Состав и строение полиолефиновых волокон
Полиолефиновые волокна представляют собой синтетические материалы, получаемые из полимеров, построенных на основе простейших олефинов — главным образом этилена и пропилена. В химическом отношении эти соединения состоят исключительно из атомов углерода и водорода, что обуславливает их химическую инертность и высокую устойчивость к действию большинства реагентов. Основу полиолефиновых волокон составляют полиэтилен и полипропилен — термопластичные полимеры, различающиеся степенью кристалличности, плотностью, молекулярной массой и структурой макромолекул.
Полиэтиленовые волокна формируются из линейных макромолекул с простыми углеродными цепями без боковых ответвлений. В зависимости от плотности различают полиэтилен низкой (ПЭНП) и высокой (ПЭВП) плотности. Полиэтилен высокой плотности характеризуется большей кристалличностью, что обеспечивает повышенную прочность и устойчивость к температурным воздействиям. Полиэтилен низкой плотности имеет разветвлённую структуру, что делает его более гибким, но менее термостойким.
Полипропиленовые волокна формируются из полипропилена — полимера пропилена, молекулы которого содержат регулярные метильные группы. Конфигурация этих групп определяет так называемую тактичность полимера. Промышленное значение имеет изотактический полипропилен, в котором все метильные заместители расположены с одной стороны цепи. Такая структура придаёт волокнам высокую степень упорядоченности и кристалличности, что обеспечивает им прочность, упругость и термостойкость.
Методы получения полиолефиновых волокон
Основным сырьём для производства полиолефинов служат олефины, получаемые в нефтехимической промышленности из продуктов крекинга нефти и природного газа. Этилен и пропилен подвергаются полимеризации в присутствии каталитических систем, основанных на соединениях титана, алюминия и магния (катализаторы Циглера—Натта), либо металоценовых катализаторов, обеспечивающих контроль над стереорегулярностью и молекулярной массой полимера.
Процесс получения волокон включает стадии плавления гранул полимера, формования через фильеры и последующего вытягивания. Вытягивание приводит к ориентации макромолекул вдоль оси волокна, что значительно повышает его механические свойства. Для полиэтиленовых волокон температура вытягивания обычно составляет 100–120 °C, для полипропиленовых — 130–150 °C. После вытягивания волокна подвергаются термофиксации, стабилизирующей их структуру.
Физико-химические свойства
Полиолефиновые волокна характеризуются низкой плотностью (0,91–0,96 г/см³), что делает их самыми лёгкими среди синтетических волокон. Они обладают высокой прочностью на разрыв (до 700 МПа), малой растяжимостью и высокой устойчивостью к износу. Их термостойкость ограничена: температура размягчения полиэтилена составляет около 120 °C, полипропилена — до 160 °C.
Химическая стойкость полиолефиновых волокон обусловлена отсутствием в их структуре полярных групп, что делает их инертными к действию кислот, щелочей и большинства растворителей. Исключением являются сильные окислители, а также ароматические и хлорированные углеводороды при повышенных температурах.
Волокна обладают низким влагопоглощением (менее 0,1 %), вследствие чего быстро сохнут и не подвержены гниению, но плохо окрашиваются традиционными красителями. Для улучшения окрашиваемости применяют модифицированные полипропиленовые полимеры или используют пигменты, вводимые в полимерную массу до формования.
Механические и эксплуатационные характеристики
Полиолефиновые волокна отличаются высокой стойкостью к усталостным нагрузкам, хорошей эластичностью и низким коэффициентом трения. Благодаря этому они находят широкое применение в текстильной промышленности для производства ковровых и обивочных материалов, канатов, сетей, фильтров и технических тканей. Полипропиленовые волокна обладают лучшими эксплуатационными свойствами по сравнению с полиэтиленовыми: они менее подвержены деформации при нагревании, устойчивы к ультрафиолетовому излучению при наличии стабилизаторов и сохраняют форму при длительном использовании.
Особенностью полиолефиновых материалов является их высокая износостойкость и устойчивость к загрязнениям. Низкая поверхностная энергия препятствует адгезии частиц пыли и грязи, что упрощает уход за изделиями.
Модификация и улучшение свойств
Для расширения области применения полиолефиновых волокон применяют различные методы модификации. Термическая ориентация макромолекул повышает прочность и жёсткость волокон, плазменная обработка или ионное травление поверхности повышают адгезию красителей и компаундов. Добавление стабилизаторов против окислительной деструкции и ультрафиолетового излучения обеспечивает долговечность при эксплуатации на открытом воздухе.
Создание сополимеров пропилена с этиленом позволяет получать материалы с улучшенными свойствами: большей гибкостью, ударной вязкостью и устойчивостью к старению. Перспективным направлением является использование наноразмерных наполнителей (глин, углеродных нанотрубок, графена), повышающих термостабильность и механическую прочность волокон.
Применение полиолефиновых волокон
Полиолефиновые волокна широко применяются в промышленности и быту. Из них изготавливают упаковочные материалы, мешки, геотекстиль, медицинские изделия, нетканые материалы для фильтрации и санитарно-гигиенических нужд. Полипропиленовые волокна используются в производстве ковровых покрытий, верёвок, спортивной одежды, а также в композиционных материалах для армирования цементных и полимерных систем.
Высокая химическая инертность делает эти материалы востребованными в химически агрессивных средах, а малая плотность и устойчивость к влаге — в судостроении, авиации и транспорте. Развитие технологий переработки и вторичного использования полиолефинов способствует экологизации производства и снижению отходов нефтехимической промышленности.