Avanços na promoção da civilização de três fibras têxteis de alto desempenho

Avanços na promoção da civilização de três fibras têxteis de alto desempenho

As fibras de alto desempenho têm forte resistência a efeitos físicos, como luz, eletricidade, calor e força do mundo exterior, bem como efeitos químicos, como oxidantes, ácidos e álcalis, de modo que as fibras têm alta resistência, alto módulo, resistência a altas temperaturas e propriedades retardantes de chama. As fibras de alto desempenho podem ser divididas em fibras orgânicas e fibras inorgânicas. As fibras orgânicas incluem: fibras de aramida, fibras de polietileno de peso molecular ultra-alto, fibras de sulfeto de polifenileno, etc.; fibras inorgânicas incluem principalmente: fibras de carbono, fibras cerâmicas, etc., das quais fibras de carbono, fibras de aramida e fibras de polietileno de peso molecular ultra-alto são três fibras principais. inovação tecnológica e concorrência; a demanda do mercado global está acelerando e os fabricantes continuam a explorar campos de aplicação. Desenvolver novos produtos comercializáveis ​​para obter uma vantagem competitiva.

Atualmente, as fibras de alto desempenho estão em fase de desenvolvimento vigoroso, e vários produtos (materiais compósitos, cordas, etc.) também são usados ​​nas áreas da indústria militar, aeroespacial, navegação, engenharia civil, têxtil e vestuário. Este estudo apresenta e analisa várias técnicas de otimização para as três principais fibras e têxteis de alto desempenho em termos de redução de custos, aprimoramento funcional e aprimoramento de valor agregado para avançar no desenvolvimento de têxteis de alto desempenho em produtos compartilháveis ​​de alta qualidade. sociedade e civis.

1. Fibra de carbono

A fibra de carbono é um material fibroso à base de carbono composto de cristalitos de grafite em camadas empilhados na direção axial. Possui excelentes propriedades mecânicas e propriedades leves. Após décadas de desenvolvimento, a aplicação comercial da fibra de carbono se espalhou para muitos campos de alta tecnologia.

1.1 Tecnologia de Produção

Atualmente, aproximadamente 90% da fibra de carbono comercial é produzida a partir de poliacrilonitrila (PAN). As fibras de carbono industriais tradicionais baseadas em PAN são caras e limitadas em produção, dificultando a popularização em larga escala. Para reduzir custos, PAN de qualidade têxtil de baixo custo e lignina renovável são usados ​​como materiais precursores para a produção de fibra de carbono.

Jiang et ai. O uso do método de fiação úmida para preparar fibras precursoras de lignina de palha de trigo e fibras acrílicas têxteis como matérias-primas pode reduzir o custo de produção de fibras de carbono; devido à alta temperatura de reação térmica da lignina, também pode melhorar a estabilidade térmica das fibras misturadas de lignina/PAN. Huang e sua equipe usaram cloridrato de guanidina sem metal para modificar as fibras têxteis acrílicas, permitindo que o processo de pré-oxidação ocorra em temperaturas mais baixas, reduzindo os custos de produção. Ao mesmo tempo, a estrutura do polímero formada pela reação de ciclização do grupo nitrila em baixa temperatura é mais estável, de modo que a fibra de carbono possui melhores propriedades mecânicas. A irradiação UV de fibras PAN contendo fotoiniciadores antes da pré-oxidação pode aumentar a taxa de reação de ciclização e encurtar o tempo de oxidação. O estudo de Jo et al. Verificou-se que a irradiação de fibras PAN de grau têxtil sem fotoiniciador com luz UV também pode promover efetivamente o processo de pré-oxidação, que leva apenas 30 minutos. A eletrofiação usando um processo simples é a melhor maneira de preparar nanofibras de carbono (CNFs), cujo processo depende muito de precursores como PAN, piche e lignina. Chen et ai. O bagaço foi homogeneamente esterificado usando anidrido ácido e depois misturado com PAN para eletrofiação para preparar CNFs. O bagaço esterificado ajuda a reter os átomos de nitrogênio do CNF, melhorando assim a estabilidade térmica, a condutividade elétrica e a atividade superficial das fibras.

Pode-se observar que, seja a tradicional fiação úmida ou a nova eletrofiação, a chave para reduzir o custo de produção de fibra de carbono está nas matérias-primas e nos processos. A pesquisa se concentra na seleção, modificação e otimização de processos de materiais precursores à base de carbono. Adição e subtração. Obviamente, para obter uma produção em massa de baixo custo, também é necessário aumentar a produtividade.

1.2 Tecnologia de sombreamento

A alta cristalinidade e a inércia química da fibra de carbono dificultam a coloração com corantes ou pigmentos tradicionais. Cristais fotônicos são materiais dielétricos que são ordenados periodicamente no espaço usando materiais com diferentes índices de refração. Ele tem um gap de banda fotônico e pode refletir seletivamente fótons de um determinado comprimento de onda, e a luz refletida é difratada na superfície do cristal, resultando em cor. As fibras de carbono coloridas podem ser preparadas pela montagem de nanopartículas coloidais carregadas dispersas na superfície das fibras de carbono por deposição eletroforética, mas a durabilidade mecânica é insuficiente em aplicações práticas. Niu et ai. Camadas de ZnO e Al2O3 com grande contraste de índice de refração foram usadas como componentes periódicos e depositadas na superfície de fibras de carvão ativado por plasma pela técnica de deposição de camadas atômicas. As fibras de carbono multicoloridas preparadas possuem excelente estabilidade mecânica e lavabilidade. Gênero sexual. Sob condições de luz difusa, os tecidos lisos de fibras podem exibir propriedades refletivas e cores independentes do ângulo.

1.3 Tecnologia Funcional

1.3.1 Eletrodos de fibra flexível

Com o rápido desenvolvimento da tecnologia vestível, o trabalho de pesquisa sobre têxteis inteligentes eletrônicos melhorou significativamente nos últimos anos. A pesquisa e o desenvolvimento de componentes eletrônicos correspondentes ocuparam gradualmente um lugar. Por exemplo, tecidos à base de fibra de carbono são materiais de eletrodos flexíveis populares atualmente; no entanto, a flexibilidade e desempenho superior de tais eletrodos tem sido uma questão importante no desenvolvimento de têxteis inteligentes. Li et ai. O tecido de algodão revestido com KOH foi carbonizado por um processo de calcinação de molde dinâmico, que promoveu a formação de uma estrutura porosa ordenada em camadas na parede da fibra. Os tecidos de fibra de carbono produzidos possuem excelente resistência mecânica e podem ser utilizados como eletrodos supercapacitores. Existem outras abordagens para desenvolver eletrodos de tecido de fibra de carbono supercapacitivos, como ataque químico seletivo e esfoliação eletroquímica de nanopartículas de níquel para criar poros multiescala e grupos reativos em tecidos e modificação de heteroátomos de tecidos de fibra de carbono. Além disso, os CNFs possuem boa condutividade elétrica e grande área superficial específica, que apresentam grande potencial na aplicação de dispositivos eletrônicos. Levitt et ai. O carboneto de metal de transição bidimensional Ti3C2Tx foi misturado à solução de PAN, seguido de eletrofiação para preparar mantas de nanofibra de carbono. A capacitância dos eletrodos compósitos assim fabricados é maior do que a das fibras de carbono puro. A adição de Ti3C2Tx melhora o desempenho eletroquímico do eletrodo composto. A condutividade e a durabilidade também são mais fortes.

1.3.2 Sensores Flexíveis

Com a melhoria da conscientização da saúde pública e a melhoria dos requisitos de equipamentos em áreas especiais, os têxteis inteligentes são gradualmente integrados ao sistema de monitoramento de assistência médica e monitoramento. Um dos principais componentes é o sensor. Azizhani et ai. A borracha de silicone de cura à temperatura ambiente é selecionada como matriz, e a fibra de carbono cortada é usada como material condutor para preparar o sensor de deformação de resistência, que tem alta sensibilidade na faixa de amplitude de deformação de até 25 por cento; seu tempo de recuperação é inferior a 15 s. Quando esse tipo de sensor é usado para monitoramento humano, ele pode garantir a estabilidade do sinal e um forte desempenho de detecção. Da mesma forma, a alta sensibilidade e elasticidade do sensor composto piezoresistivo de fibra de carbono/polidimetilsiloxano [18] o tornam adequado para detecção de deformação em diferentes aplicações, como movimento humano, enrugamento de tecidos, etc. No entanto, este tipo de sensor necessita de melhorias adicionais. Suas propriedades piezoresistivas são sensíveis à estrutura de carga. A tensão excessiva aplicada causará problemas como sensibilidade reduzida e comutação piezoresistiva atrasada.

2. Fibra de aramida

O nome completo da fibra de aramida é fibra de poliamida aromática, que tem as vantagens de alta resistência, alto módulo, baixa densidade, resistência ao desgaste, resistência ao impacto e excelente isolamento. Devido às diferentes posições de conexão da ligação amida e do anel benzênico, existem diferenças na estrutura molecular da aramida, que muitas vezes pode ser dividida em para-aramida, meta-aramida e aramida III.

2.1 Tecnologia de Produção

Nos últimos anos, as fibras de aramida no país e no exterior alcançaram gradualmente uma produção industrial de alto valor agregado, e a produção aumentou ano a ano. A fibra de aramida 1414 (poli-p-fenileno tereftamida, PPTA), um dos principais produtos, é um ponto chave no controle da qualidade do produto acabado durante o processo de fiação. Chen Zhourong conduziu uma pesquisa de processo de produção sobre isso: adição de água e agente antiestático para pré-tratar fibras de PPTA para reduzir a eletricidade estática; ao cardar, use dispositivos de cilindro e doffer com pequena profundidade de dentes e velocidade de movimento rápida para resolver o problema de que a fiação é propensa a pó e nós. Ao mesmo tempo, ajuste o tom do dispositivo para acelerar a transferência da fibra. O desenvolvimento e produção de fibras de aramida com propriedades mecânicas mais altas é um tópico de pesquisa digno para expandir o campo de aplicação das fibras de aramida. Teng et ai. Misture PPTA comercial com h-PPTA (PPTA de alto peso molecular) em ácido sulfúrico concentrado. Durante o processo de fiação dry-jet-wet, o h-PPTA pode aumentar a interação entre macromoléculas e induzir a orientação de cadeias curtas de PPTA ao longo do eixo da fibra. A resistência à tração e o módulo inicial das fibras de aramida produzidas são melhorados. Além disso, Ren Zhongkai et al. Pesquisa e preparação de aramida de alta resistência 1313. A resistência à ruptura da aramida convencional 1313 é menor que a da aramida 1414. Ao aumentar a viscosidade da solução de fiação e reduzir o teor de sólidos, o peso molecular do polímero pode ser aumentado e a adição de modificadores pode aumentar a orientação e a uniformidade estrutural das fibras. O aquecimento gradual e o método de lavagem gradual garantem a compacidade da estrutura da fibra. Essas várias melhorias técnicas tornam as fibras mais fortes e duráveis.

2.2 Tecnologia de sombreamento

A aramida possui estrutura compacta e alta temperatura de transição vítrea, dificultando o tingimento com processos convencionais. Portanto, quando a mobilidade da cadeia macromolecular da fibra aumenta e a área amorfa aumenta, o corante pode facilmente entrar na fibra e se combinar com ela. Azam et ai. Propõe-se que a profundidade de tingimento de fibras de aramida é relativamente baixa nos últimos anos, então eles usam álcool benzílico como agente de inchamento para otimizar o processo de tingimento de corantes catiônicos para fibras de meta-aramida. O tecido de aramida tem alta profundidade de tingimento e baixa perda de resistência. Além disso, Kale et al. A superfície da fibra de aramida tingida é revestida com nanopartículas de dióxido de titânio para resolver o problema de baixa resistência à luz da fibra de aramida tingida. Para a impressão de têxteis de aramida, a impressão de suporte com corantes dispersos é uma boa tentativa,

2.3 Tecnologia Funcional

2.3.1 Otimização da estrutura do tecido

A pesquisa em tecidos de proteção de alto desempenho feitos de aramida também foi desenvolvida à medida que a demanda no campo de equipamentos de proteção individual e industrial aumenta. Com base no atrito entre os fios em tecidos de aramida com maior impacto na resistência ao impacto, Moure et al. As propriedades mecânicas e os coeficientes de atrito do fio de tecidos de para-aramida com diferentes estruturas foram comparados em diferentes camadas de fio para estrutura. O estudo constatou que, embora as propriedades mecânicas dos fios sejam basicamente as mesmas, as propriedades mecânicas dos tecidos são diferentes; quando as fibras de aramida são entrelaçadas no tecido de reforço em um ângulo vertical, elas podem absorver muita energia, que é maior que a dos tecidos macios comuns. E quando o tecido tem maior densidade de energia absorvida e coeficiente de atrito,

2.3.2 Melhoria no desempenho do tecido

Para melhorar o desempenho prático das roupas de proteção, Nayak et al. revestimentos de carboneto de boro aplicados em tecidos de aramida. Embora a resistência geral à perfuração do tecido seja melhorada, também causa concentração de tensão, o que afeta o desempenho de proteção local do tecido; ao mesmo tempo, o fluxo de vapor de suor do revestimento é restrito, resultando em conforto reduzido. Tendo em vista o problema da baixa transpiração de umidade e desempenho de transpiração de tecidos de aramida, permanganato de potássio ácido ou modificação de plasma combinado com transpiração de umidade e métodos de acabamento de transpiração podem ser usados ​​para gerar grupos polares em fibras de tecido para melhorar a molhabilidade das fibras, e O acabamento penetra e adere melhor às fibras. De um modo geral, os produtos multifuncionais são mais populares no mercado. Shen et ai. A solução mista de poliuretano à base de água, copolímero de fluoreto de polivinilideno-hexafluoropropileno e fluoroalquil silano foi revestida em tecido de aramida pelo método de revestimento por imersão, e o tecido obtido teve funções de super-hidrofobicidade e proteção química duráveis. . Liu et ai. Os tecidos de aramida foram impregnados com fluido espessante de cisalhamento (STF) e revestidos com nanotubos de carbono (CNTs) por um processo compósito, resultando em tecidos compósitos com excelentes funções de proteção e detecção. Entre eles, o CNT aumenta a condutividade elétrica e as características de resposta do tecido, que podem ser efetivamente detectadas; a adição de STF permite que o tecido composto resista a forças de impacto mais altas e forneça proteção mais forte. O copolímero de fluoreto de polivinilideno-hexafluoropropileno e o fluoroalquil silano foram revestidos por imersão em tecido de aramida, e o tecido resultante tinha super-hidrofobicidade durável e proteção química. . Liu et ai. Os tecidos de aramida foram impregnados com fluido espessante de cisalhamento (STF) e revestidos com nanotubos de carbono (CNTs) por um processo compósito, resultando em tecidos compósitos com excelentes funções de proteção e detecção. Entre eles, o CNT aumenta a condutividade elétrica e as características de resposta do tecido, que podem ser efetivamente detectadas; a adição de STF permite que o tecido composto resista a forças de impacto mais altas e forneça proteção mais forte. O copolímero de fluoreto de polivinilideno-hexafluoropropileno e o fluoroalquil silano foram revestidos por imersão em tecido de aramida, e o tecido resultante tinha super-hidrofobicidade durável e proteção química. . Liu et ai. Os tecidos de aramida foram impregnados com fluido espessante de cisalhamento (STF) e revestidos com nanotubos de carbono (CNTs) por um processo compósito, resultando em tecidos compósitos com excelentes funções de proteção e detecção. Entre eles, o CNT aumenta a condutividade elétrica e as características de resposta do tecido, que podem ser efetivamente detectadas; a adição de STF permite que o tecido composto resista a forças de impacto mais altas e forneça proteção mais forte. Os tecidos de aramida foram impregnados com fluido espessante de cisalhamento (STF) e revestidos com nanotubos de carbono (CNTs) por um processo compósito, resultando em tecidos compósitos com excelentes funções de proteção e detecção. Entre eles, o CNT aumenta a condutividade elétrica e as características de resposta do tecido, que podem ser efetivamente detectadas; a adição de STF permite que o tecido composto resista a forças de impacto mais altas e forneça proteção mais forte. Os tecidos de aramida foram impregnados com fluido espessante de cisalhamento (STF) e revestidos com nanotubos de carbono (CNTs) por um processo compósito, resultando em tecidos compósitos com excelentes funções de proteção e detecção. Entre eles, o CNT aumenta a condutividade elétrica e as características de resposta do tecido, que podem ser efetivamente detectadas; a adição de STF permite que o tecido composto resista a forças de impacto mais altas e forneça proteção mais forte.

3. Fibra UHMWPE

As fibras de polietileno de ultra-alto peso molecular (UHMWPE) têm muitas propriedades excelentes, como alta resistência à tração, alto módulo e baixa densidade de massa, e são inertes em solventes químicos.

3.1 Tecnologia de Produção

Atualmente, a produção de fibras UHMWPE foi industrializada, mas esse método de produção em larga escala só pode ser alcançado por fiação em gel. No entanto, este método utiliza uma grande quantidade de solvente orgânico e causa o problema de poluição ambiental com alto custo de produção. O processo de fiação por fusão (rotação por fusão), que é de processo simples, não requer solvente orgânico e tem baixo custo, é a melhor escolha. Kakiage et ai. Métodos de preparação combinados de fiação por fusão e trefilação para melhorar a resistência à tração das fibras de UHMWPE. O desenho de fusão acelera o aumento da orientação linear do cristal na fibra. A 145 graus, a resistência à tração da fibra pode atingir 1,1 GPa sob as condições de uma razão de estiramento de 20 e uma taxa de deformação de 40/min. Em comparação com a fiação em gel, as propriedades mecânicas das fibras de UHMWPE feitas por fiação por fusão são muito mais fracas. No entanto, para atender às necessidades do mercado de fibras de média resistência e do mercado de massa têxtil, as fibras de UHMWPE de média resistência feitas de fiação por fusão com poluição leve são suficientes.

3.1 Tecnologia de sombreamento

Do ponto de vista do mercado a jusante de fibras UHMWPE, as fibras UHMWPE com cores ricas podem aumentar o valor agregado dos produtos, expandir as aplicações de mercado e, assim, aumentar a competitividade do produto. No entanto, devido à alta cristalinidade e falta de grupos funcionais das fibras de UHMWPE, os métodos tradicionais são difíceis de tingir. Ma et ai. Tenta tingir tecidos UHMWPE a 120 graus e 20 MPa de dióxido de carbono supercrítico (scCO2). Com o aumento do tempo de tingimento e concentração de corante, a capacidade de tingimento do tecido UHMWPE é continuamente melhorada e a solidez da cor do tecido também é melhorada. O tempo de coloração foi prolongado e aumentado. E a adição de decalina como co-solvente em scCO2 resultou em maiores rendimentos de cor. Mas depois de adicionar decalina,