Das Aufkommen von Hochleistungsfasern hat neue Märkte für Textilien erschlossen. Diese Fasern, die im Vergleich zu gewöhnlichen Fasern sehr teuer sind, werden im Allgemeinen bevorzugt, da sie im Vergleich zu Ersatzmaterialien, in denen sie verwendet werden, eine höhere Leistung, Leichtigkeit usw. aufweisen.
Im Vergleich zu normalen Fasern werden diese Fasern als sehr teure Fasern mit hoher Gewinnmarge definiert. Die ersten Studien zu Hochleistungsfasern wurden Anfang der 1960er Jahre in den USA von Kwolek, Blades ua unter dem Dach von Dupont durchgeführt.
Diesen Studien folgte in den 1970er Jahren die Entwicklung von Hochleistungs-Polyethylenfasern. Ab den 1980er Jahren bildete sich mit der Entwicklung von Carbonfasern allmählich der kommerzielle Markt für Hochleistungsfasern heraus. Zur Verwendung in Verbundwerkstoffen in den 1970er und frühen 1980er Jahren Aramid, Bei Kohlenstoff-, Glas-, Polyethylen- und Keramikfasern mit hohem Molekulargewicht hat es eine breite Palette von Entwicklungen gegeben, und die Märkte für diese Fasern sind in einen schnellen Entwicklungsprozess eingetreten. Bis 1992 hatte die Produktion von synthetischen und regenerierten Fasern zwar um etwa 3 % zugenommen, aber die Steigerung der Produktion von Hochleistungsfasern hatte Werte wie 10 % erreicht. Produktion und Verbrauch dieser Fasern waren im Allgemeinen auf Europa, Amerika und Japan beschränkt. Produktion und Entwicklung in Japan sind schneller als in anderen Ländern.
Die Entwicklung dieses Sektors wird wahrscheinlich viel schneller sein als bisher. Es ist zu einer Notwendigkeit geworden, dass die größten Entwicklungen in keramischen und ultrahochfesten Polyethylenfasern mit ultrahohem Modul erfolgen. Darüber hinaus wird angenommen, dass p-Aramide den Marktanteil in Sektoren wie der Schutzkleidungsindustrie und Glasfaserkabelanwendungen erhöhen werden.
Allgemeine Merkmale und Vorteile
Mit den 1980er Jahren begann die kommerzielle Ära der Hochleistungsfasern, und diese Fasern zeichneten sich im Allgemeinen durch ihre mechanische Leistung aus (im Allgemeinen hohe Festigkeit und mittlerer und hoher Modul). Abgesehen davon haben sie durch ihre Beständigkeit gegen hohe Temperaturen auch in verschiedenen Branchen Einsatzgebiete gefunden. Hochleistungsfasern haben Vorteile gegenüber Metall und schweren Materialien. Dies sind hohe Festigkeit, hoher Modul, Leichtigkeit, Hitze- und Chemikalienbeständigkeit usw. McIntyre teilte diese Fasern in die erste Gruppe als thermische Beständigkeit und mechanische Festigkeit ein.
ARAMIDFASERN
Da die Klasse der aromatischen Polyamide völlig andere Eigenschaften als die aliphatischen Polyamide hat, wurden sie 1974 von der amerikanischen Federal Trade Commission definiert. „Aramid“ benannt wurde. Die erste kommerziell erhältliche Aramidfaser wurde 1965 von DuPont in den USA eingeführt. Der Name dieses Meta-Aramids war Nomex. McIntyre hat Hochleistungsfasern grob in zwei Gruppen eingeteilt.
- Nicht brennbare Fasern der ersten Gruppe,
- Fasern der zweiten Gruppe mit hoher Festigkeit und hohem Modul
Es bedeckt.
In der Gruppe der Aramide gibt es Fasern, die für beide Klassen geeignet sind. Derzeit gibt es zwei Arten von Aramiden, die kommerziellen Erfolg gefunden haben. Beide fallen technisch gesehen unter Hochleistungsfasern. Die erste Gruppe ist wieder in der Meta-Aramid-Gruppe, und obwohl es einen mittleren Modul und eine mittlere Festigkeit hat, hat es eine ausgezeichnete Hitzebeständigkeit. Bis 600 –800 C wird keine Zersetzung oder Schmelzen beobachtet. Es zeigt eine hervorragende Leistung bei Anwendungen, bei denen Schutz vor Hitze und Elektrizität erforderlich ist. Beispiele dafür sind Nomex von Dupont und Conex von Teijin. Diese Aramide können in die erste Klasse von McIntyre eingeordnet werden.
Die zweitklassigen Aramide sind Kevlar, eine der Para-Aramid-Fasern, die von DuPont in den frühen 1970er Jahren eingeführt wurden. Diese Faser zeichnete sich als eine Faser aus, die hohen Temperaturen in der Klasse der Fasern mit hohem Modul und hoher Festigkeit widerstehen konnte. Unter den damaligen Marktbedingungen stellte die Herstellung einer Faser, die „hitzebeständig wie Asbest und hart wie Glas“ ist, eine riesige Marktlücke dar. Der Gesamtverbrauch an p-Aramidfasern lag 1992 bei 18.000 Tonnen. Obwohl dies wie eine große Zahl erschien, war es nur die Hälfte der Kapazität an diesem Tag. Die Aramide von Dupont bestehen aus Poly(p-phenylenterephthalamid) und sind in verschiedenen Typen erhältlich. Diese:
Kevlar 29,
Kevlar 49,
Kevlar 149
Kevlar 981
Sie.
Neben Dupont traten die Firma Akzo Nobel mit ihrem Produkt Twaron und die Firma Teijin mit Technora, einem Copolymer-Aramid, auf den Markt. Technora bestand aus einer Copolymerisation von Poly(p-phenylenterephthalamid) und Poly(3,4-oxydiphenylenterephthalamid). Später trat Hoechst in diesem Sektor mit einem Produkt auf den Markt, das Technora in seiner Struktur sehr ähnlich war.
GLASFASERN
Das Material Glas hat eine Geschichte, die fast so alt ist wie die Zivilisation. Aber die Verwendung von Glas als Verstärkungsmaterial ist eine relativ neue Idee. Glas wurde im 16. und 17. Jahrhundert als Dekorationsmaterial verwendet. Ein Kleid aus Califine wurde 1893 auf der "Colombian Exposition" vorgestellt.
Glas ist ein anorganisches Material, das keine Orientierung oder Kristallisation aufweist. Griffiths Arbeit offenbarte 1920 die Hochleistungseigenschaften von Glas. Die allgemeinen Substanzen, aus denen die Glasmischung besteht, sind Siliziumdioxid, Calciumoxid, Aluminiumoxid, Boroxid und einige Metalloxide. Glas hat als Struktur eine isotrope dreidimensionale Netzwerkstruktur.
Die kommerzielle Geschichte der Glasfaser als Hochleistungsfaser beginnt mit der gemeinsamen Investition von Owens Illinois und Corning Glass. Mit diesen Anfängen stieg die Glasfaserproduktion bis in die 1970er Jahre jährlich um durchschnittlich 15 – 25 %. In den folgenden Jahren überließ es den Glasfasermarkt Aramid, Kohlenstofffasern und verstärkten Verbundwerkstoffen.
Dennoch ist Glas derzeit eines der wichtigsten Verstärkungsmaterialien. Die wichtigsten Hersteller von Hochleistungsglasfasern sind Owens Corning, Wentrotex, Ashltrom und Pilkinton.
Der Grundbaustein für alle Arten von handelsüblichem Glas ist Kieselsäure. Kieselsäure wird durch Schmelzen verschiedener Oxide zwischen 1300 – 1600 °C gewonnen. Es gibt kommerzielle Glasfaserprodukte, die in einer großen Vielfalt von Strukturen und Eigenschaften erhältlich sind.
1. A – Glas: Es ist eine Glaszusammensetzung, die Alkali enthält. Es wird sehr selten zur Faserherstellung verwendet.
2. AR – Glas: Es ist eine alkalibeständige (AR: Alkaline Resistant) Glaszusammensetzung. Als tragendes Element wird Zement verwendet.
3. C – Glas: Es ist eine chemikalienbeständige (C: Chemical Resistant) Glaszusammensetzung. Es wird zur Faserherstellung verwendet.
4. E – Glas: Es ist eine Glaszusammensetzung mit hohem elektrischem Widerstand. (E: Elektrisch beständig)
5. HS – Glas: Es ist eine hochfeste (HS: High Strength) Glasfaser.
Enthält Magnesium - Silica - Alumina und geringe Mengen anderer Oxide.
6. S – Glas: Es hat eine ähnliche Struktur wie HS – Glas. Die Verwendung dieser Faser nimmt zu.
Etwa 90 % der gesamten Glasfaserproduktion ist E-Glas. Diese Glasart wird häufig in der glasfaserverstärkten Kunststoffindustrie (GFK: Glass Reinforced Plastics) verwendet. Die AR-Faser, eine neuere Faser, wird als hydraulisches Füllmaterial in Stützelementen gegen Hautbildung und Bruch verwendet.
KOHLENSTOFFFASERN
Die erste Verwendung von Kohlefasern fällt mit Edisons Patent von 1879 zur Verwendung von Kohlefäden in Lampen zusammen. Aber der erste wirkliche Einsatz ist in den späten 1950er Jahren. Die Bedürfnisse der Luft- und Raumfahrtindustrie waren dabei der wichtigste Faktor. Die erste erfolgreiche kommerzielle Anwendung wurde von William Watt und seinem Team im Royal Aircraft Establishment in Farnborough, England, durchgeführt.
Die eigentliche Geschichte der Kohlenstofffasern begann in den frühen 1960er Jahren, und die Verwendung von Kohlenstofffasern und ihren Verbundwerkstoffen hat aufgrund ihrer hohen Leistung allmählich zugenommen.
Sowohl Kohlenstoff- als auch Graphitstrukturen bestehen aus dem Element Kohlenstoff als Hauptbaustein. Gemäß der Definition von Textil ist Carbonfaser eine Faser, die mindestens 90 % Kohlenstoff in ihrer Struktur enthält. Kohlenstofffasern mit unterschiedlichen Morphologien und Eigenschaften werden hergestellt, indem eine Vielzahl von Rohstoffen, sogenannte Vorstufen, auf unterschiedliche Weise verarbeitet werden.
Was von einem Vorläufer erwartet wird, ist, dass die Menge an Kohlenstoffelement, die er enthält, so hoch wie möglich sein sollte, um eine leichte Umwandlung in eine Kohlenstofffaserstruktur sicherzustellen. Führende Materialien sind ein sehr wichtiger Faktor für die Produktionsformen, die Struktur, die Eigenschaften und die Endanwendungen von Kohlenstofffasern.
KERAMIKFASERN
Als Keramikfaser bezeichnet man eine schwer zu verarbeitende polykristalline Faser, die aus Metalloxid, Metallcarbid, Metallnitrit und ähnlichen Mischungen besteht. In dieser Definition gelten Silizium und Bor als Metalle. Nach den 1950er Jahren führten Entwicklungen in der Luft- und Raumfahrt-, Metall-, Nuklear- und Chemieindustrie zu einem Bedarf an Materialien, die noch höheren Temperaturen standhalten als Glasfasern. Darüber hinaus wurden leichte, starke und harte Materialien in verschiedenen mechanischen Konstruktionen in der Luft- und Raumfahrtindustrie benötigt.
Nicht schmelzende Materialien wie Siliziumcarbid, Siliziumoxid, Siliziumnitrit und Aluminiumoxidsilikat haben eine breite Verwendung gefunden. Keramische Fasern, die seit den 1980er Jahren erforscht werden, basieren im Allgemeinen auf Aluminiumoxid, Alumosilikat und Siliziumkarbid.
Die wichtigsten Hersteller von Keramikfasern auf Aluminiumoxidbasis sind ICI (SAFIMAX), 3M (Nextel),
Dupond (PRD-166) und Sumitomo (ALF). Die wichtigsten Hersteller von Keramikfasern auf Siliziumbasis sind Nippon Carbon (NICALON), Dow Corning / Celanese (MPS), Ube Chemicals (TYRANO) und Rhone Poulenc. (FASERN)
POLYETHYLENFASERN
Hochleistungs-PE-Fasern haben ein gutes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht mit hohen Festigkeits- und Steifigkeitswerten und werden in vielen Unternehmen auf der ganzen Welt kommerziell hergestellt. Die folgenden Faktoren sind wichtig, um aus PE-Fasern eine hohe Festigkeit zu erhalten.
- Der (-CH2-)-Baustein muss durch eine hohe Kristallinität und Orientierung unterstützt werden.
- Ein Molekül mit hoher Flexibilität sollte erhalten werden, indem eine minimale Kettenverdrehung bereitgestellt wird. Das Molekül sollte nicht hart, sondern kristallin sein.
- Es sollte versucht werden, ein lineares Molekül mit einem sehr hohen Molekulargewicht zu erhalten.
Die Hersteller haben eine Vielzahl von Arten von PE-Fasern entwickelt, um verschiedene Eigenschaften bereitzustellen. PE kann sowohl aus Schmelze als auch aus Lösung entnommen werden. Wichtige Produzenten sind Dutch tate Mines (DYNEEMA), Alliad – Signal Production (SPECTRA), Mitsui (TEKMİLON), Celanese und Montefiber.
Bei der Herstellung von Hochleistungs-PE-Fasern werden sowohl Schmelz- als auch Lösungsspinnsysteme eingesetzt. Obwohl im Schmelzspinnsystem hochmolekulare PE-Fasern erhalten werden können, ist das System besser für niedermolekulare PE-Fasern geeignet. Durch dieses Verfahren werden Fasern mit hohem Modul, aber relativ geringer Festigkeit erhalten. Bei der Extraktion aus Lösung wird ultrahochmolekulares PE gewonnen, indem es einem speziellen Extraktionsverfahren unterzogen wird. Mit diesem System werden sowohl Fasern mit hoher Festigkeit als auch mit hohem Modul erhalten.
ELASTOMERE
Laut ASTM (American Society of Testing and Materials) ist Elastomer ein natürliches oder synthetisches Polymer, das sich unter einer bestimmten Belastung mindestens um das Doppelte seiner Länge elastisch dehnen kann und sich schnell wieder erholt, wenn die Belastung entfernt wird.
Diese Gruppe umfasst Gummi – Gummi, Spandex und Anidex. betritt. Anidex wird derzeit eingestellt.
Im Textilbereich werden zwei Arten von Elastizität benötigt. Das erste davon ist „Power Stretch“ ist dynamische Elastizität. Für diese Art der Elastizität werden Elastomere mit hoher Recyclingbeständigkeit verwendet. Die wichtigsten Einsatzgebiete sind medizinische Stützprodukte, Damenbadebekleidung, Hosenträger, Gürtel und Strumpfhalter.
Komfort-Elastik „Comfort Stretch“. Es wird nur für Produkte verwendet, die Elastizität erfordern. Diese Produkte unterscheiden sich optisch nicht von normalen Stoffen und sind in der Regel leichter als Stoffe mit dynamischer Elastizität.
ANDERE FASERN
1. PBZT und PBO: Sie sind Polymere mit hoher Festigkeit.
2. Quarz: Es ist ein zu 99 % auf Silikon basierendes Material, das sehr hitze- und chemikalienbeständig ist. Es wird in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Raketenindustrie eingesetzt.
3. Copolymer-Polyester – Vectra / Vectran: Es ist eine Art Polyester mit hoher Festigkeit und hoher Hitzebeständigkeit.
4. Poly(p-xylylen): Auch PPX-Fasern genannt. Sie haben eine hohe Festigkeit und einen hohen Modul. Es wird in Verbundwerkstoffen und Schiffstauwerken verwendet.
5. Azlon: Es ist ein Polymer auf Proteinbasis. Es wird nicht allein verwendet und seine Einsatzbereiche sind sehr gering.
6. Metallfasern: Es ist eine hergestellte Faser, die aus Metall, kunststoffbeschichtetem Metall, metallbeschichtetem Kunststoff oder metallbeschichtetem Kern besteht. Es wird für Polsterzwecke verwendet. (Statische elektrische Teppiche etc.)
7. Novoloide: Es ist eine Kunstfaser, die mindestens 85 % Novolac enthält. Sie dienen der Nichtentflammbarkeit (Schutzkleidung).
8. Nytril: Sie sind Fasern, die aus Vinyldinitril-Bausteinen bestehen. Wasser wird derzeit nicht produziert.
9. PBI: Es ist eine Faserart, die in Weltraumprogrammen verwendet wird. Es ist hitze- und chemikalienbeständig.
10Anregung: Sie sind Fasern, deren Baustein Vinyl-Dien-Chlorit ist. Es ist kommerziell nicht sehr verbreitet. Es wird nicht durch Feuchtigkeit beeinträchtigt und ist nicht leicht fleckig. Es wird in Industriegeweben verwendet.
11 Schwefel: Sein Baustein ist Polysulfid. Es wird in Filtergeweben, Feuerwehranzügen und Elektroisolierungen verwendet.
12 Vinyl: Sein Baustein ist Vinylalkohol. Es wird heute nicht mehr produziert. Verschiedene Fischernetze wurden in Formen wie Filterelementen verwendet.
13 Vinyl: Sein Baustein ist Vinylchlorid. Je nach Struktur variieren Werte wie Festigkeitsdehnung stark. Es hat eine Vielzahl von Anwendungen, von feuerfesten Stoffen bis hin zu Decken.
14 Asbest: Aufgrund des Krebsrisikos hat seine Verwendung im Textilbereich abgenommen.
15 Polyacrylat: Es ist beständig gegen die meisten Chemikalien. Aber es wird durch Chemikalien wie Salpeter- und Schwefelsäure beschädigt.
16 Polychromatische Fasern: Je nach Temperatur ändern sie ihre Farbe.
17 Polyharnstoff: Es ist das Polymer von Harnstoff. Sie sind Fasern mit Festigkeit, geringer Dichte, weniger Feuchtigkeit, chemikalienbeständig und mäßig hitzeempfindlich. Sie werden im Allgemeinen für industrielle Zwecke verwendet.
18 Tetrafluorethylen: Es wird von Du Pond unter dem Namen Teflon hergestellt. Es wird auch in der Gore-Tex-Konstruktion verwendet. Ihre mechanischen Eigenschaften sind ziemlich gut und sie brennen nicht. Isolierbänder werden in Formen wie Filtern verwendet.
19 Bikomponentenfasern: Dies sind Fasern wie Chinon, Cordelan, Hydrofil, Kermel, Mirafi, Novolac. Es gibt zwei verschiedene Bausteine und auf diese Weise werden verschiedene neue Funktionen erhalten.