УМКД Модификация химических волокон 240201

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ТЕХНОЛОГИЙ И УПРАВЛЕНИЯ им. К.Г.Разумовского
Институт «Текстильной и легкой промышленности»
Кафедра «Химические технологии»
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДИСЦИПЛИНЫ
«Модификация химических волокон»
Специальность: 240201 «Технология и оборудование производства химических
волокон и композиционных материалов на их основе»
Квалификация: инженер
Форма обучения и срок подготовки: заочная 6 лет (полная программа)
Курс : (6)
Москва 2012 год
1
УДК 678.06
ББК
* Обсуждена и одобрена на заседании кафедры «Химические технологии» (протокол №
9 от 25 мая 2012 г.).
Утверждена на заседании ученого совета Института текстильной и легкой
промышленности Московского государственного университета технологий и управления
им. К.Г. Разумовского (протокол № 2 от 21 июня 2012 г.)
Составитель:
Баева Нина Николаевна – кандидат технических наук, доцент кафедры химические
технологии.
Рецензенты:
Николаева Наталья Валерьевна – кандидат технических наук, доцент кафедры химических
технологий.
Баева Н.Н.
Модификация химических волокон: Учебно-методический комплекс. – М.: МГУТУ, 2012.
– 79 с.
Учебно-методический комплекс цикла специальных дисциплин «Модификация
химических волокон» образовательного цикла учебного плана составлена в
соответствии с содержанием подготовки специалистов, определенному в ГОС ВПО 2
поколения и предназначена для студентов 6 курса (ПП) заочной формы обучения
специальности 240201 «Технология и оборудование производства химических волокон
и композиционных материалов на их основе».
Учебно-методический комплекс предназначен для студентов заочной формы обучения.
© Московский государственный университет
технологий и управления, 2012г. 109004, Москва,
Земляной вал, 73
© Баева Н.Н.
2
Содержание
1. Рабочая учебная программа……………………………………………………….….4
1.1. Цели изучения дисциплины…………………………………………………………6
1.2. Содержание дисциплины……………………………………………........................6
2. Учебно-методическое обеспечение дисциплины……………………..……………..8
2.1. Задания и методические рекомендации по организации самостоятельной
работы…………………………………………………………………............8
2.2. Перечень основной и дополнительной литературы…………………………....................8
2.3. Перечень средств, методов обучения и способов учебной деятельности.............11
2.4. Требования к уровню освоения программы и формы текущего
и промежуточного контроля знаний................…………………………..……………...12
3. Учебно-практическое пособие………………………………………………………...13
4. Учебно-методическое обеспечение дисциплины…………………………………………....16
5. Материалы, устанавливающие содержание и порядок проведения текущего и
промежуточного контроля знаний……………………………..….....................................................17
6. Материально-техническое обеспечение дисциплины………….............…………………........18
7. Ежегодные изменения и ежегодные
дополнения..........................................................…………….......................................................................18
8. Приложение......................................................................................................................19
3
1. Рабочая программа
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ТЕХНОЛОГИЙ И УПРАВЛЕНИЯ им. К.Г.Разумовского
Институт «Текстильной и легкой промышленности»
Кафедра «Химические технологии»
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ПО ДИСЦИПЛИНЕ
«Модификация химических волокон»
Для специальности: 240201 «Технология и оборудование производства химических
волокон и композиционных материалов на их основе»
Формы обучения: заочная (полная)
Курс : (6)
Москва 2012 год
4
УДК 678.06
ББК
Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры «Химические технологии»
Московского государственного университета технологий и управления (протокол №9 от
25 мая 2012 г.) и рекомендована к рассмотрению на заседание Ученого совета института
текстильной и легкой промышленности.
Рабочая программа одобрена и утверждена на заседании Ученого совета института
текстильной и легкой промышленности Московского государственного университета
технологий и управления (протокол № 2 от 21 июня 2012 г.).
Составитель:
Баева Нина Николаевна – кандидат технических наук, доцент кафедры химические
технологии.
Рецензенты:
Николаева Наталья Валерьевна – кандидат технических наук, доцент кафедры химические
технологии.
Баева Н.Н.
Модификация химических волокон: рабочая учебная программа. – М.: МГУТУ, 2012. –
12 с.
Рабочая учебная программа цикла специальных дисциплин «Модификация химических
волокон» образовательного цикла учебного плана составлена в соответствии с
содержанием подготовки специалистов, определенному в ГОС ВПО 2 поколения и
предназначена для студентов 6 курса (ПП) заочной формы обучения специальности
240201
«Технология
и
оборудование
производства
химических
волокон
и
композиционных материалов на их основе».
Рабочая программа предназначена для студентов заочной формы обучения.
© Московский государственный университет
технологий и управления, 2012г. 109004, Москва,
Земляной вал, 73
© Баева Н.Н.
5
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Целью дисциплины является изучение основных направлений расширения и улучшения
ассортимента химических волокон путем модификации их свойств;
-обучить
принципам
выбора
технологии
и
оборудования
для
модификации
определенного класса химических волокон;
-научить оценивать выбранную технологию модификации с позиций экономики,
экологии, качества продукции.
Задачей изучения дисциплины
- применить основные законы физики и химии для
построения технологического процесса модификации химических волокон;
- описать основные технологические процессы модификации химических волокон и
нитей;
-объяснить принципы выбора технологии модификации химических волокон для
различных классов химических волокон;
-выбрать оборудование для реализации определенной технологической
операции
модификации текстильных волокон и нитей;
-оценить влияние различных технологических факторов на качество выпускаемой
продукции.
Место дисциплины в структуре ООП:
Дисциплина относится к циклу специальных дисциплин, вариативная часть. Она
является предшествующей для следующих дисциплин:
- Модификация химических волокон;
- Экологические проблемы производства химических волокон;
1.2. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
ОРГАНИЗАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ ПО ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ
Всего Самостоя
Распределение часов по учебной дисциплине
тельная
Лекции Лабораторно- Всего Зачетов
Экзаменов Контрольные
работа
практические
работы
занятия
Всего
230
210
15
5
20
1
-
1
№
рат
1
6
Порядко Число
часов
вый
№
лекции
Краткое содержание лекции
Лабораторно-практические
занятия
Число
часов
1
1.
2
2
3
Понятие модификации химических волокон.
Задачи и цели модификации химических
волокон. Методы модификации.
2.
4
Физическая (структурная ) модификация:
Ориентация и вытягивание химических
волокон с целью их упрочнения; Введение в
полимер активных наполнителей,
принимающих участие в формировании
структуры волокна. Формование
химических волокон из смесей полимеров.
Понятие термодинамической устойчивости
прядильных растворов и расплавов и
кинетической совместимости полимеров.
Получение и виды бикомпонентных
волокон. Особенности строения фильер для
формования бикомпонентных волокон, их
свойства и области применения.
Профилированные нити, их получение,
свойства, области применения.
3
4
4
3
Текстурированные волокна и нити.
Свойства и области применения
текстурированных волокон и нитей.
Способы текстурирования химических
волокон и нитей. Получение высоко- и
малорастяжимых текстильных нитей.
Методы химической модификации волокон
и нитей. Синтез волокнообразующих
сополимеров и формование из них волокон
обладающих заданными свойствами.
Синтез привитых сополимеров на основе
природных, искусственных и синтетических
волокон и нитей. Методы привитой
сополимеризации. Свойства и области
применения волокон на основе привитых
сополимеров.
4
5
Краткое содержание
лабораторнопрактических
занятий
5
Свойства и
области
применения
модифицированных химических
волокон
7
5
Применение реакций полимераналогичных превращений для синтеза новых
волокнообразующих полимеров и модификации готовых волокон и нитей. Реакции
цепей полимеров и применение этих
реакций для получения волокон с новыми
свойствами.
2
2. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
2.1. ЗАДАНИЯ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ПРОВЕДЕНИЮ ПРАКТИЧЕСКИХ
ЗАНЯТИЙ
Свойства и области применения модифицированных химических волокон.
Цель работы – ознакомление со свойствами модифицированных химических волокон на
стадии их получения и в готовом волокне.
Химические волокна полученные методами синтеза волокнообразующих сополимеров,
включением
добавок
в
структуру
волокон,
полимераналогичных
превращений
функциональных групп полимера, получением волокон различного функционального
назначения. Применение огнезащищенных, гидрофобных и олеофобных волокон.
2.2. ЗАДАНИЯ И МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОРГАНИЗАЦИИ
САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТА
Основной формой изучения дисциплины является самостоятельная работа над
учебным материалом и его конспектирование, руководствуясь данной рабочей
программой и методическими указаниями.
Методические указания
Будущие инженеры производства химических волокон должны знать, что
основным направлением расширения и улучшения ассортимента химических
волокнистых материалов является не столько разработка новых полимеров,
сколько модификация уже существующих волокон с целью придания им новых
свойств.
Введение добавок в прядильный (формовочный) раствор или расплав полимеров.
Крашение химических волокон в массе. Формование химических волокон из смесей
полимеров. Получение бикомпонентных волокон.
Литература [1-5, 12].
8
Для модификации готового волокна применяются в основном два способа:
ориентация и вытягивание волокон и нитей, и получение текстурированных
объемных нитей путем последующей текстильной обработки методом «ложного»
кручения
или
пневмотекстурирования.
Производство
высокорастяжимых
и
малорастяжимых нитей. Получение извитых текстурированных волокон.
Химическая модификация на стадии получения полимера. Синтез волокнообразующих
сополимеров. Химическая модификация готового волокна. Cинтез привитых
сополимеров методом прививочной полимеризации на готовом волокне.
Внутримолекулярные реакции в полимерах и волокнах. Химические превращения
реакционноспособных групп в макромолекуле полимера.
Литература [1, 6, 12]
Внутримолекулярные реакции в полимерах и волокнах. Этот вид модификации
основан на реакциях химических превращениях на уровне одной макромолекулы, что
приводит к изменению свойств как полимеров, так и волокон. Модификация ПВС и
полиоксадиазольного
волокна.
Получение
углеродных
волокон
на
основе
полиакрилонитрила.
Химические
превращения
реакционноспособных
функциональных
групп
в
макромолекуле полимера (метод полимераналогичных превращений) на примере
получения поливинилспиртового волокна.
Вопросы для самопроверки:
1. В чем преимущество способа введения добавок в прядильный (формовочный)
раствор или расплав полимеров.
2. Как осуществляется крашение химических волокон в массе.
3. Для чего используют формование химических волокон из смесей полимеров.
4. Как получают бикомпонентные волокна.
5. способы модификации готового волокна.
6. Получение текстурированных объемных нитей.
7. Для чего используют метод «ложного» кручения?
8. Как проводят пневмотекстурирование химических волокон.
9. Производство высокорастяжимых и малорастяжимых нитей.
10. Получение извитых текстурированных волокон?
9
КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ
По дисциплине «Модификация химических волокон» предусмотрено выполнение
одного контрольного задания. При выполнении контрольного задания следует давать четкие,
конкретные и исчерпывающие ответы на поставленные вопросы. На вопросы следует отвечать
только после детальной проработки материала данного варианта задания. Студент выполняет
вариант контрольного задания, соответствующий последней цифре его шифра.
Контрольная работа 1
Вариант 1
1. Введение добавок в прядильный раствор или расплав полимеров.
2. Текстурирование нитей. Производство высокорастяжимых нитей.
3. Химическая модификация готового волокна.
Вариант 2
1. Формование химических волокон из смесей полимеров.
2. Получение объемных нитей методом пневмотекстурирования.
3. Введение добавок в формовочный раствор (расплав) полимеров.
Вариант 3
1. Получение бикомпонентных волокон.
2. Получение малорастяжимых нитей методом текстурирования.
3. Химические превращения реакционноспособных групп в макромолекуле
полимера.
Вариант 4
1. Химическая модификация на стадии получения полимера.
2. Получение извитых текстурированных волокон.
3. Принципы физической модификации текстильных нитей.
Вариант 5
1. Синтез волокнообразующих сополимеров.
2. Получение малорастяжимых текстурированных нитей.
3. Крашение химических волокон в массе.
Вариант 6
1. Химическая модификация готового волокна.
10
2. Принципы физической модификации текстильных нитей.
3. Получение малорастяжимых нитей методом текстурирования.
Вариант 7
1. Введение добавок в формовочный раствор (расплав) полимеров.
2. Получение извитых текстурированных волокон методом гофрирования и
прессования.
3.
Получение объемных нитей методом пневмотекстурирования.
Вариант 8
1. Крашение химических волокон в массе.
2. Химические превращения реакционноспособных групп в макромолекуле
полимера.
3. Текстурирование нитей. Производство высокорастяжимых нитей.
Вариант 9
1. Синтез волокнообразующих сополимеров.
2. Принцип ложного кручения. Производство малорастяжимых нитей
непрерывным способом.
3. Крашение химических волокон в массе.
Вариант 10
1. Внутримолекулярные реакции в полимерах и волокнах.
2. Получение углеродных волокон на основе полиакрилонитрила.
3. Получение ионообменных, гемостатических, огнезащитных целлюлозных
материалов методом прививочной полимеризации.
2.3. ПЕРЕЧЕНЬ ОСНОВНОЙ И ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Основная литература
1. Коннова Н.Ф., Баева Н.Н. Модификация волокнообразующих полимеров и
волокон. Конспект лекций, РИО «РосЗИТЛП», М. 2009г., 51с.
2. Химические
волокна:
основы
получения,
методы
исследования
и
модифицирование. Под ред. Дружининой Т.В. - М.: МГТУ им. А.Н.Косыгина,
2006. – 472с.
3. Перепелкин К.Е. Армирующие волокна и волокнистые полимерные композиты –
СПб. «Научные основы и технологии», 2009, 386с.
11
4. Михайлин Ю.А. Термоустойчивые полимеры и полимерные материалы. –СПб.:
Профессия, 2006.-624с.
5. Практические занятия по дисциплине «Модификация химических волокон» для
студентов спец.240201. М. МГУТУ им. К.Е. Разумовского. 2012. с.
6. Рабочая программа, методические указания по самостоятельной работе и
контрольные задания по дисциплине «Модификация химических волокон» . М.
МГУТУ им. К.Е. Разумовского. 2012. 12с.
Дополнительная литература
1. Кричевский Г.Е. Химическая технология текстильных материалов: Учебн. для
ВУЗов в 3-х томах. Москва, 2001г. с. 540.
2. Кричевский Г.Е. Количественный и качественный анализ волоконного состава
текстильных материалов. /справочное пособие. М, 2002г.-273с.
3. Кричевский Г.Е. Толковый словарь терминов: текстиль и химия/ Учебное
пособие для вузов.- М., 2005г.-296с.
4. Роговин З.А. Основы химии и технологии химических волокон. - М.: Химия,
1974, т.2 - 343с
5. Волокна с особыми свойствами. / Под ред. Вольфа Л. А. – М., Химия. 1980. –
240с.
6. Cерков А.Т. журнал «Химические волокна», № 1, 2008г. с.27
7. Гусев В. К., Тульгук З. Д., Спицына Т.В. Бикомпонентные волокна и нити. –
М.: Химия, 1986, - 104с.
8. Усенко В. А., Дамянов Г. Д., Адыров П. В, Производство текстурированных
нитей и высокообъёмной пряжи. – М., Легкая Индустрия, 1980, - 256с.
9. Смирнов В. С., Шавлюк В. Н. Текстурированные нити. – М., Легкая индустрия,
1979, - 176с.
10. Усенко В. А. Переработка химических волокон. М., Легкая индустрия, 1975, 240с.
11. http://www.polymery.ru
2.4. ПЕРЕЧЕНЬ СРЕДСТВ, МЕТОДОВ ОБУЧЕНИЯ И СПОСОБОВ УЧЕБНОЙ
ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
Аудиторная работа:
- Занятия лекционного типа с использованием фото и видео материалов.
- Практические занятия с разбором конкретных примеров.
Внеаудиторная работа:
- Самостоятельное углубленное изучение материала по литературным и Интернетисточникам.
12
2.5. ТРЕБОВАНИЯ К УРОВНЮ ОСВОЕНИЯ ПРОГРАММЫ И ФОРМЫ
ТЕКУЩЕГО И ПРОМЕЖУТОЧНОГО КОНТРОЛЯ ЗНАНИЙ
В результате изучения дисциплины студент должен:
Знать:
-перечислить основные операции модификации химических волокон и нитей из
различных классов волокон и их смесей;
-объяснить назначение каждой операции модификации химических волокон для
получения текстильных изделий из них;
-назвать технологическое оборудование для реализации определенной операции
модификации химических волокон ;
-обнаружить на какой стадии модификации химических волокон и нитей формируется
определенный показатель качества продукции текстильного изделия.
Уметь:
-выбирать технологию для модификации химических волокон и нитей определенного
класса;
-применять на практике технологию модификации химических волокон;
-производить выбор и расчет оборудования для реализации выбранной технологии
модификации;
-сравнивать по экономическим и экологическим параметрам способ модификации
химических волокон;
-оценивать влияние параметров технологического процесса на качество текстильных
изделий.
Владеть:
-составить план технологических переходов модификации химических волокон из
определенного класса волокна ;
-разработать структуру производства определенного вида химического волокна с учетом
способа модификации для последующей переработки его в текстильное изделие;
-произвести оценку возможных технологических решений модификации отдельных
классов химических волокон.
3. УЧЕБНО-ПРАКТИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ (в приложении)
Благодаря техническому прогрессу в области производства химических волокон,
наряду с «классическими» видами волокон, созданы их модифицированные виды с
оптимизированными характеристиками. Появились химические волокна нового
поколения со специальными свойствами: термо- и жаростойкие, пониженной горючести,
антимикробные, антиаллергические, изменяющие цвет в зависимости от температуры и
освещения, терморегулирующие, защищающие от статического электричества и
ультрафиолетовых лучей и т.д.
Модификация химических волокон подразделяется
(структурную) и химическую. При физической
полимера
волокна
надмолекулярной
модификации
на
физическую
химический
состав
не изменяется, а происходит изменение физической,
структуры волокна. При химической модификации происходит
13
изменение химического состава полимера волокна и, соответственно, меняются свойства
волокон.
Введение добавок в прядильный (формовочный) раствор или расплав полимеров.
Крашение химических волокон в массе. Формование химических волокон из смесей
полимеров. Получение бикомпонентных волокон.
Литература [1-5, 12].
Небольшие добавки низкомолекулярных соединений (НМС), обладающих
специальными свойствами, придают волокну требуемые свойства. Для увеличения
стойкости волокон к деструкции (окислительной, термической, фотохимической) в
полимер перед формованием вводят антиоксиданты, термо- и светостабилизаторы,
которые
увеличивают
светостабилизаторов
срок
особенно
службы
важно
изделий.
для
Введение
полиамидов,
термо-
полиолефинов
и
и
полиуретанов. Введение в раствор или расплав полимера бактерицидных препаратов,
матирующих добавок (ТiО2), красителей. Получение нановолокон, наполненных
наночастицами- фуллеренами и нанотрубками, и волокон с нанопористой структурой. В
результате чего волокна приобретают уникальные свойства. Формование химических
волокон из смесей полимеров, при этом добавками являются волокнообразующие
полимеры, растворимые в том же растворителе, что и основной полимер. Получение
бикомпонентных волокон на основе термопластичных полимеров, которые при
последующей тепловой обработке приобретают объемную структуру.
Для модификации готового волокна применяются в основном два способа:
ориентация и вытягивание волокон и нитей, и получение текстурированных
объемных нитей путем последующей текстильной обработки методом «ложного»
кручения
или
пневмотекстурирования.
Производство
высокорастяжимых
и
малорастяжимых нитей. Получение извитых текстурированных волокон.
Для изготовления объемных, высокоэластичных изделий требуются
химических волокон,
обладающие повышенной прочностью, или особым
нити из
внешним
видом и свойствами. Придание дополнительных, новых свойств текстильным нитям
можно осуществить в процессе их текстильной переработки. Ориентация и
вытягивание свежесформованных волокон и нитей. [1, 12].Получение текстурированных
нитей при воздействии на комплексные нити путем кручения, гофрирования, или
прессования с одновременным обогревом для стабилизации видоизмененной стр укт уры
14
нити.[7-12] Применяется
также
пневматический
способ
текстурирования,
обеспечивающий получение стабильной структуры нити без дополнительной тепловой
обработки.
Высокорастяжимые нити вырабатывают путем скручивания их до 2000 — 4000
кр./метр (первая крутка), тепловой обработки скрученной нити и раскручивания (вторая
крутка). Для снятия внутренних напряжений комплексную нить после первого
кручения подвергают тепловой обработке.
При охлаждении нитей они принимают
равновесную структуру. При раскручивании в нитях вновь возникают внутренние
напряжения, под действием которых каждая элементарная нить стремится сохранить
положение, зафиксированное тепловой обработкой после первой крутки. В
результате этого нити изгибаются, принимают форму пространственных спиральных
пружин, а комплексные нити приобретают большую упругую растяжимость, пушистость
и высокую объёмность.
Принцип
ложного кручения. Производство малорастяжимых нитей
непрерывным способом. Производство извитых текстурированных волокон методом
гофрирования и прессования.
Получение объёмных нитей методом пневмотекстурирования. Видоизменить
структуру комплексных химических нитей можно путем воздействия на них воздушным
потоком в момент прохождения нитей через канал специального прибора. Струя
воздуха, подаваемая под давлением, разъединяет и изгибает в петли элементарные нити,
перепутывая их между собой. Петли и извитки взаимно заклиниваются, нить
приобретает
повышенную
Текстурированная
нить,
объёмность
полученная
и
своеобразную
петлистую
структуру.
аэродинамическим
способом,
сохраняет
повышенную объёмность и петлистую структуру при дальнейшей переработке и
эксплуатации изделий. [8, 12]
Химическая модификация на стадии получения полимера. Синтез волокнообразующих
сополимеров. Химическая модификация готового волокна. Cинтез привитых
сополимеров методом прививочной полимеризации на готовом волокне.
Внутримолекулярные реакции в полимерах и волокнах. Химические превращения
реакционноспособных групп в макромолекуле полимера.
Эти методы наиболее широко применимы для синтетических волокон и в
некоторых случаях для искусственных. Из них наибольшее значение имеют такие
как
синтез волокнообразующих сополимеров; синтез привитых сополимеров на
15
основе искусственных и синтетических волокон; внутримолекулярные реакции в
полимерах и волокнах; химические превращения реакционноспособных групп в
макромолекуле полимера (полимераналогичные превращения). Эти реакции проводят
на полимере или на готовом волокне путем их обработки различными
реагентами. В результате в волокне появляются новые функциональные группы,
придающие полимеру или волокну комплекс новых свойств. Получение ионообменных,
гемостатических, огнезащитных целлюлозных материалов методом прививочной
полимеризации.
Внутримолекулярные реакции в полимерах и волокнах. Этот вид модификации
основан на реакциях химических превращениях на уровне одной макромолекулы, что
приводит к изменению свойств как полимеров, так и волокон. Модификация ПВС и
полиоксадиазольного
волокна.
Получение
углеродных
волокон
на
основе
полиакрилонитрила.
Химические
превращения
реакционноспособных
функциональных
групп
в
макромолекуле полимера (метод полимераналогичных превращений) на примере
получения поливинилспиртового волокна.
4. УЧЕБНО – МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ.
Реализация1 основной образовательной программы подготовки
дипломированного специалиста должна включать выполнение студентом лабораторнопрактических работ по дисциплинам специализации, включая как обязательный
компонент выполнение практических заданий на персональных компьютерах.
Обязательным требованием также являются создание необходимой информационной
базы, обеспечивающей подготовку высококвалифицированного специалиста, и
обеспечение доступа студента к различным сетевым источникам информации, включая
Интернет.
Реализация основной образовательной программы подготовки дипломированного
специалиста должна обеспечиваться доступом каждого студента к библиотечным
фондам и базам данных, по содержанию соответствующих полному перечню дисциплин
основной образовательной программы, наличием методических пособий и рекомендаций
по всем дисциплинам и по всем видам занятий – практикумам, курсовому и
дипломному проектированию, практикам, а также наглядными пособиями, аудио-,
видео- и мультимедийными материалами.
Обеспеченность студентов учебной литературой, необходимой для выполнения
учебного плана подготовки специалиста, рекомендованной в программах в качестве
обязательной, в целом должна соответствовать нормативу – 0,5 ед. на одного студента.
Источники учебной информации должны отвечать требованиям современности. В
учебном
процессе
должны
использоваться
материалы
профессиональноориентированных журналов и других периодических изданий.
1
Материал в тексте соответствует стандарту Министерства образования Российской Федерации № 686 от
02.03.2000 г. по данной специальности (6.3. Требования к учебно-методическому обеспечению учебного
процесса).
16
При
реализация
основной
образовательной
программы
подготовки
дипломированного специалиста следует руководствоваться перечнем основной учебной
и научной литературы, рекомендуемым УМО.
5. МАТЕРИАЛЫ, УСТАНАВЛИВАЮЩИЕ СОДЕРЖАНИЕ И ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ
ТЕКУЩЕГО И ПРОМЕЖУТОЧНОГО КОНТРОЛЯ ЗНАНИЙ
Вопросы к зачету для студентов спец. 240201 по дисциплине
«Модификация химических волокон»
1. Введение добавок в прядильный раствор или расплав полимеров.
2. Текстурирование нитей. Производство высокорастяжимых нитей.
3. Химическая модификация готового волокна.
4. Формование химических волокон из смесей полимеров.
5. Получение объемных нитей методом пневмотекстурирования.
6. Введение добавок в формовочный раствор (расплав) полимеров.
7. Получение бикомпонентных волокон.
8. Получение малорастяжимых нитей методом текстурирования.
9. Химические превращения реакционноспособных групп в макромолекуле
полимера.
10. Химическая модификация на стадии получения полимера.
11. Получение извитых текстурированных волокон.
12. Принципы физической модификации текстильных нитей.
13. Синтез волокнообразующих сополимеров.
14. Получение малорастяжимых текстурированных нитей.
15. Крашение химических волокон в массе.
6. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Высшее 2учебное заведение, реализующее основную образовательную программу
подготовки дипломированного специалиста, должно располагать материальнотехнической базой, обеспечивающей проведение всех видов лабораторной,
практической, дисциплинарной и междисциплинарной подготовки и научноисследовательской работы студентов, предусмотренных примерным учебным планом, и
соответствующей действующим санитарно-техническим нормам.
Проведение лекционных занятий проводится при помощи мультимедийного проектора,
присоединенного к компьютеру.
Доступ к Интернет-ресурсам обеспечивается наличием компьютерного класса с
подключением к сети Интернет.
2
Материал в тексте соответствует стандарту Министерства образования Российской Федерации № 686 от
02.03.2000 г. по данной специальности (6.4. Требования к материально-техническому обеспечению
учебного процесса).
17
Вся необходимая для освоения дисциплины литература имеется в наличии в институтской
библиотеке.
Консультации могут проводиться как в аудитории, так и по сети Интернет в режиме onили off-line.
7. ИЗМЕНЕНИЯ И ЕЖЕГОДНЫЕ ДОПОЛНЕНИЯ
18
ПРИЛОЖЕНИЕ
19
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ
ФЕДЕРАЦИИ
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕХНОЛОГИЙ
И УПРАВЛЕНИЯ
Институт текстильной и легкой промышленности
кафедра «Химические технологии»
«УТВЕРЖДАЮ»
Первый проректор-директор
Института текстильной и легкой
промышленности
д.э.н., профессор
_______________П.Ф.Анисимов
21.06.2012 г.
Методические указания по проведению практических занятий по
дисциплине
«МОДИФИКАЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ ВОЛОКОН»
Для специальности: 240201 «Технология и оборудование производства химических
волокон и композиционных материалов на их основе»
Формы обучения: заочная (полная)
Курс : (5)
Москва 2012 год
20
УДК 678.06
Методические указания по проведению практических занятий по дисциплине
«Модификация химических волокон» обсуждены на заседании кафедры «Химические
технологии» Московского государственного университета технологий и управления
(протокол №9 от 25 мая 2012 г.) и рекомендованы к рассмотрению на заседание Ученого
совета института текстильной и легкой промышленности.
Методические указания по проведению практических занятий одобрены и
утверждены на заседании Ученого совета института текстильной и легкой
промышленности Московского государственного университета технологий и управления
(протокол № 2 от 21 июня 2012 г.).
Составитель:
Баева Нина Николаевна – кандидат технических наук, доцент
Рецензенты:
Николаева Наталья Валерьевна – кандидат технических наук, доцент кафедры химических
технологий.
Баева Н.Н.Модификация химических волокон: Методические указания по проведению
практических занятий. – М.: МГУТУ, 2012. – 10 с.
Методические указания по проведению практических занятий по дисциплине
«Модификация химических волокон», цикла специальных дисциплин учебного плана
составлены в соответствии с содержанием подготовки специалистов, определенному в
ГОС ВПО 2 поколения и предназначены для студентов 6 курса (ПП) заочной формы
обучения
специальности
240201
«Технология
и
оборудование
производства
химических волокон и композиционных материалов на их основе».
Методические
указания
по
проведению
практических
занятий
по
дисциплине
«Модификация химических волокон» предназначены для студентов заочной формы
обучения.
© Московский государственный университет
технологий и управления, 2012г. 109004, Москва,
Земляной вал, 73
© Баева Н.Н.
21
Содержание
1. Цели изучения дисциплины…………………………………………....................…4
2. Содержание дисциплины…………………………………………….........................5
3. Организационно-методические данные дисциплины………………...................…6
4. Задания и методические указания по проведению
практических занятий……………………………………………………..................….7
5. Список литературы……………………………………………………..................….9
1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Целью дисциплины является изучение основных направлений расширения и улучшения
ассортимента химических волокон путем модификации их свойств;
-обучить
принципам
выбора
технологии
и
оборудования
для
модификации
определенного класса химических волокон;
-научить оценивать выбранную технологию модификации с позиций экономики,
экологии, качества продукции.
Задачей изучения дисциплины
- применить основные законы физики и химии для
построения технологического процесса модификации химических волокон;
- описать основные технологические процессы модификации химических волокон и
нитей;
-объяснить принципы выбора технологии модификации химических волокон для
различных классов химических волокон;
-выбрать оборудование для реализации определенной технологической
операции
модификации текстильных волокон и нитей;
-оценить влияние различных технологических факторов на качество выпускаемой
продукции.
Место дисциплины в структуре ООП:
Дисциплина относится к циклу специальных дисциплин, вариативная часть. Она
является предшествующей для следующих дисциплин:
- Модификация химических волокон;
- Экологические проблемы производства химических волокон;
22
2. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
ОРГАНИЗАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ ПО ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ
Всего СамостоРаспределение часов по учебной дисциплине
ятельная
Лекции Лабораторно- Всего Зачетов
Экзаменов
Контрольны
работа
практические
е работы
занятия
15
210
230
Порядко Число
часов
вый
№
лекции
1
1.
2
2
5
20
1
Краткое содержание лекции
-
Лабораторно-практические
занятия
Число
часов
3
Понятие модификации химических волокон.
Задачи и цели модификации химических
волокон. Методы модификации.
Всего №
1
1раб
4
5
Краткое содержание
лабораторнопрактических
занятий
5
Свойства и
области
применения
модифицированных химических
волокон
23
4
Физическая (структурная ) модификация:
Ориентация и вытягивание химических
волокон с целью их упрочнения; Введение в
полимер активных наполнителей,
принимающих участие в формировании
структуры волокна. Формование
химических волокон из смесей полимеров.
Понятие термодинамической устойчивости
прядильных растворов и расплавов и
кинетической совместимости полимеров.
Получение и виды бикомпонентных
волокон. Особенности строения фильер для
формования бикомпонентных волокон, их
свойства и области применения.
Профилированные нити, их получение,
свойства, области применения.
4
Текстурированные волокна и нити.
Свойства и области применения
текстурированных волокон и нитей.
Способы текстурирования химических
волокон и нитей. Получение высоко- и
малорастяжимых текстильных нитей.
4
3
5
2
Методы химической модификации волокон
и нитей. Синтез волокнообразующих
сополимеров и формование из них волокон
обладающих заданными свойствами.
Синтез привитых сополимеров на основе
природных, искусственных и синтетических
волокон и нитей. Методы привитой
сополимеризации. Свойства и области
применения волокон на основе привитых
сополимеров.
Применение реакций полимераналогичных превращений для синтеза новых
волокнообразующих полимеров и модификации готовых волокон и нитей. Реакции
цепей полимеров и применение этих
реакций для получения волокон с новыми
свойствами.
2.
3
24
3. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ПРОВЕДЕНИЮ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ
Свойства и области применения модифицированных химических волокон.
Цель работы – ознакомление со свойствами модифицированных химических волокон на
стадии их получения и в готовом волокне.
Химические волокна, полученные методами синтеза волокнообразующих сополимеров.
Синтез сополимеров на основе капролактама и соли АГ. Определение сорбции красителя
и температуры плавления сополимера.
Включение добавок в структуру волокон. Получение волокон с каталитической
активностью. Методы сорбции нефти и нефтепродуктов из воды.
Полимераналогичные превращения функциональных групп полимера. Определение
степени превращения функциональных групп полимера.
Получение волокон различного функционального назначения. Хемостойкость
сорбционных волокнистых материалов. Определение степени набухания
хемосорбционных волокон.
Применение огнезащищенных волокон. Определение устойчивости к действию пламени.
Определение показателя кислородного индекса.
Получение волокон с пониженной смачиваемостью. Определение краевого угла
смачивания. Определение степени смачиваемости. Определение водоотталкивающих
свойств модифицированных материалов. Определение маслоотталкивающих свойств
модифицированных волокон. Методики определения грязеотталкивающих свойств
модифицированных материалов к сухому загрязнению.
Вопросы для подготовки к коллоквиуму:
1. Почему при синтезе сополиамидов на основе капролактама и соли АГ не
используют дистиллированную воду в качестве активатора?
2. Как будет изменяться степень кристалличности сополиамидов с увеличением
содержания соли АГ в исходной смеси?
3. Каково назначение волокнистых сорбентов?
4. Приведите общую классификацию хемосорбционных волокон.
5. Какие типы сорбционно-активных групп могут проявлять избирательную
сорбцию?
6. Назовите методы снижения горючести текстильных материалов.
7. Каков механизм действия фосфор - и галогенсодержащих антипиренов?
8. Дайте определение показателя кислородного индекса.
9. Укажите значения показателя кислородного индекса для химических волокон
различной структуры.
10. Как изменяются механические свойства волокон в процессе огнезащиты?
11. Каков механизм снижения смачиваемости текстильных материалов?
25
12. Какие соединения являются наиболее эффективными модификаторами,
используемыми для снижения смачиваемости текстильных материалов?
13. В чем преимущество высокомолекулярных модификаторов при получении волокон
с пониженной смачиваемостью?
Список литературы
Основная литература
1. Коннова Н.Ф., Баева Н.Н. Модификация волокнообразующих полимеров и
волокон. Конспект лекций, РИО «РосЗИТЛП», М. 2009г., 51с.
2. Химические
волокна:
основы
получения,
методы
исследования
и
модифицирование. Под ред. Дружининой Т.В. - М.: МГТУ им. А.Н.Косыгина,
2006. – 472с.
3. Перепелкин К.Е. Армирующие волокна и волокнистые полимерные композиты –
СПб. «Научные основы и технологии», 2009, 386с.
4. Михайлин Ю.А. Термоустойчивые полимеры и полимерные материалы. –СПб.:
Профессия, 2006.-624с.
5. Практические занятия по дисциплине «Модификация химических волокон» для
студентов спец.240201. М. МГУТУ им. К.Е. Разумовского. 2012. с.
6. Рабочая программа, методические указания по самостоятельной работе и
контрольные задания по дисциплине «Модификация химических волокон» . М.
МГУТУ им. К.Е. Разумовского. 2012. 12с.
Дополнительная литература
1. Кричевский Г.Е. Химическая технология текстильных материалов: Учебн. для
ВУЗов в 3-х томах. Москва, 2001г. с. 540.
2. Кричевский Г.Е. Количественный и качественный анализ волоконного состава
текстильных материалов. /справочное пособие. М, 2002г.-273с.
3. Кричевский Г.Е. Толковый словарь терминов: текстиль и химия/ Учебное
пособие для вузов.- М., 2005г.-296с.
4. Роговин З.А. Основы химии и технологии химических волокон. - М.: Химия,
1974, т.2 - 343с
5. Волокна с особыми свойствами. / Под ред. Вольфа Л. А. – М., Химия. 1980. –
240с.
6. Cерков А.Т. журнал «Химические волокна», № 1, 2008г. с.27
7. Гусев В. К., Тульгук З. Д., Спицына Т.В. Бикомпонентные волокна и нити. –
М.: Химия, 1986, - 104с.
8. Усенко В. А., Дамянов Г. Д., Адыров П. В, Производство текстурированных
26
нитей и высокообъёмной пряжи. – М., Легкая Индустрия, 1980, - 256с.
9. Смирнов В. С., Шавлюк В. Н. Текстурированные нити. – М., Легкая индустрия,
1979, - 176с.
10. Усенко В. А. Переработка химических волокон. М., Легкая индустрия, 1975, 240с.
11. http://www.polymery.ru
27
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ
ФЕДЕРАЦИИ
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕХНОЛОГИЙ
И УПРАВЛЕНИЯ
Институт текстильной и легкой промышленности
кафедра «Химические технологии»
«УТВЕРЖДАЮ»
Первый проректор-директор
Института текстильной и легкой
промышленности
д.э.н., профессор
_______________П.Ф.Анисимов
21.06.2012 г.
Конспект лекций по дисциплине
«МОДИФИКАЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ ВОЛОКОН»
Для специальности: 240201 «Технология и оборудование производства химических
волокон и композиционных материалов на их основе»
Формы обучения: заочная (полная)
Курс : (5)
Москва 2012 год
28
УДК 678.06
Конспект лекций по дисциплине «Модификация химических волокон» обсужден
на заседании кафедры «Химические технологии» Московского государственного
университета технологий и управления (протокол №9 от 25 мая 2012 г.) и рекомендован к
рассмотрению на заседание Ученого совета института текстильной и легкой
промышленности.
Конспект лекций по дисциплине «Модификация химических волокон» одобрен и
утвержден на заседании Ученого совета института текстильной и легкой промышленности
Московского государственного университета технологий и управления (протокол № 2 от
21 июня 2012 г.).
Составитель:
Баева Нина Николаевна – кандидат технических наук, доцент
Рецензенты:
Николаева Наталья Валерьевна – кандидат технических наук, доцент кафедры химических
технологий.
Баева Н.Н.Модификация химических волокон: Конспект лекций. – М.: МГУТУ, 2012. –
50 с.
Конспект лекций по дисциплине «Модификация химических волокон»,
специальных дисциплин
цикла
учебного плана составлен в соответствии с содержанием
подготовки специалистов, определенному в ГОС ВПО 2 поколения и предназначен для
студентов 6 курса (ПП) заочной формы обучения специальности 240201 «Технология и
оборудование производства химических волокон и композиционных материалов на их
основе».
© Московский государственный университет
технологий и управления, 2012г. 109004, Москва,
Земляной вал, 73
© Баева Н.Н.
29
МОДИФИКАЦИЯ ВОЛОКНООБРАЗУЮЩИХ ПОЛИМЕРОВ И
ВОЛОКОН
Введение
Основным направлением расширения и улучшения ассортимента
химических волокнистых материалов является не столько разработка новых
полимеров, сколько модификация уже существующих волокон с целью
придания им новых свойств.
Благодаря техническому прогрессу в области производства химических
волокон,
наряду
с
модифицированные
Появились
«классическими»
виды
с
видами
волокон,
оптимизированными
созданы
их
характеристиками.
химические волокна нового поколения со специальными
свойствами: термо- и жаростойкие, пониженной горючести, антимикробные,
антиаллергические, изменяющие цвет в зависимости от температуры и
освещения,
терморегулирующие,
защищающие
от
статического
электричества и ультрафиолетовых лучей и т.д.
. Модификация химических волокон подразделяется
и химическую.
(структурную)
химический
состав
полимера
При физической
волокна
изменение физической, надмолекулярной
на
физическую
модификации
не изменяется, а происходит
структуры волокна. При
химической модификации происходит изменение химического состава
полимера волокна и, соответственно, меняются свойства волокон.
Физические методы модификации химических волокон.
Модификация на стадии формования волокна.
Введение добавок в прядильный (формовочный) раствор или расплав
полимеров.[1]
Небольшие
добавки
низкомолекулярных
соединений
(НМС),
обладающих специальными свойствами, придают волокну требуемые
свойства. Для увеличения стойкости волокон к деструкции (окислительной,
термической, фотохимической) в полимер перед формованием вводят
30
антиоксиданты, термо- и светостабилизаторы, которые увеличивают срок
службы изделий. Роль добавок сводится к ингибированию распада
макромолекул по цепному механизму или к увеличению индукционного
периода при инициировании этой реакции.
Добавление антиоксидантов, которые реагируют с О2 быстрее, чем
функциональные группы полимера, обеспечивает замедление процесса
термоокислительной и окислительной деструкции.
Введение термо- и светостабилизаторов особенно важно для
полиамидов, полиолефинов и полиуретанов.
В
полимер можно вводить активные наполнители, принимающие
активное участие в формировании структуры волокна. Так при
формовании полинозных волокон в состав осадительной ванны вводят до
1 г/л ZnSО4, который оказывает сильное структурообразующее влияние
при формовании полинозного волокна, что обеспечивает формирование
крупнокристаллической структуры и его прочность.
Другим примером введения активных наполнителей является
добавление в прядильный раствор вискозы при формовании кордных нитей
небольших количеств (1-3% от массы нити) мелкодисперсной сажи. Это
приводит к повышению усталостной прочности вискозного корда.
При производстве химических волокон и нитей они выпускаются
блестящими и матированными. Требования к матирующим веществам
должны быть следующими:
- химическая инертность к полимеру, реагентам или растворителям;
- высокая степень дисперсности и однородности, размер частиц должен
быть меньше диаметра отверстия фильеры (менее 2 мкм);
- высокая степень фиксации на волокне.
В качестве матирующего агента в производстве химических волокон
чаще всего используется двуокись титана (ТiО2), которая устойчива к
кислотам, щелочам, органическим растворителям. Она может быть получена
31
любой степени дисперсности. Недостатком использования двуокиси титана
является:
- повышенный износ дозирующих насосиков и деталей прядильных и
текстильных машин в результате абразивного действия ТiO2;
- ухудшение механических свойств химических волокон (уменьшается
усталостная прочность к многократным деформациям);
- ускоряется выцветание красителей, нанесенных на волокно.
Для придания бактерицидных свойств химическим волокнам в их состав
вводят добавки, обладающие бактерицидными свойствами [2]. Введение
бактерицидных добавок можно проводить двумя способами:
1. При формовании термопластичных полимеров из расплава в
экструдер вводят гранулят, опудренный бактерицидным препаратом. Так при
формовании бактерицидных полиамидных волокон вводят гранулят,
опудренный, например, фурагином (1% от массы полимера). При
формовании полипропиленовых волокон в расплав перед формованием
вводят лекарственные препараты: фурагин, фуразолидон, норсульфазол и
другие 1-2% от массы полимера. Так как формование волокон
осуществляется при высоких температурах 220-290°С, к лекарственным
препаратам предъявляется требование устойчивости при высоких
температурах и сохранения высокой антимикробной активности.
2. При формовании волокон из растворов в прядильные растворы
полимеров в процессе их получения вводят лекарственные препараты,
которые должны быть устойчивыми к растворителям, осадителям и
отделочным растворам. Так при формовании полиакрилонитрильных
волокон, обладающих подавляющей активностью к стафиллококу, в раствор
вводят 1-5% фурагина или нитрофурфуролдиацетата. При введении в
раствор полиакрилонитрила в диметилформамиде нитрофурана получают
волокна, подавляющие кишечную палочку.
Метод введения малых добавок в прядильный раствор или расплав
полимеров позволяет получать химические волокна с различными заранее
32
заданными свойствами: бактерицидные, самозатухающие, с повышенной
устойчивостью к окислителям, трению, ультрафиолетовому облучению и т.п.
Особый интерес представляет нанотехнология в текстиле [3]. Понятие
«нанотехнология» ввел американский физик Ричард Фейман
в 1959 году.
Размерность наночастиц простирается от 0,1 до 100нм (1 нм = 1*10-9м). На
сегодняшний день в текстиле внедряются следующие нанотехнологии:
-производство нановолокон;
-заключительная
отделка
текстильных
материалов
с
использованием
наполняя
традиционные
нанотехнологий.
Нановолокна
можно
производить,
волокнообразующие полимеры отличными по конфигурации наночастицами
различных веществ или путем выработки ультратонких волокон диаметром в
рамках наноразмеров.
Наполненные наночастицами волокна начали производить в 1990 году.
Такие волокна малоусадочны, имеют пониженную горючесть, повышенную
прочность на разрыв и истирание и в зависимости от природы введенных
наночастиц могут приобретать другие защитные свойства, требующиеся
человеку.
В качестве наполнителей волокон
соединения углерода -
широко используют новые
фуллерены (1985г.) и нанотрубки (1991г.) с одной
или несколькими стенками. Фуллерены представляют собой сферические
углеродные кластеры, образованные преимущественно шестизвенными
циклами и состоящие в основном из 60 атомов углерода. Они образуются при
лазерном или электродуговом испарении углерода из графита. Близкие им по
структуре
углеродные соединения – нанотрубки – получили значительно
большее развитие. Они представляют собой полые волокна диаметром 3,5 –
30 нм, длиной 2 – 5 мкм. Нанотрубки получают выращиванием из паров
углерода, получаемых из графитовых электродов в электрической дуге или
путём облучения пучком электронов. Наиболее приемлемым является
33
пиролиз органических соединений. В 2001 году уже было произведено 120 т
нанотрубок[4].
Волокна,
наполненные
нанотрубками,
приобретают
уникальные
свойства – они в 6 раз прочнее стали и в 100 раз легче её. Введение 5 – 20%
углеродных наночастиц от массы волокна придаёт им электропроводность
сопоставимую с медью и химическую устойчивость к действию многих
реагентов.
Например, наполнение нанотрубками поливинилспиртового волокна,
сформованного по мокрому способу, оно становится в 120 раз выносливее,
чем стальная проволока и в 17 раз легче, чем волокно Кевлар (самое прочное
арамидное химволокно).
Очень ценные и полезные свойства химические волокна приобретают
при наполнении их наночастицами глинозёма. Эти частицы в виде
мельчайших хлопьев обеспечивают высокую электро - и теплопроводность,
химическую активность, защиту от УФ-излучения, огнезащиту и высокую
механическую прочность. У полиамидных волокон, содержащих 5%
наночастиц глинозёма, на 40% повышается разрывная нагрузка и на 60% прочность на изгиб. Такие волокна в производстве средств защиты от ударов,
например, защитных касок. Известно, что полипропиленовые волокна очень
трудно
окрашиваются,
применения.
Введение
полипропиленовых
что
существенно
15%
волокон
наночастиц
обеспечивает
ограничивает
глинозёма
возможность
область
в
их
структуру
крашения
их
различными классами красителей с получением окрасок глубоких тонов.
Интенсивно развиваются исследования и производства синтетических
волокон, наполненных наночастицами оксидов металлов TiO2, AL2O3, ZnO,
MgO.
Волокна, наполненные наночастицами, приобретают следующие
свойства: фотокаталитическую активность, УФ-защиту, антимикробные
свойства,
электропроводность,
грязеотталкивающие
свойства,
фотоокислительную способность в различных химических и биологических
условиях.
34
Ещё одним интересным направлением
в производстве
нановолокон
является придание им ячеистой, пористой структуры с наноразмерами пор.
При этом достигается резкое снижение удельной массы (получение легких
материалов) хорошая теплоизоляция, устойчивость к растрескиванию.
Нанопоры, образующиеся в волокнах, могут быть заполнены различными
жидкими, твердыми и даже газообразными веществами с различным
функциональным
назначением
(медицина,
ароматизация
текстильных
полотен, биологическая защита).
Крашение химических волокон в массе [1]
Крашение химических волокон представляет определенные трудности
из-за того, что крашение происходит в результате диффузии красителя
внутрь волокна и взаимодействия функциональных групп красителя с
функциональными группами полимера. Химические волокна в большинстве
случаев гидрофобны и мало набухают в воде, в результате чего диффузия
красителя в волокно замедлена. Кроме того в химических волокнах велика
энергия межмолекулярного взаимодействия, что также затрудняет диффузию
красителя в волокно. Крашение химических волокон можно проводить в
присутствии веществ, вызывающих набухание волокон; при повышенных
температурах; под давлением. Но эти способы трудоемки. Наиболее
перспективным и широко применяемым является способ крашения
химических волокон в массе при этом в раствор или расплав
волокнообразующего полимера перед формованием вводят чаще всего
пигменты. При этом к пигментам предъявляются следующие требования:
- пигменты должны быть устойчивы к действию химических реагентов
и высоких температур;
- пигменты должны придавать волокну стойкую окраску и устойчивость
к действию воды и мыла.
Крашение волокон в массе можно проводить двумя методами:
35
- введение пигментов в прядильный раствор в процессе его
приготовления или перед плавлением полимера в экструдере (введение
полимерного концентрата красителя);
- введение пигмента в прядильный раствор перед формованием.
В первом случае трудно перейти на другой цвет, так как весь
трубопровод загрязнен предыдущим пигментом. Перед переходом на другой
цвет необходимо пропускать через весь трубопровод неокрашенный раствор,
получают переходную партию волокна, что экономически не выгодно. И
только после этого можно переходить на новый цвет. Второй метод
более
рационален,
так
как
смешивание
суспензии
пигмента
с
прядильным раствором и подготовка смеси к формованию проводится
отдельно. Окрашенный (маточный) раствор добавляется к основному
раствору перед формованием, что исключает получение проходной партии
волокна.
Формование химических волокон из смесей полимеров [1]
Формование химических волокон из смесей полимеров является одним
из вариантов рассмотренных выше способов метода введения малых
добавок. Основное отличие состоит в том, что добавками являются
волокнообразующие полимеры, растворимые в том же растворителе, что и
основной полимер. Эти добавки участвуют в формировании структуры и
влияют не только на изменение отдельных показателей, но и на весь
комплекс свойств получаемых волокон.
Проведено много исследований по формованию химических волокон из
смесей полимеров, но в промышленном масштабе эти волокна не формуются.
Организованы только опытные производства получения волокон из смесей
карбо- и гетероцепных полимеров.
Основными затруднениями формования волокон из смесей полимеров
является их ограниченная совместимость в растворе. Главным условием
получения раствора смеси полимеров является наличие общего растворителя.
Но этого условия недостаточно, так как полимеры могут хорошо
36
растворяться в общем растворителе, но образовывать несовместимые между
собой быстро расслаивающие растворы.
Для обеспечения нормального формования термодинамическая
устойчивость прядильных растворов или расплавов, т.е. возможность
выдерживания их
в течение практически неограниченного времени
без
постепенного расслоения, не требуется. Использование таких растворов или
расплавов становится вполне возможным при наличии так называемой
кинетической совместимости растворов или расплавов. Кинетическая
совместимость растворов или расплавов характеризуется возможностью их
выдерживания в течение определенного времени, необходимого для
приготовления раствора или расплава к формованию и последующего
получения волокна (не более 4-5 дней) без расслаивания.
Кинетически совместимые растворы получены из смесей различных
синтетических и природных полимеров. На этом принципе основано
получение волокна из различных сополимеров акрилонитрила (волокно
зефран), бикомпонентных синтетических волокон, сформованных из
растворов или расплавов смесей полимеров. Растворы несовместимых
полимеров можно перерабатывать при изменении технологического процесса
или аппаратурного оформления. Как правило, растворы полимеров
получают смешиванием сухих полимеров и их растворением в одном
аппарате. При этом кинетическая совместимость должна превышать время
необходимое для их растворения, фильтрации и обезвоздушивания
прядильного раствора (30 - 40 часов). Если же растворение полимеров и
последующая подготовка прядильных растворов проводится раздельно, а
полученные растворы смешиваются с помощью специального насосика перед
прядильной машиной, то продолжительность выдерживания смеси не
превышает
3-5
часов.
Снижается
требования
к
кинетической
совместимости.
При формовании
поливинилхлоридных (ПВХ) волокон из смесей
37
полимеров в качестве второго компонента используются ацетат целлюлозы,
нитрат целлюлозы, бензилцеллюлоза. Это приводит к повышению
теплостойкости ПВХ волокон. Для получения ПВХ волокон, способных
окрашиваться кислотными красителями, предложено формовать волокно из
смеси ПВХ с производными винилпиридина, содержание последнего не
должно
превышать
красителями
можно
5%.
Увеличение
достичь
окрашиваемости
формованием
смесей
основными
ПВХ
с
полиметилакрилатом и с полиметиметакрилатом.
Формование волокон из смеси термопластичных полимеров бывает
затруднено в связи с тем, что невозможно получить смесь полимеров. Так
при совместном плавлении различных полиамидов интенсивно протекают
процессы переамидирования. Уже через 1 час смесь полиамидов
превращается в блоксополимер, а далее он переходит в сополимер со
статическим
распределением
звеньев.
Аналогично
протекает
смешивание полиамидов с полиэфирами, здесь развиваются обменные
процессы переацилирования.
Этот метод модификации перспективен в случае смешивания
полиамидов с карбоцепными полимерами. В качестве второго компонента
рекомендуются сополимеры акрилонитрила со стиролом, метилакрилатом,
метилметакрилатом, винилпиридином. Сополимеры вводят в расплав
полиамида перед формованием в количестве не более 5%. Большее
количество добавки приводит к ухудшению прядомости расплава.
Полученные волокна обладают физико - механическими свойствами
капрона, но повышается их свето- и теплостойкость.
Метод формования полиамидных волокон из смесей полимеров
используется для улучшения такого показателя как электризуемость. Для
этого в расплав полимера вводят дисперсию какого либо эфира
полиалкиленгликоля с молекулярной массой не более 600.
Получение бикомпонентных волокон [5]
38
Существенный интерес представляют текстурированные (объемные)
нити, полученные из бикомпонентных волокон. Они могут конкурировать с
текстильными нитями, в которых объемность достигается механическими
методами обработки готовых нитей. Бикомпонентные нити могут быть
получены из любых полимеров, обладающих термопластичностью.
Первое волокно было получено в 1960 году в США на основе
полиакрилонитрила.
В
1963
году
получены
высокообъемные,
высокоусадочные волокна на основе найлона 6 и найлона 6.6.
Метод формования бикомпонентных волокон заключается в
формовании через одну фильеру растворов или расплавов двух полимеров,
образующих смешанные волокна, существенно отличающиеся по свойствам
от волокон, сформованных из каждого отдельно полимера. При формовании
бикомпонентных волокон течение струек раствора или расплава полимера
должно быть ламинарным, чтобы избежать перемешивания потоков и
обеспечить равномерную структуру полученного волокна. Каждое
элементарное волокно получаемой комплексной нити должно состоять из
двух компонентов, которые соединяются между собой на поверхности
раздела. Эти компоненты отличаются по ряду физико-механических и
физико-химических свойств (степени усадки при повышенных температурах,
набуханию, кристалличности). Такие различия могут быть достигнуты,
применяя полимеры одинакового состава, но различной молекулярной
массы, или используя различные термопластичные сополимеры.
Например, можно использовать полиамиды различной молекулярной
массы. Чем меньше молекулярная масса, тем меньше возможная степень
вытягивания волокна, тем полнее осуществляется релаксация. Усадка
волокна при прогреве на воздухе или в жидкости при повышенных
температурах тем выше, чем ниже молекулярная масса. Элементарные
волокна, состоящие из двух полимеров одного химического состава, но с
различной
молекулярной
массой,
при
прогреве
усаживаются
не
одинаково. В результате получаются извитые объемные волокна и нити.
39
Термопластичные сополимеры отличаются по свойствам от
гомополимеров регулярного строения, так как в них меньшая интенсивность
межмолекулярного взаимодействия, более низкая температура размягчения
и большая усадка при повышенных температурах. В результате различной
усадки при повышенных температурах в волокне, сформованном из
сополимера
и
гомополимера,
возникают
остаточные
напряжения,
необратимо деформирующие волокно и приводящие к образованию
извитости.
Формование бикомпонентных волокон из растворов или расплавов
полимеров производится по обычной схеме. Но необходимо использовать
фильеры специальной конструкции типа «канал в канале» (рис.1)
При этом образуются волокна с различным срезом (рис.2)
Сегмент
ядро – оболочка
трехкомпонентная система.
40
Рис.2. Срезы бикомпонентных волокон.
Соединение полимеров происходит непосредственно перед входом
в цилиндрическую
часть
канала
отверстия
фильеры.
Изменяя
положение воронки, можно получить волокна с концентрическим или
эксцентрическим
расположением
ядра.
Конструкций
фильерных
комплектов имеется большое количество, но целесообразны те, где
соединение
полимера
происходит в
цилиндрической части канала
отверстия фильеры.
Термообработка сформованных и вытянутых волокон на заводе по
производству химических волокон обычно не производится. Обработку
горячей водой или термообработку в свободном состоянии при температуре
100оС подвергают изделия из бикомпонентных нитей в процессе крашения,
отделки или промывки. После этого изделия термофиксируют в натянутом
состоянии при 140 - 150°С.
Для получения бикомпонентных волокон используются следующие
волокнообразующие полимеры:
- вторичный ацетат целлюлозы различной молекулярной массы;
- ацетат и триацетат целлюлозы;
-сополимеры акрилонитрила, обладающие различной температурой
размягчения и соответственно различной усадкой в горячей воде и при
термообработке;
- смесь
полиамида
регулярной
структуры
и
сополиамида
(например,
капрон и анид, волокно Topilan);
- смесь полиамид различной степени полимеризации;
- смесь полиамида и полиэфира;
- смесь полипропилена и полиэтилена высокой плотности;
- полиэфир и сополиэфир, содержащий небольшое количество звеньев
изофталевой кислоты.
41
Наибольший эффект от применения бикомпонентных волокон имеет
место при изготовлении трикотажных изделий.
Преимущество данного способа получения объемных нитей перед
текстурированием
является
отсутствие
сложного
текстильного
оборудования, но при этом возникают трудности при формовании волокна
ФИЗИЧЕСКАЯ МОДИФИКАЦИЯ ГОТОВЫХ ВОЛОКОН.
Для модификации готового волокна применяются в основном два
способа:
1. Ориентация и вытягивание волокон и нитей
2. Получение
текстурированных
объемных
нитей
путем
последующей текстильной обработки методом «ложного» кручения
или пневмотекстурирования;
В результате
получаются
нити,
обладающие
повышенной
прочностью, или особым внешним видом и свойствами, которые могут
быть использованы для изготовления изделий новых типов, в частности
высокоэластичных.
Ориентация и вытягивание волокон и нитей [1]
Свежесформованные химические волокна не обладают требуемым
комплексом механических свойств. При вытягивании химических волокон
происходит распрямление макромолекул, их сближение и образование новых
сил межмолекулярного взаимодействия. При этом улучшаются механические
свойства волокна - прочность в сухом и мокром состоянии, начальный
модуль упругости, устойчивость к многократным деформациям.
Разрушение волокон при растяжении может происходить в результате
разрыва химической связи между отдельными атомами в макромолекуле, а
также при разрыве более слабых связей между макромолекулами и их
агрегатами. Оба механизма возможны.
42
При деформации полимеров протекают параллельно два процесса:
изменение формы макромолекул и их взаимного расположения. Повышается
степень ассиметрии макромолекул по направлению ориентации. Изменение
взаимного расположения агрегатов макромолекул приводит к повышению
структурной однородности и повышению прочности волокна. В процессе
деформации изменяется не только расположение кристаллитов в
кристаллических полимерах или агрегатов в аморфных полимерах, а
изменяются размеры этих элементов надмолекулярной структуры (например,
появляются кристаллиты в полиуретанах при вытягивании и изменяются их
размеры).
Изменение формы макромолекул при вытягивании - перевод их в
неравновесное состояние, после этого необходимо проводить частичную
релаксацию. Упрочнение волокон и нитей необходимо проводить в таких
условиях, при которых максимально повышается структурная однородность
волокон в результате взаимного перемещения агрегатов при наиболее полной
релаксации макромолекул.
Если прочность волокна увеличивается в основном в результате
повышения структурной однородности (благодаря перемещению агрегатов
макромолекул и повышению упорядоченности их расположения), то
величина удлинения упроченного ориентированного волокна определяется в
основном формой макромолекул в равновесном состоянии и степенью его
релаксации. Чем более вытянутую форму имеют макромолекула в
равновесном состоянии, тем меньше возможность их деформации при
растяжении, тем меньше удлинение волокна.
Основными факторами, препятствующими релаксации макромолекул
после завершения деформации волокна, является стеклование или
кристаллизация (у кристаллических полимеров) макромолекул в волокне. В
результате этого фиксируется вытянутая форма макромолекул, что приводит
к уменьшению удлинения при разрыве.
43
Следовательно, оптимальный режим упрочнения волокна, при котором
достигается требуемое повышение прочности при минимальном понижении
эластических свойств, заключается в значительном вытягивании его при
температуре выше температуры стеклования (Тст.) и последующей полной
или частичной релаксации макромолекул волокна.
Ориентацию проводят в различных условиях в зависимости от вида
химического волокна. Для некоторых полимеров необратимое перемещение
агрегатов макромолекул в условиях вязкого течения может быть
осуществлено при нормальной температуре без набухания волокна.
Например, полиамиды можно вытянуть при 20 0 С на 300 - 400%, при
этом возрастает прочность волокна. Аналогично можно проводить
вытягивание волокон на основе полиолефинов, фторлона.
Для полярных жесткоцепных полимеров, в составе которых много
полярных групп, а макромолекулы имеют вытянутую форму, осуществить
перемещение макромолекул без набухания при комнатной температуре
невозможно. В таких полимерах велики силы межмолекулярного
взаимодействия. Их нужно ослабить, повысить гибкость цепи, после чего
можно
проводить
вытягивание.
Способами
ослабления
сил
межмолекулярного взаимодействия являются:
- повышение температуры;
- обработка химическими реагентами, вызывающими набухание
(одностороннее проникновение растворителя в полимер) волокна. Для
волокон на основе целлюлозы проводят вытягивание при повышенных
температурах, когда волокно находится в пластическом состоянии (в
горячей довосстановительной ванне). Волокна на основе полиакрилонитрила
можно вытянуть только в набухшем состоянии при повышенной температуре
100-1400 С. Волокно вытягивается при этом в 6- 8 раз.
Вытягивание волокон на основе термопластических полимеров
можно проводить при повышенных температурах (выше температуры
44
стеклования), когда волокна находятся в высокоэластическом состоянии. К
таким волокнам относятся - полиамиды, полиэфиры, полиолефины.
Вытягивание является необходимой стадией повышения прочностных
показателей волокон. Особенно это важно при производстве технических и
кордных нитей.
После вытягивания необходимо проводить релаксацию волокон —
снятие напряжений, возникающих в процессе вытягивания. Релаксацию
проводят при повышенных температурах при небольшой усадке.
Релаксация вытянутых волокон приводит к повышению усталостной
прочности и лучшему комплексу эксплуатационных свойств.
В
отделочном
производстве
текстильным
изделиям
из
термопластичных волокон придают несминаемость и безусадочность за счет
операции термостабилизации на сушильно-ширильных стабилизационных
машинах (СШСМ) [6]. Поскольку в процессе переработки термопластичных
волокон в текстильные изделия (операции прядения, ткачества, вязания) в
волокне накапливаются внутренние напряжения, которые необходимо снять
в
контролируемых
получение
условиях
стабильной
(температура,
структуры
время),
изделия.
обеспечивающих
Температура
процесса
термостабилизации зависит от температуры стеклования волокна, и
превышает температуру эксплуатации изделий на 20-300С. Процесс
термостабилизации можно проводить в среде насыщенного пара (130-1400 ,
в течениие 10-30 мин.) или горячим воздухом (180-2200С , в течение 30-45
сек.). На практике используется последний вариант, обеспечивающий
экономичность процесса и высокое качество обработки.
Получение текстурированных нитей. [9-11]
Большинство существующих способов текстурирования основано на
механическом воздействии на комплексные нити (кручение, гофрирование,
прессование)
видоизмененной
с
одновременным
структуры
обогревом
нити.
для
стабилизации
Применяется
также
45
пневматический способ текстурирования, обеспечивающий получение
стабильной структуры нити без дополнительной тепловой обработки.
Тектурированные нити по сравнению с гладкими нитями отличаются
повышенной объемностью, извитостью, пористостью, мягкостью, а
некоторые из них - большой упругой растяжимостью. Изделия из
текстурованных
нитей
обладают
хорошей
драпируемостью
и
застилостностью, они хорошо пропускают воздух, впитывают и испаряют в
окружающую среду влагу, выделяющуюся при эксплуатации одежды. Эти
изделия имеют сравнительно высокие гигиенические показатели.
Применение текстурированных нитей позволяет экономить сырье при
изготовлении изделий. Так при выработке носков из текстурированных
нитей на 3 размера сокращается размер изделия и сокращается его
материалоемкость. Использование текстурированных нитей значительно
расширило область применения синтетических нитей и способствовало
повышению
качества
текстильных
и
трикотажных
изделий.
Применение текстурированных нитей непрерывно растет и некоторых
странах оно достигло 60 — 70%. Текстурированные нити широко
применяются в трикотажном производстве для выработки чулочноносочных изделий, спортивных костюмов, верхнего трикотажа и т.п. Они
также используются для выработки белья, плательных, костюмных и
пальтовых тканей, одеял, ковров, драпировочных изделий.
Для текстурирования применяют в основном полиамидные и
полиэфирные
нити,
обладающие
большой
разрывной
нагрузкой,
высокой
упругостью, термопластичностью и
способностью сохранять эффект
объёмности, полученный в процессе текстурирования, при последующих
обработках
нитей
и
эксплуатации
изделий.
Для
выработки
высообъемной пряжи используют полиакрилонитрильные сополимерные
волокна: нитрон (Россия), булана (Болгария), орлон (США), кашмилон
(Япония) и др.Для всех текстурированных нитей общим признаком
46
является повышенная объёмность и рыхлая структура. Они могут
обладать или очень высокой (до 400%) или же очень малой упругой
растяжимостью.
Большинство
текстурированных
нитей
обладают
извитостью, но характер извитков может быть различным. Некоторые
имеют синусообразную или изломанную форму извитков (гофрон) рис. 3 а,
другие
-
спиралеобразную
пространственную
форму
извитков
элементарных нитей (эластик) рис 3 б.
Рис. 3 Извитая нить.
а) с извитками, расположенными в одной плоскости
б) с пространственным расположением извитков.
Нити,
полученные
пневматическим
способом,
обладают
петлистой структурой (рис 4).
Рис. 4. Внешний вид пряжи, полученной пневматическим способом.
К текстурированным иногда относят профилированные нити, при
формовании
которых
используют
фильеры
с
отверстиями,
47
обеспечивающими
получение
полых
или
фигурных
в
сечении
элементарных нитей (рис.5).
Рис. 5. Виды отверстий фильеры для получения профилированных
нитей.
Способы производства текстурированных нитей специализированы в
зависимости от толщины нитей и их назначения. Для тонких чулок и
колготок используются комплексные высокорастяжимые нити малой
толщины, вырабатываемые путем кручения, термостабилизации и
раскручивания
нитей.
Малорастяжимые
текстурированные
нити
используют преимущественно для выработки верхнего трикотажа,
плательных и костюмных тканей. Их вырабатывают из нитей средней
толщины также как и высокорастяжимые нити, но при этом добавляется
дополнительная тепловая обработка. Для текстурирования толстых нитей
(линейная плотность 500 -1000 текс и выше) наиболее эффективным
является способ гофрирования и прессования. Однако применяют и
другие способы, например пневмомеханический способ. Толстые
текстурированные нити широко используются
для
изготовления
ковров, драпировочных тканей и технических тканей для обивки
салонов автотранспорта.
Производство высокорастяжимых текстурированных нитей.
48
Высокорастяжимые нити обычно вырабатывают путем скручивания
их до 2000 — 4000 кр./метр (первая крутка), тепловой обработки скрученной
нити и раскручивания (вторая крутка). Крутящий момент, вызванный
первой
круткой, заставляет элементарные нити расположиться по
винтовым линиям под некоторым углом к продольной оси комплексной
нити. В элементарных нитях при этом возникают внутренние напряжения,
под действием которых комплексная нить стремится раскрутиться. Для
снятия
внутренних
кручения
напряжений комплексную нить после первого
подвергают
тепловой
обработке.
При
нагревании
нитям
сообщается тепловая энергия, которая превращается в кинетическую
энергию
движения
атомов
и
молекул.
В
результате
ослабления
межмолекулярных сил сцепления происходит переориентация молекул,
которые занимают новое положение, соответствующее спиралевидной
форме
элементарных
нитей.
Внутренние
напряжения,
вызванные
кручением, при этом снимаются. При охлаждении нитей они принимают
равновесную структуру. При раскручивании в нитях вновь возникают
внутренние напряжения, под действием которых каждая элементарная
нить стремится сохранить положение, зафиксированное тепловой
обработкой после первой крутки. В результате этого нити изгибаются,
принимают форму пространственных спиральных пружин, а комплексные
нити приобретают большую упругую растяжимость, пушистость и
высокую
объёмность.
Наличие
внутренних
напряжений
после
раскручивания приводит к тому, что одиночные высокорастяжимые нити
становятся недостаточно равновесными. Поэтому две одиночные нити,
имеющие различное направление крутки, соединяют и сообщают им
небольшую крутку 50-100 кр./метр.
Непрерывный способ получения высокорастяжимых нитей
Непрерывный способ получения высокорастяжимых нитей основан на
использовании однопроцессных машин, на которых необходимые три
49
операции
(кручение,
термическая
обработка
и
раскручивание)
совмещены. Для закручивания и раскручивания нитей после тепловой
обработки применяют различные механизмы ложного кручения. Эти
механизмы позволяют закручивать нить, зажатую с двух сторон. В
результате по обе стороны от закручивающего механизма нить получает
равное число витков противоположного направления (Рис. 6).
Рис. 6. Принцип ложного кручения.
Если нить скручивается между двумя точками фиксации a и c, то с
одной стороны точки скручивания b она получает s, а с другой стороны
-z крутку. Если же нить при этом перемещается от точки a до точки b и
приобретает
крутку,
то
на отрезке
bc
она раскручивается
и
выходит некрученой. Трудность этого метода заключается в фиксации
высокой крутки в короткий промежуток времени. Отрезок нити с круткой s
между точками a и b имеет равномерную крутку и нить необходимо
фиксировать на этом отрезке. Фиксация происходит при нагревании нити
до нужной температуры (например, для нити найлон 6 и капрона - 190° С)
в течение 1 секунды контактным или иным способом. Перед точкой b нить
нужно охладить да температуры ниже температуры стеклования (около
80°С). Принципиальная схема однопроцессного способа получения
высокорастяжимой нити приведена на рис.7. Сматываясь с паковки (1)
нить (2) проходит направляющий глазок (3) и питающим устройством (4)
подается в термокамеру (5), пройдя которую поступает в механизм
ложного кручения (6) и получает крутку. При выходе из механизма
ложного кручения нить раскручивается и выпускным приспособление (7)
подается на выходную паковку (8), которая вращается с помощью
50
фрикционного
цилиндра
Одним
(9).
из
основных
узлов
однопроцессной машины для текстурирования нитей является механизм
ложного кручения. В настоящее время наиболее широко используются
вьюркового или фрикционного типов.
Рис. 7. Принципиальная схема однопроцессного способа
получения высокорастяжимой нити.
Производство малорастяжимых нитей.
Элементарные
нити,
высокорастяжимую
образовать
петли
нить,
и
образующие
стремятся
изогнуться,
образом
значительно
таким
укоротиться. Стремление нити сохранить свои продольные размеры не
исчезает и после соединения и скручивания нитей с противоположной
круткой. Процесс усадки высокорастяжимых нитей продолжается и в
изделиях, что очень ценно для чулочно-носочных изделий, купальников и
других
изделий,
но
затрудняет
использование
таких
нитей
для
производства верхнего трикотажа и в ткачестве. Растяжимость нити
эластик можно снизить примерно в 2 раза путем уменьшения крутки и
температуры фиксации нити на однопроцессных машинах ложного
кручения.
Но
такие
нити
не
обладают
достаточно
стабильной
структурой. Изделия из них после мокрых обработок изменяют размеры и в
процессе эксплуатации на них появляются дефекты и виде пиллинга.
Поэтому этот способ не получил большого промышленного применения.
Снизить растяжимость высокорастяжимых нитей можно дополнительной
тепловой обработкой после раскрутки нити. В результате этого изменяется
51
внутренняя структура волокна, фиксируется форма нити, и, следовательно,
повышается устойчивость нити и изделий, выработанных из нее.
Высокорастяжимая нить после дополнительной тепловой обработки
утрачивает способность скручиваться и усаживаться, но сохраняет
пушистость, мягкость и большую объёмность по сравнению с исходной
нитью. Следовательно, получается высокообъёмная малорастяжимая нить,
которую можно успешно использовать для производства верхних
трикотажных изделий и в ткачестве. Дополнительную тепловую обработку
следует
проводить
путем
установки
второй
термокамеры
на
однопроцессной машине текстурирования. Этот способ является наиболее
рентабельным
и называется непрерывным. Принципиальная схема
получения малорастяжимых нитей по непрерывному способу представлена
на рис. 8. Нить с входной паковки (1) проходит через питающую пару
(2), термокамеру (3), в которой происходит первая тепловая обработка
нити, и механизм ложного кручения (4). Затем с помощью выпускного
прибора (5) нить подается во вторую камеру (6), в которой проходит вторая
тепловая обработка, и только после этого, пройдя выпускную пару (7),
поступает на выходную паковку (8), приводимую в движение от
фрикционного валика (9). Скорость выпускной пары (7) ниже скорости
выпускного прибора (5), поэтому через вторую термокамеру (6) нить
проходит в свободном состоянии с минимальным натяжением. Это условие
необходимо соблюдать, так как при натяжении нити эластик
исчезает высокая объёмность.
52
Рис 8. Принципиальная схема получения малорастяжимой нити по
непрерывному способу.
Производство гофрированных волокон
Большое развитие получило производство извитых текстурированных
волокон и нитей, которые широко применяются при производстве ковров,
волокон из синтетических полимеров, используемых для смески с
натуральными и химическими волокнами. Основными признаками извитых
нитей являются извитость, повышенная объёмность, некоторые из них
имеют большую упругую растяжимость. В зависимости от способа
получения извитки могут располагаться в одной плоскости или в
пространстве. (смотри выше). Извитые текстурированные нити могут
методом гофрирования, прессования и др. Наибольшее значение получило
гофрирование нитей путем запрессовывания их в обогреваемую камеру, где
они получают устойчивую извитость. Схема установки приведена на рис. 9.
53
Рис.9.Схема получения гофрированных нитей методом прессования.
Комплексная нить с помощью напрессовывающих роликов (1) подается в
камеру прессования (2), заполняет ее и под напором вновь подаваемых
порций нити в виде спрессованной массы проталкивается в термокамеру
(5), в которой происходит стабилизация извитков под действием тепла.
Элементарные нити в извитой комплексной нити, полученной методом
гофрирования, имеют пилообразный характер извитков. Расстояние между
перегибами нитей зависит от плотности напрессовывания нитей.
Получение объёмных нитей методом пневмотекстурирования. [8]
Видоизменить структуру комплексных химических нитей можно путем
воздействия на них воздушным потоком в момент прохождения нитей через
канал специального прибора. Струя воздуха, подаваемая под давлением,
разъединяет и изгибает в петли элементарные нити, перепутывая их между
собой. Петли и извитки взаимно заклиниваются, нить приобретает
повышенную объёмность и своеобразную петлистую структуру (рис.3).
Текстурированная
нить,
полученная
аэродинамическим
способом,
сохраняет повышенную объёмность и петлистую структуру при дальнейшей
переработке и эксплуатации изделий. Нити, полученные по этому способу,
называются тесланом, мерланом, аэроном. Аэродинамическим способом
можно
вырабатывать
текстурированные
одиночные,
нити.
комбинированные
Технологическая
схема
и
фасонные
получения
текстурированной нити аэродинамическим способом приведена на рис.10.
54
Рис. 10. Технологическая схема получения текстурированной нити
аэродинамическим способом.
Комплексная нить с входной паковки поступает в отверстие 1 канала
аэродинамического прибора 2. Сжатый воздух поступает по трубопроводу
3 через промежуточную камеру высокого давления и кольцевой зазор,
образованный коническими поверхностями входной 4 и выходной 5 втулок
и с постепенно возрастающей скоростью подается в зону 6. Там он
воздействует на находящуюся в этой зоне комплексную нить. В зону 6
нить подается с опережением, поэтому она находится в свободном
состоянии и, следовательно,
элементарные
под
воздействием
воздуха
нити перепутываются, образуя петлистую
структуру нити. Затем текстурированная нить сталкивается с
отражающей пластинкой 7 и выводится вверх, огибает направляющий
пруток 8, проходит выпускные цилиндры 9, огибает второй направляющий
пруток 10 и наматывается на выходную паковку 11с помощью мотального
барабанчика 12. Манометры 14 и 15 показывают давление воздуха в
приборе.
55
Методы химической модификации химических волокон [1]
Эти методы наиболее широко применимы для синтетических волокон
и в некоторых случаях для искусственных. Из них наибольшее значения
имеют:
- синтез волокнообразующих сополимеров и их использование для
формования
химических
применяется при
результате
волокон.
производстве
Особенно
широко
карбоцепных
метод
волокон.
В
введения в макромолекулу новых мономерных звеньев
повышается накрашиваемость и гигроскопичность
волокон,
этот
а
из-за
макромолекулы
нарушения регулярности
сформованных
химического строения
полимера возрастает эластичносность волокон и они
приобретают новые свойства;
- синтез привитых сополимеров на основе искусственных и
синтетических волокон. Это один из перспективных методов изменения
свойств полимеров, получивших практическое применение в первую
очередь для направленного изменения свойств вискозного волокна;
- сшивка
(образование
поперечных
химических
связей)
макромолекул волокна би- и полифукциональными соединениями. При
этом
значительно
повышается
теплостойкость,
устойчивость
к
многократным деформациям и уменьшается набухание и растворимость
волокон;
- внутримолекулярные реакции в полимерах и волокнах;
- химические превращения реакционоспособных групп в макромолекуле
полимера (полимераналогичные превращения). Эти реакции проводят
на
полимере или на готовом волокне путем их обработки различными
56
реагентами, появляются новые функциональные группы, придающие
полимеру или волокну комплекс новых свойств.
Химическая модификация на стадии получения полимера.
Синтез волокнообразующих сополимеров.
Этот метод широко применяется для модификации химических
волокон, пластических
масс,
каучуков.
При
синтезе
каучуков
специального назначения (бутадиен-стирольных, бутадиен-нитрильных и
др.) проводят сополимеризацию бутадиена с другими винильными
мономерами.
Особенно
ярко
это
можно
продемонстрировать
на
примере
полиакрилонитрильных (ПАН) волокнах. Во всем мире формование ПАН
волокон проводят из сополимеров акрилонитрила с винильными
мономерами, так как гомополимер ПАН — [-СН2 - СН-]n плохо растворяется,
CN
волокна
из
него
гидрофобны
и
плохо
окрашиваются.
Поэтому
применяют сополимеры акрилонитрила (АН) и метилакрилата (МАК)
(- СН2 – СН) – (СН2 – СН) CN
СООСНз
или акрилонитрила (АН),
(ИК)
метилакрилата (МАК) и итаконовой кислоты
СООН
-( СН2 – СН)- (СН2 – СН) – (СН2 - С ) CN
COOCH3
CH2COOH
Сополимеры полипропилена и полиэтилена (- СН2 - СН - СН2 - СН2 -),
СН3
57
содержащие 30 - 40% звеньев полипропилена, приобретают свойства
каучуков, находят применение в резиновой промышленности. Волокна на
основе этого сополимера обладают низкой прочностью и низкой
температурой усадки, более высоким удлинением, чем из регулярного
полимера. Возможно, в будущем на основе сополимера будут получать
дешевые высокоэластичные волокна.
При получении полиамидных волокон некоторое значение получили
продукты совместной поликонденсации капролактама и соли адипиновой
кислоты и гесаметилендиамина (соль АГ) или соли терефталевой кислоты и
гесаметилендиамина (соль ТГ) [ 2] . В результате совместного нагревания
(поликонденсации) капролактама и соли АГ в тех же условиях, в которых
получаются полиамиды капрон и анид, образуется сополимер следующего
строения — ОС(СН2)5NНОС(СН2)4ОСNН(СН2)6NНСО(СН2)5NН—
В
отличие
от
полиамидов
капрон
и
анид
продукт
сополиконденсации не имеет регулярного строения, так как чередование
четырех, пяти и шести метиленовых групп, находящихся между
амидными группами, в макромолекуле может быть различно в
зависимости от соотношения исходных компонентов. На рис. 11
приведена
зависимость
температуры
плавления
сополиамидов
от
соотношения мономеров.
Рис. 11. Зависимость температуры
плавления сополиамидов от
соотношения мономеров.
58
Как видно из
значительно
ниже,
рис. 11 температура плавления сополиамидов
чем
полиамидов
капрон
и
анид.
Так
при
соотношении 50мол.% капрона и 50мол.% анида сополиамид плавится
при 160 - 165°С. Одновременно значительно расширяется растворимость
полиамидов.
Полиамидные волокна нерегулярного строения значительно сильнее
усаживаются при повышенных температурах, чем волокна капрон и
анид.
Для
уменьшения
усадки
волокно
необходимо
подвергать
их
термофиксации. Так если усадка в кипящей воде необработанного волокна
составляет 13%, то после нагрева при 100°С она снижается до 5%, а после
нагревания при 130°С усадка снижается до 3%.
Для волокон из полиэфиров при поликонденсации предложено
проводить частичную замену этиленгликоля бутандиолом или
пропандиолом. В этом случае нарушается регулярность строения
сополиэфира, несколько снижается температура плавления полимера, но
увеличивается гигроскопичность волокон.
Полиэфиры, полученные совместной поликонденсации этиленгликоля
(НОСН2СН2ОН), терефталевой кислоты (НООС
СООН) и небольшого
количества себациновой кислоты (НООС(СН2)8СООН) до 20% от массы
сополиэфира, обладают рядом технических ценных свойств. Несмотря на
более низкую температуру плавления (220°С) такой сополиэфир более
стоек чем полиэтилентерефталат (ПЭТФ) [-ОСН2 СН2 OOC
СО-]П к
повышенным температурам, применяемым для формования волокна. При
добавлении 10% себациновой кислоты прочность получаемого волокна не
снижается, но увеличивается его удлинение (с 17 до 28%). Волокно из
такого сополимера обладает значительно более высокой устойчивостью к
изгибу, чем волокно из ПЭТФ. Например,
волокно, сформованное из
ПЭТФ и вытянутое в 4,8 раза, выдерживает 400 изгибов, а волокно,
сформованное из указанного сополиэфира, выдерживает свыше 10000
59
изгибов. Накрашиваемость волокна из этого сополимера примерно на 50%
выше, чем из ПЭТФ. Светостойкость обоих волокон одинаковая.
Практический интерес представляет разработанный Б.В.Петуховым с
сотрудниками метод синтеза так называемых изоморфных полиэфиров.
Основная цель синтеза - повышение гибкости макромолекулы. Поэтому при
синтезе изоморфных полиэфиров небольшое число звеньев терефталевой
кислоты заменяют другими дикарбоновыми кислотами, молекулы которых
при
одинаковой
длине
с
молекулами
терефталевой
кислоты
обладают меньшей жесткостью. В качестве таких соединений использованы
диметиловый
эфир
адипиновой
кислоты
СН3ООС(СН2)4СООСН3
диметиловый эфир гексагидротерефталевой кислоты СНзООC
или
СООСНз.
Так как размеры молекул терефталевой кислоты и этих кислот одинаковые
регулярность сополиэфира не изменяется. В результате изменения гибкости
макромолекул степень кристалличности и плотность сополиэфира не только
не понижается, а, наоборот, увеличивается. Одновременно повышается
возможная степень вытягивания волокна и соответственно возрастает
прочность при одном и том же удлинение или удлинение при одинаковой
прочности. Оптимальное количество второй дикарбоновой кислоты,
вводимой
в
состав
терефталевой
сополимера,
кислоты.
составляет
Волокно
из
2-4%
изоморфного
от
количества
сополиэфира,
содержащего 4,2% диметилового эфира адипиновой кислоты (т.е. одно
звено на 20 -30 звеньев диметилтерефталата), можно вытянуть 600 — 620%,
что на 100 — 120% больше, чем волокно из ПЭТФ. Соответственно
повышается
прочность
вытянутого
волокна.
Благодаря
большей
кристалличности текучесть изоморфных волокон при нагрузке меньше,
чем волокон из ПЭТФ. По этой же причине и модуль при повышенных
температурах (120 - 160°С) у этого типа сополиэфирных волокон примерно
в 2 раза выше. Кроме того, в результате увеличения гибкости
макромолекул
эти
волокна
обладают
значительно
большей
устойчивостью к многократным деформациям (двойным изгибам).
60
Химическая модификация готового волокна
Cинтез привитых сополимеров методом прививочной полимеризации
на готовом волокне.
Принципиально этот метод может быть использован для направленного
изменения свойств как химических, так и природных волокон, но
наибольшее применение он нашел для модификации целлюлозных и
вискозных волокон. Для прививки могут быть использованы все методы
синтеза полимеров: поликонденсация, ступенчатая и цепная полимеризация
(радикальная и ионная). Чтобы метод был экономическим и эффективным,
и применим в производстве, необходимо применение ряда условий:
- проведение реакции прививки в водных средах;
-
устранение образования значительного количества гомополимера;
- использование
простого
и
доступного
метода
инициирования,
исключающего деструкцию полимера;
- применение имеющегося на заводах химических волокон или на
отделочных фабриках имеющегося оборудования.
Наибольшее практическое значение нашёл метод радикальной
полимеризации. Образование радикала в макромолекуле исходного
полимера, обеспечивающего начало роста прививаемой цепи, может быть
осуществлено различными методами, используемыми при реакциях
радикальной
полимеризации.
У
полимеров,
содержащих
реакционноспособные группы (например, гидроксильные группы у
целлюлозы и поливинилового спирта), эти группы используются в качестве
одного из компонентов окислительно - восстановительной системы. Для
полимеров,
не
содержащих
таких
реакционоспособных
групп,
применяются специальные методы обработки (озонирование, прогрев в
присутствии кислорода воздуха и др.), которые обеспечивают введение в
макромолекулу исходного полимера небольших количеств перекисных или
61
гидроперекисных
групп.
При
распаде
таких
групп
образуются
макрорадикалы. Могут быть применены методы образования радикала при
облучении полимера ультрафиолетовыми лучами или лучами высокой
энергии.
Количество полимера, прививаемого для модификации свойств
исходного волокна, обычно составляет до 30- 40%.
Реакция
синтеза
привитого
сополимера
целлюлозы
и
полиакрилонитрила может быть представлена следующей схемой реакции:
При прививке различных мономеров этим способом образуется очень
мало гомополимера, а в ряде случаев он вообще не образуется. Этим
способом синтезированы привитые сополимеры целлюлозы вискозного
волокна с различными виниловыми мономерами.
Из волокон, предназначенных для изготовления изделий народного
потребления,
наибольшее
значение
получило
воскозное
штапельное
волокно, представляющее собой привитой сополимер целлюлозы
и
полиакрилонитрила
(60
-
целлюлозы
65%
и
40
-
35%
полиакрилонитрила), синтезированный по выше приведенной схеме. Это
волокно
разработанное
в
Московском
текстильном
институте
и
получившее название мтилон -В, отличается от вискозного волокна
высокой устойчивостью к действию микроорганизмов, повышенной
светостойкостью
и
устойчивостью
к
истиранию.
Специфической
особенностью волокна мтилон-В является шерстеподобный вид, что дает
возможность использовать в качестве заменителей шерсти, например при
производстве ковров.
62
Прививка к целлюлозе различных виниловых мономеров позволяет
получать материалы с различными свойствами. Водостойкие ткани можно
получить путем прививки к целлюлозе гидрофобных полимеров полистирола или полибутадиена. Создание спецодежды, обладающей не
только водоупорностью, но маслостойкостью, что особенно важно для
нефтяников, слесарей, смазчиков и других рабочих, имеющих дело с
нефтью и минеральными маслами, возможно методом прививки к
целлюлозе фторсодержащих полимеров.
Указанными
материалы
из
методами
вискозного
можно
волокна.
также
получить
огнезащитные
Для
прививки
целесообразно
использовать фосфор- и галогенидсодержащих реагенты.
Прививочная полимеризация нашла применение при изготовлении
ионообменных волокнистых материалов. Эти материалы имеют ряд
преимуществ
перед
широко
применяемыми
ионообменными
смолами.
Основными преимуществами являются:
- значительно более развитая поверхность, что обеспечивает высокую
скорость сорбции и десорбции ;
- более высокая механическая прочность, что устраняет возможность
загрязнения
фильтруемых
растворов
мелкими
частицами
ионообменных полимеров;
- возможность
осуществления
непрерывного
процесса
ионного
обмена
при применении ионообменных тканей или нетканых материалов.
Модифицированные вискозные волокна не могут использоваться в
сильнокислых средах, так как целлюлоза в таких средах сравнительно
быстро деструктируется.
Созданы ионообменные волокна, обладающие свойствами:
63
-
слабых
катионитов
(привитые
сополимеры
целлюлозы
с
полиметакриловой или полиакриловой кислотой, содержащие -СООН
группы);
-
сильных
катионитов
(привитые
сополимеры
целлюлозы
с
поливинилсульфоновой кислотой, содержащие – ОSО3Н группу);
- слабых анионитов (привитые сополимеры с метилвинилпиридином,
содержащие третичную аминогруппу);
- сильных анионитов (привитые сополимеры с четвертичной
солью
поливинилметилпиридина).
Материалы из ионообменных волокон используются для улавливания из
промывных и сточных вод дорогостоящих металлов (золота, платины,
ртути), очистки продуктов пищевой промышленности (сахарных сиропов,
растворов агароида, патоки) и ряда других целей.
Химически модифицированные вискозные волокна применяются также
для производства кровеостанавливающей (гемостатической) марли и
бактерицидных материалов.
Гемостатическая марля, получаемая из смеси вискозного и хлопкового
волокон,
представляет
собой
привитой
сополимер
целлюлозы
(вискозное волокно) с кальциевой солью акриловой кислоты. Наличие
в
привитом сополимере ионов Са++ обеспечивает быстрое свёртывание
крови.
Марля
из
модифицированного
целлюлозного
материала
останавливает кровь, вытекающую из мелких капилляров, в 3-4 раза
быстрее, чем обычная марля.
Материалы, полученные методом синтеза привитых сополимеров
целлюлозы с полимерами, содержавшими ионы металлов (например, меди
или серебра), обладающих бактерицидными свойствами, выдерживают
многократные стирки. Бактерицидные материалы, полученные на основе
химически модифицированного вискозного волокна, применяются также
для изготовления бактерицидных фильтров для стерилизации воздуха,
64
бактерицидного белья для людей, которые не могут регулярно мыться
(подводники, полярники и другие), бактерицидной спецодежды для ряда
отраслей пищевой и микробиологической промышленности, в клиниках и
больницах.
Метод прививочной полимеризации применяется для полиамидных
волокон
с
целью
гигроскопичность
повышения
их
гигроскопичности,
так
как
волокна капрон составляет всего 4,5%. Предложено
прививать к волокну
СН3
капрон оксиэтилметакрилат (СН2 = С )
СООСН2 СН2 ОН
Инициатором служит окислительно - восстановительная система Сu+2 и
Н2О2. В результате введения в
боковую цепь полимера гидроксильных
групп - ОН повышается гигроскопичность полиамидных волокон до 6-7% .
Образование химических связей между макромолекулами
полимеров (сшивка волокна)
Одним из распространённых способов модификации химических
волокон
является образование межмолекулярных химических связей в
волокне. Это позволяет получить нерастворимые волокна или повысить
теплостойкость волокон. Так для получения полностью нерастворимого
волокна на основе поливинилового спирта (ПВС) проводят сшивку
макромолекул путем обработки волокна смесью, содержащей формалин
(СН20), при этом образуется ацетальная связь между отдельными
звеньями ПВС внутри макромолекул и между ними.
65
Ацеталирующая смесь содержит следующие компоненты:
- серная кислота -20%, она служит катализатором процесса
ацеталирования,
- сульфат натрия — 25%, обеспечивает снижение степени набухания
волокна,
- формальдегид - 2-5% - сшивающий агент,
- остальное - вода.
В таблице 1 приведены данные о влиянии степени ацилирования на
изменение теплостойкости ПВС волокон в кипящей воде.
Табл.1.
Влияние
степени
ацеталирования
на
изменение
теплостойкости (после обработки в кипящей воде) ПВС волокна.
Степень ацеталирования, % от общего числа ОН групп
Как
видно
ацеталирования
Усадка, % от исходной длины
До 30
Очень большая
30-35
12
35- 40
4
40-45
2-3
45 -50
0,2
из
более
приведенных
30-40%
от
данных
общего
повышение
числа
-ОН
степени
групп
нецелесообразно, так как в результате значительного увеличения числа
химических связей между макромолекулами возрастает жесткость и
хрупкость волокна и, следовательно, ухудшаются его эксплуатационные
свойства. Однако применение формальдегида в производственных
условиях нежелательно из-за его вредности (раздражающее действие
66
на слизистую оболочку глаза). В связи с этим предлагается обрабатывать
ПВС волокна бензальдегидом. Такое волокно обладает повышенной
эластичностью,
по
формальдегидом.
сравнению
Перед
с
волокном,
ацеталированием
волокно
обработанным
подвергалось
обработке при 220°С в течение 6-13 минут для повышения стойкости
волокна к ацеталирующей смеси. Волокно ацеталировали 2 - 2,5% ной водной эмульсией бензальдегида. Катализатором процесса
является серная кислота с концентрацией 10 - 12%. Для снижения
набухания волокна к эмульсии добавляют 15 — 20% Na2SO4 от массы
эмульсии. Продолжительность реакции 50 — 60 минут при температуре 60
— 700 С. При этом получают волокна, усаживающиеся в кипящей воде не
более чем на 5-6%.
Для сшивания макромолекул ПВС волокна предложено обрабатывать
волокна альдегидами дикарбоновых кислот. При действии таких реагентов
повышается
вероятность
образования
межмолекулярных,
а
не
внутримолекулярных ацетальных связей. В качестве реагентов могут
быть использованы диальдегиды адипиновой, фталевой и изофталевой
кислот.
Для повышения термостойкости, усталостной прочности и других
ценных свойств полиамидных волокон предложено их обрабатывать би- и
полифункциональными соединениями для образования поперечных
химических связей между макромолекулами.
Обработка волокна 5% раствором хлористой серы в ксилоле при
60°С. Реакция протекает по схеме:
67
Соляная кислота, выделяющаяся в результате реакции, связывается
органическими основаниями.
В результате такой обработки значительно
повышается термостойкость волока. Например, после нагревания при 150°С
в течение 24 часов исходное капроновое волокно теряет 55% начальной
прочности, а сшитое волокно, содержащее 3,7% связанной серы, теряет
всего 5,2% прочности. Прочность сшитого волокна, содержащего 6,3%
связанной серы, при таком нагреве не только не уменьшается, а
увеличивается на 14,4%.
Исследователями предложено для повышения термостойкости
капроновых волокон обрабатывать их 5%-ным раствором цианурхлорида в
ксилоле при 900С, растворами дихлорангидрида дикарбоновой кислоты в
органическом растворителе, семикарбазидом (NН2NНСОNH2) и другими
реагентами.
При получении катионообменных полиакрилонитрильных (ПАН)
волокон на основе тройного сополимера акрилонитрила (92,5%),
метилакрилата (6%) и итаконовой кислоты (1,5%) проводят сшивание
макромолекул волокна гидразингидратом для придания волокну
нерастворимости [2].
Для придания несминаемости изделиям из целлюлозных волокон
(хлопок, вискозное
волокно)
также применим метод образования
межмолекулярных химических связей между макромолекулами целлюлозы.
При обработке целлюлозных волокон и изделий из них сшивающими
препаратами на основе мочевино - и меламиноформальдегидных смол
происходит образование более прочных (ковалентных) связей между
макромолекулами целлюлозы и это обеспечивает высокую устойчивость
обработанных текстильных материалов к смятию [6,7,8].
Взаимодействие препарата с волокном протекает по схеме:
2Целл – ОН +НОСН2 NRNCH2 ОН
-----
---------- Т,катализатор→
Целл – О – СН2 NRNCH2 – О – Целл + Н2О
68
Полученные изделия приобретают малосминаемые и малоусадочные
свойства, и это значительно облегчает уход за ними в процессе
эксплуатации.
Внутримолекулярные реакции в полимерах и волокнах [1]
Этот вид модификации основан на реакциях химических превращениях
на уровне одной макромолекулы, что приводит к изменению свойств как
полимеров, так и волокон. Такие реакции могут быть проведены на
поливинилспиртовых
(ПВС)
волокнах. ПВС
волокна
обрабатывают
дегидратирующими реагентами (NaНSО 4 ), бензолсульфокислота) в
присутствии катализатора в вакууме или в атмосфере азота в среде
органических растворителей (толуол, СС14) 75- 200°С в течение 8-20 минут.
При полной дегидратации ПВС образуется волокно с системой сопряжения
двойных связей - СН = СН - СН = СН -, обладающее полупроводниковыми
свойствами. Такое волокно характеризуется высокой термостойкостью
и
может быть использовано
в
качестве
ионообменного
волокна,
образующего комплексные соединения с солями серебра, меди и других
металлов. Дегидратированное при 200°С
ПВС волокно сохраняет 50%
первоначальной прочности.
Наибольшее применение внутримолекулярные
получении
термостойких
волокон.
При
реакции нашли
получении
при
волокон
полигетероциклические полимеры синтезируются в две стадии. На первой
стадии при реакции поликонденсации образуется гетероцепный полимер
линейной структуры, растворимый в тех же апротоновых растворителях,
что и исходные мономеры. Сформованное из этого полимера волокно
является только полупродуктом, так как обладает низкой термостойкостью.
На второй стадии в результате термической или химической обработки
волокна
происходит
(преимущественно
дальнейшее
дегидратация)
и
превращение
в
макромолекуле
полимера
образуются
гетероциклы (реакция полигетероциклизации). Таким способом получают
69
полибензоксазольные волокна. Исходными мономерами являются 3,3х диоксибензидин и дихлорангидрид изофталевой кислоты.
Путем дегидратации полибензоксамида в виде волокна получаются
полибензоксазольные волокна. Реакция термической дегидратации без
одновременного
разложения
циклической структуры
300
образующегося
начинают с
200°С,
а
полимера
заканчивают
при
- 400°C.
Полибензоксазольные
волокна
являются
одним
из
наиболее
термостойких гетероцепных волокон. После нагрева при 300°С в
течение 48 часов прочность волокна снижается всего на 23%, а после
нагрева при 400 С в течение 3,5 часов оно сохраняет более 55% исходной
прочности. Волокно устойчиво к ультрафиолетовому облучению, к
действию концентрированных растворов кислот и щелочей, но нестойко к
сильным окислителям.
Полиоксадиазольные волокна также получают в две стадии: на первой
образуется
линейный
растворимый
полимер
-
полигидразид.
Исходными мономерами являются дихлорангидрид изофталевой или
70
терефталевой кислот и бигидразидами бифункциональных ароматических
кислот. Реакция протекает по схеме:
Сформованное волокно из полигидразида подвергают циклизации в
течение 50 - 100 часов при 200 - 300°С. Схема реакции:
Полигетероциклизация является обязательной стадией процесса при
получении полипиромеллитимидных, полибезимидазольных волокон и
волокон из лестничных полимеров [2]
На
реакции
полигетероциклизации
основан
процесс
получения
углеродных
волокон
на
основе
полиакрилонитрила
(ПАН).
Волокнистые материалы на основе сополимеров ПАН, содержащих не
более 10% сомономеров, окисляются на воздухе при температуре 150 71
300°С. При этом протекает реакция циклизации с образованием
лестничного полимера. Наиболее достоверными схемами циклизации
являются: образование нафтиридиновых циклов (1), гетероциклов (11)
Прогрев окисленных волокон (черный ПАН) при температуре до
12000С приводит к агрегации ароматических плоскостей, образованию
графитоподобных структур и получению жаростойких карбонизованных
высокопрочных волокон.
Дальнейший нагрев волокна при температуре порядка 2800 – 30000С
совершенствует углеродную структуру волокна и приводит к получению
графитированных высокомодульных углеродных волокон.
Химические превращения реакционоспособных функциональных групп
в макромолекуле полимера (метод полимераналогичных превращений)
Большинство
природных
и
синтетических
полимеров
содержат
реакционноспособные группы, которые создают возможность химических
72
превращений полимеров или получаемых из них волокон и соответственно
придания им требуемых свойств. Этим способом может быть получен
волокнообразуюший полимер (поливиниловый спирт ПВС), который не
может быть получен реакцией полимеризации винилового спирта, так как
его в природе не существует. Этот способ получил известное применение
для
модификации
целлюлозы,
нитрильных –CN групп)
термостойкости
и
и
полиакрилонитрильных
полиамидных
гидрофильности
волокон
волокон).
Как
(превращения
(повышение
правило,
эти
превращения осуществляются на готовом волокне, так как образующиеся
путем
полимераналогичных
превращений
полимеры
существенно
отличаются по растворимости или температуре плавления от исходных
полимеров, что затрудняет образование из них волокон. Все простые и
сложные эфиры целлюлозы получают методом полимераналогичных
превращений. Всё
вышесказанное может быть продемонстрировано
следующими примерами.
Как известно, целлюлоза не растворяется в известных растворителях и
не плавится из-за большой энергии межмолекулярного взаимодействия. Для
формования
производные
волокон
из
целлюлозы
целлюлозы
(её
эфиры),
её
необходимо
растворимые
перевести
в
в
различных
растворителях. Так при производстве вискозного волокна необходимо
получить сложный кислый эфир целлюлозы
- ксантогенат, который
растворяется в разбавленной щелочи. Для этого сначала получают
щелочную целлюлозу, а затем щелочную целлюлозу обрабатывают
тиоангидридом тиокарбоновой кислоты - сероуглеродом (СS2).
Реакции протекают по схеме:
[С6Н7О2(ОН)3]n + n NaOH → [С6Н7О2(ОН)2ОNa]n
щелочная целлюлоза
S
73
[С6Н7О2(ОН)2 ОNa]n + nСS2 → [С6Н7О2(ОН)2ОС]n
SNa
ксантогенат целлюлозы
Обе реакции относятся к типу полимераналогичных превращений.
В
процессе
отделки
текстильных
материалов
из
природных
целлюлозных волокон (хлопка, льна) с целью их облагораживания,
придания блеска, шелковистости, повышения прочности и увеличения
сорбционной способности проводят операцию мерсеризации. Образование
щелочной целлюлозы и последующее ее омыление под натяжением
приводит
к
структурной
модификации
макромолекул
целлюлозы,
превращению целлюлозы 1 в целлюлозу 2. Это сопровождается изменением
размеров элементарной ячейки кристаллита и конфигурации элементарных
звеньев в макромолекуле (поворот относительно другого на 180о), в
результате чего происходит разрыв межмолекулярных водородных связей,
аморфизация целлюлозы и, как следствие - повышение ее реакционной
способности [6,11]
При
формовании
являются триацетат
и
ацетатных
диацетат
волокон
целлюлозы.
исходными
Триацетат
полимерами
целлюлозы
получают обработкой целлюлозы ангидридом уксусной кислоты, при
этом группы -ОН замещаются на ацетатные группы (-СООСНз). Схема
реакции:
[С6Н7О2(ОН)3]n + n(СН3СО)2О -► [С6Н7О2(СООСН)з]n + n СНзСООН
Ацетат целлюлозы получается при омылении триацетата целлюлозы
[С6 Н7 О2 (ОСОСНз)з]n спиртовым раствором щелочи. В этом случае одна
группа
-ОСОСН 3 омыляется до
-ОН группы и образуется ацетат
целлюлозы по схеме:
[С6Н7О2(СООСНз)з]n + NaОН → [С6Н7О2(СООСН3)2ОН]n + nСНзСООNa
Ацетаты целлюлозы растворимы в смеси ацетона и воды в
соотношении 95:5, триацетаты целлюлозы растворимы в смеси
метиленхлорида и спирта в соотношении 90:10. Таким образом, появляется
74
возможность формования ацетатных волокон из растворов по сухому
способу.
Синтез поливинилового спирта основан на реакции омыления ацетильных
групп поливинилацетата до гидроксильных групп растворами кислот или
щелочей по схеме:
-СН 2 –
СН - СН 2 –СН –
ОСОСН 3
→
-СН 2 -СН- СН 2 -СН-
ОСОСН 3
ОН
ОН
Полученный полимер ПВС растворим в воде, формование волокна ведут из
раствора
по
мокрому
способу
[1].
Модификация методом полимераналогичных превращений может быть
применим
и
для
полиакрилонитрильных
(ПАН)
волокон.
Из-
за
специфических
при
особенностей
взаимодействии
с
нитрильной
основными
группы,
модифицирующими
способной
агентами
последовательного превращаться в катионо- и анионогенную, можно
получить ПАН волокна с амфотерными свойствами. Схемы полимераналогичных превращений в ПАН волокнах при обработке их в кислых и
щелочных средах приведены ниже:
> СН - СN + Н2 О
Н+
→
>CH- СN+ 2Н2 О
ОН
→
> CH – CN
+ NH3
>СН - СОNН2
> СН – СОOH + NН3
ОН
→ >CH – C - NH2
NOH
75
Аналогичным
образом
ПАН
волокна
могут
реагировать
с
гидроксиламином:
> CH – CN
+ NH2OH
→
>CH – C - NH2
NOH
Таким образом, заменяя одну боковую функциональную группу на
другую, можно получить полимер, который невозможно синтезировать
методом полимеризации и поликонденсации, кроме того можно изменить
свойства волокна в нужном нам направлении.
При заключительной отделке текстильных материалов, обрабатывая их
препаратами, которые химически взаимодействуют с функциональными
группами волокна, можно придать им такие свойства как: гидрофобность,
олеофобность (маслостойкость), огнестойкость и др. Это позволяет
целенаправленно модифицировать текстильные материалы, придавая им
новые полезные характеристики. [6,7,8]
К данному способу модификации можно отнести реакции химического
(ковалентного) взаимодействия активных красителей с гидроксильными
группами целлюлозных и гидратцеллюлозных волокон, и аминогруппами
белковых и полиамидных волокон.
В общем виде красители этого класса могут быть представлены
следующим образом:
NaSO3 – Кр – Т – Х
где Кр – хромофорная часть красителя, Т – носитель активной группы, Х –
активный атом (CL- в моно-, и дихлортриазиновых красителях) и винильная
группировка в винилсульфоновых красителях .
Хлортриазиновые красители взаимодействуют с целлюлозой по
реакции нуклеофильного замещения:
NaSO3-Kp-T-Cl
HO-Целл
NaSO3-Kp-T-O-Целл HCl
76
Винилсульфоновые красители взаимодействуют с волокном по реакции
нуклеофильного присоединения:
NaSO3 – Kp – SO2 – CH2 – CH2 – CH2 – OSO3Na + NaOH →
→NaSO3 – Kp – SO2 – CH = CH2 + Na2SO4 + H2O;
NaSO3 – Kp – SO2 – CH = CH2 + HO – Целл →
→NaSO3 – Kp – SO2 – CH2 – CH2 – O – Целл;
Химическая связь обеспечивает получение высокой устойчивости
окраски текстильных материалов к различным воздействиям.
Список литературы
Основная литература
1. Коннова Н.Ф., Баева Н.Н. Модификация волокнообразующих полимеров и
волокон. Конспект лекций, РИО «РосЗИТЛП», М. 2009г., 51с.
волокна:
основы
получения,
методы
исследования
2. Химические
и
модифицирование. Под ред. Дружининой Т.В. - М.: МГТУ им. А.Н.Косыгина,
2006. – 472с.
3. Перепелкин К.Е. Армирующие волокна и волокнистые полимерные композиты –
СПб. «Научные основы и технологии», 2009, 386с.
4. Михайлин Ю.А. Термоустойчивые полимеры и полимерные материалы. –СПб.:
Профессия, 2006.-624с.
5. Практические занятия по дисциплине «Модификация химических волокон» для
студентов спец.240201. М. МГУТУ им. К.Е. Разумовского. 2012. с.
6. Рабочая программа, методические указания по самостоятельной работе и
контрольные задания по дисциплине «Модификация химических волокон» . М.
МГУТУ им. К.Е. Разумовского. 2012. 12с.
Дополнительная литература
1. Кричевский Г.Е. Химическая технология текстильных материалов: Учебн. для
ВУЗов в 3-х томах. Москва, 2001г. с. 540.
2. Кричевский Г.Е. Количественный и качественный анализ волоконного состава
текстильных материалов. /справочное пособие. М, 2002г.-273с.
3. Кричевский Г.Е. Толковый словарь терминов: текстиль и химия/ Учебное пособие
77
для вузов.- М., 2005г.-296с.
4. Роговин З.А. Основы химии и технологии химических волокон. - М.: Химия, 1974,
т.2 - 343с
5. Волокна с особыми свойствами. / Под ред. Вольфа Л. А. – М., Химия. 1980. –
240с.
6. Cерков А.Т. журнал «Химические волокна», № 1, 2008г. с.27
7. Гусев В. К., Тульгук З. Д., Спицына Т.В. Бикомпонентные волокна и нити. – М.:
Химия, 1986, - 104с.
8. Усенко В. А., Дамянов Г. Д., Адыров П. В, Производство текстурированных нитей
и высокообъёмной пряжи. – М., Легкая Индустрия, 1980, - 256с.
9. Смирнов В. С., Шавлюк В. Н. Текстурированные нити. – М., Легкая индустрия,
1979, - 176с.
10. Усенко В. А. Переработка химических волокон. М., Легкая индустрия, 1975, - 240с.
11. http://www.polymery.ru
78
Содержание
Стр.
Введение………………………………………………….
3
Модификация на стадии формования волокна………..
3
Введение добавок в прядильный (формовочный) раствор
или расплав полимеров………………………………….
3
Крашение химических волокон в массе………………..
8
Формование химических волокон из смесей полимеров
9
Получение бикомпонентных волокон…………………….
11
Физическая модификация готовых волокон…………….
14
Получение текстурированных нитей……………………
18
Производство гофрированных волокон………………….
25
Методы химической модификации химических волокон
28
Синтез волокнообразующих сополимеров……………..
29
Химическая модификация готового волокна…………..
32
Список использованной литературы……………………
49
79
Баева Нина Николаевна
Модификация химических волокон
ПОДПИСАНО К ПЕЧАТИ:
ТИРАЖ:
ЗАКАЗ №
80