Fiber¶

Fiber (от англ. fiber — волокно) — это общее название для широкого класса материалов, состоящих из тонких, гибких нитей, длина которых значительно превышает их поперечное сечение. В зависимости от контекста термин может обозначать как натуральные или синтетические текстильные волокна, так и оптическое волокно, используемое для передачи данных. В русскоязычной научно-технической литературе чаще применяется термин «волокно», однако в сферах информационных технологий, фитнеса и пищевой промышленности распространено англоязычное заимствование «fiber».

¶Классификация волокон

Волокна классифицируются по происхождению, химическому составу, физическим свойствам и области применения.

¶По происхождению

• Натуральные волокна — образуются в природе без участия человека. Делятся на:
• Растительные: хлопок, лён, джут, конопля, кокосовая койра, рами. Основной компонент — целлюлоза.
• Животные: шерсть (овец, коз, альпака, верблюдов), шёлк (выделяемый гусеницами тутового шелкопряда). Основной компонент — белки (кератин, фиброин).
• Минеральные: асбест (волокнистый силикатный минерал). Ввиду доказанной канцерогенности, использование асбеста в большинстве стран, включая Россию, строго ограничено или запрещено.
• Химические волокна — создаются человеком в промышленных условиях. Делятся на:
• Искусственные: получают из природных полимеров (целлюлозы) путём химической переработки. Примеры: вискоза, ацетатный шёлк, медно-аммиачное волокно.
• Синтетические: получают из синтетических полимеров (продуктов нефтехимии). Примеры: полиэстер, нейлон (полиамид), акрил, полипропилен, кевлар (пара-арамид), углеродное волокно.
• Композитные и нановолокна: материалы, созданные путём комбинирования нескольких компонентов или с использованием нанотехнологий (например, углеродные нанотрубки).

¶По длине

• Штапельные волокна — короткие отрезки (обычно от 1 до 15 см), которые скручиваются в пряжу. Характерны для большинства натуральных волокон (хлопок, шерсть) и некоторых искусственных.
• Непрерывные нити (филаменты) — очень длинные (километровые) нити. Характерны для шёлка и всех синтетических волокон.

¶История развития

Использование волокон человеком началось в эпоху неолита. Древнейшие свидетельства обработки льна (окрашенные льняные волокна) найдены в пещере Дзудзуана (Грузия) и датируются около 30 000 лет до н. э. Прядение и ткачество из шерсти и хлопка были известны в Древнем Египте, Месопотамии, Индии и Китае.

Ключевым этапом стало изобретение первого искусственного волокна — вискозы — в 1891 году французским химиком Илером де Шардонне. Промышленное производство синтетических волокон началось в 1930-х годах с нейлона (компания DuPont, США, 1935). В СССР массовое производство синтетических волокон (капрон, лавсан, нитрон) было налажено в 1950–1960-х годах.

Развитие оптического волокна связано с работами инженеров Корнинга (США) в 1970-х годах, когда было создано волокно с достаточно низким затуханием сигнала для практического применения в телекоммуникациях.

¶Физико-химические свойства

Свойства волокон определяют их применение:

• Прочность на разрыв: измеряется в Н/текс или кгс/мм². Наибольшей прочностью обладают арамидные волокна (кевлар) и углеродное волокно.
• Удлинение при разрыве: характеризует эластичность. Резиновые нити (спандекс) имеют удлинение до 600%, в то время как стекловолокно — менее 3%.
• Гигроскопичность: способность впитывать влагу. Хлопок и вискоза — высокогигроскопичны, полиэстер и полипропилен — практически не впитывают воду.
• Термостойкость: устойчивость к высоким температурам. Асбест выдерживает до 1500 °C, кевлар — до 500 °C, полиэтилен плавится при 130 °C.
• Химическая стойкость: устойчивость к кислотам, щелочам, растворителям. Полипропилен устойчив к большинству химикатов, вискоза разрушается в щелочах.
• Электрические свойства: большинство волокон — диэлектрики, однако углеродное волокно обладает электропроводностью.

¶Применение

¶Текстильная промышленность

Наиболее массовая сфера использования. Волокна применяются для производства:

• Одежды: от повседневной (хлопок, полиэстер) до специализированной (термостойкая — кевлар, влагозащитная — мембранные ткани).
• Технического текстиля: тенты, канаты, фильтры, геотекстиль, шинный корд.
• Домашнего текстиля: постельное бельё, полотенца, шторы, ковры.

¶Оптические телекоммуникации

Оптическое волокно — это тонкая (диаметром 125 мкм) нить из кварцевого стекла или прозрачного пластика, по которой световой сигнал передаётся на большие расстояния с минимальными потерями. Используется в:

• Магистральных линиях связи (Интернет, телефонная связь).
• Локальных вычислительных сетях.
• Кабельном телевидении.
• Медицинских эндоскопах и лазерных хирургических инструментах.

¶Композитные материалы

Волокна (углеродные, стеклянные, арамидные, базальтовые) используются в качестве армирующего наполнителя в композитах. Такие материалы сочетают высокую прочность и лёгкость, применяются в:

• Авиастроении и ракетостроении.
• Автомобилестроении (кузовные детали, карбоновые элементы).
• Строительстве (арматура, панели).
• Производстве спортивного инвентаря (велосипеды, хоккейные клюшки, лыжи).

¶Пищевая промышленность и медицина

Термин «fiber» в контексте питания обозначает пищевые волокна (клетчатку) — неусвояемые углеводы, содержащиеся в овощах, фруктах, зерновых и бобовых. Они играют важную роль в пищеварении, нормализуют перистальтику кишечника и снижают уровень холестерина. В медицине волокна используются для производства хирургических нитей (кетгут, викрил), перевязочных материалов и фильтров для диализа.

¶Производство

Технология производства зависит от типа волокна.

• Натуральные волокна: требуют сбора (стрижка овец, сбор хлопка-сырца), очистки (от семян, жира, грязи) и вычёсывания.
• Химические волокна: производятся методом прядения из расплава или мокрого прядения. Полимер (например, полиэтилентерефталат для полиэстера) плавится или растворяется, затем продавливается через фильеры (мельчайшие отверстия) в охлаждающую или осадительную ванну, где застывает в виде тонких нитей. После вытяжки и термофиксации нити наматываются на бобины.
• Оптическое волокно: изготавливается методом химического осаждения из газовой фазы (MCVD, PCVD) или вытяжки из преформы — заготовки из сверхчистого кварцевого стекла.

¶Экологические аспекты

Производство и утилизация волокон оказывают значительное влияние на окружающую среду.

• Натуральные волокна: выращивание хлопка требует больших объёмов воды и пестицидов. Шерстяное производство связано с выбросами метана (парниковый газ) и использованием химикатов для мойки шерсти.
• Синтетические волокна: производство энергоёмко и основано на невозобновляемых ресурсах (нефть, газ). При стирке синтетической одежды выделяются микропластиковые частицы, загрязняющие океан. Синтетика практически не разлагается в природе.
• Оптическое волокно: производство кварцевого стекла также энергозатратно, однако само волокно является долговечным и не выделяет вредных веществ в процессе эксплуатации.
• Утилизация: существуют технологии вторичной переработки полиэстера (из пластиковых бутылок) и нейлона, но доля переработанных волокон в мировом производстве остаётся невысокой (менее 15%).

¶Интересные факты

• Самое прочное волокно в мире на сегодняшний день — углеродная нанотрубка. Её прочность на разрыв в 100 раз выше стали при весе в 6 раз меньше.
• Оптическое волокно способно передавать данные со скоростью до 1 Петабита в секунду (1 000 000 Гбит/с) на расстояние в сотни километров без ретрансляции.
• Паутина — природное волокно, которое по прочности превосходит кевлар и по эластичности — нейлон. Искусственное производство паучьего шёлка (рекомбинантного спидроина) — активно развивающаяся биотехнология.
• В России одним из крупнейших производителей химических волокон является ОАО «КуйбышевАзот» (тольяттинский завод по выпуску капроновых нитей и кордной ткани).

¶Источники

1. Каргин В. А. (ред.). Энциклопедия полимеров. — М.: Советская энциклопедия, 1972–1977.
2. Перепелкин К. Е. Армирующие волокна и волокнистые полимерные композиты. — СПб: Научные основы и технологии, 2009.
3. Геллер Б. Э., Геллер В. Э. Практическое руководство по физико-химии волокнообразующих полимеров. — М.: Химия, 1996.
4. Справочник по текстильным волокнам (Textile Fibers: A Comprehensive Handbook) / под ред. С. Гупты. — Woodhead Publishing, 2015.
5. Технический регламент Таможенного союза «О безопасности продукции легкой промышленности» (ТР ТС 017/2011).
6. Данные Международного союза электросвязи (ITU) по стандартам оптического волокна (ITU-T G.652, G.657).