Неорганические волокна. Неорганические нити и волокна
Использование: для изготовления неорганических волокон, растворимых в физиологических жидкостях. Описаны неорганические волокна, вакуумные предварительные заготовки которых имеют усадку 3,5% или менее при экспонировании при 1260°С в течение 24 ч. Волокна имеют состав, включающий SrO, Al 2 O 3 и достаточное количество волокнообразующей добавки для образования волокон, но недостаточное для увеличения усадки выше 3,5%. Предпочтительный диапазон волокон имеет усадку 3,5% или менее при экспонировании при 1500°С в течение 24 ч и может содержать, мас.%: SrO 53,2-57,6, Al 2 O 3 30,4-40,1, SiO 2 5,06-10,1. Техническая задача изоретения - уменьшение усадки заготовки. 2 с. и 15 з.п. ф-лы, 4 табл.
Изобретение касается искусственных волокон из неорганического оксида. Изобретение касается также продуктов, приготовленных из таких волокон. Неорганические волокнистые материалы хорошо известны и широко применяются для многих целей (например, в качестве теплоизоляции или акустической изоляции в насыпной форме, в форме матов или покрова, в виде образованных в вакууме форм, в виде образованных в вакууме картона и бумаги и в виде канатов, пряжи или текстиля; в качестве укрепляющего волокна для строительных материалов, в качестве составляющего тормозных колодок для транспортных средств). В большинстве этих применений свойства, из-за которых используют неорганические волокнистые материалы, требуют устойчивости к теплу и часто устойчивости к агрессивной химической среде. Неорганические волокнистые материалы могут быть либо стекловидными, либо кристаллическими. Асбест представляет собой неорганический волокнистый материал, одна из форм которого, как предполагается, причастна к респираторному заболеванию. Все еще неясно, каким является причинный механизм, связывающий некоторые виды асбеста с заболеванием, однако некоторые исследователи считают, что этот механизм является механическим и связан с размером частиц. Асбест с критическим размером частиц может проникать в клетки в теле и таким образом, посредством длительного и повторяющегося повреждения клетки, оказывать неблагоприятное действие на здоровье. Является ли этот механизм истинным или нет, но регулирующие органы предписали требование, чтобы любой неорганический волокнистый продукт, имеющий респираторную фракцию, был классифицирован как вредный для здоровья, независимо от того, имеется ли какое-либо доказательство в поддержку такой классификации. К сожалению, для многих приложений, для которых используют неорганические волокна, не существует реальных заменителей. Таким образом, существует потребность в неорганических волокнах, которые будут предоставлять наименьшую возможную опасность (если такая будет) и для которых существуют объективные причины, чтобы считать их безопасными. Было предложено одно направление в исследованиях, заключающееся в том, что были бы изготовлены неорганические волокна, которые были достаточно растворимы в физиологических жидкостях, чтобы их время пребывания в теле человека было коротким; в этом случае повреждение не имело бы места или по крайней мере было сведено к минимуму. Поскольку опасность связанного с асбестом заболевания зависит, по-видимому, очень сильно от длительности экспозиции с ним, эта идея представляется разумной. Асбест является исключительно нерастворимым. Поскольку межклеточной жидкостью в природе является солевой (физиологический) раствор, давно была признана важность растворения волокон в солевом растворе. Если волокна растворимы в физиологическом солевом растворе, то, при условии, что растворенные компоненты не являются токсичными, волокна должны быть более безопасными, чем волокна, которые нерастворимы. Чем короче время пребывания волокна в теле, тем меньшее повреждение оно может вызвать. Такие волокна приведены в качестве примеров в более ранних Международных Патентных заявках заявителя WO93/15028 и WO94/15883, которые описывают растворимые в солевом растворе волокна, используемые при температурах 1000 o C и 1260 o C, соответственно. Другое направление исследований предполагает, что гидратируемые волокна, которые теряют свою волокнистую природу в жидкостях тела, могут представлять другой путь к "безопасным" волокнам, в том случае, когда причиной, вызывающей повреждения, являются форма и размер волокон. Этот путь описан в Европейских Патентных заявках N 0586797 и N 0585547, целью которых является обеспечение не содержащих диоксида кремния композиций и которые описывают две композиции алюмината кальция (одну, содержащую 50/50 мас.% оксида алюминия/кальцинированной извести, а другую, содержащую 63/30 мас.% оксида алюминия/кальцинированной извести с добавками 5% CaSO 4 и 2% других оксидов). Такие волокна гидратируются легко с потерей их волокнистой природы. Асбест не гидратируется и, по-видимому, сохраняет свою волокнистую структуру в жидкостях тела эффективно в течение неограниченного времени. Было обнаружено, что композиции алюмината стронция, по-видимому, не образуют волокон, когда продукты из расплава, в то время как такие композиции, включающие в себя добавки, такие как диоксид кремния, действительно образуют волокна при дутье из расплава. По-видимому, такие волокна гидратируются подобно волокнам из алюмината кальция и, кроме того, обнаруживают потенциал для высокотемпературного использования. Образованные в вакууме предварительные заготовки (формы) некоторых таких волокон обнаруживают усадки 3,5% или менее при экспонировании при 1260 o C в течение 24 часов; некоторые обнаруживают усадки 3,5% или менее при экспонировании при 1400 o C в течение 24 часов и некоторые даже обнаруживают усадки 3,5% или менее при экспонировании при 1500 o C в течение 24 часов. Такие волокна обеспечивают гидратируемые высокотемпературные волокна, применимые в указанных выше продуктах. В соответствии с этим данное изобретение обеспечивает неорганическое волокно, вакуумно отлитая предварительная заготовка (форма) которого имеет усадку 3,5% или менее при экспонировании при 1260 o C в течение 24 часов, волокно, содержащее SrO, Al 2 O 3 и достаточное количество волокнообразующей добавки для образования волокна, но недостаточное (не такое большое) для увеличения усадки выше 3,5%. Предпочтительно волокнообразующая добавка содержит SiO 2 и составляющие SrO, Al 2 O 3 и SiO 2 составляют по меньшей мере 90 мас.% (более предпочтительно по меньшей мере 95 мас.%) композиции волокна. Объем данного изобретения ясно определен в прилагаемой формуле изобретения со ссылкой на следующее описание. В последующем изложении в тех случаях, когда упоминается растворимое в солевом растворе волокно, то следует понимать, что речь идет о волокне, имеющем общую растворимость более 10 ppm (м.д.) в солевом растворе при измерении описанным ниже способом и, предпочтительно, имеющем более высокую растворимость. Экспериментальные результаты описаны ниже со ссылкой на таблицы 1, 2 и 3. Таблица 1 показывает ряд композиций, которые были расплавлены и продуты общепринятыми способами. Те композиции, которые указаны как "&", не образовывали волокна в нужной степени, но образовывали сферический порошок. Для каждой из этих композиций показан проанализированный состав в мас. % (полученный при помощи рентгеновского флуоресцентного анализа). Если дана цифра "<0,05", это означает, что соответствующий компонент не мог быть обнаружен. Благодаря природе рентгеновских флуоресцентных измерений (которые чувствительны к окружающей среде) общее количество материала, обнаруживаемого этим анализом, может доходить до 100% или превышать 100%, и в данной патентной заявке (в том числе в описании, формуле изобретения и реферате) эти числа не были нормализованы до 100%. Однако для каждой композиции указывается общее количество анализируемого материала и можно видеть, что отклонение от 100% является небольшим. В столбце, названном "Относительный мас. процент", указаны мас. % SrO, Al 2 O 3 и SiO 2 по отношению к сумме этих компонентов. За исключением случаев, когда контекст дает иные указания, любые проценты, указанные в данной заявке, являются процентами, полученными рентгеновским флуоресцентным анализом, а не абсолютными процентами. Таблица 2 показывает (в том же порядке, что и в Таблице 1) данные усадки и растворимости для волокнообразующих композиций. Растворимость выражена как части на млн. В растворе, как измерено описанным ниже способом. Все указанные выше композиции и включая линию A Таблиц 1 и 2 включительно содержат 2,76 мас.% или менее SiO 2 . Можно видеть, что большинство этих композиций не образовывали волокна. Некоторые из этих волокон включают в себя Na 2 O в количествах 2,46 мас.% или более для содействия образованию волокна, но обнаруживают плохие характеристики усадки при температурах более 1000 o C (т.е. имеют усадку более 3,5% при измеренной температуре). Одно волокно (SA5 (2,5% K 2 O/SiO 2)), содержащее 1,96% K 2 O и 2,69% SiO 2 , имеет приемлемую усадку при 1260 o C. Таким образом, можно видеть, что "чистые" алюминаты стронция не образуют волокон, тогда как посредством добавления волокнообразующих добавок, например, SiO 2 и Na 2 O, могут быть образованы волокна. Характеристики усадки полученных волокон зависят от примененных добавок. Волокна, представленные ниже линии A и выше и включая линию В, имеют содержание SrO менее 35 мас.% и имеют плохие характеристики усадки. Волокна, показанные ниже линии В, имеют содержание SrO более 35 мас.% и, в случае измерения, обнаруживают приемлемую усадку при 1260 o C. Волокно линии С содержит 2,52 мас.% CaO и это, по-видимому, вредит характеристикам при 1400 o C. Волокна, представленные ниже линии D и выше и на линии E, имеют содержание Al 2 O 3 более 48,8 мас.%, что, по-видимому, неблагоприятно влияет на характеристики волокон при 1400 o C. Волокно ниже линии E имеет содержание SiO 2 14,9 мас.%, что, по-видимому, плохо для характеристик при 1400 o C (см. ниже для показателя при 1500 o C). Дальнейший ограниченный диапазон композиций (показанных жирным текстом в столбце 1400 o C) проявляет тенденцию к приемлемой усадке при 1400 o C. Эти композиции лежат ниже линии C и выше и на линии D Таблиц 1 и 2. Два волокна, указанных в этом диапазоне, которые не удовлетворяют требованию усадки 3,5%, могут быть просто неправильными результатами. Волокна, лежащие ниже линии C и выше линии D и на линии D, были отобраны по относительному мас.% SrO (как определено выше), и можно видеть, что композиции с относительным мас.% SrO, большим, чем 53,7%, и меньшим, чем 59,6%, имеют тенденцию к приемлемым усадкам при 1500 o C. Волокно в этой области, которое не имеет приемлемой усадки при 1500 o C, является волокном с высоким содержанием SiO 2 (12,2 мас.% SiO 2), что подтверждает неблагоприятное действие слишком большого содержания SiO 2 упомянутое выше. Два волокна (SA5a и SA5aII) обнаруживают приемлемую усадку при 1550 o C. Кроме того, можно видеть, что некоторые из этих волокон проявляют очень высокие растворимости и, таким образом, могут обеспечивать применимые трудно перерабатываемые (устойчивые) волокна, которые будут растворяться в жидкостях тела. Все волокна показали гидратацию при введении в водные жидкости. Действительно, они имели тенденцию к некоторой гидратации при образовании предварительных заготовок, которые были использованы для испытания усадки. После 24 часов испытания растворимости в жидкостях физиологического типа гидратация была очень явной. Гидратация имеет форму видимого растворения и переосаждения кристаллов на поверхности волокон, что приводит к потере их волокнистой природы. Для некоторых из композиций при изготовлении вакуумных предварительных заготовок для испытаний использовали диспергирующий и смачивающий агент (Troy EX 516-2 (Trade markof Troy Chemical Corporation)), который является смесью неионогенных поверхностно-активных веществ и химически модифицированных жирных кислот. Это было попыткой уменьшить время экспонирования с водой и, следовательно, степени гидратации. Из таблицы 3 можно видеть (Таблица 3 показывает тот же тип информации, что и Таблица 2), что композиции, в которых использовали диспергирующий агент (указанный как "troy"), имели тенденцию к более высокой усадке, чем идентичная композиция без диспергирующего агента. Предполагается, что это может быть обусловлено частичным гидратационным "смыканием" волокон вместе, так что любое отдельное волокно должно иметь усадку против растяжения поддерживающих волокон вдоль его длины: такое растяжение может приводить к утончению волокна скорее, чем к продольной усадке. В случае использования диспергирующего агента волокна свободны для усадки вдоль их длины. Далее подробно описаны способы измерения усадки и растворимости. Усадку измеряли посредством предложенного ISO стандарта ISO/TC33/SC2/N220 (эквивалент British Standard BS 1920, part 6.1986) с некоторыми модификациями с учетом малого размера образцов. Способ в кратком изложении содержит изготовление вакуумно отлитых предварительных заготовок, с использованием 75 г волокна в 500 куб. см 0,2% раствора крахмала, в приспособлении 120х65 мм. Платиновые штифты (приблизительно 0,5 мм в диаметре) помещали отдельно в 4 углах в виде прямоугольника 100х45 мм. Самые большие длины (L1 и L2) и диагонали (L3 и L4) измеряли с точностью 1 5 мкм, используя передвижной микроскоп. Образцы помещали в печь и доводили до температуры на 50 o C ниже температуры испытания при скорости 300 o C/час и при скорости 120 o C/час для последних 50 o C до температуры испытания и оставляли в течение 24 часов. Величины усадки даны в виде среднего из 4 измерений. Следует отметить, что хотя это стандартный способ измерения усадки волокна, он имеет присущую ему изменчивость, заключающуюся в том, что конечная плотность предварительной заготовки может меняться в зависимости от условий отливки. Кроме того, следует отметить, что волоконный материал будет обычно иметь более высокую усадку, чем предварительная заготовка, изготовленная из того же самого волокна. Поэтому цифру 3,5%, упоминаемую в данной заявке, следует толковать как более высокую усадку в конечном полотне из этого волокна. Растворимость измеряли согласно следующему способу. Волокно сначала нарезали с использованием сита 10 меш. и сферический порошок удаляли ручным просеиванием также через сито 10 меш. Устройство для испытания растворимости содержало вибрационную термостатную водяную баню и раствор для испытаний имел состав, приведенный в табл. 4. Вышеуказанные вещества разбавляли до 1 литра дистиллированной водой для образования солевого раствора, подобного физиологическому раствору. 0,500 г, "равных" 0,003 г нарезанного волокна, взвешивали в пластиковую пробирку центрифуги и добавляли 25 мл (см 3) указанного выше солевого раствора. Волокно и солевой раствор встряхивали тщательно и вводили в вибрационную термостатную водяную баню, поддерживаемую при температуре тела (37 o C 1 o C). Скорость вибратора устанавливали при 20 оборотов/мин. После 24 часов пробирку центрифуги удаляли, всплывающую жидкость декантировали и жидкость пропускали через фильтр (мембрана из фильтровальной бумаги из нитрата целлюлозы 0,45 микрон [типа WCN из Whatman Labsales Limited]) в прозрачный пластиковый флакон. Затем жидкость анализировали одним из двух способов. Первым используемым способом было атомное поглощение с применением машины Thermo Jarrell Ash Smith - Hiefje II. Условия работы были такие же, какие установлены в более ранних Международных Патентных заявках заявителя WO93,15028 и WO 94/15883. Для SrO условия работы были следующими:
ДЛИНА ВОЛНЫ, (нм) 460,7
ШИРИНА ПОЛОСЫ, 0
ТОК, (мА) 12
ПЛАМЯ, обедненное топливо
Стронций измеряли относительно стандартного раствора для атомного поглощения (Aldrich 970 мкм/мл). Готовили три стандарта, к которым добавляли 0,1% KCl (Sr [м.д.] 9,7, 3,9 и 1,9). Обычно готовили разбавления в 10 и в 20 раз для измерения уровня Sr в образце. Затем SrO рассчитывали как 1,183xSr. Все исходные растворы хранили в пластиковых бутылях. Во втором использованном способе (который, как было показано, давал результаты, согласующиеся с результатами первого способа) концентрации элементов определяли при помощи индуктивно связанной плазменной - атомной эмиссионной спектроскопии в соответствии с известным способом. Описанное выше позволило обсуждать устойчивость к усадке предварительных заготовок, экспонированных при 1260 o C в течение 24 часов. Это максимальная температура использования волокна. На практике волокна характеризуются максимальной температурой непрерывного использования и более высокой максимальной температурой экспонирования. Обычно в промышленности, при выборе волокна для использования при заданной температуре, выбирают волокно, имеющее более высокую температуру непрерывного использования, чем температура, номинально требуемая для предназначенного использования. Это делается для того, чтобы любое случайное увеличение в температуре не повредило волокна. Вполне обычной является разница 100-150 o C. Заявители пока не определяют, какое количество других оксидов или других примесей будет влиять на характеристики волокон, описанных выше, и прилагаемая формула изобретения допускает, в случае, если волокнообразующей добавкой является SiO 2 , до 10 мас.% материалов, иных, чем SrO, Al 2 O 3 и SiO 2 , хотя это не следует рассматривать как ограничение. Хотя представленное выше описание ссылается на изготовление волокон дутьем из расплава, это изобретение не ограничивается дутьем, но также охватывает вытягивание и другие способы (технологии), в которых волокна образуются из расплава, а также включает в себя волокна, изготовленные любым другим способом.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Неорганическое волокно, содержащее SrO и Al 2 O 3 , отличающееся тем, что вакуумная предварительная заготовка волокна имеет усадку 3,5% или менее при выдержке при 1260 o С в течение 24 ч и волокно имеет состав алюмината стронция, включающий SrO, Al 2 O 3 и волокнообразующую добавку, достаточную для образования волокна, но не настолько большую, чтобы увеличить усадку выше 3,5% и в случае, когда присутствует SiO 2 , количество SiO 2 менее чем 14,9 мас.%. 2. Неорганическое волокно по п.1, отличающееся тем, что волокнообразующая добавка содержит SiO 2 и составляющие SrO, Al 2 O 3 и SiO 2 составляют по меньшей мере 90 мас.% состава волокна. 3. Неорганическое волокно по п.2, отличающееся тем, что составляющие SrO, Al 2 O 3 и SiO 2 составляют по меньшей мере 95 мас.% состава волокна. 4. Неорганическое волокно по любому предыдущему пункту, отличающееся тем, что содержит 35 мас.% или более SrO. 5. Неорганическое волокно по любому предыдущему пункту, отличающееся тем, что содержит SrO 41,2 - 63,8 мас.% и Al 2 O 3 29,9 - 53,1 мас.%. 6. Неорганическое волокно по п.5, отличающееся тем, что содержит более чем 2,76 мас.% SiO 2 . 7. Неорганическое волокно по любому предыдущему пункту, отличающееся тем, что вакуумная предварительная заготовка имеет усадку 3,5% или менее при выдержке при 1400 o С в течение 24 ч. 8. Неорганическое волокно по п.7, отличающееся тем, что количество Al 2 O 3 составляет 48,8 мас.% или менее. 9. Неорганическое волокно по любому предыдущему пункту, отличающееся тем, что вакуумная предварительная заготовка имеет усадку 3,5% или менее при выдержке при 1500 o С в течение 24 ч. 10. Неорганическое волокно по п.9, отличающееся тем, что массовый % SrO относительно общего количества SrO плюс Al 2 O 3 плюс SiO 2 находится в пределах от более чем 53,7 мас.% до менее чем 59,6 мас.%. 11. Неорганическое волокно по п.10, отличающееся тем, что содержит, мас. %:SrO - 53,2 - 57,6
Al 2 O 3 - 30,4 - 40,1
SiO 2 - 5,06 - 10,1
12. Неорганическое волокно по любому предыдущему пункту, отличающееся тем, что содержит Na 2 O в количестве менее чем 2,46 мас.%. 13. Неорганическое волокно по любому предыдущему пункту, отличающееся тем, что вакуумная предварительная заготовка имеет усадку 3,5% или менее при выдержке при 1550 o С в течение 24 ч. 14. Неорганическое волокно по п.13, отличающееся тем, что содержит, мас. %:
SrO - 53,2 - 54,9
Al 2 O 3 - 39,9 - 40,1
SiO 2 - 5,06 - 5,34
15. Неорганическое волокно по любому предыдущему пункту, отличающееся тем, что оно является растворимым в солевом растворе волокном. 16. Неорганическое волокно по любому предыдущему пункту, отличающееся тем, что оно является гидратируемым растворимым в солевом растворе волокном. 17. Способ получения волокон из расплава, отличающийся тем, что расплав содержит преимущественно SrO и Al 2 O 3 , в который для образования волокон добавляют незначительные количества SiO 2 .
Это волокна, получаемые из органических природных и синтетических полимеров. В зависимости от вида исходного сырья волокна химические подразделяются на синтетические (из синтетических полимеров) и искусственные (из природных полимеров). Иногда к волокнам химическим относят также волокна, получаемые из неорганических соединений (стеклянные, металлические, базальтовые, кварцевые). Волокна химические выпускают в промышленности в виде:
1) моноволокна (одиночное волокно большой длины);
2) штапельного волокна (короткие отрезки тонких волокон);
3) филаментных нитей (пучок, состоящий из большого числа тонких и очень длинных волокон, соединённых посредством крутки), филаментные нити в зависимости от назначения разделяются на текстильные и технические, или кордные нити (более толстые нити повышенной прочности и крутки).
Химические волокна - волокна (нити), получаемые промышленными способами в заводских условиях.
Химические волокна в зависимости от исходного сырья подразделяются на основные группы:
искусственные волокна получают из природных органических полимеров (например, целлюлозы, казеина, протеинов) путем извлечения полимеров из природных веществ и химического воздействия на них
синтетические волокна вырабатываются из синтетических органических полимеров, полученных путем реакций синтеза (полимеризации и поликонденсации) из низкомолекулярных соединений (мономеров), сырьем для которых являются продукты переработки нефти и каменного угля
минеральные волокна - волокна, получаемые из неорганических соединений.
Историческая справка.
Возможность получения волокон химических из различных веществ (клей, смолы) предсказывалась ещё в 17 и 18 вв., но только в 1853 англичанин Аудемарс впервые предложил формовать бесконечные тонкие нити из раствора нитроцеллюлозы в смеси спирта с эфиром, а в 1891 французский инженер И. де Шардонне впервые организовал выпуск подобных нитей в производственном масштабе. С этого времени началось быстрое развитие производства химического волокон. В 1896 освоено производство медноаммиачного волокна из растворов целлюлозы в смеси водного аммиака и гидроокиси меди. В 1893 англичанами Кроссом, Бивеном и Бидлом предложен способ получения вискозных волокон из водно-щелочных растворов ксантогената целлюлозы, осуществлённый в промышленном масштабе в 1905. В 1918-20 разработан способ производства ацетатного волокна из раствора частично омыленной ацетилцеллюлозы в ацетоне, а в 1935 организовано производство белковых волокон из молочного казеина.
На фото справа ниже - не химическое волокно конечно, а х/б ткань.
Производство синтетических волокон началось с выпуска в 1932 поливинилхлоридного волокна (Германия). В 1940 в промышленном масштабе выпущено наиболее известное синтетическое волокно - полиамидное (США). Производство в промышленном масштабе полиэфирных, полиакрилонитрильных и полиолефиновых синтетических волокон осуществлено в 1954-60. Свойства. Волокна химические часто обладают высокой разрывной прочностью [до 1200 Мн/м2 (120 кгс/мм2)], значительным разрывным удлинением, хорошей формоустойчивостью, несминаемостью, высокой устойчивостью к многократным и знакопеременным нагружениям, стойкостью к действиям света, влаги, плесени, бактерий, хемои термостойкостью.
Физико-механические и физико-химические свойства волокон химическихе можно изменять в процессах формования, вытягивания, отделки и тепловой обработки, а также путём модификации как исходного сырья (полимера), так и самого волокна. Это позволяет создавать даже из одного исходного волокнообразующего полимера волокна химические, обладающие разнообразными текстильными и другими свойствами (табл.). Волокна химические можно использовать в смесях с природными волокнами при изготовлении новых ассортиментов текстильных изделий, значительно улучшая качество и внешний вид последних. Производство. Для производства волокон химических из большого числа существующих полимеров применяют лишь те, которые состоят из гибких и длинных макромолекул, линейных или слаборазветвлённых, имеют достаточно высокую молекулярную массу и обладают способностью плавиться без разложения или растворяться в доступных растворителях.
Такие полимеры принято называть волокнообразующими. Процесс складывается из следующих операций: 1) приготовления прядильных растворов или расплавов; 2) формования волокна; 3) отделки сформованного волокна. Приготовление прядильных растворов (расплавов) начинают с перевода исходного полимера в вязкотекучее состояние (раствор или расплав). Затем раствор (расплав) очищают от механических примесей и пузырьков воздуха и вводят в него различные добавки для термоили светостабилизации волокон, их матировки и т.п. Подготовленный таким образом раствор или расплав подаётся на прядильную машину для формования волокон. Формование волокон заключается в продавливании прядильного раствора (расплава) через мелкие отверстия фильеры в среду, вызывающую затвердевание полимера в виде тонких волокон.
В зависимости от назначения и толщины формуемого волокна количество отверстий в фильере и их диаметр могут быть различными. При формовании волокон химических из расплава полимера (например, полиамидных волокон) средой, вызывающей затвердевание полимера, служит холодный воздух. Если формование проводят из раствора полимера в летучем растворителе (например, для ацетатных волокон), такой средой является горячий воздух, в котором растворитель испаряется (так называемый «сухой» способ формования). При формовании волокна из раствора полимера в нелетучем растворителе (например, вискозного волокна) нити затвердевают, попадая после фильеры в специальный раствор, содержащий различные реагенты, так называемую осадительную ванну («мокрый» способ формования). Скорость формования зависит от толщины и назначения волокон, а также от метода формования.
При формовании из расплава скорость достигает 600-1200 м/мин, из раствора по «сухому» способу - 300-600 м/мин, по «мокрому» способу - 30-130 м/мин. Прядильный раствор (расплав) в процессе превращения струек вязкой жидкости в тонкие волокна одновременно вытягивается (фильерная вытяжка). В некоторых случаях волокно дополнительно вытягивается непосредственно после выхода с прядильной машины (пластификационная вытяжка), что приводит к увеличению прочности В. х. и улучшению их текстильных свойств. Отделка волокон химических заключается в обработке свежесформованных волокон различными реагентами. Характер отделочных операций зависит от условий формования и вида волокна.
При этом из волокон удаляются низкомолекулярные соединения (например, из полиамидных волокон), растворители (например, из полиакрилонитрильных волокон), отмываются кислоты, соли и другие вещества, увлекаемые волокнами из осадительной ванны (например, вискозными волокнами). Для придания волокнам таких свойств, как мягкость, повышенное скольжение, поверхностная склеиваемость одиночных волокон и др., их после промывки и очистки подвергают авиважной обработке или замасливанию. Затем волокна сушат на сушильных роликах, цилиндрах или в сушильных камерах. После отделки и сушки некоторые волокна химические подвергают дополнительной тепловой обработке - термофиксации (обычно в натянутом состоянии при 100-180°С), в результате которой стабилизируется форма пряжи, а также снижается последующая усадка как самих волокон, так и изделий из них во время сухих и мокрых обработок при повышенных температурах.
Лит.:
Характеристика химических волокон. Справочник. М., 1966; Роговин З.А., Основы химии и технологии производства химических волокон. 3 изд., т. 1-2, М.-Л., 1964; Технология производства химических волокон. М., 1965. В.В.Юркевич.
а также другие источники:
Большая Советская Энциклопедия;
Калмыкова Е.А., Лобацкая О.В. Материаловедение швейного производства: Учеб. Пособие,Мн.: Выш. шк., 2001412с.
Мальцева Е.П., Материаловедение швейного производства, - 2-е изд., перераб. и доп.М.: Легкая и пищевая промышленность, 1983,232.
Бузов Б.А., Модестова Т.А., Алыменкова Н.Д. Материаловедение швейного производства: Учеб. для вузов,4-е изд., перераб и доп.,М., Легпромбытиздат, 1986 – 424.
По химическому составу волокна подразделяются на органические и неорганические волокна.
Органические волокна образуются из полимеров, имеющих в своем составе атомы углерода, непосредственно соединённых друг с другом, или включающие наряду с углеродом атомы других элементов.
Неорганические волокна образуются из неорганических соединений (соединения из химических элементов кроме соединений углерода).
Для производства химических волокон из большого числа существующих полимеров применяют лишь волокнообразующие полимеры. Волокнообразующие полимеры состоят из гибких и длинных макромолекул, линейных или слаборазветвлённых, имеют достаточно высокую молекулярную массу и обладают способностью плавиться без разложения или растворяться в доступных растворителях.
Для изготовления текстильных материалов используют самые разнообразные волокна, которые целесообразно классифицировать с учетом происхождения, химического состава и других признаков.
В зависимости от происхождения текстильные волокна делят на натуральные и химические. Химические в свою очередь подразделяются на искусственные и синтетические. Искусственные волокна получают из природных волокнообразующих полимеров, например, целлюлозы. К ним относятся вискозные, медно-аммиачные, ацетатные, белковые волокна. Синтетические волокна получают синтезом из низкомолекулярных соединений. Сырьем, как правило, служат продукты переработки нефти, каменного угля. К синтетическим волокнам относятся полиамидные, полиэфирные, полиакрилонитрильные, полиуретановые, поливинилспиртовые и др. Синтетические волокна получили широкое распространение, их баланс в общем производстве текстильных волокон все более увеличивается. Классификация текстильных органических волокон приведена на рис. 3.
Синтетические волокна и нити подразделяют также на гетероцепные и карбоцепные. Карбоцепными называют волокна и нити, которые получают из полимеров, имеющих в основной цепи макромолекул только атомы углерода (полиакрилонитрильные, поливинилхлоридные, поливинилспиртовые, полиолефиновые, углеродные).
|
Из целлюлозы: вискозное полинозное медно-аммиачное ацетатное, диацетатное Белковые: зеиновое, казеиновое коллагеновые Из натурального каучука: резиновые каучуковые |
Гетероцепные: полиамидные (капрон, анид, энант) полиэфирные (лавсан, терилен, дакрон) полиуретановые (спандекс, ликра, вирен) Карбоцепные: полиакрилонитрильные (нитрон, орлон, куртел) поливинилхлоридные (хлорин, совиден) поливинилспиртовые (винол) полиолефиновые (полиэтиленовые, полипропиленовые) из синтетического каучука (резиновые) |
Рис. 3. Классификация органических текстильных волокон
Гетероцепные
волокна образуются из полимеров, в
основной молекулярной цепи которых
кроме атомов углерода содержатся атомы
других элементов – O,N,S(полиамидные, полиэфирные,
полиуретановые).
Искуственные волокна в большинстве своем являются продуктами переработки целлюлозы (вискозные, полинозные, медно-аммиачные – гидратцеллюлозные; ацетатные, диацетаные – ацетилцеллюлозные). В небольщом объеме вырабатываются белковые искуственные волокна (зеиновые, казеиновые, коллагеновые) из фибриллярных белков молока, кожи, растений.
В приведенной классификации (см. рис. 3) волокна и нити относятся к органическим. Они в большинстве случаев используются для производства текстильных материалов бытового назначения. В органических волокнах макромолекулы главной цепи содержат атомы углерода, кислорода, серы, азота. Кроме органических существуют неорганические волокна, макромолекулы главной цепи которых содержат неорганические атомы (магний, алюминий, медь, серебро и др.). К неорганическим натуральным относятся асбестовые волокна, к химическим неорганическим – стекловолокна и металлические, изготовленные из стали, меди, бронзы, алюминия, никеля, золота, серебра различными способами (алюнит, люрекс) .
ВОЛОКНА НЕОРГАНИЧЕСКИЕ, получают на основе химических элементов (бора, металлов), оксидов (SiO 2 , Al 2 О 3 , ZrO 2), карбидов (SiC, В 4 С), нитридов (AlN), смесей указанных соединений (например, различных оксидов или карбидов), а также на основе природных (базальта и пр.) или искусственных (силикатного стекла, смотри Стеклянное волокно) силикатов. Структура большинства волокон неорганических - поликристаллическая, силикатных волокон - аморфная. По свойствам к волокнам неорганическим близки нитевидные кристаллы аналогичных соединений.
Оксидные, силикатные, металлические волокна неорганические получают главным образом продавливанием расплава через фильеры, раздувом расплава горячими газами или растяжением в центробежном поле. Карбидные и оксидные волокна неорганические - экструзией пластифицированных полимерами или плавкими силикатами тонкодисперсных оксидов с последующим спеканием частиц этих соединений или термической обработкой органических (обычно гидратцеллюлозных) волокон, содержащих соли и другие соединения металлов. Карбидные волокна получают также восстановлением оксидных волокон углеродом; борные и карбидные - газофазным осаждением на подложке (вольфрамовой или углеродной нитях, полосках плёнок). Для улучшения эксплуатационных свойств волокна неорганические модифицируют газофазным осаждением поверхностных (барьерных) слоёв из более стойких веществ.
Волокна неорганические высокоплавки (температура эксплуатации многих волокон неорганических до 1500°С), негигроскопичны, устойчивы во многих агрессивных средах; в окислительной среде наиболее стойки оксидные волокна, в меньшей степени - карбидные. Прочность волокон неорганических от 1-1,3 ГПа (SiC, В 4 С) до 4-6 ГПа (В, SiO 2), модуль упругости от 70-90 ГПа (SiO 2 , базальт) до 400-480 ГПа (В, ZrO 2 , SiC). Карбидные волокна обладают полупроводниковыми свойствами.
Волокна неорганические и нити на их основе применяют как армирующие компоненты в композиционных материалах, имеющих органическую (полимерную), керамическую или металлическую матрицу; в качестве высокотемпературных теплоизоляционных материалов. Из кварцевых, оксидных и металлических волокон изготовляют фильтры для агрессивных жидкостей и горячих газов. Электропроводные металлические и карбидкремниевые волокна и нити применяют в электротехнике.
Лит.: Конкин А. А. Углеродные и другие жаростойкие волокнистые материалы. М., 1974; Кац С. М. Высокотемпературные теплоизоляционные материалы. М., 1981; Наполнители для полимерных композиционных материалов. М., 1981; Будницкий Г. А. Армирующие волокна для композиционных материалов // Химические волокна. 1990. №2; Цирлин А. М. Непрерывные неорганические волокна для композиционных материалов. М., 1992.
Прогресс в области технологии производства синтетических волокон с модифицированными свойствами достиг такого уровня, при котором оказалось возможным получение армирующих материалов, способных конкурировать с неорганическими волокнами.
Гипсовые твердые покрытия. Изготовляются из гипса и кизельгура с добавкой органического или неорганического волокна. Объемный вес 850 кз/л, коэффициент теплопроводности 0,16 ккал.и-час-град при температуре 50° С, временное сопротивление сжатию 10-40 кг/см. Применяются для защиты изоляции от механических повреждений и заменяют мокрую штукатурку.
Неорганические волокна - асбест и стекловолокно отличаются от органических волокон прежде всего более высокой рабочей температурой.
Неорганические волокна асбестовое, стеклянное и другие минеральные отличаются от органических прежде всего более высокой рабочей температурой.
Одним из суш ественных достоинств термопластов, наполненных неорганическими волокнами, является повышенная по сравнению с ненаполненными теплостойкость. Это обусловлено значительно большей жесткостью полимера, вследствие которой уменьшается его деформируемость при повышенных температурах и несколько повышается температура стеклования . Если полимер хорошо смачивает наполнитель н его влияние распространяется на значительный объем, то введение наполнителя вызывает ограничение молекулярной подвижности в пограничных слоях, что
F 125 165 Ткани из неорганического волокна -стекло, асбест с пропиткой кремнийорганическими лака .ми и эпоксидными смолами
После известной модификации методы сопротивления материалов применимы и к деталям из анизотропных материалов . Перечень нужно начать с деревянных брусьев, переходя далее ко всякого рода композитам. Последние представляют собой достаточно пластичную матрицу , армированную высокопрочными волокнами . Матрицы и волокна могут быть как органическими, так и неорганическими, включая и металлы.
Наполнители могут быть волокнистые и порошкообразные. Основное назначение волокнистых наполнителей - увеличение механической прочности , уменьшение хрупкости. Волокна неорганические по сравнению с органическими повышают теплостойкость по Мартенсу и нагрево-стойкость. В качестве наполнителя часто применяется древесная мука - тонкоизмельченная древесина, однако сохраняющая свою волокнистость. Она применяется в пластмассах не очень высокого качества, но зато является самым дешевым волокнистым наполнителем . Более высококачественным наполнителем, чем древесная мука , являются древесная целлюлоза и не пригодные для текстильного производства хлопковые очёсы. Благодаря более чистому и более длинному волокну очесы обеспечивают при том же связующем большую механическую прочность прессованным изделиям и лучшие электрические параметры , чем древесная мука и целлюлоза. Детали с высокой механической прочностью получают при использовании в качестве наполнителя рубленой ткани. В этом случае прессматериал получается обычно в виде текстолитовой крошки - мелко нарубленной хлопчатобумажной ткани , пропитанной соответствующими полимерами, обычно фенолформальдегид-ными.
Конструкционные материалы. В качество материала машиностроительных конструкций используются в основном металлы и их сплавы, а также различные неорганические и органические материалы (полимеры, пластмассы, волокна, керамика и др.). В последнее время нашли применение композиционные материалы, состоящие из высокопрочных нитей стекла, бора, углерода и связующего (полимеров и металлов). В строительных конструкциях используются бетон (смесь крупных и мелких каменных частиц, скрепленных цементом), железобетон (бетон, усиленный стальными стерж-нями), кирпич, дерево и другие материалы.
В большинстве случаев пластмассы состоят из двух основных компонентов связующего и наполнителя. Связующее - обычно органический полимер , обладающий способностью деформироваться под воздействием давления. Иногда применяется и неорганическое связующее, например стекло в микалексе, цемент в асбоцементе (6-1, 6-19). Наполнитель, прочно сцепляющийся со связующим веществом, может быть порошкообразным, волокнистым, листовым (древесная мука - мелкие опилки, каменная мука, хлопчатобумажное, асбестовое или стеклянное волокно , слюда, бумага, ткань) наполнитель существенно удешевляет пластмассу и в то же время может улучшать ее механические характеристики (увеличивать прочность, уменьшать хрупкость). Гигроскопичность и электроизоляционные свойства в результате введения наполнителя, как правило, ухудшаются, поэтому в пластмассах, от которых требуются высокие электроизоляционные свойства, наполнитель чаще всего отсутствует.
Теплозвукоизоляция. В качестве теплозвукоизоляционных используются неорганические материалы вата минеральная , вата стеклянная из непрерывного волокна , плиты из минеральной ваты , изделия из стеклянного штапельного волокна , пено-пласты блоки пеностекла. Для защиты от солнечных лучей на окнах применяют щиты, жалюзи, занавеси из металлизированной ткани, алюминиевую фольгу.
Неорганические композиционные материалы на основе волокон из карбида кремния . Согласно , для армирования керамики более эффективны волокна из карбида кремния , чем углеродные волокна . Ниже рассмотрены примеры таких композиционных материалов.
Неорганические и поликристалличе-ские волокна имеют малую плотность, высокую прочность и химическую стойкость . Широко применяют углеродные, борные, стеклянные и другие волокна для армирования пластмасс и металлов.
Помимо связующего в состав композиционных пластмасс входят следующие компоненты I) наполнители различного происхождения для повышения механической прочности , теплостойкости, уменьшения усадки и снижения стоимости композиции органические наполнители -древесная мука , хлопковые очесы, целлюлоза, хлопчатобумажная ткань , бумага, древесный шпон и др. неорганические -графит, асбест, кварц, стекловолокно, стеклоткань, волокна углерода, бора и др. 2) пластификаторы (дибутилфталат, касторовое масло и др.), увеличивающие эла-
Стекловолокна, однако, не единственный вид волокон, используемых в настоящее время. Асбест, естественное неорганическое волокно, также обладает хорошими прочностью, модулем упругости и другими свойствами . Стальная проволока , вытянутая до малого диаметра и соответствующим образом термообработанная, может иметь прочность около 420 кгс/мм и модуль упругости в 3 раза более высокий, чем у стекловолокон. Более экзотические виды волокон интенсивно разрабатываются в настоящее время для авиационно-космической техники, к ним относятся волокна из углерода и графита, бора, бериллия и некоторых карбидов, однако они пока слищком дороги для строительной промышленности. Еще более экзотическими волокнами являются нитевидные кристаллы , прочность которых приближается к теоретической. Некоторые виды волокон и нитевидных кристаллов представлены в табл. 1 .
В соответствии с ТУ 193-54 МСПМХН бозобжиговые теплоизоляционные изделия изготовляются из смеси диатомита или трепела, асбошифэрпых отходов, органического или неорганического волокна и минеральных вяжущих в виде плит, скорлуп и сегментов и имеют следующую характеристику
Изделия из кремнеземных стекловолокнистых материалов. Для высокотемпературоустойчивой тепловой изоляции применяются неорганические волокна с температурой плавления 1750-1800° С кварцевое, кремнеземное и каолиновое.
Общим для них является использование волокнистых материалов, обеспечивающих высокую прочность при растяжении, и связующих материалов типа органической смолы, при помощи которых соединяются все волокна, что и помогает равномерно распределить нагрузку по ним. В качестве основного материала могут быть использованы стекло различных видов , органические и неорганические волокна или металлы. Связующими материалами могут служить полиэфир, кремнефеноловый эпоксид или мела-12-
Кроме того, в состав компаундов могут входить активные ра. бавители, понижающие вязкость компаунда, пластификаторы, отвердители. инициаторы и ингибиторы, назначения которых те же, что и в Лаках. В состав компаунда могут также входить наполнители - неорганические и органические порошкообразные или волокнистые материалы, применяемые для уменьшения усадки, улучшения теплопроводности, уменьшения температурного коэффициента расширения и снижения стоимости. В качестве наполнителей применяют пылевидный кварц , тальк, слюдяную пыль, асбестовое и стеклянное волокно и ряд других.
