ОЦЕНКА ВАЖНЫХ СВОЙСТВ КОМПЛЕКСНЫХ НИТЕЙ, ПОЛУЧЕННЫХ НА ОСНОВЕ ХЛОПКА И ХИМИЧЕСКИХ ВОЛОКОН

АННОТАЦИЯ

В данной статье проведен анализ механических и физических свойств комплексных нитей, полученных путем смешивания хлопкового волокна с различными химическими волокнами (вискозой, полиэстером, нейлоном). В результате исследования установлено, что добавление химических волокон значительно увеличивает разрывную силу, удлинение при разрыве и модуль упругости нитей. В частности, смешивание хлопка с полиэстером повышает прочность и увеличивает срок службы материалов, вискоза улучшает гигроскопичность и делает ткани мягче, а нейлон придает нити высокую механическую прочность и стойкость к истиранию. На основе графиков и таблиц рассмотрена возможность выбора оптимальных комбинаций хлопкового и химических волокон.

ABSTRACT

This article analyzes the mechanical and physical properties of complex yarns obtained by blending cotton fiber with various chemical fibers (viscose, polyester, and nylon). The study found that the addition of chemical fibers significantly increases the tensile strength, elongation at break, and elastic modulus of the yarns. In particular, blending cotton with polyester enhances strength and extends the material's lifespan, viscose improves hygroscopicity and softens the fabric, while nylon provides high mechanical strength and abrasion resistance. Based on graphs and tables, the possibility of selecting optimal combinations of cotton and chemical fibers has been explored.

Ключевые слова: хлопок, химические волокна, комплексные нити, вискоза, нейлон, полиэстер.

Keywords: cotton, chemical fibers, complex yarns, viscose, nylon, polyester.

1. Введение

Хлопковое волокно является одним из национальных богатств страны и широко используется в производстве различных тканей, а также продукции технического назначения[1]. В последние годы в нашей республике обеспечение населения высококачественными готовыми текстильными изделиями местного производства стало одной из актуальных задач. Для достижения этой цели имеет важное значение внедрение современных технологий, а также увеличение количества совместных предприятий[2].

Специалисты отрасли занимаются не только производством хлопкового волокна, но и проводят научно-исследовательские и практические разработки по созданию высокоэффективных комплексных нитей путем смешивания его с различными химическими волокнами. В результате в области производства комплексных нитей на основе натуральных и синтетических материалов наблюдаются значительные изменения .

Хлопковое волокно отличается своей натуральностью и экологическими характеристиками, тогда как химические волокна улучшают механические свойства нитей и расширяют возможности их применения в различных сферах. По этой причине комплексные нити, изготовленные на основе хлопковых и химических волокон, приобретают большое значение не только в традиционной прядильной промышленности, но и в производстве текстильных изделий технического назначения, основанных на новых материалах[3].

Таблица 1.

Доля потребляемых текстильных волокон в мире, %, [4]

Химические волокна широко применяются в текстильной промышленности, инженерии, медицине, автомобилестроении, аэрокосмических технологиях, сельском хозяйстве и системах фильтрации. Они представляют собой искусственные волокна, производимые с использованием специальных технологических процессов на основе природного сырья (целлюлоза, белки) или синтетических материалов. Их основными преимуществами являются прочность, экономическая эффективность и долгосрочная экологическая устойчивость. В настоящее время химические волокна делятся на две основные группы: искусственные волокна и синтетические волокна.

Искусственные волокна получают путем химической переработки природных полимеров. Их основным сырьевым источником являются природные полимеры, полученные из растений и животных[5]. Искусственные волокна производятся путем растворения и формирования без изменения структуры природных веществ. К этой группе относятся вискоза, модал (усовершенствованная форма вискозы), ацетат и триацетат.

Синтетические волокна производятся методом химического синтеза на основе органического сырья (нефть, природный газ или уголь)[6]. Они обладают большей прочностью, эластичностью и доступной стоимостью по сравнению с искусственными волокнами. Синтетические волокна играют важную роль в текстильной, инженерной и технической промышленности. К наиболее распространенным относятся полиамид (нейлон, капрон), полиэстер (лавсан), акрил, полипропилен и эластан (спандекс, лайкра).

2. Результаты и обсуждение

Для улучшения ассортимента и качества продукции в текстильной промышленности широко применяется метод получения комплексных нитей путем смешивания хлопка и химических волокон. Сочетание натуральных и химических волокон считается важным достижением в текстильной промышленности. Хлопок обладает преимуществами, такими как природная мягкость, воздухопроницаемость и гигроскопичность, тогда как химические волокна отличаются высокой прочностью, гибкостью и устойчивостью, обеспечивая комплексным нитям улучшенные эксплуатационные характеристики.

Полиэстер (ПЭТ, полиэтилентерефталат) является одним из самых распространенных и перспективных компонентов хлопковых смесей. Смешивание хлопка и полиэстера получило широкое применение в текстильной промышленности благодаря ряду преимуществ[6]. Основное преимущество полиэстера заключается в его высокой прочности. При добавлении полиэстера в хлопковое волокно прочность нитей значительно увеличивается, что продлевает срок службы ткани[7]. Полиэстер превосходит хлопок по своей стойкости, что обеспечивает долговечность текстильных изделий[8].

Таблица 2.

Сравнение показателей прочности хлопкового волокна и хлопково полиэстеровой смеси[9;10]

Рисунок 1. Показатели прочности пряжи с различным соотношением хлопка и полиэстера

На основании графика и таблицы можно сделать вывод, что прочность хлопково-полиэстерной смеси увеличивается по сравнению с чистым хлопковым волокном. Это объясняется высокой прочностью полиэстера, которая оказывает значительное влияние на комплексные нити. Эластичность полиэстера способствует увеличению удлинения при разрыве (elongation at break) комплексных нитей. Хлопково-полиэстерные смеси обладают большей устойчивостью к растяжению по сравнению с чистыми хлопковыми волокнами. По мере увеличения доли полиэстера в комплексных нитях также возрастает модуль упругости, что свидетельствует об увеличении жесткости материала.

Еще одним важным и естественным свойством полиэстера является его устойчивость к пиллингу. В текстильной промышленности пиллинг рассматривается как образование на поверхности ткани или нити небольших комочков или узелков. Эти комочки появляются в результате ослабления волокон, трения и сцепления на поверхности ткани, что в настоящее время является одной из актуальных проблем. Хлопково-полиэстерные ткани менее подвержены пиллингу по сравнению с чисто хлопковыми тканями, что способствует сохранению чистого и нового внешнего вида одежды на более длительное время.

Кроме того, благодаря своим гидрофобным (водоотталкивающим) свойствам полиэстерное волокно способствует быстрому отводу влаги. Это свойство делает хлопково-полиэстерные смеси особенно востребованными при производстве спортивной и повседневной одежды, поскольку оно способствует быстрому высыханию ткани. Хлопково-полиэстерные смеси быстро сохнут и легко стираются даже в холодной воде, что помогает сохранять цвет и форму одежды. Еще одним преимуществом является сравнительно низкая стоимость производства полиэстера, благодаря чему хлопково-полиэстерные смеси являются более экономичными по сравнению с чисто хлопковыми тканями. Такое сочетание позволяет производителям расширять ассортимент высококачественных тканей и текстильных изделий.

Хлопково-вискозная смесь. Вискоза (рейон), смешанная с хлопком, образует более гладкий, мягкий и по структуре приближенный к натуральному хлопку материал. Вискоза является синтетическим волокном, получаемым на основе натуральной целлюлозы, и благодаря своей мягкости, нежности и эластичности широко используется при производстве детской и женской одежды[11]. Вискозное волокно повышает мягкость хлопка и улучшает его эстетические качества. Эти ткани особенно востребованы для летней и нижней одежды. Хлопково-вискозная смесь обладает высокой воздухопроницаемостью, а вискоза в составе комплексной нити характеризуется высокой гигроскопичностью, что позволяет ей эффективно поглощать влагу и обеспечивать быстрое испарение пота с поверхности кожи[12]. Таким образом, использование вискозы в сочетании с хлопком способствует улучшению воздухообмена и обеспечивает оптимальные терморегуляционные свойства материала[13;14].

Таблица 3.

Сравнение механических свойств хлопково-вискозных смесей с различным соотношением компонентов[15;16]

Рисунок 2. Механические и гигроскопические характеристики комплексной нити, полученной из хлопковых и вискозных волокон в различных соотношениях

На основании графиков можно сделать вывод, что с увеличением доли вискозы в составе комплексной нити ее прочностные характеристики соответственно возрастают. Важно отметить, что увеличение содержания вискозы в комплексной нити приводит также к росту гигроскопичности. Хотя чистый хлопок обладает хорошей гигроскопичностью, вискоза имеет еще более высокую способность к впитыванию влаги. В частности, 100% хлопок поглощает до 8% влаги, тогда как 100% вискоза может впитывать до 13,5%.

Таким образом, в зависимости от области применения конечного продукта, можно регулировать содержание вискозы на основе графических данных. Например, для повседневной одежды оптимальный баланс гигроскопичности достигается при соотношении 50% хлопка и 50% вискозы. В условиях жаркого и влажного климата более подходящим вариантом будет состав 30% хлопка и 70% вискозы. Однако для спортивной одежды, где чрезмерная гигроскопичность не требуется, оптимальным является соотношение 70% хлопка и 30% вискозы.

Смесь хлопка и полиамида: полиамид (нейлон), будучи смешанным с хлопком, значительно повышает прочность и износостойкость нити. Высокая устойчивость нейлона к растяжению и его эластичность в сочетании с хлопком обеспечивают увеличение прочности нити и улучшение ее гибкости, что способствует более длительному сроку службы хлопково-нейлоновых тканей[17].

Гидрофобные свойства нейлона позволяют хлопково-нейлоновым смесям быстро отводить влагу[18], что особенно полезно при производстве верхней одежды, спортивных изделий и водонепроницаемых тканей[19]. В результате смешивания хлопка с нейлоном получаются ткани с высокой механической прочностью и устойчивостью к истиранию. Механические характеристики комплексных нитей, изготовленных из смеси хлопковых и полиамидных (нейлоновых) волокон, представлены в графике 3 и таблице 4.

Таблица 4.

Сравнение показателей прочности нитей, изготовленных из хлопковых и полиамидных (нейлоновых) волокон[15;16].

Рисунок 3. Показатели прочности и упругости нитей, изготовленных из смеси хлопковых и полиамидных волокон в различных соотношениях

График и таблица показывают, что с увеличением доли полиамида разрывная сила существенно возрастает: например, разрывная сила нитей из 100% хлопка составляет 2,75 N, что связано с мягкой природой хлопка и его относительно низкой прочностью. При добавлении нейлона разрывная сила увеличивается, так как полиамидное волокно обладает высокой прочностью. Например, смесь 50:50 обладает разрывной силой 6,5 N, а для нитей из 100% нейлона этот показатель достигает 9,0 N, что свидетельствует о высокой устойчивости к растяжению. Это объясняется тем, что нейлоновые волокна обладают высокой кристалличностью и плотной молекулярной структурой, которые способствуют увеличению прочности при смешивании с хлопком.

Также удлинение при разрыве значительно возрастает по мере увеличения доли нейлона: удлинение 100% хлопковых нитей составляет всего 7% из-за жесткой структуры хлопка и его низкой эластичности. При увеличении содержания нейлона удлинение увеличивается с 12% (70:30) до 18% (30:70). Высокая эластичность 100% нейлона позволяет достичь удлинения 25%. Нейлоновые волокна способны выдерживать большие деформации за счет специфического расположения молекул при растяжении.

Модуль упругости 100% хлопковых нитей составляет 550 МПа, что обусловлено естественной жесткостью волокна. С увеличением содержания нейлона этот показатель растет: при соотношении 50:50 модуль упругости достигает 1200 МПа, а для 100% нейлона -2000 МПа. Высокая плотность молекулярной структуры нейлоновых волокон обеспечивает повышенную устойчивость к деформации, что значительно увеличивает жесткость материала.

3. Выводы

Научно-технические достижения в области текстильной промышленности в будущем могут привести к разработке биоразлагаемых синтетических волокон, а также экологически безопасных полимерных материалов нового поколения[20]. Это позволит текстильной и материаловедческой отрасли выйти на новый уровень качества.

В данной статье проведен анализ механических и физических свойств смесей хлопковых и химических волокон. Согласно результатам исследования:

• хлопково-полиэстерные смеси обладают высокой прочностью, устойчивостью к пиллингу и способностью к быстрому высыханию;
• хлопково-вискозные смеси характеризуются повышенной гигроскопичностью, высокой воздухопроницаемостью и улучшенной мягкостью ткани;
• хлопково-нейлоновые смеси обеспечивают высокую эластичность, устойчивость к истиранию и механическую прочность.

Полученные результаты имеют важное значение для выбора оптимального состава нитей в текстильной промышленности, повышения качества продукции и увеличения срока ее эксплуатации[]17;18]. Оптимальный подбор доли химических волокон в составе комплексных нитей позволяет повысить эффективность производства одежды, технического текстиля и спортивных материалов.

Список литературы:

1. Raymond, D. (1965). Polyester-Cotton Blends: Mechanical Properties. Textile Research Journal, 35(8), 562-569.
2. Tursunov, S. (2015). Textile Industry Development in Uzbekistan. Tashkent University Press.
3. Smith, J. (2020). Polymer Composites in Textile Engineering. Springer.
4. UNCTAD (2020). World Cotton Market Trends. Geneva
5. Gupta, V.B., & Kothari, V.K. (1997). Manufactured Fibre Technology. Springer.
6. Wulfhorst, B. (2007). Textile Materials for Lightweight Constructions. Wiley-VCH.
7. Hearle, J.W.S. (2001). High-Performance Fibres. Woodhead Publishing.
8. Peppas, N.A. (2014). Hydrogels in Medicine and Pharmacy. CRC Press.
9. ISO 2062:2009. Textiles yarns from packages. Determination of single-end breaking force and elongation at break.
10. GOST 6611.2-73 Российский стандарт по определению качества комплексных нитей.
11. Tanaka, T. (1981). Gels. Scientific American, 244(1), 124-138.
12. Smith, R. (2013). Synthetic Fibers and Their Applications. Elsevier.
13. Ko, F. (1997). Engineering of Fibrous Materials. Cambridge University Press.
14. Patel, M., & Jones, L. (2016). Blended Fibers and Their Applications. Textile Science Journal, 48(5), 410-419
15. ASTM D2256. Standard Test Method for Tensile Properties of Yarns by the Single-Strand Method.
16. O’z DSt 2762:2015. Стандарт оценки качества комплексных нитей из хлопка и химических волокон.
17. Callister, W.D., & Rethwisch, D.G. (2014). Materials Science and Engineering: An Introduction. Wiley.
18. Sperling, L.H. (2006). Introduction to Physical Polymer Science. Wiley.
19. Öztürk, T. (2018). Innovations in Textile Engineering. Springer.
20. Kim, H. (2022). Smart Textiles and Wearable Technology. Elsevier.