Волокна и волокнистые структуры (материалы) широко распространены в природе и являются составной частью всего живого на планете Земля. Все ткани растительных и животных организмов состоят или включают в свой состав значительную, а чаще основную долю волокнистых структур, многие из которых выполняют функцию несущих нагрузки элементов.
Волокнистые материалы также играют важнейшую роль в нашей жизни: в сфере быта, техники, во многих других областях. Три важнейших потребности человека - пища, одежда и жилье - невозможно представить себе без их участия. Пища обязательно должна содержать волокнистые компоненты, одежда практически полностью состоит из них, даже в жилье текстиль играет весьма важную роль.
Развитие современной техники связано с созданием и использованием новых видов волокон и волокнистых материалов самого широкого спектра свойств и назначений: текстиль, бумага и картон, волокнистые композиты, резинотекстильные материалы и изделия и др.
Несмотря на важность различных видов волокнистых материалов в природе и нашей жизни материаловедение этой особой группы структур (волокнистых материалов) в полной мере не сложилось. Это относится и к области текстильного материаловедения. Существующая в учебниках по текстильному материаловедению классификация волокон и текстиля создана 50-60 лет назад и устарела, тем более, что она базируется в основном на волокнах и волокнистых материалах бытового назначения.1, 2, 3, 4 Она совершенно не учитывает многие современные виды волокон и текстиля для других областей применения. Системы артикулов и снабженческо-сбытовой классификации были разработаны в тот же период и сегодня также недееспособны. Литература в этой области давно не издавалось.
Более современная информация о волокнах, нитях, текстиле имеется в текстильных словарях5, 6, 7, 8, но она не может полностью заменить системную классификацию волокон и текстиля.
Следует заметить, что предпринимались попытки создать новую универсальную классификацию, в частности, волокон, по всем возможным категориям (признакам), но она настолько сложна, что ею почти невозможно пользоваться, а тем более применять в практике преподавания и маркетинге.9 Аналогичных попыток дать подробную универсальную классификацию текстиля и других волокнистых материалов найти в литературе не удалось.
Тем не менее, хотя бы краткая современная классификация волокон, нитей и волокнистых материалов, особенно текстиля чрезвычайно необходима. К сожалению, из-за ее отсутствия в современной литературе приходится сталкиваться с самыми «невероятными» попытками рассмотрения видов и групп волокон и нитей, материалов на их основе весьма далекими от их реальной классификации, что в ряде случаев приводит к неверным представлениям и выводам.
Так, например, недоумение вызывает включение медицинского текстиля в группу технического текстиля вместе с нагруженными, геотекстильными и другими материалами чрезвычайно далекими от медицины и обладающими совершенно другими функциональными характеристиками.
10К сожалению, развитие текстильного материаловедения существенно отстает от развития производства и расширения ассортимента перечисленных видов текстиля. Основное внимание традиционно продолжает обращаться на текстиль бытового назначения, который в современном мире составляет уже по количественному выпуску менее 50% от производимых и применяемых текстильных материалов и изделий на их основе, а если говорить о современных разновидностях этих материалов, то бытовой текстиль едва ли достигает нескольких процентов.
Сложившаяся классификация текстиля, литература, издаваемая в России, методы испытаний, система преподавания в этой области во многом уже не отвечают тенденциям развития современной текстильной отрасли и рыночной экономики, поскольку сфокусированы главным образом на текстиле бытового назначения. В учебных программах для текстильных специальностей технический, защитный, строительный, медицинский, гигиенический текстиль, геотекстиль и другие виды современного текстиля и других волокнистых материалов вообще не рассматриваются.
Все сказанное вызывает необходимость коренного пересмотра системы преподавания текстильной технологии и материаловедения. Как первый шаг в этом направлении рассмотрим некоторые вопросы классификации волокон и волокнистых материалов в свете задач современного состояния их производства и применения, обратив особое внимание на текстильные материалы.
Учитывая сложившееся положение, в СПГУТД на кафедре материаловедения и некоторых других кафедрах наряду с развитием исследований и преподавания в области текстиля бытового назначения все большее внимание уделяется текстилю для интерьера, промышленного применения, профессиональной и экологической защиты и др. Эти сведения постепенно вводятся в читаемые и разрабатываемые новые курсы, несмотря на сокращение объема часов, выделяемых в образовательных стандартах и учебных планах по соответствующим дисциплинам: материаловедению текстильных материалов, их товароведению и маркетингу.
Ниже кратко рассматриваются общие характерные особенности волокон, нитей, волокнистых материалов, в особенности текстиля, и основы классификации современного текстиля.
Понятно, что основу всех перечисленных выше волокнистых материалов составляют волокна, поэтому рассмотрим, что же характеризует их как особую форму физических тел и основные их виды как исходное сырье для волокнистых, в частности, текстильных материалов.
Основные, принципиальные особенности волокон как физических тел можно суммировать следующим образом:
Волокна - это полимерные тела микронных размеров в поперечнике, имеющие соотношение длины к поперечнику l / d > 100...1000.
Все основные виды волокон состоят из
линейных полимеров на основе легких 2-х, 3-х и 4-х валентных элементов 2-го периода Периодической системы элементов Д.И. Менделеева - углерода C, азота N, кислорода O и замещающего их свободные валентности атома водорода H или других органических радикалов. Именно эти элементы характеризуются наибольшими значениями плотности энергии межатомного взаимодействия (энергии химических связей приходящейся на единицу массы и/или объема вещества) и только они могут образовывать линейные полимерные/цепные молекулы, являющиеся основой ориентированных структурных образований, которые обладают заданной обратимой деформативностью и прочностью, определяемыми их функциональным назначением.
Вследствие наличия ориентации, полимерные волокна обладают анизотропией структуры (различием ее морфологических и энергетических характеристик в поперечном и продольном направлениях), а соответственно имеют высокую анизотропию механических и физических свойств.
Волокна имеют высокую удельную внешнюю геометрическую поверхность Sвнешн = 0,3...1,0 м2/г и внутреннюю поверхность пор, достигающую в некоторых их видах до Sвнутр = 5...20 м2/ г.
Вследствие малого поперечника и высокой удельной поверхности волокна обладают чрезвычайно высокой скоростью внутреннего массо- и теплообмена, превышающей в 104 ...106 раз аналогичные характеристики массивных твердых тел.
Волокна обладают высокой поверхностной энергией, которая определяет их взаимодействие с окружающей средой или другими телами: смачиваемость жидкостями, адгезию и когезию, трение, электрический заряд.
Дополнительные требования к текстильным волокнам - это заданные фрикционные характеристики и сцепляемость в процессах переработки и в уже готовых текстильных материалах и изделиях.
Существуют также другие виды физических тел геометрически подобных волокнам, состоящие из двухмерных (2-D) и трехмерных (3-D) структур. К ним относятся некоторые физические тела малых поперечных размеров, в том числе волокна с экстремальными и специальными характеристиками, а также нитевидные кристаллы, проволоки, которые иногда также называют волокнами или нитями. Однако их строение и свойства принципиально отличаются от волокон на основе линейных полимеров.
Волокна с экстремальными характеристиками - это, например, углеродные волокна (состоящие из слоистых или 2-D структур), неорганические волокна (аморфные или 3-D поликристаллические структуры). Эти волокна имеют низкую деформативность (высокий модуль деформации), хрупкость, электропроводность и другие особенности свойств.
Нитевидные кристаллы (иначе - игольчатые кристаллы или "усы") - это монокристаллы графита, силикатов (асбест) или различных неорганических веществ. Они имеют низкую деформативность (высокий модуль деформации), хрупкость и другие особенности свойств.
Проволоки - это металлические поликристаллические структуры, ограниченно деформативные, с высокой теплопроводностью и электропроводностью.
В связи с очень большим разнообразием видов волокон и нитей, которые рассматривает современное материаловедение попытки их универсальной классификации, предложенные ранее 1, сегодня совершенно неправомерны. Поэтому можно предложить их общую классификацию по видам исходных полимеров и областям применения, приведенную в таблице 1.11, 12 Здесь же даны краткие характеристики свойств волокон и нитей, позволяющие дать некоторые представления об особенностях их применения.
Основные виды и особенности волокнистых материалов сведены в таблицу 2. Следует заметить, что имеющиеся разграничения между различными видами волокнистых материалов часто условны, и некоторые их виды можно отнести к различным типам волокнистых структур.
Рассмотрим некоторые общие характеристики волокнистых материалов, среди которых мы уже называли текстиль, бумагу, картон, композиты, и другие. Для них характерны следующие особенности:
- волокна в волокнистых материалах могут быть расположены как 1-D (одноосная), 2-D (плоскостная или слоистая), 3-D (объемная) структуры; такими возможностями не располагают никакие другие твердые тела;
- волокнистые структуры (кроме случая хаотического расположения волокон) анизотропны - их механические и физические свойства зависят от расположения волокон и их собственной анизотропии;
- все характерные свойства волокон транслируются на волокнистые материалы;
- в волокнистых структурах (материалах) волокна взаимодействуют друг с другом благодаря силам трения, адгезии или когезии;
- механические воздействия на волокнистые материалы распределяются по отдельным волокнам в зависимости от их расположения и взаимодействия между ними;
- разрушение структурных элементов волокнистых материалов (отдельных волокон, нитей) и их групп не приводит к разрушению волокнистого материала или изделия в целом; в противоположность этому массивные твердые тела 2-D структуры (пленки) или 3-D структуры при возникновении локальных дефектов легко разрушаются на части путем прорастания трещин.
Необходимо отметить следующие особенности текстиля (текстильных материалов), отличающие его от всех других видов волокнистых материалов:
1) волокна в текстиле соединены путем фрикционного взаимодействия; поэтому текстильные материалы являются особыми телами, обратимая деформация которых определяется как деформацией структурных элементов (волокон, нитей), так и обратимым взаимным их перемещением; соотношение между долями этих деформаций определяется как деформацией самих волокон/нитей, так и степенью их изогнутости и ориентацией по отношению к направлению деформирования;
2) текстиль является дисперсной системой с высокой удельной активной поверхностью, определяемой удельной поверхностью волокон и их поверхностной энергией;
3) текстиль (текстильные материалы) - это структуры с открытой пористостью и поэтому высокой проницаемостью для жидкостей и газов;
4) текстиль можно рассматривать как особый вид композита "волокна - воздух"; ряд его свойств, например, теплопроводность, зависит не только от волокон, но в значительной степени от газа (воздуха), находящегося в порах.
Отметив основные, характерные особенности волокон и волокнистых материалов перейдем к общей классификации текстиля. Эта классификация может быть выполнена по различным признакам: по методам производства и строению, по волокнистому составу и свойствам, по областям применения и другим.
Современный текстиль чрезвычайно разнообразен. В его состав входят важнейшие виды (перечисляются только основные виды текстиля), классифицируемые по различным признакам:
1) по исходным материалам: из натуральных волокон • из химических волокон • из смесей натуральных и химических волокон;
2) по способам производства: тканые материалы • вязаные материалы (трикотаж) • комбинированные материалы (например, трикоткани) • плетеные материалы • крученые материалы и изделия • нетканые материалы: а) на основе механических способов скрепления (на основе волокон - иглопробивные, прошивные, валяные и др., на основе нитей - прошивные, комбинированные - иглопробивные на основе волокон и нитей, многослойные, включающие тканые и нетканые слои), б) адгезионно- и когезионно скрепленные, в) полученные по механической технологии из смесей с термопластичными волокнами или дополнительно обработанные полимерными веществами - однослойные на основе волокнистого слоя/холста или многослойные, г) прямого формования из нитей и волокон - spunbond, spunlaid, meltblown, д) полученные аэродинамическим или гидродинамическим методом (по бумажной технологии) • текстиль комбинированный (многослойный) • текстиль с полимерным покрытием, дублированный, с ворсовым покрытием и другие виды;
3) по назначению: текстиль для одежды • текстиль для обуви • текстиль для дома - материалы для интерьера, мебели, напольных покрытий и пр. • текстиль для туристского и спортивного снаряжения • технический текстиль • защитный текстиль (для защиты человека от воздействия вредных факторов окружающей среды и защиты окружающей среды от деятельности человека) • медицинский и гигиенический текстиль и др.
Классификация текстиля для одежды и обуви в основном уже сложилась и здесь не рассматривается (см. учебники по текстильному, швейному и обувному материаловедению [[1-4]]). Хотя, конечно же, классификация текстиля для одежды и обуви также требует дополнения и уточнения с учетом новых видов волокон и волокнистых материалов. Но это самостоятельная большая проблема, требующая отдельного рассмотрения.
Ниже приводится примерная классификация различных видов «нетрадиционного текстиля». Приведенная классификация не может рассматриваться как окончательная. Цель ее - обратить внимание специалистов в области текстильного материаловедения, товароведения и маркетинга текстильных и других материалов и изделий на необходимость развития соответствующих представлений, проведения исследований, совершенствование преподавания в области текстиля, а также в смежных направлениях науки и техники.
Текстиль и другие волокнистые материалы для дома и интерьера: материалы для интерьера (занавеси, портьеры, декоративный текстиль; мебельный текстиль; напольные покрытия) • материалы для столового белья и постельных принадлежностей (текстиль для постельного белья и постельных принадлежностей; текстиль для оформления стола (скатерти, салфетки и др., в том числе одноразового применения).
Технический текстиль: нагруженные текстильные материалы и изделия (канаты, тросы, грузонесущие ленты и ремни, рыболовные снасти и др.) • материалы для сепарационных, тепло- и массообменных процессов (фильтрующие материалы для газовых и жидких сред; брызгоулавливающие материалы; диафрагменные материалы; сепарирующие - текстильные сетки и сита; материалы для разделения систем "вода - масло" - отделения нефтепродуктов; текстильные перегородки и контактные элементы для интенсификации тепло- и массообмена в газо-жидкостных системах; сушильно-транспортерные полотна для производства бумаги и картона) • текстиль в транспортом и общем машиностроении (текстиль в автомобилестроении, авиастроении, судостроении; текстиль в средствах безопасности и спасения на транспорте; уплотнительные, сальниковые и прокладочные материалы) • геотекстиль и сельскохозяйственный текстиль (грунтоукрепляюшие материалы (нетканые материалы, сетки и др.; геотекстильные материалы для дорожного строительства, мелиорации и ирригации; нетканые материалы, армированные пленки в растениеводстве) • укрывочные и упаковочные материалы и изделия (брезенты и полотна с покрытием; тентовые и палаточные материалы; тара и мешки, декоративная упаковка).
Защитный и специальный текстиль: термостойкие, трудногорючие и негорючие материалы для термозащиты и защиты от воздействия открытого пламени или нагретых частиц - искр, брызг расплавленного металла • материалы для химической и биологической защиты • материалы для баллистической защиты • труднопрорезаемый защитный текстиль • антистатические материалы и экраны для защиты от электромагнитного излучения • текстиль для радиационной защиты • текстильные электронагреватели • текстиль в рециклинге химикалий и охране окружающей среды (волокнистые сорбенты; волокнистые катализаторы для очистки газовых и жидких выбросов).
Текстильные и текстильно-полимерные композиты: армирующие волокнистые наполнители и волокнистые полимерные композиты на их основе • корд-шнуры, ленты, бельтинги и другие виды текстиля для армирования РТИ, резинотекстильные материалы и изделия на их основе • текстильные полотна с полимерным покрытием.
Волокнистые материалы/текстиль медицинского и гигиенического назначения: имплантируемые хирургические материалы и изделия (шовные материалы, материалы для протезов внутренних органов, волокнистые материалы с иммобилизованными лекарственными препаратами) • неимплантируемые хирургические материалы (перевязочные материалы; лечебные материалы наружного применения; вспомогательные материалы - подстилки, впитывающие салфетки и др.) • медицинские материалы специального назначения (волокнистые сорбенты для гемодиализа - очистки крови и лимфы; полые волокна и модули для аппаратов "искусственные легкие" и "искусственная почка"; фильтрующие и сорбирующие материалы для защиты органов дыхания) • материалы для специальной одежды медицинского персонала (материалы для одежды медицинского персонала: материалы и изделия одноразового применения; материалы для чистых помещений; бактерицидные и антимикробные материалы; текстиль компрессионного назначения - эластичные материалы и изделия) • гигиенический текстиль и изделия (впитывающие прокладки, салфетки, тампоны; полотенца;косметический текстиль).
Публикуя представленный материал, авторы надеются на отклики специалистов и их рекомендации по приведенным особенностям и совершенствованию классификации волокон, нитей и текстиля различного волокнистого состава, способов производства и применения.