Полиамидные волокна

ПОЛИАМИДНЫЕ ВОЛОКНА, синтетич. волокна, формуемые из полиамидов. Ок. 98% от общего произ-ва полиамидных волокон составляют волокна из алифатич. полиамидов, причем осн. масса из них производится из поли-e-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.). Произ-во др. видов алифатических полиамидных волокон очень незначительно, что объясняется в осн. экономич. проблемами, связанными с получением мономеров, техн. трудностями синтеза полимеров, переработки их в волокна и отсутствием у большинства этих волокон конкурентоспособных потребительских св-в.

О полиамидных волокнах из ароматич. полиамидов, т. наз. арамидных волокнах, обладающих высокой термо- и хим. стойкостью и в ряде случаев очень хорошими мех. св-вами, см. Термостойкие волокна.

Полиамидные волокна из алициклич. полиамидов (или полиамидов, содержащих в цепи алициклич. звенья) по мех. св-вам, прежде всего по модулю деформации растяжения, несколько превосходят найлон-6 и найлон-6,6. Однако из-за экономич. факторов (стоимость сырья) произ-во 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 к-ты].

Получение. Технол. процесс получения полиамидных волокон включает след. осн. стадии: синтез полимера, формование и вытяжка, текстильная обработка волокна. Разделение это несколько условно, т.к. совр. 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 к-ром производят волокно. В получаемом поли-e-капро-амиде содержится до 10% низкомол. соед. (в осн. мономер и его низшие олигомеры). Присутствие их в полимере затрудняет послед. формование волокна и отрицательно сказывается на его св-вах. Поэтому для удаления низкомол. соед. полимер подвергают т. наз. демономеризации-ва-куумированию расплава или водной обработке полимерного гранулята, к-рый 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 мол. массы полимера. Содержание низкомол. соед. 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 непосредств. переработки в волокно, а полимерный гранулят предварительно сушится.

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

В произ-ве полиамидных волокон важное значение имеет качество исходного полимера: 1) линейность мол. структуры; 2) однородность его физ.-хим. св-в; 3) отсутствие мех. 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 произ-ва волокон используют линейные алифатич. полиамиды мол. м. (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.

Существ. влияние на св-ва волокон оказывает форма (профиль) отверстия фильеры. Если отверстие не круглое (звездочка с разл. кол-вом лучей, восьмиугольник или др.), то получают т. наз. профилированные волокна и нити, имеющие иные оптические и в ряде случаев мех. св-ва. Известны также бикомпонентные полиамидные волокна типа "бок о бок" или "ядро - оболочка", формуемые, напр., из полиамида и полиэфира, а чаще из двух полиамидов, различающихся мол. массами или др. физ.-хим. св-вами. В этом случае используют, напр., фильеры с двумя отверстиями, в к-рые 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 нек-рых 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 св-в, 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 ориентац. вытягивания при формовании (см. Ориентированное состояние полимеров). В зависимости от принятой схемы технол. процесса и оборудования используют разл. скорости намотки, к-рые определяют св-ва получаемой нити и дальнейшую технологию ее текстильной обработки.

При скоростях намотки 8-33 м/с (т. наз. классич. схема) получают неориентированную или слабоориентированную нить, к-рую для придания необходимых текстильных св-в подвергают ориентац. вытягиванию в 3-5 раз на крутильно-или намоточно-вытяжных машинах. T. обр. получают как текстильные, так и техн. нити. При скоростях 33-85 м/с получают частично ориентированную, или предориентиро-ванную, нить, к-рую можно использовать как текстильный материал или подвергать дополнит. вытягиванию и дальнейшим текстильным обработкам. При скоростях 85-100м/с получают полностью ориентированную нить, т.е. готовый текстильный материал. Относит. 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 ци-линдрич. патрон. Намоточные устройства как по классич. схеме, так и по способам высокоскоростного формования рассчитаны на одноврем. приемку 2-16 нитей.

При получении техн. 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 к-рых происходит вытягивание нити в 4-6 раз. Относит. удлинение получаемой нити 25-30%, скорость намотки 40-55 м/с.

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

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

После ориентац. вытягивания в зависимости от назначения техн. 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 неск. 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 р-рами разл. в-в 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 ориентац. вытягиванию, как правило, только при текстури-ровании.

Крашение полиамидных волокон обычно осуществляют в массе, т. е. краситель вводят в расплав полимера перед формованием волокна, или в готовых изделиях гл. обр. дисперсными красителями и их водорастворимыми производными, кислотными красителями и орг. пигментами (см. Крашение волокон).

Виды выпускаемых полиамидных волокон мононити, комплексные нити с числом элементарных нитей 3-400, в т.ч. для текстильной переработки и техн. целей, текстурир. нити, нити для ковров и мебельных тканей (текстурир. комплексные нити, линейная плотн. 80-400 текс), штапельное волокно, нетканые материалы.

Свойства. Физ.-хим. св-ва полиамидных волокон зависят от хим. природы и мол. массы исходного полиамида, структурных особенностей волокна. С повышением мол. массы полиамида улучшаются прочность, модуль деформации при растяжении, уста-лостные 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 полиамидных волокон из алифатич. 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 полиамидных волокон к окислению при термич. и фотохим. воздействиях в исходный полимер можно вводить разл. антиоксиданты (ароматич. амины и фенолы, бензимидазолы, орг. и неорг. соли переходных металлов, комплексные соед., содержащие Cu, или др.). Область рабочих т-р для волокон из алифатич. полиамидов составляет 80-150⁰C.

Полиамидные волокна раств. в феноле, крезолах, ксилоле, трихлорэтане, хлороформе, бензиловом спирте, нитробензоле, ДМСО, ди-метилацетамиде, ДМФА (особенно в сочетании с LiCl), а также в нек-рых фторпроизводных спиртов и карбоновых к-т. Не раств. в алифатич. спиртах, ацетоне, CCl₄, три-хлорэтилене, углеводородах, простых и сложных эфирах. полиамидные волокна неустойчивы в концентрир. к-тах, особенно минеральных. Щелочи умеренных концентраций не оказывают заметного воздействия на полиамидные волокна, однако с повышением т-ры и концентрации деструктирующее воздействие щелочей возрастает. Концентрация р-ра NaOH, вызывающего существ, деструкцию волокна, составляет 10-12%. Прочность волокон мало снижается после пребывания в 10-20%-ных р-рах Na₂CO₃ и в р-рах аммиака любой концентрации при комнатной т-ре.

По сравнению с волокнами из поли-e-капроамида и поли-гексаметиленадипинамида волокна из поли-w-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-a-пирролидонамида (найлон-4) отличается повышенным сродством к красителям и более высокой гигроскопичностью. Полиамидные волокна из поли-b-пропиоамида (найлон-3) вследствие большого числа амидных связей характеризуются высокой гигроскопичностью, меньшим относит. удлинением, более высокими т-рой плавления и теплостойкостью, устойчивостью к термоокислительной и фотодеструкции. Эти волокна близки по св-вам к натуральному шелку. Волокно из полигексаметиленсебацинамида (найлон-6,10) эластичнее, чем из полигексаметиленадипина-мида, и приближается по этому показателю к шерсти. Напротив, волокно из политетраметиленадипинамида (най-лон-4,6) характеризуется большим (на 25%) модулем деформации растяжения, чем найлон-6,6, и высокой устойчивостью к истиранию. T. обр., 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 алифатич. полиамидов ароматич. или алициклич. фрагментов в случаях изоморфного замещения повышаются модуль деформации растяжения и термостойкость волокон.

Применение. Полиамидные волокна широко применяют для произ-ва товаров народного потребления, в осн. чулочно-носочных изделий, трикотажа, тканей для верх, одежды. В технике полиамидные волокна используют для изготовления шинного корда, РТИ, рыболовных сетей, тралов, канатов, веревок и т. п., фильтровальных материалов для пищ. пром-сти, щетины (напр., для моечных и хлопкоуборочных машин), а также др. изделий. Окрашенные в массе текстурир. нити (линейная плотн. 60-330 текс) используют для изготовления ковровых изделий.

Мировое произ-во полиамидных волокон составляет 3500 тыс. т (1988), в СССР-445 тыс. т (1986).

Впервые опытное произ-во полиамидных волокон было освоено в США (1938) из полигексаметиленадипинамида, из поли-e-капро-амида-в Германии (1939). В СССР пром. произ-во полиамидных волокон 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.