Химические волокна

Химические волокна — это волокна, получаемые из природных или синтетических полимеров путём химической переработки. В отличие от натуральных волокон (хлопок, лён, шерсть, шёлк), химические волокна производятся промышленным способом, что позволяет придавать им заданные свойства: прочность, эластичность, устойчивость к воздействию света, влаги, микроорганизмов и химических реагентов. Химические волокна составляют основу современной текстильной промышленности, используются в производстве одежды, технических тканей, нетканых материалов, композитов и медицинских изделий.

История

Первые попытки получения искусственных волокон относятся к концу XIX века. В 1884 году французский химик Илер де Шардонне получил нитроцеллюлозное волокно, которое стало прообразом вискозы. В 1891 году в Великобритании была организована промышленная выработка вискозного волокна. В России первый завод по производству вискозного шёлка был пущен в 1927 году в городе Мытищи.

Развитие химии полимеров в XX веке привело к созданию синтетических волокон. В 1935 году американский химик Уоллес Карозерс синтезировал полиамид (нейлон), который начал выпускаться с 1938 года. В 1941 году в Великобритании были получены полиэфирные волокна (лавсан, полиэстер). В СССР синтетические волокна начали производить с 1948 года — сначала полиамидные (капрон), затем полиэфирные и полиакрилонитрильные (нитрон). К 1970-м годам объём производства химических волокон в мире превысил объём производства натуральных.

Классификация

Химические волокна делятся на две основные группы: искусственные и синтетические.

Искусственные волокна

Искусственные волокна получают из природных полимеров (целлюлоза, белки) путём химической модификации. Основные виды:

• Вискозное волокно — наиболее распространённое искусственное волокно. Получается из целлюлозы (древесной или хлопковой) через обработку щёлочью и сероуглеродом. Обладает гигроскопичностью, мягкостью, хорошо окрашивается. Применяется в производстве одежды, белья, технических тканей.
• Ацетатное волокно — получается из ацетилцеллюлозы. Менее гигроскопично, чем вискоза, но более эластично и блестит. Используется для подкладок, галстуков, декоративных тканей.
• Триацетатное волокно — устойчиво к нагреву и свету, применяется в технических целях.
• Медно-аммиачное волокно (купра) — производится из целлюлозы, растворённой в медно-аммиачном растворе. Отличается высокой прочностью и тонкостью, используется для высококачественного белья и чулочно-носочных изделий.

Синтетические волокна

Синтетические волокна получают из синтетических полимеров, созданных путём полимеризации или поликонденсации мономеров. Основные виды:

• Полиамидные волокна (нейлон, капрон, найлон) — прочные, эластичные, устойчивы к истиранию. Применяются в производстве чулок, купальников, спортивной одежды, парашютов, рыболовных сетей.
• Полиэфирные волокна (лавсан, полиэстер, терилен) — обладают высокой прочностью, формоустойчивостью, низкой гигроскопичностью. Широко используются в одежде, домашнем текстиле, утеплителях (синтепон).
• Полиакрилонитрильные волокна (нитрон, акрил) — по свойствам напоминают шерсть, мягкие, объёмные, устойчивы к свету. Применяются в трикотаже, коврах, искусственном мехе.
• Полиуретановые волокна (спандекс, эластан) — сверхэластичные, способны растягиваться в 5–7 раз. Используются в спортивной одежде, купальниках, корсетных изделиях.
• Полиолефиновые волокна (полипропилен, полиэтилен) — лёгкие, не впитывают влагу, химически стойкие. Применяются в геотекстиле, фильтрах, упаковке, канатах.
• Поливинилхлоридные волокна (хлорин) — устойчивы к кислотам и щелочам, негорючи. Используются в спецодежде, фильтровальных тканях.
• Арамидные волокна (кевлар, номекс) — сверхпрочные, термостойкие. Применяются в бронежилетах, касках, тормозных колодках, авиационной и космической технике.

Технология производства

Производство химических волокон включает несколько этапов:

1. Подготовка сырья. Полимер (природный или синтетический) растворяют или расплавляют для получения прядильного раствора (расплава).
2. Формование. Раствор или расплав продавливают через фильеры — металлические пластины с мельчайшими отверстиями (диаметром от 0,05 до 0,5 мм). Струи полимера затвердевают в виде тонких нитей.
3. Вытяжка. Нити вытягивают для ориентации молекул вдоль оси волокна, что увеличивает прочность.
4. Отделка. Волокна промывают, сушат, обрабатывают замасливателями для снижения электризации и улучшения текстильных свойств.
5. Текстильная переработка. Волокна режут на штапель (короткие отрезки), скручивают в нити или формируют жгут.

Способы формования различаются в зависимости от типа волокна:

• Мокрый способ — раствор полимера подаётся в осадительную ванну, где происходит затвердевание (вискоза, акрил).
• Сухой способ — раствор полимера выдувается в горячий воздух, растворитель испаряется (ацетат, полиакрилонитрил).
• Из расплава — расплавленный полимер выходит из фильеры и охлаждается (полиамид, полиэстер, полипропилен).

Свойства и характеристики

Химические волокна обладают рядом общих свойств, которые отличают их от натуральных:

• Прочность — многие синтетические волокна (полиамид, арамид) значительно прочнее натуральных.
• Эластичность — полиуретановые волокна могут растягиваться до 700 %.
• Устойчивость к микроорганизмам — синтетические волокна не гниют, не поражаются плесенью.
• Химическая стойкость — полиэфирные и полиолефиновые волокна устойчивы к кислотам и щелочам.
• Низкая гигроскопичность — большинство синтетических волокон плохо впитывают влагу, что может вызывать дискомфорт при носке.
• Электризуемость — синтетические волокна накапливают статическое электричество.
• Термопластичность — многие волокна можно формовать при нагреве (полиэстер, полиамид).

Недостатки: низкая гигроскопичность, склонность к пиллингу (образованию катышков), электризация, сложность утилизации (синтетические волокна разлагаются десятилетиями).

Применение

Химические волокна используются в различных отраслях:

• Текстильная промышленность — производство одежды (спортивной, повседневной, специальной), белья, чулочно-носочных изделий, домашнего текстиля (шторы, ковры, постельное бельё).
• Технический текстиль — геотекстиль, фильтровальные ткани, канаты, шнуры, ремни, шинный корд.
• Медицина — хирургические нити, перевязочные материалы, искусственные сосуды, импланты (полипропилен, полиэстер).
• Автомобильная и авиационная промышленность — армирование шин, производство композитов, салонов автомобилей.
• Строительство — армирование бетона, теплоизоляция (полиэфирные утеплители), геомембраны.
• Сельское хозяйство — укрывные материалы, мешки для удобрений, шпагат.
• Оборонная промышленность — бронежилеты, каски, парашюты, тенты.

Экологические аспекты

Производство и утилизация химических волокон связаны с экологическими проблемами. Искусственные волокна (вискоза) требуют больших объёмов воды и химикатов, что приводит к загрязнению сточных вод. Синтетические волокна производятся из нефтепродуктов, их разложение в природе занимает сотни лет. Микропластик, образующийся при стирке синтетической одежды, попадает в Мировой океан и накапливается в живых организмах.

В 2010-х годах получили развитие технологии переработки химических волокон (рециклинг полиэстера, полиамида). Производятся волокна из вторичного сырья (например, полиэстер из ПЭТ-бутылок). Разрабатываются биоразлагаемые синтетические волокна на основе полилактида (PLA) и других полимеров растительного происхождения.

Интересные факты

• Первое синтетическое волокно — нейлон — было продемонстрировано на Всемирной выставке в Нью-Йорке в 1939 году.
• В СССР капрон (полиамид-6) был разработан в 1947 году под руководством академика В. А. Каргина.
• Арамидное волокно кевлар в 5 раз прочнее стали при равном весе.
• Из одного кубометра древесины можно получить около 200 кг вискозного волокна, что эквивалентно урожаю хлопка с 0,5 га.
• Спортивная одежда из полиэстера и эластана стала стандартом в профессиональном спорте благодаря лёгкости и влагоотведению.

Источники

1. Перепелкин К. Е. «Химические волокна: Свойства, получение, применение». — М.: Химия, 1991.
2. Роговин З. А. «Основы химии и технологии химических волокон». — М.: Химия, 1974.
3. Кукин Г. Н., Соловьев А. Н. «Текстильное материаловедение». — М.: Легпромбытиздат, 1989.
4. ГОСТ 26095-84 «Волокна химические. Термины и определения».
5. Пахомов А. В. «Синтетические волокна: производство и применение». — М.: Научные основы и технологии, 2015.