Технология. 8 класс. Авторский коллектив: Е. С. Глозман, Е. Н. Кулакова, Ю. Л. Хотунцев, О. А. Кожина, И. В. Воронин, В. В. Воронина, А. Е. Глозман
Глава 3. Технологии получения и преобразования текстильных материалов
§ 8. Высокотехнологичные волокна
Наука переживает настоящий бум новых материалов. Современные технологии делают возможным то, что недавно было лишь результатом бурного воображения фантастов. Специалисты в области материаловедения и технологии получения материалов решают проблемы, связанные с исследованием, разработкой и применением высокоэффективных материалов в различных отраслях промышленности. Особенно востребованы новые материалы в лёгкой и автомобильной промышленности, энергетике и добывающей отрасли.
Расскажите о том, как классифицируют текстильные волокна.
Где и как их применяют?
В развитии текстильной промышленности ведущая роль принадлежит химии полимеров. В 30—40-е гг. XX в. были сделаны первые технологические открытия: новые виды химических волокон (вискозное, полиамидное) с уникальными новыми возможностями и свойствами. В настоящее время произошёл новый виток развития этой отрасли.
Сферы применения текстиля. В XXI в. инженерная мысль стала решать почти все главные человеческие и технические проблемы посредством текстиля:
• специальная одежда (с эффектом сухого белья, защитная от воздействий критических температур, огня, влаги, ветра, механических воздействий (прокол, износ), от микроорганизмов, москитов, с компрессионным эффектом и т. п.);
• защитная одежда от техногенных воздействий: физических, электрических, магнитных и биологических (скопления микроорганизмов);
• технические ткани (брезенты, парусные, парашютные, транспортёрные);
• маскирующие и защитные (военный камуфляж, одежда, покрытия, военные объекты, в том числе ложные цели, техника, чехлы);
• сельскохозяйственные проблемы (защита урожая от птиц, града, затаривание продукции);
• обивочные материалы (салоны автомобилей, космическая техника), дублированные, подкладки для искусственной кожи; звуко- и теплоизоляция, герметизация салона;
• «геотекстиль» — текстильные полотна для защиты от эрозии почв; дренаж, фильтрация вод, формирование искусственного ландшафта (набережные, дамбы); дорожное строительство;
• высокопрочные композиты (наполнители пластмасс, на основе би- аксиальных и других структур);
• защитные материалы от солнечной радиации, снежных заносов, камнепада при строительстве объектов;
• антенны (в средствах коммуникационной и спутниковой связи);
• авиация и космос: радиоотражающие, радиопрозрачные и эрозионностойкие объекты летательных аппаратов;
• фильтры (воздушные, масляные, для очистки воды, отходов производства, нефти, функциональные избирательные, биологические, для защиты человека и помещений от химического, биологического и радиологического воздействий);
• область профилактической и функциональной медицины, посттравматические изделия;
• морское хозяйство: рыболовство и фермерское разведение рыбы, устриц (различного вида сети) и другие направления.
На рисунке 3.1 схематично показаны сферы применения текстиля.
Новые технологии получения химических волокон с особыми свойствами. Для расширения ассортимента в различных областях техники и в области применения химических волокнистых материалов (волокон и нитей) были созданы химические волокна нового поколения: высокопрочные, высокомодульные (малорастяжимые), высокоэластичные, термостойкие, негорючие, светостойкие и другие виды волокон со специальными свойствами. Особое место среди таких волокон занимают так называемые хай-тек-волокна (высокотехнологичные), которые отличаются уникальными свойствами.
Выделяют четыре новые технологии получения в производстве высокопрочных и высокомодульных волокон, или «суперволокон».
Первая технология заключается в прядении высокомолекулярного полиэтилена из геля с последующей значительной вытяжкой волокна (до 30 раз). На основе этой технологии были получены высокопрочные волокна для производства технических изделий широкого назначения: шлемов, канатов и тросов, чемоданов и др. Материалы из этого волокна обладают высокой разрывной нагрузкой, высокой стойкостью к действию света и хорошими гидрофобными (водоотталкивающими) свойствами, вследствие чего их применяют при производстве пуленепробиваемой и защитной одежды, одежды моряков, парашютов, фильтров, строительных материалов и др. (рис. 3.2). В Японии разработано полиэтиленовое волокно высшего качества Tekmilon, которое используется для изготовления теннисных ракеток, лыж, тетивы спортивных луков и др.
а — парашютов; б — спецодежды; в — тетивы спортивных луков
Вторая технология получения высокопрочных и высокомодульных волокон — это процесс прядения из жидких кристаллов, который основан на прядении жидкокристаллического раствора твёрдых полимеров в полусухом и полувлажном состоянии с высокой степенью ориентации макромолекул при кристаллизации твёрдых полимеров. При этом в качестве растворителя используется концентрированная серная кислота.
Волокно Nomex применяется при изготовлении огнезащитной одежды, спецодежды рабочих металлургических и нефтеперерабатывающих заводов из-за хорошей сопротивляемости действию открытого пламени, дыму и высокой радиации.
Ещё одно волокно Kevlar получают прядением из жидких кристаллов, оно отличается высокой прочностью и термостойкостью. Области применения волокна Kevlar — космическая, автомобильная промышленность, авиастроение, строительство, электроника и другие отрасли индустрии. Его используют при производстве специальной одежды и материалов (пуленепробиваемых жилетов, жилетов безопасности, защитных перчаток, шлемов безопасности для спортивных состязаний), деталей мотоциклов и износостойких материалов, применяемых для спорта и досуга, тросов специального назначения, опто-волоконных кабелей, кабелей для лопастей турбин, облегчённых конструкций, испытывающих напряжение, для изготовления сосудов, находящихся под давлением, и т. п. (рис. 3.3).
Третья технология получения суперволокон предполагает преобразование твёрдой параарамидной молекулярной структуры в полусухую и полувлажную системы путём растворения в органическом растворителе. Хотя вещество на стадии прядения находится в аморфном состоянии, новая технология позволяет добиться высокой степени ориентации макромолекул благодаря вытягиванию их при высокой температуре. При этом вместо высококонцентрированной серной кислоты используется органический растворитель. Получаемое волокно имеет более высокую прочность, чем арамидные волокна, полученные прядением из жидких кристаллов.
Четвёртая технология позволяет получать волокна с супсрвысокой прочностью путём прядения полутвёрдых полимеров при высокой температуре. Эта технология пригодна для ароматических полиэстеров, в ней не используется растворитель. Примером волокон, получаемых по данной технологии, является волокно Vectran.
Современные высокие технологии позволяют получать волокна с рядом уникальных свойств, что обеспечивает их широкое применение в различных областях. Углеродное волокно Vectran применяется в восстановительной хирургии, в фильтрах для очистки лекарств и донорской крови, для защиты органов дыхания, в космической промышленности, так как его способность при прохождении электрического тока выделять тепло используется при создании костюмов с электроподогревом. Волокно сочетает в себе огнестойкость и морозостойкость при температурах, близких к температуре жидкого азота, и при этом сохраняет прочность и эластичность при длительном радиационном и ультрафиолетовом облучении. Разработанные сверхпроводящие синтетические волокна успешно заменяют хрупкие стеклянные световоды в волокнистой оптике, с которой связано будущее кибернетических машин.
Свойства волокон нового поколения. Новые химические волокна обладают особенными свойствами, которые отсутствуют не только у натуральных, но и у традиционных химических волокон: одновременная способность к поглощению влаги и водоупорность, электропроводимость, антибактериальные и аромопрофилактические свойства; устойчивость к действию ультрафиолетовых излучений, антимикробные свойства, ионообменность, очень малый вес, фотохромность и тер- мохромность (способность изменять цвет под действием света или температуры), радужная (переливающаяся) поверхность и др.
Волокна нового поколения широко используются в медицине в качестве ниток, которые не требуют удаления после заживания швов; для создания искусственных органов: лёгких, почек, сосудов и т. п., а также при диагностике различных вирусных заболеваний.
Некоторые высокомолекулярные соединения можно «наполнить» лекарственными веществами. Материалы, выработанные из таких волокон (биолан, иодин, летулан), способны защищать живой организм от болезнетворных микробов. Одежда хирургов изготавливается из специальных антимикробных полотен, выработанных из волокон с ионообменными свойствами. В перспективе планируется создание лечебных видов текстильных материалов, содержащих лекарственные вещества, которые смогут оказывать целительное действие на определённые участки кожи человека или на весь организм в целом.
Основными направлениями совершенствования технологий производства волокон бытового назначения являются улучшение потребительских свойств волокон из традиционных волокнообразующих полимеров за счёт применения инновационных технологических методов, а также повышение экологичности и экономичности технологических процессов получения ранее разработанных искусственных и синтетических волокон.
1. Интенсивно развиваются исследования в области производства синтетических волокон, наполненных наночастицами оксидов металлов: TiO2, Al2O3, ZnO, MgO. В результате волокна приобретают новые свойства: фотокаталитическую активность (самоочистка материала); УФ-защиту; антимикробные свойства; электропроводность; грязеотталкивающие свойства; фотоокислительную способность в различных химических и биологических условиях.
2. Ещё одним интересным направлением в производстве нановолокон является придание им ячеистой (пористой) структуры с наноразмерными порами. При этом достигается резкое снижение удельной массы (получение лёгких материалов), хорошая теплоизоляция, устойчивость к растрескиванию. Образующиеся нанопоры волокон могут быть заполнены различными жидкими, твёрдыми и даже газообразными веществами с различным функциональным назначением (медицина, ароматизация текстильных полотен, биологическая защита).
3. Другой тип нановолокон — улътратонкие волокна, диаметр которых не превышает 100 нм. Такая толщина волокна обеспечивает высокое значение удельной поверхности и, как следствие, высокое удельное содержание функциональных групп. Последнее обеспечивает хорошую сорбционную способность (способность поглощения одного вещества другим вне зависимости от механизма поглощения) и каталитическую активность материалов из подобных волокон. Синтетические белковые волокна, имитирующие структуру паутины, применяются в медицине как хирургические нити, а в военном деле из них изготавливают невесомые, но очень прочные бронежилеты.
Основные понятия и термины:
высокотехнологичные волокна, ультратонкие волокна, нановолокно, геотекстиль, функциональная одежда
Вопросы и задания:
1. Какие волокна называют высокотехнологичными? Какими свойствами они обладают?
2. Расскажите об использовании высокотехнологичных волокон в сельском хозяйстве.
3. Какие свойства высокотехнологичных волокон применяются в производстве одежды и домашнего текстиля?
4. Расскажите об использовании высокотехнологичных волокон в медицине. Какими уникальными свойствами они обладают?
5. Какие технологии используются в производстве высокопрочных и высокомолекулярных волокон?
Задание 1
Подготовьте сообщение об использовании биотехнологий в производстве текстильных волокон. Свой рассказ можете сопроводить компьютерной презентацией.
Задание 2
Подготовьте сообщение о промышленном применении ананасовых и банановых листовых волокон. Свой рассказ можете сопроводить компьютерной презентацией.
