Разработка и исследование технологического процесса получения многокомпонентных огнетермостойких нитей

Проблема огнезащиты текстильных материалов возникла давно. Но до недавнего времени основным направлением научных исследований была разработка методов придания негорючести целлюлозным волокнам и тканям.

С развитием промышленности синтетических волокон, увеличением объема их производства, и с усилением внимания мирового сообщества к защите окружающей среды и человека возникла необходимость разработки методов экологически безопасного придания огнестойкости материалам из этих волокон.

Основная задача, поставленная при создании тканей технического назначения ‒ обеспечение необходимого комплекса свойств, в зависимости от области применения и назначения ткани. Решение данной задачи во многом зависит от рационального сочетания свойств выбранного исходного сырья, параметров строения ткани и технологии ее изготовления.

На отечественном рынке огнезащитных и термостойких материалов наиболее известны два типа тканей:

‒ ткани на основе термостойких волокон (в меньшей степени российского происхождения, в большей ‒ зарубежного производства), которые достаточно серьезно заполняют наш рынок и обладают устойчивыми огнезащитными свойствами;

‒ ткани на основе хлопка и его смесей с полиэфирным волокном, которые требуют отделки специальными препаратами, шерстяные и полушерстяные с пропиткой и без. Однако эти ткани не сохраняют своих первоначальных свойств после стирок, химчисток и, в основном, в процессе эксплуатации.

Наиболее известными видами огнестойких волокон являются: кевлар, тварон, фенилон, оксалон, кермель, аримид, русар, СВМ, арлана и др. Большинство из них выпускается только в виде нитей и имеет высокий модуль упругости, малое удлинение, очень высокую прочность, низкую термическую усадку и высокие огнезащитные свойства. Они обеспечивают надежную защиту людей от теплового воздействия, пламени и порезов и используются в технике, само-лето- и ракетостроении и других ответственных областях. Стоимость их довольно высока. В связи с тем, что эти волокна отличаются повышенной жесткостью, низким удлинением, низкой гигроскопичностью, они ограниченно используются в текстильном секторе.

В результате исследований установлено, что сохранение до 90 % прочностных показателей после воздействия открытого пламени может быть достигнуто только при использовании термостойких волокон в сочетании с заключительной отделкой специальными препаратами.

Одним из перспективных направлений снижения себестоимости производства огне- и термостойких нитей является создание новых видов неоднородных комбинированных нитей. В Республике Беларусь на ПО «Химволокно» (Светлогорск) выпускается штапельное химическое волокно «Арселон», а также арсе-лоновая комплексная нить. Превосходя по термостойкости известные мировые аналоги номекс и кевлар, это волокно имеет также существенное экономическое преимущество: для его получения используются относительно дешевые промышленные мономеры.

Формование волокон и нитей производится из сернокислотных растворов по мокрому методу в водносернокислотную ванну. Свежесформованные волокна и нити подвергаются дальнейшей обработке по непрерывной схеме, включающей операции вытяжки, промывки (с промежуточной нейтрализацией остатков серной кислоты раствором NaHCO3), повторной промывки и сушки. При производстве упрочненных нитей они подвергаются термическому вытягиванию и термической обработке. Для повышения устойчивости волокон к УФ-излучению вводится фотостабилизатор, например, натриевая или калиевая соль, мета- или параазобензол дикарбоновой кислоты. Получаемое волокно имеет существенно более высокую светостойкость и выпускается с товарным знаком «Арселон-С».

За последние годы выпуск волокон и нитей арселон и «Арселон-С» составил более 200 тонн с наращиванием производственных мощностей до 300 тонн.

Следует отметить высокую гидролитическую устойчивость полиоксадиазольных волокон и нитей по отношению к растворам кислот и щелочей, что очень важно как при фильтрации химически агрессивных сред, так и для специальной защитной одежды.

Термостойкие текстильные материалы и изделия из этих волокон широко используются в следующих направлениях:

‒ фильтровальных полотнах для высокотемпературных газов;

‒ специальной защитной одежде;

‒ средствах профессиональной безопасности и спасения;

‒ специальном текстиле для авиа-, автотранспорта и опасных помещений;

‒ фрикционных композитах (в тормозных колодках взамен асбеста).

ВЫСОКОТЕРМОСТОЙКИЕ ПОЛИОКСАДИ-ЗОЛЬНЫЕ ВОЛОКНА, НИТИ И ТЕКСТИЛЬ НА ИХ ОСНОВЕ

Недостатками волокна являются относительно низкие разрывная нагрузка (35 сН/текс) и показатель кислородного индекса (26,5 %), что снижает устойчивость волокна к воздействию открытого пламени.

Авторами предложена технология получения огнетермостойких многокомпонентных нитей с использованием волокна «Арселон» в качестве обвивочного компонента и стеклонити в качестве сердечника.

В таблице 1 и 2 предложены основные физикомеханические свойства волокон «Арселон» и компонентной стеклянной стеклонити.

В таблице 3 представлены физические, механические, термические, электрические, оптические и акустические свойства стекла марок А, С, Е и S.

При проведении исследований были получены огнетермостойкие нити и исследованы их свойства.

Формирование нити из волокна «Арселон» осуществлялось на кольцевой прядильной машине G 35 фирмы Rieter.

Одним из главных факторов, оказывающих влияние на физико-механичесие свойства пряжи кольцевого способа прядения является её крутка. С увеличением крутки пряжи до критического значения повышается её разрывная нагрузка и удлинение, снижается ворсистость, но при этом повышается жесткость пряжи и полотен из неё.

Таблица 1 ‒ Физико-механические свойства волокна «Арселон»

Наименование показателя	Единицы измерения	Значение показателя
Кондиционная линейная плотность элементарного волокна	текс	0,17
Штапельная длина	мм	36
Удельная разрывная нагрузка элементарного волокна	мН/текс	350
Удлинение элементарного волокна при разрыве	%	45
Фактическая влажность	%	8,04
Массовая доля замасливателя	%	0,8
Склейки и роговидные волокна	%	0,420
Количество витков	на 1,0 см	4,4

Таблица 2 ‒ Основные характеристики комплексной стеклонити 11 текс

Марка нити	Количество сложений комплексной нити	Результирующая линейная плотность нити, текс	Направление крутки: S – левое; Z – правое	Количество кручений на 1 м	Удельная разрывная нагрузка, мН/текс (гс/текс), не менее	Массовая доля веществ, удаляемых при прокаливании, %
ЕС511	1	11+5‒7 %	S	70±15%	610 (62)	1,1‒1,9

Таблица 3 ‒ Свойства стекла марок А, С, Е и S

Свойства	Марка стекла
	A	C	E	S
Физические
Плотность, кг/м2	2500	2490	2540	2480
Твердость по Моосу	-	6,5	6,5	6,5
Механические
Предел прочности при растяжении, МПа:	3033	3033	3448	4585
при 22 °C	-	-	2620	3768
при 371 °C	-	-	1724	2413
при 533 °C
Модуль упругости при растяжении при 22 °C, Мпа	-	69,0	72,4	85,5
Предел текучести, %	-	4,8	4,8	5,7
Упругое восстановление, %	-	100	100	100
Термические
Коэффициент линейного термического расширения, 10-6К-1	8,6	7,2	5,0	5,6
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м·K)	-	-	10,4	-
Удельная теплоемкость при 22 °C	-	0,212	0,197	0,176
Температура размягчения, °C	727	749	841	-
Электрические
Электрическая прочность, В/мм	-	-	19920	-
Диэлектрическая постоянная при 22 °C:
при 60 Гц	-	-	5,9‒6,4	5,0‒5,4
при 1 МГц	6,9	7,0	6,3	5,1
Потери при 22 °C:
при 60 Гц	-	-	0,005	0,003
при 1 МГц	-	-	0,002	0,003
Объемное сопротивление при 22 °C и 500 В постоянного тока, Ом·м	-	-	1017	1018
Поверхностное сопротивление при 22 °C и 500 В постоянного тока, Ом·м	-	-	1015	1016
Оптические
Коэффициент преломления	-	-	1,547	1,423
Акустические
Скорость звука, м/с	-	-	5330	5850

В связи с этим в производственных условиях проведены экспериментальные исследования влияния крутки на свойства пряжи линейной плотности 22,2 текс. Крутка изменялась в диапазоне от 650 до 800 кр./м. Результаты исследований представлены в на рисунке 1.

■ Относительное разрывное удлинение, %

■ Квадратическая неровнота пряжи на отрезках длиной 1 см, %

Рисунок 1 – Влияние крутки арселоновой пряжи на показатели её качества

Анализируя представленные результаты, можно сделать следующие выводы:

• -    относительная разрывная нагрузка пряжи несущественно повышается с увеличением крутки в исследуемом диапазоне в связи с тем, что критическая крутка пряжи близка к 800 кр./м;

• -    с ростом крутки повышается также неровнота по разрывной нагрузке пряжи, что характерно для круток выше критического значения;

• -    относительное разрывное удлинение и неров-нота пряжи по линейной плотности практически не зависят от её крутки в диапазоне от 650 до 800 кр/м.

Выбор оптимальной крутки пряжи будет осуществлен далее при проведении исследований процесса кручения пряжи в крутильном производстве.

Полученная одиночная пряжа из волокна «Арсе-лон» была скручена в 2 сложения на машинах с веретенами двойного кручения с разной круткой в диапазоне от 390 до 630 кр/м (табл. 4).

Анализируя полученные данные, можно отметить, что в исследованном диапазоне крутка крученой арселоновой пряжи не оказывает существенного влияния на ее основные свойства. Минимальная нерав-новесность пряжи достигается при крутке 420 кр/м. Однако данный образец характеризовался минимальной разрывной нагрузкой. Максимальный показатель качества выявлен у образца с круткой 560 кр/м. В связи с этим выбор крутки может быть осуществлен с учетом требований, устанавливаемых потребителем пряжи из диапазона 420–560 кр/м, так как за пределами данного интервала происходит существенное повышение коэффициента вариации по разрывной нагрузке пряжи.

По предложенной работе можно сделать следующие выводы:

• -    проведён анализ состояния вопроса использования огнетермостойких нитей и тканей;

• -    предложена многокомпонентная нить с использованием в качестве сердечника стеклонить, а в качестве обвивочного компонента волокна «Арселон»;

• -    исследованы основные физико-механические свойства многокомпонентной нити, огнетермостойкой комбинированной нити;

• -    предложенные нити можно рекомендовать в производство.

Таблица 4 ‒ Основные характеристики комплексной стеклонити 11 текс

Наименование показателя	Значение показателя
Крутка номинальная, кр./м	390	420	490	560	630
Крутка фактическая, кр./м	384	416	492	544	624
Линейная плотность, текс	44	44,5	44,0	45,0	44,8
Разрывная нагрузка, сН	1094	1049	1062	1104	1081
Относительная разрывная нагрузка, сН/текс	24,6	23,6	24,1	24,5	24,1
Коэффициент вариации по разрывной нагрузке, %	7,8	7,2	7,4	7,1	8,1
Показатель качества	3,15	3,28	3,26	3,45	2,98
Неравновесность, витков	7	4,0	10	10	9,0