Материалы, получаемые на основе волокон, на протяжении тысячелетий играли важнейшую роль в жизни человека. Первоначально их использовали в качестве основы для одежды и других предметов быта, но с развитием технологий функциональность волокон значительно расширилась. Сегодня волокна применяются не только в текстильной промышленности, но и в производстве технических тканей, армирующих компонентов, фильтрующих систем, бронезащитных материалов и даже в космической отрасли.
Современные волокна можно разделить на природные и химические. Природные волокна (растительного, животного и минерального происхождения) остаются востребованными благодаря их экологичности, биосовместимости и хорошим гигиеническим свойствам. Однако химические волокна, созданные на основе синтетических или переработанных природных полимеров, открывают гораздо более широкие возможности в плане регулирования физических, механических и эксплуатационных характеристик.
Первые известные археологам текстильные изделия датируются 7–8 тысячелетием до н. э. — это льняные и шерстяные ткани, обнаруженные на территории Месопотамии и Египта. Шёлк начали получать в Китае более 5 тысяч лет назад, и в течение столетий его технология была одной из самых охраняемых тайн.
Промышленное производство искусственных волокон началось в конце XIX века. В 1884 году была получена первая нитроцеллюлозная нить (хотя она была взрывоопасной). А уже в начале XX века появилась вискоза — первое массово производимое искусственное волокно. Далее были разработаны нейлон, капрон, лавсан и другие синтетические материалы, ставшие неотъемлемой частью современного мира.
В настоящее время, наряду с традиционными областями применения, волокна широко используются в промышленности (например, при производстве спецодежды, шин, конвейерных лент, приводных ремней, шлангов, армированных пластиков и т. д.).
Волокна бывают природные (натуральные) и химические. Природные волокна могут быть растительного происхождения, животного происхождения, а также минеральные. Волокна растительного происхождения формируются на поверхности семян (хлопок), в стеблях (лубяные — лен, джут, пенька, конопля и др.), в оболочках плодов (кора орехов кокосовой пальмы и др.).
Из волокон растительного происхождения наиболее широко используются хлопковые волокна, обладающие хорошими механическими свойствами, износоустойчивостью, термостабильностью, умеренной гигроскопичностью. Хлопок применяется в производстве бельевых, платьевых и других тканей, а также трикотажа, нетканых материалов, швейных ниток, ваты и проч. Лубяные волокна применяются в производстве тканей для одежды, тарных тканей, канатов, веревок.
Из волокон животного происхождения чаще всего используются шерсть и шелк. Шерсть характеризуется невысокой прочностью, большой эластичностью, высокой гигроскопичностью, низкой теплопроводностью. Шелк (получаемый в виде волокон большой длины) обладает значительной прочностью, большой эластичностью, высокой гигроскопичностью. Шерсть используется для изготовления тканей бытового и технического назначения, трикотажа, валяльновойлочных изделий; шелк — для выработки тонких платьевых и бельевых тканей, декоративных тканей, парашютов и проч.
Асбест характеризует высокая прочность, хорошие диэлектрические свойства, огнестойкость, химическая стойкость, низкая теплопроводность. Он используется в производстве теплозащитных, огнезащитных, химически стойких и других технических тканей.
Для изготовления различных изделий используются смеси природных и химических волокон. Но, несмотря на замечательные свойства природных волокон, ведущим современным направлением производства и применения волокон является использование химических волокон.
Химические волокна получают из растворов или расплавов волокнообразующих полимеров. Их подразделяют на синтетические (из синтетических полимеров) и искусственные (из природных полимеров или продуктов их переработки). Основные синтетические волокна это полиамидные, полиэфирные, полиакрилонитрильные и др. Искусственные волокна получают главным образом из эфиров целлюлозы (вискозное волокно, ацетатное волокно).
Формообразование химических волокон осуществляется продавливанием раствора или расплава волокнообразующего полимера через тонкие отверстия в металлической или стеклянной матрице (фильере) с последующим затвердеванием образующихся струй. Толщину получаемой нити-паутинки измеряют в денье (единица измерения толщины шелковых и подобных им нитей). Номер нити в денье соответствует ее весу в граммах при длине нити, равной 9 км. Например, для производства женских чулок и колготок обычно используют нить в 30 денье.
При формовании из раствора применяют мокрый, сухой и сухомокрый способы. Мокрый способ состоит в том, что струи раствора поступают в жидкость, способную осаждать полимер. Образующиеся при этом гелеобразные нити поступают на вращающийся диск. Их подвергают вытягиванию (в 1,5…2,5 раза), промывают от остатков растворителя и осадителя, сушат и принимают на веретено или собирают в жгут.
Полученный жгут направляют непосредственно на текстильную переработку или предварительно режут для получения штапельного волокна. При такой технологии скорость процесса составляет 20…150 м/мин. Мокрым способом формуют около 50 % всех волокон, в том числе вискозных, полиакрилонитрильных, из ароматических полиамидов, поливинилхлоридных, поливинилспиртовых.
Для сухого способа формообразования применяют преимущественно растворы полимеров в легколетучих растворителях (например, в ацетоне). Струи раствора поступают в вертикальную шахту высотой 4…6 м. В шахте циркулирует подогретый воздух, где струи вследствие испарения растворителя и затвердевают. Образующиеся при этом нити принимают на веретено. Данный способ используют, главным образом, для формообразования ацетатного волокна (скорость процесса составляет 200…1500 м/мин).
При формовании волокон по сухо-мокрому способу высококонцентрированный нагретый раствор полимера, выходящий из отверстий матрицы, проходит сначала через воздушную прослойку толщиной 5…50 мм, а затем поступает в осадительную ванну. Преимущество этого способа перед мокрым заключается в более высокой скорости процесса (60…300 м/мин). Его используют, главным образом, для формования волокон из термостойких полимеров, например, из полипарафенилентерефталамида (кевлар), и волокон полой структуры.
При формовании волокон из расплава в вертикальную шахту, которая охлаждается воздухом, из фильеры поступают нагретые до температуры 280…300 °С струи полимера,. Затвердевшие нити подвергают 4,5…5,5-кратному ориентационному вытягиванию. Данный способ используется для формования волокон из полимеров, плавящихся без заметной деструкции (полиамидов, полиэтилентерефталата, полиолефинов). Скорость процесса достигает 500…5500 м/мин.
Для получения необходимого комплекса свойств после формования волокон их дополнительно обрабатывают (механически, термически, химически).
В начальном периоде использования химических волокон они по многим показателям уступали природным. Например, одежда из синтетических тканей накапливала статическое электричество, была склонна к световому старению и усадке, т. е. по своим санитарногигиеническим свойствам была хуже, чем одежда из натуральных тканей. Однако в настоящее время химические волокна и полученные из них ткани по некоторым свойствам превосходят натуральные, т. е. обладают высокой прочностью, быстро высыхают, хорошо сохраняют форму.
Например, в отличие от хлопчатобумажного брезента синтетический брезент не гниет, не покрывается плесенью и весит в 2 раза меньше. Сети из капрона намного прочнее и легче, чем сети из природных волокон. Капроновые сети не набухают в воде и их не надо сушить (что особенно важно для рыбаков). Авиационные и автомобильные шины служат значительно дольше, если при их производстве в резину запрессовывают капроновый, а не хлопчатобумажный корд.
Следует отметить, что изменяя химическое строение полимеров, можно управлять свойствами получаемых из этих полимеров волокон. Так, капролактам, являясь основой капрона и нейлона, имеет формулу CO(CH2)5NH (т. е. шесть атомов углерода). Материал с таким химическим строением плохо впитывает влагу. Если же оставить в нем только четыре атома углерода, то полученный синтетический материал будет впитывать влагу, как губка. Можно воздействовать и на структуру нити. Если сделать нить гладкой или лохматой, то и свойства у нее будут различными. Если свернуть нить спиралью, которая в зависимости от наружной температуры будет изменяться по толщине, то можно будет получить «всесезонную» одежду (такая идея уже осуществлена технологами).
В США предложили другой способ терморегулирования. Нити ткани обволакивают воскообразным веществом, представляющим собой полиэтиленглюколь с молекулярным весом 1000 а.е.м. Молекулярная структура этого вещества в зависимости от температуры может находиться то в размягченном состоянии, то в твердом. При этом при размягчении тепло поглощается, а при затвердении высвобождается. Следует отметить, что одежда из такой ткани тоже будет греть на холоде и охлаждать в жару, т. е. идеально подходит при работе в экстремальных климатических условиях.
Спецодежда, разработанная из тканей на основе синтетических волокон, обладает уникальными свойствами. Уже разработана рабочая одежда, для изготовления которой использованы искусственные ткани, отталкивающие пыль, пропускающие воздух и не пропускающие воду, способные улавливать ионы драгоценных металлов, отпугивать насекомых, защищать человека от воздействия вредных газов и агрессивных химических жидкостей.
Бронежилеты и костюмы для саперов и космонавтов невозможно было бы изготовить из натуральных волокон. Например, космический скафандр должен обладать высокой прочностью и износоустойчивостью, не пропускать тепло и холод, а также не гореть и не плавиться, не коробиться и не ломаться при перепаде температур. Кроме того, этот скафандр должен хорошо отражать прямые солнечные лучи.
Подобными качествами обладают ткани из стекловолокна с покрытием из тефлона, которое может быть еще дублировано отражающей алюминиевой пленкой. В настоящее время многие химические волокна создаются по принципу композиционных материалов и область их применения постоянно расширяется.
Следует отметить, что по сравнению с природными волокнами химические волокна имеют важные преимущества: обширную сырьевую базу, высокую рентабельность производства и его независимость от климатических условий, возможность направленного изменения свойств волокон.