обработке или замасливанию. Затем волокна сушат на сушильных роликах, цилиндрах или в сушильных камерах. После отделки и сушки некоторые химические волокна подвергают дополнительной тепловой обработке – термофиксации (обычно в натянутом состоянии при 100-180 С), в результате которой стабилизируется форма пряжи, а также снижается последующая усадка как самих волокон, так и изделий из них вот время сухих и мокрых обработок при повышенных температурах.
Мировое производство химических волокон развивается быстрыми темпами. Это объясняется, в первую очередь, экономическими причинами (меньше затраты труда и капитальных вложений) и высоким качеством химических волокон по сравнению с природными волокнами. В 1968 мировое производство химических волокон достигало 36% (7,287 млн. т) от объёма производства всех видов волокон. Химические волокна в различных отраслях в значительной степени вытесняют натуральный щёлк, лён и даже шерсть. Предполагается, что к 2000 году производство химических волокон достигнет 20 млн. т. в год и сравняется с объёмом производства природных волокон.