پیشرفت در ارتقای تمدن سه پارچه الیافی با کارایی بالا

پیشرفت در ارتقای تمدن سه پارچه الیافی با کارایی بالا

الیاف با کارایی بالا در برابر اثرات فیزیکی مانند نور، الکتریسیته، گرما و نیروی خارج و همچنین اثرات شیمیایی مانند اکسیدان ها، اسیدها و قلیاها مقاومت بالایی دارند، به طوری که الیاف دارای استحکام بالا، مدول بالا، مقاومت در برابر درجه حرارت بالا و خواص بازدارنده شعله. الیاف با کارایی بالا را می توان به الیاف آلی و الیاف معدنی تقسیم کرد. الیاف آلی عبارتند از: الیاف آرامید، الیاف پلی اتیلن با وزن مولکولی فوق العاده بالا، الیاف سولفید پلی فنیلن و غیره. الیاف معدنی عمدتاً عبارتند از: الیاف کربن، الیاف سرامیکی و غیره که الیاف کربن، الیاف آرامید و الیاف پلی اتیلن با وزن مولکولی فوق العاده بالا سه الیاف اصلی هستند. نوآوری و رقابت فن آوری؛ تقاضای بازار جهانی در حال افزایش است و تولیدکنندگان به کاوش در زمینه های کاربردی ادامه می دهند. برای به دست آوردن مزیت رقابتی محصولات جدید قابل فروش را توسعه دهید.

در حال حاضر الیاف با کارایی بالا در مرحله توسعه شدید قرار دارند و محصولات مختلف (مواد کامپوزیتی، طناب و ...) نیز در زمینه‌های صنایع نظامی، هوافضا، ناوبری، عمران، نساجی و پوشاک مورد استفاده قرار می‌گیرند. این مطالعه تکنیک‌های مختلف بهینه‌سازی را برای سه الیاف و منسوجات با کارایی بالا از نظر کاهش هزینه، بهبود عملکرد و بهبود ارزش افزوده معرفی و تجزیه و تحلیل می‌کند تا توسعه منسوجات با کارایی بالا را به محصولات با کیفیت بالا به اشتراک بگذارد. جامعه و غیرنظامیان

1. فیبر کربن

فیبر کربن یک ماده فیبری مبتنی بر کربن است که از بلورهای گرافیت لایه‌ای تشکیل شده است که در جهت محوری روی هم چیده شده‌اند. دارای خواص مکانیکی عالی و خواص سبک وزن است. پس از چندین دهه توسعه، کاربرد تجاری فیبر کربن به بسیاری از زمینه‌های با فناوری پیشرفته گسترش یافته است.

1.1 فناوری تولید

در حال حاضر، تقریباً 90 درصد فیبر کربن تجاری از پلی اکریلونیتریل (PAN) تولید می شود. الیاف کربن مبتنی بر PAN صنعتی سنتی گران هستند و از نظر خروجی محدود هستند، و محبوبیت آن را در مقیاس بزرگ دشوار می کند. برای کاهش هزینه ها، PAN ارزان قیمت نساجی و لیگنین تجدید پذیر به عنوان مواد اولیه برای تولید فیبر کربن استفاده می شود.

جیانگ و همکاران استفاده از روش ریسندگی مرطوب برای تهیه الیاف پیش ساز از لیگنین کاه گندم و الیاف اکریلیک نساجی به عنوان مواد خام می تواند هزینه تولید الیاف کربن را کاهش دهد. به دلیل دمای واکنش حرارتی بالای لیگنین، همچنین می تواند باعث بهبود پایداری حرارتی الیاف ترکیبی لیگنین/PAN شود. هوانگ و تیمش از گوانیدین هیدروکلراید بدون فلز برای اصلاح الیاف اکریلیک نساجی استفاده کردند که به فرآیند پیش اکسیداسیون اجازه می‌دهد در دماهای پایین‌تر انجام شود و هزینه‌های تولید کاهش یابد. در عین حال، ساختار پلیمری تشکیل شده توسط واکنش چرخه ای گروه نیتریل در دمای پایین، پایدارتر است، به طوری که فیبر کربن خواص مکانیکی بهتری دارد. تابش اشعه ماوراء بنفش الیاف PAN حاوی آغازگرهای نوری قبل از پیش اکسیداسیون می تواند سرعت واکنش چرخه ای را افزایش داده و زمان اکسیداسیون را کوتاه کند. مطالعه جو و همکاران. مشخص شد که تابش الیاف PAN درجه نساجی بدون شروع کننده نور با نور UV نیز می تواند به طور موثر فرآیند پیش اکسیداسیون را که تنها 30 دقیقه طول می کشد، ارتقا دهد. الکتروریسی با استفاده از یک فرآیند ساده بهترین راه برای تهیه نانوالیاف کربنی (CNFs) است که فرآیند آن به شدت به پیش سازهایی مانند PAN، pitch و لیگنین بستگی دارد. چن و همکاران باگاس با استفاده از انیدرید اسید به طور همگن استری شد و سپس با PAN برای الکتروریسی برای تهیه CNF مخلوط شد. باگاس استری شده به حفظ اتم های نیتروژن CNF کمک می کند و در نتیجه پایداری حرارتی، هدایت الکتریکی و فعالیت سطحی الیاف را بهبود می بخشد.

مشاهده می شود که، چه ریسندگی مرطوب سنتی و چه الکتروریسی جدید، کلید کاهش هزینه تولید فیبر کربن در مواد خام و فرآیندها نهفته است. این تحقیق بر انتخاب، اصلاح و بهینه سازی فرآیند مواد پیش ساز مبتنی بر کربن متمرکز است. جمع و تفریق. البته برای دستیابی به تولید انبوه کم هزینه، افزایش بهره وری نیز ضروری است.

1.2 تکنولوژی سایه زنی

بلورینگی بالا و بی اثر بودن شیمیایی فیبر کربن رنگ آمیزی آن را با رنگ ها یا رنگدانه های سنتی دشوار می کند. بلورهای فوتونیک مواد دی الکتریکی هستند که به صورت دوره ای در فضا با استفاده از موادی با ضریب شکست متفاوت مرتب می شوند. دارای یک شکاف باند فوتونیک است و می تواند فوتون های با طول موج مشخص را به طور انتخابی منعکس کند و نور بازتاب شده روی سطح کریستال پراکنده شده و در نتیجه رنگ ایجاد می شود. الیاف کربن رنگی را می توان با مونتاژ نانوذرات کلوئیدی باردار پراکنده بر روی سطح الیاف کربن با رسوب الکتروفورتیک تهیه کرد، اما دوام مکانیکی در کاربردهای عملی کافی نیست. نیو و همکاران لایه‌های ZnO و Al2O3 با کنتراست ضریب شکست بزرگ به‌عنوان اجزای دوره‌ای مورد استفاده قرار گرفتند و با تکنیک رسوب لایه اتمی بر روی سطح الیاف کربن فعال پلاسما رسوب کردند. الیاف کربن چند رنگ آماده شده دارای پایداری مکانیکی و قابلیت شستشو عالی هستند. جنسیت در شرایط نور پراکنده، پارچه‌های الیاف ساده بافت می‌توانند خواص بازتابی و رنگ مستقل از زاویه را نشان دهند.

1.3 فناوری عملکردی

1.3.1 الکترودهای فیبر انعطاف پذیر

با توسعه سریع فناوری پوشیدنی، کار تحقیقاتی بر روی منسوجات هوشمند الکترونیکی در سال های اخیر به طور قابل توجهی بهبود یافته است. تحقیق و توسعه قطعات الکترونیکی مربوطه به تدریج جایگاهی را اشغال کرده است. به عنوان مثال، پارچه های مبتنی بر فیبر کربن در حال حاضر مواد الکترود انعطاف پذیر محبوب هستند. با این حال، انعطاف پذیری و عملکرد برتر چنین الکترودهایی موضوع مهمی در توسعه منسوجات هوشمند بوده است. لی و همکاران پارچه پنبه ای پوشش داده شده با KOH توسط یک فرآیند تکلیس الگوی دینامیکی کربنیزه شد، که باعث ایجاد ساختار متخلخل منظم لایه ای بر روی دیواره الیافی شد. پارچه های فیبر کربنی تولید شده دارای استحکام مکانیکی عالی بوده و می توان از آنها به عنوان الکترود ابرخازن استفاده کرد. روش‌های دیگری برای توسعه الکترودهای پارچه‌ای فیبر کربنی ابرخازنی، مانند اچینگ شیمیایی انتخابی و لایه‌برداری الکتروشیمیایی نانوذرات نیکل برای ایجاد منافذ چند مقیاسی و گروه‌های واکنشی در پارچه‌ها و اصلاح هترواتم پارچه‌های فیبر کربنی وجود دارد. علاوه بر این، CNF ها دارای رسانایی الکتریکی خوب و سطح ویژه بزرگ هستند که پتانسیل بالایی در کاربرد دستگاه های الکترونیکی دارند. لویت و همکاران کاربید فلز واسطه دو بعدی Ti3C2Tx با محلول PAN مخلوط شد و به دنبال آن الکتروریسی برای تهیه تشک های نانوالیاف کربنی انجام شد. ظرفیت الکترودهای کامپوزیتی که به این ترتیب ساخته می شوند بالاتر از ظرفیت الیاف کربن خالص است. افزودن Ti3C2Tx عملکرد الکتروشیمیایی الکترود کامپوزیت را بهبود می بخشد. رسانایی و دوام نیز قوی تر است.

1.3.2 حسگرهای انعطاف پذیر

با ارتقای سطح آگاهی بهداشت عمومی و بهبود تجهیزات مورد نیاز در زمینه های خاص، منسوجات هوشمند به تدریج در سیستم نظارت بر مراقبت و نظارت پزشکی ادغام می شوند. یکی از اجزای اصلی سنسور است. عزیزانی و همکاران لاستیک سیلیکونی پخت در دمای اتاق به عنوان ماتریس انتخاب می شود و فیبر کربن خرد شده به عنوان ماده رسانا برای تهیه سنسور کرنش مقاومتی استفاده می شود که دارای حساسیت بالایی در محدوده دامنه کرنش تا 25 درصد است. زمان بازیابی آن کمتر از 15 ثانیه است. هنگامی که این نوع سنسور برای نظارت بر انسان استفاده می شود، می تواند ثبات سیگنال و عملکرد حسگر قوی را تضمین کند. به همین ترتیب، حساسیت و کشش بالا سنسور کامپوزیت فیبر کربن خرد شده/پلی دی متیل سیلوکسان [18] آن را برای تشخیص حس کشش در کاربردهای مختلف مانند حرکت انسان، چروک شدن پارچه و غیره مناسب می‌کند. با این حال، این نوع سنسور نیاز به بهبود بیشتری دارد. خواص پیزومقاومتی آن به ساختار بار حساس است. اعمال کرنش بیش از حد باعث مشکلاتی مانند کاهش حساسیت و تاخیر در تعویض پیزومقاومت می شود.

2. الیاف آرامید

نام کامل الیاف آرامید فیبر پلی آمید معطر است که دارای مزایای استحکام بالا، مدول بالا، چگالی کم، مقاومت در برابر سایش، مقاومت در برابر ضربه و عایق عالی است. به دلیل موقعیت های مختلف اتصال پیوند آمیدی و حلقه بنزن، تفاوت هایی در ساختار مولکولی آرامید وجود دارد که اغلب می توان آنها را به پاراآرامید، متاآرامید و آرامید III تقسیم کرد.

2.1 فناوری تولید

در سال های اخیر، الیاف آرامید در داخل و خارج از کشور به تدریج به تولید صنعتی با ارزش افزوده بالایی دست یافته اند و تولید سال به سال افزایش یافته است. الیاف آرامید 1414 (پلی پی فنیلن ترفتامید، PPTA)، یکی از محصولات اصلی، یک نکته کلیدی در کنترل کیفیت محصول نهایی در طول فرآیند ریسندگی است. چن ژورونگ در این زمینه تحقیقی در فرآیند تولید انجام داد: افزودن آب و عامل ضد الکتریسیته ساکن برای پیش تصفیه الیاف PPTA برای کاهش الکتریسیته ساکن. هنگام کار کردن، از دستگاه های سیلندر و دافر با عمق دندان کوچک و سرعت حرکت سریع استفاده کنید تا مشکلی که چرخش مستعد ایجاد پودر و گره است را حل کنید. در عین حال، گام دستگاه را تنظیم کنید تا سرعت انتقال فیبر افزایش یابد. توسعه و تولید الیاف آرامید با خواص مکانیکی بالاتر یک موضوع تحقیقاتی ارزشمند برای گسترش زمینه کاربرد الیاف آرامید است. تنگ و همکاران PPTA تجاری را با h-PPTA (PPTA با وزن مولکولی بالا) در اسید سولفوریک غلیظ مخلوط کنید. در طول فرآیند چرخش خشک-جت- مرطوب، h-PPTA می تواند برهمکنش بین ماکرومولکول ها را افزایش داده و جهت گیری زنجیره های کوتاه PPTA را در امتداد محور فیبر القا کند. استحکام کششی و مدول اولیه الیاف آرامید تولید شده بهبود یافته است. علاوه بر این، رن ژونگکای و همکاران. تحقیق و تهیه آرامید 1313 با مقاومت بالا. استحکام شکست آرامید معمولی 1313 کمتر از آرامید 1414 است. با افزایش ویسکوزیته محلول در حال چرخش و کاهش محتوای جامد می توان وزن مولکولی پلیمر را افزایش داد. افزودن اصلاح کننده ها می تواند جهت گیری و یکنواختی ساختاری الیاف را افزایش دهد. گرمایش تدریجی و روش شستشوی تدریجی فشردگی ساختار فیبر را تضمین می کند. این پیشرفت‌های فنی مختلف، الیاف را قوی‌تر و بادوام‌تر می‌کند.

2.2 تکنولوژی سایه زنی

آرامید ساختار فشرده و دمای انتقال شیشه ای بالایی دارد که رنگرزی با فرآیندهای معمولی را دشوار می کند. بنابراین، هنگامی که تحرک زنجیره ماکرومولکولی فیبر افزایش می یابد و ناحیه آمورف افزایش می یابد، رنگ به راحتی می تواند وارد فیبر شده و با آن ترکیب شود. اعظم و همکاران پیشنهاد می‌شود که عمق رنگرزی الیاف آرامید در سال‌های اخیر نسبتاً کم است، بنابراین از بنزیل الکل به عنوان یک عامل متورم‌کننده برای بهینه‌سازی فرآیند رنگرزی رنگ‌های کاتیونی برای الیاف متاآرامید استفاده می‌کنند. پارچه آرامید دارای عمق رنگرزی بالا و افت استحکام پایینی است. علاوه بر این، کاله و همکاران. سطح الیاف آرامید رنگ شده با نانوذرات دی اکسید تیتانیوم پوشانده شده است تا مشکل مقاومت ضعیف نوری الیاف آرامید رنگ شده حل شود. برای چاپ منسوجات آرامید، چاپ کریر با رنگ های پراکنده تلاش خوبی است.

2.3 فناوری عملکردی

2.3.1 بهینه سازی ساختار پارچه

با افزایش تقاضا در زمینه تجهیزات حفاظتی شخصی و صنعتی، تحقیقات در مورد پارچه های محافظ با کارایی بالا ساخته شده از آرامید نیز توسعه یافته است. مور و همکاران بر اساس اصطکاک بین نخ‌ها در پارچه‌های آرامید که تأثیر بیشتری بر مقاومت در برابر ضربه دارند. خواص مکانیکی و ضرایب اصطکاک نخ پارچه های پاراآرامید با ساختارهای مختلف در لایه های مختلف از نخ به ساختار مقایسه شد. این مطالعه نشان داد که حتی اگر خواص مکانیکی نخ ها اساساً یکسان است، خواص مکانیکی پارچه ها متفاوت است. هنگامی که الیاف آرامید روی پارچه تقویت کننده با زاویه عمودی در هم تنیده می شوند، می توانند انرژی زیادی را جذب کنند که بزرگتر از پارچه های نرم معمولی است. و زمانی که پارچه دارای چگالی انرژی جذب شده و ضریب اصطکاک بالاتری باشد،

2.3.2 بهبود عملکرد پارچه

برای بهبود عملکرد عملی لباس محافظ، نایاک و همکاران. اعمال پوشش های کاربید بور برای پارچه های آرامید. اگرچه مقاومت کلی پارچه در برابر سوراخ شدن بهبود یافته است، اما باعث تمرکز استرس نیز می شود که بر عملکرد حفاظت موضعی پارچه تأثیر می گذارد. در عین حال، جریان بخار عرق پوشش محدود می شود و در نتیجه راحتی را کاهش می دهد. با توجه به مشکل تعریق و تعریق ضعیف پارچه‌های آرامیدی، می‌توان از اصلاح اسید پتاسیم پرمنگنات یا اصلاح پلاسما همراه با تعریق رطوبتی و روش‌های تکمیل تعریق برای ایجاد گروه‌های قطبی بر روی الیاف پارچه برای بهبود ترشوندگی الیاف استفاده کرد. نفوذ کرده و بهتر به الیاف می چسبد. به طور کلی، محصولات چند منظوره در بازار محبوبیت بیشتری دارند. شن و همکاران محلول مخلوط پلی اورتان پایه آب، کوپلیمر پلی وینیلیدین فلوراید-هگزافلوئوروپروپیلن و فلوئوروآلکیل سیلان بر روی پارچه آرامید به روش پوشش غوطه وری پوشش داده شد و پارچه به دست آمده دارای عملکرد فوق آب گریزی بادوام و حفاظت شیمیایی بود. . لیو و همکاران پارچه‌های آرامید با سیال ضخیم‌کننده برشی (STF) آغشته شدند و با نانولوله‌های کربنی (CNTs) توسط یک فرآیند کامپوزیت پوشانده شدند که در نتیجه پارچه‌های کامپوزیتی با عملکردهای حفاظتی و حسی عالی به وجود آمد. در میان آنها، CNT هدایت الکتریکی و ویژگی های پاسخ پارچه را افزایش می دهد، که می تواند به طور موثر تشخیص داده شود. افزودن STF پارچه کامپوزیت را قادر می سازد تا در برابر نیروهای ضربه بالاتر مقاومت کند و محافظت قوی تری ارائه دهد. کوپلیمر پلی وینیلیدین فلوراید-هگزافلوئوروپروپیلن و فلوئوروآلکیل سیلان روی پارچه آرامید با روکش آغشته شدند و پارچه به دست آمده هم خاصیت فوق آبگریزی بادوام و هم محافظت شیمیایی داشت. . لیو و همکاران پارچه‌های آرامید با سیال ضخیم‌کننده برشی (STF) آغشته شدند و با نانولوله‌های کربنی (CNTs) توسط یک فرآیند کامپوزیت پوشانده شدند که در نتیجه پارچه‌های کامپوزیتی با عملکردهای حفاظتی و حسی عالی به وجود آمد. در میان آنها، CNT هدایت الکتریکی و ویژگی های پاسخ پارچه را افزایش می دهد، که می تواند به طور موثر تشخیص داده شود. افزودن STF پارچه کامپوزیت را قادر می سازد تا در برابر نیروهای ضربه بالاتر مقاومت کند و محافظت قوی تری ارائه دهد. کوپلیمر پلی وینیلیدین فلوراید-هگزافلوئوروپروپیلن و فلوئوروآلکیل سیلان روی پارچه آرامید با روکش آغشته شدند و پارچه به دست آمده هم خاصیت فوق آبگریزی بادوام و هم محافظت شیمیایی داشت. . لیو و همکاران پارچه‌های آرامید با سیال ضخیم‌کننده برشی (STF) آغشته شدند و با نانولوله‌های کربنی (CNTs) توسط یک فرآیند کامپوزیت پوشانده شدند که در نتیجه پارچه‌های کامپوزیتی با عملکردهای حفاظتی و حسی عالی به وجود آمد. در میان آنها، CNT هدایت الکتریکی و ویژگی های پاسخ پارچه را افزایش می دهد، که می تواند به طور موثر تشخیص داده شود. افزودن STF پارچه کامپوزیت را قادر می سازد تا در برابر نیروهای ضربه بالاتر مقاومت کند و محافظت قوی تری ارائه دهد. پارچه‌های آرامید با سیال ضخیم‌کننده برشی (STF) آغشته شدند و با نانولوله‌های کربنی (CNTs) توسط یک فرآیند کامپوزیت پوشانده شدند که در نتیجه پارچه‌های کامپوزیتی با عملکردهای حفاظتی و حسی عالی به وجود آمد. در میان آنها، CNT هدایت الکتریکی و ویژگی های پاسخ پارچه را افزایش می دهد، که می تواند به طور موثر تشخیص داده شود. افزودن STF پارچه کامپوزیت را قادر می سازد تا در برابر نیروهای ضربه بالاتر مقاومت کند و محافظت قوی تری ارائه دهد. پارچه‌های آرامید با سیال ضخیم‌کننده برشی (STF) آغشته شدند و با نانولوله‌های کربنی (CNTs) توسط یک فرآیند کامپوزیت پوشانده شدند، که در نتیجه پارچه‌های کامپوزیتی با عملکردهای حفاظتی و حسی عالی ایجاد شد. در میان آنها، CNT هدایت الکتریکی و ویژگی های پاسخ پارچه را افزایش می دهد، که می تواند به طور موثر تشخیص داده شود. افزودن STF پارچه کامپوزیت را قادر می سازد تا در برابر نیروهای ضربه بالاتر مقاومت کند و محافظت قوی تری ارائه دهد.

3. فیبر UHMWPE

الیاف پلی اتیلن با وزن مولکولی فوق العاده بالا (UHMWPE) دارای خواص بسیار عالی مانند استحکام کششی بالا، مدول بالا و چگالی جرمی کم هستند و در حلال های شیمیایی بی اثر هستند.

3.1 فناوری تولید

در حال حاضر تولید الیاف UHMWPE صنعتی شده است، اما این روش تولید در مقیاس بزرگ تنها با ریسندگی ژل قابل دستیابی است. اما در این روش از مقدار زیادی حلال آلی استفاده می شود و با هزینه تولید بالا مشکل آلودگی محیط زیست را ایجاد می کند. فرآیند ریسندگی مذاب (ملت اسپین) که فرآیند آن ساده است، نیازی به حلال آلی ندارد و هزینه کمی دارد، انتخاب بهتری است. کاکیاژ و همکاران روش های ترکیبی ریسندگی مذاب و آماده سازی کشش مذاب برای بهبود استحکام کششی الیاف UHMWPE. کشش مذاب افزایش جهت گیری کریستالی خطی در فیبر را تسریع می کند. در 145 درجه، استحکام کششی فیبر می تواند در شرایط نسبت کشش 20 و نرخ کرنش 40 در دقیقه به 1.1 گیگا پاسکال برسد. در مقایسه با ریسندگی ژل، خواص مکانیکی الیاف UHMWPE ساخته شده توسط ریسندگی مذاب بسیار ضعیف تر است. با این حال، برای رفع نیازهای بازار الیاف با مقاومت متوسط ​​و بازار انبوه نساجی، الیاف UHMWPE با مقاومت متوسط ​​ساخته شده از ریسندگی مذاب با آلاینده نور کافی است.

3.1 تکنولوژی سایه زنی

از دیدگاه بازار پایین دستی الیاف UHMWPE، الیاف UHMWPE با رنگ های غنی می تواند ارزش افزوده محصولات را افزایش دهد، کاربردهای بازار را گسترش دهد و در نتیجه رقابت محصول را افزایش دهد. با این حال، به دلیل بلورینگی بالا و عدم وجود گروه های عملکردی الیاف UHMWPE، رنگرزی روش های سنتی دشوار است. ما و همکاران تلاش برای رنگ آمیزی پارچه های UHMWPE در 120 درجه و 20 مگاپاسکال دی اکسید کربن فوق بحرانی (scCO2). با افزایش زمان رنگرزی و غلظت رنگ، رنگ پذیری پارچه UHMWPE به طور مداوم بهبود می یابد و ثبات رنگ پارچه نیز بهبود می یابد. زمان رنگ آمیزی طولانی و افزایش یافت. و افزودن دکالین به عنوان یک حلال در scCO2 منجر به بازده رنگ بیشتر شد. اما پس از افزودن دکالین،