Progrese în promovarea civilizației a trei textile din fibre de înaltă performanță

Progrese în promovarea civilizației a trei textile din fibre de înaltă performanță

Fibrele de înaltă performanță au rezistență puternică la efectele fizice, cum ar fi lumina, electricitatea, căldura și forța din lumea exterioară, precum și efectele chimice, cum ar fi oxidanții, acizii și alcalii, astfel încât fibrele au rezistență ridicată, modul înalt, rezistență la temperaturi ridicate și proprietăți ignifuge. Fibrele de înaltă performanță pot fi împărțite în fibre organice și fibre anorganice. Fibrele organice includ: fibre de aramidă, fibre de polietilenă cu greutate moleculară ultra-înaltă, fibre de polifenilen sulfură etc.; fibrele anorganice includ în principal: fibre de carbon, fibre ceramice, etc., dintre care fibrele de carbon, fibrele de aramid și fibrele de polietilenă cu greutate moleculară ultra-înaltă sunt trei fibre majore Fibra este încă într-o perioadă de dezvoltare rapidă și a intrat treptat într-o perioadă de intensă intensitate. inovare tehnologică și concurență; cererea pieței globale se accelerează, iar producătorii continuă să exploreze domeniile de aplicare. Dezvoltați produse noi comercializabile pentru a obține un avantaj competitiv.

În prezent, fibrele performante se află în stadiu de dezvoltare viguroasă, iar diverse produse (materiale compozite, frânghii etc.) sunt utilizate și în domeniile industriei militare, aerospațiale, navigației, construcțiilor civile, textile și îmbrăcăminte. Acest studiu introduce și analizează diferite tehnici de optimizare pentru cele trei fibre și textile majore de înaltă performanță în termeni de reducere a costurilor, îmbunătățire funcțională și îmbunătățire a valorii adăugate pentru a avansa dezvoltarea textilelor de înaltă performanță în produse de înaltă calitate care pot fi partajate. societate și civili.

1. Fibră de carbon

Fibra de carbon este un material fibros pe bază de carbon compus din cristalite de grafit stratificate stivuite în direcția axială. Are proprietăți mecanice excelente și proprietăți ușoare. După decenii de dezvoltare, aplicarea comercială a fibrei de carbon s-a răspândit în multe domenii de înaltă tehnologie.

1.1 Tehnologia de producție

În prezent, aproximativ 90% din fibra de carbon comercială este produsă din poliacrilonitril (PAN). Fibrele de carbon industriale tradiționale pe bază de PAN sunt costisitoare și limitate ca producție, ceea ce face dificilă popularizarea la scară largă. Pentru a reduce costurile, PAN de calitate textilă ieftină și lignina regenerabilă sunt folosite ca materiale precursoare pentru producția de fibre de carbon.

Jiang şi colab. Utilizarea metodei de filare umedă pentru a pregăti fibre precursoare din lignină din paiele de grâu și fibre textile acrilice ca materii prime poate reduce costul de producție al fibrelor de carbon; datorită temperaturii ridicate de reacție termică a ligninei, poate face, de asemenea, ca fibrele amestecate lignină/PAN să îmbunătățească stabilitatea termică. Huang și echipa sa au folosit clorhidrat de guanidină fără metal pentru a modifica fibrele acrilice textile, permițând procesului de pre-oxidare să aibă loc la temperaturi mai scăzute, reducând costurile de producție. În același timp, structura polimerului formată prin reacția de ciclizare a grupului nitril la temperatură scăzută este mai stabilă, astfel încât fibra de carbon are proprietăți mecanice mai bune. Iradierea UV a fibrelor PAN care conțin fotoinițiatori înainte de pre-oxidare poate crește viteza de reacție de ciclizare și poate scurta timpul de oxidare. Studiul lui Jo et al. S-a descoperit că iradierea fibrelor PAN de calitate textilă fără fotoinițiator cu lumină UV poate promova, de asemenea, eficient procesul de pre-oxidare, care durează doar 30 de minute. Electrofilarea folosind un proces simplu este cea mai bună modalitate de a prepara nanofibre de carbon (CNF), al căror proces depinde în mare măsură de precursori precum PAN, pitch și lignina. Chen şi colab. Bagasa a fost esterificată omogen folosind anhidridă acidă și apoi amestecată cu PAN pentru electrofilare pentru a prepara CNF-uri. Bagașa esterificată ajută la reținerea atomilor de azot din CNF, îmbunătățind astfel stabilitatea termică, conductivitatea electrică și activitatea de suprafață a fibrelor.

Se poate observa că, fie că este vorba de filare umedă tradițională sau de filare electrică nouă, cheia reducerii costurilor de producție a fibrei de carbon constă în materiile prime și procese. Cercetarea se concentrează pe selecția, modificarea și optimizarea procesului de materiale precursoare pe bază de carbon. Adunare si scadere. Desigur, pentru a obține o producție de masă cu costuri reduse, este, de asemenea, necesară creșterea productivității.

1.2 Tehnologia de umbrire

Cristalinitatea ridicată și inerția chimică a fibrei de carbon fac dificilă colorarea cu coloranți sau pigmenți tradiționali. Cristalele fotonice sunt materiale dielectrice care sunt ordonate periodic în spațiu folosind materiale cu indici de refracție diferiți. Are o bandă interzisă fotonică și poate reflecta selectiv fotonii de o anumită lungime de undă, iar lumina reflectată este difractată pe suprafața cristalului, rezultând culoare. Fibrele de carbon colorate pot fi preparate prin asamblarea nanoparticulelor coloidale încărcate dispersate pe suprafața fibrelor de carbon prin depunere electroforetică, dar durabilitatea mecanică este insuficientă în aplicațiile practice. Niu și colab. Straturile de ZnO și Al2O3 cu contrast mare de indice de refracție au fost folosite ca componente periodice și depuse pe suprafața fibrelor de carbon activat cu plasmă prin tehnica de depunere a stratului atomic. Fibrele de carbon multicolore preparate au stabilitate mecanica si lavabilitate excelente. gen. În condiții de lumină împrăștiată, țesăturile simple din fibre pot prezenta proprietăți reflectorizante și culori independente de unghi.

1.3 Tehnologia funcțională

1.3.1 Electrozi cu fibre flexibile

Odată cu dezvoltarea rapidă a tehnologiei purtabile, activitatea de cercetare privind textilele electronice inteligente s-a îmbunătățit semnificativ în ultimii ani. Cercetarea și dezvoltarea componentelor electronice corespunzătoare a ocupat treptat un loc. De exemplu, țesăturile pe bază de fibră de carbon sunt în prezent materiale populare pentru electrozi flexibili; cu toate acestea, flexibilitatea și performanța superioară a unor astfel de electrozi a fost o problemă importantă în dezvoltarea textilelor inteligente. Li şi colab. Țesătura de bumbac acoperită cu KOH a fost carbonizată printr-un proces dinamic de calcinare a șablonului, care a promovat formarea unei structuri poroase ordonate stratificat pe peretele fibrei. Țesăturile din fibră de carbon produse au o rezistență mecanică excelentă și pot fi utilizate ca electrozi de supercondensator. Există și alte abordări pentru a dezvolta electrozi de țesături din fibră de carbon supercapacitivi, cum ar fi gravarea chimică selectivă și exfolierea electrochimică a nanoparticulelor de nichel pentru a crea pori la scară multiplă și grupuri reactive în țesături și modificarea heteroatomilor țesăturilor din fibră de carbon. În plus, CNF-urile au o conductivitate electrică bună și o suprafață specifică mare, care au un potențial mare în aplicarea dispozitivelor electronice. Levitt şi colab. Carbura bidimensională de metal de tranziție Ti3C2Tx a fost amestecată în soluție PAN, urmată de electrofilare pentru a pregăti covorașe din nanofibră de carbon. Capacitatea electrozilor compoziți astfel fabricați este mai mare decât cea a fibrelor de carbon pur. Adăugarea de Ti3C2Tx îmbunătățește performanța electrochimică a electrodului compozit. Conductivitatea și durabilitatea sunt, de asemenea, mai puternice.

1.3.2 Senzori flexibili

Odată cu îmbunătățirea gradului de conștientizare a sănătății publice și îmbunătățirea cerințelor de echipamente în domenii speciale, textilele inteligente sunt integrate treptat în sistemul de monitorizare a îngrijirii și monitorizării medicale. Una dintre componentele cheie este senzorul. Azizhani și colab. Cauciucul siliconic de întărire la temperatura camerei este selectat ca matrice, iar fibra de carbon tăiată este utilizată ca material conductiv pentru a pregăti senzorul de rezistență la deformare, care are o sensibilitate ridicată în intervalul de amplitudine a deformarii de până la 25 la sută; timpul său de recuperare este mai mic de 15 s. Atunci când acest tip de senzor este utilizat pentru monitorizarea umană, poate asigura stabilitatea semnalului și performanțe puternice de detectare. De asemenea, sensibilitatea ridicată și elasticitatea senzorului compozit din fibră de carbon tocată piezoresistivă/polidimetilsiloxan [18] îl fac potrivit pentru detectarea deformarii în diferite aplicații, cum ar fi mișcarea umană, încrețirea țesăturii etc. Cu toate acestea, acest tip de senzor necesită îmbunătățiri suplimentare. Proprietățile sale piezoresistive sunt sensibile la structura sarcinii. O tensiune excesivă aplicată va cauza probleme precum sensibilitatea redusă și comutarea piezoresistivă întârziată.

2. Fibră de aramidă

Denumirea completă a fibrei de aramidă este fibră de poliamidă aromatică, care are avantajele unei rezistențe ridicate, modul înalt, densitate scăzută, rezistență la uzură, rezistență la impact și izolație excelentă. Datorită diferitelor poziții de conectare ale legăturii amidice și ale inelului benzenic, există diferențe în structura moleculară a aramidei, care poate fi adesea împărțită în para-aramid, meta-aramid și aramid III.

2.1 Tehnologia de producție

În ultimii ani, fibrele de aramid în țară și în străinătate au atins treptat o producție industrială cu valoare adăugată ridicată, iar producția a crescut de la an la an. Fibra de aramid 1414 (poli-p-fenilen tereftamidă, PPTA), unul dintre produsele principale, este un punct cheie în controlul calității produsului finit în timpul procesului de filare. Chen Zhourong a efectuat o cercetare a procesului de producție în acest sens: adăugarea de apă și agent antistatic la pretratarea fibrelor PPTA pentru a reduce electricitatea statică; la cardare, utilizați dispozitive cu cilindru și dofer cu adâncime mică a dinților și viteză rapidă de mișcare pentru a rezolva problema că filarea este predispusă la pulbere și noduri. În același timp, reglați pasul dispozitivului pentru a accelera transferul de fibre. Dezvoltarea și producția de fibre de aramidă cu proprietăți mecanice superioare este un subiect demn de cercetare pentru extinderea domeniului de aplicare al fibrelor aramide. Teng și colab. Se amestecă PPTA comercial cu h-PPTA (PPTA cu greutate moleculară mare) în acid sulfuric concentrat. În timpul procesului de filare cu jet uscat și umed, h-PPTA poate îmbunătăți interacțiunea dintre macromolecule și poate induce orientarea lanțurilor scurte de PPTA de-a lungul axei fibrei. Rezistența la tracțiune și modulul inițial al fibrelor aramide produse sunt îmbunătățite. În plus, Ren Zhongkai și colab. Cercetarea și prepararea aramidei de înaltă rezistență 1313. Rezistența la rupere a aramidei convenționale 1313 este mai mică decât cea a aramidei 1414. Prin creșterea vâscozității soluției de filare și reducerea conținutului de solid, greutatea moleculară a polimerului poate fi crescută și adăugarea de modificatori poate crește orientarea și uniformitatea structurală a fibrelor. Metoda de încălzire treptată și spălare treptată asigură compactitatea structurii fibrei. Aceste diverse îmbunătățiri tehnice fac fibrele mai puternice și mai durabile.

2.2 Tehnologia de umbrire

Aramida are o structură compactă și o temperatură ridicată de tranziție sticloasă, ceea ce face dificilă vopsirea prin procese convenționale. Prin urmare, atunci când mobilitatea lanțului macromolecular al fibrei crește și zona amorfă crește, colorantul poate intra cu ușurință în fibră și se poate combina cu ea. Azam şi colab. Se propune ca adâncimea de vopsire a fibrelor de aramid să fie relativ scăzută în ultimii ani, astfel încât acestea folosesc alcool benzilic ca agent de umflare pentru a optimiza procesul de vopsire a coloranților cationici pentru fibrele meta-aramide. Țesătura aramidă are o adâncime mare de vopsire și pierderi reduse de rezistență. În plus, Kale și colab. Suprafața fibrei de aramidă vopsită este acoperită cu nanoparticule de dioxid de titan pentru a rezolva problema rezistenței slabe la lumină a fibrei de aramidă vopsite. Pentru imprimarea textilelor aramid, imprimarea purtătoare cu coloranți dispersi este o încercare bună,

2.3 Tehnologia funcțională

2.3.1 Optimizarea structurii fabricii

Cercetările privind țesăturile de protecție de înaltă performanță din aramidă au fost, de asemenea, dezvoltate pe măsură ce cererea în domeniul echipamentelor de protecție individuală și industrială crește. Pe baza frecării dintre firele din țesăturile aramidă care au un impact mai mare asupra rezistenței la impact, Moure și colab. Proprietățile mecanice și coeficienții de frecare a firelor ai țesăturilor para-aramid cu structuri diferite au fost comparate la diferite straturi de la fire la structură. Studiul a constatat că, deși proprietățile mecanice ale firelor sunt practic aceleași, proprietățile mecanice ale țesăturilor sunt diferite; când fibrele de aramidă sunt împletite pe țesătura de armare la un unghi vertical, pot absorbi multă energie, care este mai mare decât cea a țesăturilor moi obișnuite. Și când materialul are o densitate de energie absorbită și un coeficient de frecare mai mare,

2.3.2 Îmbunătățirea performanței țesăturilor

Pentru a îmbunătăți performanța practică a îmbrăcămintei de protecție, Nayak și colab. aplicat acoperiri cu carbură de bor pe țesăturile aramid. Deși rezistența generală la perforare a țesăturii este îmbunătățită, aceasta provoacă și concentrarea stresului, care afectează performanța de protecție locală a țesăturii; în același timp, fluxul de vapori de transpirație ai stratului este restricționat, rezultând un confort redus. Având în vedere problema transpirației scăzute a umidității și a performanței de transpirație a țesăturilor aramide, permanganatul acid de potasiu sau modificarea cu plasmă combinată cu transpirația umidității și metodele de finisare a transpirației pot fi utilizate pentru a genera grupuri polare pe fibrele țesăturii pentru a îmbunătăți umecbilitatea fibrelor și finisajul. pătrunde și se leagă mai bine de fibre. În general, produsele multifuncționale sunt mai populare pe piață. Shen și colab. Soluția mixtă de poliuretan pe bază de apă, copolimer de poliviniliden fluorură-hexafluorpropilenă și fluoroalchil silan a fost acoperită pe țesătură de aramidă prin metoda de acoperire prin scufundare, iar țesătura obținută a avut atât superhidrofobicitate durabilă, cât și funcții de protecție chimică. . Liu și colab. Țesăturile de aramidă au fost impregnate cu fluid de îngroșare prin forfecare (STF) și acoperite cu nanotuburi de carbon (CNT) printr-un proces compozit, rezultând țesături compozite cu funcții excelente de protecție și de detectare. Printre acestea, CNT crește conductivitatea electrică și caracteristicile de răspuns ale țesăturii, care pot fi detectate eficient; adăugarea de STF permite materialului compozit să reziste la forțe de impact mai mari și să ofere o protecție mai puternică. Copolimerul de fluorură de poliviniliden-hexafluorpropilenă și fluoroalchil silan au fost acoperite prin imersare pe țesătură de aramidă, iar țesătura rezultată a avut atât superhidrofobicitate durabilă, cât și protecție chimică. . Liu și colab. Țesăturile de aramidă au fost impregnate cu fluid de îngroșare prin forfecare (STF) și acoperite cu nanotuburi de carbon (CNT) printr-un proces compozit, rezultând țesături compozite cu funcții excelente de protecție și de detectare. Printre acestea, CNT crește conductivitatea electrică și caracteristicile de răspuns ale țesăturii, care pot fi detectate eficient; adăugarea de STF permite materialului compozit să reziste la forțe de impact mai mari și să ofere o protecție mai puternică. Copolimerul de fluorură de poliviniliden-hexafluorpropilenă și fluoroalchil silan au fost acoperite prin imersare pe țesătură de aramidă, iar țesătura rezultată a avut atât superhidrofobicitate durabilă, cât și protecție chimică. . Liu și colab. Țesăturile de aramidă au fost impregnate cu fluid de îngroșare prin forfecare (STF) și acoperite cu nanotuburi de carbon (CNT) printr-un proces compozit, rezultând țesături compozite cu funcții excelente de protecție și de detectare. Printre acestea, CNT crește conductivitatea electrică și caracteristicile de răspuns ale țesăturii, care pot fi detectate eficient; adăugarea de STF permite materialului compozit să reziste la forțe de impact mai mari și să ofere o protecție mai puternică. Țesăturile de aramidă au fost impregnate cu fluid de îngroșare prin forfecare (STF) și acoperite cu nanotuburi de carbon (CNT) printr-un proces compozit, rezultând țesături compozite cu funcții excelente de protecție și de detectare. Printre acestea, CNT crește conductivitatea electrică și caracteristicile de răspuns ale țesăturii, care pot fi detectate eficient; adăugarea de STF permite materialului compozit să reziste la forțe de impact mai mari și să ofere o protecție mai puternică. Țesăturile de aramidă au fost impregnate cu fluid de îngroșare prin forfecare (STF) și acoperite cu nanotuburi de carbon (CNT) printr-un proces compozit, rezultând țesături compozite cu funcții excelente de protecție și de detectare. Printre acestea, CNT crește conductivitatea electrică și caracteristicile de răspuns ale țesăturii, care pot fi detectate eficient; adăugarea de STF permite materialului compozit să reziste la forțe de impact mai mari și să ofere o protecție mai puternică.

3. Fibră UHMWPE

Fibrele de polietilenă cu greutate moleculară ultra-înaltă (UHMWPE) au multe proprietăți excelente, cum ar fi rezistența ridicată la tracțiune, modulul ridicat și densitatea de masă scăzută și sunt inerte în solvenți chimici.

3.1 Tehnologia de producție

În prezent, producția de fibre UHMWPE a fost industrializată, dar această metodă de producție pe scară largă poate fi realizată numai prin filare cu gel. Cu toate acestea, această metodă utilizează o cantitate mare de solvent organic și provoacă problema poluării mediului cu costuri de producție ridicate. Procesul de filare prin topire (filare prin topire), care este simplu în proces, nu necesită solvent organic și are un cost scăzut, este o alegere mai bună. Kakiage și colab. Metode combinate de filare a topiturii și de preparare a trefilării în topitură pentru a îmbunătăți rezistența la tracțiune a fibrelor UHMWPE. Stilare prin topire accelerează creșterea orientării liniare a cristalului în fibră. La 145 de grade, rezistența la tracțiune a fibrei poate ajunge la 1,1 GPa în condițiile unui raport de tragere de 20 și o viteză de deformare de 40/min. În comparație cu filarea cu gel, proprietățile mecanice ale fibrelor UHMWPE realizate prin filarea în topitură sunt mult mai slabe. Cu toate acestea, pentru a satisface nevoile pieței fibrelor de rezistență medie și ale pieței de masă textile, fibrele UHMWPE de rezistență medie realizate din filare topită poluantă cu lumină sunt suficiente.

3.1 Tehnologia de umbrire

Din perspectiva pieței din aval a fibrelor UHMWPE, fibrele UHMWPE cu culori bogate pot crește valoarea adăugată a produselor, extinde aplicațiile de pe piață și, astfel, pot spori competitivitatea produselor. Cu toate acestea, din cauza cristalinității ridicate și a lipsei grupurilor funcționale ale fibrelor UHMWPE, metodele tradiționale sunt dificil de vopsit. Ma și colab. Încercările de vopsire a țesăturilor UHMWPE la 120 de grade și 20 MPa de dioxid de carbon supercritic (scCO2). Odată cu creșterea timpului de vopsire și a concentrației de colorant, capacitatea de vopsire a țesăturii UHMWPE este îmbunătățită continuu, iar rezistența culorii țesăturii este, de asemenea, îmbunătățită. Timpul de colorare a fost prelungit și crescut. Și adăugarea de decalină ca co-solvent în scCO2 a dus la randamente mai mari de culoare. Dar după ce adaugă decalină,