התקדמות בקידום הציוויליזציה של שלושה טקסטיל סיבים בעל ביצועים גבוהים

התקדמות בקידום הציוויליזציה של שלושה טקסטיל סיבים בעל ביצועים גבוהים

לסיבים בעלי ביצועים גבוהים יש עמידות חזקה בפני השפעות פיזיקליות כמו אור, חשמל, חום וכוח מהעולם החיצון, כמו גם השפעות כימיות כמו חמצון, חומצות ואלקליות, כך שלסיבים יש חוזק גבוה, מודולוס גבוה, עמידות בטמפרטורה גבוהה, ותכונות מעכבי בעירה. ניתן לחלק סיבים בעלי ביצועים גבוהים לסיבים אורגניים וסיבים אורגניים. סיבים אורגניים כוללים: סיבי ארמיד, סיבי פוליאתילן במשקל מולקולרי גבוה במיוחד, סיבי פוליפנילן גופרתי וכו'; סיבים אנאורגניים כוללים בעיקר: סיבי פחמן, סיבי קרמיקה וכו', מתוכם סיבי פחמן, סיבי ארמיד וסיבי פוליאתילן בעל משקל מולקולרי גבוה במיוחד הם שלושת הסיבים העיקריים. חדשנות ותחרות טכנולוגית; הביקוש בשוק העולמי מואץ, והיצרנים ממשיכים לחקור תחומי יישומים. פתח מוצרים חדשים סחירים כדי להשיג יתרון תחרותי.

כיום, סיבים בעלי ביצועים גבוהים נמצאים בשלב של פיתוח נמרץ, ומוצרים שונים (חומרים מרוכבים, חבלים ועוד) משמשים גם בתחומי התעשייה הצבאית, תעופה וחלל, ניווט, הנדסה אזרחית, טקסטיל והלבשה. מחקר זה מציג ומנתח טכניקות אופטימיזציה שונות עבור שלושת הסיבים והטקסטיל בעלי הביצועים הגבוהים במונחים של הפחתת עלויות, שיפור פונקציונלי ושיפור ערך מוסף כדי לקדם את הפיתוח של טקסטיל בעל ביצועים גבוהים למוצרים באיכות גבוהה שניתנים לשיתוף. חברה ואזרחים.

1. סיבי פחמן

סיבי פחמן הם חומר סיבי המבוסס על פחמן המורכב מגבישי גרפיט בשכבות המוערמים בכיוון הצירי. יש לו תכונות מכניות מצוינות ותכונות קלות משקל. לאחר עשרות שנים של פיתוח, היישום המסחרי של סיבי פחמן התפשט לתחומי היי-טק רבים.

1.1 טכנולוגיית ייצור

נכון לעכשיו, כ-90 אחוז מסיבי הפחמן המסחריים מיוצרים מפוליאקרילוניטריל (PAN). סיבי פחמן תעשייתיים תעשייתיים מבוססי PAN הינם יקרים ומוגבלים בתפוקה, מה שמקשה על הפופולריות בקנה מידה גדול. כדי להפחית עלויות, PAN זול בדרגת טקסטיל וליגנין מתחדש משמשים כחומרי מבשר לייצור סיבי פחמן.

Jiang et al. שימוש בשיטת ספינינג רטוב להכנת סיבים מקדימים מליגנין קש חיטה וסיבי טקסטיל אקריליים כחומרי גלם יכולים להפחית את עלות הייצור של סיבי פחמן; בשל טמפרטורת התגובה התרמית הגבוהה של ליגנין, הוא יכול גם לגרום לסיבים מעורבבים של ליגנין/PAN לשיפור היציבות התרמית. הואנג וצוותו השתמשו בגואנידין הידרוכלוריד נטול מתכת כדי לשנות סיבי טקסטיל אקריליים, מה שאפשר לתהליך החמצון הקדם להתרחש בטמפרטורות נמוכות יותר, מה שמפחית את עלויות הייצור. יחד עם זאת, מבנה הפולימר הנוצר מתגובת המחזור של קבוצת הניטריל בטמפרטורה נמוכה יציב יותר, כך שלסיבי הפחמן יש תכונות מכניות טובות יותר. הקרנת UV של סיבי PAN המכילים photoinitiators לפני חמצון מראש יכולה להגביר את קצב תגובת המחזור ולקצר את זמן החמצון. המחקר של Jo et al. נמצא כי הקרנת סיבי PAN בדרגת טקסטיל ללא photoinitiator עם אור UV יכולה גם לקדם ביעילות את תהליך החמצון המקדים, שאורך 30 דקות בלבד. ספינינג אלקטרו באמצעות תהליך פשוט הוא הדרך הטובה ביותר להכנת ננו-סיבי פחמן (CNF), שתהליךם תלוי במידה רבה במבשרים כגון PAN, pitch וליגנין. חן וחב'. Bagasse היה esterified בצורה הומוגנית באמצעות חומצה אנהידריד ולאחר מכן מעורבב עם PAN עבור electrospinning כדי להכין CNFs. בגאס מאסטרי עוזר לשמור על אטומי החנקן של CNF, ובכך משפר את היציבות התרמית, המוליכות החשמלית ופעילות פני השטח של הסיבים.

ניתן לראות שבין אם מדובר בטוויה רטוב מסורתית ובין אם מדובר בספינינג אלקטרו-ספינינג חדש, המפתח להפחתת העלות של ייצור סיבי פחמן טמון בחומרי גלם ובתהליכים. המחקר מתמקד בבחירה, שינוי ואופטימיזציה של תהליכים של חומרים מקדימים מבוססי פחמן. חיבור וחיסור. כמובן, על מנת להשיג ייצור המוני בעלות נמוכה, יש צורך גם להגביר את התפוקה.

1.2 טכנולוגיית הצללה

הגבישיות הגבוהה והאינרטיות הכימית של סיבי פחמן מקשים על הצבע עם צבעים או פיגמנטים מסורתיים. גבישים פוטוניים הם חומרים דיאלקטריים אשר מסודרים מעת לעת בחלל באמצעות חומרים בעלי מדדי שבירה שונים. יש לו מרווח פס פוטוני והוא יכול לשקף באופן סלקטיבי פוטונים באורך גל מסוים, והאור המוחזר מתבקע על פני הגביש, וכתוצאה מכך צבע. ניתן להכין סיבי פחמן צבעוניים על ידי הרכבת ננו-חלקיקים טעונים מפוזרים על פני השטח של סיבי פחמן באמצעות שקיעה אלקטרופורטית, אך העמידות המכנית אינה מספקת ביישומים מעשיים. ניו וחב'. שכבות ZnO ו-Al2O3 עם ניגודיות מקדם שבירה גדול שימשו כרכיבים תקופתיים והופקדו על פני השטח של סיבי פחם פעילים בפלזמה בטכניקת השקעת שכבה אטומית. לסיבי הפחמן הרב-צבעים המוכנים יש יציבות מכנית מעולה ויכולת כביסה. מִין. בתנאי אור מפוזרים, בדי אריגה רגילים של סיבים יכולים להפגין תכונות וצבע מחזירי אור בלתי תלויים בזווית.

1.3 טכנולוגיה פונקציונלית

1.3.1 אלקטרודות סיבים גמישים

עם ההתפתחות המהירה של טכנולוגיה לבישה, עבודת המחקר על טקסטיל חכם אלקטרוני השתפרה משמעותית בשנים האחרונות. המחקר והפיתוח של רכיבים אלקטרוניים מתאימים תפסו מקום בהדרגה. לדוגמה, בדים מבוססי סיבי פחמן הם כיום חומרי אלקטרודה גמישים פופולריים; עם זאת, הגמישות והביצועים המעולים של אלקטרודות כאלה היו נושא חשוב בפיתוח טקסטיל חכם. לי וחב'. בד הכותנה המצופה ב-KOH פחם על ידי תהליך חידוד תבנית דינמי, אשר קידם היווצרות של מבנה נקבובי מסודר בשכבות על דופן הסיבים. בדי סיבי הפחמן המיוצרים הם בעלי חוזק מכני מצוין וניתן להשתמש בהם כאלקטרודות קבל-על. ישנן גישות אחרות לפיתוח אלקטרודות בד סיבי פחמן על קיבוליות, כגון תחריט כימי סלקטיבי וקילוף אלקטרוכימי של ננו-חלקיקי ניקל ליצירת נקבוביות מרובות קנה מידה וקבוצות תגובתיות בבדים, ושינוי הטרואטומי של בדי סיבי פחמן. בנוסף, ל-CNFs יש מוליכות חשמלית טובה ושטח פנים ספציפי גדול, שיש להם פוטנציאל גדול ביישום של מכשירים אלקטרוניים. לויט וחב'. מתכת המעבר הדו-ממדית Ti3C2Tx עורבבה לתוך תמיסת PAN, ואחריה ספינינג אלקטרו להכנת מחצלות ננו-סיבי פחמן. הקיבול של האלקטרודות המרוכבות שיוצרו כך גבוה מזה של סיבי פחמן טהורים. התוספת של Ti3C2Tx משפרת את הביצועים האלקטרוכימיים של האלקטרודה המרוכבת. גם מוליכות ועמידות חזקות יותר.

1.3.2 חיישנים גמישים

עם שיפור המודעות לבריאות הציבור ושיפור דרישות הציוד בתחומים מיוחדים, טקסטיל חכם משתלב בהדרגה במערך הניטור של הטיפול והניטור הרפואי. אחד המרכיבים המרכזיים הוא החיישן. עזיז'אני וחב'. גומי הסיליקון המרפא בטמפרטורת החדר נבחר כמטריצה, וסיבי הפחמן הקצוצים משמשים כחומר המוליך להכנת חיישן מתח ההתנגדות, בעל רגישות גבוהה בטווח משרעת המתח של עד 25 אחוז; זמן ההחלמה שלו הוא פחות מ-15 שניות. כאשר סוג זה של חיישן משמש לניטור אנושי, הוא יכול להבטיח יציבות אות וביצועי חישה חזקים. באופן דומה, הרגישות הגבוהה ויכולת המתיחה של החיישן המרוכב של סיבי פחמן קצוץ piezoresistive/polydimethylsiloxane [18] הופכות אותו למתאים לזיהוי חישת מתח ביישומים שונים, כגון תנועה אנושית, קמטים בבד וכו'. עם זאת, חיישן מסוג זה זקוק לשיפור נוסף. המאפיינים ה-piezoresistive שלו רגישים למבנה העומס. מאמץ יתר המופעל יגרום לבעיות כמו רגישות מופחתת ועיכוב במעבר פייזוריסטי.

2. סיבי ארמיד

השם המלא של סיבי ארמיד הוא סיבי פוליאמיד ארומטי, בעלי היתרונות של חוזק גבוה, מודול גבוה, צפיפות נמוכה, עמידות בפני שחיקה, עמידות בפני פגיעות ובידוד מעולה. בשל מיקומי החיבור השונים של הקשר האמיד וטבעת הבנזן, ישנם הבדלים במבנה המולקולרי של ארמיד, שלעיתים ניתן לחלק אותם לפארא-ארמיד, מטה-ארמיד ו-aramid III.

2.1 טכנולוגיית ייצור

בשנים האחרונות, סיבי הארמיד בארץ ובחו"ל השיגו בהדרגה ייצור תעשייתי בעל ערך מוסף גבוה, והתפוקה גדלה משנה לשנה. סיבי Aramid 1414 (poly-p-phenylene terephthamide, PPTA), אחד המוצרים העיקריים, הם נקודת מפתח בבקרת איכות המוצר המוגמר במהלך תהליך הטוויה. Chen Zhourong ערך מחקר תהליך ייצור בנושא זה: הוספת מים וחומר אנטי סטטי לטיפול מקדים בסיבי PPTA כדי להפחית חשמל סטטי; בעת הקלפה, השתמש במכשירי צילינדר ו-Doffer עם עומק שן קטן ומהירות תנועה מהירה כדי לפתור את הבעיה שסחרור נוטה לאבקה ולקשרים. במקביל, התאם את הגובה של המכשיר כדי להאיץ את העברת הסיבים. פיתוח וייצור של סיבי ארמיד בעלי תכונות מכניות גבוהות יותר הוא נושא מחקר ראוי להרחבת תחום היישום של סיבי ארמיד. טנג וחב'. מערבבים PPTA מסחרי עם h-PPTA (PPTA במשקל מולקולרי גבוה) בחומצה גופרתית מרוכזת. במהלך תהליך הסחרור היבש-רטוב, h-PPTA יכול לשפר את האינטראקציה בין מקרומולקולות ולגרום לכיוון של שרשראות PPTA קצרות לאורך ציר הסיבים. חוזק המתיחה והמודול ההתחלתי של סיבי הארמיד המיוצרים משופרים. בנוסף, Ren Zhongkai et al. מחקר והכנה של ארמיד בעל חוזק גבוה 1313. חוזק השבירה של ארמיד 1313 רגיל נמוך מזה של ארמיד 1414. על ידי הגדלת צמיגות התמיסה המסתובבת והפחתת תכולת המוצק, ניתן להגדיל את המשקל המולקולרי של הפולימר, וכן תוספת של חומרי שינוי יכולה להגביר את הכיוון ואת האחידות המבנית של הסיבים. שיטת החימום ההדרגתית והשטיפה ההדרגתית מבטיחה את הקומפקטיות של מבנה הסיבים. השיפורים הטכניים השונים הללו הופכים את הסיבים לחזקים ועמידים יותר.

2.2 טכנולוגיית הצללה

לארמיד מבנה קומפקטי וטמפרטורת מעבר זכוכית גבוהה, מה שמקשה על צביעה בתהליכים קונבנציונליים. לכן, כאשר ניידות השרשרת המקרו-מולקולרית של הסיב עולה והשטח האמורפי גדל, הצבע יכול בקלות להיכנס לסיב ולהתאחד איתו. Azam et al. מוצע כי עומק הצביעה של סיבי ארמיד נמוך יחסית בשנים האחרונות, ולכן הם משתמשים באלכוהול בנזיל כחומר התפיחה כדי לייעל את תהליך הצביעה של צבעים קטיוניים לסיבי מטא-ארמיד. בד ארמיד יש עומק צביעה גבוה ואובדן חוזק נמוך. בנוסף, Kale et al. פני השטח של סיבי ארמיד צבועים מצופים בננו-חלקיקי טיטניום דו-חמצני כדי לפתור את בעיית העמידות לאור ירודה של סיבי ארמיד צבועים. להדפסת טקסטיל ארמיד, הדפסת נשא עם צבעים מפוזרים היא ניסיון טוב,

2.3 טכנולוגיה פונקציונלית

2.3.1 אופטימיזציה של מבנה הבד

כמו כן, פותחו מחקרים על בדי מגן בעלי ביצועים גבוהים העשויים מארמיד ככל שהביקוש בתחום ציוד המגן האישי והתעשייתי עולה. בהתבסס על חיכוך בין חוטים בבדי ארמיד בעלי השפעה רבה יותר על עמידות הפגיעה, Moure et al. התכונות המכניות ומקדמי החיכוך של חוט של בדי פארא-ארמיד בעלי מבנים שונים הושוו בשכבות שונות מחוט למבנה. המחקר מצא שלמרות שהתכונות המכניות של החוטים זהות בעצם, התכונות המכניות של הבדים שונות; כאשר סיבי הארמיד שזורים על הבד המחזק בזווית אנכית, הם יכולים לספוג אנרגיה רבה, שהיא גדולה מזו של בדים רכים רגילים. וכאשר לבד יש צפיפות אנרגיה נספגת ומקדם חיכוך גבוהים יותר,

2.3.2 שיפור ביצועי בד

כדי לשפר את הביצועים המעשיים של ביגוד מגן, Nayak et al. להחיל ציפוי בורון קרביד על בדי ארמיד. למרות שההתנגדות הכללית לניקוב של הבד משופרת, היא גם גורמת לריכוז מתח, המשפיע על ביצועי ההגנה המקומיים של הבד; במקביל, זרימת אדי הזיעה של הציפוי מוגבלת, וכתוצאה מכך נוחות מופחתת. לאור בעיית ביצועי הזעה והזעה ירודה של בדי ארמיד, ניתן להשתמש בשינוי חומצה אשלגן פרמנגנט או פלזמה בשילוב עם שיטות גימור הזעה והזעה ללחות ליצירת קבוצות קוטביות על סיבי הבד לשיפור יכולת ההרטבה של סיבים. חודר ונקשר טוב יותר לסיבים. באופן כללי, מוצרים רב תכליתיים פופולריים יותר בשוק. Shen et al. התמיסה המעורבת של פוליאוריטן על בסיס מים, קופולימר פוליווינילידן פלואוריד-הקספלואורופרופילן ופלואוראלקיל סילאן צויפה על בד ארמיד בשיטת ציפוי טבילה, ולבד שהתקבל היו גם פונקציות סופרהידרופוביות עמידות וגם פונקציות הגנה כימיות. . Liu et al. בדי ארמיד הוספגו בנוזל עיבוי גזירה (STF) וצופו בננו-צינוריות פחמן (CNT) בתהליך מרוכב, וכתוצאה מכך נוצרו בדים מרוכבים עם פונקציות הגנה וחישה מצוינות. ביניהם, CNT מגביר את המוליכות החשמלית ואת מאפייני התגובה של הבד, שניתן לזהות ביעילות; התוספת של STF מאפשרת לבד המרוכב לעמוד בכוחות פגיעה גבוהים יותר ולספק הגנה חזקה יותר. קופולימר פוליווינילידן פלואוריד-הקספלואורפרופילן וסילאן פלואור-אלקיל צופו על בד ארמיד, ולבד שנוצר היה גם סופרהידרופוביות עמידה וגם הגנה כימית. . Liu et al. בדי ארמיד הוספגו בנוזל עיבוי גזירה (STF) וצופו בננו-צינוריות פחמן (CNT) בתהליך מרוכב, וכתוצאה מכך נוצרו בדים מרוכבים עם פונקציות הגנה וחישה מצוינות. ביניהם, CNT מגביר את המוליכות החשמלית ואת מאפייני התגובה של הבד, שניתן לזהות ביעילות; התוספת של STF מאפשרת לבד המרוכב לעמוד בכוחות פגיעה גבוהים יותר ולספק הגנה חזקה יותר. קופולימר פוליווינילידן פלואוריד-הקספלואורפרופילן וסילאן פלואור-אלקיל צופו על בד ארמיד, ולבד שנוצר היה גם סופרהידרופוביות עמידה וגם הגנה כימית. . Liu et al. בדי ארמיד הוספגו בנוזל עיבוי גזירה (STF) וצופו בננו-צינוריות פחמן (CNT) בתהליך מרוכב, וכתוצאה מכך נוצרו בדים מרוכבים עם פונקציות הגנה וחישה מצוינות. ביניהם, CNT מגביר את המוליכות החשמלית ואת מאפייני התגובה של הבד, שניתן לזהות ביעילות; התוספת של STF מאפשרת לבד המרוכב לעמוד בכוחות פגיעה גבוהים יותר ולספק הגנה חזקה יותר. בדי ארמיד הוספגו בנוזל עיבוי גזירה (STF) וצופו בננו-צינוריות פחמן (CNT) בתהליך מרוכב, וכתוצאה מכך נוצרו בדים מרוכבים עם פונקציות הגנה וחישה מצוינות. ביניהם, CNT מגביר את המוליכות החשמלית ואת מאפייני התגובה של הבד, שניתן לזהות ביעילות; התוספת של STF מאפשרת לבד המרוכב לעמוד בכוחות פגיעה גבוהים יותר ולספק הגנה חזקה יותר. בדי ארמיד הוספגו בנוזל עיבוי גזירה (STF) וצופו בננו-צינוריות פחמן (CNT) בתהליך מרוכב, וכתוצאה מכך נוצרו בדים מרוכבים עם פונקציות הגנה וחישה מצוינות. ביניהם, CNT מגביר את המוליכות החשמלית ואת מאפייני התגובה של הבד, שניתן לזהות ביעילות; התוספת של STF מאפשרת לבד המרוכב לעמוד בכוחות פגיעה גבוהים יותר ולספק הגנה חזקה יותר.

3. סיבי UHMWPE

סיבי פוליאתילן במשקל מולקולרי גבוה במיוחד (UHMWPE) הם בעלי תכונות מצוינות רבות כגון חוזק מתיחה גבוה, מודולוס גבוה וצפיפות מסה נמוכה, והם אינרטיים בממסים כימיים.

3.1 טכנולוגיית ייצור

כיום, הייצור של סיבי UHMWPE נעשה מתועש, אך ניתן להשיג את שיטת הייצור בקנה מידה גדול זה רק על ידי ספינינג ג'ל. עם זאת, שיטה זו משתמשת בכמות גדולה של ממס אורגני וגורמת לבעיית זיהום הסביבה בעלויות ייצור גבוהות. תהליך ספינינג נמס (Melt spin), שהוא פשוט בתהליך, אינו דורש ממס אורגני ובעלות נמוכה, הוא בחירה טובה יותר. Kakiage et al. שילוב של שיטות הכנת ספינינג נמס וציור נמס לשיפור חוזק המתיחה של סיבי UHMWPE. ציור נמס מאיץ את העלייה בכיוון הגביש ליניארי בסיב. ב-145 מעלות, חוזק המתיחה של הסיב יכול להגיע ל-1.1 GPa בתנאים של יחס משיכה של 20 וקצב מתח של 40/דקה. בהשוואה לסוויית ג'ל, התכונות המכניות של סיבי UHMWPE המיוצרים על ידי ספינינג נמס חלשות הרבה יותר. עם זאת, במתן מענה לצרכים של שוק הסיבים בחוזק בינוני ושוק הטקסטיל המוני, מספיקים סיבי UHMWPE בעלי חוזק בינוני העשויים מסוויית נמס מזהמת אור.

3.1 טכנולוגיית הצללה

מנקודת המבט של השוק במורד הזרם של סיבי UHMWPE, סיבי UHMWPE בעלי צבעים עשירים יכולים להגדיל את הערך המוסף של מוצרים, להרחיב את יישומי השוק, ובכך לשפר את התחרותיות של המוצר. עם זאת, בשל הגבישיות הגבוהה והיעדר קבוצות פונקציונליות של סיבי UHMWPE, קשה לצבוע שיטות מסורתיות. מא ועוד. ניסיונות לצבוע בדי UHMWPE ב-120 מעלות ו-20 MPa פחמן דו חמצני סופר קריטי (scCO2). עם העלייה של זמן הצביעה וריכוז הצבע, יכולת הצביעה של בד UHMWPE משתפרת ללא הרף, וגם יציבות הצבע של הבד משתפרת. זמן הצביעה התארך והתארך. והוספה של דקלין כממס משותף ב-scCO2 הביאה לתשואות צבע גדולות יותר. אבל לאחר הוספת דקלין,