Волокна, волокнистые материалы на их основе и экология окружающей среды

  Основные  этапы в развитии химических волокон. На первом этапе - с конца XIX века до 1940-50-х годов - разрабатывались и совершенствовались процессы получения искусственных волокон на основе природных полимеров из их растворов мокрым методом формования. Развивалось производство вискозных волокон. Некоторое развитие получили процессы сухого формования ацетатных волокон. Однако доминирующую роль в изготовлении текстильных изделий играли природные волокна, химические рассматриваются только как дополнение к природным волокнам. Изделия из химических волокон изготавливались в весьма небольших количествах.

  На  втором этапе - 1940-70-е годы - развивались  процессы синтеза волокнообразующих мономеров, полимеров и технологии получения волокон из расплавов синтетических полимеров. Одновременно сохранялась и совершенствовалось производство волокон мокрым методом формования. Производство химических волокон развивалось в промышленно развитых странах. В этот период созданы основные виды химических волокон, которые можно назвать «традиционными» или «классическими». Химические волокна рассматривались как дополняющие и только частично заменяющие природные волокна. Начинали развиваться процессы модифицирования волокон.

  На  третьем этапе - 1970-90-е годы - выпуск химических волокон существенно  возрос. Широко развились методы их модифицирования для улучшения  потребительских свойств. Химические волокна приобрели самостоятельное  значение для самых различных  видов изделий и областей применения. Кроме того, они широко используются в смесях с природными волокнами. В этот же период в промышленно  развитых странах созданы «волокна третьего поколения» с принципиально новыми специфическими свойствами: сверхпрочные и сверхвысокомодульные, термостойкие и трудногорючие, хемостойкие, эластомерные и др.

  На  четвертом этапе - с 1990-х годов  по настоящее время - идет современный  этап развития производства химических волокон, появление новых способов модифицирования, создание новых видов  многотоннажных волокон: «волокон будущего» или «волокон четвертого поколения». В их числе новые волокна на основе воспроизводимого растительного сырья (лиоцелл, полилактидные), новые мономеры и полимеры, получаемые путем биохимического синтеза и волокна на их основе. Проводятся исследования по применению новых принципов получения полимеров и волокон, основанных на методах генной инженерии и биомиметики.

  Основные  виды производимых химических волокон.

  К ним относятся полиэфирные, полиакриловые, алифатические полиамидные (найлон 6 и найлон 66 и др.), полиолефиновые (главным образом полипропиленовые) и гидратцеллюлозные (в основном вискозные) и др.

  Кроме того, следует отдельно выделить нетканые волокнистые материалы, получаемые методом прямого формования из расплава (spunbond, meltblown), а также различные виды сигаретного жгутика, которые не подвергаются текстильной переработке. Волокна и нити общего назначения, высокопрочные нити, а также нетканые материалы прямого формования относятся к многотоннажным видам продукции, а остальные виды волокон и нитей - к средне- и малотоннажным.

  По  степени значимости в настоящее  время (по данным 2002-03 гг.) производство химических волокон различными методами формования может быть расположено  в следующей последовательности: 1) из расплавов полимеров (78...80%); 2) из растворов полимеров мокрым методом (18...20%); 3) из растворов полимеров  сухим методом (1,5...2,5%). Преимущество метода формования из расплава определяется как высокой производительностью  этого метода по сравнению с остальными, так и возможностями современных  методов модифицирования, позволяющими широко варьировать свойства волокон  и нитей. Широкое развитие приобрели  процессы высокоскоростного формования из расплава (со скоростями до 7000 м в  минуту), а также совмещенные процессы формования: вытягивания и текстурирования.

  Основные  тенденции в развитии химических волокон. Развитие производства различных видов многотоннажных химических волокон и нитей в настоящее время имеет следующие особенности:

  - Наиболее интенсивно растет выпуск  полиэфирных волокон, затем полиамидных,  полипропиленовых и полиакрилонитрильных  волокон; совершенствуются процессы  получения вискозных и организация  производства гидратцеллюлозных  волокон типа лиоцелл, существенное развитие получил процесс производства эластомерных полиуретановых нитей.

  - Важным направлением развития  новых видов химических волокон  и волокнистых материалов на  их основе является модифицирование волокон - один из наиболее простых и перспективных путей, который позволяет получать их с широкой гаммой заданных функциональных свойств. Методы модифицирования волокон можно подразделить на три группы:

  1. Физические методы - с изменением  надмолекулярного строения, формы  или внешней поверхности волокон.  Эти методы используется на  стадии формования и последующих  обработок волокон. Они позволяют  на базе традиционных видов  волокнообразующих полимеров получать  волокна, нити и текстиль на  их основе с существенно улучшенными  или полностью измененными функциональными  свойствами. Следует отметить, что  новый процесс сверхвысокоскоростного  формования волокон из расплавов  позволил в несколько раз повысить  производительность. Кроме того, он  позволил получать принципиально  новые виды полиэфирных, полиамидных  и полипропиленовых нитей с  высокой деформативностью, используемых в основном для текстурирования и производства трикотажных изделий.

  2. Методы композитной модификации,  или методы смешения, когда к  основному волокнообразующему полимеру (его расплаву или раствору) добавляются  те или иные мелкодисперсные  или растворимые компоненты - носители  новых свойств. Добавки вводятся  на стадии подготовки исходного  расплава или раствора к формованию  или непосредственно перед формованием.  Этот метод широко применяется  при получении синтетических,  а также вискозных волокон.

  3. Методы химической модификации  - изменение химического строения  волокнообразующего полимера путем  сополимеризации при получении исходного полимера или введения новых функциональных групп при обработке сформованных волокон (используется редко), а также при обработке текстильных полотен или изделий.

  - Большинство выпускаемых в настоящее  время химических волокон и  нитей являются сополимерными или полученными со специальными функциональными добавками, что позволяет существенно улучшать существующие или придавать новые потребительские свойства текстильным изделиям. Эти методы модифицирования позволили существенно улучшить многие свойства волокон и волокнистых материалов на их основе в рамках существующих технологий. В настоящее время модификация все шире применяется для улучшения функциональных свойств традиционных видов волокон, для создания нового ассортимента текстиля и повышения потребительских свойств изделий, а также для получения их с новым комплексом функциональных свойств. Методы модифицирования волокон позволяют производить следующие текстильные материалы и изделия: окрашенные в массе, антимикробные, огнезащищенные (трудногорючие), малосминающиеся, с заданной гигроскопичностью или гидрофобностью, мало загрязняющиеся и обладающие многими другими функциональными свойствами.

  Волокна на основе воспроизводимых  растительных ресурсов. Как природные, так и химические целлюлозные волокна составляют особую группу материалов, объединенных особенностями свойств исходного растительного полимера – целлюлоза. Целлюлоза в растениях в виде трахеи (растительных клеток, а после их выделения - волокон) играет роль своеобразного армирующего материала, но в некоторых случаях несет и некоторые другие функции (например, способствует распространению семян хлопчатника). В во всех этих функциях растительные волокна должны обладать и обладают необходимым уровнем механических свойств - прочностных и деформационных.

  Химические  волокна из возобновляемых растительных ресурсов и волокнистые материалы  на их основе безусловно имеют перспективы развития. Целлюлоза как возобновляемое растительное сырье уже сто лет используется в вискозном процессе. Кроме того, начинается развитие процессов прямого растворения целлюлозы с последующим формованием волокон лиоцелл. В химических волокнах (вискозных, лиоцелл и др.) во многом проявляются свойства, присущие исходной целлюлозе, хотя в зависимости от метода получения они могут в определенной мере и отличаться от таковых для природных волокон.

  Расширение  номенклатуры химических волокон привело  в последние годы к существенному  перераспределению их роли в развитии производства волокнистых материалов. Следует заметить, что сегодня  ряд химических волокон может  быть изготовлен со свойствами, близкими к природным волокнам, благодаря  широкому применению методов физической, композитной и химической модификации.

  Одним из лидирующих видов волокон для  одежды и некоторых видах домашнего  текстиля безусловно остается хлопок. Присущие хлопчатобумажным полотнам недостатки - ограниченная биостойкость, сминаемость и некоторые другие - в большой мере могут быть устранены применением методов модификации на стадии отделочных операций. Кроме того, значительное количество текстиля вырабатывается на основе смесей природных волокон с химическими или в виде комбинированных материалов.

  Текстильные материалы на основе хлопка и дополняющих  его химических волокон (например, полиэфирных) имеют существенно улучшенные показатели, поскольку полиэфирные волокна играют роль армирующего компонента. В то же время применение хлопка в техническом текстиле неуклонно снижается, где он уже сегодня, пожалуй, остался в основном в материалах для спецодежды общего назначения.

  Следует заметить, что несмотря на значительные успехи в создании гидратцеллюлозных химических волокон, они не могут в полной мере конкурировать с хлопком в текстиле - по сохранению свойств в мокром состоянии, износостойкости и некоторым другим показателям.

  Лен, рами и некоторые другие лубяные волокна, текстиль на их основе являются наиболее благородными видами материалов для некоторых видов легкой летней одежды и белья. В последние годы расширяется использование пеньки для тех же целей, поскольку новые методы выделения волокон из стеблей конопли позволяют получать их с большей тониной и свойствами, приближающимися к льняным волокнам и текстилю. Эти материалы в полной мере могут быть отнесены к категории более чем комфортных - shingosen (дружественных человеку). Причиной этого является высокий комплекс потребительских свойств, включая бактерицидность (обусловленную присутствием в волокнах остатков лигнина, имеющего фенольные гидроксилы). Присущая льняным изделиям сминаемость успешно элиминируется использованием смесей с полиэфирными волокнами, которые в разумной пропорции мало влияют на остальные свойства смесовых текстильных полотен.

  Текстильные материалы на основе грубых лубяных  волокон по-прежнему ограниченно  используются и в традиционных направлениях: в качестве крученых изделий, прокладочных, тепло- и эвукоизоляционных материалов, тарных тканей, рукавов и др., хотя технические материалы и изделия из химических волокон успешно конкурируют с материалами на основе лубяных волокон.

  Существенно новым направлением применения лубяных волокон является армирование ими пластиков, где они в значительной мере вытесняют стекловолокна. Особенно характерна тенденция расширения армированных лубяными волокнами полиуретанов, полипропилена и биоразрушаемых термопластов в автомобилестроении. Проблема огнезащищенности композитов решается путем добавления в термопласты антипиренов. Основные причины замены армирующих стекловолокон лубяными: снижение массы изделий вследствие меньшей плотности этих волокон (1,52 г/см³ против 2,5 г/см³ у стеклянных), а также возможность рециклинга отработанных изделий и получения полноценных композитов с добавкой небольшого количества исходных компонентов. В то же время рециклинг стеклоармированных термопластов связан с трудностью получения равномерных качественных премиксов а соответственно и композитов даже при значительной добавке новых компонентов.

  Одним из важнейших видов сырья для  текстильной промышленности в настоящее  время являются вискозные волокна, хотя их выпуск остается ограниченным. Обычные и высокомодульные вискозные штапельные волокна применяются взамен хлопка. Они используются в чистом виде и в различных смесках для выработки широкого ассортимента полотен бытового назначения. Значительная часть этих волокон является модифицированными с улучшенными или специальными свойствами: бактерицидными, огнезащищенными, окрашенными в массе и др.

  Вискозный процесс является многостадийным, материалоемким (более 1, 5 кг вспомогательных химикалий на 1 кг. волокна) и энергоемким, реализация его пока еще вызывает определенные экологические затруднения. Однако развитие современных процессов получения вискозных волокон и нитей позволяет существенно снизить присущие им недостатки благодаря новым решениям в технологии и развитии процессов их обезвреживания. В результате этого на передовых предприятиях, выпускающих штапельные вискозные волокна, осуществлен рециклинг большинства исходных химикалий, практически отсутствуют загрязненные сточные воды и выбросы серосодержащих газов. Существующие новые технические решения показывают, что вискозный процесс имеет будущее и конкурентоспособен с другими альтернативными процессами получения гидратцеллюлозных волокон.