Những tiến bộ trong thúc đẩy nền văn minh của ba loại vải sợi hiệu suất cao

Những tiến bộ trong thúc đẩy nền văn minh của ba loại vải sợi hiệu suất cao

Sợi hiệu suất cao có khả năng chống lại các tác động vật lý như ánh sáng, điện, nhiệt và lực từ thế giới bên ngoài, cũng như các tác động hóa học như chất oxy hóa, axit và kiềm, do đó sợi có độ bền cao, mô đun cao, chịu nhiệt độ cao và đặc tính chống cháy. Sợi hiệu suất cao có thể được chia thành sợi hữu cơ và sợi vô cơ. Sợi hữu cơ bao gồm: sợi aramid, sợi polyetylen trọng lượng phân tử siêu cao, sợi polyphenylen sulfua, v.v ...; sợi vô cơ chủ yếu bao gồm: sợi cacbon, sợi gốm, ... trong đó sợi cacbon, sợi aramid và sợi polyetylen trọng lượng phân tử siêu cao là ba loại sợi chính. đổi mới công nghệ và cạnh tranh; nhu cầu thị trường toàn cầu đang tăng nhanh và các nhà sản xuất tiếp tục khám phá các lĩnh vực ứng dụng. Phát triển các sản phẩm mới có thể bán được trên thị trường để đạt được lợi thế cạnh tranh.

Hiện nay, sợi hiệu suất cao đang trong giai đoạn phát triển mạnh mẽ và các sản phẩm khác nhau (vật liệu composite, dây thừng, v.v.) cũng được sử dụng trong các lĩnh vực công nghiệp quân sự, hàng không vũ trụ, hàng hải, kỹ thuật dân dụng, dệt may. Nghiên cứu này giới thiệu và phân tích các kỹ thuật tối ưu hóa khác nhau cho ba loại sợi và dệt hiệu suất cao chính về giảm chi phí, nâng cao chức năng và nâng cao giá trị gia tăng nhằm thúc đẩy sự phát triển của hàng dệt hiệu suất cao thành các sản phẩm chất lượng cao có thể chia sẻ được. xã hội và thường dân.

1. Sợi carbon

Sợi carbon là một vật liệu dựa trên carbon dạng sợi bao gồm các tinh thể than chì nhiều lớp xếp chồng lên nhau theo hướng trục. Nó có tính chất cơ học tuyệt vời và đặc tính nhẹ. Sau nhiều thập kỷ phát triển, ứng dụng thương mại của sợi carbon đã lan rộng sang nhiều lĩnh vực công nghệ cao.

1.1 Công nghệ sản xuất

Hiện nay, khoảng 90% sợi carbon thương mại được sản xuất từ ​​polyacrylonitrile (PAN). Sợi carbon dựa trên PAN công nghiệp truyền thống có giá thành cao và sản lượng hạn chế nên khó phổ biến trên diện rộng. Để giảm chi phí, PAN cấp dệt rẻ tiền và lignin tái tạo được sử dụng làm nguyên liệu tiền thân để sản xuất sợi carbon.

Jiang và cộng sự. Sử dụng phương pháp kéo sợi ướt để điều chế sợi tiền thân từ lignin rơm lúa mì và sợi acrylic dệt làm nguyên liệu thô có thể giảm chi phí sản xuất sợi carbon; do nhiệt độ phản ứng nhiệt của lignin cao, nó cũng có thể làm cho sợi pha lignin / PAN được cải thiện độ ổn định nhiệt. Huang và nhóm của ông đã sử dụng guanidine hydrochloride không chứa kim loại để sửa đổi sợi acrylic dệt, cho phép quá trình tiền oxy hóa diễn ra ở nhiệt độ thấp hơn, giảm chi phí sản xuất. Đồng thời, cấu trúc polyme được hình thành do phản ứng tuần hoàn của nhóm nitrile ở nhiệt độ thấp ổn định hơn, do đó sợi carbon có tính chất cơ học tốt hơn. Việc chiếu tia UV lên các sợi PAN có chứa chất quang điện trước quá trình oxy hóa trước có thể làm tăng tốc độ phản ứng tuần hoàn và rút ngắn thời gian oxy hóa. Nghiên cứu của Jo et al. Người ta phát hiện ra rằng việc chiếu xạ các sợi PAN cấp dệt không có chất quang hóa bằng tia UV cũng có thể thúc đẩy hiệu quả quá trình tiền oxy hóa, chỉ mất 30 phút. Kỹ thuật điện quay sử dụng một quy trình đơn giản là cách tốt nhất để chuẩn bị sợi nano carbon (CNF), quy trình này phụ thuộc nhiều vào các tiền chất như PAN, pitch và lignin. Chen và cộng sự. Bã mía được este hóa đồng nhất bằng cách sử dụng anhydrit axit và sau đó trộn với PAN để quay điện để điều chế CNF. Bã mía esterified giúp giữ lại các nguyên tử nitơ của CNF, do đó cải thiện độ ổn định nhiệt, độ dẫn điện và hoạt động bề mặt của sợi.

Có thể thấy, dù là kéo sợi ướt truyền thống hay quay điện mới, thì điểm mấu chốt để giảm giá thành sản xuất sợi carbon nằm ở nguyên liệu và quy trình. Nghiên cứu tập trung vào việc lựa chọn, sửa đổi và tối ưu hóa quy trình của các vật liệu tiền chất dựa trên carbon. Cộng và trừ. Tất nhiên, để đạt được sản xuất hàng loạt với chi phí thấp, cũng cần phải tăng năng suất.

1.2 Công nghệ che nắng

Độ kết tinh cao và tính trơ hóa học của sợi carbon làm cho sợi carbon khó bắt màu với thuốc nhuộm hoặc bột màu truyền thống. Tinh thể quang tử là vật liệu điện môi được sắp xếp theo chu kỳ trong không gian bằng cách sử dụng các vật liệu có chiết suất khác nhau. Nó có một vùng cấm quang tử và có thể phản xạ chọn lọc các photon của một bước sóng nhất định, và ánh sáng phản xạ bị nhiễu xạ trên bề mặt của tinh thể, dẫn đến màu sắc. Sợi carbon màu có thể được điều chế bằng cách tập hợp các hạt nano keo tích điện phân tán trên bề mặt sợi carbon bằng cách lắng đọng điện di, nhưng độ bền cơ học không đủ trong các ứng dụng thực tế. Niu và cộng sự. Các lớp ZnO và Al2O3 có độ tương phản chiết suất lớn được sử dụng làm thành phần tuần hoàn và lắng đọng trên bề mặt sợi than hoạt tính plasma bằng kỹ thuật lắng đọng lớp nguyên tử. Các sợi carbon đa màu đã được chế biến có tính ổn định cơ học và khả năng rửa trôi tuyệt vời. giới tính. Trong điều kiện ánh sáng phân tán, các loại vải dệt trơn từ sợi có thể thể hiện màu sắc và đặc tính phản xạ không phụ thuộc vào góc độ.

1.3 Công nghệ chức năng

1.3.1 Điện cực sợi mềm

Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ đeo, công việc nghiên cứu về hàng dệt thông minh điện tử đã được cải thiện đáng kể trong những năm gần đây. Việc nghiên cứu và phát triển các linh kiện điện tử tương ứng đã dần chiếm chỗ đứng. Ví dụ, vải làm từ sợi carbon là vật liệu điện cực mềm phổ biến hiện nay; tuy nhiên, tính linh hoạt và hiệu suất vượt trội của các điện cực như vậy đã là một vấn đề quan trọng trong sự phát triển của hàng dệt thông minh. Li và cộng sự. Vải bông phủ KOH được cacbon hóa bằng quy trình nung khuôn mẫu động, quá trình này thúc đẩy sự hình thành cấu trúc xốp có trật tự nhiều lớp trên thành sợi. Các loại vải sợi carbon được sản xuất có độ bền cơ học tuyệt vời và có thể được sử dụng làm điện cực siêu tụ điện. Có những cách tiếp cận khác để phát triển điện cực vải sợi carbon siêu điện dung, chẳng hạn như ăn mòn hóa học chọn lọc và tẩy tế bào chết điện hóa của các hạt nano niken để tạo ra các lỗ chân lông đa tỷ lệ và các nhóm phản ứng trong vải và biến đổi dị nguyên tử của vải sợi carbon. Ngoài ra, CNFs có tính dẫn điện tốt và diện tích bề mặt riêng lớn, có tiềm năng lớn trong ứng dụng của các thiết bị điện tử. Levitt và cộng sự. Cacbua kim loại chuyển tiếp hai chiều Ti3C2Tx được trộn vào dung dịch PAN, sau đó được quay bằng điện để chuẩn bị thảm sợi nano cacbon. Do đó, điện dung của các điện cực composite được chế tạo cao hơn điện dung của sợi carbon nguyên chất. Việc bổ sung Ti3C2Tx cải thiện hiệu suất điện hóa của điện cực composite. Độ dẫn điện và độ bền cũng mạnh hơn.

1.3.2 Cảm biến linh hoạt

Với việc nâng cao nhận thức về sức khỏe cộng đồng và nâng cao yêu cầu trang thiết bị trong các lĩnh vực đặc biệt, hàng dệt thông minh dần được tích hợp vào hệ thống giám sát và theo dõi chăm sóc y tế. Một trong những thành phần quan trọng là cảm biến. Azizhani và cộng sự. Cao su silicone đóng rắn ở nhiệt độ phòng được chọn làm ma trận và sợi carbon cắt nhỏ được sử dụng làm vật liệu dẫn điện để chuẩn bị cảm biến biến dạng điện trở, có độ nhạy cao trong phạm vi biên độ biến dạng lên đến 25 phần trăm; thời gian phục hồi của nó là ít hơn 15 s. Khi loại cảm biến này được sử dụng để giám sát con người, nó có thể đảm bảo tín hiệu ổn định và hiệu suất cảm biến mạnh mẽ. Tương tự như vậy, độ nhạy cao và khả năng co giãn của cảm biến tổng hợp sợi carbon / polydimethylsiloxan cắt nhỏ áp suất [18] làm cho nó phù hợp để phát hiện cảm biến căng trong các ứng dụng khác nhau, chẳng hạn như chuyển động của con người, làm nhăn vải, v.v. Tuy nhiên, loại cảm biến này cần được cải tiến nhiều hơn nữa. Đặc tính áp của nó rất nhạy cảm với cấu trúc tải trọng. Áp dụng căng quá mức sẽ gây ra các vấn đề như giảm độ nhạy và chậm chuyển mạch điện áp.

2. Sợi aramid

Tên đầy đủ của sợi aramid là sợi polyamit thơm, có ưu điểm là độ bền cao, mô đun cao, mật độ thấp, chống mài mòn, chống va đập và cách nhiệt tuyệt vời. Do các vị trí kết nối khác nhau của liên kết amit và vòng benzen, có sự khác biệt trong cấu trúc phân tử của aramid, thường có thể được chia thành para-aramid, meta-aramid và aramid III.

2.1 Công nghệ sản xuất

Trong những năm gần đây, sợi aramid trong và ngoài nước từng bước đạt sản lượng công nghiệp có giá trị gia tăng cao, sản lượng tăng dần qua từng năm. Sợi Aramid 1414 (poly-p-phenylene terephthamide, PPTA), một trong những sản phẩm chính, là điểm mấu chốt trong việc kiểm soát chất lượng của thành phẩm trong quá trình kéo sợi. Chen Zhourong đã tiến hành nghiên cứu quy trình sản xuất về vấn đề này: thêm nước và chất chống tĩnh điện vào sợi PPTA tiền xử lý để giảm tĩnh điện; khi chải thô, sử dụng các thiết bị xylanh và xéc măng có độ sâu răng nhỏ và tốc độ di chuyển nhanh để giải quyết vấn đề kéo sợi dễ bị bột và biến dạng. Đồng thời, điều chỉnh cao độ của thiết bị để tăng tốc độ truyền của sợi quang. Việc phát triển và sản xuất sợi aramid có cơ tính cao hơn là một đề tài nghiên cứu xứng đáng để mở rộng lĩnh vực ứng dụng của sợi aramid. Teng và cộng sự. Trộn PPTA thương mại với h-PPTA (PPTA khối lượng phân tử cao) trong axit sulfuric đậm đặc. Trong quá trình kéo sợi khô-tia-ướt, h-PPTA có thể tăng cường sự tương tác giữa các đại phân tử và tạo ra sự định hướng của các chuỗi PPTA ngắn dọc theo trục sợi. Độ bền kéo và mô đun ban đầu của sợi aramid được sản xuất được cải thiện. Ngoài ra, Ren Zhongkai et al. Nghiên cứu và điều chế aramid độ bền cao 1313. Độ bền đứt của aramid thông thường 1313 thấp hơn aramid 1414. Bằng cách tăng độ nhớt của dung dịch kéo sợi và giảm hàm lượng chất rắn, khối lượng phân tử của polyme có thể được tăng lên, và việc bổ sung các chất điều chỉnh có thể làm tăng định hướng và tính đồng nhất cấu trúc của các sợi. Phương pháp gia nhiệt từ từ và giặt từ từ đảm bảo độ chặt của cấu trúc sợi. Những cải tiến kỹ thuật khác nhau này làm cho sợi cứng hơn và bền hơn.

2.2 Công nghệ che nắng

Aramid có cấu trúc nhỏ gọn và nhiệt độ chuyển thủy tinh cao nên khó nhuộm bằng các quy trình thông thường. Do đó, khi độ linh động của chuỗi đại phân tử của sợi tăng lên và diện tích vô định hình tăng lên, thuốc nhuộm có thể dễ dàng đi vào sợi và kết hợp với nó. Azam và cộng sự. Người ta đề xuất rằng độ sâu nhuộm của sợi aramid tương đối thấp trong những năm gần đây, vì vậy họ sử dụng rượu benzyl làm chất trương nở để tối ưu hóa quá trình nhuộm của thuốc nhuộm cation cho sợi meta-aramid. Vải Aramid có độ sâu nhuộm cao và độ bền thấp. Ngoài ra, Kale et al. Bề mặt của sợi aramid nhuộm được phủ các hạt nano titan đioxit để giải quyết vấn đề về khả năng cản sáng kém của sợi aramid nhuộm. Đối với việc in hàng dệt aramid, in chất mang bằng thuốc nhuộm phân tán là một nỗ lực tốt,

2.3 Công nghệ chức năng

2.3.1 Tối ưu hóa cấu trúc vải

Nghiên cứu về các loại vải bảo vệ hiệu suất cao làm bằng aramid cũng đã được phát triển khi nhu cầu trong lĩnh vực thiết bị bảo hộ cá nhân và công nghiệp tăng lên. Dựa trên ma sát giữa các sợi trong vải aramid có tác động lớn hơn đến khả năng chống va đập, Moure et al. Các tính chất cơ học và hệ số ma sát sợi của các loại vải para-aramid có cấu trúc khác nhau được so sánh ở các lớp khác nhau từ sợi đến cấu trúc. Nghiên cứu phát hiện ra rằng mặc dù tính chất cơ học của các loại sợi về cơ bản giống nhau, nhưng tính chất cơ học của các loại vải lại khác nhau; Khi các sợi aramid đan xen trên vải gia cường theo một góc thẳng đứng, chúng có thể hấp thụ nhiều năng lượng, lớn hơn so với các loại vải mềm thông thường. Và khi vải có mật độ năng lượng hấp thụ và hệ số ma sát cao hơn,

2.3.2 Cải thiện hiệu suất vải

Để cải thiện hiệu suất thực tế của quần áo bảo hộ, Nayak et al. áp dụng các lớp phủ cacbua bo cho các loại vải aramid. Mặc dù khả năng chống đâm thủng tổng thể của vải được cải thiện, nhưng nó cũng gây ra sự tập trung ứng suất, ảnh hưởng đến tính năng bảo vệ cục bộ của vải; Đồng thời, dòng chảy của hơi mồ hôi của lớp phủ bị hạn chế, dẫn đến giảm sự thoải mái. Theo quan điểm của vấn đề mồ hôi ẩm kém và hiệu suất thoát mồ hôi của vải aramid, axit kali pemanganat hoặc biến tính plasma kết hợp với các phương pháp hoàn thiện mồ hôi và thoát mồ hôi có thể được sử dụng để tạo ra các nhóm cực trên sợi vải để cải thiện khả năng thấm ướt của sợi và kết thúc thẩm thấu và liên kết tốt hơn với các sợi. Nói chung, các sản phẩm đa chức năng phổ biến hơn trên thị trường. Shen và cộng sự. Dung dịch hỗn hợp của polyurethane gốc nước, polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolyme và fluoroalkyl silane được phủ lên vải aramid bằng phương pháp phủ nhúng và vải thu được có cả tính năng siêu kỵ nước bền và chức năng bảo vệ hóa chất. . Liu và cộng sự. Vải Aramid được ngâm tẩm với chất lỏng làm dày cắt (STF) và được phủ bằng ống nano carbon (CNTs) bằng quy trình hỗn hợp, tạo ra các loại vải composite có chức năng bảo vệ và cảm biến tuyệt vời. Trong số đó, CNT làm tăng đặc tính dẫn điện và phản ứng của vải, có thể được phát hiện một cách hiệu quả; Việc bổ sung STF cho phép vải composite chịu được lực tác động cao hơn và bảo vệ mạnh mẽ hơn. Polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolyme và fluoroalkyl silane được phủ nhúng trên vải aramid, và loại vải tạo thành có cả tính siêu kỵ nước bền và khả năng bảo vệ hóa chất. . Liu và cộng sự. Vải Aramid được ngâm tẩm với chất lỏng làm dày cắt (STF) và được phủ bằng ống nano carbon (CNTs) bằng quy trình hỗn hợp, tạo ra các loại vải composite có chức năng bảo vệ và cảm biến tuyệt vời. Trong số đó, CNT làm tăng đặc tính dẫn điện và phản ứng của vải, có thể được phát hiện một cách hiệu quả; Việc bổ sung STF cho phép vải composite chịu được lực tác động cao hơn và bảo vệ mạnh mẽ hơn. Polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolyme và fluoroalkyl silane được phủ nhúng trên vải aramid, và loại vải tạo thành có cả tính siêu kỵ nước bền và khả năng bảo vệ hóa chất. . Liu và cộng sự. Vải Aramid được ngâm tẩm với chất lỏng làm dày cắt (STF) và được phủ bằng ống nano carbon (CNTs) bằng quy trình hỗn hợp, tạo ra các loại vải composite có chức năng bảo vệ và cảm biến tuyệt vời. Trong số đó, CNT làm tăng đặc tính dẫn điện và phản ứng của vải, có thể được phát hiện một cách hiệu quả; Việc bổ sung STF cho phép vải composite chịu được lực tác động cao hơn và bảo vệ mạnh mẽ hơn. Vải Aramid được ngâm tẩm với chất lỏng làm dày cắt (STF) và được phủ bằng ống nano carbon (CNTs) bằng quy trình hỗn hợp, tạo ra các loại vải composite có chức năng bảo vệ và cảm biến tuyệt vời. Trong số đó, CNT làm tăng đặc tính dẫn điện và phản ứng của vải, có thể được phát hiện một cách hiệu quả; Việc bổ sung STF cho phép vải composite chịu được lực tác động cao hơn và bảo vệ mạnh mẽ hơn. Vải Aramid được ngâm tẩm với chất lỏng làm dày cắt (STF) và được phủ bằng ống nano carbon (CNTs) bằng quy trình hỗn hợp, tạo ra các loại vải composite có chức năng bảo vệ và cảm biến tuyệt vời. Trong số đó, CNT làm tăng đặc tính dẫn điện và phản ứng của vải, có thể được phát hiện một cách hiệu quả; Việc bổ sung STF cho phép vải composite chịu được lực tác động cao hơn và bảo vệ mạnh mẽ hơn.

3. Sợi UHMWPE

Sợi polyethylene trọng lượng phân tử siêu cao (UHMWPE) có nhiều đặc tính tuyệt vời như độ bền kéo cao, mô đun cao và mật độ khối lượng thấp, và trơ trong dung môi hóa học.

3.1 Công nghệ sản xuất

Hiện nay, việc sản xuất sợi UHMWPE đã được công nghiệp hóa, nhưng phương pháp sản xuất quy mô lớn này chỉ có thể đạt được bằng cách kéo sợi gel. Tuy nhiên, phương pháp này sử dụng một lượng lớn dung môi hữu cơ và gây ô nhiễm môi trường với chi phí sản xuất cao. Quy trình kéo sợi nóng chảy (quay nóng chảy), quy trình đơn giản, không cần dung môi hữu cơ và chi phí thấp, là một lựa chọn tốt hơn. Kakiage và cộng sự. Kết hợp các phương pháp kéo sợi nóng chảy và chuẩn bị bản vẽ nóng chảy để cải thiện độ bền kéo của sợi UHMWPE. Vẽ nóng chảy làm tăng tốc độ định hướng tinh thể tuyến tính trong sợi. Ở 145 độ, độ bền kéo của sợi có thể đạt 1,1 GPa trong các điều kiện của tỷ lệ kéo là 20 và tốc độ biến dạng là 40 / phút. So với kéo sợi gel, các đặc tính cơ học của sợi UHMWPE được tạo ra bằng cách kéo sợi nóng chảy yếu hơn nhiều. Tuy nhiên, để đáp ứng nhu cầu của thị trường xơ sợi có độ bền trung bình và thị trường dệt may đại trà, sợi UHMWPE có độ bền trung bình được làm từ kéo sợi nóng chảy gây ô nhiễm ánh sáng là đủ.

3.1 Công nghệ che nắng

Từ góc độ thị trường hạ nguồn của sợi UHMWPE, sợi UHMWPE với màu sắc phong phú có thể nâng cao giá trị gia tăng của sản phẩm, mở rộng thị trường ứng dụng, do đó nâng cao khả năng cạnh tranh của sản phẩm. Tuy nhiên, do độ kết tinh cao và thiếu các nhóm chức của sợi UHMWPE nên các phương pháp truyền thống rất khó nhuộm. Ma và cộng sự. Cố gắng nhuộm vải UHMWPE ở 120 độ và 20 MPa carbon dioxide siêu tới hạn (scCO2). Với việc tăng thời gian nhuộm và nồng độ thuốc nhuộm, khả năng nhuộm của vải UHMWPE liên tục được cải thiện và độ bền màu của vải cũng được cải thiện. Thời gian nhuộm được kéo dài và tăng lên. Và việc bổ sung decalin làm đồng dung môi trong scCO2 dẫn đến màu sắc lớn hơn. Nhưng sau khi thêm decalin,