Самостійна робота 3. Модифікування як шлях отримання  нових видів хімічних волокон.

1. Основні світові тенденції у виробництві і споживанні текстильних волокон.

2. Модифіковані види волокон.

3. Особливості розвитку виробництва багатотоннажних видів волокон і ниток.

1.Населення Землі зараз складає приблизно 6,1 млрд людей. Загальний обсяг виробництва волокон, що переробляються в текстильні вироби, наближається до 60 млн тон на рік. Таким чином, на душу населення з загального щорічного виробництва основних текстильних волокон припадає біля 10 кг у рік. Однак ця «норма» розподіляється нерівномірно за регіонами залежно від клімату, рівня розвитку країн та інших факторів. Так, у США пересічний громадянин споживає до 25 кг текстильних виробів; у Західній Європі – 16 кг, тоді як в окремих слаборозвинених країнах – до 2 кг. За прогнозом соціологів, у першій половині XXI сторіччя населення земної кулі наблизиться до  10 – 11 млрд, а потреба у волокнах і волокнистих матеріалах на одну людину (включаючи потреби техніки), за оцінками спеціалістів, може досягнути 12 – 15 кг і більше, що вже зараз відповідає рівню споживання в розвинених країнах.

Виробництво натуральних волокон – бавовни, джуту, льону, прядива, вовни і натурального шовку досягло приблизно 27 – 28 млн тон. Розраховувати на істотне збільшення виробництва натуральних волокон не доводиться, тому що посівні площі, водні ресурси, можливості агротехніки значною мірою лімітовані. Крім того, посівні площі в перспективі будуть потрібні для вирощування харчової сільськогосподарської продукції. Тому виробництво натуральних волокон наближається до своєї межі, що оцінюється в 32 – 35 млн тон на рік. Отже, зростання споживання волокон і текстилю має відбуватися за рахунок хімічних волокон, як шляхом постійного нарощування їх випуску, так і заміною видів волокон такими, що більш затребуванні на ринку сьогодні.

Сучасні хімічні волокна застосовуються для одержання волокнистих матеріалів і виробів побутового, технічного, гігієнічного і медичного призначення. Вони поділяються на дві дуже нерівноцінні за обсягом групи: 1) багатотоннажна продукція – волокна і нитки загального призначення і 2) середньо- та малотоннажна продукція: еластомірні нитки; високоміцні нитки; надміцні та надвисоко-модульні нитки; термостійкі важкогорючі нитки; волокна і нитки зі специфічними фізичними та фізико-хімічними властивостями.

З кожним роком обсяг виробництва хімічних волокон зростає. В останні 15 – 20 років у світовій промисловості хімічних волокон і текстилю відбувається не тільки загальне зростання виробництва, але й істотні зміни в структурі його розвитку – це процеси глобалізації, інтеграції та зміни в географічному розміщенні підприємств. Загальний обсяг виробництва хімічних волокон у промислово розвинених країнах (Західна Європа, Північна Америка, Японія) істотно не змінюється, однак змінилася його структура. Одночасно у промислово розвинених країнах відбувається скорочення виробництва штучних (в основному віскозних) волокон. Виробництво синтетичних волокон зберігається на приблизно постійному рівні, однак асортимент цих волокон істотно змінюється. Традиційні види волокон і ниток текстильного призначення виробляється в усе меншому обсязі, тоді як розширюється виробництво фізично-, композитно- і хімічно-модифікованих видів, необхідних для виготовлення текстилю й текстильних виробів з істотно поліпшеними властивостями, що відповідають сьогоднішнім вимогам ринку. На початку XXI сторіччя значна частина приросту світового виробництва хімічних волокон припадає на країни Азії та Південної Америки, де зосереджено зараз більше 60 % виробничих потужностей. Там дешевша робоча сила й менш жорстке законодавство в галузі екології. Вироблені хімічні волокна в цих же регіонах у значних обсягах переробляються в текстильні вироби, які транспортуються в розвинені країни. Одержана економія повністю перекриває транспортні витрати. Провідними країнами світу з виробництва хімічних волокон є такі: на першому місці Китай, на другому місці США, на третьому місці Тайвань.

 

 

 

Рис. 6. Структура світового виробництва текстильної сировини

 

2.Важливим напрямком розвитку нових видів хімічних волокон є модифікування – один із найбільш простих та перспективних шляхів, який дозволяє отримувати їх із широким спектром заданих функціональних властивостей. Для кожного напрямку використання хімічних волокон створені спеціальні типи волокон з оптимізованими характеристиками, широким використанням методів фізичної та хімічної модифікації. Модифікація волокон – один з найбільш простих і перспективних шляхів регулювання їх властивостей. Усі методи модифікації поділяють на три групи:

-                     фізичні – без зміни хімічного складу, але зі зміною надмолекулярної будови або зовнішньої поверхні волокна. Як правило, цей метод використовується на стадіях формування або подальшої обробки волокон;

-                     хімічні – зі зміною хімічного складу шляхом сополімеризації при отриманні вихідного полімеру або введення нових функціональних груп при обробці вже сформованих волокон, а також у вигляді текстильних полотен або виробів;

-                     композитні (або методи змішування), коли до основного полімеру додаються ті чи інші компоненти – носії нових властивостей шляхом введення добавок на стадії підготовки вихідного розплаву (розчину) до формування або у процесі формування.

Пріоритетним для розвинених країн є зараз також отримання волокон зі специфічними властивостями. Найбільш важливими є такі їх види:

-                     з особливими фізичними властивостями, зокрема електропровідні;

-                     з особливими фізико-хімічними властивостями – сорбуючі, вологообмінні;

-                     з особливими хімічними властивостями, наприклад, високохемостійкі.

Серед основних видів волокон зі специфічними властивостями слід відзначити такі:

-                     вуглецеві. Використовуються як електропровідні, хемостійкі, сорбуючі тощо;

-                     хімічні модифіковані поліакрилонітрильні. Мають хемосорбційні властивості (катионо- та іонообмінні);

-                     фторфуглицеві з високою хемостійкістю, практично повною не горючістю та з багатьма іншими унікальними властивостями.

Існує два основних шляхи отримання середньо- та малотоннажних волокон зі специфічними властивостями: 1) отримання волокон на основі нових полімерів і, відповідно, нових технологій; цей шлях досить складний та висококоштовний; 2) використання методів «глибокої» модифікації традиційних видів волокон, що базується на доступних видах полімерів, з метою зміни усього комплексу властивостей волокон або надання їм нових специфічних властивостей.

3.Основними видами волокон і ниток, що випускаються у світі, є поліефірні, поліпропіленові, поліамідні, поліакрилонітрильні та ін. Усі основні види хімічних волокон отримали свої ніші як за способами їх одержання, так і за галузями застосування. Аналіз сучасних тенденцій розвитку виробництва різних видів хімічних волокон дозволив експертам виділити такі важливі напрямки:

-                     інтенсивне зростання випуску поліефірних волокон порівняно з усіма іншими, одночасно спостерігається обмежене зростання виробництва поліамідних і поліакрилонітрильних волокон;

-                     швидкий розвиток виробництва поліпропіленових волокон;

-                     удосконалення процесів одержання віскозних та організація виробництва гідратцелюлозних волокон типу ліоцел;

-                     істотний розвиток виробництва еластомірних поліуретанових ниток.

У зв’язку з постійним зростанням обсягів випуску хімічних волокон, важливого значення набуває проблема розвитку сировинних ресурсів для виробництва хімічних волокон, оскільки спостерігається тенденція поступового підвищення цін, а в перспективі – дефіцит традиційних видів сировини – нафти, кам’яного вугілля та газу, деревинної целюлози. До середини XXI сторіччя ці види сировинних матеріалів будують близькі до виснаження. Водночас спостерігатиметься поступове зростання народонаселення і, відповідно, потреб у хімічних волокнах, як зазначалася вище. Тому на зміну або як доповнення до традиційних мають пройти нові сировинні ресурси як одержання мономерів і/або волокноутворюючих полімерів на їх основі, застосовані на рослинних ресурсах, які відтворюються, продуктах біотехнології та зв’язуванні вуглекислого газу і азоту з атмосфери.

Внаслідок цього вже сьогодні проводяться дослідження нових сировинних джерел для одержання волокон і волокнистих матеріалів на їх основі. Найважливішим відновлювальним видом вихідної сировини для волоко є целюлоза. Можливості її одержання з деревини ще далеко не вичерпані. Деякі види рослин можуть давати з одиниці площі кількість целюлози (у перерахуванні на рік), яка в 3 – 4 рази перевищить використовуванні сьогодні деревні породи (ялина, бук, евкаліпт). Проблема целюлози як відновлюваного полімеру взаємозалежна з одержанням високоякісних штучних волокон. Щодо цього варто очікувати як збереження віскозного процесу, так і розвитку процесів прямого розчинення целюлози з наступним формуванням волокон, зокрема волокон ліоцел.

Проводиться активна робота в галузі модифікації природних волокон. Велика увага приділяється розширенню виробництва лляних волокон, які, згідно з дослідженнями вчених-гігієністів, є лідерами у класі волокон «шин-гузен». Цей термін, введений для характеристики текстильних матеріалів, дослівно означає «найбільш дружній людині». Про лікувальні властивості льону відомо від стародавніх часів, його застосовували при лікуванні від прокази. Зараз відомо, що лігнін, який входить до складу льону (3 – 5 %), є натуральним адсорбентом ультрафіолетового випромінювання.

Традиційний асортимент волокон рослинного походження розширився за рахунок бамбукових волокон. Бамбукові волокна отримують за допомогою розчеплення стебла рослини, потім їх скручують у нитки. Тканини з бамбукових волокон легкі, бо вони порожні у середині, мають середню міцність; тканина добре тримає складки, легко драпірується, добре фарбується і відрізняється легким блиском. Це волокно за властивостями нагадує віскозу; воно менше мнеться порівняно з бавовною та льоном. Ці тканини підлягають тільки сухому чищенню. Вважається, що бамбук дуже корисний для здоров’я, тому що він очищує шкіру та усуває надлишки жиру завдяки антимікробній дії своїх компонентів.

На основі кукурудзи одержують базову речовину для волокон ingeo. Вони використовуються для легких тканин, верхнього одягу, їх також додають у суміш з бавовною для джинсових тканин, для тонких трикотажних футболок. Нове волокно на основі рослинної сировини – nature works – схоже на натуральне, більш міцне.

Один із напрямків технології білкових волокон high-tech – це реструктуризація їх поперечного перерізу з метою надання нових властивостей. Так, відома японська Nikke створила нову технологію, яка дозволила змінити круглу форму поперечного перерізу вовняного волокна на прямокутну. Це не погіршує фізико-механічних властивостей вовни, однак впливає на мікроструктуру волокна, в результаті чого матеріал набуває приємного шовкового блиску та високої драпірувальності. Компанія Nexia виготовляє біошовк – біоструктуровий шовк, який має підвищену міцність, пружність, легкість, гігієнічність, причому шовковій нитці надано форму поперечного перерізу у вигляді хреста з 12 кутами.

Одним із ексклюзивних і найдорожчих вовняних волокон для чоловічого одягу високого класу зараз вважається волокно escoral. Його одержують із вовни особливої породи овець, які називаються мініатюрними; вони були виведенні берберами, що жили в африканських Атлаських горах. Колись вовна цих овець використовувалася тільки для виготовлення королівського одягу. Сучасні нащадки цих королівських овець (кожна тварина офіційно зареєстрована) живуть на острові Тасманія і в  Новій Зеландії, де зараз щорічно виробляється приблизно 100 тонн ексклюзивної вовни.

Віскозні волокна нині є одним з найважливіших видів сировини для текстильної промисловості, хоча їх випуск і зменшився. Звичайні високомодульні віскозні штапельні волокна в чистому вигляді та в сумішах успішно застосовуються замість бавовни для різноманітних полотен побутового призначення. Значна частина цих волокон є модифікованими з поліпшеними або спеціальними властивостями – бактерицидні, вогнезахисні, застосовується тефлонове покриття для брудовідштовхування і підвищення міцності. Віскозні текстильні нитки залишаються поза конструкцією для багатьох видів виробів. Особливо важливі вони для полотен білизняного та підкладкового асотриментів. Поява безперервних процесів їх виробництва привела до підвищення якості, спрощення технології й одночасно знизила шкідливість виробництва. Віскозу називають волокном -  «хамелеоном». Невелика зміна крутки викликає істотну зміну структури і туше тканини: муслінова крутка – нитки за туше нагадують бавовну; крепова крутка – натуральний шовк.

Поліпропіленові волокна раніше використовувалися тільки для килимових виробів, зараз це волокно – лідер серед синтетичних волокон за темпами зростання виробництва. Активно використовується для «розумного» текстилю («smart textile») – наприклад, волокно permafreah – бактерицидної та антимікробної дії для виготовлення панчішно-шкарпеткових виробів і білизни. У композиціях з віскозним волокном використовується в інтегрованому трикотажі.

Фірма Du Pont випускає у великих обсягах волокна для утеплювачів – термолофт, тинсулейт. Завдяки комбінації поліамідних та поліпропіленових волокон їх структура наближається до структури натурального пуху; добре відновлює об’єм після стисканя. На цій основі випускається матеріал полартекс.

Сьогодні у світі існує досить багато модифікацій поліефірних волокон. Так, наприклад, волокно Sophista – прохолодне на дотик (має охолоджувальний ефект), швидко вбирає вологу за рахунок нової системи мікропор, відноситься до нового покоління ПЕ-волокон для клімат-контролю тіла людини. Panapack – мікроволокно, яке швидко сохне після вологих обробок і прання. Основна перевага – стійкість до пілінгу. Використовується в композиції з бавовною, вовною і віскозою у спортивному одязі та білизні. AirStrech – модифікований ПЕ, який має високу еластичність у всіх напрямках. Волокно дуже легке, собівартість його виробництва дешевша, ніж виробництво поліуретанових еластичних волокон. Trevira – нове антибактеріальне волокно на основі ПЕ, яке виробляється з 2003 р. у Німеччині. Містить біоактивні інгредієнти, які не зазнають впливу води, не зникають при пранні й тривалому носінні одягу. Ціна порівняно зі звичайним ПЕ набагато вища. Michron – нове мікро-волокно, отримане на основі сополімеризації поліефіру та еластану. Екологічно чисте, легке, повітря- і паропроникне, прирівнюється за властивостями до штучних волокон.

Еластомірні волокна (мононитки) називають символом сучасної моди та моди майбутнього. Їх застосовують у всіх асортиментних групах тканин і полотен: від білизняних тканин до матеріалів пальтового-костюмного асортименту. Змішані тканини з добавкою лайкри мають підвищену еластичність, формостійкість, комфортність і використовуються для виготовлення спортивного одягу, суконь тощо.

Розмаїтість хімічних волокон і ниток, які виробляються сьогодні, деже велика. Вони мають різні властивості, що відповідають потребам людини. Сучасні волокна і тканини відрізняються біостійкістю, термостійкістю, молестійкістю, безусадочністю, незминальністю, гідрофобністю, антистатичними, вогнезахисними, кислотозахисними, іонообмінними, водо- та брудовідштовхуючими властивостями тощо. Ціла група спеціальних волокнистих матеріалів знаходить застосування для медичних цілей, наприклад, кровозупинні, бактерицидні (антимікробні) та ін. Широкого поширення набули волокна, до складу яких входять мікрокапсули із дезодоруючими речовинами, з порцеляною, перламутром, кришталем, з лікарськими рослинами, вітаміном Е. Антимікробні текстильні матеріали, обсяг випуску яких неухильно зростає, знаходять застосування у різних галузях народного господарства як оббивні, декоративні, ізоляційні та інші матеріали і вироби, які можуть зазнати ушкодження мікроорганізмами. У медицині антимікробні матеріали застосовуються як перев’язні, шовні, лікувально-профілактичні засоби, що зупиняють розвиток хвороботворних бактерій і грибків, а в ряді випадків мають і лікувальну дію. Здатність антимікробних волокон припиняти розвиток патогенної мікрофлори визначає доцільність виготовлення з них хірургічних ниток, для попередження післяопераційних ускладнень. У хірургічній практиці застосовуються антимікробні протези кровоносних судин і антимікробний шовний матеріал, отриманий із синтетичних волокон.

З початку 1970 р. були розпочаті роботи із забезпечення пожежної безпеки у всесвітньому масштабі; у ряді країн прийняті і діють нормативні положення і законодавчі акти, що забороняють застосування виробів із легкозаймистих видів покриття на підлогу. Міжнародною конвекцією з питань життя людини на морі, у повітрі й на суші ще в 1960р. прийнята постанова про те, що всі текстильні вироби, які використовуються на кораблях і в громадських установах, мають бути важкозаймистими і при нагріванні не виділяти шкідливих газів. Зараз розробленні і випускають термостійкі і важкозаймисті синтетичні волокна різної хімічної природи – поліамідні, поліефірні, поліакрилонітрильні, полівінілхлоридні та ін. Тканини, виготовлені з термостійких волокон, за деякими своїми експлуатаційними і споживчими властивостями мають багато переваг порівняно з тканинами з натуральних волокон з вогнезахисною обробкою. Вони набагато міцніші, мають високу хімічну стійкість до дії лугів, кислот і багатьох органічних розчинників.

У Радянському Союзі було синтезоване волокно фенилон -  ароматичне поліамідне волокно, стійке до дії іонізуючих випромінювань, з високою хімічною стійкістю до дії кислот і лугів, органічних розчинників, нафтопродуктів, збереженням фізико-механічних властивостей при підвищених температурах (до 400 ⁰С); воно рекомендується для технічних і побутових цілей, особливо для тканин із суміші з натуральними волокнами. Інше волокно – лола – найбільш термостійке синтетичне волокно, яке рекомендується використовувати для спец-одягу льотчиків, пожежників, космонавтів, декоративно-оздоблювальних матеріалів, фільтрувальних тканин для пальних газів.

Значним науково-технічним досягненням XX століття стало відкриття американською фірмою «Дюпон» нового класу синтетичних волокон на основі ароматичних поліамідів, скорочено названо арамідами. У 1972 р. на основі арамідів фірмою було отримано високоміцне волокно кевлар (міцність кевлара в 5 разів вища за міцність сталі). Пізніше арамідні волокна двох різновидів почали випускати в інших країнах: у СРСР – фенилон (про яке було сказано вище), ірамід і арамід Т, оксалон, терилон, у Японії – конекс і НМ-50, у Франції кермель (за властивостями аналог кевралу). Японське термостійке волокно корделан – сополімер полівінілхлориду і вінілхлориду з полівініловим спиртос рекомендується для виробів побутового призначення, у тому числі для дитячого одягу, драпірувальних тканин і килимових виробів. Корделан досить стійкий до стирання, має властивості самозагасання і не виділяє токсичних газів. Арамідні волокна однієї групи (фенилон, номекс, конекс) використовуються там, де необхідна стійкість до відкритого полум’я і термічних впливів; волокна другої групи (кевлар, терлон) мають високу механічну міцність у сполученні з невеликою масою і використовується там, де необхідний одяг, що захищає від механічних впливів (куленепробивні жилети та ін.).