Волокно
 | Эта статья нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( апрель 2009 г. ) |
| Часть серии о |
| Волокно |
|---|
 |
| Натуральные волокна |
| Искусственные волокна |
Волокно или волокно ( британский английский ; от латыни: fibra [ 1 ] ) — природное или искусственное вещество, длина которого значительно превышает ширину. [ 2 ] Волокна часто используются при производстве других материалов. Самые прочные конструкционные материалы часто включают волокна, например углеродное волокно и полиэтилен сверхвысокой молекулярной массы .
Синтетические волокна часто можно производить очень дешево и в больших количествах по сравнению с натуральными волокнами, но для одежды натуральные волокна имеют некоторые преимущества, такие как комфорт, по сравнению с их синтетическими аналогами.
Натуральные волокна
Натуральные волокна образуются или встречаются в форме волокон и включают те, которые производятся растениями, животными и геологическими процессами. [ 2 ] Их можно классифицировать по происхождению:
- Растительные волокна обычно состоят из целлюлозы , часто с лигнином : примеры включают хлопок , коноплю , джут , лен , абаку , пинья , рами , сизаль , жом и банан . Растительные волокна используются при производстве бумаги и текстиля (тканей), а пищевые волокна являются важным компонентом питания человека.
- Древесное волокно , в отличие от растительного волокна, происходит из древесных источников. Формы включают древесину, кружевную кору , термомеханическую целлюлозу (ТМП), а также беленую или небеленую крафт- или сульфитную целлюлозу. Крафт и сульфит относятся к типу процесса варки целлюлозы, используемому для удаления лигнина, связывающего исходную структуру древесины, тем самым высвобождая волокна для использования в бумаге и конструкционных изделиях из древесины, таких как древесноволокнистые плиты .
- Животные волокна состоят в основном из определенных белков. Примерами являются тутового шелкопряда шелк , паучий шелк , сухожилия , кетгут , шерсть , морской шелк и волосы, такие как кашемировая шерсть , мохер и ангора , мех, такой как овчина, кролик, норка, лиса, бобр и т. д.
- Минеральные волокна относятся к группе асбеста . Асбест – единственное природное длинное минеральное волокно. Шесть минералов были классифицированы как «асбест», включая хризотил класса серпентина и минералы, принадлежащие к классу амфиболов : амозит , крокидолит , тремолит , антофиллит и актинолит . Короткие волокнистые минералы включают волластонит и палыгорскит .
- Биологические волокна, также известные как волокнистые белки или белковые нити , состоят в основном из биологически значимых и биологически очень важных белков, мутации или другие генетические дефекты которых могут привести к тяжелым заболеваниям . Примеры включают коллаген [ 3 ] семейство белков, сухожилия , мышечные белки, такие как актин , клеточные белки, такие как микротрубочки. [ нужна ссылка ] и многие другие, такие как паутина , сухожилия и волосы .
Искусственные волокна
Искусственные или химические волокна – это волокна, химический состав, структура и свойства которых существенно изменяются в процессе производства. В моде волокно — это длинная и тонкая прядь или нить материала, которую можно связать или вплести в ткань. [ 4 ] Искусственные волокна состоят из регенерированных волокон и синтетических волокон.
Полусинтетические волокна
Полусинтетические волокна производятся из сырья с естественной длинноцепочечной полимерной структурой и лишь модифицируются и частично разлагаются в результате химических процессов, в отличие от полностью синтетических волокон, таких как нейлон (полиамид) или лавсан (полиэстер), которые химики синтезируют из низкомолекулярные соединения путем реакций полимеризации (образования цепи). Самым ранним полусинтетическим волокном является волокно, регенерированное целлюлозой, вискоза . [ 5 ] Большинство полусинтетических волокон представляют собой волокна, регенерированные целлюлозой.
Целлюлозные регенерированные волокна
Целлюлозные волокна представляют собой разновидность искусственных волокон, регенерированных из натуральной целлюлозы . Целлюлоза поступает из различных источников: вискоза из древесного волокна, бамбуковое волокно из бамбука, морские клетки из морских водорослей и т. д. При производстве этих волокон целлюлоза восстанавливается до достаточно чистой формы в виде вязкой массы и формуется в волокна путем экструзии. через фильеры. Таким образом, производственный процесс оставляет в готовой продукции мало характеристик, отличающих натуральный исходный материал.
Некоторые примеры этого типа волокна:
- округ
- Лиоцелл , марка вискозы
- Капитал
- диацетатное волокно
- триацетатное волокно .
Исторически диацетат и триацетат целлюлозы относились к термину «искусственный шелк», но теперь считаются отдельными материалами.
Синтетические волокна
Синтетические волокна производятся полностью из синтетических материалов, таких как продукты нефтехимии , в отличие от искусственных волокон, полученных из таких натуральных веществ, как целлюлоза или белок. [ 6 ]
Классификация волокон в армированных пластиках делится на два класса: (i) короткие волокна, также известные как прерывистые волокна, с общим соотношением сторон (определяемым как отношение длины волокна к диаметру) от 20 до 60, и (ii) длинные волокна, Также известные как непрерывные волокна, общее соотношение сторон составляет от 200 до 500. [ 7 ]
Металлические волокна
Металлические волокна могут быть вытянуты из пластичных металлов, таких как медь, золото или серебро, и экструдированы или нанесены из более хрупких металлов, таких как никель, алюминий или железо.
Углеродное волокно
Углеродные волокна часто основаны на окисленных и карбонизированных посредством пиролиза полимерах, таких как ПАН , но конечным продуктом является почти чистый углерод.
Карбидкремниевое волокно
Карбидокремниевые волокна, в которых основными полимерами являются не углеводороды , а полимеры, в которых около 50% атомов углерода заменены атомами кремния, так называемые поликарбосиланы . В результате пиролиза получается аморфный карбид кремния, включающий в основном другие элементы, такие как кислород, титан или алюминий, но с механическими свойствами, очень похожими на свойства углеродных волокон.
Стекловолокно
Стекловолокно , изготовленное из специального стекла, и оптическое волокно , изготовленное из очищенного природного кварца , также представляют собой искусственные волокна, получаемые из природного сырья, кварцевое волокно , изготовленное из силиката натрия (жидкого стекла) и базальтовое волокно, изготовленное из расплавленного базальта.
Минеральные волокна
Минеральные волокна могут быть особенно прочными, поскольку они имеют небольшое количество поверхностных дефектов; асбест является обычным явлением. [ 8 ]
Полимерные волокна
- Полимерные волокна представляют собой разновидность искусственных волокон, которые основаны на синтетических химикатах (часто из нефтехимических источников), а не возникают из натуральных материалов в результате чисто физического процесса. Эти волокна изготавливаются из:
- полиамид нейлон
- ПЭТ или ПБТ Полиэстер
- фенол- формальдегид (ПФ)
- поливинилхлоридное волокно (ПВХ) виньон
- полиолефины (ПП и ПЭ) олефиновое волокно
- акриловые полиэфиры, чистые полиэфирные волокна ПАН используются для изготовления углеродного волокна путем обжига в среде с низким содержанием кислорода. Традиционное акриловое волокно чаще используется в качестве синтетической замены шерсти. Углеродные волокна и волокна PF представляют собой два волокна на основе смол, которые не являются термопластичными , большинство других можно плавить.
- ароматические полиамиды (арамиды), такие как Тварон , Кевлар и Номекс, термически разлагаются при высоких температурах и не плавятся. Эти волокна имеют прочную связь между полимерными цепями.
- полиэтилен (PE), в конечном итоге с очень длинными цепями/ HMPE (например, Dyneema или Spectra).
- эластомеры Можно даже использовать , например, спандекс , хотя уретановые волокна начинают заменять технологию спандекса.
- полиуретановое волокно
- Эластолефин
- Соэкструдированные волокна содержат два различных полимера, образующих волокно, обычно в виде сердцевины-оболочки или рядом друг с другом. Существуют волокна с покрытием, например, с никелированным покрытием для устранения статического электричества, с серебряным покрытием для обеспечения антибактериальных свойств и с алюминиевым покрытием для обеспечения радиочастотного отклонения от радиолокационных помех . Половина радара на самом деле представляет собой катушку непрерывного стеклянного жгута, покрытого алюминием. Установленный на самолете высокоскоростной катер измельчает его, когда он вылетает из движущегося самолета, чтобы сбить с толку сигналы радаров.
Микроволокна
Микроволокна, изобретенные в Японии в начале 1980-х годов, также известны как волокна микроденье. Акрил, нейлон, полиэстер, лиоцелл и вискоза могут производиться в виде микроволокон. В 1986 году немецкая компания Hoechst AG начала производство микрофибры в Европе. Это волокно появилось в Соединенных Штатах в 1990 году компанией DuPont. [ 9 ]
Микроволокна в текстиле относятся к волокну меньшего денье (например, полиэстеру, вытянутому до 0,5 денье). Денье и Дтекс — это два показателя выхода волокна, основанные на весе и длине. Если известна плотность волокна, у вас есть и диаметр волокна, в противном случае проще измерить диаметры в микрометрах. Микроволокна в технических волокнах относятся к ультратонким волокнам (стекло или выдутые из расплава термопласты ), часто используемым при фильтрации. Новые конструкции волокон включают экструдирование волокна, которое разделяется на несколько более тонких волокон. Большинство синтетических волокон имеют круглое поперечное сечение, но специальные конструкции могут быть полыми, овальными, звездообразными или трехдольными . Последняя конструкция обеспечивает более оптически отражающие свойства. Синтетические текстильные волокна часто извиты для придания объема тканой, нетканой или трикотажной структуре. Поверхности волокон также могут быть тусклыми или яркими. Тусклые поверхности отражают больше света, а яркие – пропускают свет и делают волокно более прозрачным.
Очень короткие и/или нерегулярные волокна называются фибриллами. Натуральная целлюлоза , такая как хлопок или отбеленная крафт-бумага , имеет более мелкие волокна, выступающие из основной структуры волокна. [ 10 ]
Типичные свойства выбранных волокон
Волокна можно разделить на натуральные и искусственные (синтетические), их свойства могут влиять на их эффективность во многих сферах применения. Синтетические волокнистые материалы все чаще заменяют другие традиционные материалы, такие как стекло и дерево, в ряде областей применения. [ 11 ] Это связано с тем, что искусственные волокна можно создавать химически, физически и механически в соответствии с конкретными техническими требованиями. [ 12 ] Выбирая тип волокна, производитель должен сопоставить его свойства с техническими требованиями применения. Для производства доступны различные волокна. Вот типичные свойства образцов натуральных волокон по сравнению со свойствами искусственных волокон.
| Тип волокна | Диаметр волокна
(в) |
Удельный вес | Предел прочности
(Кси) |
Модуль упругости
(Кси) |
Удлинение при разрыве
(%) |
Водопоглощение
(%) |
| Древесное волокно
(Крафт-целлюлоза) |
0.001-0.003 | 1.5 | 51-290 | 1500-5800 | Н/Д | 50-75 |
| Мусамба | Н/Д | Н/Д | 12 | 130 | 9.7 | Н/Д |
| Кокос | 0.004-0.016 | 1.12-1.15 | 17.4-29 | 2750-3770 | 10-25 | 130-180 |
| Сизаль | 0.008-0.016 [ 15 ] | 1.45 [ 15 ] | 40-82.4 | 1880-3770 | 3-5 | 60-70 |
| сахарного тростника Багасса | 0.008-0.016 | 1.2-1.3 | 26.7-42 | 2175-2750 | 1.1 [ 16 ] | 70-75 |
| Бамбук | 0.002-0.016 | 1.5 | 50.8-72.5 | 4780-5800 | Н/Д | 40-45 |
| Джут | 0.004-0.008 | 1.02-1.04 | 36.3-50.8 | 3770-4640 | 1.5-1.9 | 28.64 [ 17 ] |
| Слоновья трава | 0.003-0.016 [ 18 ] | 0.818 [ 18 ] | 25.8 | 710 | 3.6 | Н/Аб |
| a Адаптировано из ACI 544. IR-96 P58, ссылки [12] P240 и [13]
b Н/Д означает, что свойства недоступны или неприменимы. | ||||||
| Тип волокна | Диаметр волокна
(0,001 дюйма) |
Удельный вес | Предел прочности (Ksi) | Модуль упругости
(Кси) |
Удлинение при разрыве
(%) |
Водопоглощение
(%) |
Точка плавления
(°С) |
Максимальная рабочая
Температура (°С) |
| Сталь | 4-40 | 7.8 | 70-380 | 30,000 | 0.5-3.5 | ноль | 1370 [ 19 ] | 760 [ 19 ] |
| Стекло | 0.3-0.8 | 2.5 | 220-580 | 10,400-11,600 | 2-4 | Н/Д | 1300 | 1000 |
| Углерод | 0.3-0.35 | 0.90 | 260-380 | 33,400-55,100 | 0.5-1.5 | ноль | 3652-3697 [ 20 ] | Н/Д |
| Нейлон | 0.9 | 1.14 | 140 | 750 | 20-30 | 2.8-5.0 | 220-265 | 199 |
| Акрил | 0.2-0.7 | 1.14-1.18 | 39-145 | 2,500-2,800 | 20-40 | 1.0-2.5 | Разложение | 180 |
| Производительность | 0.4-0.5 | 1.38-1.45 | 300-450 | 9,000-17,000 | 2-12 | 1.2-4.3 | Разложение | 450 |
| Полиэстер | 0.4-3.0 | 1.38 | 40-170 | 2,500 | 8-30 | 0.4 | 260 | 170 |
| Полипропилен | 0.8-8.0 | 0.9 | 65-100 | 500-750 | 10-20 | ноль | 165 | 100 |
| полиэтилен
Низкий Высокий |
1.0-40.0 |
0.92 0.95 |
11-17 50-71 |
725 |
25-50 20-30 |
ноль ноль |
110 135 |
55 65 |
| a Адаптировано из ACI 544. IR-96 P40, ссылки [12] P240, [11] P209 и [13]
b Н/Д означает, что свойства недоступны или неприменимы. | ||||||||
В приведенных выше таблицах показаны только типичные свойства волокон, на самом деле есть еще свойства, которые можно обозначить следующим образом (от a до z): [ 14 ]
Дугостойкость, Биоразлагаемость , Коэффициент линейного теплового расширения , Температура непрерывной эксплуатации, Плотность пластмассы , Температура пластичного / хрупкого перехода, Удлинение при разрыве, Удлинение при текучести, Огнестойкость, Гибкость, Стойкость к гамма-излучению, Глянец, Температура стеклования , Твердость , Температура теплового отклонения , Усадка, Жесткость , Предельная прочность на разрыв , Теплоизоляция , Прочность , прозрачность , устойчивость к ультрафиолетовому излучению, объемное сопротивление , водопоглощение, модуль Юнга
См. также
- Керамический матричный композит
- Пищевые волокна
- Урожай волокна
- Моделирование волокна
- Волокна в дифференциальной геометрии
- Формованное волокно
- Нервное волокно
- Оптическое волокно
Ссылки
- ^ Харпер, Дуглас. "волокно" . Интернет-словарь этимологии .
- ^ Перейти обратно: а б Кадольф, Сара (2002). Текстиль . Прентис Холл . ISBN 978-0-13-025443-6 .
- ^ Саад, Мохамед (октябрь 1994 г.). Исследование структуры и упаковки с низким разрешением кристаллических доменов коллагена в сухожилиях с использованием рентгеновских лучей синхротронного излучения, определение структурных факторов, оценка методов изоморфного замещения и другое моделирование . Кандидатская диссертация, Университет Жозефа Фурье, Гренобль I. стр. 1–221. дои : 10.13140/2.1.4776.7844 .
- ^ «искусственное волокно» . Британская энциклопедия . Британская энциклопедия, Inc., 2013.
- ^ Кауфман, Джордж Б. (1993). «Вискоза: первый продукт из полусинтетического волокна». Журнал химического образования . 70 (11): 887. Бибкод : 1993ЖЧЭд..70..887К . дои : 10.1021/ed070p887 .
- ^ «синтетическое волокно» . Британская энциклопедия . Британская энциклопедия, Inc., 2013.
- ^ Серопе Калпакджян, Стивен Р. Шмид. «Производственная техника и технологии». Международное издание. 4-е изд. Прентис Холл, Инк. 2001. ISBN 0-13-017440-8 .
- ^ Джеймс Эдвард Гордон; Филип Болл (2006). Новая наука о прочных материалах, или Почему не проваливаешься сквозь пол . Издательство Принстонского университета . ISBN 978-0-691-12548-0 . Проверено 28 октября 2011 г.
- ^ Коэн, Аллен (11 ноября 2011 г.). Наука о тканях Джей Джей Пиццуто (10-е изд.). Книги Фэйрчайлда. п. 51. ИСБН 978-1-60901-380-6 .
- ^ Ханс Дж. Козловский. «Словарь искусственных волокон». Второе издание. Немецкое специализированное издательство. 2009 год ISBN 3-86641-163-4
- ^ Шеной, Арун (1999). Реология наполненных полимерных систем . Академическое издательство Клувер. ISBN 978-0-412-83100-3 .
- ^ Холлауэй, К. (1990). Полимеры и полимерные композиты в строительстве . Великобритания: Bulter and Tanner Ltd., с. 209. ИСБН 978-0-7277-1521-0 .
- ^ Проектирование и контроль бетонных смесей». Шестнадцатое издание . Соединенные Штаты Америки: Ассоциация портландцемента. 2018. стр. 237–247. ISBN 978-0-89312-277-5 .
- ^ Перейти обратно: а б «Свойства полимеров – Omexus от Special Chem» .
- ^ Перейти обратно: а б «Сизалевое волокно – мир сизаля» .
- ^ Сайн, М. (2014). «Использование волокон жома сахарного тростника в качестве армирования в композитах». В Фаруке, Омар; Сайн, Мохини (ред.). Армирование биоволокном в композитных материалах . Elsevier Наука и технологии. ISBN 9781782421221 .
- ^ Нарайанан, Венкатешваран (2012). «Механические и водопоглощающие свойства тканых гибридных композитов джута и банана». Волокна и полимеры . 13 (7, 907–914). дои : 10.1007/s12221-012-0907-0 .
- ^ Перейти обратно: а б К. Мурали Мохан, Рао (2007). «Свойства на растяжение полимерных композитов, армированных волокном слоновой травы». Журнал материаловедения . 42 (9, 3266–3272). дои : 10.1007/s10853-006-0657-8 .
- ^ Перейти обратно: а б «Металлические материалы – TEADIT» (PDF) .
- ^ «Углеродное волокно – элементы американцев» .
