Производство и классификация химических волокон: технологии, свойства, применение

Идея создания химических волокон реализовалась в конце XIX века благодаря прогрессу органической химии. Концептуальным прототипом технологического процесса послужил природный механизм формирования нити шелкопрядом при завивке кокона. С этого момента началась эра активной разработки методов получения волокон небиологического происхождения, что впоследствии коренным образом изменило текстильную промышленность.

В современной мировой индустрии наблюдается устойчивая тенденция к увеличению доли химических волокон в общем объеме текстильного сырья. При этом внутри сегмента происходит структурное изменение: сокращается производство искусственных волокон и стремительно растет выпуск синтетических волокон, особенно полиэфирных. Эта динамика обусловлена экономическими факторами и уникальными потребительскими свойствами синтетических материалов.

Промышленное производство химических волокон представляет собой сложный многоступенчатый процесс. Он включает пять основных технологических этапов: получение и предварительную обработку сырья, приготовление прядильного раствора или расплава, формование нитей, отделку и текстильную переработку. Каждая стадия требует строгого контроля параметров для обеспечения заданных характеристик конечного продукта.

Сырьем для производства служат различные природные и синтетические материалы: древесина, отходы хлопка, нефть, газы, каменный уголь, стекло и металлы. Ключевая технологическая задача заключается в переводе твердого исходного полимера в состояние, пригодное для формирования тонких нитей. Для этого полимер превращают в вязкий расплав или раствор определенной концентрации.

Полученную массу тщательно фильтруют, удаляют пузырьки воздуха и под давлением продавливают через фильеры. Фильеры представляют собой рабочие органы прядильных машин с множеством микроскопических отверстий. Струйки раствора или расплава, выходя из отверстий, затвердевают в воздушной среде или специальном растворе-осадителе, образуя элементарные нити. Использование фильер со сложной конфигурацией отверстий позволяет получать профилированные и полые волокна с особыми свойствами.

Схематическое изображение процесса формования химического волокна: полимерный расплав или раствор под давлением проходит через фильеру, а вытекающие струйки затвердевают, формируя непрерывные нити.

В результате формования получают либо комплексные нити, состоящие из множества элементарных, либо штапельные волокна в виде коротких отрезков. Для производства комплексных нитей применяют фильеры с 12-100 отверстиями, чьи элементарные нити затем соединяют, вытягивают и скручивают. Отделка включает промывку, сушку, крутку и термофиксацию, а иногда также беление и крашение.

При изготовлении штапельного волокна используются фильеры с числом отверстий до 15000. Образованный жгут из элементарных нитей объединяют в ленту, которую затем режут на пучки заданной длины (от 40 до 350 мм). Выпускают штапельный вискозный, штапельный капрон, штапельный лавсан и другие волокна, перерабатываемые в пряжу или нетканые материалы, часто в смеси с натуральными волокнами.

Химические волокна принципиально делятся на два крупных класса: искусственные и синтетические. Искусственные волокна производят из природных высокомолекулярных соединений, главным образом из целлюлозы. К ним относятся вискозное, ацетатное и триацетатное волокна и их модификации. Синтетические волокна создают путем полимеризации низкомолекулярных соединений, полученных из нефти, угля и газа.

Вискозное волокно, наиболее распространенное среди искусственных, вырабатывают из целлюлозы древесины хвойных пород. Оно обладает хорошей гигроскопичностью, мягкостью и светостойкостью, но теряет прочность при намокании и дает усадку. Для улучшения свойств созданы модификации: высокопрочное вискозное волокно, вискозное высокомолекулярное волокно и полинозное волокно, которые превосходят обычную вискозу по прочности, упругости и устойчивости к щелочам.

Микрофотография поперечного сечения обычного вискозного волокна, демонстрирующая сильную изрезанность контура, что обуславливает характерную штриховатость его продольного вида.

Волокна на основе ацетилцеллюлозы (ацетатные и триацетатные) тоньше и легче вискозных, обладают большим блеском, но уступают им по гигроскопичности и прочности. Они склонны к образованию трудноустранимых заминов при намокании. Особенностью ацетатных волокон является способность пропускать ультрафиолетовые лучи, однако низкие потребительские свойства привели к сокращению их производства.

Среди синтетических волокон полиамидные волокна, такие как капрон, отличаются исключительной прочностью и износостойкостью. Они устойчивы к микробиологическому воздействию и действию щелочей. Недостатками являются низкая гигроскопичность и легкоплавкость. Помимо капрона, к этой группе относятся модифицированные волокна: шелон, мегалон и профилированные нити трилобал, имитирующие натуральный шелк.

Полиэфирные волокна, в частности лавсан, занимают лидирующее место в мировом производстве синтетики. Они характеризуются высокой упругостью, формоустойчивостью, термостойкостью и устойчивостью к атмосферным воздействиям. При низкой гигроскопичности лавсан широко применяется в смесях с другими волокнами, а в чистом виде – для изготовления швейных ниток, коврового ворса и технических изделий.

Полиуретановые волокна (например, спандекс или ликра) относятся к эластомерам, обладая беспрецедентной эластичностью. Они способны растягиваться на 600-800% с почти полным восстановлением формы. Эти волокна устойчивы к истиранию и химическим воздействиям, но имеют низкую термостойкость. Их основное применение – создание эластичных элементов в спортивной, корсетной и медицинской продукции.

Полиакрилонитрильные волокна (ПАН), известные как нитрон, – самое теплое и мягкое синтетическое волокно, превосходящее по теплозащите шерсть. Однако оно уступает в стойкости к истиранию и имеет низкую гигроскопичность. Нитрон устойчив к кислотам и органическим растворителям, но разрушается щелочами. Его используют для верхнего трикотажа и в смесях с шерстью.

Поливинилхлоридные волокна (ПВХ) отличаются очень низкой теплопроводностью, негорючестью и стойкостью к химикатам. Они сильно электризуются, накапливая отрицательный заряд, что определило их применение в лечебном белье. Модифицированное ПВХ-волокно – хлорин – обладает еще более высокой химической стойкостью. Оба типа широко используются для технических тканей, ковров и негорючих обивочных материалов.

Поливинилспиртовые волокна, такие как винол, выделяются самой высокой гигроскопичностью среди синтетики, приближаясь к хлопку, и высокой стойкостью к истиранию. Это недорогое волокно применяется для тканей бытового назначения, часто в смеси с натуральными волокнами. Полиолефиновые волокна (полиэтиленовые и полипропиленовые) – самые легкие, прочные и химически стойкие, но легкоплавкие. Они находят применение в технических изделиях, канатах, ковровых покрытиях и декоративных тканях.

Таким образом, разнообразие химических волокон, получаемых по универсальной схеме из различного сырья, обеспечивает текстильную промышленность материалами с заранее заданным комплексом свойств. Постоянное совершенствование технологий и создание новых модификаций позволяет расширять сферы их применения, замещая и дополняя натуральные волокна.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Гущина К.Г., Беляева С.А., Баженов В.И., Юрченко Н.Н. и др.

Источник: Материаловедение швейного производства.

Данные публикации будут полезны студентам специальностей в области легкой промышленности и конструирования одежды, начинающим технологам, конструкторам и дизайнерам швейного производства, а также всем, кто интересуется свойствами и классификацией текстильных материалов.