Avances en la promoción de la civilización de tres textiles de fibra de alto rendimiento

Avances en la promoción de la civilización de tres textiles de fibra de alto rendimiento

Las fibras de alto rendimiento tienen una fuerte resistencia a los efectos físicos como la luz, la electricidad, el calor y la fuerza del mundo exterior, así como a los efectos químicos como oxidantes, ácidos y álcalis, por lo que las fibras tienen alta resistencia, alto módulo, resistencia a altas temperaturas y propiedades ignífugas. Las fibras de alto rendimiento se pueden dividir en fibras orgánicas y fibras inorgánicas. Las fibras orgánicas incluyen: fibras de aramida, fibras de polietileno de ultra alto peso molecular, fibras de sulfuro de polifenileno, etc.; Las fibras inorgánicas incluyen principalmente: fibras de carbono, fibras cerámicas, etc., de las cuales las fibras de carbono, las fibras de aramida y las fibras de polietileno de ultra alto peso molecular son las tres principales. La fibra aún se encuentra en un período de rápido desarrollo y ha entrado gradualmente en un período de intenso innovación tecnológica y competencia; la demanda del mercado global se está acelerando y los fabricantes continúan explorando campos de aplicación. Desarrollar nuevos productos comercializables para obtener una ventaja competitiva.

En la actualidad, las fibras de alto rendimiento se encuentran en una etapa de desarrollo vigoroso, y varios productos (materiales compuestos, cuerdas, etc.) también se utilizan en la industria militar, aeroespacial, navegación, ingeniería civil, textiles y prendas de vestir y otros campos. Este estudio presenta y analiza varias técnicas de optimización para las tres principales fibras y textiles de alto rendimiento en términos de reducción de costos, mejora funcional y mejora del valor agregado para avanzar en el desarrollo de textiles de alto rendimiento en productos compartibles de alta calidad. la sociedad y los civiles.

1. Fibra de carbono

La fibra de carbono es un material fibroso a base de carbono compuesto de cristales de grafito en capas apiladas en la dirección axial. Tiene excelentes propiedades mecánicas y propiedades ligeras. Después de décadas de desarrollo, la aplicación comercial de la fibra de carbono se ha extendido a muchos campos de alta tecnología.

1.1 Tecnología de producción

Actualmente, aproximadamente el 90 por ciento de la fibra de carbono comercial se produce a partir de poliacrilonitrilo (PAN). Las fibras de carbono industriales tradicionales basadas en PAN son caras y tienen una producción limitada, lo que dificulta su popularización a gran escala. Para reducir costos, se utilizan PAN económico de grado textil y lignina renovable como materiales precursores para la producción de fibra de carbono.

Jiang et al. El uso del método de hilado en húmedo para preparar fibras precursoras a partir de lignina de paja de trigo y fibras acrílicas textiles como materia prima puede reducir el costo de producción de las fibras de carbono; Debido a la alta temperatura de reacción térmica de la lignina, también puede mejorar la estabilidad térmica de las fibras mezcladas de lignina/PAN. Huang y su equipo utilizaron clorhidrato de guanidina libre de metales para modificar las fibras acrílicas textiles, lo que permitió que el proceso de oxidación previa se llevara a cabo a temperaturas más bajas, lo que redujo los costos de producción. Al mismo tiempo, la estructura polimérica formada por la reacción de ciclación del grupo nitrilo a baja temperatura es más estable, por lo que la fibra de carbono tiene mejores propiedades mecánicas. La irradiación UV de fibras PAN que contienen fotoiniciadores antes de la oxidación previa puede aumentar la velocidad de reacción de ciclación y acortar el tiempo de oxidación. El estudio de Jo et al. Se descubrió que la irradiación de fibras PAN de grado textil sin fotoiniciador con luz ultravioleta también puede promover eficazmente el proceso de preoxidación, que lleva solo 30 minutos. El electrohilado mediante un proceso simple es la mejor manera de preparar nanofibras de carbono (CNF), cuyo proceso depende en gran medida de precursores como PAN, brea y lignina. Chen et al. El bagazo se esterificó homogéneamente usando anhídrido ácido y luego se mezcló con PAN para electrohilado para preparar CNF. El bagazo esterificado ayuda a retener los átomos de nitrógeno de CNF, mejorando así la estabilidad térmica, la conductividad eléctrica y la actividad superficial de las fibras.

Se puede observar que, ya sea la hilatura húmeda tradicional o la nueva electrohilatura, la clave para reducir el costo de producción de fibra de carbono radica en las materias primas y los procesos. La investigación se centra en la selección, modificación y optimización de procesos de materiales precursores basados ​​en carbono. Adición y sustracción. Por supuesto, para lograr una producción en masa de bajo costo, también es necesario aumentar la productividad.

1.2 Tecnología de sombreado

La alta cristalinidad y la inercia química de la fibra de carbono dificultan la coloración con tintes o pigmentos tradicionales. Los cristales fotónicos son materiales dieléctricos que se ordenan periódicamente en el espacio utilizando materiales con diferentes índices de refracción. Tiene una brecha de banda fotónica y puede reflejar selectivamente fotones de una determinada longitud de onda, y la luz reflejada se difracta en la superficie del cristal, lo que da como resultado el color. Las fibras de carbono coloreadas se pueden preparar ensamblando nanopartículas coloidales cargadas dispersas en la superficie de las fibras de carbono mediante deposición electroforética, pero la durabilidad mecánica es insuficiente en las aplicaciones prácticas. Niu et al. Las capas de ZnO y Al2O3 con un gran contraste de índice de refracción se utilizaron como componentes periódicos y se depositaron en la superficie de las fibras de carbón activado por plasma mediante la técnica de deposición de capas atómicas. Las fibras de carbono multicolores preparadas tienen una excelente estabilidad mecánica y lavabilidad. género. Bajo condiciones de luz dispersa, las telas de fibras de ligamento tafetán pueden exhibir propiedades reflectantes y color independientes del ángulo.

1.3 Tecnología funcional

1.3.1 Electrodos de fibra flexible

Con el rápido desarrollo de la tecnología portátil, el trabajo de investigación sobre textiles electrónicos inteligentes ha mejorado significativamente en los últimos años. La investigación y el desarrollo de los componentes electrónicos correspondientes ha ocupado gradualmente un lugar. Por ejemplo, los tejidos a base de fibra de carbono son actualmente materiales de electrodos flexibles muy populares; sin embargo, la flexibilidad y el rendimiento superior de dichos electrodos ha sido un tema importante en el desarrollo de textiles inteligentes. Li et al. El tejido de algodón revestido con KOH se carbonizó mediante un proceso de calcinación de plantilla dinámica, que promovió la formación de una estructura porosa ordenada en capas en la pared de la fibra. Los tejidos de fibra de carbono producidos tienen una excelente resistencia mecánica y se pueden utilizar como electrodos de supercapacitores. Existen otros enfoques para desarrollar electrodos de tejido de fibra de carbono supercapacitivos, como el grabado químico selectivo y la exfoliación electroquímica de nanopartículas de níquel para crear poros multiescala y grupos reactivos en tejidos, y la modificación de heteroátomos de tejidos de fibra de carbono. Además, los CNF tienen buena conductividad eléctrica y gran área de superficie específica, lo que tiene un gran potencial en la aplicación de dispositivos electrónicos. Levit et al. El carburo de metal de transición bidimensional Ti3C2Tx se mezcló en una solución PAN, seguido de electrospinning para preparar esteras de nanofibras de carbono. La capacitancia de los electrodos compuestos así fabricados es mayor que la de las fibras de carbono puras. La adición de Ti3C2Tx mejora el rendimiento electroquímico del electrodo compuesto. La conductividad y la durabilidad también son más fuertes.

1.3.2 Sensores flexibles

Con la mejora de la conciencia de salud pública y la mejora de los requisitos de equipos en campos especiales, los textiles inteligentes se integran gradualmente en el sistema de monitoreo de atención médica y monitoreo. Uno de los componentes clave es el sensor. Azizhani et al. El caucho de silicona de curado a temperatura ambiente se selecciona como matriz, y la fibra de carbono cortada se utiliza como material conductor para preparar el sensor de tensión de resistencia, que tiene una alta sensibilidad en el rango de amplitud de tensión de hasta el 25 por ciento; su tiempo de recuperación es inferior a 15 s. Cuando este tipo de sensor se usa para el monitoreo humano, puede garantizar la estabilidad de la señal y un fuerte rendimiento de detección. Del mismo modo, la alta sensibilidad y capacidad de estiramiento del sensor compuesto piezorresistivo de fibra de carbono cortada/polidimetilsiloxano [18] lo hacen adecuado para la detección de tensión en diferentes aplicaciones, como el movimiento humano, las arrugas de la tela, etc. Sin embargo, este tipo de sensor necesita mejoras adicionales. Sus propiedades piezorresistivas son sensibles a la estructura de carga. La tensión excesiva aplicada causará problemas tales como sensibilidad reducida y conmutación piezorresistiva retardada.

2. Fibra de aramida

El nombre completo de la fibra de aramida es fibra de poliamida aromática, que tiene las ventajas de alta resistencia, alto módulo, baja densidad, resistencia al desgaste, resistencia al impacto y excelente aislamiento. Debido a las diferentes posiciones de conexión del enlace amida y el anillo de benceno, existen diferencias en la estructura molecular de la aramida, que a menudo se puede dividir en para-aramida, meta-aramida y aramida III.

2.1 Tecnología de producción

En los últimos años, las fibras de aramida en el país y en el extranjero han logrado gradualmente una producción industrial de alto valor agregado, y la producción ha aumentado año tras año. La fibra de aramida 1414 (poli-p-fenileno tereftamida, PPTA), uno de los principales productos, es un punto clave en el control de la calidad del producto terminado durante el proceso de hilado. Chen Zhourong realizó una investigación del proceso de producción sobre esto: agregar agua y agentes antiestáticos para pretratar las fibras de PPTA para reducir la electricidad estática; al cardar, use cilindros y dispositivos doffer con poca profundidad de diente y velocidad de movimiento rápido para resolver el problema del polvo y el polvo durante el hilado. El problema de los nódulos, al ajustar el paso del dispositivo, acelera la transferencia de fibras. El desarrollo y la producción de fibras de aramida con propiedades mecánicas superiores es un tema de investigación que merece la pena ampliar el campo de aplicación de las fibras de aramida. Teng et al. Mezclar PPTA comercial con h-PPTA (PPTA de alto peso molecular) en ácido sulfúrico concentrado. Durante el proceso de hilado por chorro seco y húmedo, la h-PPTA puede mejorar la interacción entre macromoléculas e inducir la orientación de cadenas cortas de PPTA a lo largo del eje de la fibra. Se mejoran la resistencia a la tracción y el módulo inicial de las fibras de aramida producidas. Además, Ren Zhongkai et al. Investigación y preparación de aramida 1313 de alta resistencia. La resistencia a la rotura de la aramida 1313 convencional es menor que la de la aramida 1414. Al aumentar la viscosidad de la solución de hilatura y reducir el contenido de sólidos, se puede aumentar el peso molecular del polímero y la adición de modificadores puede aumentar la orientación y la uniformidad estructural de las fibras. El método de calentamiento gradual y lavado gradual asegura la compacidad de la estructura de la fibra. Estas diversas mejoras técnicas hacen que las fibras sean más fuertes y duraderas.

2.2 Tecnología de sombreado

La aramida tiene una estructura compacta y una alta temperatura de transición vítrea, lo que dificulta su tintura con procesos convencionales. Por tanto, cuando aumenta la movilidad de la cadena macromolecular de la fibra y aumenta el área amorfa, el colorante puede entrar fácilmente en la fibra y combinarse con ella. Azam et al. Se propone que la profundidad de teñido de las fibras de aramida es relativamente baja en los últimos años, por lo que utilizan alcohol bencílico como agente de hinchamiento para optimizar el proceso de teñido de colorantes catiónicos para fibras de meta-aramida. La tela de aramida tiene una alta profundidad de teñido y una baja pérdida de resistencia. Además, Kale et al. La superficie de la fibra de aramida teñida está recubierta con nanopartículas de dióxido de titanio para resolver el problema de la poca resistencia a la luz de la fibra de aramida teñida. Para la impresión de textiles de aramida, la impresión de portadores con colorantes dispersos es un buen intento,

2.3 Tecnología funcional

2.3.1 Optimización de la estructura de la tela

La investigación sobre tejidos protectores de alto rendimiento hechos de aramida también se ha desarrollado a medida que aumenta la demanda en el campo de los equipos de protección personal e industrial. Basado en la fricción entre hilos en tejidos de aramida que tienen un mayor impacto en la resistencia al impacto, Moure et al. Las propiedades mecánicas y los coeficientes de fricción del hilo de los tejidos de para-aramida con diferentes estructuras se compararon en diferentes capas del hilo a la estructura. El estudio encontró que aunque las propiedades mecánicas de los hilos son básicamente las mismas, las propiedades mecánicas de las telas son diferentes; cuando las fibras de aramida se entretejen en el tejido de refuerzo en un ángulo vertical, pueden absorber mucha energía, que es mayor que la de los tejidos blandos ordinarios. Y cuando el tejido tiene mayor densidad de energía absorbida y coeficiente de fricción,

2.3.2 Mejora del rendimiento de la estructura

Para mejorar el desempeño práctico de la ropa de protección, Nayak et al. aplicó recubrimientos de carburo de boro a tejidos de aramida. Aunque se mejora la resistencia general a la perforación de la tela, también provoca la concentración de tensión, lo que afecta el rendimiento de protección local de la tela; al mismo tiempo, se restringe el flujo de vapor de sudor del revestimiento, lo que reduce la comodidad. En vista del problema de la transpiración de humedad deficiente y el rendimiento de transpiración de las telas de aramida, se puede usar permanganato de potasio ácido o modificación con plasma combinado con transpiración de humedad y métodos de acabado de transpiración para generar grupos polares en fibras de tela para mejorar la humectabilidad de las fibras, y el acabado penetra y se adhiere mejor a las fibras. En términos generales, los productos multifuncionales son más populares en el mercado. Shen et al. La solución mixta de poliuretano a base de agua, copolímero de fluoruro de polivinilideno-hexafluoropropileno y silano de fluoroalquilo se revistió sobre tejido de aramida mediante el método de revestimiento por inmersión, y el tejido obtenido tenía funciones de superhidrofobicidad duradera y protección química. . Liu et al. Los tejidos de aramida se impregnaron con líquido espesante por cizallamiento (STF) y se recubrieron con nanotubos de carbono (CNT) mediante un proceso compuesto, lo que dio como resultado tejidos compuestos con excelentes funciones de protección y detección. Entre ellos, CNT aumenta la conductividad eléctrica y las características de respuesta del tejido, lo que puede detectarse de manera efectiva; la adición de STF permite que la tela compuesta resista fuerzas de impacto más altas y brinde una protección más fuerte. El copolímero de fluoruro de polivinilideno-hexafluoropropileno y el silano de fluoroalquilo se recubrieron por inmersión en tela de aramida, y la tela resultante tenía una superhidrofobicidad duradera y protección química. . Liu et al. Los tejidos de aramida se impregnaron con líquido espesante por cizallamiento (STF) y se recubrieron con nanotubos de carbono (CNT) mediante un proceso compuesto, lo que dio como resultado tejidos compuestos con excelentes funciones de protección y detección. Entre ellos, CNT aumenta la conductividad eléctrica y las características de respuesta del tejido, lo que puede detectarse de manera efectiva; la adición de STF permite que la tela compuesta resista fuerzas de impacto más altas y brinde una protección más fuerte. El copolímero de fluoruro de polivinilideno-hexafluoropropileno y el silano de fluoroalquilo se recubrieron por inmersión en tela de aramida, y la tela resultante tenía una superhidrofobicidad duradera y protección química. . Liu et al. Los tejidos de aramida se impregnaron con líquido espesante por cizallamiento (STF) y se recubrieron con nanotubos de carbono (CNT) mediante un proceso compuesto, lo que dio como resultado tejidos compuestos con excelentes funciones de protección y detección. Entre ellos, CNT aumenta la conductividad eléctrica y las características de respuesta del tejido, lo que puede detectarse de manera efectiva; la adición de STF permite que la tela compuesta resista fuerzas de impacto más altas y brinde una protección más fuerte. Los tejidos de aramida se impregnaron con líquido espesante por cizallamiento (STF) y se recubrieron con nanotubos de carbono (CNT) mediante un proceso compuesto, lo que dio como resultado tejidos compuestos con excelentes funciones de protección y detección. Entre ellos, CNT aumenta la conductividad eléctrica y las características de respuesta del tejido, lo que puede detectarse de manera efectiva; la adición de STF permite que la tela compuesta resista fuerzas de impacto más altas y brinde una protección más fuerte. Los tejidos de aramida se impregnaron con líquido espesante por cizallamiento (STF) y se recubrieron con nanotubos de carbono (CNT) mediante un proceso compuesto, lo que dio como resultado tejidos compuestos con excelentes funciones de protección y detección. Entre ellos, CNT aumenta la conductividad eléctrica y las características de respuesta del tejido, lo que puede detectarse de manera efectiva; la adición de STF permite que la tela compuesta resista fuerzas de impacto más altas y brinde una protección más fuerte.

3. Fibra UHMWPE

Las fibras de polietileno de ultra alto peso molecular (UHMWPE) tienen muchas propiedades excelentes, como alta resistencia a la tracción, alto módulo, baja densidad de masa, etc., y son inertes en solventes químicos.

3.1 Tecnología de producción

En la actualidad, la producción de fibras UHMWPE se ha industrializado, pero este método de producción a gran escala solo se puede lograr mediante el hilado en gel. Sin embargo, este método usa una gran cantidad de solvente orgánico y causa el problema de la contaminación ambiental con un alto costo de producción. El proceso de hilado por fusión (melt spin), que es simple en el proceso, no requiere solvente orgánico y tiene un bajo costo, es una mejor opción. Kakiage et al. Métodos combinados de preparación de hilado por fusión y estirado por fusión para mejorar la resistencia a la tracción de las fibras de UHMWPE. El estirado en estado fundido acelera el aumento de la orientación lineal del cristal en la fibra. A 145 grados, la resistencia a la tracción de la fibra puede alcanzar 1,1 GPa en condiciones de una relación de estirado de 20 y una velocidad de deformación de 40/min. En comparación con el hilado en gel, las propiedades mecánicas de las fibras de UHMWPE fabricadas mediante hilado por fusión son mucho más débiles. Sin embargo, para satisfacer las necesidades del mercado de fibras de resistencia media y el mercado textil en masa, las fibras UHMWPE de resistencia media hechas de hilatura fundida que contamina la luz son suficientes.

3.1 Tecnología de sombreado

Desde la perspectiva del mercado descendente de las fibras UHMWPE, las fibras UHMWPE con colores intensos pueden aumentar el valor agregado de los productos, ampliar las aplicaciones del mercado y, por lo tanto, mejorar la competitividad del producto. Sin embargo, debido a la alta cristalinidad y la falta de grupos funcionales de las fibras de UHMWPE, los métodos tradicionales son difíciles de teñir. Ma et al. Intentos de teñir telas UHMWPE a 120 grados y 20 MPa de dióxido de carbono supercrítico (scCO2). Con el aumento del tiempo de teñido y la concentración del tinte, la capacidad de teñido de la tela UHMWPE mejora continuamente y también se mejora la solidez del color de la tela. El tiempo de tinción se prolongó y aumentó. Y la adición de decalina como cosolvente en scCO2 resultó en mayores rendimientos de color. Pero después de agregar decalina,

3.2 Función

tecnología

3.2.1 Materiales electrónicos de fibra flexible

Las fibras flexibles de alta conductividad son un material importante para combinar la flexibilidad y la comodidad de la ropa con la funcionalidad de los dispositivos electrónicos inteligentes. gente superior. Utilizando la tecnología de polimerización por injerto y la tecnología de activación de metales para introducir iones de plata en la superficie de las fibras de polietileno de ultra alto peso molecular, y luego el recubrimiento de cobre sin electricidad para preparar fibras conductoras de polietileno de ultra alto peso molecular con excelente estabilidad eléctrica y durabilidad, y su resistividad puede ser inferior a 1,40×10 -5 Ω·cm. En el método, se usa agua como solvente en el proceso de polimerización por injerto y se seleccionan iones de plata en el proceso de activación, lo cual es beneficioso para reducir costos y proteger el medio ambiente. Otra clase importante de materiales electrónicos fibrosos flexibles son los electrodos flexibles. Du et al. Las fibras de UHMWPE se recubrieron con PDA y plata no electrolítica usando una combinación de polidopamina de recubrimiento (PDA) y poli3, 4-etilendioxitiofeno:poliestireno sulfonato (PEDOT:PSS). A través de la modificación continua de la deposición de PEDOT:PSS, se fabricaron electrodos compuestos con resistencias a la tracción de hasta 3,72 GPa. Al mismo tiempo, la vida útil del ciclo del electrodo es larga, después de 20,000 ciclos

Después de eso, aún se puede mantener el 90 por ciento de la capacitancia inicial. Entre ellos, PEDOT:PSS es un polímero conductor con buenas propiedades de formación de películas, y depositarlo en la superficie de la fibra para formar una película es un método para preparar electrodos de supercapacitores. El recubrimiento de PDA puede mejorar efectivamente la fuerza de unión entre las fibras de matriz y los materiales.

3.2.2 Mejora del rendimiento de la estructura

La tela UHMWPE tiene una alta resistencia al impacto, pero el coeficiente de fricción entre las fibras es pequeño y el hilo de la tela es fácil de cambiar y perforar cuando recibe un impacto. Los estudios han demostrado que la flexibilidad y la resistencia al pinchazo de los tejidos UHMWPE mejoran después de la impregnación con STF, y la adición de una mayor concentración de SiO2 al STF es beneficiosa para mejorar la resistencia al pinchazo de los tejidos. Un estudio adicional de Li et al. Se encontró que cuando el tamaño de partícula de SiO2 era de 15 nm y la concentración era del 25 por ciento, la resistencia a la perforación de la tela compuesta STF/UHMWPE alcanzaba la mejor. Con respecto a la fricción entre hilos de UHMWPE, Arora et al. Se ha encontrado a través de experimentos que el aumento de la fricción entre los hilos no conduce necesariamente a la absorción de la energía del impacto. El papel de STF en la mejora de la resistencia al impacto de la tela depende más de la estructura de la tela, incluida la densidad de la tela y el hilo. Densidad de línea de la línea.

La película de polietileno nanoporoso es un tipo de película resistente al desgaste, a la luz infrarroja y visible, de baja permeabilidad al aire y conductividad de la humedad, que no se puede usar directamente para hacer ropa y otros textiles. Liu et al. Sobre esta base, se realizaron mejoras para preparar UHMWPE/PET nanoporoso que se puede aplicar a textiles mediante el uso de partículas de metoxipolietilenglicol-aminoetil/polidopamina (mPPDAP), fibras de poliéster (PET) y UHMWPE. Tejido compuesto. Esto se debe principalmente a que hay muchos poros conectados y poros de panal desconectados en la fase UHMWPE de la tela para garantizar la transpirabilidad y la comodidad. La malla de PET utilizada para reforzar la tela también ayuda a que la tela respire; la adición de mPPDAP aumenta la hidrofilia del tejido. Este tejido compuesto nanoporoso se utiliza como material para textiles de gestión térmica humana.

4. en conclusión

La investigación sobre fibra de carbono, fibra de aramida, fibra de polietileno de ultra alto peso molecular y sus textiles es cada vez más intensa, y el proceso de producción es cada vez más maduro. En el futuro, la dirección de desarrollo de estas tres fibras principales y sus textiles para el mercado masivo es una producción respetuosa con el medio ambiente y de bajo costo, un producto rico en colores, inteligente, multifuncional y el desarrollo de aplicaciones de nanofibras adecuadas para el nivel de consumo de las personas. y satisfacer diversas necesidades. necesidades del cliente. Entre ellos, las ventajas de la reducción continua de costos, la mejora continua de las funciones y el aumento de funciones generado por la innovación de procesos permitirán que las tres fibras principales obtengan un desarrollo más amplio y más rápido en el período de competencia tecnológica innovadora.