XI. Texturarea Texturarea reprezint modificarea geometriei firelor filamentare chimice. Prin aceasta se pot obine proprieti specifice, extensibilitate i voluminozitate, pe baza crora se realizeaz o diversificare sortimental a produselor textile, a cror destinaie este practic nelimitat. Noiunea de fir extensibil (elastic) i are originea n firele din cauciuc a cror extensibilitate ajunge pn la 1000%. Iniial s-au obinut fire textile cu extensibilitate ridicat prin supratorsionare. Aceste fire erau exclusiv din fibre naturale, bumbac i ln, i se utilizau la esturi speciale cu extensibilitate i voluminozitate sporite. Prin dezvoltarea puternic a industriei de fibre chimice, s-a pus problema realizrii unor fire extensibile i voluminoase i din aceast mare clas de fibre. Astfel, dup 1950 au aprut tehnici i tehnologii specifice, de texturare. Un fir texturat este un fir continuu, cu sau fr torsiuni sau elasticitate i care prezint un aspect voluminos rezultat din buclarea sau ncreirea unuia sau mai multor filamente. Cele mai importante tehnologii de texturare, dezvoltate pe plan mondial, privesc modificarea geometriei firelor filamentare sintetice, pe baza termoplasticitii acestora, care permite modelarea formei filamentului sub influena temperaturii, apoi prin rcire, forma se stabilizeaz fixndu-se. Pe acest principiu se bazeaz o gam larg de tehnici de texturare termomecanic. Prin texturare se pot obine fire cu diverse valori de voluminozitate i extensibilitate, n funcie de domeniul de utilizare a acestora. Suprafeele textile (esturi sau tricoturi) realizate din fire texturate posed o serie de caracteristici superioare: o mai mare capacitate de acoperire, o termoizolaie mai bun i un tueu mai plcut. Efectul de termoizolare se datorete creterii volumului firului texturat, ca efect al ndeprtrii filamentelor unele de altele din cauza ondulaiilor imprimate prin texturare. In aceste spaii se nmagazineaz o mai mare cantitate de aer staionar (care conine i vapori de ap), fapt ce conduce i la o mbuntire a higroscopicitii produsului. Procedee de texturare Procedeele de texturare urmresc imprimarea filamentelor chimice celor dou caracteristici fundamentale: extensibilitate i voluminozitate. In funcie de tehnicile de texturare se pot obine valori foarte diferite ale celor dou caracteristici de baz. Intre cele dou caracterisici, se pot obine o gam foarte variat de fire, n funcie de domeniul de utilizare al acestora. Texturarea firelor filamentare se poate realiza n dou etape: - n faza de filare a polimerului (cofilare); - n faza ulterioar filrii, de modelare a filamentelor n stare termoplastic. Procedeele termomecanice de texturare sunt prezentate n tabelul 47.227

Tabel 47. Caracteristicile firelor funcie de procedeele termomecanice de texturare Procedee de texturare Denumiri Caracteristicile firului comerciale Rsucire a) real Helanca HE Extensibilitate mare i volum mare b) fals Helanca Set, F.T. Extensibilitate mic i volum mare Comprimare Ban-Lon, Acrilan Volum mare i extensibilitate mic Buclare Taslan Volum mare i extensibilitate mic Spiralizare Agilon Volum mare i extensibilitate mare Ondulare (Crinkle) K-d-K, (tricotare- Volum mare i extensibilitate mare detricotare) A to Z Volum mare i extensibilitate mic Contracie diferenial

Prin procedee moderne de texturare se realizeaz texturateproductive (tabel 48).Tabel 48. Categorii de texturate funcie de procedeul de texturare Familii de texturate Tehnologii folosite A - Texturare integrat -Texturare integrat cu etirarea n sistem: - secvenial - simultan - Texturare integrat: filare-etirare-texturare B - Texturare prin cofilare - Fire bicomponente Bilame - Fire biconstituente C - Texturare mixt Procedee: - mecanice - electrostatice - aerodinamice

Alegerea procedeului de texturare este condiionat de natura polimerului i caracteristicile dorite ale firului texturat, n funcie de destinaie i aspectele economice. Texturarea termomecanic Texturarea termomecanic a firelor filamentare include: - texturarea prin rsucire i termofixare; - texturarea prin alte tehnici. Texturarea prin rsucire i termofixare cuprinde dou procedee de texturare: 1) procedeul convenional, discontinuu, cuprinde trei faze: torsionarea, termofixarea i detorsionarea. De exemplu, pentru un fir polifilamentar de 167 dtex (150 den), se imprim o torsiune puternic de 2000 torsiuni/m. Torsiunea realizat se supune operaiei de termofixare, n autoclave, dup care se realizeaz detorsionarea pn la anularea complet a torsiunii iniiale. Firul rezultat posed voluminozitate i extensibilitate maxim, fiind considerat fir nalt elastic (HE). Pentru o echilibrare torsional se recurge la reunirea a dou fire texturate cu sensuri diferite de228

rsucire, S i Z, firului rezultat imprimndu-i-se un plus de torsiuni (cca. 150 tors/m), n sens S. 2) texturarea prin fals torsiune (F.T.), continu, pe o singur main, const n torsionarea n zona de mijloc a unei poriuni de fir fixat la dou capete. In acest caz, firul primete pe o poriune o torsiune S iar pe cealalt poriune o torsiune Z egal cu cea precedent. Torsionarea se realizeaz cu diferite tipuri de torsori. Firul este alimentat de o pereche de cilindri iar torsorul menine o anumit poriune a firului ntr-o stare de nalt torsiune. Firul trece printr-un sistem de nclzire i rcire. Procedeul reproduce cele trei etape ale procedeului convenional, dar n flux continuu i cu performane deosebite n ceea ce privete vitezele i productivitatea. Cteva procedee de texturare prin alte tehnici: 1) Procedeul Agilon const n trecerea cu mare vitez a unui fir filamentar peste o muchie nclzit, n scopul provocrii ncreirii prin dezordinea structural realizat la suprafaa de contact a firului cu placa nclzit. In raport cu axa neutr a filamentului, n zona de contact cu muchia metalic, se produce o contracie, iar n partea opus o ntindere, ceea ce produce ncreirea. 2) Procedeul Ban-Lon const n trecerea unui fir filamentar cu o vitez medie printr-o camer nclzit, n care se aglomereaz prin compresie, cteva secunde. In momentul n care s-a atins o anumit presiune pe placa frontal, aceasta este deschis printr-un resort, iar firul ondulat i fixat (n camera fierbinte) iese n stare ncreit sub form cutat, nfurndu-se pe bobine. Firul texturat prin acest procedeu prezint ncreirile sub form de zig-zag, cu o amplitudine ce variaz cu mrimea compresiei i viteza de debitare a firului. Dac se imprim un avans neregulat firului, se pot obine efecte deosebite. Firul obinut prin acest procedeu prezint o elasticitate mai mic dect cel obinut prin fals torsiune, dar posed o voluminozitate apreciabil, care-i permite o larg utilizare att n tricotare, ct i n estorie. 3) Procedeul Spunize este inspirat din procedeul precedent, dar permite texturarea unei suprafee format dintr-un numr mare de fire la o singur trecere. Prin acest procedeu se pot textura pn la 60 de fire de 1000 denieri, cu o vitez de 180 m/min. Aceste fire se utilizeaz n principal n industria de covoare, dar i la fabricarea articolelor tricotate sau esute. 4) Procedeul Pinlon asimileaz cele dou procedee i permite texturarea unuia sau mai multor fire, de titlu mare, cu o vitez de 600 m/min. Firele texturate se folosesc la fabricarea covoarelor i a stofelor de mobil. 5) Procedeul tricotare - detricotare (knit deknit, K-d-K). Exist mai multe variante ale acestei tehnici, principiul const n tricotarea unui fir termoplastic (acetat sau sintetic) dup care tricotul se fixeaz i ulterior se229

detricoteaz cu nfurarea firului pe formate speciale. Fixarea tricotului se face, fie n autoclave separate, fie pe o main de tricotat care necesit un dispozitiv propriu de termofixare. Firele texturate prin acest procedeu sunt fire ondulate (crinkle yarn), cu o ondulaie permanent, mai mult sau mai puin proeminent, n funcie de caracteristicile tricotului i de domeniul de utilizare. 6) Procedeul Miralon realizeaz o ondulare a filamentului chimic cu aspect de dini de ferstru. Acest tip de ondulaii se obin astfel: firul, alimentat de pe o bobin, trece printr-un angrenaj de roi dinate nclzit pn la temperatura de plastifiere a polimerului. Numrul de ondulaii i amplitudinea acestora este determinat de numrul de dini i mrimea acestora. Numrul de ondulaii poate varia ntre 7 i 20/cm. 7) Procedeul Taslan este un procedeu care elimin fixarea termic. El permite texturarea oricrui tip de fir continuu, artificial, sintetic i de sticl. Principiul procedeului const n trimiterea unui curent de aer comprimat asupra firului n micare ntr-o camer de turbulen, unde are loc formarea buclelor. Din acest motiv procedeul este cunoscut sub denumirea de Air-jet (A.J.). Firul astfel texturat prezint bucle internlnuite unele cu altele, cu un aspect special: de la un fir buclat simplu, pn la un fir cu aspect crenelat; defilamentarea se realizeaz n mod continuu sau discontinuu. Tehnica permite texturarea mai multor fire odat, care pot fi de natur diferit, deoarece texturarea cu jet de aer, se bazeaz mai ales pe procese mecanice i nu pe termoplasticitatea polimerului. Astfel s-au realizat fire texturate fie numai din filamente termoplastice, diferite ca natur (PA sau PES), fie din amestecuri ale acestora cu filamente de viscoz sau mtase natural. Aceasta se realizeaz cu viteze de alimentare identice sau independent variabile, obinndu-se o varietate mare de fire texturate, pn la aspectul de fir filat din fibre scurte. In acest ultim caz, se folosete pe lng filamentul sintetic care preia rezistena, filamente de viscoz ce formeaz buclele; acestea, avnd o rezisten mai sczut, se rup prin texturare, iar capetele rupte fixate n miezul firului, dau aspectul firului filat. La avantajele firului texturat se adaug i pilozitatea mrit i o mai bun capacitate de acoperire (umplere). Texturate - productive Tehnicile de realizare a acestor produse urmresc ca, pe lng realizarea unei voluminoziti i extensibiliti, eliminarea unor etape tehnologice sau folosirea unor tehnici neconvenionale pentru creterea calitii, productivitii i a diversificrii sortimentale. Exist 3 categorii de texturate-productive, obinute prin: texturare integrat, cofilare i texturare mixt.230

Texturarea integrat const n reunirea fazelor tehnologice de filare cu etirarea i texturarea n sistem continuu, metod dificil deoarece la filare se acumuleaz tensiuni interne puternice, care neavnd posibilitatea relaxrii (odihnei), produc mari neuniformiti n fir. O extindere a avut-o ns integrarea celor dou faze: etirarea cu texturarea, care se poate realiza pe aceeai main, n sistem secvenial sau simultan. In sistemul integrat secvenial, cele dou faze au loc n dou etape diferite i anume: firul filat neorientat sau parial orientat, intr ntr-o prim zon de nclzire (cu temperatura corespunztoare celei de vitrifiere), unde datorit vitezelor diferite ale cilindrilor v1 i v2 are loc etirarea; firul etirat i continu traseul, intrnd ntr-o a doua zon nclzit (la temperatura de plastifiere a polimerului respectiv), unde are loc texturarea propriu-zis. Texturarea poate avea loc cu orice tip de torsori, n mod frecvent folosinduse principiul falsei torsiuni (F.T.). Sistemul integrat simultan const n realizarea simultan a celor dou operaii: etirarea i texturarea ntr-o singur zon de nclzire, unde deformrile provocate de tensionare i torsionarea fals sunt impuse firului n mod simultan. Raportul de etirare este dependent de gradul de preorientare realizat la filare; n mod obinuit se folosesc viteze mai mari de filare dect cele clasice. Firul texturat rezultat posed o nalt extensibilitate (H.E.). Dac se dorete obinerea unor fire voluminoase i cu extensibilitate redus se recurge la o reducere a extensibilitii prin trecerea firului (H.E.) printr-o alt zon de nclzire (fixare) pe aceeai main, n care firul este tensionat, astfel nct s se obin gradul de voluminozitate dorit. Firul voluminos se nfoar pe formate cilindrice i este fir SET. Aceste fire sunt folosite att n tricotaje ct i n estorie, rezultnd o gam deosebit de variat i extins de produse, de la perdele i dantele, pn la texturi compacte de tricot sau estur. Texturarea prin cofilare const n extruderea a doi polimeri de natur diferit prin aceeai filier, filamentele rezultate sunt supuse unui tratament termic sau hidrotermic i sufer modificri geometrice datorate unei contracii difereniate. Aceste filamente posed o structur bilame, sunt ncreite iar forma i amplitudinea ondulailor variaz n funcie de mai muli factori. Texturatele bilame sunt: de constituie, fizice, de grefare i modificate local. Texturarea bilame de constituie se pot obine prin: prin asocierea de polimeri diferii sau din acelai polimer sub dou stri fizice sau fizicochimice (de exemplu, grad de cristalinitate, grad de polimerizare, etc.). La acest tip de texturare o simpl etirare dup filare poate provoca ncreirea filamentelor. La asocierea a doi polimeri diferii ca structur, ncreirea este posibil numai printr-un tratament termic al filamentelor etirate.231

Tratamentul termic provoac o contracie mai puternic a unui polimer n raport cu cellalt, ceea ce conduce la asimetrie structural. Texturarea bilame prin grefare const n grefarea asimetric a unui polimer prin polimerizare iniiat fizic (cu radiaii sau flux de neutroni accelerai), asigurnd o grefare unilateral, ca de exemplu, polialcoolvinil pe suport de polipropilen sau poliacrilonitril pe viscoz. Texturarea bilame prin modificri locale se bazeaz pe urmtorul principiu: filamentele filate sunt trecute n zona de etirare dup care, prin diferite mijloace, se focalizeaz punctiform sau zonal, un fascicol laser. Anomaliile structurale provocate de surs sunt puse n eviden n urma unui tratament termic sau umidotermic cu ageni chimici de umflare. Rezult un filament ncreit, ca efect al contraciilor difereniate. In aceast tehnologie se ncadreaz i texturarea chimic, prin trecerea filamentelor printr-o soluie apoas de agent chimic de umflare (de exemplu soluii apoase de fenol pentru poliamide). Dezorganizarea structural, n special la suprafaa filamentelor, provocat de solubilizarea parial a polimerului, dup splare i uscare provoac ncreirea acestora. Texturarea mixt. Acest sistem de texturare const dintr-un amestec de filamente continue de natur diferit, cu poteniale de contracie termic diferit. In general, amestecul de filamente (inter-nlnuirea) se realizeaz dup etirarea prin diferite procedee i anume: mecanic, care se nrudete mult cu tehnicile clasice de rsucire prin torsiune real sau fals, procedeul elecrostatic i cel aerodinamic sau pneumatic. Omogenitatea amestecului de filamente i a tratamentului termic este foarte important, deoarece ea determin calitatea efectului de bucle. Astfel de amestecuri se pot realiza din: filamente celulozice (viscoz) cu filamente sintetice, ale cror proprieti transferate produsului dau un plus de confort; din filamente de aceeai natur, unele fixate, altele nefixate, n urma tratamentelor termice, componenta nefixat contractndu-se, iar cea fixat se va ondula n jurul acesteia. Texturatele productive se folosesc n toate domeniile textile, tricotaje, estorie, industria covoarelor, etc. Procedeul Rotoset Preocuparea continu, pe plan mondial, de reducere a costurilor tehnologice de fabricaie a condus la simplificarea i eliminarea unor faze nerentabile din procesele clasice. In acest sens a aprut tehnologia Rotoset, care const n faptul c filamentele etirate sunt inter-nlnuite din loc n loc, pe lungimea acestora, cu ajutorul unui jet de aer. Operaia de rotosetare se realizeaz pe maina de etirat, imediat dup etirare i preliminar depunerii filamentelor pe cops. Dispozitivul de rotosetare este reprezentat de o duz cu construcie special (inelar), prevzut cu orificii prin care se232

insufl curentul de aer i este montat naintea depunerii pe format. Prin insuflarea curentului de aer cu o anumit presiune, cu intermitene regulate, peste firul n trecerea sa de la etirare la nfurare se realizeaz din loc n loc interptrunderi ale filamentelor (interesere), cu formarea unor puncte de adeziune, numite frecvent noduri sau mpslituri de rotosetare, care sunt labile. Labilitatea const n faptul c acestea, n timpul procesului de finisare a materialului esut sau tricotat dispar, iar produsul capt o anumit voluminozitate. In funcie de parametrii de rotosetare (presiunea aerului de insuflare, debitul de aer i viteza de trecere a firului prin inelul de rotosetare) se realizeaz caracteristici variate ale firului, concretizate prin numrul de noduri de rotosetare i frecvena acestora pe unitatea de lungime, toate acestea determinnd stabilitatea nodurilor n timpul proceselor de esere sau tricotare. Avantajele acestei tehnici, constau n faptul c, fa de tehnologia clasic, se elimin urmtoarele faze: rsucirea, fixarea i bobinarea, realizndu-se astfel tehnologia prescurtat etirarerotosetare pe maina de etirat. Bobinarea poate fi eliminat prin folosirea copsurilor (de dimensiuni mari) direct la mainile de tricotat (cu unele modificri ale traseului firului) sau la urzire. Acest tehnic a fost introdus iniial pentru filamente poliamidice dar a fost extins i la firele texturate din poliester, cu avantaje evidente asupra stabilitii inter-nlnuirilor i a proprietilor produselor realizate. Caracteristici specifice firelor texturate Firele texturate se deosebesc de firele filamentare netexturate prin dou caracteristici fundamentale: voluminozitatea i extensibilitatea. Structura particular a firelor texturate i proprietile acestora impun, pentru a le caracteriza, folosirea unor metode specifice care sunt diferite de ale altor fire. In funcie de procedeul de texturare, dar i de natura polimerului constituient al firelor, depind proprietile produselor realizate din fire texturate. Forma ncreirii i fineea firului determin tueul, volumul (capacitatea de umplere), masa. Rezistena i elasticitatea firului se regsesc n rezistena la purtare i stabilitatea formei produsului. Seciunea filamentelor texturate determina tueul i reflexia luminii. Higroscopicitatea produsului (n care se nmagazineaz o cantitate de aer umed mai mare) are efecte favorabile asupra proprietilor igienico-funcionale. Temofixarea firului texturat imprim o stabilitate dimensional bun produsului i o ntreinere uoar. De aici, necesitatea i importana stabilirii riguroase a caracteristicilor firelor texturate, pentru a determina nivelul de calitate i valoarea de ntrebuinare a produsului. In afara proprietilor generale ale firelor, ca de exemplu, fineea, rezistena i alungirea la rupere, torsiunea, etc, la firele texturate se impune determinarea unor caracteristici specifice acestora: forma, amplitudinea i stabilitatea ondulaiilor, alungirea233

potenial (maximal), gradul de extensibilitate, gradul de contracie termic i hidrotermic, voluminozitatea. Forma ondulaiilor (ncreirii), realizate prin diferite metode de texturare, poate fi: de arc (cu sensuri diferite la texturarea prin fals torsiune), de zig-zag, bucle. Pentru determinarea tuturor caracteristicilor specifice (contracia termic i hidrotermic, a ondulaiilor, contracia rezidual, contracia intermediar) se folosete o jurubi suspendat, creia i se msoar lungimea nainte i dup tratament. Metodele pot fi grupate i n funcie de titlul sau lungimea jurubiei supus testrii. Condiiile pentru determinarea contraciei de texturare sunt foarte diferite, n raport cu natura polimer a firului texturat i fineea acestuia. In general contractia se calculeaz cu relaia general: L0 LF C= 100 (%) L0 n care: L0 - lungimea jurubiei (mm) care corespunde la 1/2 din circumferina de 1 m a vrtelniei, tensionat cu o for P (cN/tex); LF lungimea jurubiei (mm) dup tratamentul corespunztor (termic sau hidrotermic), tensionat cu aceeai for P. Se pot calcula: coeficientul (gradul) de ncreire, stabilitatea ncreiturii i contracia rezidual, potenialul de ncreire, etc. Una dintre mrimile specifice ale firelor texturate o reprezint alungirea potenial (maximal), Ap, care reprezint msura n care se alungete firul texturat sub efectul unei fore de descreire i se calculeaz cu relaia: L L0 Ap = 1 100 (%) L0 n care: L0 - lungimea iniial a jurubiei (mm) sub o sarcin de pretensionare (0,0033 cN/den); L1- lungimea jurubiei sub o sarcin de tensionare corespunztoare descreirii (0,04 cN/den). Alungirea potenial, respectiv fora de descreire, se mai poate determina i din curbele efortalungire ale firelor texturate supuse ntinderii nepretensionate. Cu ct alungirea potenial este mai mare, cu att firul este mai elastic i confer produselor o extensibilitate mai mare. Gradul de elasticitate reprezint o alt caracteristic important a firelor texturate i se evalueaz prin capacitatea de revenire a firului texturat dup ce a fost tensionat pn la descreirea lui complet. Calculul acestei mrimi se realizeaz cu relaia: L L2 Gel = 1 100 (%) L1 L0

234

n care: L0 - lungimea iniial a firului sau jurubiei (mm); L1 - lungimea epruvetei descreite (mm); L2 - lungimea epruvetei descreite dup o anumit perioad de relaxare (mm). Stabilitatea ncreirii const n pricipiu n msurarea lungimii iniiale a jurubiei, l0 (mm), sub o tensiune de ntindere P, ntr-un bazin cu ap la 30oC. Dup un timp anumit se ndeprteaz fora P, jurubia rmnnd sub aciunea unei fore mici de pretensionare i se msoar lungimea l 1 (mm), dup o perioad de relaxare, tot n bazinul cu ap. Se calculeaz scurtarea jurubiei cu relaia: (%) Voluminozitatea firului texturat const n nfurarea firului texturat sub o tensiune constant (0,036 cN/dtex) pe un mosor al crui volum interior este egal cu 10 cmc. Prin tierea cantitii de fir depus pe mosor pn la umplerea acestuia i cntrire se poate calcula voluminozitatea cu relaia:V = 10 (cm3/g) m

Voluminozitatea exprim volumul ocupat de 1 gram de fir texturat. In mod similar se poate calcula i densitatea aparent a firului texturat:a =m asa firului ( g ) 10 cm volum ul form atului3

(g/cm3)

Se mai poate calcula factorul de texturare:fT = Vs T Vs NT

n care: VsT - volumul specific al firului texturat; VsNT - volumul specific al firului netexturat. Aceste caracteristici ale firelor texturate, precum i altele, sunt prezentate n diferite standarde i norme interne elaborate de firmele productoare de fire texturate. XII. Fibre cu destinaii speciale i nalt performante Aceste fibre au destinaia textilelor tehnice i nu mbrcmintei i sectorului casnic. Totui peste 90 % dintre fibrele utilizate n sectorul tehnic sunt fibre convenionale. Multe dintre proprietile acestor fibre, precum: tenacitatea, lungimea, fineea, profilul seciunii transversale, finisarea au fost modificate i s-au realizat fibre hibride i bicomponente pentru utilizri specifice. Progresele realizate n domeniul tehnicii au impus productorilor de fibre realizarea de noi categorii de fibre polimere sau anorganice cu235

preformane ridicate care s satisfac exigenele beneficiarilor: protecie mpotriva temperaturilor ridicate, a aprinderii i extinderii flcrii, a radiaiilor (UV, IR, X, , , , cosmice, etc.), a agenilor chimici toxici i corozivi, n ingineria industrial i aerospaial, electrotehnic i electronic, agricultur, industria alimentar, medicin, etc. Pentru a rspunde acestor imperative, cercetrile n domeniul fibrelor sintetice s-au axat pe sinteza unor polimeri, a cror structur chimic s satisfac o seam de proprieti specifice domeniului de utilizare. Utilizarea fibrelor, firelor i a produselor textile pentru alte aplicaii dect la mbrcminte i mobilier, nu reprezint o noutate. Fibrele naturale precum bumbacul, inul, iuta sau sisalul au fost utilizate de secole la fabricarea corturilor i a sforilor, a materialelor pescreti i a sacilor. Exist dovezi vechi, din timpul dominaiei romane sau chiar i mai nainte, ale folosirii esturilor i mpletiturilor la construcia drumurilor ceea ce acum s-ar numi geotextile i georeele. Vechii egipteni i chinezi foloseau covorae de papirus pentru consolidarea piramidelor i a templelor budiste. Folosirea mtsii n aplicaiile semitehnice ne trimite napoi n perioada luptelor purtate de armatele mongoleze, care foloseau mtasea nu doar ca s-i ofere un anumit confort printr-o purtare direct pe piele sub armur sau alte haine, dar i pentru reducerea penetraiei eventualelor sgei, favoriznd o mai uoar nlturare a lor n cazul unui accident. Folosirea mtsii la fabricarea unor plase de protecie a minilor, a pansamentelor pentru rni deschise, tieturi, etc., dateaz de asemenea din vremea vechilor chinezi i egipteni Dei textilele industriale pot fi considerate de aceeai vechime ca i textilele tradiionale (de peste cteva mii de ani), se consider totui c ele sunt mai tinere. Istoricul textilelor industriale moderne ncepe cu pnza de canava folosit pentru corbii cu pnze. Mai trziu s-au realizat pnze din cnep pentru prelate de vagoane, prelate de maini, aripi de avioane, baloane cu aer cald, dirijabile. n orice caz se poate vorbi de utilizare a fibrelor la realizarea textilelor tehnice, n epoca modern, abia dup 1955. Inveniile din a doua jumtate a secolului 20 au produs o adevrat revoluie n domeniul textilelor industriale. Descoperirile din domeniul fibrelor: poliamidice, poliesterice, poliolefinice, dar mai ales fibrele de nalt performan, au dus la lrgirea domeniului textilelor industriale. Fibrele sintetice ofer rezisten ridicat, elasticitate, uniformitate, rezisten la ageni chimici, rezisten la flacr i la frecare. Proprietile mecanice ale diferitelor categorii de fibre sunt definite prin trei parametri structurali: tipul legturilor chimice, orientarea i cristalinitatea. La acestea se adaug flexibilitatea i rigiditatea catenelor. Astfel, dac la fibrele clasice, de ex. PA i PES, a cror filare se realizeaz236

din topitur, din cauza flexibilitii i mobilitii mari a catenelor, etirarea favorizeaz orientarea acestora ntr-o msur mai mare sau mai mic, dar n nici un caz o orientare total - n aceste condiii se obine o rezisten mare, dar nu excesiv. La aramide, ale cror catene sunt ntinse i rigide, orientarea lor poate fi total (deoarece n acest caz nu este posibil plierea catenelor ca n cazul celor flexibile) datorit faptului c forele intercatenare puternice frneaz rotaia sau vibraia n jurul legturilor chimice. Din aceste motive, aramidele se caracterizeaz printr-o orientare foarte mare n direcia axei fibrei, ceea ce determin o structur cristalin avansat care este rspunztoare att de rezistena mecanic ct i de rezistena termic deosebit. (tabelele 49 - 51). Drumul pn la realizarea textilelor tehnice este unul lung i complex, de la productorii de polimeri pentru fibre tehnice i membrane specifice, pn la prelucrare i ncorporarea textilele tehnice n produse finite sau folosirea lor ca pri n procese industriale. Tehnologia materialelor fibroase este un domeniu dinamic n care se produc, aproape zilnic, produse de nalt performan, cu diverse destinaii: biomedicale, aerospaiale, construcii, transporturi, controlul polurii, echipamente de protecie.Tabel 49. Proprietile fibrelor nalt performante (g/cm 3) 1,44 1,38 1,34 1,41 1,271,30 1,43 1,32 1,37 1,791,81 1,80 1,351,45 3,493,95 2,51E 2,56 2,60 Proprieti meccanice r (MPa) 2760-3150 552-662 200-470 310-460 147-280 400 580-700 356-420 2750-3920 4000-5580 140-320 1000-2000 1380-2750 2400-3400 r (%) 3,3-4,4 35-45 3,3-6,7 19-30 20-60 30 25 25-35 0,6-1,3 1,6-1,8 8-23 3,8 E (GPa) 83-115 9,8-17 23-32 5,1 3,4-4,4 5,7 3,6-4,8 294-392 250 3,1-11,2 250-390 110-125 73 Comportare termic T (oC) 240 1600 1760 710850 Td (oC) 500 400-450 420 400-450 250 560 400 400-500 2500 2500 350-400 2000 LOI (%) 29-32 29-32 30-32 36-38 30-39 38-40 24-36 34-35 50 -

Fibra PPTA (Kevlar) PMIA (Nomex) PAI (Kermel) PIC (P84) PHE (Kynol) PBI PEEK (Zyex) PPS (Ryton) Carbon HM HT PAN-Ox Alumin Al-silicat Sticl

237

S cuar Me (oel inox)

2,8 2,87 7,5

4600 6000-8000 1470-1960

5,4 1,0-1,2 176196

87 62-72 1-2

900 13001670 1600

2000 -

-

Noua tehnologie textil cuprinde domenii de produse care nu au fost nici mcar imaginate acum 10 ani n urm. Aceste textile nalt performante reprezint componente ale diverselor produse, precum: organe artificiale, nlocuitori de oase, componente ale avioanelor, rachetelor, navetelor spaiale, unele articole sportive, n construirea de autostrzi, acoperiuri transparente pentru stadioane, aeroporturi i mari magazine dializoare medicale si pentru desalinizarea apei marine, fibre optice pentru laser, mbrcminte de protecie.Tabel. 50 Proprieti fizico-mecanice comparative ale fibrelor sintetice clasice cu cele nalt performante Tipul de fibr d, (m) , (g/cm 3) E, (GPa) Orientarea Tutilizare Fibre sintetice clasice Fibre aramidice Fibre polietilenice cu mas molecular mare Fibre carbon Fibre de carbid de Si i oxid de Al Fibre de sticl 20-50 10-20 38 6-12 9-20 9-20 0,95-1,4 1,44 0,97 1,7-1,8 3,3-3,9 2,5 5-15 60-130 110-170 350-410 200-400 70-85 mic foarte mare foarte mare mare nu exist nu exist (oC) 150 250 120 50-100 500-2000 350

In timp ce pentru mbrcminte i utilizri casnice se cere pentru fibre o extensibilitate mare (ntre 10 30%) unde tenacitatea este mai puin important, aa nct modulul de elasticitate este relativ sczut, majoritatea fibrelor nalt performante destinate tehnicii necesit o nalt rigiditate i tenacitate. Fibrele de sticl sunt la grania utilizrii n textile i tehnic. Fibrele cu modul nalt i tenacitate ridicat includ fibre ceramice (carburi de aluminiu i siliciu), fibre carbon i grafit, fibre obinute din polimeri nalt orientai (meta i para-aramide, polimeri cristale lichide, polietilene cu mas molecular ultranalt, etc.). Este dificil o clasificare riguros tiinific a fibrelor performante datorit diveritii lor deosebit de mari. Fibrele nalt performante pot fi grupate, ca i fibrele clasice, n fibre organice i anorganice. Fiind mai mult cu destinaie tehnic, fibrele anorganice consacrate drept fibre clasice (de asbest, de sticl, metalice) sunt238

Tabel 51. Fibre pentru domeniu de utilizare i proprietile lor mecanice Fibre Fibre Fibre Fibre Microfibre i convenioperformante performante performante fibrele speciale nale organice cu organice anorganice modul nalt i termorezistenacitate tente i cu ridicat inerie chimic ridicat Naturale: Para-aramide: Meta-aramide: Carbon, Microfibre bumbac, Kevlar Nomex ceramice, bor, < 0,5dtex ln, (DuPont), (DuPont), wolfram, Fibre cu absorbie a mtase, iut, Twaron Conex (Teijin), alumin energiei solare etc. (Acordis) Kermel (Saffil), (Solar Alpha) Artificiale Polibenzimidaz (Rhodia), siliciu cu Fibre senzori viscoza, ol (PBI), Kynol (Kynol), modul nalt, termici acetat, Polibenzbistiaz Panox (SGL), azotur i (termocromice) lyocell, etc. ol (PBT) Polimeri carbur de Fibre parfumate Sintetice: UHMWPE: aromatici : siliciu Fibre antibacteriene poliamide, Dyneema PEEK (Victrex (Clorofibre poliesteri, (DSM), i Zyex), aseptice) poliureSpectra(Allied PEK, PPS, Fibre cu goluri tanice Signal) Ryton Fibre antistatice, poliolefini(Phillips); ignifuge ce PTFE, Teflon (DuPont), P84 (Lenzing) Tenacitate : 0,1 - 0,5 N/tex modul: 2 - 18 N/tex alungire: 2 - 17 % Tenacitate: 1,5 - 3 N/tex modul: 25 - 150 N/tex alungire: 1-8% LOI = 20- 40 Tenacitate: 1 - 2 N/tex modul: 15 - 25 N/tex alungire: 1-4% LOI = 23-55 Tenacitate: 0,5 - 2 N/tex modul: 70 - 220 N/tex alungire: 0 - 1,5 % Tenacitate: 0,1 0,4 N/tex modul: 2 - 15 N/tex alungire: 2 - 17 %

prezentate n aceast grup a fibrelor cu destinaii speciale i nalt performante. Comparativ cu fibrele textile organice convenionale, cele nalt performante prezint un grad nalt al orientrii moleculare.

XII.1 Fibre organice nalt performante Contribuia lui Keller la nelegerea dezvoltrii cristalului i confirmarea tendinei polimerilor de a forma structuri cristaline prin plierea catenelor macromoleculare a impulsionat dezvoltarea fibrelor organice cu rezisten deosebit i modul nalt. n timpul procesului de cristalizare, macromolecule lungi se pliaz i se structureaz ntr-un cristal lamelar.

239

Fibre aramidice. Polimerii care stau la baza acestor fibre conin funciuni amidice (-NH-CO-), n urmtoarele unitai structurale: -[-NH-Ar-CO-]-, pentru clasa de polimeri AB -[-NH-Ar1-NH-CO-Ar2-CO-]-, pentru clasa de polimeri AABB unde Ar1 i Ar2 sunt uniti aromatice identice sau diferite. Unitile aromatice conin inele fenilenice i naftalenice i, n unele cazuri, inele heterociclice condensate. Toate poliamidele aromatice sunt numite aramide pentru a le identifica ca o nou clas de materiale i pentru a le destinge de poliamidele alifatice i poliamidele alifatic-aromatice. Cuvntul aramid este un termen generic, descris de U.S. Federal Trade Commission ca o fibr sintetic n care substana care formeaz fibra este o caten lung de poliamid sintetic n care cel puin 85% din legturi sunt ataate direct la dou inele aromatice. Potrivit acestei definiii, fibrele aramidice includ multe fibre poliamidice, n intregime aromatice, comercializate sub diferite denumiri: Kevlar, Nomex, Technora, Teijinconex i Twaron. Poliamidele aromatice au fost sintetizate nc din anii 1940 i s-au remarcat prin stabilitatea lor termic i rezistena chimic. De asemenea, manifest temperaturi de tranziie sticloas i de topire mai ridicate dect poliamidele alifatice. Ca i la alte clase de polimeri, structura molecular a poliamidelor aromatice impune multe din proprietile chimice i fizice, cum ar fi solubilitatea, temperatura de tranziie, stabilitatea termic, gradul de cristalinitate i proprietile fibrei. Aceste proprieti au efecte semnificative asupra metodelor i costului de obinere al polimerului. De aceea, modificri ale compoziiei polimerului sunt des cerute pentru modificarea proprietilor. Modificarea polimerului include modificri asupra unitilor ciclice i substituire cu uniti mai mari pentru a afecta rigiditatea i unghiurile de valen ale catenei principale. n primele sinteze, poliamidele aromatice erau caracterizate prin temperatur ridicat de topire, conformaie neliniar a catenei, cristalinitate redus i o solubilitate medie. Aa cum se prezint n formulele unitilor structurale, aceti polimeri conin nlnuiri de cicluri meta- sau amestecuri de meta- i para- fenilenice. n plus, unele conin grupe funcionale ce ajut solubilizarea, ca: sulfonil izopropiliden, etc. Din aceste cercetri a rezultat sinteza poli(m-fenilen izoftalamidei) (MPD-I) i comercializarea fibrei aramidice Nomex n 1962. Succesul n obinerea acestor poliamide aromatice a impulsionat cercetrile din domeniul fibrelor nalt performante cu o rezisten termic i tenacitate superioar. Efortul a dus la sinteza lanurilor poliamidice extinse para-orientate care se remarc prin rigiditate i modul nalt.240

Fibrele aramidice sunt de dou tipuri: rezistente la temperaturi nalte - meta-aramidele (folosite mult pentru materiale de protecie termic) i cele rezistente mecanic: para-aramidele (folosite pentru veste antiglon, ranforsarea cauciucurilor, materiale de friciune, sfori i compozite avansate). De la nceputul comercializrii lor, n 1970, cererea mondial de p-aramide a atins, n 2005, 50.000 t/an, iar cea de m-aramide, de 25.000 t/an. Aramidele reprezint un punct de referin important n dezvoltarea industriei textilelor tehnice, dei reprezint mai puin de 0,5% din volumul produciei mondiale de fibre tehnice i 3-4% din valoare. n prezent se poate vorbi de o serie de 3 generaii de fibre para-aramidice. Fibrele Kevlar HT, cu o tenacitate cu 20% mai mare i fibrele Kevlar HM, cu un modul 40% mai mare dect Kevlar 29 sunt utilizate pe larg la ranforsarea compozitelor din industria aeronautic. Para-aramidele au o temperatur de tranziie sticloas ridicat, de pn la 370C, nu se topesc i nu ard uor, se carbonizeaz la aproximativ 425C. Toate fibrele aramidice sunt sensibile fotodegradrii necesit fotostabilizare atunci cnd se folosesc n atmosfer deschis. Fibrele Technora (de la firma Teijin) i Supara sunt alte fibre de nalt tenacitate i cu modul nalt, ce au la baz copolimeri paraaramidici filai izotrop, dar prezint rezisten i modul mai sczut dect fibra Kevlar. Sunt i ali polimeri filabili obinui din lichide cristaline filabile. n Olanda, n anul 1970, firma DSM a dezvoltat o tehnic de supraetirare cunoscut sub numele de filare din stare de gel, unde se folosesc soluii diluate a polimerilor cu masa molecular ultranalt obinndu-se fibre polietilenice cu mas molecular ultra nalt (UHMWPE), prin plierea catenelor macromoleculare i astfel crete rezistena i modulul fibrei. Dyneema sau Spectra, mrci de UHMWPE, sunt astzi cele mai rezistente fibre avnd rezistena specific de 70 GNm-2. Raportat la masa specific, aceast fibr este de 15 ori mai rezistent dect oelul i de 2 ori mai rezistent dect poliamida aromatic - Kevlar. Are densitate sczut, este inert din punct de vedere chimic i rezistent la frecare. Punctul de topire este n jur de 150C iar la 350C se degradeaz termic, de aceea se utilizeaz numai la temperaturi rezonabile. Pentru a se obine caracteristici performante mai bune la temperaturi ridicate, prin anii 1960, s-au explorat alte moduri de realizare ale fibrelor organice rezistente i cu modul nalt. O realizare de succes a fost valorificarea polimerilor n stare lichid-cristalin cnd se obin macromolecule lungi, ntinse, rigide, cu mase moleculare de pn la 20.000, din poliamide sau poliesterii, prin policondensare. Inelele aromatice rigide, mpreun cu legturi de hidrogen intercatenare, imprim cele mai bune proprieti ntr-o configuraie de241

catene ntinse. Orientarea molecular este realizat la filare urmat de etirare. Fibrele policlorvinilice (PCV), cunoscute sub marca Rhovyl, au, pe lng utilizri clasice, de fibre textile, i utilizri tehnice bazate pe unele proprieti, precum : capacitate de izolare termic i fonic, neinflamabilitate, rezisten la ageni atmosferici, contaminare radioactiv sczut i uoar decontaminare, rezisten la ageni chimici agresivi, termoplasticitate, ncrcare electrostatic negativ, rezisten la lumina solar, etc. Se folosesc ca fibre antibacteriene, ignifuge, triboelectrice, termoplastice - n neesute. Fibrele politetrafluoretilenice (PTFE), cu sortimentele comerciale cunoscute sub numele de Teflon, sunt obinute ca fire continue de 44 tex, cu 60 filamente n seciunea transversal i cu 4 torsiuni/m i fibre scurte sub form de pal. Prezint rezisten termic i chimic deosebit, densitate de 2,2 g/cm3, tenacitate : 1,68 cN/den, modul de elasticitate : 0,7 4 cN/den, LOI : 40. Sunt folosite pentru filtre n medii corozive, haine de protecie (Gore-tex R), izolri electrice i termice, valve, etanri de pompe, garnituri. Din fibre PTFE se realizeaz esturi, tricoturi, neesute i produse mpletite. Fibre poliamid imidice (PAI) au o structur poliaromaticheterociclic i prezint tenacitate ridicat (2,5 6 cN/den), modul ridicat de elasticitate (35 75 cN/den), temperatura de utilizare pn la 300 oC, LOI: 32, o bun rezisten chimic, nu degaj fum i gaze toxice. Cunoscute sub denumire comercial de Kermel (realizate de firma Rhone-Poulenc) sunt folosite pentru articole industriale: reele cord exploatate la temperaturi nalte, filtre din industria chimic, benzi transportatoare, esturi rezistente la oc, materiale electro- i termoizolante. Fibre poliester imidice (PEI) au, de asemenea, o structur poliaromat-heterociclic. Nu au rezisten mecanic deosebit dar pot suporta temperaturi de pna la 190 oC timp ndelungat de expunere. Sunt produse de firmele Akzo, Hoechst i Teijin, sub form de mono- i multifilamente utilizate la obinere de esturi i tricoturi tehnice, precum i la fire cord. Fibre polifenilensulfurice (PPS) sunt fibrele care au cel puin 85% din legturi sulfurice ataate direct la dou inele aromatice. Fibre comerciale Ryton (de la firmele Bayer, Hoechst, Teijin) au proprieti fizico-mecanice i chimice excelente i sunt folosite n medii corozive alcaline, la ranforsarea compozitelor. Fibre polibenzimidazolice (PBI), cu denumirea comercial Arasol, au o bun comportare chimic, proprieti mecanice i termice deosebite, se folosesc ca mbrcminte de protecie pentru pompieri, piloi, astronaui, cptueli de avioane, submarine i ca precursori pentru fibrele carbon.242

Fibre polieter-eter-cetonice (PEEK) avnd denumirea comercial Victrex (firma Hoechst-Celanese) rspund la dou deziderate ale materialelor moderne: stabilitate nalt fa de cldur i factori de mediu i rezisten mecanic mare. Fibrele sunt folosite pentru cabluri (n alpinism), pentru obinere de hrtii speciale i la ranforsarea compozitelor. Fibre poliimidice (PI) sunt pe baz de polimeri scalari. Sunt rezistente la radiaii luminoase i UV. Fibra P84 (firma Lenzing) s-a dezvoltat prin cercetare militar i este produs, n principal, pentru aplicaii militare. Se utilizeaz n esturi pentru confecionarea costumelor de protecie ntr-un domeniu larg de temperaturi: 190 350 oC Fibre poliesterice aromatice din cristale lichide (LCP) sunt obinute similar fibrelor Kevlar, din cristale lichide ale unor poliesteri aromatici. Fibrele Vectran (firma Hoechst-Celanese) ating tenaciti de 23 cN/den, sunt termoplastice i foarte rezistente la solicitri la oboseal. Sunt destinate echipamentelor sportive i pentru ranforsarea compozitelor. Fibre melaminice au o structur macromolecular reticulat, asemntoare novolacului. Sub denumirea de Basofil (firma BASF) au diverse utilizri n tehnic. Fibre polifenolice sunt fibre cu un coninut de cel puin 85% din mas novolac reticulat. Sunt cunoscute ca fibre Kynol (firma Toyo-Menka) i sunt folosite la hainele de protecie n armat, aviaie, marin, ca fibre de ranforsare a compozitelor, esturi pentru mobilier, acoperiri de ziduri, fabricare de psle i curele. Dezvoltarea fibrelor cu performane ridicate, de la nceputul anilor 1980, a determinat cele mai importante impulsuri evoluiei textilelor tehnice. Succesul rapid a fibrelor aramidice este explicabil prin accesibilitatea materiilor prime i prin tehnologii de obinere mai ieftine fa de fibrele de carbon. Alte fibre cu performane ridicate au aprut, mai ales la sfritul anilor 1980. Acestea includ o gam de fibre rezistente la temperaturi ridicate i ignifuge, adecvate pentru haine de protecie i aplicaii similare (fibre fenolice i polibenzimidazolice - PBI), polietilena cu mas molecular ultranalt de tip UHMWPE - foarte rezistent i cu modul ridicat, folosit mult pentru protecie balistic (antiglon) i fabricare de sfori, i polimeri ineri chimic, ca politetrafluoretilena (PTFE), polifenilensulfura (PPS) i polieteretercetona (PEEK) pentru utilizri n filtrare medii agresive din punct de vedere chimic. Nici una din aceste fibre nu a atins nc volumul de producie al aramidelor sau al fibrelor de carbon. ntr-adevr, producia unor fibre speciale se msoar nc n zeci t/an si nu n sute sau mii de t/an. Criza industrial de la nceputul anilor243

1990 a fcut ca muli productori de fibre s i revizuiasc strategiile de dezvoltare i s se concentreze pe arii limitate de piee i produse. Fibre aromatice filate din topitur, cu catene coninnd inele aromatice de para-fenilen, ca de exemplu polietereterceton (PEEK), polietercetona (PEK) i poliparafenilensulfur (PPS) au puncte de topire ridicate dar, pentru c temperaturile de topire sunt mai mici dect cele de descompunere, aceste fibre nu pot fi folosite pentru aplicaii ignifuge; totui rezistena lor chimic le face potrivite pentru filtrare la temperaturi sczute i medii corozive. Fibra poliheterociclic, polibezimidazol (PBI), produs de firma Hoechst-Celanese are un indice LOI mai mare dect aramidele. Are o rezisten excelent la cldur i la ageni chimici dar este o fibr nc scump. Fibra P84, produs iniial de firma Lenzing iar acum de firma Inspec Fibres (SUA), are o structur poliimidic i prezint rezisten la foc i la atac chimic. Fibrele pe baz de copolimeri acrilici, produse de firma Acordis i cunoscute sub denumirea de Inidex chiar dac nu se produc n cantiti semnificative ca fibrele aramidice, prezint o rezisten crescut la radiaii ultraviolete, un LOI ridicat i o rezisten redus la cldur pe termen lung. Fibrele acrilice oxidate Panox produse de firma SGL (Anglia), au la baz un polimer reticulat i sunt foarte rezistente la ardere, fiind realizate prin piroliza oxidativ controlat a fibrelor acrilice la 500C. Dei sunt de culoare neagr, nu sunt catalogate ca fibre carbon i i pstreaz mult din structura iniial necarbonizat. i pstreaz o alungire la rupere suficient de mare putnd fi prelucrate prin procese textile cunoscute. Fibrele Panox au LOI de 55. Tabelul 52 prezint valori de LOI i tenacitate pentru fibre organice termorezistente i inerte chimic.Tabel 52. LOI i tenacitatea unor fibre performante organice ignifuge i inerte chimic Fibra Poductor LOI (%) Tenacitate (GPa) Nomex DU PONT 29 0,67 Conex CONEX 29 0,61 Kermel RHONE-POULENC 31 0,53 Inidex COURTAULDS 43 0,12 PBI HOECHST-CELANESE 41 0,39 Panox RK TEXTILES 55 0,25 PEEK 42 PPS PHILLIPS 34 0,54

XII.2 Fibre anorganice nalt performante Orice fibr organic, n care hidrogenul este legat de carbon sau de alte elemente, se va descompune sub 500C i are stabilitate mai sczut, pe termen lung, la temperaturi nalte. Pentru a fi folosite la temperaturi ridicate244

este necesar s transformm fibrele organice n fibre anorganice, care s conin, n principal, numai atomi de carbon. Fibrele de sticl, azbest i mai recent fibrele de carbon sunt trei fibre anorganice intens folosite datorit unor caracteristici unice. Fibrele obinute prin piroliza fibrelor poliacrilnitrilice homopolimere sunt fibre de carbon. nlturarea prin piroliz a celorlate elemente chimice duce la creterea coninutului de carbon prevenind nucleaia i dezvoltarea cristalelor de grafit care sunt responsabile pentru pierderea rezistenei acestor fibre. Fibre de carbon, cu diferite structuri, se pot realiza i din smoal de tip mezofaz. Suprafeele grafitice n fibrele carbon obinute din precursor PAN se aranjeaz paralel fa de axa fibrei, comparativ cu aranjarea preponderent perpendicular n cazul fibrelor de carbon obinute din smoal. Rezistena lor ridicat, modulul nalt i extensibilitatea sczut fac s fie folosite n ranforsarea rinilor epoxidice sau rinilor aromatice, pentru realizare de materiale compozite Fibrele de sticl au fost, timp de muli ani, cele mai subapreciate fibre tehnice. Datorit modulului de elasticitate ridicat i a rigiditii, aceste fibre sunt casante. Folosirea ca atare a lor este dificil, fiind recomandat protejarea prin integrare n alte materiale polimere, numite matrice. Rinile epoxidice, poliesteri i ali polimeri, precum i cimentul, sunt materiale folosite ca matrice att pentru a le proteja ct i pentru a valorifica rezistena lor deosebit. Fibrele de sticl sunt folosite pentru realizarea de materiale compozite utilizate la vapoare sau brci, caroserii de maini, etc., reducnd masa total i costul de fabricaie, eliminnd astfel efectele negative ale putrezirii lemnului sau ruginirii fierului, materiale utilizate anterior pentru aceste construcii. Rezistena la cldur i punctul de topire ridicat au determinat folosirea lor ca materiale izolante eficiente. Folosite muli ani ca un material de izolaie ieftin sau ca agent de ranforsare pentru materiale plastice cu performane sczute i ca material pentru acoperiuri (SUA), fibrele de sticl sunt din ce n ce mai apreciate ca material valoros, cu proprieti ignifuge foarte bune si cu o rezisten foarte bun la cldur. Astzi, fibrele de sticl sunt foarte folosite la materiale compozite de mare performan, inclusiv materiale pentru etanare i ranforsare pentru cauciucuri, precum i materiale pentru filtre, haine de protecie i ambalaje. Posibilitatea realizrii materialelor compozite din fibre de sticl, folosite n industria automobilelor i ambarcaiunilor ca nlocuitor al componentelor metalice i n industria de bunuri casnice, promite piee noi. Consumul total de textile din fibre de sticl n aplicaii tehnice era de 2,3 milioane t/an n 1995 i 3,5 milioane t/an n 2005, reprezentnd peste 20% din consumul total de fibre tehnice245

Azbestul este denumirea generic pentru o varietate de silicai cristalini care se gsesc n mod natural n unele roci. Fibrele care sunt extrase au proprieti asemntoare fibrelor textile (finee, rezisten, flexibilitate) i, spre deosebire de fibrele convenionale, o bun rezisten la cldur, cu o temperatur de descompunere n jur de 1550C. Folosirea lor din timpuri preistorice ca material de ranforsare pentru realizarea de vase de gtit s-a descoperit n Finlanda n urma unor spturi arheologice. n vremurile noastre utilizarea lor s-a extins la ranforsarea cimentului pentru realizarea de plci de azbociment folosite la acoperirea cldirilor, izolaii termice. Prin descoperirea efectului cancerigen, fibrele de azbest s-au nlocuit parial cu alte fibre. Cererea crescnd n domeniul militar i n industria aerospaial, pentru aplicaii n condiii extreme, a fcut ca ultimul sfert al secolului XX s apar pe pia o nou gam de fibre nalt performante pe baz de oxizi metalici destul de scumpi, din bor i silicai. S-au dezvoltat mai multe tipuri de fibre ceramice cu performane ridicate, dar sunt utilizate strict n aplicaii specializate, datorit preului ridicat i a proprietilor mecanice limitate. Aluminosilicaii sunt amestecuri din oxid de aluminiu i bioxid de siliciu; rezistena termic a lor depinde de raportul celor doi oxizi. O cocentraie mai mare de oxid de aluminiu crete rezistena termic de la 1250C la 1400C. In ciuda acestei termorezistene ridicate aceste fibre nu sunt folosite n condiii de efort extrem datorit tendinei de fluaj la temperaturi ridicate. Se folosesc n principal la izolarea furnalelor i la nlocuirea fibrelor de azbest n producera materialelor de friciune, a garniturilor i etanrilor. Se produc de asemenea fibre din oxid de aluminiu, oxid de siliciu i siliciu. Fibrele de bor pure sunt foarte friabile i se folosesc la acoperirile miezului de fibre carbon sau wolfram. Principala lor utilizare este n realizarea materialelor compozite uoare, foarte rezistente, avnd modul ridicat, folosite drept componente de avioane sau rachete. Utilizarea fibrelor de bor este limitat datorit faptului c sunt subiri (16 m), cu slab stabilitate n matricea metalic i datorit pierderii de rezisten odat cu creterea temperaturii. Fibre din azotur de bor (BN) se folosesc, n special, n industria electronic drept izolatori electrici i conductori termici. Cea mai important caracteristic a carburii de siliciu este capacitatea de a funciona n condiii de oxidare de pna la 1800C cu o pierdere nesemnificativ a proprietilor mecanice. Fibra din carbur de siliciu depete fibra carbon n rezisten fa de oxidare la temperaturi ridicate (pn la 1800C), cu pierdere minim a proprietilor mecanice, n rezistena electric (care este mult mai bun) i n comportare la solicitri de246

compresie. Fibrele din carbur de siliciu avnd n compoziie atomi de carbon, i pierd o parte de proprieti tensionale dar au o conductivitate electric mai bun. Multe din fibrele anorganice la care s-a fcut referire, pot fi produse i ntr-o form microcristalin sau whisker i nu sub form normal de fibr textil. Aceast form cristalin de whisker confer proprieti mecanice extrem de bune, o rezisten la traciune de 3-4 ori mai mare dect a majoritii fibrelor de ranforsare. Au un pre relativ mare iar includerea n structuri compozite este destul de dificil. n afara structurilor macromoleculare, polimere, care alctuiesc marea diversitate a fibrelor textile, exist i alte materii prime de natur anorganic din care se pot obine fibre, prin tehnologii specifice. Aceste fibre sunt cunoscute ca fibre anorganice, minerale sau nepolimere i sunt naturale sau artificiale. Din cadrul fibrelor naturale fac parte fibrele de azbest iar din cele artificiale fibrele de sticl. Fibre de azbest Din punct de vedere al compoziiei chimice azbestul este un minereu pe baz de silicai de calciu i magneziu care se gsete n natur sub form de mnunchiuri de cristale fibroase. Fibrele de azbest se extrag din anumite roci n care se gsesc zone cu structur fibroas intercalate prin zone de steril. Mai importante sunt dou tipuri de azbest fibros: amfibolitul i serpentinul. Dintre aceste variante, crisolitul (azbestul alb) deine 94% din producia mondial de azbest, fiind cel mai important material pentru tehnic, producia anual fiind de peste 1 milion de tone. Datorit principalei proprieti a azbestului de a nu arde (azbestos nu arde), produsele din azbest se folosesc pentru haine de protecie antifoc, dar i ca materiale izolante cu utilizri n construcii sau alte domenii. Azbestul destinat filrii i ulterior eserii trebuie s aib o lungime a fibrei ct mai mare (cele mai lungi sunt ntre 20 i 50 mm) i se prelucreaz dup sistemul de filare a lnii cardate, cu unele modificri tehnologice. Pentru ca filarea s fie posibil este necesar s se realizeze un amestec de fibre de azbest cu fibre celulozice (bumbac sau celofibr) cu o lungime ceva mai mare ca a celor de azbest cu rolul de a prelua procesul de filabilitate. Procentul de fibr suport poate fi de 10-20%. Ulterior, firele se es i se confecioneaz mbrcmintea conform destinaiei. Redarea proprietilor ignifuge se face printr-o ardere rapid cu scopul ndeprtrii fibrei celulozice. n afara principalei proprieti a azbestului de a nu arde, acesta are i o rezisten bun la temperatur i agenii acizi. Principalele proprieti ale fibrelor de azbest sunt prezentate n tabelul 53.Tabel 53 Proprietile fibrelor de azbest

247

Proprietate Culoare Densitate, (g/cm 3) Diametrul fibrei, (m) Lungimea fibrei, (mm) Rezistena la traciune, (GPa) Modulul, (GPa) Temperatura de topire, (C) Temperatura de utilizare, oC Conductibilitate termic, (W/m oK) Rezisten la: - solveni - acizi concentrai - baze concentrate + comportare bun; - comportare slab

Valoare alb, gri, verde, albastru 2,2 - 3,4 10 - 100 1 - 70 2 22,5 30 - 190 1550 600 0,07 + +

Unul dintre dezavantajele importante ale azbestului este acela c n timpul uzurii se formeaz fraciuni fine de fibre (cristale sub forma unor ace) care ajungnd n atmosfer pot fi inspirate i provoac cancer pulmonar. De aceea n ntreaga lume s-a cutat nlocuirea azbestului cu fibre performante (acrilice speciale, aramidice, etc.). Fibrele azbest destinate materialelor textile sunt importante din urmtoarele considerente: se pot prelucra corespunztor prin tehnologiile textile, proprieti mecanice bune (rezisten la traciune i forfecare, modul ridicat etc.), proprieti termice deosebite (nu ard, nu se topesc), rezisten bun la substane chimice i solveni, proprieti electrice de izolare. Din azbest se obin urmtoarele produse textile: fire de ntrire pentru suporturi de friciune (ferodou pentru frn i ambreiaj); fire, esturi, sfori, frnghii izolatoare de cldur; produse de umplutur; materiale textile diverse pentru mbrcminte de protecie. Fibre de sticl Fibrele de sticl au fost produse de sticlarii veneieni care foloseau filamentele de sticl colorat la includerea lor ntr-o mas de sticl incolor pentru a obine efecte decorative speciale. n secolul al 18-lea filamentele de sticl erau folosite pentru diverse broderii i pentru fabricarea perucilor. Penuria de azbest i utilitatea n anumite domenii (mai ale n ranforsarea compozitelor) a fcut ca producia de fibre de sticl s creasc. Principii de obinere i sortimente Procesul tehnologic de obinere a fibrelor de sticl cuprinde dou faze principale: obinerea sticlei i filarea fibrei. Materia prim pentru fabricarea fibrelor de sticl o constituie produsele anorganice fuzibile pe248

baz de silicai extrase din nisipurile silicoase. n funcie de compoziia chimic a materiei prime se poate obine o gam extins de fibre cu proprieti foarte diferite ntre ele. Principalele categorii de fibre de sticl obinute, n funcie de compoziia chimic: fibre tip E (cu rezisten electric mare), tip C (cu rezisten chimic), tip S (cu rezisten mecanic mare), tip L (absorbante de radiaii), tip A (alcaline), etc. Procesul tehnologic de obinere a fibrelor comport dou etape: - topirea minereului pe baz de siliciu la 1200 - 1600oC n cuptoare speciale. Din topitura de sticl se confecioneaz baghete sau bile care sunt sortate pentru eliminarea acelora care conin pri netopite sau alte defecte; - filarea se realizeaz din topirea bilelor sortate la temperatura de topire specific tipului de minereu folosit i trecerea acestei mase vscoase prin orificiile filierelor. Filamentele la ieirea din filier, n contact cu un curent de aer se rcesc i solidific, apoi se nfoar cu o vitez mare pe formate speciale, realizndu-se astfel o puternic etirare cu subierea corespunztoare a filamentelor. n cazul filrii fibrelor scurte (Verranne), filamentele formate la ieirea din filier nu mai sunt etirate mecanic ci sunt antrenate de ctre dou jeturi paralele de aer comprimat n direcia de filare cu scopul de a provoca rupere la anumite intervale, n funcie de lungimea fibrei dorite. Fibrele rupte sunt pulverizate cu anumite substane de ncleiere i sunt depuse pe un tambur perforat, prin care se aspir aer, ceea ce face ca ptura s devin compact cu structura neesut. nfurarea filamentelor pe formate nu este posibil fr uleierea lor avnd i rolul de apret pentru a le ine lipite ntre ele, conferindu-le n acelai timp i o elasticitate mai bun. Pentru firele destinate esturilor se folosesc ca ageni de uleiere - apretare: dextrina, parafina, gelatina, ageni de emoliere, alcool polivinilic etc. n cazul folosirii fibrelor pentru armare n compozite cu matrice polimer nu se utilizeaz uleierea ci alte substane cu rol de adezivitate. n funcie de domeniile de utilizare se pot obine fibre i filamente cu geometrii variate ca de exemplu: - fibre ondulate care servesc ca element de ranforsare la fabricarea hrtiei, mpletituri sau amestec cu fibre azbest, care confer o mai bun fixare a fibrelor ntr-o matrice; - fibre texturate, texturarea realizndu-se cu jet de aer, destinate esturilor de efect i articolelor de protecie antitermic i antiflacr. O astfel de estur a fost realizat sub denumirea de Tyglas, termostabil pn la 1000oC, cu o rezisten mai mare dect azbestul pn la 250oC; - fibre cu lumen i aspect rugos al suprafeei (ca efect al trecerii fibrelor printr-un cmp electrostatic); - microfibre (fibre scurte i filamente) cu diametrul cuprins ntre 0,2 i 2 m. Aceste microfibre sunt folosite pentru obinerea materialelor (esturi)249

cu suprafa microporoas pentru filtrarea particulelor mici aflate n suspensie i separare de sisteme lichide (de ex. separarea solvenilor din apele reziduale). Proprieti i domenii de utilizare - rezisten mare la traciune (500-15000 N/m2), n funcie de diametrul fibrei; - rezisten la cldur (la 400oC scade rezistena pn la jumtate, iar ntre 650-850oC ncep s se nmoaie). Nu ard. - rezisten bun la radiaii; - o bun capacitate de izolare electric i termic; - rezisten la agenii chimici (cu excepia acidului fluorhidric); - nu sunt toxice i sunt rezistente la microorganisme. Alte proprieti n comparaie cu fibre de azbest se prezint n tabelul 54. Utilizarea fibrelor i filamentelor de sticl era limitat, datorit mai ales rezistenei lor slabe la ndoiri repetate, motiv pentru care se folosesc ndeosebi n scopuri tehnice: ranforsarea compozitelor, material izolant i filtre pentru industria chimic. Fibre de cuar Fibrele de cuar se realizeaz din bioxid de siliciu pur (peste 99,6% SiO2). Tehnologia clasic de obinere a fibrelor de cuar const n topirea sticlei de cuar la temperaturi pn la 2500oC sub presiune (1310 Pa) si n atmosfer de gaze inerte (argon, azot sau heliu). Filamentele la ieirea din filiere se solidific n contact cu aerul rece i se nfoar pe formate speciale. Fineea filamentelor se realizeaz n funcie de condiiile n care Tabel 54. Proprietile unor tipuri de fibre de sticl comparativ cu fibrele de azbestProprieti Azbest Sticl E 2,6 9 - 10,5 2,1 70 - 120 75 2800-3200 4 - 3,5 600 Enka- Silica iso TERM 1000 2,2 30 - 60 >3000 LT 1,8 10 14 - 28 13 1300 1,8-2,0 HT 2,0 10 0,2-0,8 30-40 48-56 3300 1,4-1,5 1100

Densitate, (g/cm 3) Diametrul filamentelor (m) Rezistena la traciune, (GPa), (cN/tex) Modulul, (GPa), (cN/tex) Alungirea la rupere, (%) Termorezistena, () la: -timp scurt -timp ndelungat

2,2 - 2,6 2-6 150 - 180 30-160 6150-7300

450

1100 900

250

Rezistena la: -acizi -baze -dizolvani Temperatura la topire (oC) Contracia (%) -pn la 600oC -pn la 1000oC

1550

650

bun bun bun >1100

f.bun f.bun f.bun 6,6 9,6

f.bun f.bun f.bun 1700 0,1 1,2

are loc tragerea acestora (temperatur, mediu, vitez). Astfel, dac filamentul iniial are o grosime de cca 0,1 mm, prin trageri succesive se poate ajunge la diametre cuprinse ntre 1 - 2 m ca microfibre ultrafine. Fibrele Silica se obin din sticl solubil de sodiu (prin topirea carbonatului de sodiu cu nisip), fazele metodei pot fi reprezentate n sistem ternar: Na2O-SiO2-H2O. Capacitatea de formare a fibrei de sticl solubil de sodiu, depinde de cantitatea de silicat dizolvat i de raportul ionilor de sodiu echivalent. Formarea fibrei prin metoda de filare uscat se realizeaz imediat la ieirea din capul de filare dup care se nfoar pe formate. n funcie de condiiile de filare i tratamentele ulterioare (de regul n bi acide) se pot obine mai multe variante de fibre. Filamentele formate sunt pure, depesc 99,6% SiO2, i au o structur amorf, chiar dac materia prim, nisipul silicos, este un cuar cristalin, acesta prin topire i rcire capt structur amorf. Fibre ceramice Fibrele ceramice sunt materiale refractare speciale pe baz de silicat de aluminiu sau oxid de aluminiu, n componena crora intr n principal Al2O3 i SiO2 la care se adaug oxizi metalici i materiale organice. Aceste tipuri de fibre nu au proprieti textile, pentru a fi prelucrate necesit fibre nsoitoare i sunt utilizate n scopuri tehnice (izolare, etanare, compozite). Din punct de vedere structural fibrele ceramice sunt tridimensionale, neorientate izotrop - amorfe sau policristaline cu legturi covalente. n pofida legturilor tridimensionale - din cauza neorientrii - rezistena si modulul au valori mici n comparaie cu fibrele carbon (tabel 55). Fibrele ceramice se obin dintr-un amestec de oxid de aluminiu i bioxid de siliciu cu adaosurile corespunztoare (de ex. carbonat de sodiu, borax sau oxid de zirconiu) care se topete la 2000oC n cuptoare electrice speciale.Tabel 55. Proprietile unor tipuri de fibre anorganice Ceramice Carbu- Oxid Proprieti r de de Zr Si Carb ura de bor Oel Fibra de carbon HM

251

Densitate, (g/cm 3) Diametrul filamentelor (m) Rezistena la traciune, (GPa), (cN/tex) Modulul, (GPa), (cN/tex) Alungirea la rupere, (%) Termorezistena, () la: -timp scurt -timp ndelungat Rezistena la: -acizi -baze -dizolvani Temperatura la topire (oC) Contracia (%) -pn la 600oC -pn la 1000oC

2,5 - 3,3 3 - 18 0,6 - 2,4 70-385 900-1450

3,2 2,10 490

5,0 5,6 280

1,8 3,7 195

7,8 2,6 200

1,8 2-4 400

600 mediocr slab f.bun 1630-2000

2690

1900

Transformarea n fibrile se realizeaz prin tehnici diferite, mai folosite fiind cele de suflare cu aer comprimat i de centrifugare. Topitura prsete capul de filare sub form de picturi mrunte care, sub aciunea curentului de aburi supranclzii i a vitezei, se transform n fibre cu diametre diferite, iar o alt parte a topiturii se solidific sub form nefibroas sau parial fibroas. Fibrele formate se depun pe o band rulant format dintr-o plas sub care acioneaz o presiune sczut, ceea ce face posibil formarea vlului neesut. Aceste fibre se vor transforma n fire folosind ca fibr nsoitoare, bumbacul i celofibra (ca la azbest). Reprezentative sunt fibrele obinute cu adaosuri de oxizi de aluminiu, zirconiu, taliu, titan, litiu, sodiu, beriliu, nitrur de bor, de siliciu etc. Acestea se obin n general prin impregnarea n prealabil a unor fibre precursoare (bumbac, viscoz) cu substane anorganice (oxizi, carburi sau nitruri) dup care se supun unui proces controlat de piroliz, n timpul cruia, componenta organic este ndeprtat rmnnd numai scheletul anorganic. n SUA s-au realizat recent fibrele ceramice tip: Nextel 312 i 440 cu o compoziie de 70% oxid de aluminiu, 28% oxid de siliciu i 2% oxid de bor, a cror rezisten la rupere este de 2 GPa i o rezisten termic pn la 1370 oC. O alt variant realizat tot n SUA este cunoscut sub denumirea de PRD-166 cu un coninut de 20% oxid de zirconiu i a crei rezisten la rupere ajunge pn la 2,4 GPa. Fibrele ceramice sunt nc foarte scumpe i se utilizeaz mai ales ca nlocuitor de azbest sub form de pufuri (umpluturi pentru materiale de etanare), fire cu diferite fibre nsoitoare, nururi, ae, esturi, speciale etc.

252

n Anglia s-a realizat produsul (estura) Fibersil din generaia a II-a a textilelor ceramice, deoarece conin numai 1% material organic fa de 15 - 25% din prima generaie. Fibra este neinflamabil i poate fi utilizat pn la 1090oC. Fibre metalice i metaloplastice Firele metalice cunoscute din cele mai vechi timpuri au fost realizate din metale nobile: platin, aur, argint etc. i folosite pentru articole de mare lux, sub form de esturi sau broderii. n ultimii ani, sortimentul de fibre metalice pentru produsele textile s-a mbogit cu alte categorii de fibre, fibre metalo-plastice realizate din combinaii de metal cu materiale plastice peliculogene, utilizate ca fire de efect pentru esturi sau tricoturi. Funcie de natura materialului i de domeniul de utilizare fibrele de acest tip se mpart n patru grupe semnificative: metalice, metalo-plastice, plastice i combinate (tabel 56). Tehnica folosit pentru obinerea firelor metalice este cea de trefilare (subiere) sau laminare. Firele metalice din cupru obinute prin trefilare sunt cele mai vechi fire utilizate n textile i au fost realizate n Frana la Lyon - motiv pentru care mai sunt cunoscute i sub denumirea de fire leonice. Materia prim, srma de cupru, cu un diametru de 2 mm se trefileaz treptat pn se ajunge la un diametru de 0,57 mm. Se execut apoi operaia de argintare urmat de nc dou trefilri succesive ajungndu-se la un diametru de 0,24 i respectiv 0,05 mm. n acest caz se realizeaz un fir de argint fals. O alt variant de fir este cea obinut din almirea cuprului dup care urmeaz trefilarea pn se ajunge la un diametru de 0,05 mm firul este de aur fals. Produsele argintate pot fi tratate n continuare n dou moduri: prin aurire, obinndu-se firul de aur care este i cel mai scump, i prin protejarea firului argintat cu pelicule polimere transparente i se obine firul de argint inoxidabil (mai ieftin), iar dac pelicula este colorat n galben se obine firul de aur inoxidabil. n mod similar se pot obine fire metalice colorate n funcie de culoarea peliculei de acoperire.Grupa Fibre metalice Tabel 56. Fibre metalice i metaloplastice Fir realizat din: Denumirea comercial Srm de cupru trefilat Srm de cupru laminat Srm de cupru laminat nfurat pe suport extil a.Folii metalice acoperite cu pelicule polimere: Aluminiu acoperit pe ambele pri cu pelicule de viscoz Aluminiu acoperite cu LAMINETTE Domenii utilizare -pasmanterie -panglici -tricoturi de

LAME, CELOMETAL, CROMOFLEX LUREX B, REXOR R LUREX TA

-esturi, tricoturi, pasmanterie -esturi, tricoturi, pasmanterie -esturi, tricoturi,

253

Fibre metaloplastice

Fire plastice Fire combina te

pelicule de acetat de butil Aluminiu acoperit cu pelicule de triacetat de celuloz Aluminiu acoperit cu pelicule de poliester Aluminiu acoperit cu pelicule de polipropilen b.Folii plastice metalizate cu aluminiu n vid: Folie din PES metalizat i acoperit cu pelicule din PES Folie din polietilen (PE) metalizat i acoperit cu pelicule din polietilen 1. Folii din viscoz 2.Folii din poliester 1.Fire metalo-plastice nvelite sau rsucite cu fire textile 2.Fire plastice rsucite cu fire textile

LUMINEX INOXOR FLEXOR PLASTILAM, LUMIYARN, LUREX MF LUMINEX

pasmanterie -esturi, tricoturi, pasmanterie -esturi, tricoturi, pasmanterie -esturi, tricoturi, pasmanterie -esturi, tricoturi, pasmanterie

VIRES, CELOFAN REXOR TR

-esturi, tricoturi, pasmanterie -esturi, tricoturi, pasmanterie -esturi, tricoturi, pasmanterie -esturi, tricoturi, pasmanterie

Aceste tipuri de fire se folosesc n special n pasmanterie pentru confecionarea galoanelor i treselor fiind caracterizate de o bun rezisten mecanic. Prin nfurarea firelor de cupru laminat pe miez de fir textil din mtase, viscoz sau bumbac i supus operaiei de aplatizare cu scopul de-ai mri strlucirea, se obine gama firelor Laminette. Rezistena acestor fire este dependent de natura firului suport. Din categoria firelor metalice mai fac parte i fibrele din oel inoxidabil aliat cu nichel sau alte metale ca: titan, crom, molibden .a. foarte fine utilizate n textile pentru antistatizarea covoarelor n special. Firma belgian Bekaert S.A. dup ce a realizat firele de oel inox n variantele Bekinox i Bekitex cu diametre de 8,12 i 22 m, din 1970 a reuit performana de a obine microfibre de oel de numai 2 m n diametru. Posibilitile de utilizare textil a acestor fire sunt: - materiale neesute cu coninut de 2% fibr de oel cu diametrul de 12 m destinate filtrelor de praf; - materiale esute, folosind fibre Bekitex n urzeal i bttur n procente reduse alturi de alte fibre; - mbrcminte de protecie (cu 1,2% fibr de oel); - covoare i tapierie (cu 0,11% fibr de oel de 12 m); - materiale textile de umplutur i multe altele.

254

O firm japonez realizeaz aliaje de metal amorf cu seciune circular prin rcirea brusc a topiturii. Aceste fibre de metal amorf dispun de o configuraie atomic neregulat. Acestea pot i prelucrate n esturi, tricoturi, sfori i impregnate cu rini. Sub aciunea cmpurilor magnetice aceste fibre emit semnale specifice nemaintlnite la alte materiale. Se utilizeaz la realizarea elementelor de inducie, detectoare de poziie, sensibilizatoare i elemente generatoare de impulsuri. Tot pentru scopuri speciale, n mod deosebit pentru materiale armate s-a realizat i noua categorie din fibre metalice microcristaline - whiskeri care pot fi obinute din diverse aliaje metalice. Obinerea fibrelor metaloplastice se poate realiza din: - folii metalice de aluminiu, cu o mas de 100 g/m2, care se acoper pe ambele fee cu pelicule polimere transparente sau colorate din viscoz, acetat, poliester, polietilen etc., dup care sunt tiate n benzi de limi diferite i dorite; - folii polimere care sunt metalizate n vid cu vapori de aluminiu. Foliile metalizate sunt protejate (pentru evitarea oxidrii n atmosfer) cu pelicule polimere transparente sau colorate. Acoperirea se realizeaz prin lipire cu adezivi speciali. Firma Bayer a elaborat un procedeu de metalizare att a firelor chimice i naturale ct i a suprafeelor textile (neesute, esturi, tricoturi) cu nichel i cupru (stratul de metal fiind de 0,05 - 1 m). Obinerea fibrelor plastice este mult mai simpl n sensul c peliculele polimere (folii) sunt tiate n benzi de diferite dimensiuni i folosite mai ales ca fire de efect discret (cu luciu i colorit estompat) alturi de firele textile clasice pentru esturi sau tricoturi. Firele combinate - pot fi obinute prin cele mai variate tehnici de a combina firele metalice, metaloplastice sau plastice cu firele textile filamenare sau filate din amestecuri de fibre textile naturale i sintetice. S-au realizat unele variante de fire ca de exemplu, un fir metaloplastic nvelit prin spiralare, cu unul sau dou fire textile din viscoz 100 den, mtase natural 20 den, poliamid 70 den. Folosirea cu pricepere i gust artistic de ctre specialitii n domeniu, permite creatorilor de mod s mbogeasc gama sortimental de esturi, tricoturi i confecii a cror valoare estetic i calitate sunt pe msur. Fibre carbon i grafit Fibrele carbon i grafit sunt materiale fibroase cu un coninut n carbon mai mare de 90%, obinute din compui organici ai carbonului. Se poate realiza o varietate mare de fibre carbon n funcie de coninutul de carbon, de la fibre parial carbonizate (cu peste 70 % carbon), pn la fibre total carbonizate, tip grafit, cu un coninut de carbon, de cca 98%. Fibrele255

carbon i grafit au structur polimer bidimensional (atomii de carbon pot realiza legturi n dou direcii spaiale, formnd structuri hexagonale specifice grafitului). Dei primele fibre carbon au fost realizate nc n 1889, din fibre de bumbac, pentru obinerea filamentelor becurilor cu incandescen, dezvoltarea lor ncepe dup 1950 datorit unor proprieti: termostabilitate, rezisten mecanic i chimic, nentlnite la alte fibre, i care sunt valorificate mai ales n realizarea de materiale compozite, utilizate n diverse domenii: aerospaiale, construcii de maini, sport, etc. Fibrele carbon se pot obine sub diverse forme, de la monocristale (whiskeri), cu diametru 0,5 - 5 m i lungimea de civa cm, pn la filamente, cu grosimea de 5 - 10 m Fibrele carbon i grafit sunt clasificate dup: - natura polimerului precursor (celuloza, PAN, PAV, fibre organice nalt performante, gudron-smoal, etc.); - tratamentul termic aplicat la piroliz: LHT, IHT i HHT; - proprieti mecanice: LM, IM, HT, UHM, SHT ( = 2 5 GPa i E = 200 1000 GPa). Obinere n procesul tehnologic de obinere a fibrelor carbon i grafit se folosesc polimeri precursori organici sub form de filamente, care sunt nclzii gradual, pn la temperaturi 3000 oC, cu scopul ndeprtrii din structura chimic a celorlalte elemente componente ale polimerului, cu excepia carbonului, fr a perturba configuraia catenei principale i a dezorganiza structura ordonat a filamentelor. Principala condiie pe care trebuie s-o ndeplineasc polimerul de plecare, este aceea ca prin nclzire s nu se topeasc nainte de descompunere. O asemenea condiie este ndeplinit, n principal, de doi polimeri filabili, celuloza i PAN. Temperatura de topire ridicat a acestor doi polimeri se datorete forelor puternice de coeziune intercatenare. O alt condiie care se impune polimerului precursor este aceea ca n timpul pirolizei, pierderile de carbon din structura chimic s fie minime, pentru a conserva coninutul iniial de carbon. Sub aciunea temperaturii, gradat cresctoare, n condiii riguros controlate, polimerii precursori se depolimerizeaz, cu pierderi masice rapide, concomitent cu procese de dehidrogenare, aromatizare i redistribuirea atomilor de carbon. n afara celor doi polimeri folosii curent la fabricarea fibrelor carbon i grafit se mai folosesc i alte materii prime, ca de exemplu, smoala, lignina sau filamente din polialcoolvinil, poliamide aromatice cu preoxidri iniiale pentru evitarea topirii. Cercetri recente pun n eviden posibiliti de folosire a unor polimeri precursori performani de tipul polimerilor aromatici neheterociclici (polimeri fenolici sau256

polifenilene) care au capacitatea de a cicliza relativ uor i a se transforma n structur de grafit. La obinerea fibrelor carbon i grafit sunt trei etape importante: stabilizarea (oxidarea), carbonizarea i grafitizarea. Stabilizarea (oxidarea) fibrelor PAN se realizeaz la o temperatur de 220-300oC, n aer, timp de 20 de ore, concomitent cu o etirare. Acest tratament este necesar deoarece filamentele din PAN prezint o temperatur de vitrifiere sub 100oC fapt care provoac, sub influena temperaturii, dezorientri i contracii apreciabile. Prin tratamentul de termo-oxidare se realizeaz o reticulare care frneaz dezorganizarea structural iniial. n acelai timp, este necesar ca filamentele s fie bine ntinse (pe rame rigide) pentru ca prin aceast constrngere s fie evitat dezorganizarea. De la temperatura de 240oC, reaciile sunt puternic exoterme i filamentele i schimb culoarea, din alb n negru. n aceast faz termooxidativ se produc reacii de oxidare cu apariia unor grupe carboxilice i cetonice, iar coninutul de carbon este de cca. 60%. Carbonizarea se realizeaz n operaii pirolitice, n etape succesive, n atmosfer de gaz inert. O prim faz a carbonizrii se realizeaz la temperaturi cuprinse ntre 300-700oC, n atmosfer de hidrogen, timp de 24 ore, cnd au loc reacii de condensare i ciclizare cu eliminarea hidrogenului, acidului cianhidric i a altor substane volatile, fr scindarea lanurilor macromoleculare. Urmeaz carbonizarea propriu-zis, ntr-un interval de temperatur, de 900-1700oC, n atmosfer de azot, timp de dou ore. Coninutul n carbon crete la cca 90%, fiind determinat de tratamentul preliminar de oxidare, de temperatura de carbonizare i de timpul de reacie. n aceast faz fibrele mai conin cca 7% azot i cantitti mici de hidrogen. Grafitizarea este ultima etap de obinere a fibrelor grafit. Grafitizarea reprezint ultimul stadiu pirolitic, care are loc la temperaturi cuprinse ntre 2800-3000oC, n atmosfer de argon, cu timp scurt de staionare (de la cteva secunde la cteva minute). Esena grafitizrii const n mrirea orientrii straturilor de grafit n direcia axei fibrei, n urma creia se formeaz structura turbostratic. n acest stadiu fibrele grafit conin ntre 95 i 98% carbon. Mecanismul reaciilor chimice care se produc n timpul procesului pirolitic este extrem de complex i depinde, n primul rnd, de structura chimic a polimerului precursor. Lund n calcul doar filamentele din PAN, acestea pot fi realizate din homopolimer sau copolimeri ai acrilonitrilului, care complic mecanismele reaciilor chimice. n funcie de etapele tehnologice la care este supus polimerul precursor n timpul pirolizei se obin urmtoarele categorii de fibre: - fibre stabilizate, pn la 300oC (preoxidate), de tip Panox; - fibre carbon tip III, pn la 1200oC n gaz inert (N);257

- fibre carbon tip II, pn la 1700oC n gaz inert (Ar.) - fibre carbon tip I (grafit), pn la 3000oC n gaz inert. Obinerea fibrelor de carbon avnd ca precursor gudronul mezofazic (MPP) const n realizarea, ntr-o prim faz, a precursorului corespunztor prin rafinarea gudronului la 400-500oC pentru ca acesta s fie transformat n gudron mezofazic. Gudronul cristal-lichid mezofazic (mesophase pitch, MPP) se fileaz din topitur. Filamentele obinute se etireaz i se stabilizeaz prin oxidare n aer, la cca 300oC, dup care urmeaz etapele de carbonizare n gaz inert, n condiiile dorite pentru a se realiza caracteristicile impuse de domeniul de utilizare. Structura i proprietile fibrelor tip carbon La fibrele carbon cu structur tip grafit, atomii de carbon se leag covalent pe dou direcii, pe cea de-a treia fiind legturi secundare. La nivel supramolecular (microfibrilar), fibrele carbon formeaz o structur turbostratic (structuri cristaline paralele rsucite n raport cu axa longitudinal a cristalului), cu un aranjament de tipul unor coloane stratificate (figura 75). Cristalitele sunt separate ntre ele prin legturi intercristaline (bride) i goluri. n urma grafitizrii, fibra i micoreaz diametrul i are un anumit grad de porozitate, dei fibrilele i cristalitele prezint un nalt grad de ordonare. Microfibrilele se asociaz n fibrile a cror diametru este cuprins ntre 50 i 100 A. Prin tensionare (etirare) n timpul pirolizei au loc orientri i paralelizarea elementelor structurale i se reduc microcavitile i defectele din cristale mbuntindu-se, astfel, proprietile fizico-mecanice. Din studiile de microscopie s-a constatat c fibra carbon I din PAN grafitizat la 2500oC prezint o structur bifazic de tipul manta-miez. Grosimea celor dou faze depinde de tratamentul termic, durat i condiiile de preoxidare. n funcie de aceste elemente de structur evolueaz i proprietile fibrelor tip carbon. Principalele proprieti fizico-mecanice ale unor tipuri de fibre carbon sunt prezentate n tabelele 57 i 58.Tabel 57. Proprieti fizice ale fibrelor carbon Proprietate Densitate, g/cm 3 Cldura specific, J/kg K Coeficient de conductibilitate termic, W/m K Coeficient de dilatare termic, 10-6/K Rezisten electric, 10-5 m Valoare 1,75 - 2 710 5 - 115 (-0,1)-(-1,3) axial, 18 - 30 radial 1,5 - 0,78

Tabel 58. Proprieti mecanice ale fibrelor carbon obinute din PAN Tipul de Modul de elasticitate Rezistena la rupere Alungire la rupere (%) fibr (GPa) (GPa)

258

IM HT HM UHM

250 - 310 200 - 250 350 - 450 483 - 1000

4-5 3-5 2-4 2,27

0,7 - 2,0 1,4 - 2,0 0,7 - 1,0

Fig. 57. Structura turbostratic a fibrelor carbon

Sortimente i domenii de utilizare In tabelul 59 sunt prezentate sortimentele de fibre de carbon comercializate i principalele lor proprieti.Marca AS-4 AS-6 IM 6 T-300 T-500 T-700 T-40 Celion Celion ST XAS HMS-4 PAN 50 HMS G-50 GY-70 P-55 Tabel 59. Fibrele carbon comercializate Productor PreDensitate cursor g/cm 3 Hercules, Inc. Hercules, Inc. Hercules, Inc. Union Carbide/Toray Toray Toray Celanese/ToHo Celanese/ToHo Grafil/Hysol Hercules, Inc. Toray GrafilIHysol Celanese/ToHo Celanese Union Carbide PAN PAN PAN PAN PAN PAN PAN PAN PAN PAN PAN PAN PAN PAN PAN Smoala 1,78 1,82 1,74 1 75 1,78 1,80 1,74 1,77 1,78 1,84 1 78 1,81 1,91 1,78 1,96 2,0 Tenacitate Modulul de GPa elasticitate, GPa 4,0 4,5 4,8 3,31 3,65 4,48 3,55 4,43 3,45 3,10 2,41 1,52 2,48 1,52 1,73 231 245 296 228 234 248 296 234 234 234 338 393 341 359 483 379

259

P-75 P-100 HMG Thornel 75

Union Carbide Union Carbide Hitaco/OFC Union Carbide

Smoala Smoala Viscoza Viscoza

2,0 2,15 1,9 1,9

2,07 2,24 2,07 2,52

517 724 345 517

Fibrele carbon se pot obine sub form de fibre scurte i fire filamentare de diferite finei. Acestea se prelucreaz n materiale textile tehnice care se folosesc pentru ranforsarea compozitelor, din care se produc articole uoare i cu rezisten mare. Compozitele cu fibre carbon se utilizeaz n urmtoarele domenii: piese de avioane, elicoptere, rachete i nave spaiale; articole de sport (rachete de tenis, truse de pescuit, vsle, schiuri etc.); elemente de construcii i piese pentru industria constructoare de maini. Fibrele de carbon se dezvolt pentru aeronautic, articole sportive de nalt performan i aplicaii textile industriale, cum ar fi materiale compozite pentru elicele generatoarelor eoliene i rezervoare de combustibil. Deoarece noile metode de fabricare ale fibrelor favorizeaz scderea preurilor, posibilitatea de lrgire a gamei de aplicaii (de ex. consolidarea cldirilor i a structurilor n zonele afectate seismic) a devenit din ce n ce mai atrgtoare pentru fibrele carbon. Astfel, n 2000, consumul de fibre carbon ajunsese la 13.000 t/an, iar n 2005 la 20.000 t/an. Aplicaii1. Definii texturarea i prezentai avantajele pe care prezint un fir texturat. 2. Care sunt procedeele de texturare? Descriei procedeele de texturare termomecanic. 3. Ce sunt texturatele productive? Cum se obin? 4. In ce const rotosetarea? 5. Prezentai caracteristicile specifice ale firelor texturate. 6. Ce sunt fibrele cu destinaii speciale i nalt performante? 7.Care sunt fibrele organice nalt performante?Prezentai principalele lor proprieti. 8.Care sunt fibrele anorganice nalt performante? 9. Fibre de azbest. Obinere, structur, proprieti, domenii de utilizare. 10. Fibre de sticl. Obinere, structur, sortimente, proprieti, domenii de utilizare. 11. Facei o paralel ntre fibrele de cuar i fibrele de sticl. 12. Fibre ceramice. Obinere, structur, proprieti, domenii de utilizare. 13. Fibre metalice i metalo-plastice. Obinere, structur, proprieti, domenii de utilizare. 14. Fibre carbon i grafit. Obinere, structur, proprieti, domenii de utilizare. 15. Prezentai reaciile termooxidative la PAN n procesul obinerii fibrelor carbon.

260