Postępy w cywilizacyjnej promocji trzech wysokowydajnych włókien tekstylnych

Postępy w cywilizacyjnej promocji trzech wysokowydajnych włókien tekstylnych

Włókna wysokowydajne mają dużą odporność na efekty fizyczne, takie jak światło, elektryczność, ciepło i siłę ze świata zewnętrznego, a także działanie chemiczne, takie jak utleniacze, kwasy i zasady, dzięki czemu włókna mają wysoką wytrzymałość, wysoki moduł, odporność na wysoką temperaturę i właściwości ognioodporne. Włókna wysokowydajne można podzielić na włókna organiczne i włókna nieorganiczne. Do włókien organicznych należą: włókna aramidowe, włókna polietylenowe o ultrawysokiej masie cząsteczkowej, włókna z siarczku polifenylenu itp.; włókna nieorganiczne to głównie: włókna węglowe, włókna ceramiczne itp., z których trzy główne to włókna węglowe, włókna aramidowe i włókna polietylenowe o ultrawysokiej masie cząsteczkowej Włókno nadal znajduje się w okresie szybkiego rozwoju i stopniowo weszło w okres intensywnego innowacje technologiczne i konkurencja; popyt na globalnym rynku przyspiesza, a producenci nadal badają obszary zastosowań. Opracuj nowe produkty rynkowe, aby uzyskać przewagę konkurencyjną.

Obecnie wysokowydajne włókna znajdują się w fazie intensywnego rozwoju, a różne produkty (materiały kompozytowe, liny itp.) są również wykorzystywane w przemyśle wojskowym, lotniczym, nawigacyjnym, budowlanym, tekstylnym i odzieżowym. Niniejsze badanie przedstawia i analizuje różne techniki optymalizacji dla trzech głównych wysokowydajnych włókien i tekstyliów pod kątem redukcji kosztów, poprawy funkcjonalności i zwiększenia wartości dodanej, aby przyspieszyć rozwój wysokowydajnych tekstyliów w produkty wysokiej jakości, którymi można się podzielić. społeczeństwa i ludności cywilnej.

1. Włókno węglowe

Włókno węglowe to włóknisty materiał na bazie węgla złożony z warstwowych krystalitów grafitu ułożonych w kierunku osiowym. Posiada doskonałe właściwości mechaniczne i lekkie właściwości. Po dziesięcioleciach rozwoju komercyjne zastosowanie włókna węglowego rozprzestrzeniło się na wiele dziedzin zaawansowanych technologii.

1.1 Technologia produkcji

Obecnie około 90 procent włókien węglowych dostępnych w handlu jest produkowanych z poliakrylonitrylu (PAN). Tradycyjne przemysłowe włókna węglowe na bazie PAN są drogie i ograniczone w produkcji, co utrudnia popularyzację na dużą skalę. Aby obniżyć koszty, niedrogie włókna PAN i odnawialna lignina są wykorzystywane jako materiały prekursorowe do produkcji włókna węglowego.

Jiang i in. Stosowanie metody przędzenia na mokro w celu przygotowania włókien prekursorowych z ligniny ze słomy pszennej i włókien tekstylnych akrylowych jako surowców może obniżyć koszty produkcji włókien węglowych; ze względu na wysoką temperaturę reakcji termicznej ligniny, może również sprawić, że włókna mieszane ligniny/PAN poprawią stabilność termiczną. Huang i jego zespół wykorzystali wolny od metali chlorowodorek guanidyny do modyfikacji tekstylnych włókien akrylowych, umożliwiając proces wstępnego utleniania w niższych temperaturach, co obniża koszty produkcji. Jednocześnie struktura polimerowa powstała w wyniku reakcji cyklizacji grupy nitrylowej w niskiej temperaturze jest bardziej stabilna, dzięki czemu włókno węglowe ma lepsze właściwości mechaniczne. Napromieniowanie UV włókien PAN zawierających fotoinicjatory przed wstępnym utlenianiem może zwiększyć szybkość reakcji cyklizacji i skrócić czas utleniania. Badanie Jo i in. Stwierdzono, że napromieniowanie włókien PAN klasy tekstylnej bez fotoinicjatora światłem UV może również skutecznie wspomagać proces wstępnego utleniania, który trwa tylko 30 minut. Elektroprzędzenie przy użyciu prostego procesu jest najlepszym sposobem przygotowania nanowłókien węglowych (CNF), których proces w dużej mierze zależy od prekursorów, takich jak PAN, pak i lignina. Chen i in. Bagasse została jednorodnie zestryfikowana przy użyciu bezwodnika kwasowego, a następnie zmieszana z PAN do elektroprzędzenia w celu przygotowania CNF. Estryfikowana bagassa pomaga zatrzymać atomy azotu z CNF, poprawiając w ten sposób stabilność termiczną, przewodność elektryczną i aktywność powierzchniową włókien.

Można zauważyć, że niezależnie od tego, czy jest to tradycyjne przędzenie na mokro, czy nowe elektroprzędzenie, kluczem do obniżenia kosztów produkcji włókna węglowego są surowce i procesy. Badania koncentrują się na doborze, modyfikacji i optymalizacji procesów węglowych materiałów prekursorowych. Dodawanie i odejmowanie. Oczywiście, aby osiągnąć tanią produkcję masową, konieczne jest również zwiększenie wydajności.

1.2 Technologia cieniowania

Wysoka krystaliczność i obojętność chemiczna włókna węglowego utrudnia barwienie tradycyjnymi barwnikami lub pigmentami. Kryształy fotoniczne to materiały dielektryczne, które są okresowo porządkowane w przestrzeni przy użyciu materiałów o różnych współczynnikach załamania. Ma fotoniczną przerwę wzbronioną i może selektywnie odbijać fotony o określonej długości fali, a odbite światło ulega dyfrakcji na powierzchni kryształu, co daje kolor. Włókna węglowe barwione można wytwarzać montując rozproszone naładowane koloidalne nanocząstki na powierzchni włókien węglowych metodą osadzania elektroforetycznego, jednak wytrzymałość mechaniczna jest niewystarczająca w zastosowaniach praktycznych. Niu i in. Warstwy ZnO i Al2O3 o dużym kontraście współczynnika załamania zostały użyte jako składniki okresowe i osadzone na powierzchni włókien węgla aktywnego plazmą techniką osadzania warstw atomowych. Przygotowane wielokolorowe włókna węglowe mają doskonałą stabilność mechaniczną i zmywalność. płeć. W warunkach rozproszonego światła tkaniny o splocie płóciennym z włókien mogą wykazywać właściwości odblaskowe i kolor niezależne od kąta.

1.3 Technologia funkcjonalna

1.3.1 Elastyczne elektrody światłowodowe

Wraz z szybkim rozwojem technologii do noszenia, prace badawcze nad elektronicznymi inteligentnymi tekstyliami znacznie się poprawiły w ostatnich latach. Badania i rozwój odpowiednich komponentów elektronicznych stopniowo zajęły miejsce. Na przykład tkaniny oparte na włóknach węglowych są obecnie popularnymi elastycznymi materiałami elektrodowymi; jednak elastyczność i doskonała wydajność takich elektrod była ważnym problemem w rozwoju inteligentnych tekstyliów. Li i in. Tkanina bawełniana pokryta KOH została zwęglona w dynamicznym procesie kalcynacji szablonowej, co sprzyjało tworzeniu się warstwowej, uporządkowanej struktury porowatej na ściance włókna. Wytwarzane tkaniny z włókna węglowego mają doskonałą wytrzymałość mechaniczną i mogą być stosowane jako elektrody superkondensatorowe. Istnieją inne podejścia do opracowania superpojemnościowych elektrod z tkaniny z włókna węglowego, takie jak selektywne trawienie chemiczne i elektrochemiczne złuszczanie nanocząstek niklu w celu tworzenia wieloskalowych porów i grup reaktywnych w tkaninach oraz modyfikacja tkanin z włókna węglowego za pomocą heteroatomów. Ponadto CNF mają dobrą przewodność elektryczną i dużą powierzchnię właściwą, co ma ogromny potencjał w zastosowaniach urządzeń elektronicznych. Levitt i in. Dwuwymiarowy węglik metalu przejściowego Ti3C2Tx został zmieszany z roztworem PAN, a następnie poddany elektroprzędzeniu w celu przygotowania mat z nanowłókien węglowych. Pojemność tak wytworzonych elektrod kompozytowych jest wyższa niż pojemność czystych włókien węglowych. Dodatek Ti3C2Tx poprawia parametry elektrochemiczne elektrody kompozytowej. Przewodność i trwałość są również silniejsze.

1.3.2 Elastyczne czujniki

Wraz z poprawą świadomości zdrowia publicznego i poprawą wymagań sprzętowych w specjalnych dziedzinach, inteligentne tekstylia są stopniowo włączane do systemu monitoringu opieki medycznej i monitoringu. Jednym z kluczowych elementów jest czujnik. Azizhani i in. Jako matrycę wybiera się gumę silikonową utwardzaną w temperaturze pokojowej, a posiekane włókno węglowe służy jako materiał przewodzący do przygotowania oporowego czujnika odkształcenia, który ma wysoką czułość w zakresie amplitudy odkształcenia do 25 procent; jego czas powrotu do zdrowia wynosi mniej niż 15 sekund. Gdy ten typ czujnika jest używany do monitorowania ludzi, może zapewnić stabilność sygnału i wysoką wydajność wykrywania. Podobnie wysoka czułość i rozciągliwość kompozytowego czujnika piezorezystancyjnego z ciętego włókna węglowego/polidimetylosiloksanu [18] sprawiają, że jest on odpowiedni do wykrywania naprężeń w różnych zastosowaniach, takich jak ruch człowieka, marszczenie się tkaniny itp. Jednak ten typ czujnika wymaga dalszej poprawy. Jego piezorezystywne właściwości są wrażliwe na strukturę obciążenia. Zastosowane nadmierne obciążenie spowoduje problemy, takie jak zmniejszona czułość i opóźnione przełączanie piezorezystancyjne.

2. Włókno aramidowe

Pełna nazwa włókna aramidowego to aromatyczne włókno poliamidowe, które ma zalety wysokiej wytrzymałości, wysokiego modułu, niskiej gęstości, odporności na zużycie, odporności na uderzenia i doskonałej izolacji. Ze względu na różne pozycje połączenia wiązania amidowego i pierścienia benzenowego występują różnice w budowie cząsteczkowej aramidu, który często można podzielić na para-aramid, meta-aramid i aramid III.

2.1 Technologia produkcji

W ostatnich latach włókna aramidowe w kraju i za granicą stopniowo osiągały wysoką wartość dodaną produkcji przemysłowej, która z roku na rok rosła. Włókno aramidowe 1414 (poli-p-fenylenotereftamid, PPTA), jeden z głównych produktów, jest kluczowym elementem kontroli jakości gotowego produktu podczas procesu przędzenia. Chen Zhourong przeprowadził badania procesu produkcyjnego w tym zakresie: dodanie wody i środka antystatycznego do wstępnej obróbki włókien PPTA w celu zmniejszenia elektryczności statycznej; podczas zgrzeblenia używaj urządzeń cylindrycznych i dozowników o małej głębokości zębów i dużej prędkości ruchu, aby rozwiązać problem polegający na tym, że wirowanie jest podatne na proszek i sęki. Jednocześnie dostosuj skok urządzenia, aby przyspieszyć transfer włókien. Opracowanie i produkcja włókien aramidowych o wyższych właściwościach mechanicznych jest godnym tematem badawczym poszerzającym obszar zastosowań włókien aramidowych. Teng i in. Zmieszać komercyjny PPTA z h-PPTA (PPTA o dużej masie cząsteczkowej) w stężonym kwasie siarkowym. Podczas procesu przędzenia na sucho i na mokro, h-PPTA może wzmacniać oddziaływanie między makrocząsteczkami i indukować orientację krótkich łańcuchów PPTA wzdłuż osi włókna. Poprawia się wytrzymałość na rozciąganie i moduł początkowy wytworzonych włókien aramidowych. Ponadto Ren Zhongkai i in. Badania i przygotowanie wysokowytrzymałego aramidu 1313. Wytrzymałość na rozerwanie konwencjonalnego aramidu 1313 jest niższa niż aramidu 1414. Zwiększając lepkość roztworu przędzalniczego i zmniejszając zawartość części stałych, można zwiększyć masę cząsteczkową polimeru i dodatek modyfikatorów może zwiększyć orientację i jednolitość strukturalną włókien. Metoda stopniowego podgrzewania i stopniowego prania zapewnia zwartość struktury włókien. Te różne ulepszenia techniczne sprawiają, że włókna są mocniejsze i trwalsze.

2.2 Technologia cieniowania

Aramid ma zwartą strukturę i wysoką temperaturę zeszklenia, co utrudnia barwienie konwencjonalnymi procesami. Dlatego też, gdy zwiększa się ruchliwość łańcucha makrocząsteczkowego włókna i zwiększa się powierzchnia amorficzna, barwnik może łatwo wnikać we włókno i łączyć się z nim. Azam i in. Proponuje się, aby w ostatnich latach głębokość barwienia włókien aramidowych była stosunkowo niska, dlatego jako środek pęczniejący w celu optymalizacji procesu barwienia barwników kationowych do włókien meta-aramidowych stosuje się alkohol benzylowy. Tkanina aramidowa charakteryzuje się dużą głębokością barwienia i niską utratą wytrzymałości. Dodatkowo Kale i in. Powierzchnia barwionego włókna aramidowego jest pokryta nanocząstkami dwutlenku tytanu w celu rozwiązania problemu słabej odporności na światło barwionego włókna aramidowego. Do druku tekstyliów aramidowych dobrą próbą jest druk nośny barwnikami dyspersyjnymi,

2.3 Technologia funkcjonalna

2.3.1 Optymalizacja struktury tkaniny

Badania nad wysokowydajnymi tkaninami ochronnymi z aramidu rozwijały się również w miarę wzrostu zapotrzebowania na środki ochrony osobistej i przemysłowej. Opierając się na tarciu między przędzami w tkaninach aramidowych, mającym większy wpływ na odporność na uderzenia, Moure i in. Porównano właściwości mechaniczne i współczynniki tarcia przędzy tkanin para-aramidowych o różnej strukturze w różnych warstwach od przędzy do struktury. Badanie wykazało, że chociaż właściwości mechaniczne przędz są zasadniczo takie same, właściwości mechaniczne tkanin są różne; gdy włókna aramidowe są przeplatane na tkaninie wzmacniającej pod kątem pionowym, mogą pochłaniać dużo energii, która jest większa niż w przypadku zwykłych miękkich tkanin. A gdy tkanina ma wyższą gęstość energii pochłoniętej i współczynnik tarcia,

2.3.2 Poprawa wydajności tkaniny

Aby poprawić praktyczną wydajność odzieży ochronnej, Nayak i in. nakładał powłoki z węglika boru na tkaniny aramidowe. Chociaż ogólna odporność tkaniny na przebicie jest poprawiona, powoduje to również koncentrację naprężeń, co wpływa na lokalną ochronę tkaniny; jednocześnie ograniczony jest przepływ oparów potu z powłoki, co skutkuje obniżonym komfortem. Ze względu na problem słabego pocenia się wilgoci i wydajności pocenia się tkanin aramidowych, modyfikacja kwaśnego nadmanganianu potasu lub plazmy w połączeniu z metodami wykańczania pocenia się wilgoci i potu może być stosowana do generowania grup polarnych na włóknach tkaniny w celu poprawy zwilżalności włókien, a wykończenie lepiej wnika i wiąże się z włóknami. Ogólnie rzecz biorąc, na rynku bardziej popularne są produkty wielofunkcyjne. Shen i in. Mieszany roztwór wodnego poliuretanu, kopolimeru polifluorek winylidenu z heksafluoropropylenem i fluoroalkilosilanu został nałożony na tkaninę aramidową metodą zanurzeniową, a otrzymana tkanina miała zarówno trwałą superhydrofobowość, jak i funkcję ochrony chemicznej. . Liu i in. Tkaniny aramidowe impregnowano płynem zagęszczającym ścinaniem (STF) i powlekano nanorurek węglowych (CNT) w procesie kompozytowym, dzięki czemu uzyskano tkaniny kompozytowe o doskonałej ochronie i funkcjach wykrywania. Wśród nich CNT zwiększa przewodność elektryczną i charakterystykę odpowiedzi tkaniny, co można skutecznie wykryć; dodatek STF pozwala tkaninie kompozytowej wytrzymać większe siły uderzenia i zapewnić silniejszą ochronę. Kopolimer polifluorku winylidenu-heksafluoropropylenu i fluoroalkilosilan powlekano zanurzeniowo na tkaninie aramidowej, a uzyskana tkanina miała zarówno trwałą superhydrofobowość, jak i ochronę chemiczną. . Liu i in. Tkaniny aramidowe impregnowano płynem zagęszczającym ścinaniem (STF) i powlekano nanorurek węglowych (CNT) w procesie kompozytowym, dzięki czemu uzyskano tkaniny kompozytowe o doskonałej ochronie i funkcjach wykrywania. Wśród nich CNT zwiększa przewodność elektryczną i charakterystykę odpowiedzi tkaniny, co można skutecznie wykryć; dodatek STF pozwala tkaninie kompozytowej wytrzymać większe siły uderzenia i zapewnić silniejszą ochronę. Kopolimer polifluorku winylidenu-heksafluoropropylenu i fluoroalkilosilan powlekano zanurzeniowo na tkaninie aramidowej, a uzyskana tkanina miała zarówno trwałą superhydrofobowość, jak i ochronę chemiczną. . Liu i in. Tkaniny aramidowe impregnowano płynem zagęszczającym ścinaniem (STF) i powlekano nanorurek węglowych (CNT) w procesie kompozytowym, dzięki czemu uzyskano tkaniny kompozytowe o doskonałej ochronie i funkcjach wykrywania. Wśród nich CNT zwiększa przewodność elektryczną i charakterystykę odpowiedzi tkaniny, co można skutecznie wykryć; dodatek STF pozwala tkaninie kompozytowej wytrzymać większe siły uderzenia i zapewnić silniejszą ochronę. Tkaniny aramidowe impregnowano płynem zagęszczającym ścinaniem (STF) i powlekano nanorurek węglowych (CNT) w procesie kompozytowym, dzięki czemu uzyskano tkaniny kompozytowe o doskonałej ochronie i funkcjach wykrywania. Wśród nich CNT zwiększa przewodność elektryczną i charakterystykę odpowiedzi tkaniny, co można skutecznie wykryć; dodatek STF pozwala tkaninie kompozytowej wytrzymać większe siły uderzenia i zapewnić silniejszą ochronę. Tkaniny aramidowe impregnowano płynem zagęszczającym ścinaniem (STF) i powlekano nanorurek węglowych (CNT) w procesie kompozytowym, dzięki czemu uzyskano tkaniny kompozytowe o doskonałej ochronie i funkcjach wykrywania. Wśród nich CNT zwiększa przewodność elektryczną i charakterystykę odpowiedzi tkaniny, co można skutecznie wykryć; dodatek STF pozwala tkaninie kompozytowej wytrzymać większe siły uderzenia i zapewnić silniejszą ochronę.

3. Włókno UHMWPE

Włókna polietylenowe o ultrawysokiej masie cząsteczkowej (UHMWPE) mają wiele doskonałych właściwości, takich jak wysoka wytrzymałość na rozciąganie, wysoki moduł i niska gęstość masowa oraz są obojętne w rozpuszczalnikach chemicznych.

3.1 Technologia produkcji

Obecnie produkcja włókien UHMWPE została uprzemysłowiona, ale tę metodę produkcji na dużą skalę można osiągnąć tylko przez przędzenie żelowe. Jednak metoda ta wykorzystuje dużą ilość rozpuszczalnika organicznego i powoduje problem zanieczyszczenia środowiska przy wysokich kosztach produkcji. Lepszym wyborem jest proces przędzenia ze stopu (melt spin), który jest prosty w procesie, nie wymaga rozpuszczalnika organicznego i jest tani. Kakiage i in. Połączone metody przygotowania przędzenia ze stopu i wyciągania ze stopu w celu poprawy wytrzymałości na rozciąganie włókien UHMWPE. Ciągnienie w stanie stopionym przyspiesza wzrost liniowej orientacji kryształów we włóknie. W temperaturze 145 stopni wytrzymałość na rozciąganie włókna może osiągnąć 1,1 GPa w warunkach współczynnika rozciągania 20 i szybkości odkształcania 40/min. W porównaniu z przędzeniem żelowym właściwości mechaniczne włókien UHMWPE wytworzonych przez przędzenie ze stopu są znacznie słabsze. Jednak w celu zaspokojenia potrzeb rynku włókien o średniej wytrzymałości i rynku mas tekstylnych wystarczające są włókna UHMWPE o średniej wytrzymałości wykonane z przędzenia ze stopu zanieczyszczającego światło.

3.1 Technologia cieniowania

Z perspektywy dalszego rynku włókien UHMWPE włókna UHMWPE o bogatych kolorach mogą zwiększyć wartość dodaną produktów, rozszerzyć zastosowania rynkowe, a tym samym zwiększyć konkurencyjność produktu. Jednak ze względu na wysoką krystaliczność i brak grup funkcyjnych włókien UHMWPE, tradycyjne metody są trudne do barwienia. Ma i in. Próby barwienia tkanin UHMWPE w temperaturze 120 stopni i nadkrytycznym dwutlenkiem węgla (scCO2) 20 MPa. Wraz ze wzrostem czasu barwienia i stężenia barwnika stale poprawia się podatność na barwienie tkaniny UHMWPE, a także poprawia się trwałość koloru tkaniny. Czas barwienia został wydłużony i wydłużony. A dodanie dekaliny jako współrozpuszczalnika w scCO2 skutkowało większą wydajnością koloru. Ale po dodaniu dekaliny,