3つの高性能ファイバーテキスタイルの文明推進の進歩

Jun 14, 2022

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3つの高性能ファイバーテキスタイルの文明推進の進歩

高性能繊維は、光、電気、熱、外界からの力などの物理的効果、および酸化剤、酸、アルカリなどの化学的効果に対して強い耐性を持っているため、繊維は高強度、高弾性率、耐高温性、難燃性。高性能繊維は、有機繊維と無機繊維に分けられます。有機繊維には、アラミド繊維、超高分子量ポリエチレン繊維、ポリフェニレンサルファイド繊維などが含まれます。無機繊維は主に炭素繊維、セラミック繊維などがあり、そのうち炭素繊維、アラミド繊維、超高分子量ポリエチレン繊維の3つが主要繊維です。技術革新と競争; 世界市場の需要は加速しており、メーカーはアプリケーション分野を模索し続けています。競争上の優位性を獲得するために、市場性のある新製品を開発します。

現在、高性能繊維は活発に開発されており、軍需産業、航空宇宙、航海、土木、繊維、衣料などの分野でも様々な製品（複合材料、ロープなど）が使用されています。この研究では、コスト削減、機能強化、および付加価値強化の観点から、3つの主要な高性能繊維および繊維のさまざまな最適化手法を紹介および分析して、高性能繊維の共有可能な高品質製品への開発を進めます。社会と民間人。

1.カーボンファイバー

炭素繊維は、繊維状の炭素ベースの材料であり、軸方向に積み重ねられた層状のグラファイト微結晶で構成されています。優れた機械的性質と軽量性を備えています。数十年の開発の後、炭素繊維の商業的応用は多くのハイテク分野に広がりました。

1.1生産技術

現在、市販の炭素繊維の約90％はポリアクリロニトリル（PAN）から製造されています。従来の工業用PANベースの炭素繊維は高価で生産量が限られているため、大規模な普及は困難です。コストを削減するために、安価な繊維グレードのPANと再生可能なリグニンが炭素繊維生産の前駆体材料として使用されています。

江ら。湿式紡糸法を使用して、原料として麦わらリグニンと繊維アクリル繊維から前駆体繊維を調製すると、炭素繊維の製造コストを削減できます。リグニンの熱反応温度が高いため、リグニン/PAN混紡繊維の熱安定性を向上させることもできます。 Huang氏と彼のチームは、金属を含まない塩酸グアニジンを使用して繊維のアクリル繊維を改質し、予備酸化プロセスを低温で行えるようにして、製造コストを削減しました。同時に、低温でのニトリル基の環化反応によって形成されるポリマー構造がより安定しているため、炭素繊維はより優れた機械的特性を持っています。予備酸化の前に光開始剤を含むPAN繊維にUV照射すると、環化反応速度が増加し、酸化時間が短縮されます。 Joらによる研究。光開始剤なしでテキスタイルグレードのPAN繊維にUV光を照射することで、わずか30分しかかからない前酸化プロセスを効果的に促進できることがわかりました。単純なプロセスを使用したエレクトロスピニングは、カーボンナノファイバー（CNF）を調製するための最良の方法であり、そのプロセスは、PAN、ピッチ、リグニンなどの前駆体に大きく依存します。 Chenetal。バガスは酸無水物を使用して均一にエステル化され、次にエレクトロスピニングのためにPANと混合されてCNFが調製されました。エステル化バガスは、CNFの窒素原子を保持するのに役立ち、それによって繊維の熱安定性、電気伝導率、および表面活性を向上させます。

従来の湿式紡糸であろうと新しいエレクトロスピニングであろうと、炭素繊維製造のコストを削減するための鍵は、原材料とプロセスにあることがわかります。この研究は、炭素ベースの前駆体材料の選択、変更、およびプロセスの最適化に焦点を当てています。加減。もちろん、低コストの大量生産を実現するためには、生産性の向上も必要です。

1.2シェーディングテクノロジー

炭素繊維の高い結晶化度と化学的不活性により、従来の染料や顔料で着色することは困難です。フォトニック結晶は、屈折率の異なる材料を使用して空間内で周期的に秩序化される誘電体材料です。フォトニックバンドギャップがあり、特定の波長の光子を選択的に反射することができ、反射光は結晶の表面で回折されて色になります。着色された炭素繊維は、電気泳動堆積によって炭素繊維の表面に分散した帯電コロイドナノ粒子を組み立てることによって調製することができますが、実際のアプリケーションでは機械的耐久性が不十分です。 Niuetal。屈折率のコントラストが大きいZnO層とAl2O3層を周期成分として使用し、原子層堆積技術によってプラズマ活性炭繊維の表面に堆積させました。調製された多色炭素繊維は、優れた機械的安定性と洗浄性を備えています。性別。散乱光の条件下では、繊維の平織りの生地は、角度に依存しない反射特性と色を示すことがあります。

1.3機能技術

1.3.1フレキシブルファイバー電極

ウェアラブル技術の急速な発展に伴い、電子スマートテキスタイルの研究は近年大幅に改善されています。対応する電子部品の研究開発は徐々に場所を占めてきました。たとえば、炭素繊維ベースのファブリックは、現在人気のある柔軟な電極材料です。しかし、そのような電極の柔軟性と優れた性能は、スマートテキスタイルの開発において重要な問題となっています。 Lietal。 KOHでコーティングされた綿布は、動的テンプレート煆焼プロセスによって炭化され、繊維壁上に層状の規則正しい多孔質構造の形成を促進しました。製造された炭素繊維織物は、優れた機械的強度を備えており、スーパーキャパシタ電極として使用できます。超容量性炭素繊維布電極を開発する他のアプローチがあります。たとえば、ニッケルナノ粒子の選択的化学エッチングと電気化学的剥離により、布にマルチスケールの細孔と反応性基を作成したり、炭素繊維布のヘテロ原子修飾を行ったりします。さらに、CNFは優れた導電性と大きな比表面積を備えており、電子デバイスの用途に大きな可能性を秘めています。 Levittetal。二次元遷移金属炭化物Ti3C2TxをPAN溶液に混合し、続いてエレクトロスピニングしてカーボンナノファイバーマットを調製しました。このように製造された複合電極の静電容量は、純粋な炭素繊維の静電容量よりも高い。 Ti3C2Txを追加すると、複合電極の電気化学的性能が向上します。導電率と耐久性も強力です。

1.3.2フレキシブルセンサー

公衆衛生意識の向上と特殊分野での機器要件の改善により、スマートテキスタイルは徐々に医療と監視の監視システムに統合されています。重要なコンポーネントの1つはセンサーです。 Azizhanietal。マトリックスには室温硬化シリコーンゴムを選択し、導電性材料にはチョップドカーボンファイバーを使用して、最大25％のひずみ振幅の範囲で高感度の抵抗ひずみセンサーを作成します。その回復時間は15秒未満です。このタイプのセンサーを人間の監視に使用すると、信号の安定性と強力なセンシング性能を確保できます。同様に、ピエゾ抵抗性のチョップドカーボンファイバー/ポリジメチルシロキサン複合センサー[18]の高感度と伸縮性により、人間の動き、布のしわなど、さまざまなアプリケーションでのひずみ検知検出に適しています。ただし、このタイプのセンサーにはさらに改善が必要です。そのピエゾ抵抗特性は、荷重構造に敏感です。過度のひずみがかかると、感度の低下やピエゾ抵抗スイッチングの遅延などの問題が発生します。

2.アラミド繊維

アラミド繊維の正式名称は芳香族ポリアミド繊維で、高強度、高弾性率、低密度、耐摩耗性、耐衝撃性、優れた絶縁性という利点があります。アミド結合とベンゼン環の接続位置が異なるため、アラミドの分子構造に違いがあり、パラアラミド、メタアラミド、アラミドIIIに分類されることがよくあります。

2.1生産技術

近年、国内外のアラミド繊維は徐々に高付加価値の工業生産を達成しており、その生産量は年々増加しています。主な製品の1つであるアラミド1414（ポリ-p-フェニレンテレフタミド、PPTA）繊維は、紡績工程で完成品の品質を管理する上で重要なポイントです。 Chen Zhourongは、これに関する製造プロセスの研究を実施しました。静電気を減らすためにPPTA繊維を前処理するために水と帯電防止剤を追加します。カーディングするときは、回転中の粉やほこりの問題を解決するために、歯の深さが浅く、移動速度が速いシリンダーとドッファーのデバイスを使用してください。結節の問題は、デバイスのピッチを調整している間、繊維の移動を加速します。より高い機械的特性を備えたアラミド繊維の開発と製造は、アラミド繊維の応用分野を拡大するための価値のある研究トピックです。 Tengetal。濃硫酸中で市販のPPTAをh-PPTA（高分子量PPTA）と混合します。ドライジェットウェット紡糸プロセス中、h-PPTAは高分子間の相互作用を強化し、繊維軸に沿った短いPPTA鎖の配向を誘導することができます。製造されたアラミド繊維の引張強度と初期弾性率が向上します。さらに、Ren Zhongkaietal。高強度アラミド1313の研究と調製。従来のアラミド1313の破壊強度はアラミド1414の破壊強度よりも低い。紡糸溶液の粘度を上げ、固形分を減らすことにより、ポリマーの分子量を増やすことができ、改質剤を添加すると、繊維の配向と構造の均一性を高めることができます。徐々に加熱し、徐々に洗浄する方法により、繊維構造のコンパクトさが保証されます。これらのさまざまな技術的改善により、繊維はより強く、より耐久性があります。

2.2シェーディングテクノロジー

アラミドはコンパクトな構造でガラス転移温度が高いため、従来のプロセスでは染色が困難です。したがって、繊維の高分子鎖の移動度が増加し、アモルファス領域が増加すると、染料は繊維に入りやすく、繊維と結合する可能性があります。アザムら。近年、アラミド繊維の染色深さが比較的浅いことが提案されており、メタアラミド繊維のカチオン染料の染色工程を最適化するために、膨潤剤としてベンジルアルコールを使用しています。アラミド生地は染色深さが高く、強度低下が少ない生地です。さらに、ケール等。染色されたアラミド繊維の表面は二酸化チタンナノ粒子でコーティングされており、染色されたアラミド繊維の耐光性が低いという問題を解決しています。アラミドテキスタイルの印刷には、分散染料を使用したキャリア印刷が適しています。

2.3機能技術

2.3.1ファブリック構造の最適化

個人用および産業用保護具の分野での需要が高まるにつれて、アラミドで作られた高性能保護布の研究も発展してきました。耐衝撃性に大きな影響を与えるアラミド織物の糸間の摩擦に基づいて、Moureetal。異なる構造のパラアラミド布の機械的特性と糸摩擦係数を、糸ごとに異なる層で比較しました。研究では、糸の機械的特性は基本的に同じですが、布の機械的特性は異なることがわかりました。アラミド繊維を補強布に垂直に織り込むと、通常の柔らかい布よりも大きなエネルギーを吸収することができます。そして、生地がより高い吸収エネルギー密度と摩擦係数を持っているとき、

2.3.2ファブリックパフォーマンスの向上

防護服の実用的な性能を改善するために、Nayaketal。アラミド生地に炭化ホウ素コーティングを施しました。生地の全体的な耐パンク性は向上しますが、応力集中を引き起こし、生地の局所的な保護性能に影響を与えます。同時に、コーティングの汗蒸気の流れが制限され、快適性が低下します。アラミド布の不十分な水分発汗および発汗性能の問題を考慮して、水分発汗および発汗仕上げ法と組み合わせた酸性過マンガン酸カリウムまたはプラズマ修飾を使用して、繊維の湿潤性を改善するために布繊維上に極性基を生成することができる。繊維に浸透し、よりよく結合します。一般的に言えば、多機能製品は市場でより人気があります。シェンら。水性ポリウレタン、ポリビニリデンフルオリド-ヘキサフルオロプロピレンコポリマーおよびフルオロアルキルシランの混合溶液を、ディップコーティング法によってアラミド布にコーティングし、得られた布は、耐久性のある超疎水性および化学的保護機能の両方を有していた。。 Liuetal。アラミド生地にせん断増粘液（STF）を含浸させ、複合プロセスによってカーボンナノチューブ（CNT）をコーティングした結果、優れた保護機能と検知機能を備えた複合生地が得られました。その中で、CNTはファブリックの導電性と応答特性を向上させ、効果的に検出することができます。 STFの追加により、複合ファブリックはより高い衝撃力に耐え、より強力な保護を提供できます。ポリフッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレンコポリマーとフルオロアルキルシランをアラミド布にディップコーティングし、得られた布は耐久性のある超疎水性と化学的保護の両方を備えていました。。 Liuetal。アラミド生地にせん断増粘液（STF）を含浸させ、複合プロセスによってカーボンナノチューブ（CNT）をコーティングした結果、優れた保護機能と検知機能を備えた複合生地が得られました。その中で、CNTはファブリックの導電性と応答特性を向上させ、効果的に検出することができます。 STFの追加により、複合ファブリックはより高い衝撃力に耐え、より強力な保護を提供できます。ポリフッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレンコポリマーとフルオロアルキルシランをアラミド布にディップコーティングし、得られた布は耐久性のある超疎水性と化学的保護の両方を備えていました。。 Liuetal。アラミド生地にせん断増粘液（STF）を含浸させ、複合プロセスによってカーボンナノチューブ（CNT）をコーティングした結果、優れた保護機能と検知機能を備えた複合生地が得られました。その中で、CNTはファブリックの導電性と応答特性を向上させ、効果的に検出することができます。 STFの追加により、複合ファブリックはより高い衝撃力に耐え、より強力な保護を提供できます。アラミド生地にせん断増粘液（STF）を含浸させ、複合プロセスによってカーボンナノチューブ（CNT）をコーティングした結果、優れた保護機能と検知機能を備えた複合生地が得られました。その中で、CNTはファブリックの導電性と応答特性を向上させ、効果的に検出することができます。 STFの追加により、複合ファブリックはより高い衝撃力に耐え、より強力な保護を提供できます。アラミド生地にせん断増粘液（STF）を含浸させ、複合プロセスによってカーボンナノチューブ（CNT）をコーティングした結果、優れた保護機能と検知機能を備えた複合生地が得られました。その中で、CNTはファブリックの導電性と応答特性を向上させ、効果的に検出することができます。 STFの追加により、複合ファブリックはより高い衝撃力に耐え、より強力な保護を提供できます。

3.UHMWPEファイバー

超高分子量ポリエチレン（UHMWPE）繊維は、高引張強度、高弾性率、低質量密度などの多くの優れた特性を備えており、化学溶剤に対して不活性です。

3.1生産技術

現在、UHMWPE繊維の製造は工業化されていますが、この大規模な製造方法はゲル紡糸によってのみ達成できます。しかし、この方法は大量の有機溶媒を使用するため、環境汚染の問題が発生し、製造コストが高くなります。プロセスが単純で、有機溶媒を必要とせず、低コストであるメルトスピニング（メルトスピン）のプロセスは、より良い選択です。かき揚げ他 UHMWPE繊維の引張強度を向上させるための溶融紡糸と溶融延伸の準備方法の組み合わせ。メルトドローイングは、繊維の線形結晶配向の増加を加速します。 145度では、繊維の引張強度は、延伸比20およびひずみ速度40/分の条件下で1.1GPaに達する可能性があります。ゲル紡糸と比較して、溶融紡糸によって製造されたUHMWPE繊維の機械的特性ははるかに弱いです。しかし、中強度繊維市場と繊維マス市場のニーズを満たすには、光汚染溶融紡糸で作られた中強度UHMWPE繊維で十分です。

3.1シェーディングテクノロジー

UHMWPE繊維の下流市場の観点から、豊富な色のUHMWPE繊維は、製品の付加価値を高め、市場アプリケーションを拡大し、製品の競争力を高めることができます。ただし、結晶化度が高く、UHMWPE繊維の官能基が不足しているため、従来の方法では染色が困難です。 Maetal。 UHMWPEファブリックを120度および20MPaの超臨界二酸化炭素（scCO2）で染色しようとします。染色時間と染料濃度の増加に伴い、UHMWPE生地の染色性は継続的に改善され、生地の耐変色性も向上します。染色時間が延長され、増加した。また、scCO2の共溶媒としてデカリンを添加すると、色の収量が増加しました。しかし、デカリンを加えた後、

3.2機能

テクノロジー

3.2.1フレキシブルファイバー電子材料

導電性の高い柔軟な繊維は、衣類の柔軟性と快適さをスマート電子機器の機能と組み合わせるための重要な材料です。より高い人々。超高分子量ポリエチレン繊維の表面に銀イオンを導入するグラフト重合技術と金属活性化技術を使用し、次に無電解銅メッキを使用して、優れた電気的安定性と耐久性を備えた導電性超高分子量ポリエチレン繊維を調製し、その抵抗率は1.40×10 -5Ω・cmまで低くします。この方法では、グラフト重合プロセスで溶媒として水を使用し、活性化プロセスで銀イオンを選択します。これは、コストを削減し、環境を保護するのに役立ちます。柔軟な繊維状電子材料の別の重要なクラスは、柔軟な電極です。 Duetal。 UHMWPEファイバーは、コーティングポリドーパミン（PDA）とポリ3、4-エチレンジオキシチオフェン：ポリスチレンスルホン酸（PEDOT：PSS）の組み合わせを使用して、PDAと無電解銀でコーティングされました。 PEDOT：PSS堆積の連続的な変更により、最大3.72GPaの引張強度を持つ複合電極が製造されました。同時に、電極のサイクル寿命は長く、20、000サイクル後

その後も、初期容量の90％を維持できます。なかでも、PEDOT：PSSは良好な皮膜形成性を有する導電性高分子であり、繊維表面に堆積させて皮膜を形成することがスーパーキャパシタ電極の作製方法です。 PDAコーティングは、マトリックス繊維と材料間の結合力を効果的に向上させることができます。

3.2.2ファブリックのパフォーマンスの向上

UHMWPE生地は耐衝撃性に優れていますが、繊維間の摩擦係数が小さく、衝撃を受けたときに生地の毛糸がずれやすく、穴が開いています。研究によると、UHMWPEファブリックの柔軟性と耐突き刺し性は、STFの含浸後に改善され、STFに高濃度のSiO2を添加すると、ファブリックの耐突き刺し性が向上することがわかります。 Liらによるさらなる研究。 SiO2の粒度が15nm、濃度が25％の場合、STF/UHMWPE複合布の耐パンク性が最高に達することがわかりました。 UHMWPE糸間の摩擦に関して、Arora等。実験を通して、糸間の摩擦を増加させることは、必ずしも衝撃エネルギーを吸収するのに役立つとは限らないことが見出された。布の耐衝撃性を改善する上でのSTFの役割は、布の密度や毛糸などの布の構造に大きく依存します。ラインのライン密度。

ナノポーラスポリエチレンフィルムは、耐摩耗性、赤外線、可視光、通気性、透湿性に優れたフィルムの一種であり、衣類やその他の繊維製品の製造に直接使用することはできません。 Liuetal。これに基づいて、メトキシポリエチレングリコール-アミノエチル/ポリドーパミン粒子（mPPDAP）、ポリエステル繊維（PET）、およびUHMWPEを使用して、繊維に適用できるナノポーラスUHMWPE/PETを準備するための改善が行われました。複合生地。これは主に、通気性と快適さを確保するために、ファブリックのUHMWPEフェーズに多くの接続された細孔と切断されたハニカム細孔があるためです。生地を補強するために使用されるPETメッシュは、生地の呼吸にも役立ちます。 mPPDAPを追加すると、ファブリックの親水性が向上します。このナノポーラス複合布は、人間の熱管理テキスタイルの材料として使用されます。

4.結論として

炭素繊維、アラミド繊維、超高分子量ポリエチレン繊維とその繊維の研究はますます激しくなり、製造プロセスはますます成熟しています。将来的には、これら3つの主要な繊維とその繊維のマスマーケット向けの開発方向は、環境に優しく低コストの生産、製品の色が豊富、インテリジェント、多機能、そして人々の消費レベルに適したナノファイバーアプリケーションの開発です。多様なニーズに応えます。クライアントのニーズ。その中でも、継続的なコスト削減、機能の継続的な改善、プロセスの革新によってもたらされる機能の向上という利点により、3つの主要なファイバーは、革新的な技術競争の時代に、より広く、より迅速に開発できるようになります。

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