главная > справочник > химическая энциклопедия:

Полиамидные волокна

Полиамидные волокна, синтетические волокна, формуемые из полиамидов. Ок. 98% от общего производства полиамидные волокна составляют волокна из алифатич. полиамидов, причем осн. масса из них производится из поли-ε-капроамида (выпускается под торговыми названиями капрон, найлон-6, амилан, дедерон, стилон, лилион, релон, перлон, видлон, хемлон, энкалон и др.) и полигексаметиленадипинамида (найлон-6,6, анид. леона, глацем и др.). Производство других видов алифатических полиамидные волокна очень незначительно, что объясняется в основном экономическими проблемами, связанными с получением мономеров, техническими трудностями синтеза полимеров. переработки их в волокна и отсутствием у большинства этих волокон конкурентоспособных потребительских свойств.

О полиамидных волокон из ароматических полиамидов, так называемых арамидных волокнах, обладающих высокой термо- и химической стойкостью и в ряде случаев очень хорошими мех. свойствами, см. Термостойкие волокна.

полиамидные волокна из алициклических полиамидов (или полиамидов, содержащих в цепи алициклические звенья) по механическим свойствам, прежде всего по модулю деформации растяжения, несколько превосходят найлон-6 и найлон-6,6. Однако из-за экономических факторов (стоимость сырья) производство их не получило широкого развития [напр., выпускается волокно киана в США, формуемое, по-видимому, из полимера, синтезируемого поликонденсацией бис-(n-аминоциклогексил)метана и додекан-дикарбоновой или азелаиновой кислоты].

Получение. Технологический процесс получения полиамидные волокна включает следующие основные стадии: синтез полимера, формование и вытяжка, текстильная обработка волокна. Разделение это несколько условно, т.к. современная технология, как правило, предполагает совмещение отдельных стадий вплоть до полностью непрерывного процесса. См. также Формование химических волокон.

Полимер синтезируют обычно на том же предприятии, на котором производят волокно. В получаемом поли--ε-капроамиде содержится до 10% низкомолекулярных соединений (в основном мономер и его низшие олигомеры). Присутствие их в полимере затрудняет последующее формование волокна и отрицательно сказывается на его свойствах. Поэтому для удаления низкомолекулярных соединений полимер подвергают так называемой демономеризации-вакуумированию расплава или водной обработке полимерного гранулята, который затем (содержание воды 7-10%) сушат в токе нагретого азота. предварительно очищенного от кислорода (содержание O₂ не должно превышать 0,0003%). Кол-во остаточной влаги зависит от условий формования волокна и молекулярной массы полимера. Содержание низкомолекулярных соединений в готовом полимере, как правило, не превышает 1-2%, влажность составляет 0,05-0,1%.

Полигексаметиленадипинамид нет необходимости подвергать демономеризации благодаря необратимому характеру поликонденсации при его синтезе. Расплав пригоден для непосредственного переработки в волокно, а полимерный гранулят предварительно сушится.

Для получения волокнообразующих полиамидов применяют высокоавтоматизированные непрерывные технологические процессы. При этом в производстве найлона-6 используют технологические схемы как с получением гранулята, так и непрерывные, включающие непосредственную передачу получаемого расплава полимера на формование волокна, в производстве найлона-6,6-чаще непрерывные схемы.

В производстве полиамидные волокна важное значение имеет качество исходного полимера: 1) линейность молекулярной структуры; 2) однородность его физико-химических свойств; 3) отсутствие механических включений и гель-частиц. Это достигается оптимизацией процессов тепло- и массообмена в реакторах, ликвидацией в них застойных зон и макс. сокращением времени синтеза, фильтрацией расплава полимера перед формовочной машиной. Обычно для производства волокон используют линейные алифатические полиамиды молекулярной массы (18-35)• 10³.

Алифатические полиамидные волокна обычно формуют из расплавов. В случае использования гранулята полимер расплавляют в экструдерах при 260-300⁰C в атмосфере инертного газа, расплав фильтруют и дозирующими насосами подают в фильерный комплект, где он еще раз фильтруется и продавливается через отверстия фильер. При формовании волокон непосредственно из расплава последний к дозирующим насосам подают с помощью шнековых или шестеренчатых насосов. Один прядильный блок может состоять из 1-16 фильер.

Существенное влияние на свойства волокон оказывает форма (профиль) отверстия фильеры. Если отверстие не круглое (звездочка с различным количеством лучей, восьмиугольник или др.), то получают т. наз. профилированные волокна и нити, имеющие иные оптические и в ряде случаев механические свойства. Известны также бикомпонентные полиамидные волокна типа "бок о бок" или "ядро - оболочка", формуемые, например, из полиамида и полиэфира, а чаще из двух полиамидов, различающихся молекулярными массами или другими физико-химическими свойствами. В этом случае используют, например, фильеры с двумя отверстиями, в которые подаются два разных вида расплавов. См. подробнее в ст. Текстурированные нити.

Выходя из фильеры, струйки жидкого полимера охлаждаются холодным воздухом в спец. прядильных шахтах (формование по сухому способу). С целью регулирования вязкости струи и формирования необходимой структуры полимера в волокне в некоторых случаях в прядильную шахту непосредственно под фильеру подают перегретый водяной пар или нагретый инертный газ. При охлаждении струек расплава происходит начальная ориентация макромолекул и структурообразование. Вследствие разности скоростей вытекания расплава из отверстия фильеры и приемки нити на первый прядильный диск происходит фильерная вытяжка в 30-60 раз. После выхода из шахты на сформованную нить наносится заданное кол-во влаги и ПАВ для придания необходимых фрикционных свойств, компактности и предотвращения электризации.

Затем сформованная нить со скоростью 8-100 м/с поступает на намоточное устройство. С увеличением скорости намотки и, следовательно, с повышением напряжения в нити возрастает степень ее ориентационного вытягивания при формовании (см. Ориентированное состояние полимеров.. В зависимости от принятой схемы технологического процесса и оборудования используют различной скорости намотки, которые определяют свойства получаемой нити и дальнейшую технологию ее текстильной обработки.

При скоростях намотки 8-33 м/с (так называемая классическая схема) получают неориентированную или слабоориентированную нить, которую для придания необходимых текстильных свойств подвергают ориентационному вытягиванию в 3-5 раз на крутильно- или намоточно-вытяжных машинах. Tаким образом получают как текстильные, так и технические нити. При скоростях 33-85 м/с получают частично ориентированную, или предориентированную, нить, которую можно использовать как текстильный материал или подвергать дополнительную вытягиванию и дальнейшим текстильным обработкам. При скоростях 85-100м/с получают полностью ориентированную нить, т.е. готовый текстильный материал. Относительные удлинения нитей, полученных в трех указанных интервалах скоростей намотки, составляют 300-500%, 50-80% и 30-40% соответственно. Два последних способа относятся к т. наз. высокоскоростному формованию, применяемому, как правило, для получения текстильных нитей.

Во всех случаях формуемая нить транспортируется с помощью двух прядильных дисков и наматывается на цилиндрический патрон. Намоточные устройства как по классической схеме, так и по способам высокоскоростного формования рассчитаны на одновременную приемку 2-16 нитей.

При получении технических нитей используется также способ совмещенного формования и вытягивания. Приемное устройство в этом случае включает кроме намоточного механизма еще 3-4 пары вытяжных дисков, за счет разницы скоростей вращения которых происходит вытягивание нити в 4-6 раз. Относительное удлинение получаемой нити 25-30%, скорость намотки 40-55 м/с.

Способы совмещенного и высокоскоростного формований по сравнению с классическим имеют лучшие технико-экономические показатели, обеспечивают более высокую равномерность свойств нити и пригодны для роботизации.

Неориентированные и слабоориентированные нити текстильного ассортимента (линейная плотность 1,5-29 текс) подвергают ориентационному вытягиванию, как правило, в одну стадию. Нити технического назначения, формуемые из более высоко-молекулярных полиамидов (линейная плотность 93-210 текс), вытягивают в 4,5-5,5 раза в две стадии: для снижения напряжения в нити и достижения высокой равномерности основную часть вытягивания (ок. 75%) проводят при нагревании нити до 150-190 ^оС (горячая вытяжка).

После ориентационного вытягивания в зависимости от назначения технической нити сразу перематывают на товарную паковку (бобина, шпуля или др.) или подвергают предварительно кручению, а нити для шинного корда - кручению и трощению (т. е. соединению нескольких нитей в одну). Текстильные нити перематывают на товарную паковку, подвергают кручению (200-1200 кручений на 1 м), трощению, текстурированию, термофиксации и (или) шлихтованию (т. е. обработке эмульсиями или растворами различных веществ с целью слабого склеивания элементарных нитей). Термофиксацию с целью снижения в 3-4 раза тепловой усадки нитей осуществляют чаще всего горячим воздухом или водяным паром и в редких случаях горячей водой (90⁰C). Вместо экономически невыгодной операции кручения можно использовать пневмосоединение (воздействие на нити сжатого воздуха с образованием местного перепутывания отдельных элементарных нитей). Частично ориентированные текстильные нити подвергают ориентационному вытягиванию, как правило, только при текстурировании.

Крашение полиамидные волокна обычно осуществляют в массе, т. е. краситель вводят в расплав полимера перед формованием волокна, или в готовых изделиях главным образом дисперсными красителями и их водорастворимыми производными, кислотными красителями и органическими пигментами (см. Крашение волокон).

Виды выпускаемых полиамидные волокна: мононити, комплексные нити с числом элементарных нитей 3-400, в том числе для текстильной переработки и технических целей, текстурированные нити, нити для ковров и мебельных тканей (текстурированные комплексные нити, линейная плотность 80-400 текс), штапельное волокно, нетканые материалы.

Свойства. Физико-химические свойства полиамидные волокна зависят от химической природы и молекулярной массы исходного полиамида, структурных особенностей волокна. С повышением молекулярной массы полиамида улучшаются прочность, модуль деформации при растяжении, усталостные характеристики и др. физ.-мех. показатели волокон.

Полиамидные волокна характеризуются высокой прочностью при растяжении, устойчивостью к знакопеременным деформациям, высоким сопротивлением к ударным нагрузкам и истиранию (см. табл.). Недостатки полиамидные волокна из алифатических полиамидов -сравнительно низкая гигроскопичность, что является причиной их высокой электризуемости, относительно низкий модуль деформации при растяжении и низкие тепло-, термо-и светостойкость. Для повышения устойчивости полиамидные волокна к окислению при термических и фотохимических воздействиях в исходный полимер можно вводить различные антиоксиданты (ароматические амины и фенолы, бензимидазолы, органические и неорганические соли переходных металлов, комплексные соединения, содержащие Cu, или др.). Область рабочих температур для волокон из алифатических полиамидов составляет 80-150⁰C.

Полиамидные волокна растворимы в феноле, крезолах, ксилоле, трихлорэтане, хлороформе, бензиловом спирте, нитробензоле, ДМСО, диметилацетамиде, ДМФА (особенно в сочетании с LiCl), а также в некоторых фторпроизводных спиртов и карбоновых кислот. Не растворимы в алифатич. спиртах, ацетоне, CCl₄, трихлорэтилене, углеводородах, простых и сложных эфирах. Полиамидные волокна неустойчивы в концентрированных кислотах, особенно минеральных. Щелочи умеренных концентраций не оказывают заметного воздействия на полиамидные волокна, однако с повышением температуры и концентрации деструктирующее воздействие щелочей возрастает. Концентрация раствора NaOH, вызывающего существ, деструкцию волокна, составляет 10-12%. Прочность волокон мало снижается после пребывания в 10-20%-ных растворах Na₂CO₃ и в растворах аммиака любой концентрации при комнатной температуре.

По сравнению с волокнами из поли--ε-капроамида и поли-гексаметиленадипинамида волокна из поли-ω-ундеканамида (найлон-11) и полидодеканамида (найлон-12), вследствие наличия в их макромолекулах длинных углеводородных участков между амидными группами, менее гидрофильны, обладают меньшей адгезией к резине и более высокой хим. стойкостью. Эти волокна имеют приятный гриф (мягкие на ощупь). Волокно из поли-α-пирролидонамида (найлон-4) отличается повышенным сродством к красителям и более высокой гигроскопичностью. полиамидные волокна из поли-β-пропиоамида (найлон-3) вследствие большого числа амидных связей характеризуются высокой гигроскопичностью, меньшим относит. удлинением, более высокими температурой плавления и теплостойкостью, устойчивостью к термоокислительной и фотодеструкции. Эти волокна близки по свойствам к натуральному шелку. Волокно из полигексаметиленсебацинамида (найлон-6,10) эластичнее, чем из полигексаметиленадипинамида, и приближается по этому показателю к шерсти. Напротив, волокно из политетраметиленадипинамида (найлон-4,6) характеризуется большим (на 25%) модулем деформации растяжения, чем найлон-6,6, и высокой устойчивостью к истиранию. Tаким образом, в ряду волокон от найлона-3 до найлона-12 снижаются модуль деформации растяжения и гидрофильность (приблизительно с 10 до 1%), повышаются хим. стойкость и эластичность.

СВОЙСТВА ПОЛИАМИДНЫХ ВОЛОКОН И НИТЕЙ, ПОЛУЧЕННЫХ ИЗ УКАЗАННЫХ ПОЛИМЕРОВ

* Текс-масса 1000 м волокна, выраженная в граммах.

При введении в макромолекулы алифатических полиамидов ароматических или алициклических фрагментов в случаях изоморфного замещения повышаются модуль деформации растяжения и термостойкость волокон.

Применение. полиамидных волокон широко применяют для производства товаров народного потребления, в основном чулочно-носочных изделий, трикотажа, тканей для верхней одежды. В технике полиамидные волокна используют для изготовления шинного корда, РТИ, рыболовных сетей, тралов, канатов, веревок и т. п., фильтровальных материалов для пищевой промышленности, щетины (напр., для моечных и хлопкоуборочных машин), а также др. изделий. Окрашенные в массе текстурированной нити (линейная плотность 60-330 текс) используют для изготовления ковровых изделий.

Мировое производство полиамидные волокна составляет 3500 тыс. т (1988), в СССР-445 тыс. т (1986).

Впервые опытное производство полиамидные волокна было освоено в США (1938) из полигексаметиленадипинамида, из поли--ε-капроамида - в Германии (1939). В СССР промышленное производство полиамидного волокна началось в 1948.

Лит.: Энциклопедия полимеров. т. 2, M., 1974, с. 722-27; Роговин 3. А., Основы химии и технологии химических волокон, 4 изд., т. 2, M., 1974; Фишман К. E., Хрузин H. А.. Производство волокна капрон. 3 изд., M., 1976; Кудрявцев Г. И., Носов M. П., Волохина А. В., Полиамидные волокна, M., 1976; Юркевич В. В., Пакшвер А.Б., в кн.: Технология производства химических волокон, M., 1987, с. 146-50; Krieger A., "Chemiefasern Textilindustrie", 1986, № 11, S. 889-91; там же, 1987, № 4, S. Е41.

© А. А. Сперанский.