Химические волокна

Химические волокна делятся на искусственные и синтетические. Различие принципиальное: искусственные делают из полимеров, которые создала природа (целлюлоза, казеин), а синтетические — из полимеров, которые синтезировал человек. Отсюда разные свойства и разная задача. Ниже — как отрасль пришла к этому, что относится к каждой группе, как учёные задают свойства и где это применяется. Курс — в материале про строительные и отделочные материалы. Гипс

Раздел: Строительные и отделочные материалы

Как пришли к химическим волокнам

Человек тысячелетиями одевался в шкуры, потом перешёл на шёлк, шерсть и растительные волокна. С развитием техники к одежде предъявили требования, которые природные материалы не выполняют одновременно: высокая прочность при малом весе, стойкость к жаре, холоду, дождю и снегу, негорючесть, несминаемость.

Здесь помогла химия. Сначала учёные разобрались в строении природных волокон, потом научились получать волокна «по образу природного», а позже — создавать волокна с новыми свойствами, которых у натуральных нет вовсе. Сейчас все волокна делят на две группы: натуральные (хлопок, шерсть, шёлк, стеблевые волокна, асбест и другие) и химические. Химические, в свою очередь, делятся на искусственные и синтетические.

Искусственные волокна

Их получают из полимеров, которые создала природа — главным образом из целлюлозы, казеина и подобных материалов. Промышленный выпуск в малых объёмах начался ещё в начале XX века, но волокна эти сделала не химия, а переработка природного сырья: целлюлозу растворяют и снова формируют в течение.

Оказалось, что и этого недостаточно: отраслям нужны были свойства, которых у целлюлозы нет — негорючесть, полная несминаемость, стойкость к агрессивным средам. Поэтому основной объём высокопрочных волокон сместился в синтетику.

Синтетические волокна

Ключевое отличие: полимер создаёт человек, и свойства закладывают на этапе синтеза. Исследователь заранее определяет, какими свойствами должно обладать будущее волокно, и под эту задачу формулирует макромолекулу. Основа такого подхода — контроль над строением полимера, см. макромолекулы.

Так получают волокна с высокой механической прочностью, устойчивые к химическим реагентам (кислотам, щелочам, растворителям), бактерицидные, ионо- и электронообменные, негорючие, несминаемые. К высокопрочным синтетическим волокнам относятся полиамидные, полиэфирные, полиакрилнитрильные, поливинилспиртовые, полипропиленовые и другие.

Химические волокна быстро вытеснили натуральные и искусственные там, где нужны эластичность, износостойкость и устойчивость к многократным деформациям. В технических применениях они конкурентов не имеют: натуральная нить не выдержит и сотой доли нагрузки.

Где применяют

Высокопрочные химические волокна используют в авиационной, автомобильной, радиотехнической, судостроительной, машиностроительной, химической, строительной, электротехнической, текстильной и лёгкой промышленности, в медицине, сельском хозяйстве, связи — плюс товары народного потребления.

Конкретные изделия, которые делают из искусственных и синтетических волокон: авиационные, автомобильные и мотоциклетные покрышки, текстильные ремни, фильтровальные и технические ткани, мебельная обивка, обувь, одежда. Всё это — материал, свойства которого заданы целью, а не природой.

От волокна к промышленности

Химическая отрасль выпускает не только волокна, но и плёнки, пластмассы, синтетические каучуки, лаки, клеи. Из них в больших масштабах делают детали машин, резинотехнические изделия, небьющиеся стёкла, искусственные мех и кожу, фото- и киноплёнку, мебель.

Главный вывод: открытие химии и рост химической промышленности дали материалы, превосходящие природные по целому ряду свойств. Поэтому задача в каждой отрасли — не замена «одного материала другим», а подбор волокна под цель.

Технологическая схема производства

Полный цикл: макромолекула полимера — подготовка волокнообразующего полимера — разделение раствора или расплава на струйки — формирование первичной структуры — теплостабилизация. Блоки технологии производства первичной структуры и вторичной структуры — то, во что превращается нить после формования. Исходное сырьё рассмотрено в материале про сырьё для производства химических волокон.

Что важно понимать про свойства

Свойства волокна нельзя оценить по одному показателю. Прочность без термостойкости бесполезна в автомобильной покрышке, а стойкость к кислотам не помогает одежде, где нужна мягкость. Поэтому при подборе нити сверяют сразу набор параметров с условиями эксплуатации, а не только численную прочность из сертификата или паспорта изделия.

Второй момент — влажность. Волокно, набравшее влагу, меняет линейные размеры и прочность, поэтому в изделиях, где критична геометрия, используют низкоусадочные марки либо стабилизируют структуру термообработкой.

Как разобраться в свойствах

Свойства синтетических волокон определяются тремя вещами: химией полимера, структурой волокна и технологией формования. Один и тот же полимер можно ориентировать на прочность или на мягкость, и разница будет в структуре. Поэтому при сравнении нитей смотрят не только на название, но и на условия эксплуатации.

Отдельно про сырьё и производство: подготовка волокнообразующего полимера к формованию, разделение раствора или расплава на струйки и формирование первичной структуры. Сравнение волокон по свойствам — в материале про сырьё для производства химических волокон.

Дальнейшая обработка включает тепловую стабилизацию, которая закрепляет структуру и размер. Без неё волокно садится или растягивается при эксплуатации. Подробнее — в материале про термостабилизацию химических волокон.

Волокна в строительстве и отделке

В квартире химические волокна встречаются чаще, чем кажется. Малярный стеклохолст — нетканое полотно из стеклянных нитей, которое клеят под шпаклёвку: оно распределяет напряжение и не даёт волосяной трещине выйти на краску. Стеклообои — то же волокно, но тканое: полотно не горит, держит геометрию и перекрашивается несколько раз.

Полипропиленовую фибру добавляют в стяжку и в цементные растворы: короткие волокна работают как распределённая арматура и снижают пластичную усадку, из-за которой свежий бетон покрывается сеткой трещин. Важно понимать границу — фибра не заменяет арматурную сетку там, где плита работает на изгиб, она борется только с поверхностными трещинами.

Геотекстиль разделяет слои в дренаже и дорожном пироге и одновременно фильтрует воду, не давая грунту заиливать щебень. Из высокопрочных нитей делают канаты, стропы, тенты, защитные сетки и ремни. Во всех этих изделиях волокно выбирают по одному признаку: прочность на разрыв при малом весе и стойкость к конкретной среде.

Старение: ультрафиолет, температура и химия

Синтетика стареет не «от времени», а от конкретного фактора. Полипропилен без стабилизаторов разрушается на солнце за один сезон: нить теряет прочность, а ткань рассыпается под пальцами. Поэтому уличные тенты, навесы и геотекстиль делают либо из стабилизированного полипропилена, либо из полиэфира — он к ультрафиолету заметно устойчивее.

Полиамид боится кислот и длительного нагрева: в кислой среде идёт гидролиз, и нить рвётся при нагрузке, которую держала раньше. Полиэфир, наоборот, спокойно работает с водой и кислотами, но портится от концентрированных щелочей. Температурный потолок у большинства бытовых синтетик — 100–150 °C, выше идут специальные термостойкие волокна.

Главная ловушка в том, что старение не видно снаружи. Нить выглядит целой, цвет не изменился, а прочность упала вдвое. Поэтому в технических изделиях ресурс считают по паспорту и по сроку эксплуатации, а не «пока не порвётся»: обрыв стропа или тента происходит без предварительных признаков.

Как отличить волокно без лаборатории

Практический способ — проба на горение, её делают на обрезке нити, вытянутой из шва, пинцетом и над негорючей подставкой. Целлюлозное волокно (вискоза) горит ровно, как бумага, с тем же запахом и оставляет рассыпчатый пепел. Шерсть горит неохотно, пахнет палёным рогом и сама затухает. Полиамид плавится, капает и даёт твёрдый светлый шарик на конце. Полиэфир тоже плавится, но шарик чёрный и плотный. Полиакрилонитрил горит ярко, коптит и спекается в жёсткий комок.

Проба даёт группу материала, а не марку, и ошибается на смесях: нить «шерсть с полиэфиром» покажет оба признака сразу. Для бытового выбора этого достаточно — отличить дешёвую синтетику от натурального волокна в обивке или в одежде проба позволяет уверенно. Точный состав читается только по маркировке на ярлыке.