Avenços en la promoció de la civilització de tres tèxtils de fibra d'alt rendiment

Avenços en la promoció de la civilització de tres tèxtils de fibra d'alt rendiment

Les fibres d'alt rendiment tenen una forta resistència als efectes físics com la llum, l'electricitat, la calor i la força del món exterior, així com els efectes químics com ara oxidants, àcids i àlcalis, de manera que les fibres tenen una gran resistència i un alt mòdul, resistència a altes temperatures i propietats retardants de flama. Les fibres d'alt rendiment es poden dividir en fibres orgàniques i fibres inorgàniques. Les fibres orgàniques inclouen: fibres d'aramida, fibres de polietilè de pes molecular ultra alt, fibres de sulfur de polifenilè, etc.; Les fibres inorgàniques inclouen principalment: fibres de carboni, fibres ceràmiques, etc., de les quals les fibres de carboni, les fibres d'aramida i les fibres de polietilè de pes molecular ultra alt són tres principals La fibra encara es troba en un període de desenvolupament ràpid i ha entrat gradualment en un període d'intens innovació tecnològica i competència; la demanda del mercat global s'està accelerant i els fabricants continuen explorant camps d'aplicació. Desenvolupar nous productes comercialitzables per obtenir un avantatge competitiu.

Actualment, les fibres d'alt rendiment es troben en una fase de desenvolupament vigorós i diversos productes (materials compostos, cordes, etc.) també s'utilitzen en els camps de la indústria militar, aeroespacial, navegació, enginyeria civil, tèxtil i confecció. Aquest estudi introdueix i analitza diverses tècniques d'optimització per a les tres fibres i tèxtils d'alt rendiment principals en termes de reducció de costos, millora funcional i millora del valor afegit per avançar en el desenvolupament de tèxtils d'alt rendiment en productes compartibles d'alta qualitat. societat i civils.

1. Fibra de carboni

La fibra de carboni és un material fibrós a base de carboni compost de cristal·lits de grafit en capes apilats en direcció axial. Té excel·lents propietats mecàniques i propietats lleugeres. Després de dècades de desenvolupament, l'aplicació comercial de la fibra de carboni s'ha estès a molts camps d'alta tecnologia.

1.1 Tecnologia de producció

Actualment, aproximadament el 90 per cent de la fibra de carboni comercial es produeix a partir de poliacrilonitril (PAN). Les fibres de carboni industrials tradicionals basades en PAN són cares i de producció limitada, cosa que dificulta la seva popularització a gran escala. Per reduir costos, s'utilitzen PAN de qualitat tèxtil i lignina renovable de baix cost com a materials precursors per a la producció de fibra de carboni.

Jiang et al. L'ús del mètode de filatura humida per preparar fibres precursores de lignina de palla de blat i fibres acríliques tèxtils com a matèries primeres pot reduir el cost de producció de fibres de carboni; a causa de l'alta temperatura de reacció tèrmica de la lignina, també pot fer que les fibres combinades de lignina/PAN millorin l'estabilitat tèrmica. Huang i el seu equip van utilitzar clorhidrat de guanidina sense metalls per modificar fibres acríliques tèxtils, permetent que el procés de pre-oxidació tingués lloc a temperatures més baixes, reduint els costos de producció. Al mateix temps, l'estructura del polímer formada per la reacció de ciclació del grup nitril a baixa temperatura és més estable, de manera que la fibra de carboni té millors propietats mecàniques. La irradiació UV de fibres PAN que contenen fotoiniciadors abans de la preoxidació pot augmentar la velocitat de reacció de ciclització i escurçar el temps d'oxidació. L'estudi de Jo et al. Es va trobar que la irradiació de fibres PAN de grau tèxtil sense fotoiniciador amb llum UV també pot promoure eficaçment el procés de pre-oxidació, que només triga 30 minuts. L'electrospinning mitjançant un procés senzill és la millor manera de preparar nanofibres de carboni (CNF), el procés de les quals depèn en gran mesura de precursors com el PAN, el to i la lignina. Chen et al. La bagassa es va esterificar de manera homogènia mitjançant anhídrid àcid i després es va barrejar amb PAN per electrospinning per preparar CNF. El bagàs esterificat ajuda a retenir els àtoms de nitrogen del CNF, millorant així l'estabilitat tèrmica, la conductivitat elèctrica i l'activitat superficial de les fibres.

Es pot veure que, tant si es tracta de filatura humida tradicional com de nou electrospinning, la clau per reduir el cost de producció de fibra de carboni rau en les matèries primeres i els processos. La investigació se centra en la selecció, modificació i optimització del procés de materials precursors basats en carboni. Sumes i restes. Per descomptat, per aconseguir una producció massiva de baix cost, també cal augmentar la productivitat.

1.2 Tecnologia d'ombrejat

L'alta cristal·linitat i la inercia química de la fibra de carboni dificulten el color amb colorants o pigments tradicionals. Els cristalls fotònics són materials dielèctrics que s'ordenen periòdicament a l'espai mitjançant materials amb diferents índexs de refracció. Té un buit de banda fotònica i pot reflectir selectivament fotons d'una certa longitud d'ona, i la llum reflectida es difracta a la superfície del cristall, donant lloc a color. Les fibres de carboni de colors es poden preparar assemblant nanopartícules col·loïdals carregades disperses a la superfície de les fibres de carboni per deposició electroforètica, però la durabilitat mecànica és insuficient en aplicacions pràctiques. Niu et al. Les capes de ZnO i Al2O3 amb un gran contrast d'índex de refracció es van utilitzar com a components periòdics i es van dipositar a la superfície de fibres de carbó activat per plasma mitjançant la tècnica de deposició de capa atòmica. Les fibres de carboni multicolors preparades tenen una excel·lent estabilitat mecànica i rentabilitat. gènere. En condicions de llum dispersa, els teixits de teixit lli de fibres poden mostrar propietats reflectants i color independents de l'angle.

1.3 Tecnologia funcional

1.3.1 Elèctrodes de fibra flexible

Amb el ràpid desenvolupament de la tecnologia portàtil, el treball de recerca sobre tèxtils intel·ligents electrònics ha millorat significativament en els últims anys. La investigació i el desenvolupament dels components electrònics corresponents han ocupat un lloc gradualment. Per exemple, els teixits basats en fibra de carboni són actualment materials d'elèctrodes flexibles populars; tanmateix, la flexibilitat i el rendiment superior d'aquests elèctrodes ha estat un tema important en el desenvolupament de tèxtils intel·ligents. Li et al. El teixit de cotó recobert de KOH es va carbonitzar mitjançant un procés de calcinació de plantilla dinàmica, que va promoure la formació d'una estructura porosa ordenada en capes a la paret de fibra. Els teixits de fibra de carboni produïts tenen una resistència mecànica excel·lent i es poden utilitzar com a elèctrodes de supercondensador. Hi ha altres enfocaments per desenvolupar elèctrodes de teixit de fibra de carboni supercapacitius, com ara el gravat químic selectiu i l'exfoliació electroquímica de nanopartícules de níquel per crear porus multiescala i grups reactius en teixits, i la modificació d'heteroàtoms de teixits de fibra de carboni. A més, els CNF tenen una bona conductivitat elèctrica i una gran superfície específica, que tenen un gran potencial en l'aplicació de dispositius electrònics. Levitt et al. El carbur de metall de transició bidimensional Ti3C2Tx es va barrejar amb una solució PAN, seguida d'un electrospinning per preparar estores de nanofibra de carboni. La capacitat dels elèctrodes composts així fabricats és superior a la de les fibres de carboni pures. L'addició de Ti3C2Tx millora el rendiment electroquímic de l'elèctrode compost. La conductivitat i la durabilitat també són més fortes.

1.3.2 Sensors flexibles

Amb la millora de la conscienciació sobre la salut pública i la millora dels requisits d'equips en camps especials, els tèxtils intel·ligents s'integren gradualment al sistema de seguiment de l'atenció mèdica i el seguiment. Un dels components clau és el sensor. Azizhani et al. El cautxú de silicona de curat a temperatura ambient es selecciona com a matriu i la fibra de carboni picada s'utilitza com a material conductor per preparar el sensor de tensió de resistència, que té una alta sensibilitat en el rang d'amplitud de tensió fins al 25 per cent; el seu temps de recuperació és inferior a 15 s. Quan aquest tipus de sensor s'utilitza per al control humà, pot garantir l'estabilitat del senyal i un fort rendiment de detecció. Així mateix, l'alta sensibilitat i extensibilitat del sensor compost de fibra de carboni piezoresistiu/polidimetilsiloxà [18] el fan adequat per a la detecció de detecció de tensió en diferents aplicacions, com el moviment humà, l'arrugada de la tela, etc. Tanmateix, aquest tipus de sensor necessita una millora addicional. Les seves propietats piezoresistives són sensibles a l'estructura de càrrega. L'aplicació d'una tensió excessiva causarà problemes com ara una sensibilitat reduïda i un retard en la commutació piezoresistiva.

2. Fibra d'aramida

El nom complet de la fibra d'aramida és fibra de poliamida aromàtica, que té els avantatges d'alta resistència, alt mòdul, baixa densitat, resistència al desgast, resistència a l'impacte i un excel·lent aïllament. A causa de les diferents posicions de connexió de l'enllaç amida i l'anell de benzè, hi ha diferències en l'estructura molecular de l'aramida, que sovint es pot dividir en para-aramida, meta-aramida i aramida III.

2.1 Tecnologia de producció

En els darrers anys, les fibres d'aramida a casa i a l'estranger han aconseguit gradualment una producció industrial d'alt valor afegit i la producció ha augmentat any rere any. La fibra d'aramida 1414 (poli-p-fenilen tereftamida, PPTA), un dels principals productes, és un punt clau per controlar la qualitat del producte acabat durant el procés de filatura. Chen Zhourong va dur a terme una investigació del procés de producció sobre això: afegir aigua i agent antiestàtic per pretractar les fibres de PPTA per reduir l'electricitat estàtica; En cardar, utilitzeu dispositius de cilindre i doffer amb una profunditat de dent petita i una velocitat de moviment ràpida per resoldre el problema que el filat és propens a la pols i els nusos. Al mateix temps, ajusteu el to del dispositiu per accelerar la transferència de fibra. El desenvolupament i producció de fibres d'aramida amb propietats mecàniques superiors és un tema d'investigació digne per ampliar el camp d'aplicació de les fibres d'aramida. Teng et al. Barrejar PPTA comercial amb h-PPTA (PPTA d'alt pes molecular) en àcid sulfúric concentrat. Durant el procés de filatura de raig sec i humit, h-PPTA pot millorar la interacció entre macromolècules i induir l'orientació de cadenes de PPTA curtes al llarg de l'eix de la fibra. Es millora la resistència a la tracció i el mòdul inicial de les fibres d'aramida produïdes. A més, Ren Zhongkai et al. Recerca i preparació de l'aramida 1313 d'alta resistència. La resistència a la ruptura de l'aramida 1313 convencional és inferior a la de l'aramida 1414. En augmentar la viscositat de la solució de filatura i reduir el contingut de sòlid, es pot augmentar el pes molecular del polímer i l'addició de modificadors pot augmentar l'orientació i la uniformitat estructural de les fibres. L'escalfament gradual i el mètode de rentat gradual garanteixen la compacitat de l'estructura de la fibra. Aquestes diferents millores tècniques fan que les fibres siguin més resistents i duradores.

2.2 Tecnologia d'ombrejat

L'aramida té una estructura compacta i una alta temperatura de transició vítrea, cosa que dificulta el tenyit amb els processos convencionals. Per tant, quan augmenta la mobilitat de la cadena macromolecular de la fibra i augmenta l'àrea amorfa, el colorant pot entrar fàcilment a la fibra i combinar-s'hi. Azam et al. Es proposa que la profunditat de tenyit de les fibres d'aramida és relativament baixa en els darrers anys, de manera que utilitzen alcohol benzílic com a agent d'inflor per optimitzar el procés de tenyit de colorants catiònics per a fibres meta-aramida. El teixit d'aramida té una gran profunditat de tenyit i una baixa pèrdua de resistència. A més, Kale et al. La superfície de la fibra d'aramida tenyida està recoberta de nanopartícules de diòxid de titani per resoldre el problema de la poca resistència a la llum de la fibra d'aramida tenyida. Per a la impressió de tèxtils d'aramida, la impressió de suport amb tints dispersos és un bon intent,

2.3 Tecnologia funcional

2.3.1 Optimització de l'estructura del teixit

També s'ha desenvolupat la investigació sobre teixits de protecció d'alt rendiment fets d'aramida a mesura que augmenta la demanda en el camp dels equips de protecció individual i industrial. Moure et al. Es van comparar les propietats mecàniques i els coeficients de fricció del fil dels teixits de para-aramida amb diferents estructures en diferents capes de fil a estructura. L'estudi va trobar que tot i que les propietats mecàniques dels fils són bàsicament les mateixes, les propietats mecàniques dels teixits són diferents; quan les fibres d'aramida s'entrellacen al teixit de reforç en un angle vertical, poden absorbir molta energia, que és més gran que la dels teixits tous normals. I quan el teixit té una densitat d'energia absorbida i un coeficient de fricció més alts,

2.3.2 Millora del rendiment del teixit

Per millorar el rendiment pràctic de la roba de protecció, Nayak et al. aplicat recobriments de carbur de bor a teixits d'aramida. Tot i que es millora la resistència general a la perforació del teixit, també provoca una concentració d'estrès, que afecta el rendiment de protecció local del teixit; al mateix temps, el flux de vapor de suor del recobriment està restringit, el que resulta en una comoditat reduïda. Tenint en compte el problema de la mala transpiració de la humitat i el rendiment de la transpiració dels teixits d'aramida, es poden utilitzar mètodes d'acabat de permanganat de potassi àcid o de plasma combinats amb transpiració d'humitat i mètodes d'acabat per transpiració per generar grups polars en fibres de teixit per millorar la humectabilitat de les fibres, i l'acabat. penetra i s'uneix millor a les fibres. En termes generals, els productes multifuncionals són més populars al mercat. Shen et al. La solució mixta de poliuretà a base d'aigua, copolímer de fluorur de polivinilidè-hexafluoropropilè i fluoroalquil silà es va recobrir amb teixit d'aramida mitjançant el mètode de recobriment per immersió, i el teixit obtingut tenia funcions de superhidrofobicitat i protecció química duradores. . Liu et al. Els teixits d'aramida es van impregnar amb fluid espessidor de cisalla (STF) i es van recobrir amb nanotubs de carboni (CNT) mitjançant un procés compost, donant lloc a teixits compostos amb excel·lents funcions de protecció i detecció. Entre ells, el CNT augmenta la conductivitat elèctrica i les característiques de resposta del teixit, que es poden detectar eficaçment; L'addició de STF permet que el teixit compost suporti forces d'impacte més altes i proporcioni una protecció més forta. El copolímer de fluorur de polivinilidè-hexafluoropropilè i el fluoroalquil silà van ser recoberts per immersió sobre teixit d'aramida, i el teixit resultant tenia una superhidrofobicitat duradora i una protecció química. . Liu et al. Els teixits d'aramida es van impregnar amb fluid espessidor de cisalla (STF) i es van recobrir amb nanotubs de carboni (CNT) mitjançant un procés compost, donant lloc a teixits compostos amb excel·lents funcions de protecció i detecció. Entre ells, el CNT augmenta la conductivitat elèctrica i les característiques de resposta del teixit, que es poden detectar eficaçment; L'addició de STF permet que el teixit compost suporti forces d'impacte més altes i proporcioni una protecció més forta. El copolímer de fluorur de polivinilidè-hexafluoropropilè i el fluoroalquil silà van ser recoberts per immersió sobre teixit d'aramida, i el teixit resultant tenia una superhidrofobicitat duradora i una protecció química. . Liu et al. Els teixits d'aramida es van impregnar amb fluid espessidor de cisalla (STF) i es van recobrir amb nanotubs de carboni (CNT) mitjançant un procés compost, donant lloc a teixits compostos amb excel·lents funcions de protecció i detecció. Entre ells, el CNT augmenta la conductivitat elèctrica i les característiques de resposta del teixit, que es poden detectar eficaçment; L'addició de STF permet que el teixit compost suporti forces d'impacte més altes i proporcioni una protecció més forta. Els teixits d'aramida es van impregnar amb fluid espessidor de cisalla (STF) i es van recobrir amb nanotubs de carboni (CNT) mitjançant un procés compost, donant lloc a teixits compostos amb excel·lents funcions de protecció i detecció. Entre ells, el CNT augmenta la conductivitat elèctrica i les característiques de resposta del teixit, que es poden detectar eficaçment; L'addició de STF permet que el teixit compost suporti forces d'impacte més altes i proporcioni una protecció més forta. Els teixits d'aramida es van impregnar amb fluid espessidor de cisalla (STF) i es van recobrir amb nanotubs de carboni (CNT) mitjançant un procés compost, donant lloc a teixits compostos amb excel·lents funcions de protecció i detecció. Entre ells, el CNT augmenta la conductivitat elèctrica i les característiques de resposta del teixit, que es poden detectar eficaçment; l'addició de STF permet que el teixit compost suporti forces d'impacte més altes i proporcioni una protecció més forta.

3. Fibra UHMWPE

Les fibres de polietilè de pes molecular ultra alt (UHMWPE) tenen moltes propietats excel·lents, com ara una alta resistència a la tracció, un alt mòdul i una baixa densitat de massa, i són inerts en dissolvents químics.

3.1 Tecnologia de producció

Actualment, la producció de fibres UHMWPE s'ha industrialitzat, però aquest mètode de producció a gran escala només es pot aconseguir mitjançant la filatura de gel. Tanmateix, aquest mètode utilitza una gran quantitat de dissolvent orgànic i provoca el problema de la contaminació ambiental amb un alt cost de producció. El procés de filatura de fusió (spin de fusió), que és senzill en procés, no requereix dissolvent orgànic i té un cost baix, és una millor opció. Kakiage et al. Mètodes combinats de filatura de fusió i preparació d'estirat en fusió per millorar la resistència a la tracció de les fibres UHMWPE. L'estampació en fusió accelera l'augment de l'orientació lineal del cristall a la fibra. A 145 graus, la resistència a la tracció de la fibra pot arribar a 1,1 GPa en condicions d'una relació d'extracció de 20 i una velocitat de tensió de 40/min. En comparació amb la filatura de gel, les propietats mecàniques de les fibres UHMWPE fetes per la filatura en fusió són molt més febles. Tanmateix, per satisfer les necessitats del mercat de fibres de resistència mitjana i del mercat de masses tèxtils, són suficients les fibres UHMWPE de resistència mitjana fetes de filatura de fosa que contamina la llum.

3.1 Tecnologia d'ombrejat

Des de la perspectiva del mercat aigües avall de fibres UHMWPE, les fibres UHMWPE amb colors rics poden augmentar el valor afegit dels productes, ampliar les aplicacions del mercat i, per tant, millorar la competitivitat del producte. Tanmateix, a causa de l'alta cristalinitat i la manca de grups funcionals de les fibres UHMWPE, els mètodes tradicionals són difícils de tenyir. Ma et al. Intents de tenyir teixits UHMWPE a 120 graus i 20 MPa de diòxid de carboni supercrític (scCO2). Amb l'augment del temps de tenyit i la concentració del colorant, la tintura del teixit UHMWPE es millora contínuament i també es millora la solidesa del color del teixit. El temps de tinció es va allargar i augmentar. I l'addició de decalina com a cosolvent en scCO2 va donar lloc a majors rendiments de color. Però després d'afegir decalina,