Синтетические волокна. Виды синтетических тканей, их характеристика Химические свойства синтетических волокон

Современные технологии коснулись всех сфер человеческой жизнедеятельности. Пожалуй, текстильная промышленность - самый яркий пример науки, поставленной на службу бытовой повседневности. Благодаря химическому синтезу человек научился получать волокна с заданными свойствами. Следует различать ткани искусственные и синтетические.

Синтетику производят из полимеров, полученных путем определенных химических реакций. Сырьем для нее служат нефтепродукты, природный газ или каменный уголь. Из синтетических тканей с особыми свойствами изготавливают спецодежду, защитную одежду для экстремальных условий, спортивную форму.

Искусственные волокна производят путем физической обработки сырья. Наиболее известным примером такой ткани является вискоза, получаемая из целлюлозы (древесины).

Ткани из синтетических волокон обладают рядом преимуществ и недостатков по сравнению с натуральными материалами.

Общие свойства синтетических волокон

Несмотря на все свое разнообразие, большинство искусственных материалов обладают общими особенностями. К достоинствам синтетических тканей относятся следующие качества.

• Долговечность . Искусственные ткани имеют повышенную износостойкость, не подвержены гниению, порче вредителями и плесневыми грибками. Специальная технология отбеливания и последующего окрашивания волокна обеспечивает стойкость цвета. Некоторые группы синтетических тканей неустойчивы к воздействию солнечных лучей.
• Легкость . Одежда из синтетики весит намного меньше, чем ее натуральные аналоги.
• Быстро сохнут. Большинство синтетических волокон не впитывают влагу или имеют водоотталкивающие свойства, то есть обладают низкой гигроскопичностью.
• Благодаря масштабному промышленному производству и дешевизне исходного сырья большинство искусственных тканей имеют низкую стоимость. При производстве получают высокую производительность труда и низкую себестоимость, что стимулирует развитие отрасли. Многие производители регулируют технологические характеристики материала в соответствии с пожеланиями крупных заказчиков.

Недостатки обуславливаются тем фактором, что искусственный материал может плохо влиять на живой организм.

• Синтетика накапливает статическое электричество (электризуется).
• Возможно возникновение аллергии, индивидуальная непереносимость химических компонентов.
• Большинство искусственных тканей плохо впитывают влагу - соответственно, не впитывают пот и обладают низкими гигиеническими свойствами.
• Не пропускают воздух - это также имеет значение для производства одежды и белья.

Некоторые свойства синтетических тканей могут иметь как положительный, так и отрицательный смысл в зависимости от того, как применяется материал. Например, если ткань не пропускает воздух, это негигиенично для Но верхняя спецодежда из такого материала будет весьма уместна для защиты от неблагоприятных погодных условий.

Производство синтетических тканей

Первые патенты на изобретение синтетических волокон относятся к периоду 30-х годов прошлого столетия. В 1932 году в Германии освоили выпуск поливинилхлоридного волокна. В 1935 году в лаборатории американской компании DuPont синтезировали полиамид. Материал получил название "нейлон". Промышленное производство его начали в 1938 году, а год спустя он получил широкое применение в текстильной промышленности.

В СССР курс на широкое внедрение достижений химической науки был взят в 60-х годах. Первоначально синтетику воспринимали как дешевый заменитель натуральных тканей, затем ее стали использовать для изготовления спецодежды и защитных костюмов. По мере развития научной базы стали создавать ткани с различными свойствами. Новые полимеры обладают неоспоримыми преимуществами по сравнению с натуральными тканями: они легче, прочнее и более устойчивы к воздействиям агрессивных сред.

Ткани искусственные и синтетические различаются по методу изготовления и показателям экономики производства. Сырье для производства синтетики намного дешевле и доступнее, поэтому именно эта отрасль промышленности получила приоритет в развитии. Макромолекулы волокна синтезируют из низкомолекулярных соединений. Современные технологии обеспечивают получение материала с заранее заданными характеристиками.

Нити формируют из расплавов или растворов. Они могут быть одиночными, комплексными или в виде жгутов для получения волокон определенной длины (затем из них производят пряжу). Кроме нитей, из исходной синтетической массы формируют пленочные материалы и штампованные изделия (детали обуви и одежды).

Разновидности синтетики

В настоящее время изобрели несколько тысяч химических волокон, и каждый год появляются новые материалы. По химической структуре все виды синтетических тканей делятся на две группы: карбоцепная и гетероцепная. Каждая группа подразделяется на подгруппы, обладающие сходными физическими и эксплуатационными свойствами.

Карбоцепная синтетика

Химическая цепочка макромолекулы карбоцепных синтетических тканей состоит в основном из атомов углерода (углеводородов). В группе выделяют следующие подгруппы:

• полиакрилонитрильную;
• поливинилхлоридную;
• поливинилспиртовую;
• полиэтиленовую;
• полипропиленовую.

Гетероцепная синтетика

Это ткани из синтетических волокон, в молекулярный состав которых, кроме углерода, включены атомы других элементов: кислорода, азота, фтора, хлора, серы. Такие включения придают исходному материалу дополнительные свойства.

Виды синтетических тканей гетероцепной группы:

• полиэфирные;
• полиамидные;
• полиуретановые.

Лайкра: полиуретановые синтетические ткани

Названия, применяемые торговыми корпорациями: эластан, лайкра, спандекс, неолан, дорластан. Полиуретановые нити способны к обратимым механическим деформациям (наподобие резины). Эластан способен растягиваться в 6-7 раз, свободно возвращаясь в исходное состояние. Имеет низкую температурную устойчивость: при повышении температуры до +120 °С волокно теряет свою эластичность.

Полиуретановые нити не применяют в чистом виде - их используют в качестве каркаса, навивая вокруг другие волокна. Материал, содержащий такую синтетику, обладает эластичностью, хорошо растягивается, упругий, устойчивый к истиранию, прекрасно пропускает воздух. Вещи из тканей с добавлением полиуретановых нитей не мнутся и сохраняют первоначальную форму, устойчивы к свету, долго сохраняют первоначальный цвет. Ткань не рекомендуется сильно отжимать, перекручивать, сушить в растянутом виде.

Капрон: полиамидная синтетика

Свое название материал получил благодаря амидной группе, входящей в состав ткани. Капрон и нейлон - наиболее известные представители этой группы. Основные свойства: повышенная прочность, хорошо держит форму, не подвержен гниению, легкий. В свое время капрон заменил шелк, применяемый для изготовления парашютов.

У синтетических волокон полиамидной группы низкая устойчивость к повышенным температурам (начинает плавиться при +215 °С), они желтеют на свету и под воздействием пота. Материал не впитывает влагу и быстро сохнет, накапливает и плохо удерживает тепло. Из него производят женские колготки и леггинсы. В состав ткани капрон и нейлон вводят в количестве 10-15%, что повышает прочность натуральных материалов без ухудшения их гигиенических свойств. Из таких материалов производят носки и

Другие торговые названия синтетических материалов полиамидной группы: анид, перлон, мерил, таслан, джордан и хеланка.

Велсофт - толстая ткань с ворсом, составляет конкуренцию махре. Из него шьют детскую одежду, халаты и пижамы, вещи для дома (полотенца и пледы). Материал приятен на ощупь, хорошо пропускает воздух, не мнется, не садится, не линяет. Устойчив к стирке, быстро сохнет. Набивной рисунок не выцветает со временем.

Лавсан: полиэфирные волокна

Полиэфирная синтетика обладает повышенной упругостью, износостойкостью, ткани из нее не садятся, не мнутся и хорошо держат форму. Основное достоинство по сравнению с другими группами синтетических тканей - повышенная термостойкость (выдерживает свыше +170 °С). Материал жесткий, не впитывает влагу, не собирает пыль, не выгорает на солнце. В чистом виде его используют для изготовления штор и занавесок. В смеси с применяют для изготовления плательных и костюмных тканей, а также материала для пальто и Полиэфирное волокно обеспечивает устойчивость к истиранию и сминанию, а натуральные нити обуславливают гигиеничность, которой не обладают синтетические ткани. Названия тканей из полиэфирных материалов: лавсан, полиэстер, терилен, тревира, тергаль, диолен, дакрон.

Флис - синтетическая мягкая ткань из полиэстера, по виду похожа на овечью шерсть. Одежда из флиса мягкая, легкая, теплая, воздухопроницаемая, эластичная. Материал легко стирается, быстро сохнет и не нуждается в глажке. Флис не вызывает аллергию, поэтому широко применяется для изготовления детской одежды. Со временем ткань растягивается и теряет форму.

Полисатин изготавливают из полиэстера в чистом виде или в комбинации с хлопком. Материал плотный, гладкий и слегка блестящий. Быстро сохнет, не садится, не изнашивается, не линяет. Применяют для изготовления постельного белья, изделий для дома (штор, скатертей, обивки для мебели), домашней одежды, галстуков и шарфов. Очень популярное сегодня постельное белье с 3D-рисунком изготавливают именно из полисатина.

Акрил: полиакрилонитрильные материалы

По механическим свойствам близок к волокнам шерсти, поэтому акрил иногда называют «искусственной шерстью». Синтетика устойчива к солнечным лучам, она термостойкая, прекрасно держит форму. Не впитывает влагу, жесткая, электризуется, истирается.

Применяют в комбинации с шерстью для производства ткани для мебели, детских матрасов, пошива верхней одежды и изготовления искусственного меха. Акрил не образует катышков, что делает его незаменимой добавкой в шерстяную пряжу для вязания. Вещи из комбинированной пряжи меньше растягиваются, они более прочные и легкие.

Торговые названия полиакрилонитрильных материалов: акрилан, нитрон, кашмилон, дралон, долан, орлон.

Спектра и дайнема: полиолефиновые волокна

В этой группе различают полиэтиленовые и Наиболее легкие из всех видов синтетики, полиолефиновые материалы не тонут в воде, отличаются низкой гигроскопичностью и хорошими теплоизоляционными свойствами, растяжимость волокна практически равна нулю. Имеют низкую температурную устойчивость - до +115 °С. Применяются при создании двухслойных материалов, для пошива спортивной и рыбацкой одежды, фильтровальных и обивочных материалов, брезента, ковров. В комбинации с натуральными волокнами - для производства нижнего белья и чулочно-носочных изделий.

Торговые названия: спектра, дайнема, текмилон, геркулон, ульстрен, найден, мераклон.

Поливинилхлоридные синтетические ткани

Материал отличается высокой устойчивостью к химически агрессивным веществам, низкой электропроводностью и неустойчивостью к температурным воздействиям (разрушается при 100°С). После температурной обработки дает усадку.

В чистом виде из него изготавливают защитную спецодежду. С его помощью получается плотная синтетическая ткань - искусственная кожа, также изготавливают искусственный мех и ковровые покрытия.

Торговые названия: тевирон, хлорин, виньон.

Поливинилспиртовые волокна

К этой группе относятся винол, мтилан, винилон, куралон, виналон. Они обладают всеми достоинствами синтетики: прочные, износоустойчивые, устойчивы к свету и температурным воздействиям. По растяжимости и упругости имеют средние показатели. Отличительная особенность - хорошо впитывают влагу, изделия из синтетических тканей этой группы обладают высокой гигроскопичностью, сравнимой со свойствами хлопковых изделий. Под воздействием воды винол удлиняется и немного усаживается, его прочность понижается. По сравнению с другим химическими волокнами, он менее устойчив к химическим воздействиям.

Винол применяется для изготовления одежды, нижнего белья, в комбинации с хлопком и вискозой - для производства чулочно-носочных изделий. Материал не скатывается, не вытирается, имеет приятный блеск. Недостаток изделий из винола - они быстро загрязняются.

Мтилан используют для производства хирургических нитей.

Комбинация различных волокон дает интересные технологические характеристики. Яркий пример - широко известная на сегодняшний день микрофибра. Изготавливают ее из комбинации нейлоновых и полиэфирных волокон. Микрофибра не скатывается, не линяет, обладает повышенной гигроскопичностью, при этом быстро сохнет. Ее используют для производства трикотажных и нетканого полотна. В зависимости от толщины волокна и его модификации варьируют мягкость и износостойкость конечного продукта. Микроволокно не смешивают с другими волокнами, уход за изделиями чрезвычайно прост - они не боятся стирки, химчистки и температурных воздействий. Благодаря множеству воздушных пор, ткань способствует поддержанию оптимальной температуры тела, но в то же время прекрасно защищает от ветра. Из микрофибры изготавливают спортивную и верхнюю одежду, домашний текстиль, салфетки и губки для клининга.

Как видим, химически синтезированные волокна широко применяются в производстве товаров легкой промышленности. Из них изготавливают спортивную и спецодежду, ткани для мебели и декорирования интерьера помещений, весь спектр повседневной одежды: от нижнего белья до материалов для пальто и искусственного меха. Современные ткани обладают рядом достоинств, недоступных их предшественникам: они могут быть гигроскопичными, «дышащими» и хорошо сохранять тепло. Комбинация различных волокон в одной нити, а также создание многослойных тканей позволяют производителям полностью удовлетворять запросы современного мира.

Синтетическими волокнами называют волокна, при получении которых происходит синтез простых молекул. К синтетическим волокнам относятся: лавсан, нитрон, капрон, хлорин, винол, полиэтиленовые, полипропиленовые и другие волокна. В зависимости от сырья получаются такие полимеры: полиамидные, полиэфирные, полиакрилонитрильные, поливинилхлоридные, поливинилспиртовые, полиуретановые. Особенностью создания химического волокна является то, что процесс формирования одновременно является и его прядением.

Полиамидные волокна . Наиболее широко распространяемые полиамидные капроновые волокна. Исходным сырьём для получения капронового волокна является бензол и фенол (продукты переработки каменного угля). На химических заводах перерабатываются в капролактан . Из капронолактана перерабатывается капроновая смола. Это расплав, который продавливается щель из фильеры выходит в виде тонких струек, которые застывают при обдувании воздухом. На одной машине может находиться 60 — 100 фильер. В зависимости от вида химического волокна фильера имеет различное количество отверстий различной величины. Волокна вытягиваются, скручиваются, обрабатываются горячей водой для фиксации структуры. Также разработаны способы получения полого капронового волокна, которое профилированное и высокоусадочное. Применяется для изготовления ткани чулочно — носочных изделий, трикотажа, швейных ниток и технического назначения. Процессы изготовления анида и энанта аналогичны с изготовлением капронового волокна.

Свойства полиамидных волокон: легкость, упругость, высокая прочность при растяжении, высокая химическая стойкость, морозостойкость, стойкость к действию микроорганизмов и плесени. Волокна растворяются в концентрированных кислотах и феноле.

Горят волокна голубоватым пламенем образуя в конце оплавленный бурый шарик.

К полиамидным относится шелок — который применяется для изготовления легких платьевых и блузочных тканей и мегалоп — химически модифицированное волокно, гигроскопическое, прочное, стойкое к истиранию, придаёт ткани повышенный мерцающий блеск. Полиамидная профилированная нить — трилобал применяется для тканей шелкового типа, близких по внешнему виду к натуральному шёлку.

Полиэфирные волокна . Лавсан вырабатывается из продуктов переработки нефти. Не меняет своих свойств в мокром состоянии.

Свойства волокон лавсана: обладают легкостью, упругостью, молестойкие, стойкие к гниению, разрушается кислотами и щелочами, гигроскопичность очень низкая 0,4%. При влажной тепловой обработке выдерживают температуру 140ºС. При внесении в пламя лавсан плавится, затем медленно горит жёлтым коптящим пламенем.

Полиуретановые волокна . По своим физико-механическим свойствам относится к эланомерам, т.е. имеет высокие показатели эластического восстановления. Разрывное удлинение 600% — 800%. При снятии нагрузки сразу эластичность восстанавливается на 90%, а через минуту — 95%. Эти волокна малогигроскопичные — 1 — 1,5%, термостойкие, стойкие к истиранию, хорошо окрашиваются. Применяются для изготовления трикотажа, лент в спортивных корсетных, и лечебных эластичных изделиях.

Полиакрилонитринные волокна (ПАН). Нитрон вырабатывается из продуктов переработки каменного угля, нефти и газа. На ощупь более мягкие и шелковистые, чем лавсан и капрон. По прочности более чем в два раза меньше прочности капронового и лавсанового волокна. Удлинение при разрыве 16 — 22%, гигроскопичность 1,5%.

Нитрон имеет ряд ценных свойств : стойкий к действию минеральных кислот, щелочей, органических растворителей при химчистке, стоек к действию бактерий, плесени, моли. По теплозащитным свойствам нитрон превосходит шерсть. При температуре 200 — 250 °С, нитрон размягчается. Горит ярким, коптящим пламенем со вспышками.

Поливинилхлоридные волокна (ПВХ). Хлорин вырабатывается из этилена или ацетилена. Обладает стойкостью к действию воды, кислот, щелочей, окислителей, не гниёт, не имеет блеска.

По теплозащитным свойствам не уступает шерсти. Прочность в мокром состоянии не меняется, имеет невысокую стойкость к светопогоде. Влажно-тепловая обработка — при 70%. Недостаток — низкая теплостойкость. Хлорин не горит, не поддерживает горение, при внесении в пламя чувствуется запах дуста, спекается. Хлорин электризуется, поэтому применяется для лечебного белья, а также для получения рельефных шёлковых тканей, искусственного меха и тканей спецодежды (рыбаков, лесников, пожарных и др.).

Стойкость к агрессивным средам, высокая механическая прочность, эластичность и другте ценные качества сделали синтетическе волокна незаменимыми для современного текстильного производства.

Время чтения: 4 минуты

Некоторые натуральные целлюлозные волокна обрабатываются и перерабатываются для конкретных целей. Известные волокна, такие как вискоза, ацетат и т. д., получают путем переработки различных природных полимеров.

Первые искусственные волокна, которые были разработаны и изготовлены, использовали полимеры природного происхождения, точнее целлюлозу, которая является сырьем, доступным в больших количествах в растительном мире.

Целлюлоза — это натуральный полимер, который составляет живые клетки всей растительности. Это материал в центре углеродного цикла, а также самый распространенный и возобновляемый биополимер на планете.

Хлопчатобумажные листы и древесная масса, вискоза, медноаммиачный шелк, целлюлозный ацетат (вторичный и триацетат), полиноза, волокно с высоким модулем во влажном состоянии (ВВМ).

• Целлюлоза является одним из многих полимеров, найденных в природе.
• Дерево, бумага и хлопок содержат целлюлозу. Целлюлоза — отличное волокно.
• Целлюлоза состоит из повторяющихся звеньев мономерной глюкозы.
• Три типа регенерированных целлюлозных волокон представляют собой вискозу, ацетат и триацетат, которые получены из клеточных стенок коротких хлопковых волокон, называемых линтами.
• Бумага, например, представляет собой почти чистую целлюлозу

Вискоза

Первоначально слово «вискоза» применялось к любому волокну, изготовленному на основе целлюлозы и, следовательно, содержало целлюлозные ацетатные волокна. Тем не менее, определение вискозы было описано в 1951 году и теперь включает в себя текстильные волокна и волокна, состоящие из регенерированной целлюлозы, за исключением ацетата.

• Вискоза представляет собой регенерированное целлюлозное волокно.
• Это первое изготовленное человеком волокно.
• Она имеет зазубренную круглую форму с гладкой поверхностью.
• При намокании вискоза теряет 30-50% своей силы.
• Вискоза образуется из естественных полимеров, и поэтому является не синтетическим волокном, а искусственным регенерированным целлюлозным волокном.
• Волокно продается как искусственный шелк.
• Существует две основных разновидности вискозного волокна, а именно вискозное и медноаммиачное.

Ацетат

Производное волокно, в котором волокнообразующим веществом является ацетат целлюлозы. Ацетат получают из целлюлозы путем реакции очищения целлюлозы из древесной целлюлозы с уксусной кислотой и уксусным ангидридом в присутствии серной кислоты.

Характеристики ацетатного волокна:

• Роскошное на ощупь и внешний вид
• Широкий спектр цветов и блесков
• Отличная драпируемость и мягкость
• Относительно быстрое высыхание
• Устойчивость к усадке, моли и мучнистой росе

Для ацетата разработаны специальные красители, так как он не принимает красители, обычно используемые для хлопка и вискозы.

Ацетатные волокна представляют собой изготовленные волокна, в которых волокнообразующим веществом является ацетат целлюлозы. Эфиры целлюлозы триацетат и ацетат образуются путем ацетилирования хлопковых линтов или древесной целлюлозы с использованием уксусного ангидрида и кислотного катализатора в уксусной кислоте.

Ацетатные и триацетатные волокна очень похожи по внешнему виду на вискозу с постоянной прочностью. Элементы и триацетаты представляют собой умеренно жесткие волокна и обладают хорошей эластичностью при изгибе и деформации, особенно после термообработки.

Устойчивость к абразивному износу ацетата и триацетата невелика, и эти волокна не могут использоваться в применениях, требующих высокой стойкости к истиранию и носке; однако устойчивость этих волокон к трению превосходна. Хотя ацетат и триацетат являются умеренно абсорбирующими, их абсорбция не может сравниться с чистыми целлюлозными волокнами. На ощупь ацетатные ткани несколько более мягкие и более гибкие, чем триацетат. Ткани обоих волокон обладают отличными характеристиками драпировки. Ткани ацетата и триацетата имеют приятный внешний вид и высокую степень блеска, но блеск этих тканей можно модифицировать путем добавления матирующего средства.

Как ацетат, так и триацетат восприимчив к атакам ряда бытовых химикатов. Ацетат и триацетат подвергаются воздействию сильных кислот и оснований и окисляющих отбеливателей. Ацетат обладает только небольшой устойчивостью к солнечному свету, тогда как солнечная устойчивость триацетата выше. Оба волокна имеют хорошую термостойкость ниже их точек плавления.

Ацетат и триацетат не могут быть окрашены красителями, используемыми для целлюлозных волокон. Эти волокна могут быть удовлетворительно окрашены дисперсными красителями при умеренных и высоких температурах, что дает четкие, яркие оттенки. Ацетат и триацетат быстро высушиваются, и их можно подвергать сухой чистке.

Искусственные волокна. Среди химических волокон по объему выпуска первое место занимает искусственное вискозное волокно. Основным веществом для получения вискозного волокна служит древесная целлюлоза и дешевые доступные химические вещества. Достоинством вискозного волокна является высокая экономическая эффективность его производства и переработки. Так, при производстве 1 кг вискозной пряжи трудовые затраты в 2-3 раза ниже затрат на производство такой же пряжи из хлопка и в 4,5-5 раз ниже производства 1 кг шерстяной пряжи.

Выпускается вискозное волокно различной длины и толщины. Толщина элементарного волокна вискозного шелка бывает от 0,5 до 0,2 текс.

Вискозные волокна обладают достаточной прочностью, однако в мокром состоянии их прочность падает до 50-60%. Их недостатком является способность усаживаться, т. е. сокращаться по длине, особенно после стирки изделий.

Эти волокна обладают высокими гигиеническими свойствами, так как они характеризуются способностью хорошо впитывать влагу. Вискозные волокна термоустойчивые.

При нагревании они не размягчаются и выдерживают нагрев без разрушения до 150°. При более высоких температурах (175-200°) наступает процесс разложения волокна.

Вискозные волокна с повышенными свойствами получили название полинозных. По своим свойствам они приближаются к хлопковому волокну.

На основе хлопковой или древесной целлюлозы получают другие искусственные волокна - медноаммиачные и ацетатные.

Медноаммиачное волокно по своим свойствам напоминает вискозное волокно. Производится оно в небольших количествах, так как его производство гораздо дороже, чем производство других искусственных волокон. Применяется главным образом в смеси с шерстью.

Ацетатные волокна выпускают двух видов: диацетатные и триацетатные. Диацетатные волокна называют обычно ацетатными. Ацетатные волокна обладают достаточной прочностью. Их разрывное удлинение 18-25%. Разрывная прочность ацетатного волокна в мокром состоянии снижается на 40-50%, а триацетатного - на 10-15%. Ацетатное волокно поглощает примерно 6,5% влаги, а триацетатное - не более 1-1,5%.

Ацетатные волокна по своим свойствам занимают промежуточное положение между искусственными и синтетическими волокнами.

В отличие от вискозных ацетатные волокна термопластичны и при температуре 140-150° начинают деформироваться.

Применение ацетатных волокон в смеси с вискозными позволяет значительно снизить сминаемость изделий. Ацетатные волокна не окрашиваются красителями, применяемыми для крашения вискозных волокон, поэтому применение ацетатных волокон в смеси с вискозными позволяет создавать различные колористические эффекты, облагораживать лицевую поверхность ткани.

Из других искусственных волокон в производстве тканей используют стеклянные и металлические; металлические нити применяют для придания тканям различных декоративных эффектов; они носят название алюнит, люрекс, метлон и др.

Синтетические волокна. Из синтетических волокон наибольшее распространение получили полиамидные волокна, к которым относятся капрон, анид, энант и другие волокна. В нашей стране среди полиамидных волокон первое место занимает капроновое волокно. Для его получения используют смолу капролактам, которую получают путем химического синтеза из относительно простых органических веществ.

Полиамидные волокна обладают рядом ценных свойств: высокой прочностью на разрыв, упругостью и исключительной устойчивостью к истиранию.

Преимуществом полиамидных волокон является высокая стойкость к истиранию и многократным деформациям.

Синтетические волокна

На протяжении тысячелетий человечество использовало для своих нужд природные волокна растительного (лен, хлопок, пенька) и животного (шерсть, шелк) происхождения. Кроме того, применялись и минеральные материалы, например асбест.

Ткани, производимые из этих волокон, шли на изготовление одежды, технические нужды и т. п.

В связи с ростом населения Земли натуральных волокон стало не хватать. Именно поэтому возникла потребность в их заменителях.

Первую попытку получить искусственным путем шелк предпринял в 1855 г. француз Одемар на основе нитроцеллюлозы. В 1884 г. французский инженер Г. Шардоне разработал метод получения искусственного волокна – нитрошелка, и с 1890 г. было организовано широкое производство искусственного шелка нитратным способом с образованием нитей с помощью фильер. Особенно эффективным оказалось начавшееся в 90-х годах XIX в. производство шелка из вискозы. Впоследствии этот способ получил наиболее широкое распространение, и ныне вискозный шелк составляет примерно 85 % мирового производства искусственного волокна. В 1900 г. мировое производство вискозного шелка составило 985 тонн, в 1930 г. – около 200 тыс. тонн, а в 1950 г. производство вискозного шелка достигло почти 1600 тыс. тонн.

В 1920-х годах было освоено производство ацетатного шелка (из ацетилцеллюлозы). По внешнему виду ацетатный шелк почти неотличим от натурального. Он малогигроскопичен и, в отличие от вискозного шелка, не мнется. Ацетатный шелк широко применяется в электротехнике как изоляционный материал. Позже был открыт способ получения ацетатного волокна чрезвычайно большой прочности (шнур сечением в 1 см 2 выдерживает нагрузку в 10 тонн).

На основе успехов химии на протяжении XX в. в СССР, Англии, Франции, Италии, США, Японии и других странах была создана мощная промышленность искусственного волокна.

Накануне Первой мировой войны во всем мире производилось всего 11 тыс. тонн искусственного волокна, а спустя 25 лет производство искусственного волокна оттеснило производство натурального шелка. Если в 1927 г. производство вискозного и ацетатного шелка составляло около 60 тыс. тонн, то в 1956 г. мировая продукция искусственных – вискозных и ацетатных – волокон превысила 2 млн тонн.

Разница между натуральным, искусственным и синтетическим волокнами состоит в следующем. Природное (натуральное) волокно полностью создано самой природой, искусственное волокно сделано руками человека, а синтетическое – создано человеком на химических заводах. При синтезе синтетических волокон из более простых веществ получают более сложные высокомолекулярные соединения, тогда как искусственные материалы образуются за счет разрушения значительно более сложных молекул (например, молекул клетчатки при получении метилового спирта путем сухой перегонки древесины).

В 1935 г. американским химиком У. Карозерсом был открыт нейлон – первое синтетическое волокно. Карозерс сначала работал бухгалтером, но позже заинтересовался химией и поступил в Иллинойский университет. Уже на третьем курсе ему поручили читать лекции по химии. В 1926 г. Гарвардский университет избирает его профессором органической химии.

В 1928 г. в судьбе Карозерса произошел резкий поворот. Крупнейший химический концерн «Дюпон де Немур» пригласил его возглавить лабораторию органической химии. Ему создали идеальные условия: большой штат сотрудников, самое современное оборудование, свободу в выборе тематики исследований.

Это было связано с тем, что за год до этого концерн принял стратегию на теоретические исследования, полагая, что они в конце концов принесут значительную практическую пользу, а следовательно, и прибыль.

Так и случилось. Лаборатория Карозерса, исследуя полимеризацию мономеров, после трех лет упорной работы добивается выдающегося успеха – получает полимер хлоропрена. На основе его в 1934 г. концерн «Дюпон» начал промышленное производство одного из первых видов синтетического каучука – полихлоропрена (неопрена), по своим качествам способного с успехом заменить дефицитный натуральный каучук.

Однако главной целью своих исследований Карозерс считал получение такого синтетического вещества, которое можно было бы превращать в волокно. Используя метод поликомпенсации, которым он занимался еще в Гарвардском университете, Карозерс в 1930 г. получил в результате взаимодействия этиленгликоля и себациновой кислоты полиэфир, который, как выяснилось позже, легко вытягивался в волокно. Это было уже большим достижением. Однако практического применения это вещество не могло иметь, так как легко размягчалось от горячей воды.

Дальнейшие многочисленные попытки получить коммерческое синтетическое волокно оказались безуспешными, и Карозерс решил прекратить работу в этом направлении. Руководство концерна согласилось закрыть программу. Однако заведующий химическим отделом воспротивился такому исходу дела. С большим трудом он убедил Карозерса продолжить исследования.

Заново обдумывая результаты своей работы в поисках новых путей ее продолжения, Карозерс обратил внимание на недавно синтезированные полимеры, содержащие в молекуле амидные группы – полиамиды. Этот выбор оказался исключительно плодотворным. Опыты показали, что некоторые полиамидные смолы, протиснутые через фильеру, сделанную из тонкого медицинского шприца, образуют нити, из которых можно изготовлять волокно. Применение новых смол казалось весьма многообещающим.

После новых экспериментов Карозерс и его помощники 28 февраля 1935 г. получили полиамид, из которого можно было вырабатывать прочное, упругое, эластичное, водоустойчивое волокно. Эта смола, выделенная в результате реакции гексаметилендиамина с адипиновой кислотой, с последующим нагреванием в вакууме полученной соли (АГ), была названа «полимер 66», так как исходные продукты содержали по 6 атомов углерода. Поскольку над созданием этого полимера трудились одновременно в Нью-Йорке и Лондоне, то волокно из него получило название «нейлон» – по начальным буквам этих городов. Специалисты-текстильщики признали его пригодным для коммерческого производства пряжи.

В течение двух следующих лет ученые и инженеры «Дюпона» разрабатывали в лабораторных условиях технологические процессы производства промежуточных продуктов полимера и нейлоновой пряжи и конструировали опытно-заводскую химическую установку.

16 февраля 1937 г. нейлон был запатентован. После многих опытных циклов в апреле 1937 г. было получено волокно для экспериментальной партии чулок. В июле 1938 г. было завершено строительство опытного предприятия.

29 апреля 1937 г., через три дня после того как Карозерсу исполнился 41 год, он ушел из жизни, приняв цианистый калий. Выдающегося исследователя преследовала навязчивая идея, что он не состоялся как ученый.

Разработка нейлона обошлась в 6 млн долларов, дороже, чем любой другой продукт общественного пользования. (Для сравнения: на разработку телевидения США потратили 2,5 млн долларов.)

Внешне нейлон напоминает натуральный шелк и приближается к нему по химическому строению. Однако по своей механической прочности нейлоновое волокно превосходит вискозный шелк примерно в три раза, а натуральный – почти в два раза.

Компания «Дюпон» длительное время строго охраняла секрет производственного процесса нейлона. И даже сама изготавливала необходимое для этого оборудование. Как сотрудники, так и оптовые продавцы товара обязательно давали подписку о неразглашении информации, касающейся «нейлоновых секретов».

Первым коммерческим изделием, поступившим на рынок, стали зубные щетки с нейлоновой щетиной. Их выпуск начался в 1938 году. Нейлоновые чулки были продемонстрированы в октябре 1939 г., а с начала 1940-го в г. Вилмингтон стало производиться нейлоновое волокно, которое трикотажные фабрики покупали для изготовления чулок. Благодаря взаимной договоренности торговых фирм чулки конкурирующих между собой производителей появились на рынке в один день: 15 мая 1940 года.

Массовое производство изделий из нейлона началось только после Второй мировой войны, в 1946 году. И хотя с тех пор появились многие другие полиамиды (капрон, перлон и др.), нейлон все еще широко применяется в текстильной промышленности.

Если в 1939 г. мировое производство нейлона составило лишь 180 тонн, то в 1953 г. оно достигло 110 тыс. тонн.

Из нейлоновой пластмассы в 50-е годы прошлого века изготавливали судовые лопастные винты для судов малого и среднего тоннажа.

В 40–50-е годы XX в. появились и другие синтетические полиамидные волокна. Так, в СССР был наиболее распространен капрон. В качестве исходного сырья для его производства используется дешевый фенол, вырабатываемый из каменноугольной смолы. Из 1 т фенола можно получить около 0,5 т смолы, а из нее изготовить капрон в количестве, достаточном для изготовления 20–25 тыс. пар чулок. Капрон получают и из продуктов переработки нефти.

В 1953 г. впервые в мире в СССР в опытно-промышленном масштабе была осуществлена реакция полимеризации между этиленом и четыреххлористым углеродом и получен исходный продукт для промышленного производства волокна энант. Схема его производства была разработана коллективом ученых под руководством А. Н. Несмеянова.

По основным физико-механическим свойствам энант не только не уступал другим известным полиамидным волокнам, но и во многом превосходил капрон и нейлон.

В 50–60-е гг. прошлого века началось производство полиэфирных, полиакрилонитрильных синтетических волокон.

Полиэфирные волокна формируются из расплава полиэтилен-терефталата. Они обладают превосходной термостойкостью, сохраняя 50 % прочности при температуре 180 °C, огнестойки и атмосферостойкие. Устойчивы к действию растворителей и вредителей: моли, плесени и т. п. Нить из полиэфирных волокон используется для изготовления транспортерных лент, приводных ремней, канатов, парусов, рыболовных сетей, шлангов, в качестве основы для шин. Моноволокно применяется для производства сетки для бумагоделательных машин, струн для ракеток. В текстильной промышленности нить из полиэфирных волокон идет на изготовление трикотажа, тканей и т. п. К полиэфирным волокнам относится лавсан.

Полиакрилонитрильные волокна по своим свойствам близки к шерсти. Они устойчивы к действию кислот, щелочей, растворителей. Их применяют для изготовления верхнего трикотажа, ковров, тканей для костюмов. В смеси с хлопком и вискозным волокном полиакрилонитрильные волокна используют для изготовления белья, гардин, брезентов. В СССР эти волокна выпускались под торговым названием нитрон.

Многие синтетические волокна получают путем продавливания расплава или раствора полимера через фильеры диаметром от 50 до 500 микрометров в камеру с холодным воздухом, где происходит отвердение и превращение струек в волокно. Непрерывно образующуюся нить наматывают на бобину.

Отвердение ацетатных волокон происходит в среде горячего воздуха для испарения растворителя, а отвердение вискозных волокон – в осадительных ваннах со специальными жидкими реагентами. Вытяжка волокон на бобинах при формировании применяется для того, чтобы цепные полимерные молекулы приняли более четкий порядок.

На свойства волокон влияют разными методами: изменением скорости выдавливания, состава и концентрации веществ в ванне, меняя температуру прядильного раствора, ванны или воздушной камеры, варьируя размеры отверстия фильер.

Важной характеристикой прочностных свойств волокна является разрывная длина, при которой волокно разрывается под действием собственной тяжести.

У природного хлопкового волокна она изменяется от 5 до 10 км, ацетатного шелка – от 12 до 14, натурального – от 30 до 35, вискозного волокна – до 50 км. Волокна из полиэфиров и полиамидов имеют большую прочность. Так у нейлона разрывная длина доходит до 80 км.

Синтетические волокна потеснили натуральные во многих областях. Общий объем их производства практически сравнялся.