Производство химических волокон

1. Основные этапы производства химических волокон

2. Высокопрочные, термостойкие и негорючие волокна и нити (фенилон, внивлон, оксалон, армид, углеродные и графические): состав, строение, получение, свойства и применение

3.Определить вид волокна и сделать рисунок его поперечного и продольного сечения, если оно горит небыстро, издаёт запах жжёного рога или пера. При этом образуется чёрный шарик, легко растирающийся в порошок. Волокно растворяется при кипячении в 65% растворе азотной кислоты, а также в концентрированной азотной кислоте и 5 и 40% растворах едкого натра и не растворяется в органических растворителях Список используемой литературы

1. Основные этапы производства химических волокон

К химическим волокнам относятся, создаваемые в заводских условиях путём формирования из органических природных или синтетических полимеров или неорганических веществ. Искусственные волокна получают из высокомолекулярных соединений, встречающихся в готовом виде (целлюлоза, белки). Синтетические волокна производят из высокомолекулярных соединений, синтезируемых из низкомолекулярных соединений. Они подразделяются на гетероцепные и карбоцепные волокна. Гетероцепные волокна образуются из полимеров, в основной молекулярной цепи которых кроме атомов углерода содержатся атомы других элементов. Карбоцепными называют волокна, которые получают из полимеров, имеющих в основной цепи молекул только атомы углерода. 1]

Прототипом процесса получения химических нитей послужил процесс образования шелкопрядом нити при завивке кокона. Существовавшая в 80-х гг. ХIХ в. Не совсем верная гипотеза о том, что шелкопряд выдавливает волокнообразующую жидкость через шелкоотделительные железы и таким образом прядёт нить, легла в основу технологических процессов формирования химических нитей. Современные способы формирования нитей также заключаются в продавливании исходных растворов или расплавов полимеров через тончайшие отверстия фильер. 1]

Производство химических волокон состоит из пяти основных этапов: получение и предварительная обработка сырья, приготовление прядильного раствора или расплава, формирование нитей, отделка и текстильная переработка. Искусственные волокна получают из различного природного сырья — древесины, отходов хлопка, металлов, которые в процессе предварительной обработки проходят очистку или превращение в новые высокомолекулярные соединения. 3]

Для получения синтетических волокон исходным сырьём являются газы, нефть, каменный уголь, продукты переработки которых используются для синтеза волокнообразующих полимеров. 3]

Получение и предварительная обработка сырья для искусственных волокон и нитей состоит в его очистке или химическом превращении в новые полимерные соединения. Сырьё для синтетических волокон и нитей получают путём синтеза полимеров из простых веществ на предприятиях химической промышленности. Предварительно это сырьё не обрабатывают. 1]

Приготовление прядильного раствора или расплава. При изготовлении химических волокон и нитей необходимо из твёрдого исходного полимера получить длинные тонкие текстильные нити с продольной ориентацией макромолекул, т. е. нужно переориентировать макромолекулы полимера. Для этого следует перевести полимер в жидкое (раствор) или размягченное (расплав) состояние, при котором нарушается межмолекулярное взаимодействие, увеличивается расстояние между макромолекулами и появляется возможность их свободного перемещения относительно друг друга. Растворы используются при получении искусственных и некоторых видов синтетических нитей (полиакрилонитрильных, поливинилспиртовых, поливинилхлоридных). Из расплавов образуются гетероцепные (полиамидные, полиэфирные) и некоторые карбоцепные (полиолефиновые) волокна и нити. 1]

Прядильный раствор или расплав приготовляют в несколько стадий.

Растворение или расплавление полимера производят с целью получения раствора или расплава нужной вязкости и концентрации. [2]

Смешивание полимеров из различных партий выполняют для повышения однородности растворов или расплавов, чтобы получать волокна равномерные по свойствам на всём их протяжении. [2]

Фильтрация необходима для удаления из раствора или расплава механических примесей, не растворившихся частиц полимера, чтобы предотвратить засорение фильер и улучшить свойства волокна; путём многократного прохождения раствора или расплава через фильтры. [2]

Обезвоздушивание заключается в удалении из раствора пузырьков воздуха, которые попадая в отверстия фильер, обрывают струйкой раствора и препятствуют образованию волокна; осуществляется путём выдерживания раствора в течение нескольких часов под вакуумом. Расплав обезвоздушиванию не подвергают, так как в расплавленной массе полимера воздуха практически нет. 2]

Формирование нитей. Состоит в дозированном продавливании прядильного раствора или расплава через отверстия фильер, затвердевании вытекающих струек и наматывании полученных нитей на приёмные устройства. Струйки формируются в элементарные нити из раствора. При формировании из расплава струйки нитей, вытекающие из фильеры, охлаждаются в обдувочной шахте струёй воздуха или инертного газа. При формировании из раствора сухим способом струйки полимера обрабатываются струёй горячего воздуха, в результате чего растворитель испаряется, а полимер затвердевает. В случае формирования из раствора мокрым способом струйка нити из фильер поступают в раствор осадительной ванны, где происходит физико-химический процессы выделения полимера из раствора и иногда химические изменения состава исходного полимера. В последнем случае используется одна или две ванны для формирования нити. 3]

При формировании получают либо комплексные нити, состоящие из нескольких длинных элементарных нитей, либо штапельные волокна-отрезки нитей определённой длины. Для получения комплексных текстильных нитей количество отверстий фильтре может быть от 12 до 100. Сформированные нити из одной фильеры соединяются, вытягиваются и наматываются. 3]

Химические волокна и нити непосредственно после формирования не могут быть использованы для производства текстильных материалов. Они требуют дополнительной отделки, которая включает в себя ряд операций. 1]

Удаление примесей и загрязнений необходимо при получении вискозных, белковых и некоторых видов синтетических нитей, формируемым мокром способом. Эта операция осуществляется путём промывки нитей в воде или различных растворах. Беление нитей или волокон, которые впоследствии окрашиваются в светлые и яркие цвета, проводится путём их обработки оптическими отбеливателями. 1]

Вытягивание и термообработка синтетических нитей необходимы для перестройки их первичной структуры. В результате нити становятся более прочными, но менее растяжимыми. Поэтому после вытягивания проводят термообработку для релаксации внутренних напряжений и частичной усадки нитей. Поверхностная обработка (авиаж, аппретирование, замасливание) необходима для придания нитям способности к последующим текстильным переработкам. При такой обработки повышается скольжение и мягкость, уменьшается поверхностное склеивание элементарных нитей и их обрывность, снижается электризуемость и т. п. 1]

Сушка нитей после мокрого формирования и обработки различными жидкостями выполняется в специальных сушилках. 1]

Текстильная переработка. Этот процесс предусмотрен для соединения нитей и повышения их прочности (скручивание и фиксация крутки), увеличения объёма валок нитей (перематывание), оценки качества полученных нитей (сортировка). 1]

Одним из основных направлений расширения и улучшение ассортимента химических волокон является модификация существующих для придания им новых заранее заданных свойств

2. Высокопрочные, термостойкие и негорючие волокна и нити (фенилон, внивлон, оксалон, армид, углеродные и графические): состав, строение, получение, свойства и применение

К волокнам с особыми свойсвами относятся волокна, обладающие специфичискими свойствами: темои жаростойкие, волокна, способные выдерживать повышенные, высокие и очень высокие температуры (от 250 до 3000⁰С), полупроницаемые полые волокна для мембранного разделения жидких и газовых смесей и др. Создание волокон с осбыми ствойствами позволило резко расширить границы примениние химических волокон. 4]

Термостойкие волокна предназначены для эксплуатации при температурах 250−400⁰С, т. е выше облости разложения обычных химических волокон массового примения. Получение подобных волокон требует решение сложных научно-технических проблем, связанных с синтезом полимеров и переработкой их в волокно. Полимеры для тармостойких волокон должны удовлетворять ряду требований, важнейшими из которых являются: высокие температуры плавления и стеклования и термическая стойкость. Этим требованиям отвечают ароматические, гетероциклические и лестничные полимеры, для синтеза которых используются бии тетрафункциональные ароматические соединения. Оброзование гетероциклов в полемирной цепи приводит к повышению термостойкости волокон. [4]

Известно большое число различных типов термостойких волокон. Из них наибольшее распростронение получили волокна на основе ароматическх полиамидов номекс (фенилон), полимидные, полиоксадиазольные, полибензимидазольные и волокна лестничного стоения. 4]

Терможаростойкие и негорючие волокна: внивлонсверх высокомодульное волокно СВМ; оксалон, арамид Т, кевлар, номекс, фенилон — в структуре содержат бензельное кольцо. Например, волокно номекс (форм.2.1):

(2.1)

Фенилон торговое название, принятое в СССР для линейного ароматического полиамида — поли-м-фениленизофталамида, (в США он известен под названием «номекс»). (форм.2.2)[5]

[- HMC₆H₄NHOCC₆H₄CO -] n (2.2)

Фенилон получают поликонденсацией дихлор-ангидрида изофталевой кислоты и м-фенилендиамина в эмульсии или растворе. Фенилон — полимер белого цвета, t_{cтеклов}.270 °С; при нагревании до 340−360 °С он кристаллизуется, t_пл430 °C; молярная масса 20 000−120 000. Растворяется в концентрированной серной кислоте, диметилацетамиде и диметилформамиде, содержащих добавки, например LiCl или CaCl₂; не горит, химически устойчив в кипящей воде, к действию топлив, масел, некоторых минеральных и органических кислот, щелочей, стоек к действию радиации, поражению плесневыми грибками. 5]

Изделия из фенилона характеризуются высокими прочностью (при сжатии и изгибе 240 Мн/м², или 2409 кгс/см²) и диэлектрическими свойствами (тангенс угла диэлектрических потерь 0,01) в интервале температур от -70 до 250 °C. Фенилон применяют для получения волокна, электроизоляционной бумаги, лака и плёнок, а также как конструкционный и антифрикционный материал в электротехнической, радиотехнической и машиностроительной промышленности. Волокна и плёнки из фенилона. получают формованием из растворов, изделия — прессованием и пресс-литьём при ищи 320−340°С. [5]

Из волокна нормекс изготавливается защитная одежда от воздействия тепла и света для работы в горячих цехах, а также для пожарников и автогонщиков. Все термостойкие волокна являются не горючими или малогорючими, поэтому могут использоваться как декоративные и обивочные текстильные материалы в самолётах, на кораблях, в больницах, госпиталях, школах и других общественных зданиях. 4]

Внивлон — термостойкое высокопрочное полимерное синтетическое волокно. Он разработан в СССР, но имеет аналоги в других странах. Волокно отличается повышенной устойчивостью к истиранию, деформации, высоким температурам, химическому воздействию. Внивлоновые волокна идут на производство технических нитей и тканей, из которых шьют термозащитные и химзащитные костюмы, различную спецодежду, бронежилеты. Ткань может дублировать. Поливинилспиртовое волокно ПВС (форм.2.3):

(-СН₂-СН (ОН) -)_n (2.3)

Оксалон — высокотермостойкое высокомодульное волокно. Оно может выпускаться в модифицированном виде и быть негорючим и высокохемостойким. Очень хорошо проявили себя ткани из оксалона для обтяжки гладильных прессов, а также в качестве спецодежды. Предполагается, что оксалон найдет также применение в качестве высокотемпературной электро-и теплоизоляции. 4]

Волокно Оксалон устойчиво к действию разбавленных кислот и щелочей, а в структуре плотной ткани не воспламеняется в пламени.

Заметим, что у сульфона и оксалона относительно высокая температурная прочность; у стеклоткани высокая температурная и химическая стойкости, но низкая прочность на изгиб и истирание; для полифена характерна исключительно высокая химическая прочность, но он легко текуч. 4]

В последние годы организовано производство синтетических тканей, более термостойких, чем нитрон и лавсан, а именно тефлона, фильтрона, сульфона, оксалона. Термостойкость этих материалов соответственно составляет 230; 270; 260 и 250 С. Тефлоновые ткани используют для очистки газообразного хлора от пыли. 4]

Все термостойкие волокна формируют из расплавов, так как температура плавления термостойких полимеров лежит в облости их термического разложения и получить расплавы невозможно. 4]

Вследствии плохой растворимости ароматических полимеров в качестве растворителей ипользуют только органические апротонные растворители (диметилформамид, диметилацетамид и д. р.) и концетрированные кислоты (серная, олеум, полифосфорная). 4]

К негорючим волокнам относят волокна, которые не воспламеняются и не распространяют пламя. Такие синтетические волокна, как полиамидные, полиэфирные, полиолефиновые, при повышенных температурах плавятся. Перед плавлением синтетические ткани сильно усаживаются. Поэтому при возгорании одежда из синтетических матириалов сильная усадка может обусловить более тесный контакт выделяющегося может привести к тяжёлым ожогам. К негорючим химическим волокнам относятся поливинилхлоридное, хлориновое, фторлоновое, волокно из политетрафторэтилена и термостойкие волокна, полученные на основе ароматических полиамидов и полиэфиров, гетероциклических и лестничных полимеров. 5]

Уневерсальных методов огнезащиты текстильных матириалов не существует, так как процесс горения волокон протекает по различным механизмам и зависит главным образом от химической природы полимера и характера продуктов, выделяющихся при термоокислительном разложении. 5]

Для придания химическим волокнам повышенной стойкости к действию огня используют различные методы: поверхностную обработку тканей; ведение добавок в полимер перед формованием; химическую модификацию волокон или изделий из них. 5]

Наиболее простой в технологическом отношении является поверхностная отделка тканей, которая включаетследующие стадии: пропитку ткани водным раствором соответствующих веществ, сушку и термообработку. Для обработки тканей используют азот-, фосфор-, серои галогеносодержащие продукты. Количество наносимого аппрета составляет 15−100% и зависит от природы исходного волокна и назначения ткани. Длятого чтобы предовратить вымывание этих продуктов при последующих стирках, ткани подвергают в определённых условиях термообработке, в результате чего происходт химческие превращения применяемых веществ. Это приводит к образованию на поверхности ткани нерастворимого продукта, в состав которого входят фосфор, азот или галогены, и частичнок химическому присоединению его к волокну. Однако в большинстве случаев нанесённые на поверхность волокнаили ткани огнезащитные. аппреты нестойки к водным обработками постепенно вымываются из ткани. Принанесении большого количества препаратасильно повышается жесткость ткани. 4] химический волокно нить углерод Довольно преспективным способом являетсямодификация волокон или изднлий из них путем химического присоеди нения антиприена к полимеру. Химической модификацией удаётся получить волокно с высокими и стабильными огнезащитными свойствами. Для снижения горючести текстильных матириалов путем химической модификации используют реакции полимераналогичных превращенийи привитой полимеризации. Этот метод оказался особенно эфективным при получении негорючихполиамидных волокон. Весьма существенным способом является и тот факт, что полученные по такому способу негорючие полиамидные волокна теряют плавкость. 4]

Несмотря на большое число средств, предложенных для огнезащиты химических волокон и многочисленные иследования в этом направлении, можно считать, что удовлетворительно решена только проблема получения огнестойких целюлозных матириалов. Способность болььшинства традиционных синтетических волокон плавится затрудняет разработку достаточно эффективных и простых в технологическом аспекте мнтодов придания им огнестойкости. [4]

Неорганические химические волокна — получают путем высокотемпературной обработке природных веществ: песка, мела, глинозема, доломита, каолина. К ним относятся — стекловолокно, кремнеземные, алюмосиликатное, кварцевые. Эти волокна в основном используются для технических целей. 1]

Углеродное волокно — материал, состоящий из тонких нитей диаметром от 5 до 15 микрон, образованных преимущественно атомами углерода. Атомы углерода объединены в микроскопические кристаллы, выровненные параллельно друг другу. Выравнивание кристаллов придает волокну большую прочность на растяжение. Углеродные волокна характеризуются высокой силой натяжения, низким удельным весом, низким коэффициентом температурного расширения и химической инертностью. 6]

Углеродное волокно обычно получают термической обработкой химических или природных органических волокон, при которой в материале волокна остаются главным образом атомы углерода. Температурная обработка состоит из нескольких этапов. Первый из них представляет собой окисление исходного (полиакрилонитрильного, вискозного) волокна на воздухе при температуре 250 °C в течение 24 часов. В результате окисления образуются лестничные структуры. После окисления следует стадия карбонизации — нагрева волокна в среде азота или аргона при температурах от 800 до 1500 °C. В результате карбонизации происходит образование графитоподобных структур. Процесс термической обработки заканчивается графитизацией при температуре 1600−3000 °C, которая также проходит в инертной среде. В результате графитизации количество углерода в волокне доводится до 99%. Помимо обычных органических волокон (чаще всего вискозных и полиакрилонитрильных), для получения углеродное волокно могут быть использованы специальные волокна из фенольных смол, лигнина, каменноугольных и нефтяных пеков. 6]

Углеродное волокно имеют исключительно высокую теплостойкость: при тепловом воздействии вплоть до 1600—2000 °С в отсутствии кислорода механические показатели волокна не изменяются. Их предельная температура эксплуатации в воздушной среде составляет 300—350°С. Нанесение на углеродное волокно тонкого слоя карбидов, в частности SiC, или нитрида бора позволяет в значительной мере устранить этот недостаток. Благодаря высокой химической стойкости углеродное волокно применяют для фильтрации агрессивных сред, очистки газов, изготовления защитных костюмов и др. Изменяя условия термообработки, можно получить углеродное волокно с различными электрофизическими свойствами (удельное объёмное электрическое сопротивление от 2· 10?3 до 106 ом/см) и использовать их в качестве разнообразных по назначению электронагревательных элементов, для изготовления термопар и др. 6]

Графит и неграфитированные виды углерода различаются по своим свойствам. По электрическим свойствам и теплопроводности графит превосходит углерод. Технический графит представляет собой поликристаллический жаропрочный материал, получаемый смешением наполнителя (обожженного нефтяного кокса) и связующего — каменноугольного пека. Такую смесь формуют и обжигают в инертной атмосфере. Для ускорения роста кристаллов материал нагревают затем до 1927—3038 С. Технический продукт часто содержит значительное количество графита с дефектной кристаллической решеткой, а также с меж-гранулярными поверхностями раздела и пустотами. Однако недостаточная поверхностная хемостойкость искусственного графита препятствует применению его при высоких температурах. И к окислению ограничивает применение искусственного графита в условиях высоких температур и эрозии. Однако последние исследования в области покрытий для графита указывают на возможность частичного решения этой проблемы в недалеком будущем. Советские и другие исследователи установили, что окислительную деструкцию углеродных материалов и графита при 1200 °C в течение 100 ч можно предотвратить с помощью стеклосилицидных покрытий. Создание фирмой Юнион Карбид Корпорэйшн искусственного графита в виде упругих волокон и тканей уже дало возможность использовать графит во многих новых областях техники, в частности в ракетостроении[6]

3. Определить вид волокна и сделать рисунок его поперечного и продольного сечения, если оно горит небыстро, издаёт запах жжёного рога или пера. При этом образуется чёрный шарик, легко растирающийся в порошок. Волокно растворяется при кипячении в 65% растворе азотной кислоты, а также в концентрированной азотной кислоте и 5 и 40% растворах едкого натра и не растворяется в органических растворителях

.

По характеристики горения это волокно может быть шерстяным или шелковым т.к.: издаёт запах жжёного рога или пера, при этом образуется чёрный шарик, легко растирающийся в порошок. 7]

По действию реагентов это волокно шерсть т.к. волокно растворяется при кипячении в 65% растворе азотной кислоты, а также в концентрированной азотной кислоте и 5 и 40% растворах едкого натра и не растворяется в органических растворителях. 7] Волокно шерсти состоит из трех слоев: чешуйчатого, коркового и сердцевинного (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Строение шерсти. 1- чешуйчатый слой; 2- корковый слой; 3- сердцевинный слой. Продольный вид и поперечный срез волокна шерсти: а) — пух; б) — переходный волос; в) — ость; г) — мертвый волос. 1]

Используемая литература

1. Бузов Б. А. Материаловедение в производстве изделий легкой промышленности (швейное производство) / Б. А. Бузов, Н. Д. Алыменкова; под ред. Б. А. Бузова. — М.: Изд-ий центр «Академия», 2008. — 448 с.

2. Бузов Б. А. Материаловедение швейного производства / Б. А. Бузов, Т. А. Модестова, Н. Д. Алыменкова; под ред. Б. А. Бузова. — М.: Изд-ий центр Легкая индустрия, 1978. — 480 с.

3.Суворова О. В. Материаловедение швейного производства. Учебное пособие. Ростов Н/Д: «Феникс», 2001;416 с.

4. Зазалина З. А., Дружинина Т. В., Конкин А. А. Основы технологии химических волокон: М.: Химия, 1985;304 с.

5.Веселов.В.В., Колотилова Г. В. Химизация технологических процессов швейного производства.-М.: Легпромбытиздат, 1985.-128 с.

6.Структура, свойства и технология получения углеродных волокон: Сб. науч.ст./ Авт.-сост., пер. С. А. Подкопаев.Челябинск.Челяб.гос.ун-т, 2006, 217 с.

7. Исследование структуры и определение свойств волокон и ниток / Сарат.гос.техн.ун-т: Сост. Бесшапошникова В. И. — Саратов, 2009. — 44 с.