Классификация химических волокон
Химическими волокнами называются волокна, получаемые путем химической переработки природных или синтетических высокомолекулярных соединений.
В зависимости от природы исходного полимера химические волокна подразделяются на искусственные и синтетические.
К искусственным относятся волокна, полученные химической переработкой природных высокомолекулярных соединений. К этому классу принадлежат волокна, вырабатываемые из целлюлозы (вискозное, медноаммиачное, ацетатное) и белков (казеиновое) (рис. 4).
К синтетическим относятся волокна, полученные из синтетических полимеров. В зависимости от строения макромолекул эти волокна в свою очередь подразделяются на гетероцепные и карбоцепные.
К гетероцепным относятся волокна, полученные из полимеров, макромолекулы которых, кроме атомов углерода, содержат в основной цепи другие элементы (кислород, азот, серу и др.). Из гетероцепных синтетических волокон наибольшее значение приобрели полиамидные и полиэфирные..
К карбоцепным относятся волокна, полученные из полимеров, у которых основные цепи макромолекул построены только из атомов углерода. Из карбоцепных - полиакрилонитрильные, поливинилхлоридные, поливинилспиртовые и полиолефиновые
Химическое волокно представляет собой одиночное волокно, которое образуется из струйки растворенного или расплавленного полимера, вытекающей из отверстия фильеры.
ИСКУСТВЕННЫЕ ВОЛОКНА
СИНТЕТИЧЕСКИЕ ВОЛОКНА
На предприятиях химических волокон вырабатываются:
- филаментные нити, состоящие из большого числа одиночных тонких волокон большой длины;
- штапельное волокно, представляющее собой короткие отрезки одиночных тонких волокон;
- моноволокно - одиночное волокно большой длины.
Филаментные нити могут быть подразделены на две большие группы:
- текстильные - тонкие крученые нити, используемые преимущественно для изготовления изделий народного потребления;
- кордные - более толстые нити повышенной прочности и повышенной крутки, применяемые в основном при изготовлении пневматических шин и резиновых технических изделий [7].
Свойства химических волокон
| Волокно | Состав | Плот-ность, г/см3 | Проч-ность, МПа | Модуль упругости, ГПа | Набухание в воде,% |
| Вискозное (штапельное) | [С6Н9О4ОН]n | 1,52 | 450-820 500-620 | 10,1-24,0 | 62-70 62-65 |
| Полиамидное (штапельное) | 
| 1,14 | 740-860 410-620 | 2,3-3,0 3,1-5,1 | 9-10 10-12 |
| Полиэфирное (штапельное) | 
| 1,38 | 800-1000 400-580 | 12,4-18,9 | 3-5 3-5 |
| Полиакрилонитрильное (штапельное) | 
| 1,17 | 460-560 210-320 | 4,5-6,0 | 5-6 |
| Поливинилспиртовое (штапельное) | 
| 1,3 | 640-1000 470-700 | 10-35 | |
| Полипропиленовое (штапельное) | 
| 0,9 | 300-650 300-490 | - | |
| Углеродное C | 1,6-1,9 | 1800-2500 | 150-420 | - | |
| Арамидное | 
| 1,44 | 2500-3100 | 60-120 | - |
| Стеклянное | SiO2 | 2,56 | 70-72 | - | |
| Металлическое | Латунированная сталь | 7,85 | - |
ОРГАНИЧЕСКИЕ ВОЛОКНА
Получение арамидных волокон
Сильное межмолекулярное взаимодействие ароматических полиамидов обеспечивает высокие температуры переходов, что практически исключает возможность их переработки из расплава. Поэтому формование волокон проводят из растворов.
Рассмотрим основные стадии традиционной технологии получения арамидного волокна [3]:
1) Синтез волокнообразующего полимера;
2) Формование нитей из поликондиционных растворов;
3) Термообработка и термовытяжка нитей.
Арамидные волокнообразующие полимеры получают методом поликонденсации в растворе при низкой температуре (5-10 °C). Полимер получают добавлением к раствору реагентов при интенсивном перемешивании. Полимер выделяется из исходного раствора в виде геля или крошки, затем он промывается и высушивается.
Полученный полимер растворяется в одной из сильных кислот, например, в концентрированной серной кислоте. Из раствора полимера методом экструзии через фильеры формуются волокна и нити. Температура формования 50-100 °C. Экструдированные волокна проходят небольшую воздушную прослойку (5-20 мм) и попадают в осадительную ванну с холодной водой (менее 4 °C). Волокно промывается, собирается на приемном устройстве и высушивается.
Свойства волокна могут варьироваться при изменении природы использованного растворителя, условий нитеобразования, а также при последующих термических обработках свежесформованных волокон.
Кристаллическая природа полимера обеспечивает высокую термическую стабильность волокон, а наличие ароматических колец в структуре макромолекулы обусловливает химическую стабильность волокон. Благодаря жесткой сетчатой структуре макромолекул арамидные волокна при нагревании не испытывают никаких фазовых превращений вплоть до температуры термического разложения [3].
Свойства арамидных волокон
Главным отличием арамидного волокна является его высочайшая механическая прочность. В зависимости от марки, разрывная прочность волокна может колебаться от 280 до 550 кг/мм² (у стали, для сравнения, этот параметр находится в пределах 50-150 кг/мм², лишь самые высокопрочные сорта стали со специальной обработкой приближаются по прочности к наименее прочным сортам арамида) [10].
Кроме того, арамидное волокно отличается высокой термической стойкостью. Оно способно длительное время работать при температуре 250°C, на короткое время температура может повышаться до 400°C, а при достаточном запасе прочности – ещё выше. Арамид, как и подавляющее большинство других органических соединений, горит в атмосфере кислорода, но концентрации кислорода в воздухе недостаточно для устойчивого горения – волокно быстро самостоятельно гаснет, если находится вне пламени.
Свойства арамидных волокон представлены в таблице 9.1.
Таблица 9.1 – Свойства арамидных волокон
| Арамидные нити | Удельная разрывная нагрузка нити, сн/текс | Прочность нити в микропластике, кг/мм2 | Модуль упругости статич., ГПа | Удлинение нити при разрыве, % не менее | Влагопоглощение, % при относит. влажности 95% в течение 90 суток, 20ºС | Кислотность водной вытяжки |
| Русар НТ* (НИР «Мономер-1») | от 250 | 550-650 | 175-195 | 1,5-2,0 | Нейтральная | |
| Русар-С (ООО «Термотекс») | от 260 | 550-650 | 165-175 | 2,0-3,0 | Кислая | |
| Русар (ОАО «Каменскволокно») | 480-520 | 150-155 | 2,0-3,0 | Кислая | ||
| Русар нейтр.(ОАО «Каменскволокно») | 440-480 | 125 -135 | 2,0-3,0 | Нейтральная | ||
| Кевлар (США)* | до 220 | 380-400 | 150-160 | 1,5-2,0 | Нейтральная |
Для пара-арамидного волокна характерна высокая механическая прочность. Такая высокая прочность сочетается с относительно малой плотностью – 1400-1500 кг/м³ (плотность чистой воды 1000 кг/м³, плотность стали порядка 7800 кг/м³) [10].
Арамидные нити среди всех органических волокон имеют наиболее высокие эксплуатационные характеристики, отличаются наиболее высокими значениями прочности и модуля упругости. Они отличаются устойчивостью к воздействию пламени, высоких температур, органических растворителей, нефтепродуктов. Арамидные волокна менее хрупки по сравнению с углеродными и стеклянными волокнами и пригодны для переработки на обычном оборудовании текстильных производств.
Повышение температуры приводит к снижению прочности арамидных волокон от 3,5 ГПа до 2,7 ГПа. Волокна практически не проявляют ползучести под нагрузкой. Во всем интервале нагрузок вплоть до разрушения зависимость напряжений от деформаций является линейной. На свойства арамидных волокон заметное влияние оказывает скручивание нитей: при повышении степени кручения модуль упругости и прочность волокон заметно снижаются. Полагают, что этот эффект связан с поверхностным повреждением волокон при скручивании. Это предположение подтверждается результатами испытаний волокон на усталость, которые показывают, что волокна могут выдерживать большое число циклов нагружения, если они не испытывают поверхностного трения.
Применение арамидного волокна
Изначально арамидное волокно было создано для армирования автомобильных шин, оно и сейчас с успехом применяется для этого, но за счёт своих высоких характеристик оно нашло самое широкое применение в самых различных отраслях.
Чистое арамидное волокно применяется для изготовления сверхпрочных тросов и тканей, оплётки оптических и иных кабелей.
Композиты на основе арамида имеют высокую прочность при малой массе, что делает их незаменимыми в производстве авиационной и космической техники, спортивных снарядов.
Уникальные механические свойства арамидных волокон, нитей и тканей, разрывная нагрузка которых выше, чем разрывная нагрузка многих сортов стали, сверхвысокая стойкость к истиранию и срабатыванию, обуславливают возможность использования изделий из них в самых суровых условиях эксплуатации, например, в насосах перекачивающих сильно абразивные и агрессивные жидкости.
Арамидные волокна могут применяться там, где использование других материалов невозможно, либо крайне ограничено.