Синтетические волокна

Реферат

Синтетические волокна

Химические волокна, получаемые из синтетических полимеров

Синтетические волокна формуют либо из расплава полимера (полиамида, полиэфира, полиолефина), либо из раствора полимера (полиакрилонитрила, поливинилхлорида, поливинилового спирта) по сухому или мокрому методу. Синтетические волокна выпускают в виде текстильных и кордных нитей, моноволокна, а также штапельного волокна. Разнообразие свойств исходных синтетических полимеров позволяет получать синтетические волокна с различными свойствами, тогда как возможности варьировать свойства искусственных волокон очень ограничены, поскольку их формуют практически из одного полимера (целлюлозы или её производных). Синтетические волокна характеризуются высокой прочностью, водостойкостью, износостойкостью, эластичностью и устойчивостью к действию химических реагентов.

С 1931 года кроме бутадиенового каучука, синтетических волокон и полимеров еще не было, а для изготовления волокон использовались единственно известные тогда материалы на основе природного полимера - целлюлозы.

Революционные изменения наступили в начале 60-х годов, когда после объявления известной программы химизации народного хозяйства промышленность нашей страны начала осваивать производство волокон на основе поликапроамида, полиэфиров, полиэтилена, полиакрилонитрила, полипропилена и других полимеров.

В то время полимеры считали лишь дешевыми заменителями дефицитного природного сырья - хлопка, шелка, шерсти. Но вскоре пришло понимание того, что полимеры и волокна на их основе подчас лучше традиционно используемых природных материалов - они легче, прочнее, более жаростойки, способны работать в агрессивных средах. Поэтому все свои усилия химики и технологи направили на создание новых полимеров, обладающих высокими эксплуатационными характеристиками, и методов их переработки. И достигли в этом деле результатов, порой превосходящих результаты аналогичной деятельности известных зарубежных фирм.

В начале 70-х за рубежом появились поражающие воображение своей прочностью волокна кевлар (США), несколько позже - тварон (Нидерланды), технора (Япония) и другие, изготовленные из 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 здесь же 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.

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.

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 и пригодная для перекачки минеральных кислот при температурах до 150оС, оказывается вдвое дешевле и служит в шесть раз дольше. Уменьшается и трудоемкость изготовления деталей сложной конфигурации.

Производство синтетических волокон развивается более быстрыми темпами, чем производство искусственных волокон. Это объясняется доступностью исходного сырья и быстрым развитием сырьевой базы, меньшей трудоёмкостью производственных процессов и особенно разнообразием свойств и высоким качеством синтетических волокон. В связи с этим синтетические волокна постепенно вытесняют не только натуральные, но и искусственные волокна в производстве некоторых товаров народного потребления и технических изделий.

В 1968 мировое производство синтетических волокон составило 3760,3 тыс. т (около 51,6% от общего выпуска химических волокон). Впервые выпуск синтетических волокон в промышленном масштабе организован в середине 30-х гг. 20 в. в США и Германии.

Капрон

Волокно из полиамидных смол называют в нашей стране капрон и анид, качеством своим они почти не отличаются один от другого.

Капрон или капроновое волокно - бело-прозрачное, очень прочное вещество. Эластичность капрона на много выше шелка. Капрон относится к полиамидным волокнам. Капрон изготовляется синтетическим путем на наших фабриках и из наших материалов. Исходное сырье - производные аминокислот. Капрон можно рассматривать как продукт внутримолекулярного взаимодействие карбоксильной группы и аминогруппы молекулы 6-аминогексановой кислоты:

Упрощенно превращение капролактама в полимер, из которого производят капроновое волокно, можно представить следующим образом:

Капролактам в присутствии воды превращается в 6-аминогексановую кислоту, молекулы которой реагируют друг с другом. В результате этой реакции образуется высокомолекулярное вещество, макромолекулы которого имеют линейную структуру. Отдельные звенья полимера являются остатками 6-аминогексановой кислоты. Полимер представляет собой смолу. Для получения волокон её плавят, пропускают через фильеры. Струи полимера охлаждаются потоком холодного воздуха и превращаются в волоконца, при скручивании которого образуются нити.

После этого капрон подвергается дополнительной химической обработке. Прочность капрона зависит от технологии и тщательности производства. Окончательно выделанный капрон бело-прозрачный и очень прочный материал. Даже капроновая нить, диаметром 0,1 миллиметра выдерживает 0,55 килограммов.

За рубежом синтетическое волокно типа капрон именуется перлон и нейлон. Капрон вырабатывается нескольких сортов; хрустально-прозрачный капрон более прочен, чем непрозрачный с мутно-желтоватым или молочным оттенком.

Наряду с высокой прочностью капроновые волокна характеризуются устойчивостью к истиранию, действию многократной деформации (изгибов).

Капроновые волокна не впитывают влагу, поэтому не теряют прочности во влажном состоянии. Но у капронового волокна есть и недостатки. Оно малоустойчиво к действию кислот - макромолекулы капрона подвергаются гидролизу по месту амидных связей. Сравнительно невелика и теплостойкость капрона. при нагревании его прочность снижается, при 215⁰С происходит плавление.

Изделия из капрона, и в сочетании с капроном, стали уже обычными в нашем быту. Из капроновых нитей шьют одежду, которая стоит намного дешевле, чем одежда из натуральных природных материалов. Из капрона делают рыболовные сети, леску, фильтровальные материалы, кордную ткань. Из кордной ткани делают каркасы авто- и авиапокрышек. Шины с кордом из капрона более износоустойчивы, чем шины с вискозным и х/б кордом. Капроновая смола используется для получения пластмасс, из которых изготавливают различные деталь машин, шестерни, вкладыши для подшипников и т.д. Российская промышленность вырабатывает искусственное волокно еще более прочное, чем капрон , например сверхпрочный ацетатный шелк, который своей прочностью превосходит стальную проволоку. Этот шелк на один квадратный миллиметр выдерживает 126 кг, а стальная проволока - 110 кг.

Лавсан

Лавсан (полиэтилентерефталат) - представитель полиэфиров. Это продукт поликонденсации двухатомного спирта этиленгликоля HO-CH₂CH₂-OH и двухосновной кислоты - терефталевой (1,4-бензолдикарбоновой) кислоты HOOC-C₆H₄-COOH (обычно используется не сама терефталевая кислота, а ее диметиловый эфир). Полимер относится к линейным полиэфирам и получается в виде смолы. Наличие регулярно расположенных по цепи макромолекулы полярных групп -О-СО- приводит к усилению межмолекулярных взаимодействий, придавая полимеру жесткость. Макромолекулы в нем расположены беспорядочно, в волокне же они должны быть ориентированны вдоль его оси, чтобы оно приобрело необходимую прочность. С этой целью синтезированную смолу плавят и пропускают через фильеры со множеством отверстий. Тонкие струи полимера опускаются в шахту, куда поступает холодный воздух. При охлаждении струйки превращаются в тонкие волоконца. Прядение волокна на основе лавсана осуществляется из расплава с последующей вытяжкой нитей при 80-120°С. Волокно обладает высокой механической прочностью и устойчивостью к действию повышенных температур, света, окислителей, является хорошим диэлектриком. Лавсан является полноценным заменителем натуральной шерсти. Пленки из него при очень малой толщине обладают большой прочностью. Это свойство используется при изготовлении магнитофонной ленты.

Волокно лавсан добавляют к шерсти для изготовления немнущихся высококачественных тканей и трикотажа. Его применяют также для производства транспортерных лент, ремней, занавесей, парусов и т.д.